[发明专利]一种可应用于染料敏化太阳能电池的上转化材料、制备方法

说明书

本发明涉及一种可提高太阳能电池的稀土上转换/金纳米粒子材料、制备方法及染料敏化太阳能电池组装的工艺。将染料敏化太阳能电池的效率由4.746%提高到了5.741%，实现了21.0%的效率提升。该发明首先利用水热法制备出上转换效率较高β‑NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米棒，该材料在510~570 nm有较强发射，与染料N719的吸收波长吻合，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。

技术领域

本发明涉及一种可提高太阳能电池效率的稀土上转换材料、制备方法及其在太阳能电池中的装配方法。

背景技术

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，即量子剪裁。

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380 nm和520 nm附近有较强吸收，而在800 nm以后几乎没有吸收，然而在太阳光谱中近红外光区（800 nm~1700 nm）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。

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。下转化和下转移的原理比较繁琐，这类光谱转化器需置于太阳能电池顶部，这样一来，任何一点因为引入转化器而带来的能量损失都会极大的影响太阳能电池的总效率。虽然已有证据显示下转化可带来接近200%的量子效率，但实际的量子效率因为浓度淬灭和寄生吸收而远低于该值。即使在非常完美的200%量子产率体系中，更高效的太阳能电池还需要第一个反射层来反射未被吸收的量子，但目前还没有实验证明下转化材料在太阳能电池中可实现这样的反射作用。然而上转换层一般置于太阳能电池底部，可以很方便的同时实现上转换和反射层的作用。

发明内容

本发明提供一种稀土上转换材料，以及这种上转化材料、制备方法及其在太阳能电池中的装配方法。

本发明的β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换材料是在β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺材料的部分表面附着有2～3 nm金纳米粒子，形成其一部分表面为附着有金纳米粒子的表面，另一部分表面为不附着有金纳米粒子的表面。

本发明优选的β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换材料是形态为六棱柱棒状结构颗粒的β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺，因为相关实验表明，这种形态为六棱柱棒状结构颗粒的β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺具有最高的荧光强度。