CN104992986B - 一种基于溶胶‑凝胶技术的多结太阳能电池的宽光谱减反射膜 - Google Patents
一种基于溶胶‑凝胶技术的多结太阳能电池的宽光谱减反射膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜。该宽光谱减反射膜使用溶胶‑凝胶法制备多种纳米金属氧化物（TiO2、ZrO2、MgO、HfO2、Al2O3等）、非金属氧化物（SiO2等）或氟化物（MgF2等）溶胶，通过浸渍提拉法镀膜，将不同的纳米膜层按折射率梯度变化的规律堆叠。经过一定的表面处理后，可实现多结太阳能电池在300~1700nm光谱范围内的平均反射率达到5%左右。该镀膜工艺过程简单、成本较低，可大幅提高多结太阳能电池的光能利用率，从而提高多结太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜制备技术领域，具体来说涉及一种折射率梯度变化的、基于溶胶-凝胶技术的多结太阳能电池的宽光谱减反射膜。
背景技术
随着太阳能电池技术的不断进步，出现了多种类型的高效太阳能电池，其中III-V族化合物电池因转换效率尤其出众而受到人们的普遍重视。由于材料本身带隙宽度匹配和晶格匹配的限制，目前GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池在空间应用中的效率已经接近极限，仅从电池本身来寻求效率的提升空间已经越来越困难。然而太阳能电池的表面由于光的反射作用，却会导致30%~40%的光能损耗。在多结太阳能电池表面制备减反射薄膜能够使入射的太阳光大幅增加，从而提高太阳能电池的能量转换效率。由于多结电池所利用光谱范围的扩展，对于减反射膜的适用光谱范围也提出了更高的要求，膜系的设计难度和复杂程度也不断提高，通常一到两层减反射膜的结构设计已经难以满足多结电池的使用需要，必须使用多层薄膜结构体系，才能实现在宽光谱范围内的减反射效果。
目前国内四结及以上的太阳能电池产品尚不成熟，所以针对多结太阳能电池减反射膜的研究并不多见，且多采用物理法镀膜，而使用溶胶-凝胶方法在多结太阳能电池上制备减反射膜的专利技术近乎空白。与传统物理镀膜方法相比，溶胶-凝胶法镀膜过程简单、成本低、结构可控。此外，膜层材料的折射率连续可调，因此使用较为简单的膜系结构就可以实现宽谱减反射的效果。申请人方昕、张玮等[201210539205.8]公开了一种用于多结电池多层宽谱减反射膜的制备方法，利用具有一定倾斜角度的电子束蒸发方法制备出折射率低于1.2的材料，实现了300~1800nm的减反射效果。但其整个膜系结构复杂，需要多个周期循环才能达到效果。申请人林桂江、吴志敏等[200910019870.2]公布了一种三层太阳能电池增透膜的制备方法，利用热蒸发镀膜和化学刻蚀结合的方法制备出三层减反射膜，但其仅针对400~1200nm的波长范围，且制作工艺需要真空蒸镀和化学刻蚀，工艺较为复杂且成本较高。目前为止，尚未发现适用于多结太阳能电池的工艺简单、成本低廉的宽光谱减反膜制备工艺。
此外，本发明提供的采用溶胶-凝胶工艺制备光学减反射膜的方法同样可以用于解决四结或更高结数的太阳能电池的宽谱减反射问题。
发明内容
本发明的目的是根据现有的多结太阳能电池的结构，提出一种利用溶胶-凝胶方法制备出用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜，以提高太阳能电池的光利用率，进而提高太阳能电池的效率。为达到以上目的，根据太阳光谱的分布特征和多结电池的实际结构，选择适当的溶胶-凝胶法制备的高、低折射率材料，形成折射率梯度变化的减反射膜系，以实现在300~1700nm宽光谱范围内良好的减反射效果。本发明技术方案如下：
用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜，所述减反射膜位于电池上方，其薄膜材料的膜层总数在3层以上，自下而上薄膜材料的折射率由高到低依次递增，根据需要从由溶胶-凝胶法制备的高折射率薄膜材料、中折射率薄膜材料和低折射率薄膜材料中选择至少3种不同折射率的薄膜材料；控制最靠近电池表面的薄膜材料，即最底层的薄膜材料为折射率最高的材料，其上层薄膜材料折射率依次降低，最顶层的薄膜材料为折射率最低的材料，最底层的折射率最高的材料折射率在1.95以上，最顶层的折射率最低的材料折射率在1.2以下，具体步骤如下：
（1）利用溶胶-凝胶法分别制备的高折射率薄膜材料、中折射率薄膜材料和低折射率薄膜材料；
（2）将上述材料按照折射率由高到低的顺序依次堆叠在电池表面，形成梯度变化的多层光学膜系，根据计算机软件模拟计算的结果，确定膜系中各膜层的厚度；
