CN103346209A - 用于增强太阳光利用率的表面修饰基材及修饰方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种用于增强太阳光利用率的表面修饰基材，其表面由一级修饰单元组成，所述一级修饰单元为类金字塔结构，一级修饰单元的底面是边数为3～8的类多边形，类多边形的边长为600nm～6μm，一级修饰单元的高度为100nm～2μm。本发明采用氟化物与无机酸的混合溶液对玻璃表面进行修饰，修饰后的玻璃对可见光及近红外光的单面增透率高达2.0%，采用该方法对单结非晶硅电池玻璃盖板表面进行修饰，修饰后电池的光转化效率可提高1.15%。本发明表面修饰基材的原料价廉易得，修饰方法操作简单，表面修饰后的基材可用于晶硅电池、硅薄膜电池（单结/多结）、碲化镉电池、铜铟镓硒电池、有机聚合物电池等太阳能电池，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用化学修饰的方法使玻璃表面的织态结构发生变化从而增加玻璃的光透过率，从而提高太阳能电池的转换效率。
背景技术
太阳能电池分无机太阳能电池和有机/聚合物太阳能电池，有机/聚合物太阳能电池主要还在研发阶段，目前报道的最高转换效率达到12%。硅太阳能电池是目前得到广泛应用的无机太阳能电池。现有技术中，在太阳能电池组件中的太阳能光电转换一般都是通过硅片对太阳能光谱的吸收实现的。硅材料制备的太阳能电池效率理论上限约为33%，现有工艺水平制备的太阳能电池效率与理论极限接近，很难有进一步的提高。但是如果能提高太阳能电池及组件的光利用率，则可以在低成本下提高太阳能电池组件的发电量。太阳能电池组件中的一个重要组成部分是太阳能电池玻璃盖板，其对太阳光的透光率越高，对太阳能电池的转换效率越有利。所以如何提高玻璃的陷光能力，使更多的太阳光透过玻璃，使更多的太阳光到达吸光层被吸收，从而提高光电转换效率，已成为了研究提高无机或有机聚合物太阳能电池效率的重点问题。
现如今太阳能电池的玻璃盖板主要是使用超白压花玻璃。其生产工艺主要是使用含铁量极低的矿石作为原料，使用特制的压花辊，在玻璃表面压制成金字塔花纹，或压制成其它形状来提高玻璃的透光率，其生产工艺要求高，成本相应也高。另外，为了进一步提高压花玻璃或者是普通玻璃对光的陷光能力，还实现了在玻璃表面镀膜（多为减反射膜）的方法，其生产工艺多为真空蒸镀法、电子束蒸镀法、离子辅助沉积、磁控溅射法或喷涂法等在玻璃表面镀膜来实现增加透光率，降低反射的目的。其原理虽简单但多数只能在实验室小范围制造而无法满足市场化生产的需求。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种用于增强太阳光利用率的表面修饰基材。
本发明所要解决的另一个技术问题在于为上述用于增强太阳光利用率的表面修饰基材提供一种修饰方法。
本发明还要解决的一个技术问题在于为上述用于增强太阳光利用率的表面修饰基材提供一种新用途。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：该基材的单面由一级修饰单元组成或双面均由一级修饰单元组成，所述一级修饰单元为类金字塔结构，一级修饰单元的底面是边数为3～8的类多边形，类多边形的边长为600nm～6μm，一级修饰单元的高度为100nm～2μm。
上述的一级修饰单元的表面由二级修饰单元组成，所述二级修饰单元为类金字塔结构，二级修饰单元的底面是边数为3～8的类多边形，其边长是一级修饰单元底面类多边形边长的1/10～1/2，二级修饰单元的高度为一级修饰单元高度的1/10～1/2。
