CN105683411A - 用于太阳能电池的纳米金刚石涂料 - Google Patents

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Abstract

在太阳能电池上使用的纳米金刚石涂料，该涂料包括悬浮在液体中的纳米金刚石材料，其中该纳米金刚石材料具有从约1nm至约10nm的尺寸范围。提供了用于改进太阳能电池的效率的方法，这些方法包括将纳米金刚石材料与液体聚合物或非聚合物溶剂混合以形成纳米金刚石聚合物悬浮液，在太阳能电池的顶部表面上形成该悬浮液的涂层，并且干燥该涂层，这样使得干燥的纳米金刚石聚合物层保持与该太阳能电池相结合。有用的纳米金刚石涂料组合物可以包括纳米金刚石材料、氟聚合物、用于该氟聚合物的液体溶剂以及至少一种选自下组的添加剂，该组由分散剂、助黏附剂、和偶联剂组成。该氟聚合物还可以以水性分散体形式使用。

Description

用于太阳能电池的纳米金刚石涂料
背景
常规的光伏太阳能电池典型地具有不大于约15％的从太阳辐射至电力的转化效率。虽然太阳能电池的无效率的大部分是由于量子效率限制，即，光伏材料可以通过在该太阳能电池的光伏材料中创建电子-空穴对来转化为电力的入射辐射的百分比，但是无效率中的一些是由于入射辐射的反射以及到达光伏材料的辐射的次优的入射角。因此，太阳能电池的效率的显著改进可以有可能是通过减少入射辐射的反射并且通过改进以次优的角度接近该太阳能电池的辐射的入射角。
太阳能电池的效率的另外的改进还可以通过改性此类电池以便产生从具有低效率的波长到具有更高效率的波长的光的荧光迁移来实现。
用于制备常规太阳能电池的方法包括电池加工、晶片光刻检查、制绒蚀刻(textureetch)、扩散、PSG蚀刻、AR涂覆PECVC、金属化和传递穿过共燃炉(co-firingfurance)的步骤。硅晶片用工业皂清洁并且使用热氢氧化钠蚀刻以去除切割损伤(sawdamage)。这些晶片在氢氧化钠和异丙醇的热溶液中进一步蚀刻以形成基于正方形的棱锥体；这种蚀刻步骤有时称为制绒(texturization)。制绒帮助减小阳光的反射。光伏电池的保留未处理的表面可以充当反射镜，反射撞击它的超过30％的光。
由于这些晶片用硼(p-型)预掺杂，n-型材料扩散到该晶片中以实现n-p结。磷是常见的扩散剂，并且磷的扩散通过在高温使晶片经受磷源来实现。然而，在该扩散过程中可以形成沉积的磷硅酸盐玻璃，并且必须被除去。
为了进一步减小入射光的表面反射，将包括诸如氮化硅或氧化钛的材料的防反射涂层(ARC)施用到表面上。防反射涂层增加了耦合到该太阳能电池中的光量。氮化硅由于其优异的表面钝化性已经逐渐代替二氧化钛作为优选的防反射涂层，这阻止在太阳能电池的表面上载流子重组。
银由于其可焊性是用来与基于硅的光伏电池接触形成的最广泛使用的金属。将糊料形式的银丝网印刷到电池的前面和后面上。此外，铝糊也被使用到背面上以实现背表面场(BSF)，这改进了太阳能电池的性能。然后在几百摄氏度下燃烧该糊料以形成与硅欧姆接触的金属电极。
典型的硅太阳能电池反射可以潜在转化为电力的入射光的约三分之一。
发明概述
描述了在太阳能电池或其他衬底如玻璃衬底、硅衬底或聚合物衬底上使用的纳米金刚石涂料的实施例。该涂料包括悬浮在液体中的纳米金刚石材料，其中该纳米金刚石材料具有从约1nm至约10nm的尺寸范围。该液体可以包括非聚合物溶剂、聚合物溶剂、溶解在液体溶剂中的固体聚合物、或者悬浮或分散在液体介质如水中的固体聚合物的颗粒。
描述了用于改进太阳能电池的效率的方法的实施例。该方法包括将纳米金刚石材料与含有聚合物的液体介质混合以形成纳米金刚石聚合物悬浮液，在太阳能电池的顶部表面上涂覆该悬浮液，并且干燥该悬浮液，这样使得干燥的纳米金刚石聚合物层保持与该太阳能电池相结合。
描述了另一种用于改进太阳能电池的效率的方法。该方法包括用非聚合物溶剂悬浮纳米金刚石材料以形成悬浮液，在光伏材料的顶部表面上该太阳能电池内涂覆该悬浮液，并且干燥该涂层，这样使得干燥的纳米金刚石层保持与该光伏材料相结合。
