CN104362204A - 一种太阳能电池增益膜及其制作方法及具有其的太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池增益膜及其制作方法及具有其的太阳能电池，增益膜为透明材质，增益膜一面具有植物叶片表面的结构，制备工艺简单，可大规模生产，成本低。仿生透明膜同时兼备高的透光率和雾度率，两者同时高达85％以上，可以提高太阳能电池的效率10％以上。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池增益膜及其制作方法及具有其的太阳能电池。
背景技术
目前，由于能源枯竭，世界面临严峻的能源和环境问题，因此绿色能源的发展得到全世界的重视，其中太阳光能是绿色和可持续发展的能源，其应用是具有很大发展空间和前景。
太阳能电池是太阳能应用的主要方式之一，目前太阳能电池所使用的透光层玻璃，若需要较高穿透率玻璃，成本相当高。
研究者发明了很多太阳能电池的提高效率的方法，一下是其中两种：
一种是用浅结来提高红光响应，高分辨率格栅以降低阴影系数，更完好的周边绝缘以提高填充因子，更好的导电浆和先进的烧结工艺，背反射将光线反射回前结，用背电场减少光和电子损失，然而上述工艺大部分都很昂贵。
另一种是由于太阳能电池是将吸收的光转化成电能的器件，增加电池效率最经济的方法是降低表面反射率以增加光的吸收。
因此在太阳能电池表面沉积减反射层也是一种提高光伏效应的方法之一，减反层能够使反射率降低为4％，而光吸收达到96％，假设经扩散后光子的吸收率和载流子的寿命大体不变，太阳电池的转换效率可提高20％，实验室和大规模生产已经证明了这个结果。
作为减反层的材料，有许多金属氧化物涂层能够提高硅表面的折射率而降低其反射率，但是在实际应用时，工艺必须简单、成本低、产量大。这些条件限制了绝大多数金属氧化物的使用。
由于绒面金属氧化物减反层的高成本和工艺复杂，以至于各家厂商皆舍弃应用，改由电池本身效率做改善，但其改善有所限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、可大批生产、低成本，有效提升光穿透率，能大大提升光伏的整体效率飞太阳能电池增益膜及其制作方法及具有其的太阳能电池。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种太阳能电池增益膜，增益膜为透明材质，增益膜一面具有植物叶片表面的结构。
所述植物叶片表面的结构包括1-20um级半圆形凸包/圆锥形/圆形/三角形的第一级织构，所述第一级织构上有100-500nm级短棒状/小圆点的第二级织构。
植物叶片种类为农作物叶片，可以是玉米、甘蔗、水稻、苹果或荷叶。
增益膜材料可以是有机玻璃、PET或无机玻璃；增益膜厚度在10-50μm。
一种上述的太阳能电池增益膜的制作方法，包括如下步骤：
1)取新鲜植物叶片，清洗后固定在载玻片上，将载玻片装到模具中；
2)配置反模溶液，将反模溶液浇注到叶片模板上，
3)反模溶液固化后，剥离叶片模板，即得到叶片表面结构的反结构模板；
4)将先前制得的叶片表面反结构模板固定于载玻片上，放入培养皿中；
5)配置薄膜溶液，将薄膜溶液浇注到叶片表面反结构模板上；
6)薄膜溶液固化后，剥离反结构模板与薄膜，即得到具有叶片表面结构的薄膜，该薄膜即为太阳能电池增益膜。
反模溶液的配置过程为：将聚二甲基硅氧烷与固化剂按照10:1的比例进行混合，充分搅拌均匀，然后置于真空干燥箱中，抽真空除去气泡，制得所需的反模溶液；反模溶液固化过程为：将反模溶液浇注到叶片模板上，再放入真空干燥箱进行抽真空，除去气泡，静置使浇注的气泡排出，然后再放入干燥箱中进行60°～70°加热固化4个小时。
薄膜溶液的配置过程为：每升甲基丙烯酸甲酯，配比1g过氧化苯甲酰，混合均匀，使过氧化苯甲酰完全溶解；为防止水汽进入混合液，用胶塞将端口封好；放入恒温水浴锅进行80°～90°水浴加热，并每隔一段时间观察聚合现象，观察聚合反应的粘度变化至形成粘性薄浆，然后迅速冷却至室温，获得预聚甲基丙烯酸甲酯；将前面制得的预聚甲基丙烯酸甲酯浆浇注于处理过的叶片反结构模板上，并将其放入真空干燥箱中抽真空，除去气泡，放入烘箱中40°～50°加热低温聚合10～12h，当模板上的聚合物基本成为固体时升温到100℃，保持2小时。
