利用透明光谱转换器提高太阳能电池性能

在过去的十年中，光伏电池(PC)作为有前景的可再生能源，在全世界范围内引起了广泛关注。然而，个人电脑仍然没有达到足够高的光电转换效率来获得广泛采用，科学家们正在寻找具有更好性能的新材料和设计。

研究最活跃的两种PC类型是钙钛矿PC和非晶碳化硅(a-SiC:H)PC，每种都有各自的局限性。钙钛矿PC面临两大难题：首先，尽管太阳辐射覆盖了从近红外一直到紫外(UV)的波长，但钙钛矿PC只使用了该光谱的一小部分，导致能量转换效率较低。其次，它们很容易因暴露于高强度紫外线而发生光降解。相比之下，由于太阳光的光谱轮廓与a-SiC:H材料的光谱响应之间不匹配，a-SiC:HPC无法有效地收集紫外线。

但如果这些问题可以通过在PC上应用特殊的透明层来解决呢?在最近发表在《能源光子学杂志》上的一项研究中，包括中国上海工程技术大学宋培博士在内的研究小组使用掺镨的GdPO4玻璃陶瓷(GC)材料开发了一种新型太阳能光谱转换器(Pr)和铕(Eu)离子。这项技术可以显着提高太阳能电池的性能和适用性。

GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+的主要目的是吸收太阳辐射中的紫外光子并将其重新发射为可见光。这要归功于材料中离子之间发生的有效能量转移。

当UV光子撞击Pr3+离子时，它会产生激发电子态。这种积累的能量很有可能转移到Gd3+离子，Gd3+离子会释放其中的一部分，然后将剩余的能量转移到Eu3+离子。结果，Eu3+离子中的激发电子态经历向下跃迁到较低能态，发射可见光。

多项实验证实，Gd3+离子在这些能量跃迁中充当Pr3+和Eu3+离子之间的桥梁。因此，施加到PC上的透明GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+薄层不仅可以屏蔽UV光子，还可以为其提供额外的光。

此外，这种保护作用有助于防止钙钛矿PC的光降解。与此同时，在钙钛矿和a-SiC:HPC中，光谱转换层使整个系统对紫外光子“敏感”，从而帮助整个系统更有效地利用来自太阳辐射的能量，否则这些光子就会被浪费。

值得注意的是，所提出的GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+材料可以通过传统的熔融淬火工艺直接合成。此外，由于该材料也非常稳定，因此它似乎有望作为星载个人电脑(例如空间站中使用的个人电脑)的保护层。

“如今，不断扩大的空间站需要更多的电力支持，并且需要高性能的PC。通过用所提议的光谱转换材料覆盖PC的顶部并使用适当的封装和密封技术，我们可以确保非常低的湿度水平和高效的紫外线回收，”宋解释道。“此外，GC材料质地坚硬，因此可以保护PC免受太空中微小漂浮碎片的撞击。”

需要更多的研究来进一步提高使用掺杂GC材料作为光谱转换器的PC的效率。研究人员指出，未来的工作可以集中在通过调整掺杂浓度和优化保护层的厚度来提高成本效益。

Song总结道：“随着光谱下移Pr3+/Eu3+共掺杂玻璃陶瓷在地面和太空PC中的潜在应用，开发可能会开辟新的途径，以在光伏器件中实现更好的性能。”

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