專利名稱：自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉，尤其涉及一種可將太陽短波及可見光波段的輻射轉(zhuǎn)移至深紅色和紅外波段的增效轉(zhuǎn)光粉，其所提供的自然光能電池完全工作時(shí)的有效率可達(dá)18～18.7％。
背景技術(shù)：
借助于單晶硅將太陽輻射的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的自然光能裝置組件的最簡單架構(gòu)如下。該自然光能電池組件是在單晶硅的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的，通常是p型導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體單晶硅片。這種導(dǎo)電類型是通過在單晶硅中加入硼的混合物實(shí)現(xiàn)的。通常氣相銻的混合物在p型硅中擴(kuò)散會在硅片表面形成p-n類型間的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)電類型由電洞導(dǎo)電變?yōu)殡娮訉?dǎo)電，即n型導(dǎo)電。硅片表面n型覆膜的濃度為0.5～3微米。該覆膜通常與金屬電極相接觸(金或其合金)。在硅片背面完全覆蓋上金屬電極或是以銀覆膜形式存在的電極。
以下是自然光能電池組件工作的物理原理。當(dāng)該組件被自然光照或人工照明的輻射激活時(shí)，被硅材料吸收的光子將生成不平衡的電子電洞對。此時(shí)，位于臨近p-n躍遷的p層中的電子向該躍遷的邊界遷移，被其中存在的電引力場吸入到n型區(qū)域。另一方面，存在于硅片表面n層的電洞載體(p型載體)部分轉(zhuǎn)移到硅片內(nèi)部，即硅片p型區(qū)域.這種擴(kuò)散的結(jié)果是n層獲得了額外的負(fù)電荷，而p層獲得了額外的正電荷.半導(dǎo)體硅片p層與n層間的勢能接觸差減小，此時(shí)外部電路中形成了電壓。該半導(dǎo)體電源的負(fù)極是n層，而正極是p層。
硅片在光照條件下發(fā)生的光電效應(yīng)可用伏安特性方程來描述U＝(KT/q)*ln[(Iph-I)/IS+Iz]其中IS-供給電流，Iph-光電流從半導(dǎo)體硅片表面每平方厘米面積所能獲得的最大功率Iph*U＝X*Iκ3*UXX，其中，X為伏安特性比例系數(shù)，Iκ3為短路電流，UXX為空載電壓。上述自然光能電池組件最簡架構(gòu)的有效工作系數(shù)為15～16％，一片半導(dǎo)體硅片自然光能電池可轉(zhuǎn)化并獲得高達(dá)40W的功率。
該自然光能電池組件架構(gòu)的主要缺陷是半導(dǎo)體硅片表面p層與n層濃度的不均勻性。此外，p-n和硅較活躍時(shí)的光譜最大值通常無法與太陽輻射的光譜最大值相重合。
下面援引圖表來解釋這種偏差。圖1是現(xiàn)有技術(shù)自然光能電池的基本架構(gòu)圖，其中，1是p型單晶硅片，2是n型導(dǎo)電層，3是電極系統(tǒng)，4是外層抗反射覆膜。通常在自然光能電池硅片外面包上由乙酸乙烯酯或聚碳酸酯類化合物構(gòu)成的防塵外殼。
根據(jù)在中緯度(例如北緯48°)太陽與地平線成45°角時(shí)測得的太陽輻射能量光譜圖可以很明顯地觀察出，到達(dá)地球表面的太陽輻射能量最高的分波段在290-1060nm間。(需要指出的是，當(dāng)自然光能電池在近太空環(huán)境中工作時(shí)，在其完整的光譜圖中還會出現(xiàn)UV與VUV分波段的短波輻射與波長大于1065nm的紅外中波輻射；而在地球表面工作時(shí)，短波輻射會被大氣中的氧氣吸收，UV中波輻射會被水蒸汽強(qiáng)烈吸收)。
另外值得注意的是，太陽輻射光譜圖中能量的不均衡分布。太陽輻射能量的最大值出現(xiàn)下藍(lán)色波段λ＝470nm處。在可見光的主要波段500～600nm段的太陽輻射較最大值減少了20％，λ＝720nm對應(yīng)的輻射值減少了一半。λ＝1000nm＝1微米對應(yīng)的輻射值僅是最大值的1/5。圖2是在與太陽輻射相對應(yīng)的各分波段測得的自然光能電池樣品敏感度標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線，將太陽輻射能量光譜圖中的數(shù)據(jù)與圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)下λ＝400～470nm太陽輻射最大值區(qū)域內(nèi)單晶硅敏感度的最大值不超過最高敏感度的20％。在光譜的λ＝440～880nm波段，單晶硅敏感度曲線急劇上升，即單晶硅自然光能電池對可見光與近紫外光波段的輻射比較敏感，然而IM125自然光能電池的敏感度最大值出現(xiàn)下近950～980nm波段。單晶硅自然光能電池的敏感度最大值位于上述窄波段內(nèi)是由單晶硅的能帶架構(gòu)決定的，其禁帶的寬度Eg＝1.21ev，對應(yīng)波長λ＝950nm。
通過以上對太陽輻射光譜與單晶硅自然光能電池光譜敏感度的比較，可得出以下結(jié)論1.太陽輻射峰值與自然光能電池敏感度最大值對應(yīng)的波長的間距Δλ＝500nm，對應(yīng)的能量間距ΔE＝0.42ev；2.太陽輻射能量較高的380～550nm波段對應(yīng)的單晶硅的敏感度很低；3.太陽輻射峰值的波長幾乎是單晶硅敏感度最高時(shí)輻射的光子的波長的2倍。
