CN108285277A - 一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，本发明太阳能光伏组件玻璃的制备方法。它是要解决现有的利用稀土元素提高光伏器件光伏发电效率的方法的成本高、对紫外光的利用差、复合材料透明性差技术问题。本方法：一、制备碳量子点溶液；二、制备硅溶胶；三、将碳量子点溶液和硅溶胶溶液混合，得到镀膜用溶胶；四、利用镀膜用溶胶在太阳能光伏组件玻璃表面镀膜，得到太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜。本发明可用于光伏器件上。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏组件玻璃的制备方法，它属于光伏器件的制备领域。
背景技术
光伏行业即将发电器件接收太阳光辐射并转换为直流电输出，是一种典型的新能源，具有应用方便，无污染的特点。目前，光伏电池发展的种类已很多，有晶硅电池、薄膜太阳能电池(如碲化镉太阳能电池、钙钛矿太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池)两大类，其中晶硅太阳能电池又分为单晶硅组件，多晶硅组件，晶硅技术发展最成熟，占据目前光伏发电市场90％以上。光伏发电设备其实是一种耐候性，耐久性的光电器件，要求具有至少25年的发电使用寿命，因此无论何种光伏发电组件，其光电转换的元器件都被严格地封装在其中。对于市场主流的晶硅光伏组件，通常都采取高透光玻璃+EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)的封装方式，EVA也是一种透明的有机封装材料。另外对于市场上非主流的薄膜太阳能电池，是直接在导电玻璃上制备的，因此其器件封装也是以玻璃为基础。
太阳光是一种不同波长的连续光谱，以地面上通用的AM1.5为例，在全部辐射能中，波长在0.15～4μm之间的占99％以上，且主要分布在可见光区和红、紫外区，可见光区约占太阳辐射总能量的50％，红外区约占43％，紫外区约占7％。由于晶硅，钙钛矿，CIGS材料等有不同的光谱吸收范围，加上光伏器件的制备工艺各不相同，因此其光电转换效率各不相同，同时各种光伏器件共同努力的目标就是不断提高转换效率来降低发电成本。
事实上，太阳光中紫外部分是不可避免的部分，但是其单光子能量高，对有机封装材料有很强的破坏作用，在光伏发电的同时，紫外部分并没有被发电材料所吸收，反而照射有机封装材料上使其老化褪色，一旦光伏器件的封装性被破坏，核心元器件就会被天气等各种元素影响而失效，因此对光伏发电器件的使用寿命，紫外防护提出了严峻的挑战。
另外，为了能够进一步提高光伏发电效率，具有荧光上转换，下转换特性的材料也被广泛研发用于光伏，简而言之就是利用某些材料的吸收发光特性，将太阳能全光谱中某些不被吸收的光波段转变成可被吸收的光波段，进而被光伏发电材料吸收转成电能。常用的荧光转换材料是稀土元素化合物，如掺铕，掺铒等等，但是稀土元素化合物的缺点在于单价偏高，对紫外没有吸收，功能单一，最为重要的一点是形成的复合材料透明性差，
发明内容
本发明是要解决现有的利用稀土元素提高光伏器件光伏发电效率的方法的成本高、对紫外光的利用差、复合材料透明性差技术问题，而提供一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法。
本发明的太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，按以下步骤进行：
一、碳量子点溶液的制备：按碳源的质量浓度为5～200g/L配制成水溶液，然后加入硅烷偶联剂，混合均匀，得到前驱液；将前驱液装入反应釜中，在温度为160～300℃的条件下水热反应5～20h，将水热反应后得到的混合液经萃取、透析后，获得碳量子点溶液；
二、硅溶胶的制备：在室温条件下将硅溶胶前驱体、无水乙醇和去离子水混合，用酸调节pH至2.5～6.5后，经搅拌、蒸发、陈化，得到硅溶胶溶液；其中硅溶胶前驱体为有机硅溶胶前驱体或无机硅溶胶前驱体；