本发明还提供了纳米金刚石涂料组合物，其中该纳米金刚石涂料组合物由纳米金刚石材料、氟聚合物、用于该氟聚合物的液体溶剂以及选自下组的添加剂组成，该组由分散剂、助黏附剂、和偶联剂以及它们的组合组成。该纳米金刚石涂料组合物对于在太阳能电池上、或者在作为含有一个或多个太阳能电池的光伏模块中一部分的玻璃板的表面上形成纳米金刚石涂层是有用的。
本发明还提供了纳米金刚石涂料组合物，其中该纳米金刚石涂料组合物由纳米金刚石材料以及氟聚合物的水性乳液或分散体组成。该纳米金刚石涂料组合物对于在太阳能电池上、或者在作为含有一个或多个太阳能电池的光伏模块中一部分的玻璃板的表面上形成纳米金刚石涂层是有用的。
本发明还提供了在至少一侧上具有纳米金刚石涂层的膜，其中该纳米金刚石涂层由纳米金刚石材料和氟聚合物组成。该纳米金刚石涂覆的膜可以被施用到太阳能电池的顶部表面、或者覆盖光伏模块的玻璃板的表面上。
本发明还涉及光伏模块，包含被具有外表面的玻璃板覆盖的一个或多个太阳能电池，其中该外表面被由氟聚合物和纳米金刚石材料组成的纳米金刚石涂料涂覆。
附图简要说明
前述概述、以及以下实施例的详细描述当与附图结合阅读时将被更好地理解。为了说明的目的，在附图中示出了可以是优选的一些实施例。然而，应理解的是描述的这些实施例不受限于示出的精确安排和机构。
图1是比较包括外部纳米金刚石涂层的太阳能电池的效率与无外部纳米金刚石涂层的标准太阳能电池的效率随着阳光入射角而变化的图。
图2是比较包括外部纳米金刚石涂层的太阳能电池的效率与无外部纳米金刚石涂层的标准太阳能电池的效率随着温度而变化的图。
图3A是显示出太阳能电池的效率随外部纳米金刚石涂层厚度而变化的图。
图3B和3C是显示出太阳能电池的效率随内部纳米金刚石涂层厚度而变化的图。
发明详细说明
太阳能电池经常是电连接的并且作为模块封装。光伏模块经常在前(太阳升起)侧上具有玻璃板，从而允许光穿过同时保护这些半导体晶片不受由于风动碎片(wind-drivendebris)、雨水、冰雹等损害和冲击。
如在此披露的，太阳能电池的效率改进可以通过在该太阳能电池的顶部表面上形成外部纳米金刚石涂层、通过将内部纳米金刚石涂层结合到该光伏材料的顶部上的太阳能电池中、或通过这两种涂层的组合获得。此外或可替代地，太阳能电池的效率还可以通过将纳米金刚石涂层放置在用来覆盖由一个或多个太阳能电池组成的光伏模块上的玻璃板的外表面上来改进。这些纳米金刚石颗粒优选地是具有小于或等于约0.1微米(100纳米)的平均直径的圆形的或不规则的形状。大多数颗粒优选地具有在约1nm与约10nm之间的尺寸，并且更优选地是在约5nm与约7nm之间。这些纳米金刚石颗粒可以通过如在美国专利号5,861,349或美国专利号5,916,955中披露的方法形成，出于所有目的这些专利的每一个通过引用以其全文结合在此。
这些纳米金刚石颗粒可以均包括机械稳定的、化学活性的核芯以及化学活性表面。通过用定向物种官能化这些纳米金刚石颗粒表面，该纳米金刚石可以具有特定的化学、物理、以及电子特性。官能化可以通过各种化学、光化学、以及电化学方法进行以便将不同的有机官能团接枝到该纳米金刚石上。依赖于纳米金刚石的希望的物理特性和应用，官能化的纳米金刚石材料可以是氟化的、氯化的、羧酸化的、胺化的、羟基化的、和/或磺化的。在此处描述的测试中，使用胺化的纳米金刚石颗粒，但是可以可替代地使用任何其他类型的官能化的纳米金刚石。
外部纳米材料涂层。
制备具有外部纳米金刚石涂层的太阳能电池的示例性方法包括电池加工、晶片光刻检查、制绒蚀刻、扩散、PSG蚀刻、AR涂覆PECVD、金属化、传递穿过共燃炉以及施用纳米层保护膜的步骤。特别地，在根据常规方法已经制造太阳能电池后，在该太阳能电池的顶部表面上形成外涂层。由纳米金刚石颗粒和粘合剂或基体材料的混合物形成该外部纳米金刚石涂层，该基体材料能够创建出纳米金刚石颗粒的基本上均匀的分布，如可以在薄层中铺展并且干燥的液体聚合物或聚合物在液体溶剂中的溶液。
