双向宽频太阳光谱转换纳米材料的可控合成及其应用探索

在今后几十年内硅太阳能电池仍将占有主导地位，采用新材料、新技术提高现有电池的太阳能利用率及其光电转换效率，具有重要的经济和社会价值。基于入射和吸收光谱的最佳匹配，本项目将开展双向宽频太阳光谱转换纳米材料及其功能薄膜的研究，力争将紫外高能光子和近红外低能光子同时转换为可被硅太阳能电池高效吸收利用的可见光，项目将重点研究解决以下基础问题：（1）根据光谱匹配要求，研究稀土离子的最佳组合、掺杂体系及组成范围；（2）基于纳米薄膜组装对纳米材料尺寸和形貌的要求，探索双向宽频光谱转换纳米材料的可控合成工艺，揭示材料组成、工艺参数等对纳米材料生长过程和性能的影响规律与机制；（3）进行低反射、透明、双向宽频光谱转换纳米薄膜的组装工艺研究，探讨功能薄膜在提高硅太阳电池太阳能利用效率和光电转换效率的实际效果。本项目开展的探索性工作对于解决有机稀土光转换材料存在的光性能衰减问题也有很好的借鉴作用。

由于太阳能电池的禁带宽度的限制，如非晶硅薄膜电池的禁带宽度大约在1.7 eV左右。因此电池只能吸收太阳光谱中可见光部分，长波段红外光和短波段紫外光则不能吸收。. 本项目对适合硅基薄膜太阳电池用的光转换材料进行了设计，选择了具有高效发光的氟化物作为基体材料，采用水热法、高温裂解法和高温溶剂热了制备了一系列LiYbF4: Er3+，NaYF4: Yb3+/Er3+, Yb3+/Tm3+, Eu3+, Tb3+, Tb3+/Eu3+, Yb3+Eu3+/Tm3+的光转换材料。重点研究了各工艺条件如反应温度、反应时间、表面活性剂含量等因素对产物晶型、尺寸和形貌的影响，并通过对激发和发射光谱进行测试，得到稀土离子最佳掺杂含量，能够实现将紫外高能光子和近红外低能光子同时转换为可被硅太阳能电池高效吸收利用的可见光。. 基于纳米薄膜组装对纳米材料尺寸和形貌的要求，进行了纳米材料的可控研究，能够实现-NaYF4:RE3+（RE=稀土）在20-200 nm范围内可控生长。与块体材料相比，稀土掺杂纳米发光材料由于纳米表面效应，材料表面存在的晶体表面缺陷、有机配体、溶剂及杂质等因素的影响使得纳米发光材料的发光强度随着尺寸的减小而降低。为了减少这种表面效应的影响，对稀土掺杂纳米发光材料进行表面改性，合成了-NaYF4:RE3+@SiO2，-NaYF4:RE3+@M核壳结构纳米材料，得到了最佳包裹壳层物质和厚度。基于透明减反射和高效发光的要求，选择无机基体（多孔SiO2薄膜）和有机基体（氟碳树脂和有机硅树脂）与纳米-NaYF4:RE3+核和-NaYF4:RE3+@-NaYF4核壳光转换功能材料进行复合，并研究了光转换功能纳米材料的固含量和尺寸对复合薄膜透过率和荧光性能的影响。通过硅太阳能电池的短路电流、最大转换功率、光电转换效率等性能参数的测试分析，研究建立双向宽频光谱转换纳米薄膜组成、结构与硅太阳能利用率和电池转换效率之间的相互关系。