這些重要的物理結(jié)論決定了現(xiàn)有的單晶硅自然光能電池的主要缺陷這種電池的有效系數(shù)相當(dāng)?shù)停碚撟畲笾涤蓡尉Ч璧墓庾V敏感度與太陽輻射的積分關(guān)系決定，不超過28～30％；2.太陽中波輻射的峰值在λ＝470至620nm波段，此時(shí)對單晶硅電池的激發(fā)作用相當(dāng)微弱。太陽輻射的光子在被自然光能電池材料吸收后多余的能量將會引起聲子輻射，產(chǎn)生hv＝500cm-1(～0.1ev)的聲子，使自然光能電池材料溫度升高。在這個(gè)過程中硅的禁帶寬度會減小(0.01ev/℃)。同時(shí)，單晶硅自然光能電池敏感度最大值對應(yīng)的波長向980～1020nm長波段移動，在這個(gè)波段水蒸汽對太陽輻射穿透大氣層的過程影響已經(jīng)相當(dāng)大；3.λ＝2.5～3ev的太陽短波輻射的能量會導(dǎo)致在自然光能電池材料中產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的缺陷在波節(jié)處產(chǎn)生空位，以及在波節(jié)間形成原子，這必然會降低自然光能電池阻擋層光的效果。
此類偏差造成了電池?zé)o法達(dá)到上述的15～16％的有效工作系數(shù)。單晶硅自然光能電池的研究者和生產(chǎn)者長期致力于研究克服上述種種缺陷與局限性的方案。Chopr在其專題論文《薄膜自然光能電池》(世界出版社，1985年，378～379頁)中提出了一種解決方案，被我們作為原型。圖3繪示在自然光能電池外表面覆蓋一層單晶紅寶石時(shí)，它能強(qiáng)化吸收2.3ev～3.2ev區(qū)域的太陽輻射之示意圖。這一方案的物理意義在于在自然光能電池外表面覆蓋一層單晶紅寶石，它能強(qiáng)化吸收2.3ev～3.2ev區(qū)域的太陽輻射，激發(fā)Cr+3發(fā)生d-d躍遷，窄頻帶發(fā)光。紅寶石內(nèi)部Cr+3的輻射峰值對應(yīng)的波長λ＝695nm。因此太陽的原始輻射向長波段變化，短波波段的輻射完全移至λ＝700nm的輻射區(qū)域。
在圖3中之“光子能量-吸收光系數(shù)”坐標(biāo)圖中，曲線2表示被激活的Cr+3吸收光的系數(shù)，曲線1表示這種單晶紅寶石在光激發(fā)下的發(fā)光狀態(tài)。圖中還標(biāo)示出了單晶硅電池在其表面覆蓋有可被激發(fā)發(fā)光的紅寶石時(shí)的載體聚集系數(shù)(曲線3)，該系數(shù)因紅寶石層的存在與否而變化?？梢钥闯?，太陽輻射直接激發(fā)的短波輻射區(qū)域的載體聚集系數(shù)比依靠紅寶石變頻器工作的發(fā)光裝置的載體聚集系數(shù)高10～20％。上述專題論文的作者因此得出結(jié)論依靠紅寶石變頻器工作的單晶硅自然光能電池的有效率還可能提升0.5～2％。這是自然光能電池技術(shù)領(lǐng)域取得的實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，但仍存在以下問題1.紅寶石Al2O3□Cr被激發(fā)發(fā)光的光譜與單晶硅自然光能電池敏感度曲線不能完全重合；2.上述裝置因使用單晶紅寶石，成本很高，是其美中不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的主要目的是提供一自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉，其采用了可強(qiáng)化吸收可見光波段近80％輻射的寬帶。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉，其增效轉(zhuǎn)光粉輻射出的光譜非窄頻帶的，而是覆蓋了能量集中的λ＝580至760nm波段。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉，其增效轉(zhuǎn)光粉具有較高的轉(zhuǎn)化率，光子輻射可達(dá)96％。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉，其增效轉(zhuǎn)光膜光譜轉(zhuǎn)化器被做成內(nèi)部填充有增效轉(zhuǎn)光粉超分散顆粒的聚合薄膜，薄膜與p型單晶硅片的外表面直接接觸。該技術(shù)方案最顯著的特征是可將16％以上的自然光能轉(zhuǎn)化成電能。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種自然光能電池，其包括一單晶硅片，用以承載后述的增效轉(zhuǎn)光膜；以及一增效轉(zhuǎn)光膜，其被制成一薄聚合層的形式，該聚合層內(nèi)填充有一增效轉(zhuǎn)光粉，且與該單晶硅片的外表層相接觸，其可強(qiáng)化吸收一第一特定分段波的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種增效轉(zhuǎn)光粉，是用于一增效轉(zhuǎn)光膜中，其為一由無機(jī)粉所制成的聚合物薄膜并可與一單晶硅片的外表層相接觸，其可強(qiáng)化吸收一第一特定分段波的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波。