可以将包含悬浮在基体材料(例如，溶解在溶剂中的聚合物)中的纳米金刚石颗粒的涂料组合物通过各种方法施用到太阳能电池的顶部表面上。已经使用人工刮刀法获得基本上均匀的涂层，通过首先将悬浮液施加到太阳能电池的顶部表面上并且然后拖拉刮刀横跨该悬浮液以形成达到希望厚度的悬浮液。还可以使用其他技术来获得均匀涂层，包括但不限于悬浮液的丝网印刷和悬浮液的浸涂。在一些情况下并且特别地用于涂覆无定形Si衬底，可以使用喷涂。无论施用的方法如何，然后通过允许或促进悬浮液中挥发性组分(如存在于PVDF树脂的溶液中的溶剂)的蒸发来干燥悬浮液成膜涂层。
用于本发明的纳米金刚石涂层的聚合物可以是例如氟聚合物或不同氟聚合物的共混物。如在此使用的术语“含氟单体”或者表述“氟化的单体”是指含有附连到经受聚合的烯烃双键上的至少一个氟原子、氟烷基、或氟烷氧基的可聚合的烯烃。如在此使用的术语“氟聚合物”是指通过至少一种含氟单体的聚合反应形成的聚合物，并且它将性质上可热塑的均聚物、共聚物、三聚物以及更高的聚合物包括在内，这意味着在施加热量时它们能够通过流动被成型为有用的件，如在模制或者挤压过程中所完成的。在本发明中有用的氟聚合物包括可熔融加工的那些。可熔融加工的氟聚合物的一些实例包括但不限于聚偏二氟乙烯以及偏二氟乙烯的共聚物(PVDF和共-PVDF)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)聚合物、乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE)聚合物、氟化乙丙烯(FEP)聚合物、四氟乙烯-全氟乙烯丙醚(PFA)聚合物、以及通过其中它们中的至少一个被氟化的单体中的任何组合获得的共聚物。这些还可以包括EFEP(乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯)聚合物，与六氟丙烯共聚的PVDF，全氟乙烯甲基或丙基醚，乙烯，四氟乙烯，氟乙烯，三氟乙烯，乙烯等，连同官能化的单体如马来酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油酯等等。在本发明中可能有用的其他氟聚合物包括但不限于丙烯-三氟氯乙烯(PCTFE)共聚物、聚四氟乙烯(PTFE)和聚氟乙烯(PVF)。
本发明中有用的具体的氟聚合物包括通过将偏二氟乙烯(VDF)进行聚合而制成的均聚物、以及偏二氟乙烯的共聚物、三聚物以及更高的聚合物，其中这些偏二氟乙烯单元包括大于所有在该聚合物中的单体单元的总重量的百分之70，并且在一个实施例中包含这些单元的总重量的大于百分之75。偏二氟乙烯的共聚物、三聚物以及更高的聚合物可以通过使偏二氟乙烯与一种或多种单体进行反应而制成，该一种或多种单体来自下组，该组由以下各项组成：偏二氟乙烯，三氟乙烯，四氟乙烯，一种或多种部分或完全氟化的α-烯烃，如3,3,3-三氟-1-丙烯、1,2,3,3,3-五氟丙烯、3,3,3,4,4-五氟-1-丁烯，以及六氟丙烯，部分氟化的烯烃六氟异丁烯，全氟化的乙烯醚，如全氟甲基乙烯醚、全氟乙基乙烯醚、全氟正丙基乙烯醚、以及全氟-2-丙氧基丙基乙烯醚，氟化的二氧化物，例如全氟(1,3-间二氧杂环戊烯)以及全氟(2,2-二甲基-1,3-间二氧杂环戊烯)、烯丙基的、部分氟化的烯丙基的、或氟化的烯丙基的单体，如2-羟乙基烯丙基醚、或3-烯丙氧基丙二醇，以及乙烯或丙烯。优选的共聚物或三聚物是用氟乙烯、三氟乙烯、四氟乙烯(TFE)、以及六氟丙烯(HFP)形成的。
特别合适的共聚物是包含从约71至约99重量百分比的VDF，以及相应地从约1至约29百分比的TFE；从约71至99重量百分比的VDF，以及相应地从约1至29百分比的HFP(如那些在美国专利号3,178,399中所披露)；以及从约71至99重量百分比的VDF，以及相应地从约1至29重量百分比的三氟乙烯的VDF共聚物。
