专利名称：一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制作方法
一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料
本发明涉及一种太阳能电池用高效光波转换纳米微粒复合材料 及其制备方法。 [技术背景]
随着世界人口的急剧增加，对能源的需求量也越来越大。太阳能
作为一种可再生能源，具有其他能源所不可比拟的优点。20世纪后 期发展起来的太阳能光伏电池已经用于人造卫星、信号灯、野外观测 站点的电源、广告用电源、光电水泵、家庭供电系统、太阳能汽车/ 船/飞机、微波通讯中继站电源、手机等领域，展现出巨大的市场应 用前景。自从Chapin等人1954年在贝尔实验室发明第一块单晶硅太 阳能电池到现在，人们就从没有停止过提高其光电转换效率的研究。 要提高太阳能电池的光电转换效率，主要可以通过优化器件设计如并 入背表面场、加强陷光技术、表面钝化技术以及制作减反射膜减少表 面的非吸收损失等。然而太阳能电池器件结构的优化和减反射膜技术 已经发展较成熟，进一步优化它们提高光电转换效率的空间不是太 大。我们知道太阳能辐射光谱是连续光谱，其分布范围从零点几微米 的紫外光到数微米的红外光为主。硅的能隙为1. 12V，晶体硅太阳能 电池主要吸收400nm到900nm左右的光，对400nm以下的光(紫光和 紫外光)有很低的量子效率，因此造成400nm以下太阳光能的很大损 失。如果想要进一步提高太阳能的利用率，增加太阳能电池的光电转
换效率，有必要充分利用这部分的太阳光能。
纳米微粒特别是量子点材料是当前光电材料与器件的研究热点， 其中纳米微粒奇特的发光现象为其展现了广阔的应用前景。许多纳米
材料在紫光或紫外光(400nrn以下)激发下可以发出波长在 500mn-700rnn范围内的可见光，而且控制纳米微粒的尺寸能得到多种 波段的光发射(蓝、绿、红等)，而晶体硅太阳能电池对这部分光有 较高的量子效率。如果根据需要将纳米材料应用到太阳能电池中，将 太阳光中400mn以下的紫光和紫外光成分转换到500-700mn内的可见 光，就能使晶体硅更有效地吸收太阳光能从而提高太阳能电池的光电 转换效率。本项目利用发光性能优良且稳定性好的纳米微粒作为太阳 能电池的光波转换材料，通过控制纳米微粒的成分和尺寸将太阳光中 的紫光和紫外光转换成适合于太阳能电池吸收的可见光，从而有效地 提高太阳能电池的的光电转换效率。 [发明内容]
本发明从太阳能电池光波转换材料实用化为目标，将纳米微粒掺 入有机聚合物中在太阳能电池表面制成透明光波转换薄膜层。通过控 制纳米微粒的成分、尺寸及在薄膜层的浓度将太阳光中的紫光和紫外 光转换成适合于太阳能电池吸收的可见光，从而提高太阳能电池的光 电转换效率，研制出高质量的太阳能电池光波转换材料。
本发明的目的通过以下措施来实现 一种高效太阳能电池光波转 换纳米复合材料，包括机聚合物、纳米微粒，其特征在于纳米微粒掺 杂到有机聚合物中的比例范围在0.01-10wt%。
有机聚合物采用聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧
烷或聚酰亚胺在400nrn到900nm范围内的光有很高的透过率、化学和 热稳定性高的透明有机化合物。
纳米微粒采用CdS或CdSe或ZnS或ZnO或Ti02或C或Si或A1203 或Ge或InP或SiC或PbS或PbSe或GaAs尺寸在10nm以下，紫外和 400nm以内的紫光激发下可以发出波长在500nm-700mn范围的可见 光、化学和热稳定性高的量子点。
工艺步骤包括(1)准备纳米微粒的材料，根据上述权利要求2 和3选择材料(2)采用物理或化学混合物理混合包括纳米微粒或 表面修饰活性基团的纳米微粒掺入有机聚合物的液态形式，然后固 化；纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒和有机聚合物在一定溶 剂中混合，然后将溶剂挥发；化学混合包括纳米微粒的表面修饰； 纳米微粒和有机聚合物的单体在一定溶剂中混合；通过反应使单体形 成聚合物(3)将上述复合材料涂布在太阳能电池表面形成透明光波 转换薄膜层。
纳米微粒由包括化学液相合成或化学固相合成或化学气相合成 或电解或电镀或溅射或蒸发或离子束生长的方法制备所得。
物理、化学制备步骤中的表面修饰剂采用巯基丙三醇或硫脲或疏 萘剂或磺基琥珀酸双2-甲基戊基酯钠盐或四硫富瓦烯四硫醇盐或十 二垸基硫酸钠。
物理、化学混合使用的溶剂包括水、酒精、丙酮、环氧树脂、硅 胶、氯仿。涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层采用丝网印刷 或旋涂或喷涂或化学沉积或电化学沉积的方法。
本发明同现有技术相比，用该方法制备的太阳能电池光波转换纳
