專(zhuān)利名稱(chēng)：一種可用于硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于提高太陽(yáng)光利用率的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料，即光轉(zhuǎn) 換材料，涉及稀土共摻雜材料和硅基太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，尤其是一種可用于 硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料。
背景技術(shù)：
由于傳統(tǒng)礦物能源的不可再生性和使用后對(duì)環(huán)境的污染性，太陽(yáng)能的 利用成為了緩解能源緊張和減輕環(huán)境污染的有效途徑，當(dāng)前對(duì)于太陽(yáng)能的 利用主要是通過(guò)太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換成電能。在太陽(yáng)能電池中硅基太陽(yáng) 能電池以其較高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化的主 流。
光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料是指在稀土離子單摻雜或者共摻雜的材料中，吸收 一個(gè)光子，發(fā)射出兩個(gè)或者兩個(gè)以上光子的材料，這種材料的內(nèi)量子效率
可以達(dá)到或者超過(guò)200%，從而提高光的輸出。
硅基太陽(yáng)能電池中采用的核心材料是半導(dǎo)體材料硅，硅的帶隙寬度是 U2eV，只要激發(fā)光的波長(zhǎng)小于1100nm，就可以導(dǎo)致硅價(jià)帶上的電子被激 發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光電流。根據(jù)光電效應(yīng)原理，對(duì)于硅，只要是波長(zhǎng)小 于1100nm, —個(gè)光子只能產(chǎn)生一個(gè)電子。波長(zhǎng)為250nm 600nm的一個(gè)光 子激發(fā)硅產(chǎn)生一個(gè)電子后，其多余的能量是以晶格聲子的形式釋放，造成 硅溫度的升高，這不但導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，還產(chǎn)生了由于硅元件溫度太高而 導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)于波長(zhǎng)小于500nm光子的能量能夠充分 利用，避免熱效應(yīng)，從而提高太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)光利用率的一種可用于硅 基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種可用于硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料，其特別之處在于， 是共摻雜在氟氧化物陶瓷玻璃中的P,和Yb3+、 Er3， Yb3+、或Nd"和Yb3+。
化學(xué)組成為m(Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3): n(xY203—yYb203 —zRE203)，其中R代表Y或La,其中RE代表Pr、Nd、或Er，其中0.5SxS0.99， 0.01，zS0.5， l^m: n^99。
其中Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3以重量份計(jì)其組分為
Si02 60~85
A1203 1~10
A1F3 1~5
NaN03 1~3
RF3 1~3
在制備過(guò)程中，需要在溫度450 55(TC條件下退火2~5個(gè)小時(shí)。 本發(fā)明是為了克服以上的問(wèn)題，提出了一種光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料，該材 料是稀土摻雜的玻璃陶瓷材料，其中成對(duì)的稀土離子可以是Pi^+和Yb3+， Nd3，Yb3+，或者ErS+和Yl^+。該材料可以把一個(gè)大能量的光子轉(zhuǎn)化成兩 個(gè)小能量光子，同時(shí)這兩個(gè)小能量的光子仍然可以激發(fā)硅價(jià)帶上的電子到 導(dǎo)帶，這樣一個(gè)大能量的光子可以產(chǎn)生兩個(gè)或者兩個(gè)以上的電子，這個(gè)過(guò) 程一方面可以提高太陽(yáng)光的利用率，同時(shí)可以減少多余能量所導(dǎo)致的熱效 應(yīng)。
相較與現(xiàn)有技術(shù)，由于本發(fā)明中的陶瓷玻璃有從300nm到4500nm的透過(guò)范圍，同時(shí)其聲子能量較低，而且在其中的稀土可溶性較好，材料本 身很穩(wěn)定，因此是一種較好的發(fā)光材料載體。


附圖1是共摻雜在玻璃陶瓷材料中稀土P一+和Y^+能級(jí)圖； 附圖2是共摻雜在玻璃陶瓷材料中稀土Nd^和￥1)3+能級(jí)附圖3是共摻雜在玻璃陶瓷材料中稀土 Ei^+和Y^+能級(jí)圖。
具體實(shí)施例方式
硅基太陽(yáng)能電池對(duì)于波長(zhǎng)小于500nm光子的能量沒(méi)有充分利用，同時(shí) 未被充分利用的多余能量會(huì)導(dǎo)致電池元件升溫過(guò)高，為了解決這些問(wèn)題， 本發(fā)明提出了一種光利用率高的稀土摻雜光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是制備一種稀土摻雜的氟氧 化物陶瓷玻璃，其組成主要為氧化物的組合(化學(xué)組成為m (Si02—Al203 —A1F3—NaN03—RF3) : n(xY203—yYb203—zRE203)，其中R可為Y或者 La，其中RE可為Pr，Nd，或Er。