特别合适的三聚物是VDF、HFP和TFE的三聚物，以及VDF、三氟乙烯和TFE的三聚物。在一个实施例中，这些三聚物具有至少71重量百分比的VDF，并且其他共聚单体可能以变化的比例存在，但它们一起占该三聚物的高达29重量百分比。
使用偏二氟乙烯与一种或多种共聚单体的共聚物的氟聚合物可以在本发明的某些实施例中是有利的，如共聚物、三聚物等等如与聚偏二氟乙烯均聚物相比可以具有降低的熔点、更大的溶解度、更大的透明度、和/或降低的结晶度。
聚偏二氟乙烯还可以是由共聚反应或者通过后聚合反应功能化生产的功能化的PVDF，如来自阿科玛有限公司的KYNARADX，具有接枝的马来酸酐官能度。KYNARADX可以是以共混物或纯的接枝的聚合物。
该氟聚合物可以是交联的或非交联的。可以使用不同的氟聚合物的混合物。
为了本发明的目的，氟聚合物的分子量可以通过熔体粘度测量。典型地，氟聚合物的熔体粘度是在从约1至约50的范围内(如依据ASTMD3825测量的；450°F；千泊在100sec-1下)、优选地从约2至约25。例如，在一个实施例中，该氟聚合物具有的熔体粘度是在从约5至约16的范围内(如依据ASTMD3825测量的；450°F；千泊在100sec-1下)。
在本发明的一个方面，该纳米金刚石涂料组合物的氟聚合物组分是呈水性分散体的形式。即，能够以在水中氟聚合物颗粒的分散体的形式将该氟聚合物提供给该纳米金刚石涂料组合物。该氟聚合物的粒径可以有利地是例如小于约500nm、优选地小于约400nm、甚至更优选地小于约300nm，因为更小的粒径通常趋向于促进稳定分散体的形成。一种或多种表面活性剂可以存在于此类水性分散体内。在一个实施例中，氟聚合物的水性分散体不含氟表面活性剂。制作水性氟聚合物分散体的方法是本领域众所周知的并且例如在以下美国专利公开中描述，出于所有目的其各自以其全文通过引用结合在此：2013/0122309；2013/0079461；以及2012/0142858。
在施用根据本发明的纳米金刚石涂料组合物之前，将该组合物施用到其上的衬底的表面(例如，太阳能电池的顶部表面或用来覆盖太阳能电池的玻璃板的顶部表面)可以经受化学或物理处理(例如，通过引入帮助改进纳米金刚石涂料到该衬底表面上的粘附的官能团)以改性该衬底表面。此类预处理方法包括但不限于化学气相沉积、等离子体或电晕处理、用偶联剂(例如，硅烷)和类似物的处理以及其组合。
在一些实施例中，使用由阿科玛公司(Arkema,Inc.)在商品名下销售的聚偏二氟乙烯(PVDF)树脂作为聚合物基体材料。将纳米金刚石材料共混到液态PVDF材料(即，PVDF溶液)中用来在太阳能电池上涂覆。在一个实例中，制作包括0.01％w/w的纳米金刚石颗粒、0.1％w/w的PVDF树脂、以及其余部分是二甲亚砜(DMSO)的悬浮液。将该悬浮液的涂料施用到该太阳能电池的顶部表面上并且允许干燥，留下以在该太阳能电池的顶部表面上方窄带距离的悬浮在PVDF聚合物膜中的纳米金刚石颗粒。试验具有从约40微米至约100微米厚度的涂料，并且测量所产生的太阳能电池的效率的改变。如在图3A中示出的，太阳能电池的效率改进与湿涂层厚度成反比，其中100微米的涂层实现超过4％的效率增加并且40微米的涂层实现几乎7.5％的效率增加。
已经改变纳米金刚石颗粒PVD树脂在该悬浮液中的浓度而试验了其他组成的涂料，并且用0.01％w/w的纳米金刚石颗粒和0.1％w/wPVD树脂已经实现了超过10％的效率改进。在涂覆前具有15.4％效率的太阳能电池与施用纳米金刚石颗粒的外涂层后具有17.2％效率的同一太阳能电池之间获得11.5％的效率增加。
涂料组合物中的纳米金刚石颗粒与氟聚合物的重量比率可以改变，但是典型地可以在从约0.0001:1至约0.2:1的范围内。