薄膜溶液浇注到叶片表面反结构模板上之前，对叶片表面反结构模板进行处理，处理工序为：将先前制得的叶片表面反结构模板固定于载玻片上，放入培养皿中，然后在反结构模板表面滴两滴氟硅烷，再密封培养皿，将其置入60°的干燥箱3小时，之后随炉冷却。
一种具有上述的太阳能电池增益膜的太阳能电池，太阳能电池从上至下顺序为太阳能电池增益膜、SiO2玻璃保护层、电极、电池片及背电极。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，制备工艺简单，可大规模生产，成本低。仿生透明膜同时兼备高的透光率和雾度率，两者同时高达85％以上，可以提高太阳能电池的效率10％以上。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的增益膜表面的第一级织构的结构示意图；
图2为图1的第二级织构的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的增益膜的制作工艺流程图；
图4为实施例二的仿玉米表面结构的透明薄膜的表面扫描形貌图；
图5为实施例三的仿荷叶表面结构的透明薄膜的表面扫描形貌图；
图6为实施例四的贴膜硅太阳能电池光学效应检测方法示意图；
图7为实施例四的太阳能电池光学效应曲线图，其中1为仿玉米薄膜正贴，2为无膜效益，3为仿玉米薄膜反贴图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
参见图1和图2，一种太阳能电池增益膜，增益膜为透明材质，增益膜一面具有植物叶片表面的结构，另一面光滑。
植物叶片表面的结构包括1-20um级半圆形凸包/圆锥形/圆形/三角形的第一级织构，如图1所示，第一级织构上有100-500nm级短棒状/小圆点的第二级织构，如图2所示。
实施例二
如工艺流程图3中的a图所示，将采摘的新鲜玉米叶，用清水冲洗后晾干，再用乙醇溶液小心地清洗其表面，晾干后将其平整的黏贴固定于载玻片上，以其为模板。
如工艺流程图3中的b图所示，将贴有玉米叶的载玻片装到模具中。
将PDMS与其固化剂按照10:1的比例进行混合，充分搅拌均匀，然后置于真空干燥箱中，抽真空除去气泡，制得所需的反模溶液。由于PDMS具有柔软、高韧性的优点，因此采用PDMS做为反模溶液，易于反模的脱模，避免脱模时反模的结构被损伤。反模溶液也可以采用聚苯乙烯(PS)单体溶液。
如工艺流程图3中的c图所示，把前面制得的反模溶液浇注到树叶模板上，再放入真空干燥箱进行抽真空，除去气泡，静置几分钟使浇注的气泡排出，然后再放入干燥箱中进行加热(60°)固化4个小时。
如工艺流程图3中的d图所示，小心剥离模板，即得到玉米叶表面结构的反结构。
把先前制得的玉米叶表面反结构的PDMS平整的黏贴固定于干净的载玻片上，放入培养皿中，然后在其旁边滴两滴氟硅烷，再密封培养皿，将其置入60°的干燥箱3小时，以达到进行表面改性处理的效果，这样目的就是将具有低表面自由能的氟硅烷(十七氟癸基三乙氧基硅烷)嫁接于玉米叶反结构的表面，达到降低界面间的黏附力，即为了进行再次浇注复制时，能轻易的剥离两种材料而不怎么损伤两者之间的表面结构，最后随炉冷却。
每升甲基丙烯酸甲酯(MMA)，配比1g过氧化苯甲酰，混合均匀，使过氧化苯甲酰完全溶解。为防止水汽进入混合液，用胶塞将端口封好。放入恒温水浴锅进行水浴加热(80°)，并每隔一段时间观察聚合现象，观察聚合反应的粘度变化至形成粘性薄浆(似甘油状或稍粘些，反应大概需要0.5小时)，然后迅速冷却至室温，获得预聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。有机玻璃(PMMA)具有高的透光率，可达96％的透光率有利于光的透过。因此采用有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)作为薄膜的制备材料。