本發(fā)明Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3中不同組分的比例可以根據(jù) 透光的需要進(jìn)行調(diào)整。
退火后YF3或者LaF3納米顆粒會(huì)從玻璃陶瓷中析出，同時(shí)大部分稀土 Pr3+， Nd3+， Er3+，和Yb"離子會(huì)集中在YF3或者LaF3納米微晶中，本發(fā) 明材料可以吸收一個(gè)紫外或者可見(jiàn)光光子，發(fā)射出兩個(gè)可見(jiàn)或者紅外光 子，其內(nèi)量子效率可為200%，提高了太陽(yáng)光的利用率。
本發(fā)明中的材料可以實(shí)現(xiàn)高能光子的光子劈裂，即一個(gè)光子劈裂成兩 個(gè)小能量的光子，經(jīng)過(guò)此陶瓷玻璃的部分紫外或者可見(jiàn)光可以實(shí)現(xiàn)光子的級(jí)聯(lián)發(fā)射，這樣可以提高太陽(yáng)光的利用率，同時(shí)減少了多余能量所導(dǎo)致的 熱效應(yīng)。
圖1是氟氧化物陶瓷玻璃中氟化物中稀土 Pr31n ￥1)3+間的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖 和能量傳遞示意圖，其中P +可以被440nm到470nm內(nèi)的光子有效的激發(fā)， 激發(fā)態(tài)的Pr"本身會(huì)發(fā)射一個(gè)950nm光子，即3P?！?amp;4躍遷，同時(shí)由于Pr3+
3&躍遷和Yb3+ 2F7/2—2F5/2躍遷間有光譜交疊，同時(shí)二者符合 F6rster-Dexter能量傳遞理論所要求的條件，所以會(huì)導(dǎo)致Yb"發(fā)射一個(gè) 1020nm的光子(2F5/2—2F7/2)，因此共摻雜于氟氧化物陶瓷玻璃中的Pr3+ 和￥133+可以有效的實(shí)現(xiàn)能量傳遞，可以吸收一個(gè)波長(zhǎng)為450nm左右的光 子，而發(fā)射出兩個(gè)分別為950nm和1020nm的光子，這兩個(gè)光子能量大于 硅的帶隙寬度，因此可以有效的實(shí)現(xiàn)光電流，同時(shí)避免在高能光子照射下 多余能量所導(dǎo)致的熱效應(yīng)。
圖2是氟氧化物陶瓷玻璃中氟化物中稀土Nc^+和Y^+間的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖 和能量傳遞圖示，其中NdS+可以有效的吸收355nm左右的光子，即從其基 態(tài)419/2到激發(fā)態(tài)4D3/2的躍遷，處于激發(fā)態(tài)的Nd^本身會(huì)發(fā)射出一個(gè)910nm 光子(403/2—2G7/2),在能級(jí)207/2上的電子會(huì)經(jīng)過(guò)無(wú)輻射弛豫過(guò)程到卞3/2能 級(jí)，然后^3/2能級(jí)上電子會(huì)和￥1)3+基態(tài)^7/2上電子發(fā)生交叉弛豫過(guò)程，導(dǎo) 致Yb"發(fā)射1020nm的光子(2F5/2—2F7/2)，因此在此材料中，稀土離子是 吸收355nm紫外光，發(fā)射一個(gè)910nm光子和一個(gè)1020nrn光子，這樣就實(shí) 現(xiàn)此種材料中的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射過(guò)程。
圖3是氟氧化物陶瓷玻璃中氟化物中稀土 Er"和Y^+間的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖 和能量傳遞圖示，其中的ErS+會(huì)吸收約為300nm左右的紫外光子，即從其 基態(tài)4115/2到2K13/2的躍遷，E,本身會(huì)發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)為455nm的光子(2&3/2 —4111/2),同時(shí)處于激發(fā)態(tài)4Iu/2的E,可以通過(guò)和￥1)3+的交叉弛豫過(guò)程，導(dǎo) 致Yb"的發(fā)射，即2F5/2—2F7/2的躍遷,這樣一個(gè)300nm左右的紫外光子可以導(dǎo)致兩個(gè)光子的發(fā)射， 一個(gè)光子的波長(zhǎng)為455nm左右，另一個(gè)光子為 1020nm,因此在這種材料中也存在光子級(jí)聯(lián)發(fā)射過(guò)程，其內(nèi)量子效率為 200%。
實(shí)施例1
將各原料(化學(xué)組成為m (Si02—A1203—AlF3_NaN03 —RF3) : n (0.5Y2O3—0.25Yb2O3 —0.25RE2O3)，其中R為Y， RE為Pr， m:n=l，按
比例進(jìn)行配制，以重量份計(jì)算其組分為
Si02 60
A1203 1
A1F3 1
NaN03 1
RF3 1
混合原料，然后采用球磨機(jī)進(jìn)行研磨20-50分鐘，然后在1100°C~1300 °C溫度下將原料熔化，形成玻璃熔體，保持1~2個(gè)小時(shí)，然后將玻璃熔 體倒入模具中在空氣中冷卻至室溫，待玻璃成型后，將制得的陶瓷玻璃置 于馬弗爐中，在45(TC 550'C下退火2 5個(gè)小時(shí)，然后再以8~10°C/h的降
溫速度降至室溫，然后對(duì)樣品進(jìn)行拋光處理，即得摻雜稀土的氟氧化物陶 瓷玻璃。
實(shí)施例2
將各原料(化學(xué)組成為m (Si02 —A1203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.99Y2O3—0.005Yb2O3—0.005RE2O3)，其中R為L(zhǎng)a， RE為Nd， m:n=30，
按比例進(jìn)行配制，以重量份計(jì)算其組分為
Si02 70
A1203 3
A1F3 2
NaN03 2RF3 2