可以根据需要调整该纳米金刚石涂料组合物中的纳米金刚石颗粒的浓度以及该纳米金刚石涂料组合物的厚度(干燥该组合物以除去可能存在的任何溶剂后)以实现在该衬底表面上的纳米金刚石颗粒的希望的覆盖。例如，这些纳米金刚石颗粒能够以从约10-8g/m2至约10-6g/m2的浓度存在于该衬底表面上。尽管干燥的纳米金刚石涂料组合物层的厚度被认为不是关键的，更厚的涂层可以倾向于是更持久的并且耐气候的。示例性的合适的干燥涂层厚度可以例如是从约1微米至约100微米。
总体上，应该选择该纳米金刚石涂料组合物的组分以便在衬底上提供含纳米金刚石的涂层，该涂层是光学透明的、紫外稳定的以及透紫外的。
总体来说，将希望的是提供呈悬浮液形式的纳米金刚石涂料组合物，其中这些纳米金刚石颗粒悬浮在液体介质如水或液体有机溶剂或液体有机溶剂的混合物中，因为这将促进该纳米金刚石涂料组合物的处理和加工以及其到衬底表面上的均匀施用。然而，这些纳米金刚石颗粒经常倾向于从悬浮液中沉降出，除非施用连续搅拌。随着纳米金刚石颗粒在该纳米金刚石涂料组合物中的浓度增加，可能甚至更难于将这些纳米金刚石颗粒保留在该悬浮液内。为了解决这一问题，可以配制该涂料组合物以便含有一种或多种分散剂，该一种或多种分散剂对于增强这些纳米金刚石颗粒的悬浮稳定性是有效的。可以使用本领域普遍已知的任何分散剂来充当无机颗粒的分散剂。在一个实施例中，该分散剂是可以含有悬接在聚合物主链上的一种或多种类型的官能团的聚合物。例如，该分散剂可以是丙烯酸聚合物、特别地官能化的丙烯酸聚合物。可以与存在于这些纳米金刚石颗粒的表面上的任何官能团互补地选择丙烯酸聚合物的官能团。
丙烯酸聚合物(又称为丙烯酸树脂)是通过聚合一种或多种丙烯酸单体如丙烯酸、甲基丙烯酸、(甲基)丙烯酸烷基酯如甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯制备的聚合物以及通过共聚合一种或多种丙烯酸单体以及一种或多种非丙烯酸单体如烯烃、乙烯基芳香族单体(例如，苯乙烯)以及类似物制备的聚合物。悬接到丙烯酸聚合物主链上的官能团可以通过使用官能化的单体并且通过聚合后丙烯酸聚合物的化学改性来引入。合适的说明性官能团包括但不限于脲基、羧酸、磺酸、氮丙啶、胺、异氰酸酯、三聚氰胺、环氧化物、羟基、酸酐和类似物以及其组合。在本发明的一个实施例中，该丙烯酸聚合物溶解于用来将该氟聚合物溶解于纳米金刚石涂料组合物内的溶剂中。在其中该氟聚合物呈水性分散体形式的本发明的实施例中，可以选择该丙烯酸聚合物这样它可溶于该分散体的水相中。可替代地，该丙烯酸聚合物可以自身呈水性分散体的形式。
如与不含有分散剂的类似的涂料组合物相比，可以将该纳米金刚石涂料组合物中的分散剂的浓度选择为对于增加这些纳米金刚石颗粒的悬浮稳定性有效的量。例如，基于存在的纳米金刚石颗粒的重量，该纳米金刚石涂料组合物可以含有按重量计从约0.5％至约100％、优选地按重量计从约1％至约80％、更优选地按重量计从约5％至约70％的分散剂。
该纳米金刚石涂料组合物可以额外地或可替代地包括一种或多种助黏附剂，该一种或多种助黏附剂发挥作用以改进在纳米金刚石涂料的干燥的膜与该膜涂覆到其上的衬底的表面之间的粘附性。合适的助黏附剂包括聚合物，如丙烯酸聚合物。官能化的丙烯酸聚合物(包括之前与分散剂的讨论中有关的那些)可以特别适于用作本发明的助黏附剂。特别的丙烯酸聚合物可以充当助黏附剂和分散剂二者。
可以包括一种或多种偶联剂作为纳米金刚石涂料组合物中的添加剂以便改进该纳米金刚石涂料的膜到衬底表面(例如，太阳能电池的表面或在光伏模块中覆盖太阳能电池的阵列的玻璃板的表面)上粘附或结合。偶联剂是本领域中众所周知的并且总体上是非聚合的成分；合适的偶联剂包括例如有机硅烷、铝酸酯、锆酸酯和钛酸酯，例如像单烷基钛酸酯、三氯硅烷、三烷氧基硅烷和胺官能化的硅烷。偶联剂可以通过键合(共价地或通过其他分子间相互作用)到衬底表面上以及该纳米金刚石涂料的一种或多种组分上二者起作用。
