自然光能電池及增效轉光粉的制作方法

專利名稱：自然光能電池及增效轉光粉的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自然光能電池及增效轉光粉，尤其涉及一種可將太陽短波及可見光波段的輻射轉移至深紅色和紅外波段的增效轉光粉，其所提供的自然光能電池完全工作時的有效率可達18～18.7％。
背景技術：
借助于單晶硅將太陽輻射的能量進行轉化的自然光能裝置組件的最簡單架構如下。該自然光能電池組件是在單晶硅的基礎上構建起來的，通常是p型導電類型的半導體單晶硅片。這種導電類型是通過在單晶硅中加入硼的混合物實現的。通常氣相銻的混合物在p型硅中擴散會在硅片表面形成p-n類型間的轉化，導電類型由電洞導電變為電子導電，即n型導電。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。當該組件被自然光照或人工照明的輻射激活時，被硅材料吸收的光子將生成不平衡的電子電洞對。此時，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)部分轉移到硅片內部，即硅片p型區域.這種擴散的結果是n層獲得了額外的負電荷，而p層獲得了額外的正電荷.半導體硅片p層與n層間的勢能接觸差減小，此時外部電路中形成了電壓。該半導體電源的負極是n層，而正極是p層。
硅片在光照條件下發生的光電效應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，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的有效工作系數為15～16％，一片半導體硅片自然光能電池可轉化并獲得高達40W的功率。
該自然光能電池組件架構的主要缺陷是半導體硅片表面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是現有技術自然光能電池的基本架構圖，其中，1是p型單晶硅片，2是n型導電層，3是電極系統，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成的防塵外殼。
根據在中緯度(例如北緯48°)太陽與地平線成45°角時測得的太陽輻射能量光譜圖可以很明顯地觀察出，到達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，當自然光能電池在近太空環境中工作時，在其完整的光譜圖中還會出現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，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下藍色波段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對應的輻射值減少了一半。λ＝1000nm＝1微米對應的輻射值僅是最大值的1/5。圖2是在與太陽輻射相對應的各分波段測得的自然光能電池樣品敏感度標準光譜曲線，將太陽輻射能量光譜圖中的數據與圖2中的數據進行比較，可發現下λ＝400～470nm太陽輻射最大值區域內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是由單晶硅的能帶架構決定的，其禁帶的寬度Eg＝1.21ev，對應波長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，可得出以下結論1.太陽輻射峰值與自然光能電池敏感度最大值對應的波長的間距Δλ＝500nm，對應的能量間距ΔE＝0.42ev；2.太陽輻射能量較高的380～550nm波段對應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輻射的光子的波長的2倍。
這些重要的物理結論決定了現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相當低，理論最大值由單晶硅的光譜敏感度與太陽輻射的積分關系決定，不超過28～30％；2.太陽中波輻射的峰值在λ＝470至620nm波段，此時對單晶硅電池的激發作用相當微弱。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。在這個過程中硅的禁帶寬度會減小(0.01ev/℃)。同時，單晶硅自然光能電池敏感度最大值對應的波長向980～1020nm長波段移動，在這個波段水蒸汽對太陽輻射穿透大氣層的過程影響已經相當大；3.λ＝2.5～3ev的太陽短波輻射的能量會導致在自然光能電池材料中產生不可逆轉的缺陷在波節處產生空位，以及在波節間形成原子，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無法達到上述的15～16％的有效工作系數。單晶硅自然光能電池的研究者和生產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，它能強化吸收2.3ev～3.2ev區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，它能強化吸收2.3ev～3.2ev區域的太陽輻射，激發Cr+3發生d-d躍遷，窄頻帶發光。紅寶石內部Cr+3的輻射峰值對應的波長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的輻射區域。
在圖3中之“光子能量-吸收光系數”坐標圖中，曲線2表示被激活的Cr+3吸收光的系數，曲線1表示這種單晶紅寶石在光激發下的發光狀態。圖中還標示出了單晶硅電池在其表面覆蓋有可被激發發光的紅寶石時的載體聚集系數(曲線3)，該系數因紅寶石層的存在與否而變化。可以看出，太陽輻射直接激發的短波輻射區域的載體聚集系數比依靠紅寶石變頻器工作的發光裝置的載體聚集系數高10～20％。上述專題論文的作者因此得出結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領域取得的實質性的進步，但仍存在以下問題1.紅寶石Al2O3□Cr被激發發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。

