光頻轉(zhuǎn)換提升硅太陽電池效率

沈杰 陸明

(1.復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,上海 200433;2.復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系,上海 200433)

光頻轉(zhuǎn)換提升硅太陽電池效率

沈杰1陸明2

(1.復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,上海 200433;2.復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系,上海 200433)

由于硅材料的吸收特性,硅太陽電池不能有效利用太陽輻射光譜中的紫外光和紅外光。光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)通過光致熒光、光頻下轉(zhuǎn)換和光頻上轉(zhuǎn)換過程將紫外光和紅外光轉(zhuǎn)化為可被硅太陽電池利用的可見光,從而提升硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率。本文介紹由光頻轉(zhuǎn)換得到的全太陽光譜硅太陽電池的原理和結(jié)構(gòu),并對(duì)各種光致熒光、光頻下轉(zhuǎn)換和光頻上轉(zhuǎn)換材料及其在硅太陽電池中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

硅太陽電池 光頻轉(zhuǎn)換 光致熒光 光頻下轉(zhuǎn)換 光頻上轉(zhuǎn)換

1 引言

太陽能電池的研究與應(yīng)用，使太陽能作為一種清潔可再生能源在人類社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。硅太陽電池是通用的、市場(chǎng)占有率最高的太陽能電池，然而目前它對(duì)太陽能的利用仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。其中一個(gè)重要原因是硅對(duì)太陽光的吸收集中于光波長(zhǎng)500~1100nm范圍內(nèi)，因此太陽輻射光譜中的其它波段如紫外光和紅外光，得不到有效利用，并且紫外光照射會(huì)帶來輻射損傷，降低硅電池壽命，而紅外光照射，會(huì)產(chǎn)生熱能引起電池發(fā)熱。紫外和紅外光波段占有太陽輻射光譜的約50%，為有效利用紫外和紅外光，一種光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]，即通過改變?nèi)肷涔夤庾幽芰?入射光波長(zhǎng))，使其位于硅能夠吸收的能量(波長(zhǎng))范圍內(nèi)，從而提高對(duì)太陽光的吸收，進(jìn)而提高硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率。

2 光頻轉(zhuǎn)換提升硅太陽電池效率

2.1 結(jié)構(gòu)和原理

硅對(duì)太陽光的吸收是影響硅太陽電池效率的關(guān)鍵因素之一。如(圖1)所示，在整個(gè)太陽輻射光譜中紫外光(波長(zhǎng)小于390 nm)約占7%，可見光(波長(zhǎng)在390～730nm之間)約占50%，紅外光(波長(zhǎng)大于約730 nm)約占43%。而硅的禁帶寬度為1.12 eV(對(duì)應(yīng)吸收光波長(zhǎng)為1100 nm)，它對(duì)太陽光的吸收集中于光波長(zhǎng)500～1100 nm范圍內(nèi)，即從可見光的綠光到近紅外這一小部分區(qū)域，其它較短或較長(zhǎng)波段的太陽光得不到有效利用。

圖1 太陽輻射光譜(AM1.5)

通過特定材料吸收紫外光釋放出可見光(光致熒光轉(zhuǎn)換和光頻下轉(zhuǎn)換)，或吸收紅外光釋放出可見光(光頻上轉(zhuǎn)換)，由于可見光波長(zhǎng)處于硅材料的最佳吸收范圍內(nèi)，因此可擴(kuò)展硅太陽電池對(duì)太陽光的吸收波段范圍，提升硅太陽電池效率。具有光頻轉(zhuǎn)換的硅太陽電池結(jié)構(gòu)如（圖2）所示：相比于一般的硅太陽電池，其頂部多了一層光致熒光轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換發(fā)光層，底部多了一層上轉(zhuǎn)換發(fā)光層和一層背反射層。當(dāng)太陽光入射后，首先通過頂部的光頻轉(zhuǎn)換層吸收紫外光(但基本上可完全透過可見光和紅外光)，將其轉(zhuǎn)換成為可見光，與太陽光中原有的可見光和紅外光一起進(jìn)入下層的硅太陽電池。可見光和波長(zhǎng)小于1100nm近紅外光被硅電池吸收，而其余的大部分紅外光，由于無法被硅吸收，穿過硅層后進(jìn)入上轉(zhuǎn)換發(fā)光層。此時(shí)，上轉(zhuǎn)換發(fā)光層吸收紅外光后釋放出可見光。這些由上轉(zhuǎn)換獲得的可見光被反射回硅太陽電池中被吸收。其中背反射層為具有高反射率的金屬層，可完全反射可見光和紅外光。由此可見，這種新型的具有光頻轉(zhuǎn)換的硅太陽電池不需要對(duì)現(xiàn)有的硅太陽電池做大的改動(dòng)，較易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

圖2 光頻轉(zhuǎn)換硅太陽電池結(jié)構(gòu)和原理示意圖

2.2 光致熒光轉(zhuǎn)換,光頻下轉(zhuǎn)換和光頻上轉(zhuǎn)換

光致熒光轉(zhuǎn)換，光頻下轉(zhuǎn)換和光頻上轉(zhuǎn)換的能級(jí)示意圖如圖3所示。光致熒光轉(zhuǎn)換(圖3(a))，或稱PL轉(zhuǎn)換，首先吸收一個(gè)紫外光子，將處于基態(tài)的電子激發(fā)到能量較高的激發(fā)態(tài)能級(jí)，之后電子通過非輻射躍遷弛豫到某個(gè)中間激發(fā)態(tài)能級(jí)，然后躍遷回基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出一個(gè)光子。由于是從中間能級(jí)躍遷到基態(tài)，出射光子能量比入射光子能量低，其波長(zhǎng)一般處于可見光范圍內(nèi)。作為PL轉(zhuǎn)換層的材料，目前主要有硅量子點(diǎn)薄膜材料[1-2]，其PL效率一般在10~20%左右，經(jīng)過表面鈍化，PL轉(zhuǎn)換效率可提高到50%以上[3]。也有采用其它量子點(diǎn)材料[4]以及稀土材料的報(bào)導(dǎo)[5]。