圖1為一示意圖，其示出了現(xiàn)有技術(shù)自然光能電池的基本架構(gòu)圖。
圖2為一示意圖，其示出了在與太陽輻射相對應(yīng)的各分波段測得的自然光能電池樣品敏感度標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線。
圖3為一示意圖，其示出了在自然光能電池外表面覆蓋一層單晶紅寶石時(shí)，它能強(qiáng)化吸收2.3ev～3.2ev區(qū)域的太陽輻射的示意圖。
圖4為一示意圖，其示出了本發(fā)明的自然光能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記說明1p型單晶硅片；2n型導(dǎo)電層；3電極系統(tǒng)；4外層抗反射覆膜；10單晶硅片；20增效轉(zhuǎn)光膜；21增效轉(zhuǎn)光粉。
具體實(shí)施例方式
迄今為止，有關(guān)自然光能電池的最大有效率，還未有人發(fā)表過同等水平的數(shù)據(jù)。在單晶硅片和增效轉(zhuǎn)光粉基礎(chǔ)上構(gòu)建的自然光能電池能達(dá)到這種技術(shù)水準(zhǔn)，是由于電池中的增效轉(zhuǎn)光膜是以聚碳酸酯，或/和聚硅氧烷，或/和聚丙酸酯為基體構(gòu)成的聚合物，在其內(nèi)部填充有以II，III，IV主族元素的氧化物為基體的增效轉(zhuǎn)光粉顆粒，顆粒具有石榴石類型晶體架構(gòu)，直徑小于輻射峰值波長，且聚合物中增效轉(zhuǎn)光粉顆粒的填充量在1～50％之間。
請參照圖4，其示出了本發(fā)明的自然光能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，本發(fā)明的自然光能電池包括一硅片10；以及一增效轉(zhuǎn)光膜20所組合而成者。
其中，該硅片10例如但不限于為一p型單晶硅片、一p型多晶硅片、一n型單晶硅片或一n型多晶硅片，在本實(shí)施例中是以p型單晶硅片為例加以說明，但并不以此為限，且本發(fā)明的電池系由不超過120mm的硅片平面組合而成，總量16-20片，構(gòu)成總電阻小于100Ω的并聯(lián)電路。
該增效轉(zhuǎn)光膜20被制成一薄聚合層的形式，該聚合層內(nèi)填充有一增效轉(zhuǎn)光粉21，例如但不限于為一增效轉(zhuǎn)光粉超分散顆粒，且與該單晶硅片10的外表層相接觸，其可強(qiáng)化吸收一第一特定分段波，例如但不限于為300～580nm的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波，例如但不限于為580～760nm。其中，該聚合層20為一有機(jī)聚合物，其中的平均聚合度為m＝100～500，分子質(zhì)量為10000～20000標(biāo)準(zhǔn)單位。此外，該增效轉(zhuǎn)光膜20進(jìn)一步可具有一環(huán)氧樹脂(epoxy)(圖未示)材料，以增加其轉(zhuǎn)旋旋旋光性。
該增效轉(zhuǎn)光粉21的基體是化學(xué)組成例如但不限于為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12(x＝0～3)的釔釓石榴石，用Ce+3、Cr+3或Fe+3單獨(dú)或二者共同作激發(fā)劑，被可見光300～580nm波段的黃、橙、紅、暗紅色光激發(fā)發(fā)生再輻射，形成半寬Δλ0,5＞110nm的寬帶帶輻射及/或Δλ＝20～40nm的窄頻帶輻射，輻射峰值移至640～760nm波段，輻射被總濃度100～300微米的單晶硅片的P層強(qiáng)烈吸收。
其中，該釔釓石榴石為基體的無機(jī)熒光粉21中釔離子和釓離子的比例關(guān)系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨著激發(fā)離子Ce+3、Cr+3或Fe+3輻射峰值的移動而增大，這些離子在該增效轉(zhuǎn)光粉中的最適宜濃度為0.005～0.05％。該釔釓石榴石組成中鎂的氧化物和硅的氧化物存在以下的摩爾關(guān)系MgO∶SiO2＝1±0.02，以保證該增效轉(zhuǎn)光粉21輻射峰值向長波方向移動20～40nm。
其中，該增效轉(zhuǎn)光膜20系以聚碳酸酯及/或聚硅氧烷，及/或聚丙烯酸酯基為基礎(chǔ)所形成的含氧聚合物，該聚合物中填充有以具有石榴石晶體架構(gòu)的元素周期表II、III或IV主族元素的氧化物為基體的增效轉(zhuǎn)光粉顆粒，該顆粒的直徑小于峰值波長(d＜dλMax)，且該聚合物中增效轉(zhuǎn)光粉顆粒的含量為1-50％。此外，該增效轉(zhuǎn)光膜20的外表面呈黃橙色，對300-520nm波段的光的吸收率大于60％。此外，該增效轉(zhuǎn)光粉20之量子輻射率在75-96％間變化，隨著薄膜濃度在0.1～0.5mm間優(yōu)化而增大，該薄膜對電池接收到的自然光的整體反射率為4～6％。
該增效轉(zhuǎn)光膜20系由分子質(zhì)量m＝12000標(biāo)準(zhǔn)碳單位的聚碳酸酯薄膜構(gòu)成，其中該無機(jī)增效轉(zhuǎn)光粉21體積濃度為30％，其組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12:Ce(2％)Cr(0.1％)Fe(0.05％)。