本发明的纳米金刚石涂料组合物还可以用一种或多种添加剂配制，该一种或多种添加剂发挥作用以便改进在该衬底表面上形成的纳米金刚石涂料的污物脱落性能。亲水成分可以结合在该纳米金刚石涂料组合物中以帮助水湿润该涂料表面并且改进其被清洁的能力。纳米金刚石涂料组合物的此类改性将是特别有利的，其中在最终产物中该纳米金刚石涂料形成了以下元件的外涂层，例如其中该纳米金刚石涂层在覆盖光伏模块中的太阳能电池的阵列的玻璃板的外表面上形成。
在衬底表面上的纳米金刚石涂料组合物的涂覆可以被表面处理以增加该涂层的表面能并且改进其污物脱落性能。例如，可以使用衬底表面的等离子体或电晕处理。纹理或微结构可以被包括在该涂层中以降低由于太阳相对于涂覆的衬底的位置的反射。
在已经将根据本发明的纳米金刚石涂料组合物的涂层施用到衬底表面上后，此后可以施用其他组合物的一种或多种另外的涂层(层)。例如，由氟聚合物而不是纳米金刚石颗粒组成的顶层涂料可以在衬底表面上的纳米金刚石涂料组合物的涂层上形成。可替代地，可以将该纳米金刚石涂料施用到膜的一侧上，如由PVDF组成的膜、以及施用到太阳能电池或光伏模块(例如，覆盖该光伏模块的玻璃板)上的膜，这样该膜保护含有纳米金刚石的涂层。该膜还可以包括粘附层以便辅助将该膜附接到该衬底上。
不受理论的限制，据信具有外部纳米金刚石涂料的太阳能电池的效率的增加可产生自到达该太阳能电池板的纳米金刚石折射阳光。净效应是增加以法向或几乎法向入射(其给予该光伏材料更高水平的能量)碰撞在光伏材料上的光子通量并且分散会以其他方式以入射余角(其给予相对低水平的能量到该光伏材料上)碰撞在该光伏材料上的光子的通量。不希望受理论的限制，还据信具有外部纳米金刚石涂料的太阳能电池的效率的增加可以是因为质子的有效通量的增加。
这一现象可以通过使太阳能电池能够以更低的太阳照明的正镜角(directangle)实现更高效率消除对于昂贵的跟踪系统的需求，特别是在住宅建筑和商业建筑物上。图1示出了由0.01％w/w的纳米金刚石颗粒、0.1％w/w的PVDF树脂、以及其余部分是DMSO制成的外部纳米金刚石涂层的试验结果。以90度的阳光入射角(即，垂直于该太阳能电池的顶部表面，对此常规的太阳能电池是最有效的)，该纳米金刚石外涂层使太阳能电池效率增加了10.1％。但是以阳光入射偏离法向角度观察到甚至更大的效率增加。以60度的适度的入射角(即，自法向起30度)，观察到12.7％的效率增加，并且以相对浅的或30度的入射角(即，自法向起60度)，观察到21.9％的效率增加。
涂覆的太阳能电池由于在该涂层中这些纳米金刚石颗粒的出众的传热能力还示出了改进的性能，并且这一改进随着该太阳能电池的温度增加而增加。试验结果在图2中示出，比较了未涂覆的电池和用包括0.01％w/w的纳米金刚石颗粒和0.1％的聚合物树脂的外涂层涂覆的电池。就转化效率而言，甚至在23℃该涂覆的电池超过未涂覆的电池10.3％。在49℃，效率的改进是12.4％。这些结果被认为是至少部分由于这些纳米金刚石颗粒(呈纳米晶体的形式)的高热传导，这消除了由该太阳能电池产生的热量。由于热量可以降低太阳能电池的效率，这些纳米金刚石颗粒既垂直地从表面又侧向地横跨表面消除热量的能力有助于效率的改进。
内部纳米材料涂层。
制备具有内部纳米金刚石涂层的太阳能电池的示例性方法包括电池加工、硅蚀刻、施用纳米涂层内部涂层、扩散、PSG蚀刻、AR涂覆PECVD、金属化、以及传递穿过共燃炉的步骤。特别地，在制造太阳能电池期间，该内部纳米金刚石涂层被结合到太阳能电池上。该内部纳米金刚石涂层由纳米金刚石颗粒在粘合剂或基体材料不存在下形成，其可能以另外的方式在太阳能电池的内部部件所暴露的高温下分解。与常规方法相比，使用内部纳米金刚石涂料的方法可以用来改进太阳能电池效率并且降低制造成本二者。首先，可以去除硅衬底的制绒蚀刻。此外，防反射(AR)涂覆和等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)的组合步骤可以简化；AR涂覆PECVD结合氢气退火和PECVD的步骤以及该步骤的PECVD部分可以去除并且用施加内部纳米金刚石涂料来替换。
