[发明专利]掺杂稀土离子的纳米荧光颗粒及其相关应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺杂稀土元素离子的纳米荧光颗粒以及这种纳米颗粒在太阳能电池中的用途。

背景技术

全球科技与经济活动快速发展，致使人类能源需求激增，未来能源不足现象已浮现。化石燃料使用及排放对环境的污染更是已成为世界各国不容忽视的重大问题。取之不尽、用之不竭的太阳能是一种清洁、可再生的绿色环保能源。太阳能发电技术有利于净化环境、减少污染，是人类从根本上解决能源问题的重要途径。然而，太阳能电池的光电转换效率偏低，发电成本过高，称为制约太阳能电力广泛应用的瓶颈。其根本原因在于硅的光谱响应特性与太阳光谱分布不匹配。如图1所示：太阳光是由可见光、紫外光和红外光组成的辐射光，其光谱构成波长范围为280纳米(nm)～2500nm。晶体硅为间接带隙半导体，并非理想的太阳能电池材料。其带隙宽度为1.1电子伏特(eV)，截至吸收波长为1120nm，最大的光谱响应在600nm-980nm范围，而对太阳其他波段的光有非常低的响应或者无响应，造成很大的能量损失。因此，为了提高太阳能电池的发电效率，将浪费的太阳光转移到硅高响应率的可见光范围是弥补硅作为太阳能电池材料的局限性的一种有效的方式。

一些研究人员提出了利用荧光材料(例如有机发光分子、有机金属络合物和无机稀土材料)将太阳光波长转换到与硅的最高光谱相应范围，从而提高太阳能的能量转换效率。日本科学家们在专利JP2001352091中和JP 2000327715中分别提出利用有机荧光染料分子和有机金属络合物作为波长转换剂来提高太阳能电池的效率，然而，有机发光分子和有机金属络合物等基于有机材料天生易老化的缺陷，其耐紫外，耐热，耐候性都非常差，在太阳能电池工作的恶劣室外条件下非常容易老化，不仅本身很快失去了发光的效用，而且更加速了引发了太阳能电池组件的的老化和失效。而且，有机发光分子的吸收峰和荧光发光峰之间的斯托克位移(stoke shift)较小，吸收峰和荧光发光峰很大一部分都重叠在一起，致使大部分发出的荧光被再次吸收，却并不能被太阳能电池利用，反而影响了透光率。无机稀土材料虽然能够克服有机材料的易老化缺陷，但是目前已研究出的的若干无机稀土荧光材料，或者吸收或荧光效率极低，或者吸收发射光谱与太阳光谱不匹配，都不适合用于太阳能电池的波长转换。例如镧系稀土离子掺杂的卤化物和氟化物荧光粉，目前主要用在显示器上，其吸收峰在100nm附近的深紫外波段，远远超出了太阳能光谱的范围。Shalav等在APPLIED PHYSICS LETTERS 86，013505(2005)中提出用掺铒的氟化物作为荧光上转换剂提高太阳能电池的效率，但是，荧光上转换是非线性的光学过程，吸收几率和光转换的量子效率都很小。而且这些无机荧光粉粒径太大，严重影响了太阳能电池表面层的透光性，反而会进一步降低太阳能电池的能量转换效率。近年来，WO2007133344和CN101188255公开了纳米尺度的稀土无机颗粒作为太阳能电池的光转换剂，但是并没有解决吸收几率、荧光效率偏低的缺点和太阳光谱不匹配的问题。

因此，目前本领域急需一种新的用于波长转换的材料，能够高效的将太阳光中的紫外部分转换到与太阳能电池太阳能电池最大光响应区域，从而提高太阳能电池的效率；并且能保证而且用于太阳能电池时能够具有适当的其他性质，例如高透明性，稳定性、可加工性等等。

发明内容

为了解决上述技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于波长转换的纳米荧光材料，能够将太阳光波长转换到与太阳能电池最大光响应区，从而提高太阳能电池的效率。

本发明的另一目的是提供一种太阳能电池用的光转化层，其中填充有本发明所述的纳米荧光材料，以增加太阳能电池的发光效率。该光转换层可以由本发明中的纳米荧光颗粒涂布在太阳能电池硅面对光的表面、太阳能电池覆盖前板的内外表面、或者太阳能电池用聚光器的内外表面的透明波长转换薄膜，也可以是由本发明中的纳米荧光颗粒填充在太阳能电池覆盖前板、太阳能电池覆盖前板和太阳能电池电路之间的封装材料中、或者太阳能电池用聚光器中形成透明光转换层，如图2所示。

本发明一种掺杂有稀土金属元素的纳米颗粒，所述纳米颗粒的粒径为1-200nm，所述纳米颗粒包括：

(a)纳米颗粒基质；

(b)稀土金属离子。

在本发明的一个优选实例中，所述纳米颗粒选自氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化锌、氧化硅、氧化锡和氧化铟的一种或多种，或者由其中的两种或多种形成的壳核结构；所述纳米颗粒基质较好选自氧化钛、氧化锌、氧化硅、氧化锡和氧化铟中一个或多种；所述纳米颗粒基质更好选自氧化锌和/或氧化钛。