發明內容
為解決上述現有技術的缺點，本發明的主要目的是提供一自然光能電池及增效轉光粉，其采用了可強化吸收可見光波段近80％輻射的寬帶。
本發明的另一個目的在于提供一種自然光能電池及增效轉光粉，其增效轉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。
本發明的另一目的在于提供一種自然光能電池及增效轉光粉，其增效轉光粉具有較高的轉化率，光子輻射可達96％。
本發明的另一目的在于提供一種自然光能電池及增效轉光粉，其增效轉光膜光譜轉化器被做成內部填充有增效轉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。該技術方案最顯著的特征是可將16％以上的自然光能轉化成電能。
為達到上述目的，本發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光膜；以及一增效轉光膜，其被制成一薄聚合層的形式，該聚合層內填充有一增效轉光粉，且與該單晶硅片的外表層相接觸，其可強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。
為達到上述目的，本發明的一種增效轉光粉，是用于一增效轉光膜中，其為一由無機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，其示出了現有技術自然光能電池的基本架構圖。
圖2為一示意圖，其示出了在與太陽輻射相對應的各分波段測得的自然光能電池樣品敏感度標準光譜曲線。
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，它能強化吸收2.3ev～3.2ev區域的太陽輻射的示意圖。
圖4為一示意圖，其示出了本發明的自然光能電池的結構示意圖。
附圖標記說明1p型單晶硅片；2n型導電層；3電極系統；4外層抗反射覆膜；10單晶硅片；20增效轉光膜；21增效轉光粉。
具體實施例方式
迄今為止，有關自然光能電池的最大有效率，還未有人發表過同等水平的數據。在單晶硅片和增效轉光粉基礎上構建的自然光能電池能達到這種技術水準，是由于電池中的增效轉光膜是以聚碳酸酯，或/和聚硅氧烷，或/和聚丙酸酯為基體構成的聚合物，在其內部填充有以II，III，IV主族元素的氧化物為基體的增效轉光粉顆粒，顆粒具有石榴石類型晶體架構，直徑小于輻射峰值波長，且聚合物中增效轉光粉顆粒的填充量在1～50％之間。
請參照圖4，其示出了本發明的自然光能電池的結構示意圖。如圖所示，本發明的自然光能電池包括一硅片10；以及一增效轉光膜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，構成總電阻小于100Ω的并聯電路。
該增效轉光膜20被制成一薄聚合層的形式，該聚合層內填充有一增效轉光粉21，例如但不限于為一增效轉光粉超分散顆粒，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為一有機聚合物，其中的平均聚合度為m＝100～500，分子質量為10000～20000標準單位。此外，該增效轉光膜20進一步可具有一環氧樹脂(epoxy)(圖未示)材料，以增加其轉旋旋旋光性。
該增效轉光粉21的基體是化學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單獨或二者共同作激發劑，被可見光300～580nm波段的黃、橙、紅、暗紅色光激發發生再輻射，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層強烈吸收。
其中，該釔釓石榴石為基體的無機熒光粉21中釔離子和釓離子的比例關系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨著激發離子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系MgO∶SiO2＝1±0.02，以保證該增效轉光粉21輻射峰值向長波方向移動20～40nm。
其中，該增效轉光膜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光粉顆粒的含量為1-50％。此外，該增效轉光膜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％。
該增效轉光膜20系由分子質量m＝12000標準碳單位的聚碳酸酯薄膜構成，其中該無機增效轉光粉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％)。
以下是本發明的自然光能電池的物理本質。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光膜20的材料，而不是任意的聚合物，是因為上述聚合物在λ＝400～1200nm寬帶帶內具有相當高的透光性。此外，上述聚合物對太陽短波輻射的損壞閥值較高。
上述增效轉光膜20的主要特點還體現為其組成中包含由II，III，IV主族元素的氧化物構成的增效轉光粉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。此外，增效轉光粉21的直徑小于激發它們發光的太陽輻射的波長，從而完全改變了增效轉光粉顆粒21發生光散射的規律(在這種情況下，Relei光散射定律服從于Mi建立的規律)。要實現發光光譜與太陽原始輻射光譜相重迭，增效轉光膜20中增效轉光粉顆粒21的填充量應在1～50％之間。這種增效轉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溶劑中，透過澆鑄法制成聚合薄膜。