本发明用于增强太阳光利用率的表面修饰基材的修饰方法为：将0.5～5mol/L的氟化物水溶液加入0.1～5mol/L的无机酸水溶液中,无机酸与氟化物的摩尔比为1∶1～5，室温搅拌1～3小时，制备成修饰液，用修饰液对基材的单面或双面进行一次修饰，所述的一次修饰是：向修饰液中加入其体积0%～50%的稀释剂，搅拌均匀，放入基材，静置3～5分钟，取出，冲洗，晾干，得到一次修饰的用于增强太阳光透过率的表面修饰基材，一次修饰后的基材可增强波长为600～2000nm的太阳光利用率。
上述的无机酸为盐酸或硫酸；氟化物为氟化钠或氟化钾；稀释剂为双氧水、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙酮、乳酸中的任意一种。
上述的用修饰液对基材进行一次修饰后还可再进行二次修饰，所述的二次修饰是：向一次修饰后的修饰液中加入稀释剂，稀释剂的加入量为修饰液体积的20%～50%，搅拌均匀，放入晾干的一次修饰后的基材，静置3～5分钟，取出，冲洗，晾干，得到二次修饰的用于增强太阳光透过率的表面修饰基材，二次修饰后的基材可增强波长为300～600nm的太阳光利用率。
本发明用于增强太阳光利用率的表面修饰基材在制备太阳能电池中的用途，其具体使用方法为：将表面修饰基材直接设置在太阳能电池的入射面，作为太阳能电池的入射面材料。
本发明的基材可以是玻璃衬底、不锈钢衬底、柔性塑料衬底、陶瓷衬底等。
本发明采用氟化物与无机酸的混合溶液对玻璃表面进行修饰，修饰后的玻璃对可见光及近红外光的单面增透率高达2.0%，采用该方法对单结非晶硅电池玻璃盖板表面进行修饰，修饰后电池的光转化效率可提高1.15%。本发明表面修饰基材的原料价廉易得，修饰方法操作简单，表面修饰后的基材可用于晶硅电池、硅薄膜电池（单结/多结）、碲化镉电池、铜铟镓硒电池、有机聚合物电池等太阳能电池，适合工业化生产。
附图说明
图1是实施例1表面修饰的玻璃的扫描电子显微镜照片。
图2是实施例1表面修饰的玻璃的原子力显微镜照片。
图3是实施例1表面修饰的玻璃的紫外-可见-近红外透过光谱图。
图4是实施例2表面修饰的玻璃的扫描电子显微镜照片。
图5是实施例3表面修饰的玻璃的扫描电子显微镜照片。
图6是实施例6表面修饰的玻璃的扫描电子显微镜照片。
图7是实施例6表面修饰的玻璃的紫外-可见-近红外透过光谱图。
图8是采用实施例1方法修饰太阳能电池表面前后的电压-电流密度变化分布图。
图9是采用实施例1方法修饰太阳能电池表面前后其转化效率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
1、清洗玻璃
将玻璃依次在丙酮、乙醇、去离子水中用功率为30W的超声波发生器、频率为30kHz的超声波超声清洗15分钟，置于烘箱中60℃烘干，用透明胶带将玻璃的一面保护起来。
2、制备修饰液
将25mL3mol/L的氟化钾水溶液加入到25mL2mol/L的盐酸水溶液中,盐酸与氟化钾的摩尔比为1∶1.5，室温搅拌2小时，制备成修饰液。
3、修饰玻璃表面
向步骤2制备的修饰液中加入2.5mL异丙醇，异丙醇的加入量为修饰液体积的5%，搅拌均匀，放入一面用透明胶带保护的玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干，得到表面修饰的玻璃。
所得到的表面修饰的玻璃采用Quanta200型环境扫描电子显微镜、multimode8型原子力显微镜及Lambd950型紫外-可见-红外光谱仪进行表征，结果见图1～3。
由图1和图2可见，玻璃表面由类金字塔结构的一级修饰单元组成，一级修饰单元的底面为类三角形、类四边形、类五边形、类六边形、类七边形或类八边形，边长为600nm～6μm，一级修饰单元的高度为100nm～2μm。由图3可见，表面修饰后的玻璃在600～1100nm波长下，其透过率增加达到2.0%。
实施例2
