一种可提高效率的太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种可提高效率的太阳能电池。
【背景技术】
[0002] 太阳能电池的效率很大程度上取决于半导体材料的带隙，因此不能吸收能量低于 带隙的量子，这种光谱不匹配导致了太阳能电池能量的大量损失。目前一种可行的方法是 通过转化光谱使太阳光谱能更好的与这种光谱波段依赖型的太阳能电池相匹配。光谱转 化的优势在于它可以应用于现有太阳能电池并实现电池最优化。光谱转化可分为：两个低 能量子结合转化成一个高能量子（即上转换）和一个高能量子转化成一个低能量子（即下转 移）或两个更低能量的量子(即下转化或者量子剪裁)。
[0003] 针对染料敏化太阳能电池用染料二-四丁铵-双（异硫氰基）双（2, 2'_联吡 啶-4, 4'-二羧基）钌（II) (N719)的吸收光谱，可以发现其吸收范围主要集中在紫外光区 和可见光区，尤其在380nm和520nm附近有较强吸收，而在800nm以后几乎没有吸收，然 而在太阳光谱中近红外光区（800nm~1700nm)占据了高达55~60%的比例，如果能将这部 分光谱利用起来，对于太阳能电池的意义是非常重大的。稀土上转换材料可将近红外光转 化为可见光，这一原理为太阳能电池光谱不匹配所造成的损失提供了一个非常好的改进思 路。
[0004] 目前光谱转化方面的研究主要分为两个部分，一是利用有机染料和量子点实现的 下转移和利用稀土元素和过渡金属元素实现的上转换和下转化。近几年上转换研究得到了 极大关注，这是因为这种方法将不能被太阳能电池所吸收的低能量子转化为可被其吸收的 高能量子。这种上转换层可置于太阳能电池背部，简单而直接的促进了太阳能电池的光吸 收。但总体来讲，这类电池的效率仍有提高的可能。
【发明内容】
[0005] 本实用新型提供一种可比现有的染敏太阳能电池有更高效率的太阳能电池。
[0006] 本实用新型的一种可提高效率的太阳能电池，包括：由封口材料与导电玻璃构成 的电极和导电玻璃构成的对电极形成的空腔，以及充于所述空腔内的电解质，电池对电极 的外表面附着由f3-NaYF4:Yb3+，Er3+材料构成的、且f3-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的一部分外 表面为金纳米粒子的表面、另一部分外表面为β_NaYF4:Yb3+，Er3+材料的原始表面。
[0007] 进一步，本实用新型的太阳能电池的电极导电玻璃靠近空腔的面上上附着有钛酸 四丁酯的致密层，钛酸四丁酯的致密层上附着有二氧化钛；对电极靠近空腔的面上附着有 金属铂。
[0008] 本实用新型中选取了上转换效率较高的i3_NaYF4:Yb3+，Er3+材料作为上转换层， 该材料在510~570nm有较强发射，与染料N719的吸收波长非常吻合，因此可作为上转换 层将近红外光转化为可被染料吸收的可见光，同时在上转换层的外部增加一层金纳米反射 层，一方面反射未被完全吸收的可见光，另一方面可将上转换的可见光进一步反射回电池 内部，进一步实现光的吸收和利用，从而可使太阳能电池的效率得以提升。
[0009] 经实验发现，本实用新型的太阳能电池可将染料敏化太阳能电池的效率由4. 75% 提高到了 5. 74%，效率提升21. 0%，充分的利用近红外区光。
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型的所用的上转换材料电镜图。
[0011] 图2为本实用新型的上转换材料的上转换荧光光谱图。
[0012] 图3为本实用新型的金纳米粒子透射电镜图。
[0013] 图4为经组装后的电池结构示意图，图中：1为封口膜，2为电解质，3为镀铂层，4 为对电极的导电玻璃，5为表面沉积有金纳米粒子的稀土上转化材料，6为封口膜，7为导电 玻璃，8为致密层，9为二氧化钛层。
[0014] 图5为普通染敏电池与组装了稀土上转换材料的染敏电池的I-V曲线对比图，图 中位于上面的曲线为普通染敏电池，位于下面的曲线为本发明的组装了稀土上转换材料的 染敏电池。
【具体实施方式】
[0015] 本实用新型以下结合实施例详细说明。
[0016] 1.染料敏化太阳能电池的组装
[0017] 本实用新型采用的二氧化钛纳米粒子为商用P25。将二氧化钛纳米粒子与聚乙二 醇20000制备成为二氧化钛固体含量约为33%的浆料备用。导电玻璃FT0切割成所需大 小，用蒸馏水、乙醇、丙酮洗涤，置于乙醇溶液中备用。取0.1ml钛酸四丁酯溶于30ml乙 醇中，分别取出一部分导电玻璃，将钛酸四丁酯的乙醇溶液涂布于这部分导电玻璃（FT0)的 导电面作为致密层。再使用旋涂法将二氧化钛浆料涂布于导电玻璃导电层与致密层之上， 所用的二氧化钛通常为P25,即粒径约为25nm的锐钛矿和晶红石混合相的二氧化钛。本实 施例中获得的二氧化钛电极有效面积为0.16cm2,厚度15微米将涂布好的二氧化钛电极 置于马弗炉中加热，150分钟升温至450°C保持1小时后取出，得到二氧化钛电极。
[0018] 取出待用的另外的导电玻璃FT0,并在其一面的导电面镀上贵金属钼，即制得电池 的对电极。
