专利名称：高效太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电池。
背景技术：
太阳能电池具有绝缘材料制成的基底和光电转换材料制成的面 板，是一种利用光电转换材料的光生伏特效应将太阳能直接转换为电 能的半导体器件，很容易实现并网发电或作为独立能源。众所周知， 太阳能电池发电具有许多优点，如安全可靠，无噪声，无污染，能量 随处可得，无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护方便、 可以无人值守、规模大小随意、可以方便地与建筑物相结合等，这些 优点都是常规发电所不及的。
对比观察图3所示下午1点半的太阳光谱曲线、图7所示单晶硅 太阳能电池的光谱响应曲线、图8所示非晶硅太阳能电池的光谱响应 曲线和图9所示砷化镓太阳能电池的光谱响应曲线可以发现，有较多 的太阳光谱不在太阳能电池的最佳响应波段范围内；或者说有许多太 阳光谱无法被太阳能电池响应，以实现光电转换。譬如，图7所示单 晶硅太阳能电池的最佳响应波段是在近红外880纳米左右，在图3所 示太阳光谱能量较强的500纳米左右，单晶硅太阳能电池不能够得到 较佳的响应。为了充分利用太阳能光谱，目前多将太阳能电池采用多 结结构，以提高太阳能电池的光电转换效率。例如，柔性基底太阳能 电池采用稳定性好、效率高的多结、叠层结构。例如在三结太阳能电池中，每一个电池单元都是由三个半导体结相互叠加而成底层的半 导体结吸收红光，中间的半导体结吸收绿光，顶层的半导体结吸收蓝 光。虽然，多结结构在提高太阳能电池效率上有较好效果，但实现多 结结构，工艺要求高，设备昂贵，成本高。
发明内容
本发明旨在提供一种高效太阳能电池，它能充分利用太阳能光谱， 且结构简单、成本低。
本发明的技术方案是高效太阳能电池，具有绝缘材料制成的基 底和光电转换材料制成的面板；该面板的外表面设有包含稀土荧光材 料的透明光谱转换薄膜层；该稀土荧光材料受该光电转换材料响应弱 的太阳光谱波段激发，发射出光电转换材料响应强的光谱。太阳光照 射到光谱转换薄膜层上， 一部分作用于光谱转换薄膜层中的稀土荧光 材料，该稀土荧光材料受面板中光电转换材料响应弱的太阳光谱 30O~2000纳米中某一波段光谱激发，发射出面板中光电转换材料响 应强的光谱。该光谱作用于面板中光电转换材料，转换为电能；剩余 的部分经过透明的光谱转换薄膜层作用于面板中光电转换材料吸收， 转化为电能；因而以最简单的结构和最低的附加成本提高了太阳能电 池的光电转换效率。
所述的光谱转换薄膜层中稀土荧光材料的粒度为3~8微米，粒 度分布均匀；光谱转换薄膜层的厚度为6~16微米。以获得最佳的透 光效果和光谱转换效果。所述稀土荧光材料为稀土掺杂铝酸盐荧光体、稀土掺杂硅酸盐荧 光体、稀土掺杂磷酸盐荧光体、稀土掺杂硫化物荧光体、稀土掺杂钼 酸盐荧光体、稀土掺杂氮化物荧光体、稀土掺杂氟化物荧光体和稀土 掺杂金属氧化物荧光体中的一种荧光体或一种以上荧光体的混合物。 稀土荧光材料的取材广泛，使用灵活，易于实施。
所述基底是刚性的块状体或刚性的片状体或柔性的薄膜。因而， 本发明可适用于刚性的太阳能电池，也可适用于柔性的太阳能电池。
所述的稀土荧光材料直接喷涂在面板的外表面，或者喷涂在透明 的材质上再覆盖在面板的外表面，或者掺入透明的材质中再覆盖在面 板的外表面。因而，本发明实施的方式简单灵活，无需复杂的设备。