以下是本發(fā)明的自然光能電池的物理本質(zhì)。首先，選用聚碳酸酯及/和聚硅氧烷，及/和聚丙酸酯作為增效轉(zhuǎn)光膜20的材料，而不是任意的聚合物，是因?yàn)樯鲜鼍酆衔镌讦耍?00～1200nm寬帶帶內(nèi)具有相當(dāng)高的透光性。此外，上述聚合物對太陽短波輻射的損壞閥值較高。
上述增效轉(zhuǎn)光膜20的主要特點(diǎn)還體現(xiàn)為其組成中包含由II，III，IV主族元素的氧化物構(gòu)成的增效轉(zhuǎn)光粉21顆粒，且這些氧化物組成屬于立方體晶系的石榴石類型晶體架構(gòu)。此外，增效轉(zhuǎn)光粉21的直徑小于激發(fā)它們發(fā)光的太陽輻射的波長，從而完全改變了增效轉(zhuǎn)光粉顆粒21發(fā)生光散射的規(guī)律(在這種情況下，Relei光散射定律服從于Mi建立的規(guī)律)。要實(shí)現(xiàn)發(fā)光光譜與太陽原始輻射光譜相重迭，增效轉(zhuǎn)光膜20中增效轉(zhuǎn)光粉顆粒21的填充量應(yīng)在1～50％之間。這種增效轉(zhuǎn)光膜的制作方法通常是將聚合物溶解于二氯代甲烷或三氯代乙烯等有機(jī)溶劑中，透過澆鑄法制成聚合薄膜。
由于不發(fā)生散射或發(fā)生微量散射，上述聚合增效轉(zhuǎn)光膜20在濃度為80～100微米時(shí)透光率可達(dá)85％(直射時(shí))，在透射的光中會出現(xiàn)黃橙色光。
這種用于自然光能電池的新型增效轉(zhuǎn)光膜20之所以具備以上特點(diǎn)，其化學(xué)基礎(chǔ)是以含鐵的釔釓石榴石為基體制成的增效轉(zhuǎn)光粉，化學(xué)式為(Y，Gd)3(Al，F(xiàn)e)3(Mg，Si)2O12，被Ce+3，Cr+3，F(xiàn)e+3單獨(dú)或共同激活，這些離子由于其內(nèi)部發(fā)生d-d躍遷而產(chǎn)生輻射。
以下作為例子示出了本發(fā)明的增效轉(zhuǎn)光粉的制備方法先秤取氧化物如下Gd2O3-27.15g，Y2O3-16.95g，CeO2-1.7g，Al2O3-31.2g，SiO2-3g，MgO2-2g。將秤取的氧化物全數(shù)放入500毫升的石英坩鍋中，并使之充分混合。
將500毫升的石英坩鍋放置于游離NH3(N2∶H2＝3∶1)之氣氛保護(hù)爐中，以5℃/分鐘速度升溫至450℃，以此溫度保持一小時(shí)后再以5℃/分鐘速度升溫至1200℃，以此溫度保持三小時(shí)后再以5℃/分鐘速度升溫至1500℃，以此溫度保持四小時(shí)后再以5℃/分鐘速度降溫至室溫取出。
將取出的粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反應(yīng)之物質(zhì)，然后用大量清水重復(fù)清洗至中性為止。
將清洗后的粉末置入T＝I20℃的烘箱中干燥，干燥后得增效轉(zhuǎn)光粉產(chǎn)品。
通過改變各種原料的比例可以制備表1中的多種增效轉(zhuǎn)光粉。
首先，之所以選用具有石榴石立方體架構(gòu)的增效轉(zhuǎn)光粉，是因?yàn)檫@種架構(gòu)與Ce+3，Cr+3，F(xiàn)e+3等d-d躍遷活性中心具有良好的兼容性。由本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)中得出，石榴石架構(gòu)的增效轉(zhuǎn)光粉被Ce+3，Cr+3，F(xiàn)e+3激發(fā)發(fā)光的最佳亮度對應(yīng)的增效轉(zhuǎn)光粉21填充濃度為1～3％。相對于d-d激活元素的量而言，石榴石類型同晶架構(gòu)的含量已經(jīng)相當(dāng)高。其次，上述化學(xué)式提供了兩種可使增效轉(zhuǎn)光粉21輻射向長波方向移動的不同方法。第一種方法是用Gd離子取代部分Y離子，此時(shí)Ce+3，Cr+3，F(xiàn)e+3的輻射向長波方向移動，分別對應(yīng)535～590nm，695～710nm，680～780nm。第二種方法是用成對的離子，如Mg+2和Si+4，或Ca+2和Ge+4，或Sr+2和Sn+4取代陰離子晶格中的部分Al+3。
第一種方法的作用效果是逐步緩慢的，輻射光譜逐漸向長波方向移動，每用1％的Gd離子取代1％的Y離子，峰值波長移動1nm。
第二種方法中當(dāng)用一對Mg+2和Si+4取代一個(gè)Al+3時(shí)，效果是突變的。增效轉(zhuǎn)光粉21在被Ce+3激發(fā)時(shí)，每用一個(gè)Mg+2和一個(gè)Si+4取代兩個(gè)Al+3，峰值波長移動35nm。