光頻下轉(zhuǎn)換(圖3(b))與PL轉(zhuǎn)換類似，首先吸收一個(gè)紫外光子，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)級(jí)，之后從該激發(fā)態(tài)通過輻射躍遷到中間能級(jí)，同時(shí)發(fā)射出一個(gè)可見光光子，接著再躍遷回基態(tài)并發(fā)射出另一個(gè)可見光光子。這是一種所謂的級(jí)聯(lián)(cascade)躍遷過程，在稀土元素中經(jīng)常發(fā)生。PL轉(zhuǎn)換實(shí)際上也是一種下轉(zhuǎn)換，但它是吸收一個(gè)紫外光子，發(fā)射一個(gè)可見光光子。而一般所指的下轉(zhuǎn)換是吸收一個(gè)紫外光子，發(fā)射兩個(gè)(或兩個(gè)以上，視中間能級(jí)數(shù)或級(jí)聯(lián)躍遷次數(shù)而定)可見光光子。因此下轉(zhuǎn)換的效率往往比較高，可達(dá)約100～200%[1]。目前具有下轉(zhuǎn)換功能的材料以稀土元素為主。然而，盡管下轉(zhuǎn)換效率很高，但其主要吸收的紫外光波段在100～200nm范圍，而太陽光譜中的紫外光主要處于300～390nm波段，波長(zhǎng)在100～200nm的紫外光極少(圖1)，因此，目前光頻下轉(zhuǎn)換尚沒有實(shí)用價(jià)值，還需要研究并實(shí)現(xiàn)300～390nm波段的下轉(zhuǎn)換。

圖3 光頻轉(zhuǎn)換發(fā)光原理示意圖

光頻上轉(zhuǎn)換(圖3(c))，首先吸收一個(gè)紅外光子，將電子從基態(tài)躍遷到某個(gè)能量較低的中間激發(fā)態(tài)，之后再吸收一個(gè)紅外光子，從該中間激發(fā)態(tài)繼續(xù)躍遷到高能級(jí)激發(fā)態(tài)。后一過程稱為激發(fā)態(tài)吸收。之后電子由較高能級(jí)直接躍遷回基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出一個(gè)可見光光子。由于可見光光子能量高于紅外光子能量，上轉(zhuǎn)換發(fā)光發(fā)射一個(gè)可見光光子至少需要吸收兩個(gè)紅外光子。除了激發(fā)態(tài)吸收產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換，另外還有其它的上轉(zhuǎn)換模式，通過吸收兩個(gè)或以上紅外光子，產(chǎn)生可見光，這些包括倍頻、能量傳遞、多光子吸收等。上轉(zhuǎn)換發(fā)光層由稀土離子或過渡金屬離子摻雜的無機(jī)化合物組成。過渡金屬離子是低溫下發(fā)光，因此在硅太陽電池上采用的是稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光[6-7]。Er3+是最常用的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的稀土離子，能級(jí)豐富，可由808nm、980nm、1.55μm等波長(zhǎng)的光激發(fā)，輸出可見光為紅光和綠光。Yb3+本身不發(fā)光，但由于具有較大的碰撞截面，對(duì)入射光子的吸收較強(qiáng)，常作為敏化離子與Er3+一起使用。即Yb3+吸收入射光子后將能量傳遞給Er3+，使之躍遷到高能級(jí)繼而上轉(zhuǎn)換發(fā)光。由于上轉(zhuǎn)換發(fā)光的效率通常很低，僅有極少數(shù)用在硅電池的報(bào)道[8-12]，所用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料為NaYF4：Er3+或NaYF4：Er3+、Yb3+，外量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)為0.008%～2.5%，由于是多光子過程，EQE隨測(cè)試的光強(qiáng)增大而增大，不同測(cè)試條件很難比較。上述研究結(jié)果證明上轉(zhuǎn)換用于硅太陽電池確實(shí)能提高其效率，但離實(shí)際應(yīng)用要求還相去甚遠(yuǎn)，需要進(jìn)一步研發(fā)新材料和新技術(shù)。

3 結(jié)語

光頻轉(zhuǎn)換硅太陽電池，利用光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)擴(kuò)展了硅太陽電池對(duì)太陽光能量的吸收范圍。光致熒光、光頻下轉(zhuǎn)換可將紫外光轉(zhuǎn)換為可見光，光頻上轉(zhuǎn)換可將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光。這些技術(shù)將有效地提升硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。開發(fā)更多的新材料和新技術(shù)將推進(jìn)這類硅太陽電池的研究和應(yīng)用。由于光頻轉(zhuǎn)換基本不涉及太陽電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，因此它的使用，可以直接或者經(jīng)過少許改造后，在現(xiàn)有太陽電池制備工藝線上實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

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國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(批準(zhǔn)號(hào)：2012CB934303)。

沈杰,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,副教授,研究方向：功能薄膜;陸明,復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系,教授, 研究方向：光電材料與器件。