本发明的又一个技术方案是高效太阳能电池，具有绝缘材料制 成的基底和光电转换材料制成的面板；该面板和基底是透明的，且该
基底外表面依次设有包含稀土荧光材料的透明光谱转换薄膜层和反光
层；该稀土荧光材料受该光电转换材料响应弱的太阳光谱波段激发， 发射出光电转换材料响应强的光谱。照射到面板上的太阳光， 一部分 被透明的面板中光电转换材料吸收，转化为电能；剩余的部分经过透 明的面板和透明的基底作用于光谱转换薄膜层中的稀土荧光材料，该 稀土荧光材料受面板中光电转换材料响应弱的太阳光谱300~2000纳 米中某一波段光谱激发，发射出面板中光电转换材料响应强的光谱。 该光谱被反光层反射，经基底作用于面板中光电转换材料，也转化为 电能。因而提高了太阳能电池的光电转换效率。
所述的光谱转换薄膜层中稀土荧光材料的粒度为3~8微米，粒度分布均匀；光谱转换薄膜层的厚度为6~16微米。以获得最佳的透 光效果和光谱转换效果。
所述稀土荧光材料为稀土掺杂铝酸盐荧光体、稀土掺杂硅酸盐荧 光体、稀土掺杂磷酸盐荧光体、稀土掺杂硫化物荧光体、稀土掺杂钼 酸盐荧光体、稀土掺杂氮化物荧光体、稀土掺杂氟化物荧光体和稀土 掺杂金属氧化物荧光体中的一种荧光体或一种以上荧光体的混合物。 稀土荧光材料的取材广泛，使用灵活，易于实施。
所述基底是刚性的块状体或刚性的片状体或柔性的薄膜。可适用 于刚性的太阳能电池，也可适用于柔性的太阳能电池。
所述的稀土荧光材料直接喷涂在基底的外表面，或者喷涂在透明 的材质上再覆盖在基底的外表面，或者掺入透明的材质中再覆盖在基 底的外表面。实施的方式简单灵活，无需复杂的设备。
本发明高效太阳能电池，利用稀土荧光材料的光谱转换薄膜层， 使得更多的太阳光谱转变成为太阳能电池能够较佳响应的光谱，进而 提高太阳能电池光电转换效率，在一定程度上也就是提高了性价比。 本发明适用于所有材料制造的太阳能电池，且实现工艺简约，效果显 著，成本低廉。对生产设备条件要求低，易于推广。
图1为本发明髙效太阳能电池第一个实施例的结构示意图。 图2为本发明高效太阳能电池第二个实施例的结构示意图。图4为稀土掺杂铝酸盐Y3Al5012:Ce下转换荧光材料的激发与发 射光谱图。
图5为稀土掺杂氟化物NaYF4:Er，Yb上转换荧光材料的激发与发 射光谱图。
图6为稀土掺杂硅酸盐CaSi03:Pb，Mn下转换荧光材料的激发与 发射光谱图。
图7为单晶硅太阳能电池处理前(虚线)后(实线)的光谱响应 曲线。
图8为非晶硅太阳能电池处理前(虚线)后(实线)的光谱响应 曲线。
图9为砷化镓太阳能电池处理前(虚线)后(实线)的光谱响应 曲线。
具体实施例方式
一、实施例一
本发明高效太阳能电池第一个实施例的结构，如图1所示。该高 效太阳能电池，具有绝缘材料制成的基底1和光电转换材料制成的面 板2。该面板2的外表面设有包含稀土荧光材料的透明光谱转换薄膜 层3。
基底1可以是刚性的块状体，或是刚性的片状体，或是柔性的薄膜。
面板2可以是单晶硅光电转换材料制成，或是多晶硅光电转换材料制成，或是非晶体硅光电转换材料制成，或是铜铟稼硒光电转换材 料制成，或是碲化镉光电转换材料制成，或是砷化镓光电转换材料制 成，或是磷化铟光电转换材料制成，或是染料敏化光电转换材料制成， 或是有机材料光电转换材料制成。