米复合材料可将太阳光中400nm以下的紫光和紫外光成分转换到 500-700nm内的可见光，并且对400nm到900nm范围内的光有很高的 透过率。适于产业化生产的硅基和薄膜太阳能电池使用，可与硅基和 薄膜太阳能电池相匹配，提高其光电转换效率；该光波转换纳米复合 材料光波转换效率高、化学和热稳定性高、制备方法简单方便，可填 补目前太阳能电池市场需求的空白。本发明可在不增加太阳能电池成 本的条件下，通过本发明的纳米复合薄膜材料与太阳能电池的结合， 使太阳能电池的光电转换效率在已有基础上有效地提高2—15 %,从 而大大降低现有太阳能电池的综合成本，更有利于规模化应用普及。 [
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图1为实施例1的发射光谱图(360nm激发)。
图2为另一实施例2的电流-电压曲线图(125mm X 125mm的单 晶硅太阳能电池)。
图3为另一实施例2的电流-电压曲线图(125咖X 125mra的单 晶硅太阳能电池)。
图4为又一实施例3的电流-电压曲线图(125ran X 125mra的单 晶硅太阳能电池)。
参见图1从光谱图上看，CdSe量子点在360nm紫外光激发下发 出波峰为550nm左右的可见光。
参见图2从图上看，太阳能电池表面形成透明光波转换膜后，开 路电压为620mV，基本保持不变；短路电流从5A提高到5. 3A，增加 0. 3A;光电转换效率提高 7%。
参见图3从图上看，太阳能电池表面形成透明光波转换膜后，开 路电压为615mV，基本保持不变；短路电流从5. 1A提高到5.5A,增 加 0.4A;光电转换效率提高 9%。
参见图4从图上看，太阳能电池表面形成透明光波转换膜后，开 路电压为605mV，基本保持不变；短路电流从5. 1A提高到5. 3A，增 加 0.2A;光电转换效率提高 4%。具体实施方式
实施例一CdSe量子点可通过如下化学方法制备将0. 24rao1 的Na2S03粉末溶于200mL去离子水中，然后将0. 15mol的硒粉加入到 上述制备的Na2S03溶液中，在水浴锅中缓慢加热至80。C，得到澄清的 淡黄色的Na2SeS03溶液。称取0. 225mol Cd (CH3C00) 2.2H20溶于2L去 离子水中，然后加入10mL巯基乙酸，用1M的NaOH溶液调节混合夜 的pH值为10-11,通入氮气。然后将200niL的Na2SeS03溶液快速加入 到上述混合液中，然后将溶液缓慢加热至100°C，使其回流5小时， 然后停止加热，自然降温至室温，得到略显红色的溶胶。接着蒸发掉 2/3的溶剂，加入乙醇，不断搅拌至出现沉淀为止，然后在高速离心 机中分离出沉淀，沉淀分离后再用乙醇和无水乙醚洗涤得到CdSe量 子点。制得的CdSe量子点尺寸在10nm以下，在360nm紫外光激发下 发出波峰为550nm左右的光，发射光谱图见图1。接着使用十二烷基
硫酸钠对CdSe量子点表面进行修饰。取聚二甲基硅氧垸的A组分(主 剂)和B组分(固化剂)，按质量比10: l充分混合均匀，放入真空 器中干燥30分钟除去其中的气泡，将lg表面修饰后的CdSe量子点 加入到20mL聚二甲基硅氧烷中，在超声下使其均匀混合，使用旋涂 的方法将混合溶液均匀地涂覆在125mm X 125nra的单晶硅太阳能电池 的表面，在真空条件下干燥1小时后，再经过80°C烘烤2小时固化， 形成一层薄的透明光波转换膜，用300W的模拟太阳光照射，电流-电压曲线见图2。
实施例二将0. 24mol的Na2S03粉末溶于200mL去离子水中， 然后将0.15mol的硒粉加入到上述制备的Na2S03溶液中，在水浴锅 中缓慢加热至80°C，得到澄清的淡黄色的Na2SeS03溶液。称取 0. 225mol Cd(CH3C00)2.2H20溶于2L去离子水中，然后加入10mL巯 基乙酸，用1M的Na0H溶液调节混合夜的pH值为10-11，通入氮气。 然后将200mL的Na2SeS03溶液快速加入到上述混合液中，然后将溶 液缓慢加热至100。C,使其回流5小时，然后停止加热，自然降温至 室温，得到略显红色的溶胶。接着蒸发掉2/3的溶剂，加入乙醇，不 断搅拌至出现沉淀为止，然后在高速离心机中分离出沉淀，沉淀分离 后再用乙醇和无水乙醚洗涤得到CdSe量子点。制得的CdSe量子点尺 寸在IO围以下，在360訓紫外光激发下发出波峰为550nm左右的光。 取20mL氯仿，加入0. 2g CdSe量子点和4g聚氯乙烯加入到氯仿中，
在超声下使其均匀混合，使用旋涂的方法将混合溶液均匀地涂覆在 125mm X 125mm的单晶硅太阳能电池的表面，在真空条件下干燥1小
时后，再经过60°C烘烤3小时让氯仿挥发，形成一层薄的透明光波 转换膜，用300W的模拟太阳光照射，电流-电压曲线见图3。