這兩種使短波輻射向長波方向移動的方法存在以上差異是由于被取代的離子配位數(shù)的差別。Gd離子的配位數(shù)為8～12，Al離子的配位數(shù)為4～6。配位數(shù)大小的差別致使配位數(shù)大的離子周遭的離子環(huán)境改變很緩慢，而對于配位數(shù)小的Al離子陰離子子晶格，在其組成中加入體積較小的Mg+2和Si+4將會引起石榴石架構(gòu)類型的增效轉(zhuǎn)光粉基體內(nèi)晶格內(nèi)部力場的突變。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)表明，硅片自然光能電池能強(qiáng)化吸收增效轉(zhuǎn)光粉的輻射。增效轉(zhuǎn)光粉對自然光能電池表面接收到的光的反射率不超過0.5～1％。這是由本發(fā)明所研發(fā)的增效轉(zhuǎn)光粉本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)。這種增效轉(zhuǎn)光粉具有以下特征它以石榴石架構(gòu)的釔釓化合物為基體，釔離子與釓離子的比例關(guān)系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨激發(fā)離子Ce+3及/或Cr+3輻射峰值的移動而變化，它們在增效轉(zhuǎn)光粉中的最適宜濃度為0.005～0.05％。
按照下列化學(xué)式改變鋁釔化合物增效轉(zhuǎn)光粉中Mg+2和Si+4的濃度(Y，Gd)3Al5O12:Ce(Cr，F(xiàn)e)(Y，Gd)3Al4.5Mg0.25Si0.25O12:Ce(Cr，F(xiàn)e)(Y，Gd)3Al4Mg0.5Si0.5O12:Ce(Cr，F(xiàn)e)(Y，Gd)3Al3.5Mg0.75Si0.75O12:Ce(Cr，F(xiàn)e)(Y，Gd)3Al3.0Mg1.0Si1.0O12:Ce(Cr，F(xiàn)e)(Y，Gd)3Al2.0Mg1.5Si1.5O12:Ce(Cr，F(xiàn)e)與Y，Gd之間的同價(jià)取代不同，用Mg+2和Si+4取代Al+3是異價(jià)取代。用Mg+2取代Al+3會形成(MgAl)′中心，所帶的負(fù)電荷應(yīng)該與用Si+4取代Al+3所形成的(SiAl).中心的正電荷相等，即(MgAl)′＝(SiAl).。這就要求石榴石晶體化學(xué)式中Mg與Si的原子數(shù)量相等。然而本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增效轉(zhuǎn)光粉21基體的晶體架構(gòu)中Mg或Si的原子數(shù)量相對于另一種元素(即Si或Mg)的原子數(shù)量不超過±0.02時(shí)，會使輻射光譜向長波方向移動的距離多20～40nm。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的增效轉(zhuǎn)光粉具有以下特征釔釓石榴石晶體架構(gòu)中氧化鎂和二氧化硅的摩爾質(zhì)量關(guān)系為MgO∶SiO2＝1±0.02，從而使增效轉(zhuǎn)光粉輻射峰值向長波方向移動的距離比此前多出20～40nm。
本發(fā)明所提供的含Al，Si的釔釓石榴石架構(gòu)新型增效轉(zhuǎn)光粉21可以用工業(yè)生產(chǎn)中常用的在高溫，弱還原性環(huán)境中固相合成法制成。原料選用純度99.99％的氧化釔，氧化釓，氧化鎂，氧化硅，氧化鋁，純度99.95％的氧化鈰，純度99.9％的氧化鉻，純度99.9％的氧化鐵。具體成分見表1。
表1用作增效轉(zhuǎn)光粉的特性


上述兩種對石榴石晶格中主要離子進(jìn)行取代(YGd，Al→Mg+Si)的方案使以Cr+3為活性中心的增效轉(zhuǎn)光粉輻射峰值所對應(yīng)的波長移動至580～780nm波段。在此過程中增效轉(zhuǎn)光粉輻射的光子無損耗。吸收光譜表明，所有上述原料均能強(qiáng)烈吸收可見光波段的輻射，這是由于混合粉末呈現(xiàn)出黃色，黃橙色，甚至是微紅色。增效轉(zhuǎn)光粉顆粒由于具有這種鮮艷的顏色而常用于減小自然光能電池外表面的反光系數(shù)，從而降低了對自然光能電池外部架構(gòu)的要求?，F(xiàn)代生產(chǎn)工藝中通常在硅片表面覆蓋Si3N4薄膜使其表面發(fā)光。然而這種操作因技術(shù)難度大，成本高而提升了整個(gè)自然光能電池的生產(chǎn)成本。就此而言，使用充分著色的增效轉(zhuǎn)光粉降低了自然光能電池的商業(yè)成本。
本發(fā)明的增效轉(zhuǎn)光膜20可由以下兩種不同方法制成1.將聚合物懸濁液澆鑄在單晶硅片10表面。這種方法制得的增效轉(zhuǎn)光膜20片層的尺寸與硅片10的幾何尺寸完全重合。聚合物懸浮液中增效轉(zhuǎn)光粉顆粒21的濃度為5～50％，同時(shí)需考慮到，當(dāng)增效轉(zhuǎn)光粉顆粒21濃度較低時(shí)，需增大聚合薄膜的濃度；當(dāng)增效轉(zhuǎn)光粉濃度較高時(shí)，則可以將聚合薄膜的濃度減小至20～60微米。在這種情況下，增效轉(zhuǎn)光膜20可吸收60～90％照射在其表面的光，保證較高的發(fā)光效率和光子輻射率。自然光能電池具有這一優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樵鲂мD(zhuǎn)光膜20外表面呈黃橙色，對300-520nm波段輻射的吸收率大于60％。同時(shí)光子輻射率為75～96％，隨著聚合薄膜濃度在0.1～0.5mm間優(yōu)化而增大，增效轉(zhuǎn)光膜20對照射在其表面的光的反射率為4～6％。