由于不發生散射或發生微量散射，上述聚合增效轉光膜20在濃度為80～100微米時透光率可達85％(直射時)，在透射的光中會出現黃橙色光。
這種用于自然光能電池的新型增效轉光膜20之所以具備以上特點，其化學基礎是以含鐵的釔釓石榴石為基體制成的增效轉光粉，化學式為(Y，Gd)3(Al，Fe)3(Mg，Si)2O12，被Ce+3，Cr+3，Fe+3單獨或共同激活，這些離子由于其內部發生d-d躍遷而產生輻射。
以下作為例子示出了本發明的增效轉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)之氣氛保護爐中，以5℃/分鐘速度升溫至450℃，以此溫度保持一小時后再以5℃/分鐘速度升溫至1200℃，以此溫度保持三小時后再以5℃/分鐘速度升溫至1500℃，以此溫度保持四小時后再以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)清洗未反應之物質，然后用大量清水重復清洗至中性為止。
將清洗后的粉末置入T＝I20℃的烘箱中干燥，干燥后得增效轉光粉產品。
通過改變各種原料的比例可以制備表1中的多種增效轉光粉。
首先，之所以選用具有石榴石立方體架構的增效轉光粉，是因為這種架構與Ce+3，Cr+3，Fe+3等d-d躍遷活性中心具有良好的兼容性。由本發明的實驗中得出，石榴石架構的增效轉光粉被Ce+3，Cr+3，Fe+3激發發光的最佳亮度對應的增效轉光粉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的含量已經相當高。其次，上述化學式提供了兩種可使增效轉光粉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Ce+3，Cr+3，Fe+3的輻射向長波方向移動，分別對應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。
第二種方法中當用一對Mg+2和Si+4取代一個Al+3時，效果是突變的。增效轉光粉21在被Ce+3激發時，每用一個Mg+2和一個Si+4取代兩個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的差別。Gd離子的配位數為8～12，Al離子的配位數為4～6。配位數大小的差別致使配位數大的離子周遭的離子環境改變很緩慢，而對于配位數小的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類型的增效轉光粉基體內晶格內部力場的突變。本發明的實驗表明，硅片自然光能電池能強化吸收增效轉光粉的輻射。增效轉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％。這是由本發明所研發的增效轉光粉本質上的優點。這種增效轉光粉具有以下特征它以石榴石架構的釔釓化合物為基體，釔離子與釓離子的比例關系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨激發離子Ce+3及/或Cr+3輻射峰值的移動而變化，它們在增效轉光粉中的最適宜濃度為0.005～0.05％。
按照下列化學式改變鋁釔化合物增效轉光粉中Mg+2和Si+4的濃度(Y，Gd)3Al5O12:Ce(Cr，Fe)(Y，Gd)3Al4.5Mg0.25Si0.25O12:Ce(Cr，Fe)(Y，Gd)3Al4Mg0.5Si0.5O12:Ce(Cr，Fe)(Y，Gd)3Al3.5Mg0.75Si0.75O12:Ce(Cr，Fe)(Y，Gd)3Al3.0Mg1.0Si1.0O12:Ce(Cr，Fe)(Y，Gd)3Al2.0Mg1.5Si1.5O12:Ce(Cr，Fe)與Y，Gd之間的同價取代不同，用Mg+2和Si+4取代Al+3是異價取代。用Mg+2取代Al+3會形成(MgAl)′中心，所帶的負電荷應該與用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式中Mg與Si的原子數量相等。然而本發明在實驗中發現，當增效轉光粉21基體的晶體架構中Mg或Si的原子數量相對于另一種元素(即Si或Mg)的原子數量不超過±0.02時，會使輻射光譜向長波方向移動的距離多20～40nm。在此基礎上改進的增效轉光粉具有以下特征釔釓石榴石晶體架構中氧化鎂和二氧化硅的摩爾質量關系為MgO∶SiO2＝1±0.02，從而使增效轉光粉輻射峰值向長波方向移動的距離比此前多出20～40nm。
本發明所提供的含Al，Si的釔釓石榴石架構新型增效轉光粉21可以用工業生產中常用的在高溫，弱還原性環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用作增效轉光粉的特性


上述兩種對石榴石晶格中主要離子進行取代(YGd，Al→Mg+Si)的方案使以Cr+3為活性中心的增效轉光粉輻射峰值所對應的波長移動至580～780nm波段。在此過程中增效轉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烈吸收可見光波段的輻射，這是由于混合粉末呈現出黃色，黃橙色，甚至是微紅色。增效轉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，從而降低了對自然光能電池外部架構的要求。現代生產工藝中通常在硅片表面覆蓋Si3N4薄膜使其表面發光。然而這種操作因技術難度大，成本高而提升了整個自然光能電池的生產成本。就此而言，使用充分著色的增效轉光粉降低了自然光能電池的商業成本。
本發明的增效轉光膜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光粉顆粒21的濃度為5～50％，同時需考慮到，當增效轉光粉顆粒21濃度較低時，需增大聚合薄膜的濃度；當增效轉光粉濃度較高時，則可以將聚合薄膜的濃度減小至20～60微米。在這種情況下，增效轉光膜20可吸收60～90％照射在其表面的光，保證較高的發光效率和光子輻射率。自然光能電池具有這一優點是因為增效轉光膜20外表面呈黃橙色，對300-520nm波段輻射的吸收率大于60％。同時光子輻射率為75～96％，隨著聚合薄膜濃度在0.1～0.5mm間優化而增大，增效轉光膜20對照射在其表面的光的反射率為4～6％。