在实施例1的制备修饰液步骤2中，将10mL0.5mol/L的氟化钠水溶液加入到50mL0.1mol/L的盐酸水溶液中,盐酸与氟化钠的摩尔比为1∶1，室温搅拌1小时，制备成修饰液。其他步骤与实施例1相同，得到表面修饰的玻璃（见图4）。
实施例3
在实施例1的制备修饰液步骤2中，将50mL5mol/L的氟化钾水溶液加入到10mL5mol/L的硫酸水溶液中,硫酸与氟化钾的摩尔比为1∶5，室温搅拌3小时，制备成修饰液。其他步骤与实施例1相同，得到表面修饰的玻璃（见图5）。
实施例4
在实施例1～3的修饰玻璃表面步骤3中，向步骤2制备的修饰液中加入25mL异丙醇，异丙醇的加入量为修饰液体积的50%，搅拌均匀，放入一面用透明胶带保护的玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干。其他步骤与相应实施例相同，得到表面修饰的玻璃。
实施例5
在实施例1～3的修饰玻璃表面步骤3中，向步骤2制备的修饰液中加入25mL异丙醇，异丙醇的加入量为修饰液体积的50%，搅拌均匀，放入一面用透明胶带保护的玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干。其他步骤与相应实施例相同，得到表面修饰的玻璃。
实施例6
在实施例1的修饰玻璃表面步骤3中，将一面用透明胶带保护的玻璃水平放入步骤2制备的修饰液中，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干，再向上述使用过的修饰液中加入12.5mL异丙醇，异丙醇的加入量是修饰液体积的25%，搅拌均匀，再放入晾干的玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干，得到表面修饰的玻璃。由图6可见，玻璃表面由类金字塔结构的一级修饰单元组成，一级修饰单元的表面由类金字塔结构的二级修饰单元组成，一级修饰单元和二级修饰单元的底面均为类三角形、类四边形、类五边形、类六边形、类七边形或类八边形，一级修饰单元的底面类多边形边长为600nm～6μm，塔高为100nm～2μm，二级修饰单元的底面类多边形边长是一级修饰单元底面类多边形边长的1/10～1/2，二级修饰单元的塔高为一级修饰单元塔高的1/10～1/2。由图7可见，表面修饰后的玻璃在300～600nm波长下，其透过率增加达到2.0%。
实施例7
在实施例6的修饰玻璃表面步骤3中，向修饰液中加入25mL异丙醇，异丙醇的加入量是修饰液体积的50%，放入玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干，再向上述使用过的修饰液中加入10mL异丙醇，异丙醇的加入量是修饰液体积的20%，搅拌均匀，再放入晾干的玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干。其他步骤与实施例6相同，得到表面修饰的玻璃。
实施例8
在实施例6的修饰玻璃表面步骤3中，向修饰液中加入15mL异丙醇，异丙醇的加入量是修饰液体积的30%，放入玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干，再向上述使用过的修饰液中加入25mL异丙醇，异丙醇的加入量是修饰液体积的50%，搅拌均匀，再放入晾干的玻璃，静置3～5分钟，取出，用去离子水冲洗3～5次，自然晾干。其他步骤与实施例6相同，得到表面修饰的玻璃。
实施例9
在实施例6～8的制备修饰液步骤2中，将10mL0.5mol/L的氟化钠水溶液加入到50mL0.1mol/L的盐酸水溶液中,盐酸与氟化钠的摩尔比为1∶1，室温搅拌1小时，制备成修饰液。其他步骤与相应实施例相同，得到表面修饰的玻璃。
实施例10