光谱转换薄膜层3中稀土荧光材料是以化合物为基质，稀土元素 为激活剂，在受到某一波段的光激发吸收能量后，释放另一波段的光。 具体地说，本发明所使用的稀土荧光材料能够受面板2中光电转换材 料响应弱的太阳光谱300~2000纳米中某一波段光谱激发，发射出面 板2中光电转换材料响应强的光谱。光谱转换薄膜层3中稀土荧光材 料的粒度为3~8微米，粒度分布均匀；光谱转换薄膜层3的厚度为 6~16微米。稀土荧光材料可以直接喷涂在面板2的外表面，或者喷 涂在透明的材质上再覆盖在面板2的外表面，或者掺入透明的材质中 再覆盖在面板2的外表面。
照射到光谱转换薄膜层3上的太阳光， 一部分作用于光谱转换薄 膜层3中的稀土荧光材料，该稀土荧光材料受面板2中光电转换材料 响应弱的太阳光谱300~2000纳米中某一波段光谱激发，发射出面板 2中光电转换材料响应强的光谱。该光谱作用于面板2中光电转换材 料，转化为电能；剩余的部分经过透明的光谱转换薄膜层3作用于面 板2中光电转换材料吸收，转化为电能；因而提高了光电转换的效率。
稀土荧光材料可以是稀土掺杂铝酸盐荧光体 (Yx，Gd,j3(Aly，GaLy)50i2:Ce，M (M-Pr，S叫Eu等，(Xx-l， 0<y=l)、 稀土掺杂铝酸盐荧光体MAl204:Eu，Mn (M-Ca，Mg，Ba，Sr)、稀土掺杂硅酸盐荧光体Y2Si05:Ce，Tb、稀土掺杂硅酸盐荧光体CaSi03:Ce，Tb、 稀土掺杂硅酸盐荧光体MMg2Si07:Eu，Mn (M-Ba，Sr，Ca)、稀土掺杂 硅酸盐荧光体M3MgSi208:Eu (M-Ba，Sr，Ca)、稀土掺杂硅酸盐荧光 体M3MgSi208:Eu，Mn (M-Ba，Sr，Ca)、稀土掺杂硅酸盐荧光体 M2Si04:Eu (M-Ba，Sr，Ca)、 稀土掺杂磷酸盐荧光体 (Sr，M)1Q(P04)6Cl2:Eu (M-Ca，Ba，Mg)、稀土掺杂硫化物荧光体 MS:Eu (M-Ca，Sr，Ba)、稀土掺杂硫化物荧光体MS:Ce (M-Ca，Sr，Ba)、 稀土掺杂钼酸盐荧光体M(WxM0l J04 (M=Ca，Sr，Ba，Mg，Pb;0=x=l)、稀土掺杂氮化物荧光体MAlSiON:RE (RE-Eu，S叫Dy; M-Ca，Sr,Ba^n，Mg)、稀土掺杂氮化物荧光体 MSiN:Eu (RE-Eu，SmJDy; M-Ca，Sr，Ba，Zn，Mg)、稀土掺杂氟化物荧光 体NaYF4:Er，Yb、稀土掺杂金属氧化物荧光体Y203:Eu，Bi和稀土掺杂 金属氧化物荧光体Y(V，P)04:Eu中的一种荧光体或一种以上荧光体的 混合物。
下面以在单晶硅光电转换材料制成的面板2上覆盖稀土掺杂铝酸 盐Y3Al5012:Ce荧光体的透明光谱转换薄膜层3为例，对使用下转换
荧光材料的本发明高效太阳能电池的光电转换效果进行考察。
稀土掺杂铝酸盐Y3Al5012'.Ce是一种下转换荧光材料。图4是稀
土掺杂铝酸盐Y3Al5012:Ce荧光体的激发与发射光谱图，激发峰在465
纳米(nm),发射峰在530纳米，荧光体粒度微米。
图7中虚线是面板2采用单晶硅光电转换材料的普通单晶硅太阳
能电池在下午1点半的太阳光谱下测试的光谱响应曲线。从该曲线上看出普通单晶硅太阳能电池的较佳光谱响应范围在70O~1000纳米， 其对太阳光中400~530纳米光谱波段间的光波光电转换作用较小。
在该普通单晶硅太阳能电池上表面喷涂上述稀土掺杂铝酸盐 Y3Al5012:Ce荧光体，厚度约10微米，得到本发明髙效太阳能电池。 太阳光中465纳米左右的光谱激发此荧光体后,发射出中心波长为530 纳米的光谱。单晶硅光电转换材料对465纳米的光谱响应不强，而对 中心波长为530纳米的光谱响应较强。图5中实线是本发明髙效太阳 能电池(喷涂Y3Al5012:Ce荧光体透明光谱转换薄膜层3后的单晶硅 太阳能电池)的光谱响应曲线。本发明髙效太阳能电池充分利用太阳 光光谱，比普通单晶硅太阳能电池的光电转换效率提高了 5—10%。