（3）采用浸渍提拉法在清洗干净的电池上依次镀膜，并在每一层薄膜制备完成后，分别对其进行热处理，在电池上制备该减反射膜后，可以实现在300~1700 nm的宽波段范围内有效地降低多结太阳能电池的反射率，进而提高电池效率。
本发明中，高折射率薄膜材料选自折射率为1.8~2.1的溶胶-凝胶法制备的ZrO2、TiO2、材料或两者复合材料中的一种或几种，中折射率薄膜材料选自折射率为1.65~1.75的溶胶-凝胶法制备的Al2O3、MgO、HfO2材料中的一种或几种，低折射率薄膜材料选自折射率为1.15~1.45的溶胶凝-胶法制备的SiO2或MgF2材料中的一种或几种。
本发明中，高折射率薄膜材料的膜层厚度为20~50nm，中折射率薄膜材料的膜层厚度为50~100nm，低折射率薄膜材料的膜层厚度为80~120nm。
本发明中，相邻两层薄膜材料的折射率差值不小于0.05，且不大于0.5。
本发明中，高折射率薄膜材料热处理温度为350~600℃，中折射率薄膜材料热处理温度为200~400℃，低折射率薄膜材料热处理温度为100~250℃。
利用计算太阳能电池反射率谱的平均反射率，其中为AM0的光谱光强。
本发明针对太阳能电池的具体结构，可制备适用于各种结构的多结太阳能电池的宽光谱减反射膜。该制备方法简单，不需要真空等实验条件和大型设备，成本较低，且使用较为简单的膜系结构就可实现300~1700 nm的宽光谱范围良好的减反射效果，进而明显提高多结太阳能电池效率，与同类发明相比具有明显的优点。
附图说明
图1为三结太阳能电池结构示意图。
图2为减反射膜系结构示意图。
图3为制备减反射膜后的三结太阳能电池反射谱图。
具体实施方式
以下结合本发明的附图和实施例,更详细地描述本发明。需要指出的是,本发明可以不同形式实现,并且应该根据实际情况做出相应调整。提出这些实施例是为了达成充分及完整公开,并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围，不应解释为受在此提出之实施例的限制。
实施例1
三结电池结构如图1所示。
将钛酸丁酯（Ti(OC4H9)4，TBOT）、无水乙醇（EtOH）、去离子水（H2O）、冰醋酸（HAc）、乙酰丙酮（AcAc）按照摩尔比1：8：3：1.5：0.2在温度约20 ℃，相对湿度低于50%的环境中下充分搅拌2小时，然后老化3-5天即得透明的氧化钛溶胶。
将正硅酸四乙酯（TEOS）、去离子水（H2O）、盐酸（HCl）和无水乙醇（EtOH）按照摩尔比1: 2.1: 0.3: 40混合搅拌均匀后，放置在稳定环境（20℃，相对湿度20%）下静置5-7天后即可获得无色透明的酸性氧化硅溶胶。
将氯化镁，氢氟酸、乙醇按照摩尔比1:0.004:40混合后在室温下充分搅拌后，在水热釜中200℃水热24个小时，然后放置在稳定环境（20℃，相对湿度20%）下静置5天后即可获得透明的氟化镁溶胶。
将正硅酸四乙酯（TEOS）、氨水（NH3·H2O）和无水乙醇（EtOH）按照摩尔比1: 2: 40混合搅拌均匀后，放置在稳定环境（20℃，相对湿度20%）下静置5-10天后即可获得淡蓝色透明的碱性氧化硅溶胶。然后将溶胶经80℃回流12h后方可使用。
利用椭偏仪或分光光度计测量并计算出各薄膜材料的光学参数（折射率n和消光系数k），输入优化程序。
将上述材料按照折射率由高到低的顺序依次堆叠在电池表面（如图2），根据Essential Macleod软件模拟计算的结果，确定膜系中各膜层的厚度。
然后在干净清洁、相对湿度RH低于50%的环境下，采用浸渍提拉法在清洗干净的多结电池片上镀膜。镀膜过程中，首先以速度V = 2 inch/min镀制第一层氧化钛薄膜，待薄膜干燥后放入快速退火炉中以550℃热处理5min。待薄膜和基底冷却之后，再以速度V = 8inch/min的速度镀制第二层酸性氧化硅薄膜，随后将电池片放入快速退火炉中100℃处理5min。待薄膜和玻璃基底冷却之后，再以速度V = 5 inch/min镀制第三层氟化镁薄膜，随后再将电池片放入快速退火炉中200℃热处理5min。待薄膜和基底冷却之后，再以速度V = 3inch/min的速度镀制第四层碱性氧化硅薄膜，随后将电池片放入快速退火炉中100℃处理5min，即可得到最终的镀有宽谱减反射膜的三结电池。
镀膜后的反射率谱线如图3所示，经计算得到，该三结电池镀膜后平均反射率约为5.4%，与原平均反射率29.28%相比有了很大提高。
实施例2
三结电池结构如图1所示。
氧化钛溶胶的制备方法如实施例1中所述。
将锆酸丁酯（Zr(OC4H9)4，TBOZ）、无水乙醇（EtOH）、去离子水（H2O）、冰醋酸（HAc）、乙酰丙酮（AcAc）按照摩尔比1：10：3：2：0.1在室温下充分搅拌2小时，然后老化5-7天即得透明的氧化锆溶胶。