实施例三称取0. lmol Cd(CH3COO)2.2H20溶于1. 2L去离子水 中，加入14.41111的硫代丙三醇，搅拌均匀，用1M的氢氧化钠调节混 合夜的pH值为6-7。在水浴锅中加热至70°C,保持10min。将lOOmL 2M的硫代乙酰胺溶液加入上述溶液，加入氢氧化钠调节PH值到6-7 之间。然后将溶液缓慢加热至90°C，使其回流10小时，然后停止加 热，自然降温至室温，得到黄绿色透明液体。接着蒸发掉2/3的溶剂， 加入乙醇，不断搅拌至出现沉淀为止，然后在高速离心机中分离出沉 淀，沉淀分离后再用乙醇和无水乙醚洗涤得到CdS量子点。制得的 CdS量子点尺寸在10nm以下，并在460nm蓝光激发下发出610訓左 右的光。接着使用磺基琥珀酸双(2-甲基戊基)酯钠盐对CdS表面进行 修饰。将5g甲基丙烯酸甲酯,0. 5g修饰后的CdS加入到30mL水中， 于80°C加热搅拌1小时,然后加入0. Olg偶氮二异丁腈、0. Olg过氧 化苯甲酰和0.01g聚乙烯醇继续反应3小时冷却，使用喷涂的方法 将混合溶液均匀地涂覆在125mm X 125mm的单晶硅太阳能电池的表 面，在真空条件下干燥1小时后，再经过100°C烘烤1小时让水挥发， 形成一层薄的透明光波转换膜，用300W的模拟太阳光照射，电流-电压曲线见图4。
权利要求
1、一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料，包括机聚合物、纳米微粒，其特征在于纳米微粒掺杂到有机聚合物中的比例范围在0.01-10wt％。
2、 如权利要求1所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料，其特征在于有机聚合物采用聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺在400nm到900mn范围内的光有很高的透过率、化 学和热稳定性高的透明有机化合物。
3、 如权利要求1所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料，其特 征在于纳米微粒采用CdS或CdSe或ZnS或ZnO或Ti02或C或Si或 A1203或Ge或InP或SiC或PbS或PbSe或GaAs尺寸在10nra以 下，紫外和400mn以内的紫光激发下可以发出波长在500nm-700nra 范围的可见光、化学和热稳定性高的量子点。
4、 一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备工艺，其特征在 于工艺步骤包括(1)准备纳米微粒的材料，根据上述权利要求2 和3选择材料(2)采用物理或化学混合物理混合包括纳米微粒或 表面修饰活性基团的纳米微粒掺入有机聚合物的液态形式，然后固 化；纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒和有机聚合物在一定 溶剂中混合，然后将溶剂挥发；化学混合包括纳米微粒的表面修 饰；纳米微粒和有机聚合物的单体在一定溶剂中混合；通过反应使 单体形成聚合物(3)将上述复合材料涂布在太阳能电池表面形成透 明光波转换薄膜层。
5、 如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备 方法，其特征在于纳米微粒由包括化学液相合成或化学固相合成或 化学气相合成或电解或电镀或溅射或蒸发或离子束生长的方法制备 所得。
6、 如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备方法，其特征在于物理、化学制备步骤中的表面修饰剂采用巯基丙三醇或硫脲或疏萘剂或磺基琥珀酸双2-甲基戊基酯钠盐或四硫富瓦 烯四硫醇盐或十二烷基硫酸钠。
7、 如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备 方法，其特征在于物理、化学混合使用的溶剂包括水、酒精、丙 酮、环氧树脂、硅胶、氯仿。
8、 如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备方法，其特征在于涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层 采用丝网印刷或旋涂或喷涂或化学沉积或电化学沉积的方法。
全文摘要
本发明涉及一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料及其制备方法，包括机聚合物、纳米微粒，其特征在于纳米微粒掺杂到有机聚合物中的比例范围在0.01-10wt％。工艺步骤包括(1)准备纳米微粒的材料(2)采用物理或化学混合(3)将上述复合材料涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层。本发明同现有技术相比，这种纳米微粒复合荧光粉可以在(300nm-480nm)光波激发下发出比原荧光粉更强，半峰宽更大的光波，能很好地应用在高亮度、高显色性的白光LED。
文档编号C08L27/00GK101101930SQ200710044458
公开日2008年1月9日 申请日期2007年8月1日 优先权日2007年8月1日
发明者卓 孙, 潘丽坤 申请人:上海芯光科技有限公司