以在非晶硅光电转换材料制成的面板2上包覆一个含有稀土掺杂 氟化物NaYF4:Er,Yb荧光体的透明光谱转换薄膜层3为例，对使用上 转换荧光材料的本发明髙效太阳能电池的光电转换效果进行考察。
稀土掺杂氟化物NaYF4:Er，Yb是一种上转换荧光材料。图5是稀 土掺杂氟化物NaYF4:Er，Yb荧光体的激发与发射光谱图,激发峰在870 纳米，发射峰在540纳米，荧光体粒度050=3~8微米。
图8中虚线是采用非晶硅光电转换材料的普通非晶硅太阳能电池 在下午1点半的太阳光谱下测试的光谱响应曲线。从该曲线上看出普 通非晶硅太阳能电池的较佳光谱响应范围在400~650纳米,其对太阳 光850—900纳米间的光谱光电转换作用较小。
在普通非晶硅太阳能电池的面板2上包覆一个含有稀土掺杂氟化 物NaYF4:Er，Yb荧光体的透明光谱转换薄膜层3 ,得到本发明高效太阳能电池。该光谱转换薄膜层3是将稀土掺杂氟化物NaYF4:Er，Yb荧 光体喷涂在透明的薄膜上，再将该薄膜覆盖在面板2的外表面；该薄 膜上NaYF4:Er，Yb荧光体的厚度约6—16微米。太阳光在870纳米左 右的光谱激发此荧光体后，发射出中心波长为540纳米的光波。非晶 硅光电转换材料对870纳米光谱波段的光谱响应不强，而对530纳米 光谱波段的光谱响应较强。图8中实线是本发明高效太阳能电池(包 覆含NaYF4:Er，Yb荧光体透明薄膜后的非晶硅太阳能电池)的光谱响 应曲线。本发明高效太阳能电池充分利用太阳光光谱，比普通非晶硅 太阳能电池的光电转换效率提高5~10%。
以在砷化镓光电转换材料制成的面板2上覆盖含有稀土掺杂硅酸 盐CaSiCV.Pb，Mii荧光体的透明光谱转换薄膜层3为例,对使用下转换
荧光材料的本发明高效太阳能电池的光电转换效果进行考察。
稀土掺杂硅酸盐CaSi03:Pb，Mn是下转换荧光材料。图6是稀土掺 杂硅酸盐CaSi03:Pb，Mn荧光体的激发与发射光谱图，激发峰在440 纳米，发射峰在610纳米，荧光体粒度Ds。-3^8微米。
图9中虚线是采用砷化镓光电转换材料的普通砷化镓太阳能电池 在下午1点半的太阳光谱下测试的光谱响应曲线，从曲线上看出砷化 镓光电转换材料的较佳光谱响应范围在55O~850纳米，对太阳光 400~^60纳米光谱波段间光谱的光电转换作用较小。
在普通砷化镓太阳能电池的面板2上覆盖含有稀土掺杂硅酸盐 CaSi03:Pb，Mn荧光体的透明光谱转换薄膜层3 ,得到本发明高效太阳 能电池。该光谱转换薄膜层3是将CaSi03:Pb，Mii荧光体掺入透明的材质中而制得的，厚度约6~16微米。太阳光在450纳米左右的光谱激 发稀土掺杂硅酸盐CaSi03:Pb，Mn荧光体后，发射出中心波长为610 纳米的光波。砷化镓光电转换材料对450纳米的光谱响应不强，而对 中心波长为610纳米的光谱响应较强。图9中实线是本发明高效太阳 能电池(覆盖含有稀土掺杂硅酸盐CaSi03:Pb，Mn荧光体的透明光谱转 换薄膜层3的砷化镓太阳能电池)的光谱响应曲线。本发明髙效太阳 能电池充分利用太阳光光谱，比普通砷化镓太阳能电池的光电转换效 率提高5~10%。
光谱转换薄膜层3中的稀土荧光材料与面板2中光电转换材料相 互搭配选择，可参考以上诸例，这里不再一一枚举。
二、实施例二
