提高半导体太阳能电池光伏效率的高效减反转光共混材料研究

本项目结合我们在稀土元素掺杂能量转换材料方面的研究基础，提出了提高半导体太阳能电池光伏效率的新途径。发展跃迁理论，利用稀土和过渡金属离子对的能级匹配特征同时实现能量上转换和能量下转换的双向协同转光，以此为指导，制备出双向协同转光薄膜以用于太阳能电池的增效研究。本项目旨在利用高效双向协同转光薄膜将太阳的各频段的光最大限度转为太阳能电池最佳光伏效率的频段的光，以提高太阳能的光利用量。并在同一材料中同时实现调制后的太阳光谱与半导体材料的吸收光学匹配性，好的减反效果与高的转光效率的匹配性，减反/转光共混材料与太阳能电池的结构匹配性。研究结果对于通过光谱调制方式提高太阳能电池的光伏效率具有重要的意义，为太阳能电池研究领域的快速发展提供实验和理论基础。

太阳能的光伏利用是目前人类社会可持续发展的关键性新能源途径，提高太阳能电池的光电转换效率是涉及新能源安全的战略性科学技术研究领域。从光学角度讲，提高电池光电转换效率的途径包括减少太阳光在电池表面的反射、增加透射光和增加电池对太阳光光电响应的频率范围、提高电池材料的光生伏特效应效率等两方面。本项目建立稀土离子（对）的内部能量传递模型，提出了下转换发光的弛豫能转换为材料中上转换发光的激发能的协同转光发光理论；选择具有合适能级结构的稀土离子（对）和基质发光材料，实现了多频段的高/低频协同转光发光，使波长分布在hγ<Eg的太阳红外光以及hγ>2Eg的太阳紫外光能够同时上/下转换发光，而进入与半导体太阳能电池最强光电效应匹配的频率范围；发现了370nm/980nm、315nm/1220nm、370nm/1540nm等的协同转光发光增强效应，实现了将太阳能光谱300nm-1600nm频域均转光为半导体太阳能电池的具有强光电效应的频率范围的全光谱响应，获得了更大的光电转换能量；发展了工艺简单的电子束蒸镀、超声喷雾热解、喷墨打印等形膜方法，成功将具有协同转光效应的稀土掺杂能量转换材料制备成透光性强的转光薄膜，实现了一种薄膜同时具有协同转光和减反增透等两种功效的双重效果。理论与实验相结合，探讨了成分、结构、离子浓度、电荷密度等对协同转光材料的发光效率的影响及其机制，系统研究了不同制备状态下（组分搭配、掺杂浓度、膜厚膜层、表面处理等）转光薄膜的稀土离子与过渡金属离子之间的能量传递机制、薄膜物理性能、光学性能。所得结果不仅对发光光谱学的理论体系有重要的补充，其技术和方法在LED和光伏电池等的产业化也有重要的应用价值，项目预期研究目标已完成并取得了远超预期的研究成果。基于本项目成果及相关研究，在国际期刊发表论文76篇，其中SCI源期刊论文73篇，影响因子大于4的权威期刊如Phys.Rev.Lett.等发表9篇,多数论文发表在重要知名刊物Phys. Rev.、Appl. Phys. Lett.、Opt. Lett.、Opt. Express等上；申请国家发明专利14项，其中授权发明专利4项，基于本项目研究成果，应邀在国内与国际会议做特邀报告共9次。