混合原料，然后采用球磨機(jī)進(jìn)行研磨30分鐘，然后在120(TC溫度下 將原料熔化，形成玻璃熔體，保持1.5個(gè)小時(shí)，然后將玻璃熔體倒入模具 中在空氣中冷卻至室溫，待玻璃成型后，將制得的陶瓷玻璃置于馬弗爐中， 在50(TC下退火3個(gè)小時(shí)，然后再以9°C/h的降溫速度降至室溫，然后對(duì) 樣品進(jìn)行拋光處理，即得摻雜稀土的氟氧化物陶瓷玻璃。
實(shí)施例3
將各原料(化學(xué)組成為m (Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.7Y2O3—0.25Yb2O3—0.05RE2O3)，其中R為Y， RE為Er， m:n=60，
按比例進(jìn)行配制，以重量份計(jì)算其組分為
Si02 75
A1203 6
A1F3 3
NaN03 2.1
RF3 2.3
其余部分與實(shí)施例2相同。 實(shí)施例4
將各原料(化學(xué)組成為m (Si02 — Al203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.5Y2O3—0.25Yb2O3—0.25RE2O3)，其中R為L(zhǎng)a， RE為Nd， m: n=75，
按比例進(jìn)行配制，以重量份計(jì)算其組分為
Si02 80
A1203 8
A1F3 4
NaN03 3
RF3 3
其余部分與實(shí)施例l相同。實(shí)施例5
將各原料(化學(xué)組成為m (Si02—Al203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.99Y2O3—0.005Yb2O3—0.005RE2O3)，其中R為Y， RE為Pr， m: n=99，
按比例進(jìn)行配制，以重量份計(jì)算其組分為
Si02 85
A1203 10
A1F3 5
NaN03 3
RF3 3
其余部分與實(shí)施例2相同。 實(shí)施例6
將各原料(化學(xué)組成為m (Si02 —A1203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0,7Y2O3—0.25Yb2O3—0.05RE2O3)，其中R為L(zhǎng)a， RE為Er， m: n=72，
按比例進(jìn)行配制，以重量份計(jì)算其組分為
Si02 65 A1203 3 A1F3 1 NaN03 3 RF3 2 其余部分與實(shí)施例2相同。
由于在后期退火過(guò)程中，YF3或者LaF3會(huì)以納米晶形式析出，因此其 中的稀土離子濃度會(huì)遠(yuǎn)大于陶瓷玻璃中稀土離子的濃度。將按上述方法獲 得陶瓷玻璃覆蓋在硅基太陽(yáng)能電池板的表面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一定波段太陽(yáng)光的 光子級(jí)聯(lián)發(fā)射，從而提高硅基太陽(yáng)能電池對(duì)陽(yáng)光的利用效率。
權(quán)利要求
1、一種可用于硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料，其特征在于是共摻雜在氟氧化物陶瓷玻璃中的Pr3+和Yb3+、Er3+和Yb3+、或Nd3+和Yb3+。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種可用于硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射 材料，其特征在于化學(xué)組成為m(Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3): n(xY203—yYb203 —zRE203)，其中R代表Y或La，其中RE代表Pr、Nd、或Er,其中0.5SxS0.99, 0.01^y+zS0.5， l￡m: n^99。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種可用于硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射 材料，其特征在于-其中Si02—Al203_AlF3—NaN03—RF3以重量份計(jì)其組分為Si02 60~85A1203 1~10A1F3 1 5NaN03 1 3RF3 1~3。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種可用于硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料，其特征在于-在制備過(guò)程中，需要在溫度450 55(TC條件下退火2~5個(gè)小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于提高太陽(yáng)光利用率的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料，即光轉(zhuǎn)換材料，涉及稀土共摻雜材料和硅基太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，尤其是一種可用于硅基太陽(yáng)能電池的光子級(jí)聯(lián)發(fā)射材料，其特點(diǎn)是共摻雜在氟氧化物陶瓷玻璃中的Pr³⁺和Yb³⁺、Er³⁺和Yb³⁺、或Nd³⁺和Yb³⁺。相較于現(xiàn)有技術(shù)，由于本發(fā)明中的陶瓷玻璃有從300nm到4500nm的透過(guò)范圍，同時(shí)其聲子能量較低，而且在其中的稀土可溶性較好，材料本身很穩(wěn)定，因此是一種較好的發(fā)光材料載體。
文檔編號(hào)H01L31/055GK101436615SQ20081023273
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者王大偉 申請(qǐng)人:彩虹集團(tuán)公司