本发明高效太阳能电池第二个实施例的结构，如图2所示。该高 效太阳能电池，具有绝缘材料制成的透明的基底l'和光电转换材料制 成的透明的面板2';基底l'外表面依次设有包含稀土荧光材料的透明 的光谱转换薄膜层3'和反光层4'。
基底l'可以是刚性的块状体，或是刚性的片状体，或是柔性的薄
面板2'可以是单晶硅光电转换材料制成，或是多晶硅光电转换材 料制成，或是非晶体硅光电转换材料制成，或是铜铟稼硒光电转换材 料制成，或是碲化镉光电转换材料制成，或是砷化镓光电转换材料制 成，或是磷化铟光电转换材料制成，或是染料敏化光电转换材料制成，或是有机材料光电转换材料制成。
光谱转换薄膜层3，中使用的稀土荧光材料能够受面板2'中光电 转换材料响应弱的太阳光谱300~2000纳米中某一波段光谱激发，发 射出面板2，中光电转换材料响应强的光谱。光谱转换薄膜层3 ，中稀土 荧光材料的粒度为3~8微米，粒度分布均匀；光谱转换薄膜层3'的 厚度为6~16微米。稀土荧光材料可以直接喷涂在基底r的外表面， 或者喷涂在透明的材质上再覆盖在基底l'的外表面，或者掺入透明的
材质中再覆盖在基底r的外表面。
反光层4'可以是铝膜或其它金属膜。
太阳光照射到面板2'上， 一部分被透明的面板2'中光电转换材料 吸收，转化为电能；剩余的部分经过透明的面板2'和透明的基底1' 作用于光谱转换薄膜层3 ，中的稀土荧光材料，该稀土荧光材料受面板 2'中光电转换材料响应弱的太阳光谱300~2000纳米中某一波段光谱 激发，发射出面板2'中光电转换材料响应强的光谱。该荧光被反光层 4'反射，经基底1，作用于面板2'中光电转换材料，也转换为电能。因 而提高了光电转换的效率。
稀土荧光材料可以是稀土掺杂铝酸盐荧光体 (Yx，GU3(Aly，GaLy)50!2:Ce，M (M-Pr，Sm3u等，0《x-l， 0<y=l)、 稀土掺杂铝酸盐荧光体MAl204:Eu，Mn (M-Ca，Mg，Ba^Sr)、稀土掺杂 硅酸盐荧光体Y2Si05:Ce,Tb、稀土掺杂硅酸盐荧光体CaSi03:Ce，Tb、 稀土掺杂硅酸盐荧光体MMg2Si07:Eu，Mn (M=Ba，Sr，Ca)、稀土掺杂 硅酸盐荧光体M3MgSi208:Eu (M-Ba，Sr，Ca)、稀土掺杂硅酸盐荧光体M3MgSi208:Eu，Mn (M-Ba，Sr，Ca)、稀土掺杂硅酸盐荧光体 M2Si04:Eu (M-Ba，Sr，Ca)、 稀土掺杂磷酸盐荧光体 (Sr，M)1()(P04)6Cl2:Eu (M-Ca，Ba，Mg)、稀土掺杂硫化物荧光体 MS:Eu (M-Ca，Sr，Ba)、稀土掺杂硫化物荧光体MS:Ce (M-Ca，Sr，Ba)、 稀土掺杂钼酸盐荧光体M(W，Mo,J04 (M-Ca，Sr，Ba，Mg，Pb;O-x-l)、稀土掺杂氮化物荧光体MAlSiON:RE (RE-Eu，S叫Dy; M-Ca，Sr，Ba，Zn，Mg)、稀土掺杂氮化物荧光体 MSiN:Eu (RE-Eu，Sm，Dy; M-Ca，Sr，Ba，Zn，Mg)、稀土掺杂氟化物荧光 体NaYF4:Er，Yb、稀土掺杂金属氧化物荧光体Y203:Eu，Bi和稀土掺杂 金属氧化物荧光体Y(V，P)04:EU中的一种荧光体或一种以上荧光体的 混合物。
光谱转换薄膜层3，中的稀土荧光材料与面板2，中光电转换材料 相互搭配选择，可参考前一实施例，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳实施例，不以此限定本发明实施的范 围，依本发明的技术方案及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应 属于本发明涵盖的范围。