已经发现了当纳米金刚石颗粒的基本上均匀的单分散层可以在硅太阳能电池上实现时，内部纳米金刚石涂层的性能是最好的。
与外部涂层相似，该内部纳米金刚石涂层可以通过各种方法被施用到该光伏材料的顶部表面上，包括使用手工刮刀法、丝网印刷、浸涂、和喷涂。可替代地，可以使用旋涂。使用刮涂可以实现涂层的优异均匀性和厚度控制，尽管可以改进其他方法来产生相似结果。为了促进涂覆，将这些纳米金刚石颗粒悬浮在水或非聚合物溶剂中，一旦如希望的将这些纳米金刚石颗粒均匀铺展，这些非聚合物溶剂将基本上完全蒸发。适当的溶剂包括DMSO、异丙醇、四氢呋喃(THF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在一个实施例中，该溶剂是用于氟聚合物(即，能够溶解于氟聚合物中的溶剂)的溶剂。可以选择该溶剂，这样使得该溶剂在将纳米金刚石涂料组合物涂覆到衬底上的温度下是液体。可以使用具有不同特性的不同溶剂的共混物。例如，具有相对低沸点的溶剂可以与具有相对高沸点的共混物结合使用，这样提供具有比仅使用这些溶剂中的一种所具有的蒸发(干燥)曲线更宽的蒸发(干燥)曲线的纳米金刚石涂料组合物。
内部纳米金刚石涂料消除了对于常用来制绒太阳能电池的硅衬底的表面的蚀刻步骤以便散射光并且增加收集效率的需要。此外，该外层纳米金刚石涂料降低了阳光的反射，由此引起更多光子达到该太阳能电池并且增加该电池的电输出。这可以消除对于经常使用在常规太阳能电池顶部上以降低反射的光子数目的防反射涂层的需求。
在对于太阳能电池(其中该硅衬底已经经受制绒蚀刻)的试验中，使用40微米或更小厚度(当是湿的时)内部纳米金刚石涂料已经实现了超过3％的效率改进。图3B示出了对于包括0.1％w/w的纳米金刚石颗粒其余部分是DMSO的涂料配制品，效率增加是在从略微小于1％至超过2.5％的范围内。此配制品的效率改进是与内部涂层厚度几乎直接相反，其中100微米的湿涂料厚度产生0.92％的效率改进并且20微米的厚度产生2.67％的效率改进。图3C显示出包括0.01％w/w的纳米金刚石颗粒其余部分是DMSO的涂料配制品的甚至更好的结果以及几乎4％的最大效率增加。总体上用更薄的涂层改进了此配制品的效率改进，但是与40微米和20微米的涂层差不多相同(分别地3.86％和3.89％)。甚至在100微米的相对厚度涂层处，实现了2.26％的效率增加。
当将内部纳米金刚石涂料和外部纳米金刚石涂料二者施用到太阳能电池上时，效率的净改进结果是由每种涂料单独的效率改进的合计。因此，通过制绒蚀刻和防反射涂覆获得的效率可以比得上用内部纳米金刚石涂料替换这些步骤，但是成本更低。通过加入外部纳米金刚石涂料，可以确实实现最高达10％的总电池效率的增加，超过通过制绒蚀刻和防反射涂覆产生的增加。
玻璃板涂覆
在本发明的另一个实施例中，根据本发明的纳米金刚石涂料可以在用来覆盖并且保护一个或多个太阳能电池的玻璃板的s表面(例如，外表面)上形成，如形成光伏模块的一部分的太阳能电池。此类纳米金刚石涂料可以由如在本文中别处详细描述的纳米金刚石涂料组合物形成。可以用偶联剂或类似物预处理待用纳米金刚石涂料涂覆的玻璃板的表面以促进干燥的纳米金刚石涂料的粘附。用来在玻璃板上形成纳米金刚石涂层的纳米金刚石涂料组合物可以包含氟聚合物、纳米金刚石材料、溶剂以及任选地一种或多种选自下组的添加剂，该组由分散剂、助黏附剂和偶联剂组成。可以将该纳米金刚石涂料组合物涂覆到玻璃板的表面(或者顶部(外面)表面、底部表面(朝向该一个或多个太阳能电池)或者顶部和底部表面二者)上并且然后干燥，这样该纳米金刚石涂料的层保持与该表面相结合。
含纳米金刚石的膜
本发明的另一方面提供了在至少一侧上具有纳米金刚石涂层的膜，其中该纳米金刚石涂层由纳米金刚石材料和氟聚合物组成。该膜衬底可以例如由热塑性塑料如热塑性聚合物(例如，PVDF)组成。该纳米金刚石涂料可以使用同样的纳米金刚石涂料组合物以及之前描述的与在太阳能电池上或者用来覆盖太阳能电池的玻璃板上形成纳米金刚石涂层相结合的涂覆技术在膜表面上形成。预形成的、涂覆的膜可以被施用到太阳能电池或太阳能电池的阵列上或者施用到完全组装的光伏模块上。可以选择在该涂覆的膜中使用的材料，这样当使其与衬底接触、加热并且然后冷却时，该膜粘附到该太阳能电池或光伏模块上。粘附层还可以用来将该膜结合到该衬底上。