三、镀膜用溶胶的配置：将步骤一得到的碳量子点溶液和步骤二得到的硅溶胶溶液按照体积比为1:(2～100)搅拌混合，然后静置，得到镀膜用溶胶；
四、利用步骤三制备的镀膜用溶胶在太阳能光伏组件玻璃表面镀膜，得到太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜；其中太阳能光伏组件为晶硅太阳能光伏组件或钙钛矿太阳能光伏组件。
本发明先制备碳骨架与硅烷偶联剂的长链相连接的碳量子点，其尺寸<10nm，即硅烷化碳量子点，这种碳量子点具有紫外吸收和强烈的光致发光特性，碳量子点由于分立的能级结构，紫外短波吸收主要由η-π*跃迁引起，当碳量子点将吸收的能量以光能的形式释放就产生了光致发光，同时碳量子点具有很好的化学稳定性、无毒性、独特的光学性质，且形成的复合材料无色透明，非常适合应用在以太阳光辐射为特点的光伏行业，本发明的尺寸<10nm硅烷化碳量子点分散性好，能够在硅溶胶中均匀分散，而且干燥后碳量子点也不会团聚，不会影响太阳能光伏组件的玻璃的透光性。
本发明含碳量子点的硅溶胶镀到太阳能光伏组件的玻璃表面，作为下转换层，该转换层可吸收太阳能光谱短波长的紫外光，发出较长波长的可见光，可被太阳能电池吸收利用并将其转换成电能，从而提高太阳能光伏组件整体的光伏转换效率。这样既解决了光伏组件不耐紫外辐射的问题，又可以将紫外转换过来的可见光进一步吸收，通过增加光吸收的方法来提高光伏器件的光电转换效率。
本发明可用于光伏器件上。
附图说明：
图1为实施例1碳量子点的透射电镜图；
图2为实施例1中未镀膜的普通玻璃与表面具有复合膜的玻璃的吸收率曲线图；
图3为实施例1中未镀膜的普通玻璃与表面具有复合膜的玻璃的多晶硅太阳能光伏组件的J-V性能曲线图；
图4为实施例2中未镀膜的FTO导电玻璃与表面具有复合膜的FTO导电玻璃的透过率曲线图；
图5为实施例2中的未镀膜的FTO导电玻璃与表面具有复合膜的FTO导电玻璃的钙钛矿太阳能光伏组件的外量子效率曲线图；
图6为实施例2中未镀膜的FTO导电玻璃与表面具有复合膜的FTO导电玻璃的钙钛矿太阳能光伏组件的J-V性能曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，按以下步骤进行：
一、碳量子点溶液的制备：按碳源的质量浓度为5～200g/L配制成水溶液，然后加入硅烷偶联剂，混合均匀，得到前驱液；将前驱液装入反应釜中，在温度为160～300℃的条件下水热反应5～20h，将水热反应后得到的混合液经萃取、透析后，获得碳量子点溶液；
二、硅溶胶的制备：在室温条件下将硅溶胶前驱体、无水乙醇和去离子水混合，用酸调节pH至2.5～6.5后，经搅拌、蒸发、陈化，得到硅溶胶溶液；其中硅溶胶前驱体为有机硅溶胶前驱体或无机硅溶胶前驱体；
三、镀膜用溶胶的配置：将步骤一得到的碳量子点溶液和步骤二得到的硅溶胶溶液按照体积比为1:(2～100)搅拌混合，然后静置，得到镀膜用溶胶；
四、利用步骤三制备的镀膜用溶胶在太阳能光伏组件玻璃表面镀膜，得到太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜；其中太阳能光伏组件为晶硅太阳能光伏组件或钙钛矿太阳能光伏组件。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中碳源为葡萄糖、柠檬酸中的一种或两种；其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中硅烷偶联剂为硅烷偶联剂为KH570、KH585、KH792的一种或几种的组合；其它与具体实施方式一或二相同。