权利要求
1.高效太阳能电池，具有绝缘材料制成的基底和光电转换材料制成的面板；其特征在于该面板的外表面设有包含稀土荧光材料的透明的光谱转换薄膜层；该稀土荧光材料受该光电转换材料响应弱的太阳光谱波段激发，发射出光电转换材料响应强的光谱。
2. 根据权利要求1所述的高效太阳能电池，其特征在于所述的 光谱转换薄膜层中稀土荧光材料的粒度为3~8微米，粒度分布均匀； 光谱转换薄膜层的厚度为6~16微米。
3. 根据权利要求1或2所述的髙效太阳能电池，其特征在于所 述稀土荧光材料为稀土掺杂铝酸盐荧光体、稀土掺杂硅酸盐荧光体、 稀土掺杂磷酸盐荧光体、稀土掺杂硫化物荧光体、稀土掺杂钼酸盐荧 光体、稀土掺杂氮化物荧光体、稀土掺杂氟化物荧光体和稀土掺杂金 属氧化物荧光体中的一种荧光体或一种以上荧光体的混合物。
4. 根据权利要求1或2所述的高效太阳能电池，其特征在于所述基底是刚性的块状体或刚性的片状体或柔性的薄膜。
5. 根据权利要求1或2所述的高效太阳能电池，其特征在于所 述的稀土荧光材料直接喷涂在面板的外表面，或者喷涂在透明的材质 上再覆盖在面板的外表面，或者掺入透明的材质中再覆盖在面板的外 表面。
6. 高效太阳能电池，具有绝缘材料制成的基底和光电转换材料制 成的面板；其特征在于该面板和基底是透明的，且该基底外表面依 次设有包含稀土荧光材料的透明的光谱转换薄膜层和反光层；该稀土 荧光材料受该光电转换材料响应弱的太阳光谱波段激发，发射出光电 转换材料响应强的光谱。
7. 根据权利要求6所述的高效太阳能电池，其特征在于所述的 光谱转换薄膜层中稀土荧光材料的粒度为3~8微米，粒度分布均匀; 光谱转换薄膜层的厚度为6~16微米。
8. 根据权利要求6或7所述的高效太阳能电池，其特征在于所 述稀土荧光材料为稀土掺杂铝酸盐荧光体、稀土掺杂硅酸盐荧光体、 稀土掺杂磷酸盐荧光体、稀土掺杂硫化物荧光体、稀土掺杂钼酸盐荧 光体、稀土掺杂氮化物荧光体、稀土掺杂氟化物荧光体和稀土掺杂金 属氧化物荧光体中的一种荧光体或一种以上荧光体的混合物。
9. 根据权利要求6或7所述的高效太阳能电池，其特征在于所 述基底是刚性的块状体或刚性的片状体或柔性的薄膜。
10. 根据权利要求6或7所述的高效太阳能电池，其特征在于所述的稀土荧光材料直接喷涂在基底的外表面，或者喷涂在透明的材 质上再覆盖在基底的外表面，或者掺入透明的材质中再覆盖在基底的夕卜表面。
全文摘要
本发明高效太阳能电池，涉及一种光电池。本发明高效太阳能电池，具有绝缘材料制成的基底和光电转换材料制成的面板；该面板的外表面设有包含稀土荧光材料的透明光谱转换薄膜层；该稀土荧光材料受该光电转换材料响应弱的太阳光谱波段激发，发射出光电转换材料响应强的光谱。利用太阳光激发稀土荧光材料产生荧光的作用，以最简单的结构和最低的成本使得更多的太阳光谱转变成为太阳能电池能够较佳响应的光谱，进而增加太阳能电池光电转换效率。解决了太阳能电池需要复杂结构高成本才能充分利用太阳能光谱以提高其光电转换效率的问题。
文档编号H01L31/055GK101587915SQ200910111469
公开日2009年11月25日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者何开钧, 陈亚勇 申请人:厦门市现代半导体照明产业化促进中心