此外，這種增效轉光膜20還具有以下特點首先，構成增效轉光膜20的有機聚合物的平均聚合度接近100～500，從而保證了其分子質量接近10000～20000個標準碳單位。當聚合度最小，分子質量最小時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致自然光能電池的有效率降低。
此外，本發明在研究過程中發現，增效轉光膜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。此時聚碳酸酯的分子質量為12000個標準碳單位。化學組成為(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光膜聚合層的濃度為60±5微米。然后將若干覆蓋有增效轉光膜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℃下高溫擠壓制成聚乙烯材料的增效轉光膜20。用擠壓法制作聚乙烯薄膜的工藝在前述專利文獻中有詳細說明，因此此處不另加描述，需要指明的是薄膜中增效轉光粉的濃度為18％，具體組成為低濃度聚乙烯62％，EVA20％，增效轉光粉18％。聚乙烯薄膜濃度為120±10微米，具有很高的均質性和韌性。透過專用粘合劑將含增效轉光粉的聚乙烯薄膜粘在硅片表面。
以下是關于自然光能電池整體架構的描述。通常，電池由一組并聯的硅片構成，一個電池中硅片的數量由單晶硅片10的幾何大小決定。下面表2中列出了本發明中所用的單晶硅片10的規格參數。硅棒橫截面假正方形(四個角缺失的)的面積為125*125±0.5mm，硅片具有標準濃度300±30微米。這種硅片因質量較大(＞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，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。少數情況下，為組裝大型儀器需使用由64或144片單晶硅片10構成的電池。
表2


在使用單晶硅片10組裝自然光能電池的同時，本發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，置于金屬導體底座上。多晶硅就物理特性而言，其內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光膜20的自然光能電池的輸出特性。實驗所用電池均由128片覆蓋有增效轉光膜20的單晶硅片10組成。硅片10各項參數均在標準變動范圍內。電池有效率最大值為18.7％，此時的輸出功率為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，配有增效轉光膜20的單晶硅電池樣品的最大有效率要高出1.2％，對應的輸出電壓和短路電流都比前者要高。
本發明的實驗中還發現，所有參與實驗的配有增效轉光膜20的單晶硅電池中表現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％)，此時的輸出電壓為0.600瓦，短路電流為4.70安培。以上實驗結果證明，這種配有增效轉光膜20的自然光能電池與傳統自然光能電池相比，具有無可爭議的優點。
本發明的自然光能電池及增效轉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換效能，因此，可提升自然光能電池整體的轉換效能，因此較傳統自然光能電池具有無可爭議的優點。
綜上所述，本發明的自然光能電池及增效轉光粉，其增效轉光膜被做成內部填充有增效轉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。該技術方案最顯著的特征是可將16％以上的自然光能轉化成電能，因此，的確可改善現有技術自然光能電池的缺點。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發明，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內可作少許的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍應該根據權利要求書來限定。
權利要求
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光膜；以及一增效轉光膜，其被制成一薄聚合層的形式，該聚合層內填充有一增效轉光粉，且與該單晶硅片的外表層相接觸，其可強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.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該發光粉系為一增效轉光粉超分散顆粒。
4.如權利要求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.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉光膜中進一步填充有一環氧樹脂。
6.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉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的元素周期表II，III，IV主族元素的氧化物為基體的增效轉光粉顆粒，該顆粒的直徑小于峰值波長(d＜dλMax)，且該聚合物中增效轉光粉顆粒的含量為1-50％。