本实施方式中硅烷偶联剂含有氮氢键，或者硫氢键，起钝化碳量子点的作用。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中碳源的质量与硅烷偶联剂的体积的比为1g：(10～20)ml；其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中萃取剂为环己烷、正己烷中的一种或两种的组合；其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中有机硅溶胶前驱体、无水乙醇与去离子水的摩尔比为1:(3～5):(3～10)，步骤三中有机硅溶胶的搅拌时间为1～10h；其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中步骤二中无机硅溶胶前驱体、无水乙醇与去离子水的摩尔比为1:(3～20):(3～23)，步骤三中无机硅溶胶的搅拌时间为1～12h；其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中镀膜方法为提拉法、喷涂法或辊涂法；其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四中镀膜的位置为太阳能光伏组件玻璃的正面或者反面；其它与具体实施方式一至八之一相同。
下面通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1：本实施例的太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，按以下步骤进行：
一、碳量子点溶液的制备：将0.5克柠檬酸加入20mL水中，然后加入10mL硅烷偶联剂KH-792，持续搅拌1h使其混合均匀，得到前驱液；将前驱液装入聚四氟乙烯反应釜内衬中，在温度为180℃的条件下水热反应12h，获得棕黄色的混合液；再将混合液用环己烷萃取、透析后，获得纯净、稳定的碳量子点溶液；
二、硅溶胶的制备：在室温条件下将20mLMTES(三乙氧基甲基硅烷)、5.4mL去离子水、17.45mL无水乙醇(它们的摩尔比为1:3:3)混合，用醋酸调节pH至2.5后，经搅拌24小时、蒸发至20mL、然后陈化24小时，得到硅溶胶溶液；
三、镀膜用溶胶的配置：将步骤一得到的碳量子点溶液和步骤二得到的硅溶胶溶液按照体积比为1:2搅拌混合1小时，然后静置24小时，得到镀膜用溶胶；
四、利用辊涂法，将步骤三制备的镀膜用溶胶涂覆在多晶硅太阳能光伏组件的玻璃正面上，在80℃条件下加热20分钟烘干成膜，在多晶硅太阳能光伏组件的玻璃表面得到复合薄膜。
本实施例步骤一得到的碳量子点的透射电镜图如图1所示，从图1可以看出，碳量子点的直径在4～8nm。
本实施例1的玻璃表面得到复合薄膜均匀，透明度良好。玻璃镀膜前后的吸收率曲线如图2所示，从图2可以看出，玻璃表面镀膜后，其吸收率在320～405nm范围内增加，在405～900nm范围内略有降低。
将本实施例制备的玻璃表面有复合薄膜的和玻璃未镀膜的多晶硅太阳能光伏组件同时在AM1.5，100mW/cm2(厂家Newport，型号94023A)光照下进行光吸收测试和电池的性能测试(IPCE测试系统7-SCSpec)，结果如图3所示，其性能数据如表1所示。
表1本实施例1制备的玻璃表面具有复合薄膜的多晶硅太阳能光伏组件和普通玻璃的多晶硅太阳能光伏组件的光电性能
由表1和图2可知，与同等光照条件下未镀膜的光伏玻璃相比，本实施例的玻璃表面有复合薄膜的多晶硅太阳能光伏组件的光电转换效率有明显的提高。尤其是在表征光生载流子的短路电流Jsc上提高了15％左右。
实施例2：本实施例的太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，按以下步骤进行：
一、碳量子点溶液的制备：将0.5克柠檬酸加入20mL水，然后加入10mL硅烷偶联剂KH-792，持续搅拌1h使其混合均匀，得到前驱液；将前驱液装入聚四氟乙烯反应釜内衬中，在温度为180℃的条件下水热反应12h，获得棕黄色的碳量子点溶液；再将碳量子点溶液用环己烷萃取、透析后，获得纯净、稳定的碳量子点溶液；
二、硅溶胶的制备：在室温条件下将21mLTEOS(正硅酸乙酯)，21mL去离子水，106mL无水乙醇混合均匀，再加入质量百分浓度为36％的盐酸调节pH至3.5后，搅拌1h,然后陈化24小时，得到硅溶胶溶液；
三、镀膜用溶胶的配置：将步骤一得到的碳量子点溶液和步骤二得到的硅溶胶溶液按照体积比为1:3搅拌混合1小时，然后静置24小时，得到镀膜用溶胶；
四、利用旋涂机，将步骤三制备的镀膜用溶胶涂覆在钙钛矿太阳能光伏组件的FTO导电玻璃反面上，在80℃条件下加热20分钟烘干成膜，在钙钛矿太阳能光伏组件的玻璃表面得到复合薄膜。