此外，這種增效轉(zhuǎn)光膜20還具有以下特點(diǎn)首先，構(gòu)成增效轉(zhuǎn)光膜20的有機(jī)聚合物的平均聚合度接近100～500，從而保證了其分子質(zhì)量接近10000～20000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)碳單位。當(dāng)聚合度最小，分子質(zhì)量最小時(shí)制得的聚合薄膜硬度過大，可塑性差；另一方面，增大聚合度會使聚合物的透光性降低而導(dǎo)致自然光能電池的有效率降低。
此外，本發(fā)明在研究過程中發(fā)現(xiàn)，增效轉(zhuǎn)光膜20的最佳制作方案是將聚碳酸酯溶解在CH2Cl2中制成20％的溶液，然后澆鑄而成。此時(shí)聚碳酸酯的分子質(zhì)量為12000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)碳單位。化學(xué)組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12:Ce(2％)Fe(0.05％)Cr(0.1％)，平均直徑為0.6微米的增效轉(zhuǎn)光粉顆粒21在聚合物中的最佳填充濃度為20％。硅片表面澆鑄而成的增效轉(zhuǎn)光膜聚合層的濃度為60±5微米。然后將若干覆蓋有增效轉(zhuǎn)光膜20的單晶硅片10組裝成自然光能電池。
除了上述澆鑄法外，我們還嘗試在190℃下高溫?cái)D壓制成聚乙烯材料的增效轉(zhuǎn)光膜20。用擠壓法制作聚乙烯薄膜的工藝在前述專利文獻(xiàn)中有詳細(xì)說明，因此此處不另加描述，需要指明的是薄膜中增效轉(zhuǎn)光粉的濃度為18％，具體組成為低濃度聚乙烯62％，EVA20％，增效轉(zhuǎn)光粉18％。聚乙烯薄膜濃度為120±10微米，具有很高的均質(zhì)性和韌性。透過專用粘合劑將含增效轉(zhuǎn)光粉的聚乙烯薄膜粘在硅片表面。
以下是關(guān)于自然光能電池整體架構(gòu)的描述。通常，電池由一組并聯(lián)的硅片構(gòu)成，一個(gè)電池中硅片的數(shù)量由單晶硅片10的幾何大小決定。下面表2中列出了本發(fā)明中所用的單晶硅片10的規(guī)格參數(shù)。硅棒橫截面假正方形(四個(gè)角缺失的)的面積為125*125±0.5mm，硅片具有標(biāo)準(zhǔn)濃度300±30微米。這種硅片因質(zhì)量較大(＞25克)，而增大了一塊多元自然光能電池上所需的單晶硅片10的成本。因此在本發(fā)明的研究過程中嘗試使用更薄的硅片(濃度l＝240±25微米)，這樣硅片的成本可以降低20％。同時(shí)，電阻的變動范圍最小(±10％)，更便于裝配電池。通常使用的自然光能電池的面積為0.25m2，由16片單晶硅片組成。少數(shù)情況下，為組裝大型儀器需使用由64或144片單晶硅片10構(gòu)成的電池。
表2


在使用單晶硅片10組裝自然光能電池的同時(shí)，本發(fā)明也嘗試性地使用多晶硅制作了自然光能電池樣品。將多晶硅材料做成薄膜，置于金屬導(dǎo)體底座上。多晶硅就物理特性而言，其內(nèi)部載流子的活動性要比單晶硅差，然而使用多晶硅可以降低電池的成本。
以下是裝配有增效轉(zhuǎn)光膜20的自然光能電池的輸出特性。實(shí)驗(yàn)所用電池均由128片覆蓋有增效轉(zhuǎn)光膜20的單晶硅片10組成。硅片10各項(xiàng)參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)變動范圍內(nèi)。電池有效率最大值為18.7％，此時(shí)的輸出功率為2.72瓦。有效率最高的樣品的最大輸出電壓為0.620伏，對應(yīng)的短路電流為5.50安培。與同系列中有效率最高的普通單晶硅電池相比，配有增效轉(zhuǎn)光膜20的單晶硅電池樣品的最大有效率要高出1.2％，對應(yīng)的輸出電壓和短路電流都比前者要高。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，所有參與實(shí)驗(yàn)的配有增效轉(zhuǎn)光膜20的單晶硅電池中表現(xiàn)最差的樣品的有效率為15％(普通自然光能電池的有效率約為13.5％)，此時(shí)的輸出電壓為0.600瓦，短路電流為4.70安培。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種配有增效轉(zhuǎn)光膜20的自然光能電池與傳統(tǒng)自然光能電池相比，具有無可爭議的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉可在太陽輻射能量較高的380～550nm波段提升單晶硅片的轉(zhuǎn)換效能，因此，可提升自然光能電池整體的轉(zhuǎn)換效能，因此較傳統(tǒng)自然光能電池具有無可爭議的優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述，本發(fā)明的自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉，其增效轉(zhuǎn)光膜被做成內(nèi)部填充有增效轉(zhuǎn)光粉超分散顆粒的聚合薄膜，薄膜與p型單晶硅片的外表面直接接觸。該技術(shù)方案最顯著的特征是可將16％以上的自然光能轉(zhuǎn)化成電能，因此，的確可改善現(xiàn)有技術(shù)自然光能電池的缺點(diǎn)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可作少許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該根據(jù)權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種自然光能電池，其包括一硅片，用以承載后述的增效轉(zhuǎn)光膜；以及一增效轉(zhuǎn)光膜，其被制成一薄聚合層的形式，該聚合層內(nèi)填充有一增效轉(zhuǎn)光粉，且與該單晶硅片的外表層相接觸，其可強(qiáng)化吸收一第一特定分段波的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波。