将异丙醇铝（Al(OCH(CH3)2)3）与水按照摩尔比为1：100～200的配比分批缓慢加人80~85℃的水中，水解反应为1.5h；再升温至90～95℃，敞口搅拌1h，加人硝酸，pH控制在3.0-4.1之间，回流24h，制得稳定透明的氧化铝溶胶。
碱性氧化硅溶胶的制备方法如实施例1中所述。
利用椭偏仪或分光光度计测量并计算出各薄膜材料的光学参数（折射率n和消光系数k），输入优化程序。
将上述材料按照折射率由高到低的顺序依次堆叠在电池表面（如图2），根据Essential Macleod软件模拟计算的结果，确定膜系中各膜层的厚度。
然后在干净清洁、相对湿度RH低于50%的环境下，采用浸渍提拉法在清洗干净的多结电池片上镀膜。镀膜过程中，首先以速度V = 3 inch/min镀制第一层氧化钛薄膜，待薄膜干燥后放入快速退火炉中以550℃热处理5min。待薄膜和基底冷却之后，再以速度V = 2inch/min镀制第二层氧化锆薄膜，随后再将电池片放入快速退火炉中400℃热处理10min。待薄膜和基底冷却之后，再以速度V = 4 inch/min的速度镀制第三层氧化铝薄膜，随后将电池片放入快速退火炉中300℃处理5min。待薄膜和基底冷却之后，再以速度V = 2 inch/min的速度镀制第四层碱性氧化硅薄膜，随后将电池片放入快速退火炉中100℃处理5min，即可得到最终的镀有宽谱减反射膜的三结电池。
实施例3
三结电池结构如图1所示。
氧化钛溶胶的制备方法如实施例1中所述。
氧化铝溶胶的制备方法如实施例2中所述
碱性氧化硅溶胶的制备方法如实施例1中所述。
将上述材料按照折射率由高到低的顺序依次堆叠在电池表面（如图2），根据Essential Macleod软件模拟计算的结果，确定膜系中各膜层的厚度。
然后在干净清洁、相对湿度RH低于50%的环境下，采用浸渍提拉法在清洗干净的多结电池片上镀膜。镀膜过程中，首先以速度V = 3 inch/min镀制第一层氧化钛薄膜，待薄膜干燥后放入快速退火炉中以500℃热处理5min。待薄膜和基底冷却之后，再以速度V = 4inch/min镀制第二层氧化铝薄膜，随后再将电池片放入快速退火炉中200℃热处理10min。待薄膜和基底冷却之后，再以速度V = 3.5 inch/min的速度镀制第三层碱性氧化硅薄膜，随后将电池片放入快速退火炉中100℃处理5min，即可得到最终的镀有宽谱减反射膜的三结电池。
Claims (3)
1.一种用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜，其特征在于所述减反射膜位于电池上方，其薄膜材料的膜层总数在3层以上，自下而上薄膜材料的折射率由高到低依次递增，根据需要从由溶胶凝胶法制备的高折射率薄膜材料、中折射率薄膜材料和低折射率薄膜材料中选择至少3种不同折射率的薄膜材料；控制最靠近电池表面的薄膜材料，即最底层的薄膜材料为折射率最高的材料，其上层薄膜材料折射率依次降低，最顶层的薄膜材料为折射率最低的材料，最底层的折射率最高的材料折射率在1.95以上，最顶层的折射率最低的材料折射率在1.2以下，具体制备步骤如下：
（1）利用溶胶-凝胶法分别制备高折射率薄膜材料、中折射率薄膜材料和低折射率薄膜材料；
（2）将步骤(1)制备得到的材料按照折射率由高到低的顺序依次堆叠在电池表面，形成梯度变化的多层光学膜系，根据计算机软件模拟计算的结果，确定膜系中各膜层的厚度；
（3）采用浸渍提拉法在清洗干净的电池上依次镀膜，并在每一层薄膜制备完成后，分别对其进行热处理，在电池上制备该减反射膜后，实现在300~1700 nm的宽波段范围内有效地降低多结太阳能电池的反射率；
所述高折射率薄膜材料选自折射率为1.8~2.1的溶胶-凝胶法制备的ZrO2材料，中折射率薄膜材料选自折射率为1.65~1.75的溶胶-凝胶法制备的Al2O3、MgO、HfO2材料中的一种或几种，低折射率薄膜材料选自折射率为1.15~1.45的溶胶凝-胶法制备的MgF2材料；
所述高折射率薄膜材料的热处理温度为350~600℃，中折射率薄膜材料的热处理温度为200~400℃，低折射率薄膜材料的热处理温度为100~250℃。
2.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜，其特征在于高折射率薄膜材料的膜层厚度为20~50nm，中折射率薄膜材料的膜层厚度为50~100nm，低折射率薄膜材料的膜层厚度为80~120nm。
3.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜，其特征在于相邻两层薄膜材料的折射率差值不小于0.05，且不大于0.5。
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