本实施例2得到的玻璃表面的复合薄膜均匀性好，而且透明度好。表面有复合薄膜的玻璃与普通导电玻璃的透过率曲线图如图4所示，从图4可以看出，有复合薄膜的导电玻璃其紫外透过率低，吸收率增加。
本实施例2的钙钛矿太阳能光伏组件导电玻璃的外量子效率曲线如图5所示，从图5可以看出，在紫外-可见光波段其量子转换效率都得到了提高。
用本实施例2的玻璃表面复合薄膜的钙钛矿太阳能光伏组件与未镀膜的FTO导电玻璃的钙钛矿太阳能光伏组件在AM1.5，100mW/cm2(厂家Newport，型号94023A)光照下进行光吸收测试和电池的性能测试(IPCE测试系统7-SCSpec)，得到的J-V性能曲线如图6所示，其性能数据如表2所示。
表2本实施例2制备的导电玻璃表面有复合薄膜的钙钛矿太阳能光伏组件和未镀膜的普通导电玻璃的钙钛矿太阳能光伏组件的光电性能
由表2和图6可知，与同等光照条件下未镀膜的导电玻璃相比，本实施例2制备的导电玻璃表面有复合薄膜的钙钛矿太阳能光伏组件的光电转换效率有明显的提高。尤其是在表征光生载流子的短路电流Jsc上提高了0.7％左右,而且其开路电压Voc,填充因子FF也有了相当的提高，这个可能是由钙钛矿的特性所决定的。
Claims (9)
1.一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、碳量子点溶液的制备：按碳源的质量浓度为5～200g/L配制成水溶液，然后加入硅烷偶联剂，混合均匀，得到前驱液；将前驱液装入反应釜中，在温度为160～300℃的条件下水热反应5～20h，将水热反应后得到的混合液经萃取、透析后，获得碳量子点溶液；
二、硅溶胶的制备：在室温条件下将硅溶胶前驱体、无水乙醇和去离子水混合，用酸调节pH至2.5～6.5后，经搅拌、蒸发、陈化，得到硅溶胶溶液；其中硅溶胶前驱体为有机硅溶胶前驱体或无机硅溶胶前驱体；
三、镀膜用溶胶的配置：将步骤一得到的碳量子点溶液和步骤二得到的硅溶胶溶液按照体积比为1:(2～100)搅拌混合，然后静置，得到镀膜用溶胶；
四、利用步骤三制备的镀膜用溶胶在太阳能光伏组件玻璃表面镀膜，得到太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜；其中太阳能光伏组件为晶硅太阳能光伏组件或钙钛矿太阳能光伏组件。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中碳源为葡萄糖、柠檬酸中的一种或两种。
3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中硅烷偶联剂为硅烷偶联剂为KH570、KH585、KH792的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中碳源的质量与硅烷偶联剂的体积的比为1g：(10～20)ml。
5.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中萃取剂为环己烷、正己烷中的一种或两种的组合。
6.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中有机硅溶胶前驱体、无水乙醇与去离子水的摩尔比为1:(3～5):(3～10)，步骤三中有机硅溶胶的搅拌时间为1～10h。
7.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中无机硅溶胶前驱体、无水乙醇与去离子水的摩尔比为1:(3～20):(3～23)，步骤三中无机硅溶胶的搅拌时间为1～12h。
8.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤四中镀膜方法为提拉法、喷涂法、旋涂法或辊涂法。
9.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件玻璃表面复合薄膜的制备方法，其特征在于步骤四中镀膜的位置为太阳能光伏组件玻璃的正面或者反面。
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