2.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該硅片系為一p型單晶硅片、一p型多晶硅片、一n型單晶硅片或一n型多晶硅片。
3.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該發(fā)光粉系為一增效轉(zhuǎn)光粉超分散顆粒。
4.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該第一特定分段波之波長為300～580nm；該第二特定分段波之波長為580～760nm。
5.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光膜中進(jìn)一步填充有一環(huán)氧樹脂。
6.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光膜系以聚碳酸酯及/或聚硅氧烷，及/或聚丙烯酸酯基為基礎(chǔ)所形成的含氧聚合物，該聚合物中填充有以具有石榴石晶體架構(gòu)的元素周期表II，III，IV主族元素的氧化物為基體的增效轉(zhuǎn)光粉顆粒，該顆粒的直徑小于峰值波長(d＜dλMax)，且該聚合物中增效轉(zhuǎn)光粉顆粒的含量為1-50％。
7.如權(quán)利要求3所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光粉的基體是化學(xué)組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12(x＝0～3)的釔釓石榴石，用Ce+3、Cr+3或Fe+3單獨(dú)或二者共同作激發(fā)劑，被可見光300～580nm波段的黃、橙、紅、暗紅色光激發(fā)發(fā)生再輻射，形成半寬Δλ0,5＞110nm的寬帶帶輻射及/或Δλ＝20～40nm的窄頻帶輻射，輻射峰值移至640～760nm波段，輻射被總濃度100～300微米的單晶硅片的P層強(qiáng)烈吸收。
8.如權(quán)利要求7所述的自然光能電池，其中該釔釓石榴石為基體的增效轉(zhuǎn)光粉中釔離子和釓離子的比例關(guān)系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨著激發(fā)離子Ce+3、Cr+3或Fe+3輻射峰值的移動而增大，這些離子在該增效轉(zhuǎn)光粉中的最適宜濃度為0.005～0.05％。
9.如權(quán)利要求7所述的自然光能電池，其中該釔釓石榴石組成中鎂的氧化物和硅的氧化物存在以下的摩爾關(guān)系MgO∶SiO2＝1±0.02，以保證該增效轉(zhuǎn)光粉輻射峰值向長波方向移動20～40nm。
10.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光膜之外表面呈黃橙色，對300～520nm波段的光的吸收率大于60％。
11.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光膜之量子輻射率在75～96％間變化，隨著薄膜濃度在0.1～0.5mm間優(yōu)化而增大，該薄膜對電池接收到的自然光的整體反射率為4～6％。
12.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該聚合層系為一有機(jī)聚合物，其中的平均聚合度為m＝100～500，分子質(zhì)量為10000～20000標(biāo)準(zhǔn)單位。
13.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光膜系由分子質(zhì)量m＝12000標(biāo)準(zhǔn)碳單位的聚碳酸酯薄膜構(gòu)成，其中該增效轉(zhuǎn)光粉體積濃度為30％，其組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12:Ce(2％)Cr(0.1％)Fe(0.05％)。
14.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該單晶硅片組系由不超過120mm的硅片平面組合而成，總量16-20片，構(gòu)成總電阻小于100Ω的并聯(lián)電路。
15.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光膜系藉由將聚碳酸酯溶解在CH2Cl2中制成20％的溶液，然后澆鑄而成。