如工艺流程图3中的e图所示，将其制得的预聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液放入真空干燥箱抽真空除气。
而后将前面制得的预聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)浆浇注于处理过的玉米叶反结构模板上。并将其放入真空干燥箱中抽真空，除去气泡。放入烘箱中加热(40°)低温聚合10h，当模板上的聚合物基本成为固体时升温到100℃，保持2小时。有机玻璃(PMMA)薄膜采用两步法制备的优点是，预聚合在水浴中反应可以保证聚合的制备，工艺易于控制。并且预聚的有机玻璃黏度不影响对模具的填充能力，可以充分地复制反模表面的结构。
如工艺流程图3中的f图所示，冷却取出，小心地剥离PDMS模板与有机玻璃，即获得具有玉米叶表面结构的有机玻璃薄膜，其表面结构如图4所示。
薄膜厚度控制在20μm左右，薄膜尽量薄，控制在10-50μm，一方面保证叶子表面结构能充分复制，另一方面薄膜过后也会影响光的透光。因此控制在10-50μm比较合适。将膜正贴到太阳能电池表面，提高太阳能光学效应。
实施例三
如工艺流程图3中的a图所示，将采摘的新鲜荷叶，用清水冲洗后晾干，再用乙醇溶液小心地清洗其表面，晾干后将其平整的黏贴固定于载玻片上，以其为模板。
如工艺流程图3中的b图所示，将贴有荷叶的载玻片装到模具中。
将PDMS与其固化剂按照10:1的比例进行混合，充分搅拌均匀，然后置于真空干燥箱中，抽真空除去气泡，制得所需的反模溶液。
如工艺流程图3中的c图所示，把前面制得的反模溶液浇注到荷叶模板上，再放入真空干燥箱进行抽真空，除去气泡，静置几分钟使浇注的气泡排出，然后再放入干燥箱中进行加热(70°)固化4个小时。
如工艺流程图3中的d图所示，小心剥离模板，即得到荷叶表面结构的反结构。
把先前制得的荷叶表面反结构的PDMS平整的黏贴固定于干净的载玻片上，放入培养皿中，然后在其旁边滴两滴氟硅烷，再密封培养皿，将其置入60°的干燥箱3小时，以达到进行表面改性处理的效果，这样目的就是将具有低表面自由能的氟硅烷(十七氟癸基三乙氧基硅烷)嫁接于荷叶反结构的表面，达到降低界面间的黏附力，即为了进行再次浇注复制时，能轻易的剥离两种材料而不怎么损伤两者之间的表面结构，最后随炉冷却。
每升甲基丙烯酸甲酯(MMA)，配比1g过氧化苯甲酰，混合均匀，使过氧化苯甲酰完全溶解。为防止水汽进入混合液，用胶塞将端口封好。放入恒温水浴锅进行水浴加热(90°)，并每隔一段时间观察聚合现象，观察聚合反应的粘度变化至形成粘性薄浆(似甘油状或稍粘些，反应大概需要1小时)，然后迅速冷却至室温，获得预聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
如工艺流程图3中的e图所示，将其制得的预聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液放入真空干燥箱抽真空除气。
而后将前面制得的预聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)浆浇注于处理过的荷叶反结构模板上。并将其放入真空干燥箱中抽真空，除去气泡。放入烘箱中加热(50°)低温聚合12h，当模板上的聚合物基本成为固体时升温到100℃，保持2小时。
如工艺流程图3中的f图所示，冷却取出，小心地剥离PDMS模板与有机玻璃，即获得具有荷叶表面结构的有机玻璃薄膜，其表面结构如图5所示。
薄膜厚度控制在10μm左右，将膜正贴到太阳能电池表面，提高太阳能光学效应。
实施例四
一种太阳能电池，如图6所示，太阳能电池从上至下顺序为太阳能电池增益膜、SiO2玻璃保护层、电极、电池片及背电极。增益膜起到增透的作用，提高太阳能电池的光效应。
SiO2玻璃层，作用为保护发电主体(如电池片)，透光其选用是有要求的：透光率必须高(一般91％以上)；超白钢化处理。
电极和背电极，起到引出电荷及导电的作用。电池片光电转换的部件，将光转换成电的装置，可以晶硅片、非晶硅、微晶硅、化合物半导体II-IV族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料、有机导电高分子、CIGS(铜铟硒化物)太阳能电池片。
