一种上转换透明陶瓷及其在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率中的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种上转换透明陶瓷及其在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率中的应用，属于透明陶瓷应用技术领域。解决了现有晶体硅太阳能电池不能吸收波长大于其带隙宽度的光子的问题，提高其光电转换效率。本发明专利技术的透明陶瓷，化学式为(Y1‑x‑yErxMy)2O3，式中，M为Sc、La、Gd、Lu、Zr、Hf、Zn和Li中的一种或多种，x和y均为元素摩尔分数，0

【技术实现步骤摘要】
一种上转换透明陶瓷及其在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率中的应用
本专利技术属于透明陶瓷应用
，具体涉及一种上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷及其在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率中的应用。
技术介绍
目前为止，世界能源需求的电力和燃料主要来自于煤炭，石油和天然气。然而，这些化石燃料燃烧产生的数百亿吨的二氧化碳加速了温室效应，燃煤发电还释放了大量的砷、铅、硫等污染物，这些副产物对环境和经济造成了巨大影响。太阳每年向地球辐射大约100000太瓦的能量，这个数值大约是每年全球能源需求总量的一万倍。因此，利用太阳能是人类解决现有化石能源污染严重的重要手段。其中，硅基太阳能电池在全球光伏领域占据的市场份额超过80％。其中晶体硅太阳能电池具有原材料供应丰富，效率高，稳定性好，环境污染小，以及适合室外应用等优点。晶体硅的带隙为1.12eV，对应波长为1100nm，也就是说波长大于1100nm的太阳光是不能被晶体硅太阳能电池利用的，这部分未能被吸收的红外光相当于入射到地球表面总太阳光能量的20％。可见，若是能使晶体硅太阳能电池对波长大于1100nm的近红外光有吸收，并且进而将其转换为电能的话，将对节约资源，保护环境，促进经济方面产生促进作用。目前，可行的解决办法是利用上转换原理，将太阳光中的红外光部分调制到可以被晶体硅太阳能电池吸收的波段范围内(<1100nm)。根据澳大利亚研究人员的理论分析表明，通过对太阳光谱中波长大于1100nm的红外光的充分利用，晶体硅太阳能电池光电转换效率理论最高可达40.2％，远大于肖克利-奎伊瑟极限(30％)。上转换发光一般发生在稀土离子当中，其中，铒离子具有丰富的亚稳态能级以及较长的能级寿命，常被用在上转换发光领域。铒离子的4I13/2能级在1430～1600nm范围内存在吸收，并且可以转换为波长在1000nm、660nm、560nm左右的上转换发光。恰好可以被应用在太阳能电池领域来提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率。2005年，澳大利亚新南威尔士的研究人员Shalav等，首次采用铒离子掺杂的NaYF4多晶粉末，将其混合到透明的丙烯酸粘结剂中，并将其放在一个双面晶体硅太阳能电池的背面。最终，在5.1mW的1523nm的激光激发下，晶体硅太阳能电池的外量子效率可达2.5％。其后，其他材料包括氧化物、氟化物、硫氧化物被相继应用在这个方向。但是，这些工作中大多仍然是采用将微米级荧光粉分散在透明的有机聚合物中的方式来提高晶体硅太阳能电池效率。粉体在透明的有机聚合物中分散不均匀，并且由于粉体颗粒尺寸在微米范围，使得其对波长小于1100nm的光散射严重，光的损耗大，出光功率随着粉体厚度的增加而显著下降，同时透明性较差。导致部分激发光不能被完全吸收，以及部分上转换发光不能被晶体硅太阳能电池吸收，不利于其在晶体硅太阳能电池实际中的应用。透明陶瓷是一种性能优异的无机光学材料。其既具备玻璃的高透明性，又具备陶瓷的高导热性，高强度等优点，被广泛应用在激光、照明、核医学等方向。氧化钇基透明陶瓷具有原料成本低，稀土溶解度大，声子能量小等特点。氧化钇是一种高效的上转换材料，在世界范围内有许多关于其上转换应用的报道。然而到目前为止，关于铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率方面的应用却没有相关的研究报道。本专利技术的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷，可以通过控制陶瓷荧光体中激活离子浓度、荧光体的厚度及其透过率来调节其对太阳光的吸收，进而改变出射光的效率，我们就可以控制陶瓷内部的气孔率来调节基质对光散射的强弱，同时也避免了因荧光粉颗粒间的散射而造成的能量损失。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率，克服现有技术的不足。本专利技术提供一种上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷及其在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率中的应用。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下：本专利技术提供一种上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷，化学式为(Y1-x-yErxMy)2O3，式中，M为Sc、La、Gd、Lu、Zr、Hf、Zn和Li中的一种或多种，x和y均为元素摩尔分数，0<x≤0.2，0≤y<0.5，0<x+y<0.5。