[0019] 将N719染料溶于乙腈/叔丁醇=1/1 (V:V= 1:1)溶液中，配置成0.5mM的浴 染溶液备用。将二氧化钛电极置于马弗炉中，升温至120°C，保持30min，在马弗炉中降至 100°C，迅速取出，置于浴染溶液当中，浸泡24h。浸泡完毕，将已经吸附了染料的二氧化钛 电极取出，于乙腈中多次洗涤，洗去未吸附的染料分子，氮气氛下冷风吹干。将事先制备好 的β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料配成0. 05g/ml的酒精溶液，并置于超声仪中超声2h，得到分散 性良好的稀土上转换材料酒精溶液，将该溶液滴在对电极外部，即不镀铂的一面，再将对电 极放入真空干燥箱中，至完全干燥后再在对电极外部继续滴加β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料配成 的酒精溶液，直至在对电极外部形成一层均匀的白色β_NaYF4:Yb3+，Er3+材料层。在这一过 程中要注意控制每块电池的滴定的溶液量，以确保在对电极外部形成的β-NaYF4:Yb3+，Er3+ 材料层厚度一致。再将涂有i5_NaYF4:Yb3+，Er3+材料层的电池对电极置于金属溅射仪 中，溅射金纳米层，这一过程中通过控制溅射时间来调节金纳米层的厚度。如此形成由 β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料构成的、β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的一部分表面为附着有金纳米粒子 的表面，而另一部分表面为不附着有金纳米粒子的β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的原始表面。
[0020] 配制由0.6Μ的1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘（DMPII)、0. 05Μ的12单质和0.5Μ 的对叔丁基吡啶（ΤΒΡ)的乙腈/戊腈=85/15 (体积比）溶液组成的电解质。
[0021] 使用封口膜将二氧化钛电极与镀有贵金属铂的FT0对电极封装成中空的三明治 结构，其中对电极的镀铂面处于中空内侧。再通过预留在对电极上的小孔将电解质真空 灌注到三明治结构中间层，然后用热封膜与盖玻片将预留小孔封住，至此完成电池封装， 得到如图4所示结构的太阳能电池，其中：一个表面附着致密层8和二氧化钛层9的导电 玻璃7为光阳极，同时为电池的负极；一面附着铂层3、另一面附着沉积有金纳米粒子的 β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料层5的对电极导电玻璃4为光阴极，同时为电池的正极。
[0022] 本实用新型所使用的表面沉积有金纳米粒子的β_NaYF4:Yb3+，Er3+材料的相应的 形态与光谱参见附图1至附图3。
[0023] 经上过程制备得到的本实用新型的太阳能电池经实际测试结构参见表1，通过测 试数据可见本实用新型的电池效率较普通染敏电池的效率提升了 21%。
[0024]
[0025] 另外，相应的实验还表明，在相同电压下，本实用新型的电池将有更高的电流中强 度，参见附图5。
【主权项】
1. 一种可提高效率的太阳能电池，包括：封口材料、导电玻璃构成的电极和导电 玻璃构成的对电极、以及充于由封口材料、导电玻璃构成的电极和对电极所构成的空 腔内的电解质，其特征在于对电极的外表面附着0-NaYF4:Yb3+，Er3+材料，且所附着 的i3-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的一部分外表面为金纳米粒子的表面，另一部分外表面为 β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的原始表面。2. 权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：电极导电玻璃靠近空腔的面上上附着 有钛酸四丁酯的致密层，钛酸四丁酯的致密层上附着有二氧化钛；对电极靠近空腔的面上 附着有金属铂。
【专利摘要】本实用新型涉及一种可提高转换效率的太阳能电池。本实用新型的太阳能电池由：封口材料与导电玻璃构成的电极和导电玻璃构成的对电极形成的空腔及充于所述空腔内的电解质构成，其中：对电极的外表面附着有其表面沉积有金纳米粒子的β-NaYF4:Yb3+,Er3+的六棱柱棒状结构颗粒。本实用新型的上转换层将近红外光转化为可被染料吸收的可见光，同时在上转换层的外部增加一层金纳米反射层，一方面反射未被完全被吸收的可见光，另一方面可将上转换的可见光进一步反射回电池内部，进一步实现了光的吸收和利用，将所制备的材料置于电池对电极外部，实现了太阳能电池21%的效率提升。
【IPC分类】H01L31/048, H01G9/20
【公开号】CN205050705
【申请号】CN201520690472
【发明人】唐瑜, 于明汇, 苟发亮, 景欢旺
【申请人】兰州大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年9月8日