薄膜光效应的检测：将本发明的仿生薄膜贴于太阳能电池表面，连接可变电阻及电压电流检测仪，检测薄面正贴(光滑面贴于电池表面，植物叶子结构的绒面向外)的光学效应、薄面反贴(植物叶子结构的绒面贴于电池表面，光滑面向外)的光学效应，并与不贴膜电池的光学效应对比，采用同一款氙气灯做为检测光源。
按图6所示的方式检测太阳能电池的光学效应。薄膜对太阳能电池光学效应的影响如图7所示，其中曲线2为无膜硅太阳能电池的光学效应曲线。仿生薄膜正贴有助于电池的光学效应提高，以玉米叶子的仿生膜为例，电池的光学效应提高高达10％，如图中的曲线1所示。但薄膜反贴却又降低太阳能电池的光学效应，如图7中的曲线3所示。因此本发明提供的仿生薄膜只有正贴才能提高电池的光学效应。
采用上述的方案后，制备工艺简单，可大规模生产，成本低。仿生透明膜同时兼备高的透光率和雾度率，两者同时高达85％以上，可以提高太阳能电池的效率10％以上。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太阳能电池增益膜，增益膜为透明材质，其特征在于，增益膜一面具有植物叶片表面的结构。
2.如权利要求1所述的太阳能电池增益膜，其特征在于，所述植物叶片表面的结构包括1-20um级半圆形凸包/圆锥形/圆形/三角形的第一级织构，所述第一级织构上有100-500nm级短棒状/小圆点的第二级织构。
3.如权利要求1或2所述的太阳能电池增益膜，其特征在于，植物叶片种类为农作物叶片，可以是玉米、甘蔗、水稻、苹果或荷叶。
4.如权利要求3所述的太阳能电池增益膜，其特征在于，增益膜材料可以是有机玻璃、PET或无机玻璃；增益膜厚度在10-50μm。
5.一种如权利要求1-4任一所述的太阳能电池增益膜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取新鲜植物叶片，清洗后固定在载玻片上，将载玻片装到模具中；
2)配置反模溶液，将反模溶液浇注到叶片模板上，
3)反模溶液固化后，剥离叶片模板，即得到叶片表面结构的反结构模板；
4)将先前制得的叶片表面反结构模板固定于载玻片上，放入培养皿中；
5)配置薄膜溶液，将薄膜溶液浇注到叶片表面反结构模板上；
6)薄膜溶液固化后，剥离反结构模板与薄膜，即得到具有叶片表面结构的薄膜，该薄膜即为太阳能电池增益膜。
6.如权利要求5所述的太阳能电池增益膜的制作方法，其特征在于，反模溶液的配置过程为：将聚二甲基硅氧烷与固化剂按照10:1的比例进行混合，充分搅拌均匀，然后置于真空干燥箱中，抽真空除去气泡，制得所需的反模溶液；反模溶液固化过程为：将反模溶液浇注到叶片模板上，再放入真空干燥箱进行抽真空，除去气泡，静置使浇注的气泡排出，然后再放入干燥箱中进行60°～70°加热固化4个小时。
7.如权利要求5所述的太阳能电池增益膜的制作方法，其特征在于，薄膜溶液的配置过程为：每升甲基丙烯酸甲酯，配比1g过氧化苯甲酰，混合均匀，使过氧化苯甲酰完全溶解；为防止水汽进入混合液，用胶塞将端口封好；放入恒温水浴锅进行80°～90°水浴加热，并每隔一段时间观察聚合现象，观察聚合反应的粘度变化至形成粘性薄浆，然后迅速冷却至室温，获得预聚甲基丙烯酸甲酯；将前面制得的预聚甲基丙烯酸甲酯浆浇注于处理过的叶片反结构模板上，并将其放入真空干燥箱中抽真空，除去气泡，放入烘箱中40°～50°加热低温聚合10～12h，当模板上的聚合物基本成为固体时升温到100℃，保持2小时。
8.如权利要求5所述的太阳能电池增益膜的制作方法，其特征在于，薄膜溶液浇注到叶片表面反结构模板上之前，对叶片表面反结构模板进行处理，处理工序为：将先前制得的叶片表面反结构模板固定于载玻片上，放入培养皿中，然后在反结构模板表面滴两滴氟硅烷，再密封培养皿，将其置入60°的干燥箱3小时，之后随炉冷却。
9.一种具有如权利要求1-4任一所述的太阳能电池增益膜的太阳能电池，其特征在于，太阳能电池从上至下顺序为太阳能电池增益膜、SiO2玻璃保护层、电极、电池片及背电极。
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