在实施例6～8的制备修饰液步骤2中，将50mL5mol/L的氟化钾水溶液加入到10mL5mol/L的硫酸水溶液中,硫酸与氟化钾的摩尔比为1∶5，室温搅拌3小时，制备成修饰液。其他步骤与相应实施例相同，得到表面修饰的玻璃。
实施例11
在实施例1～3及实施例5～10的修饰玻璃表面步骤3中，所用的异丙醇用等体积的双氧水替换，其他步骤与相应实施例相同，得到表面修饰的玻璃。
本实施例的双氧水也可用等体积的乙二醇替换，还可用等体积的乙醇、丙酮或乳酸替换。
实施例12
在实施例1～11的修饰玻璃表面步骤3中，对玻璃进行双面修饰。
实施例13
在实施例1～12中，所用的玻璃也可用不锈钢衬底、柔性塑料衬底或陶瓷衬底替换，对不锈钢衬底、柔性塑料衬底或陶瓷衬底的表面进行修饰。
实施例14
发明人按照实施例1的方法对单结非晶硅电池（太阳能电池）玻璃盖板表面进行修饰，采用太阳能模拟器测试表面修饰后的太阳能电池的电压—电流密度，采用量子效率测试仪测试其光转化效率，测试结果分别见表1及图8和图9。
表1修饰前后电流密度结果
由表1和图8可见，与原太阳能电池相比，采用本发明实施例1的方法对太阳能电池玻璃盖板表面修饰后，电流密度明显提高。由图9可见，表面修饰后的太阳能电池的量子效率与原太阳能电池相比，光转化效率明显得到提高，可提高1.15%。
Claims (8)
1.一种用于增强太阳光利用率的表面修饰基材，其特征在于：该基材的单面或双面由一级修饰单元组成，所述一级修饰单元为类金字塔结构，一级修饰单元的底面是边数为3～8的类多边形，类多边形的边长为600nm～6μm，一级修饰单元的高度为100nm～2μm。
2.根据权利要求1所述的用于增强太阳光利用率的表面修饰基材，其特征在于：所述的一级修饰单元的表面由二级修饰单元组成，所述二级修饰单元为类金字塔结构，二级修饰单元的底面是边数为3～8的类多边形，其边长是一级修饰单元底面类多边形边长的1/10～1/2，二级修饰单元的高度为一级修饰单元高度的1/10～1/2。
3.根据权利要求1所述的用于增强太阳光利用率的表面修饰基材，其特征在于：所述的基材是增强波长为600～2000nm的太阳光利用率的表面修饰基材。
4.根据权利要求2所述的用于增强太阳光利用率的表面修饰基材，其特征在于：所述的基材是增强波长为300～600nm的太阳光利用率的表面修饰基材。
5.一种权利要求1用于增强太阳光利用率的表面修饰基材的修饰方法，其特征在于：将0.5～5mol/L的氟化物水溶液加入0.1～5mol/L的无机酸水溶液中,无机酸与氟化物的摩尔比为1∶1～5，室温搅拌1～3小时，制备成修饰液，用修饰液对基材的单面或双面进行一次修饰，得到一次修饰的用于增强太阳光利用率的表面修饰基材；
所述的一次修饰的方法是：向修饰液中加入其体积0%～50%的稀释剂，搅拌均匀，放入基材，静置3～5分钟，取出，冲洗，晾干；
上述的无机酸为盐酸或硫酸；氟化物为氟化钠或氟化钾；稀释剂为双氧水、异丙醇、乙二醇、乙醇、丙酮、乳酸中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的用于增强太阳光利用率的表面修饰基材的修饰方法，其特征在于：所述的用修饰液对基材进行一次修饰后再进行二次修饰，得到二次修饰的用于增强太阳光利用率的表面修饰基材；
所述的二次修饰的方法是：向一次修饰后的修饰液中加入稀释剂，稀释剂的加入量为修饰液体积的20%～50%，搅拌均匀，放入晾干的基材，静置3～5分钟，取出，冲洗，晾干。
7.权利要求1用于增强太阳光利用率的表面修饰基材在制备太阳能电池中的用途。
8.根据权利要求7所述的用于增强太阳光利用率的表面修饰基材在制备太阳能电池中的用途，其特征在于：将表面修饰基材设置在太阳能电池的太阳光入射面。
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