16.如權(quán)利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉(zhuǎn)光膜系藉由于190℃下高溫?cái)D壓制成聚乙烯薄膜，其中該薄膜中增效轉(zhuǎn)光粉之濃度為18％，其具體組成為低濃度聚乙烯62％，EVA20％，增效轉(zhuǎn)光粉18％，此外，該聚乙烯薄膜濃度為120±10微米，具有很高的均質(zhì)性和韌性。
17.一種自然光能電池的增效轉(zhuǎn)光膜，它是一由無機(jī)粉所制成的聚合物薄膜，并可與一硅片的外表層相接觸，其可強(qiáng)化吸收一第一特定分段波的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波。
18.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該硅片系為一p型單晶硅片、一p型多晶硅片、一n型單晶硅片或一n型多晶硅片。
19.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該無機(jī)粉系為一增效轉(zhuǎn)光粉超分散顆粒。
20.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該第一特定分段波之波長為300～580nm；該第二特定分段波的波長為580～760nm。
21.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該聚合物系以聚碳酸酯及/或聚硅氧烷，及/或聚丙烯酸酯基為基礎(chǔ)所形成的含氧聚合物，該聚合物中填充有以具有石榴石晶體架構(gòu)的元素周期表II，III，IV主族元素的氧化物為基體的增效轉(zhuǎn)光粉顆粒，該顆粒的直徑小于峰值波長(d＜dλMax)，且該聚合物中增效轉(zhuǎn)光粉顆粒的含量為1～50％。
22.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該增效轉(zhuǎn)光粉的基體的化學(xué)組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12(x＝0～3)的釔釓石榴石，用Ce+3、Cr+3或Fe+3單獨(dú)或二者共同作激發(fā)劑，被可見光300～580nm波段的黃、橙、紅、暗紅色光激發(fā)發(fā)生再輻射，形成半寬Δλ0,5＞110nm的寬帶帶輻射及/或Δλ＝20～40nm的窄頻帶輻射，輻射峰值移至640～760nm波段，輻射被總濃度100～300微米的單晶硅片的P層強(qiáng)烈吸收。
23.如權(quán)利要求22所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該釔釓石榴石為基體的無機(jī)增效轉(zhuǎn)光粉中釔離子和釓離子的比例關(guān)系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨著激發(fā)離子Ce+3、Cr+3或Fe+3輻射峰值的移動而增大，這些離子在該增效轉(zhuǎn)光粉中的最適宜濃度為0.005～0.05％。
24.如權(quán)利要求22所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該釔釓石榴石組成中鎂的氧化物和硅的氧化物存在以下的摩爾關(guān)系MgO∶SiO2＝1±0.02，以保證該無機(jī)增效轉(zhuǎn)光粉輻射峰值向長波方向移動20～40nm。
25.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該聚合層系為一有機(jī)聚合物，其中的平均聚合度為m＝100～500，分子質(zhì)量為10000～20000標(biāo)準(zhǔn)單位。
26.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該增效轉(zhuǎn)光粉體積濃度為30％，其組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12:Ce(2％)，Cr(0.1％)，F(xiàn)e0.05％)。
27.如權(quán)利要求17所述的增效轉(zhuǎn)光膜，其中該增效轉(zhuǎn)光膜中進(jìn)一步填充有一環(huán)氧樹脂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自然光能電池及增效轉(zhuǎn)光粉，其通過將發(fā)光光譜在太陽輻射峰值波長(λ＝470nm)與單晶硅對光照敏感性最高時(shí)的波長(λ＝860～880nm)間移動，自然光能電池的有效率通?？蛇_(dá)14～16％。本發(fā)明還提供了可將太陽短波及可見光波段的輻射轉(zhuǎn)移至深紅色和紅外波段的增效轉(zhuǎn)光粉。這種增效轉(zhuǎn)光粉的架構(gòu)基礎(chǔ)是以具有石榴石晶體架構(gòu)的II，III，IV主族元素氧化物為基體的增效轉(zhuǎn)光粉，用III(Ce
文檔編號C09K11/80GK1851936SQ20061008385
公開日2006年10月25日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月6日
發(fā)明者索辛那姆 申請人:羅維鴻