当提及特定的实施例时，显然可以由本领域的其他技术人员设计其他实施例和变体而不背离其精神和范围。所附的权利要求旨在被解释为包括所有此类实施例和等效变体。

Claims (19)

1.一种纳米金刚石涂料组合物，其中该纳米金刚石涂料组合物由纳米金刚石材料、氟聚合物、用于该氟聚合物的液体溶剂以及至少一种选自下组的添加剂组成，该组由分散剂、助黏附剂、和偶联剂组成。
2.如权利要求1所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该至少一种添加剂包括丙烯酸聚合物。
3.如权利要求2所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该丙烯酸聚合物是官能化的丙烯酸聚合物。
4.如权利要求3所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该官能化的丙烯酸聚合物由一个或多个选自下组的官能团组成，该组由羟基、氨基、脲基、环氧化物、羧酸、异氰酸酯、磺酸、氮丙啶、三聚氰胺、酸酐以及其组合组成。
5.如权利要求1所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该至少一种添加剂包括选自下组的偶联剂，该组由硅烷、钛酸酯、锆酸酯和铝酸酯组成。
6.一种方法，包括将如权利要求1所述的纳米金刚石涂料组合物涂覆到衬底上并且干燥该纳米金刚石涂料组合物以便在该衬底上形成纳米金刚石涂层。
7.如权利要求6所述的方法，其中该衬底是太阳能电池或覆盖光伏模块的玻璃板。
8.一种纳米金刚石涂料组合物，其中该纳米金刚石涂料组合物由纳米金刚石材料以及氟聚合物的水性乳液或分散体构成。
9.如权利要求8所述的纳米金刚石涂料组合物，额外地包含至少一种选自下组的添加剂，该组由分散剂、助黏附剂、和偶联剂组成。
10.如权利要求9所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该至少一种添加剂包括丙烯酸聚合物。
11.如权利要求10所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该丙烯酸聚合物是官能化的丙烯酸聚合物。
12.如权利要求11所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该官能化的丙烯酸聚合物由一个或多个选自下组的官能团组成，该组由羟基、氨基、脲基、环氧化物、羧酸、异氰酸酯、磺酸、氮丙啶、三聚氰胺、酸酐以及其组合组成。
13.如权利要求8所述的纳米金刚石涂料组合物，其中该至少一种添加剂包括选自下组的偶联剂，该组由硅烷、钛酸酯、锆酸酯和铝酸酯组成。
14.一种方法，包括将如权利要求8所述的纳米金刚石涂料组合物涂覆到衬底上并且干燥该纳米金刚石涂料组合物以便在该衬底上形成纳米金刚石涂层。
15.如权利要求14所述的方法，其中该衬底是太阳能电池或覆盖光伏模块的玻璃板。
16.一种在至少一侧上具有纳米金刚石涂层的膜，其中该纳米金刚石涂层由纳米金刚石材料和氟聚合物组成。
17.如权利要求16所述的膜，其中该膜由氟聚合物组成。
18.一种光伏模块，包含一个或多个太阳能电池以及根据权利要求16所述的膜。
19.一种光伏模块，包含被具有表面的玻璃板覆盖的一个或多个太阳能电池，其中该表面被由氟聚合物和纳米金刚石材料组成的纳米金刚石涂料涂覆。
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Application publication date: 20160615