[发明专利]一种提高太阳电池效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料领域，尤其涉及一种通过在太阳电池工作区表 面附着表面经过修饰的硅量子点来提高太阳电池效率的方法。

背景技术

随着全球经济的发展，能源的消耗急剧增长。在当前，绝大多数能 源是通过燃烧化石燃料获得的。化石燃料的大量使用，导致大量二氧化 碳等气体排放到大气中，造成了严重的环境问题。因此，各种可再生能 源的开发利用受到了国际社会越来越大的重视。在各种可再生能源中， 太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染、便利等特点成为了重点发展 的对象。太阳能的利用主要包括光热和光伏两大类，其中光伏发电以其 高效、系统简洁、长寿命、维护简单而备受青睐，成为了太阳能利用的 主流技术。在各国政府的政策支持下，全球太阳能光伏产业在过去的十 年里保持了高速增长。太阳能光伏产业已经被认为是继微电子产业之后 驱动全球经济发展最主要的产业之一。

太阳能光伏产业中的核心是太阳电池。太阳电池(即：太阳能电池) 的高成本是阻碍太阳能光伏发电全面推广的根本原因。为了降低太阳电 池的成本，利用新材料和新工艺提高太阳电池的效率是最行之有效的途 径之一。目前，各种商业化的太阳电池在太阳光的短波段的光电转换率 偏低。例如基于单晶硅片的太阳电池在波长小于400纳米的波段，基于多 晶硅片的太阳电池在波长小于500纳米的波段和基于碲化镉薄膜的太阳 电池在波长小于550纳米的波段，光电转换效率与在较长波长的相比急剧 下降。如果把短波长的光转换成能更有效地被太阳电池利用的较长波长 的光，那么太阳电池的短路电流会增加，从而太阳电池的效率就能得到 提高了。这就是所谓的光的下转换技术。Klampaftis等(Enhancing the performance of solar cells via luminescent down-shifting of the incident spectrum：A review，Solar Energy Materials&Solar Cells 93(2009) 1182-1194)最近回顾并评述了光的下转换技术在各种太阳电池上的应用。 到目前为止，光的下转换一般是通过染料或稀土离子来实现的。染料的 吸收带窄并有自吸收现象，而稀土离子的吸收系数小，所以它们并非理 想的下转换功能的实现者。半导体量子点在短波段的光吸收很强，同时 它们发出的光可以在太阳电池能够有效利用的范围内自由调节，所以人 们已经开始关注利用半导体量子点的下转换功能来提高太阳电池的效 率。专利文献CN 200710044458.7和专利文献CN200910052785.6分别提出 了把半导体量子点分散于有机聚合物和二氧化硅，通过把所得的混合体 系添加进太阳电池结构来提高太阳电池效率的方法。这些方法所用的半 导体量子点主要是CdS等II-VI型量子点。一方面，II-VI型量子点的光吸收 峰与发射峰一般相距较近，在利用II-VI型量子点实现光转换时还是会有 自吸收现象，从而降低了光转换的效率。另一方面，II-VI型量子点一般 都含有毒元素(如Cd)，它们的使用有可能给太阳电池带来环保问题。

硅量子点对光的吸收主要集中在波长小于400纳米的短波段，而硅 量子点的发光波长一般在500-1000纳米之间。因此在波谱上硅量子点的 吸收和发射相距很远。这就降低了硅量子点在光转换的过程中出现自吸 收的可能性。已有实验表明，硅量子点的荧光量子效率(发射的光子数/ 吸收的光子数)能够超过60％(Silicon nanocrystals with ensemble quantum yields exceeding 60％，Applied Physics Letters 88(2006)233116)。如果考 虑到在一个高能光子的激发下硅量子点中可能产生多个激子从而最终发 射出多个光子的情况，那么硅量子点的荧光效率有望超过100％(Multiple exciton generation in colloidal silicon nanocrystals，Nano Letters 7(2007) 2506-2512)。所以从光转换功能来看，硅量子点有可能比II-VI型子点更 适宜被用于提高太阳电池的效率。另外，我们应注意到硅元素在地壳里 的含量非常大，同时是无毒的。而且，硅量子点的运用使我们有可能在 不显著增加太阳电池的成本，也不给太阳电池带来环保问题的情况下提 高太阳电池的效率。

发明内容