7.如權利要求3所述的自然光能電池，其中該增效轉光粉的基體是化學組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12(x＝0～3)的釔釓石榴石，用Ce+3、Cr+3或Fe+3單獨或二者共同作激發劑，被可見光300～580nm波段的黃、橙、紅、暗紅色光激發發生再輻射，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層強烈吸收。
8.如權利要求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光粉中釔離子和釓離子的比例關系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨著激發離子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光粉中的最適宜濃度為0.005～0.05％。
9.如權利要求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系MgO∶SiO2＝1±0.02，以保證該增效轉光粉輻射峰值向長波方向移動20～40nm。
10.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉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.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉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.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該聚合層系為一有機聚合物，其中的平均聚合度為m＝100～500，分子質量為10000～20000標準單位。
13.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉光膜系由分子質量m＝12000標準碳單位的聚碳酸酯薄膜構成，其中該增效轉光粉體積濃度為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，構成總電阻小于100Ω的并聯電路。
15.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉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.如權利要求1所述的自然光能電池，其中該增效轉光膜系藉由于190℃下高溫擠壓制成聚乙烯薄膜，其中該薄膜中增效轉光粉之濃度為18％，其具體組成為低濃度聚乙烯62％，EVA20％，增效轉光粉18％，此外，該聚乙烯薄膜濃度為120±10微米，具有很高的均質性和韌性。
17.一種自然光能電池的增效轉光膜，它是一由無機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.如權利要求17所述的增效轉光膜，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.如權利要求17所述的增效轉光膜，其中該無機粉系為一增效轉光粉超分散顆粒。
20.如權利要求17所述的增效轉光膜，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.如權利要求17所述的增效轉光膜，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的元素周期表II，III，IV主族元素的氧化物為基體的增效轉光粉顆粒，該顆粒的直徑小于峰值波長(d＜dλMax)，且該聚合物中增效轉光粉顆粒的含量為1～50％。
22.如權利要求17所述的增效轉光膜，其中該增效轉光粉的基體的化學組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12(x＝0～3)的釔釓石榴石，用Ce+3、Cr+3或Fe+3單獨或二者共同作激發劑，被可見光300～580nm波段的黃、橙、紅、暗紅色光激發發生再輻射，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層強烈吸收。
23.如權利要求22所述的增效轉光膜，其中該釔釓石榴石為基體的無機增效轉光粉中釔離子和釓離子的比例關系在Y∶Gd＝2.8∶0.2～1∶2間變化，隨著激發離子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光粉中的最適宜濃度為0.005～0.05％。
24.如權利要求22所述的增效轉光膜，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系MgO∶SiO2＝1±0.02，以保證該無機增效轉光粉輻射峰值向長波方向移動20～40nm。
25.如權利要求17所述的增效轉光膜，其中該聚合層系為一有機聚合物，其中的平均聚合度為m＝100～500，分子質量為10000～20000標準單位。
26.如權利要求17所述的增效轉光膜，其中該增效轉光粉體積濃度為30％，其組成為(Y，Gd)3Al5-x(Mg，Si)xO12:Ce(2％)，Cr(0.1％)，Fe0.05％)。
27.如權利要求17所述的增效轉光膜，其中該增效轉光膜中進一步填充有一環氧樹脂。
全文摘要
本發明涉及一種自然光能電池及增效轉光粉，其通過將發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的波長(λ＝860～880nm)間移動，自然光能電池的有效率通常可達14～16％。本發明還提供了可將太陽短波及可見光波段的輻射轉移至深紅色和紅外波段的增效轉光粉。這種增效轉光粉的架構基礎是以具有石榴石晶體架構的II，III，IV主族元素氧化物為基體的增效轉光粉，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 優先權日2006年6月6日
發明者索辛那姆 申請人:羅維鴻