优选的是，0.001<x≤0.15，0<x+y<0.5。上述方案中，通过M(Sc、La、Gd、Lu、Zr、Hf、Zn和Li的一种或多种)的加入，有利于氧化钇基透明陶瓷的制备或是增强氧化钇基透明陶瓷的上转换发光强度，或是调节吸收和发射位置。优选的是，M为La、Gd、Lu、Zr、Hf和Zn中的一种或多种。本专利技术提供上述上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率中的应用，是将上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的上表面固定于双面晶体硅太阳能电池的背面，并将背反光镜固定在上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的下表面上。上述方案中，所述双面晶体硅太阳能电池的激发光源为聚焦或不聚焦的太阳光。上述方案中，所述上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的上转换发射波长小于1100nm。上述方案中，所述双面晶体硅太阳能电池在保证对太阳光中波长小于1100nm的光子的吸收不变的同时，还能够利用波长位于1430～1600nm的光子。上述方案中，所述上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的引入能够提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的上转换效率高，透明性好，可以解决现有技术中上转换荧光粉掺入透明的有机聚合物中分散不均匀，透明性差，不利于实际应用的缺点。本专利技术的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷依据需求可以制备成不同的厚度，通过增加太阳光在上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷中的传播距离，增加对太阳光的吸收利用，进而增加外量子效率。因而上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷能够克服多晶粉末散射严重，仅在表层存在吸收，太阳光利用率低下的问题。本专利技术的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的上表面固定于双面晶体硅太阳能电池的背面，并将背反光镜固定在上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的下表面上；上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷通过铒离子4I13/2能级对太阳光中1430～1600nm范围近红外光的吸收，然后转换为波长小于1100nm的上转换发光，再经背反射镜反射回晶体硅太阳能电池，晶体硅太阳能电池吸收这部分上转换发光，这就保证了在不影响晶体硅太阳能电池对太阳光中波长小于1100nm光子的吸收的前提下，可以通过对那些穿透晶体硅太阳能电池而未被吸收的波长位于1430～1600nm光子的吸收利用来提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率。本专利技术为氧化钇基透明陶瓷提供了一种新的应用方案。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷应用在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率时的结构示意图。图2为本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷，其特征在于，化学式为(Y1‑x‑yErxMy)2O3，式中，M为Sc、La、Gd、Lu、Zr、Hf、Zn和Li中的一种或多种，x和y均为元素摩尔分数，0

【技术特征摘要】
1.上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷，其特征在于，化学式为(Y1-x-yErxMy)2O3，式中，M为Sc、La、Gd、Lu、Zr、Hf、Zn和Li中的一种或多种，x和y均为元素摩尔分数，0<x≤0.2，0≤y<0.5，0<x+y<0.5。2.根据权利要求1所述的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷，其特征在于，0.001<x≤0.15，0<x+y<0.5。3.根据权利要求1所述的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷，其特征在于，M为La、Gd、Lu、Zr、Hf和Zn中的一种或多种。4.权利要求1-3任何一项所述的上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷在提高晶体硅太阳能电池光电转换效率中的应用，其特征在于，将上转换铒离子掺杂氧化钇基透明陶瓷的上表面固定于双面晶体硅太阳能电池的背面，并将背反光镜固定在上转换铒离子掺杂氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家骅，吴昊，郝振东，张亮亮，张霞，潘国徽，武华君，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22