CN108863047A - 一种基于3d打印技术的cigs薄膜太阳能电池用玻璃板及其加工工艺 - Google Patents

一种基于3d打印技术的cigs薄膜太阳能电池用玻璃板及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板及其加工工艺，包括以下摩尔份无机原料：SiO2 10份、Al2O3 0.15‑0.3份、ZrO2 0.02‑0.12份、CaO 0.2‑0.3份、K2O 0.1‑0.5份、Na2O 1‑1.5份、SnO2 0.02‑0.06份、MgO 0.4‑0.6份、MgF20.005‑0.01份、SrF2 0.01‑0.08份、LiYF4 0.08‑0.1份、PbTe 0.1‑0.2份、PrSe 0.02‑0.06份、RE2O3 0.001‑0.005份，其中，ZrO2/CaO的值为0.07‑0.6，Na2O/K2O的值为2‑15，SrF2/MgF2的值为1‑16。本发明结合3D打印技术分步加工玻璃，避免一体化激光烧结玻璃造成的脆性高、透明度低、光学性能差、成型困难等问题，并提高玻璃应变点，降低膨胀系数。

Description

一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板及其加 工工艺
技术领域
本发明属于功能玻璃材料技术领域，还涉及薄膜太阳能电池用玻璃材料领域，具体涉及一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板及其加工工艺。
背景技术
3D打印是一种新型快速成型技术，以数字模型文件为基础，通过逐层打印粉末状金属或塑料等可粘合材料来构造物体，应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程等相关领域。由于玻璃无固定熔点，熔化后，易再次冷却凝结成不规则、不透明形态物质，而3D打印是用高能量激光烧熔的成型技术，因此，将3D打印技术应用于太阳能电池玻璃基板制造领域仍是一个技术难题，目前，尚未有相关文献记载。
钠钙玻璃是CIGS薄膜太阳能电池最常见的衬底基板，其自身的透光率和物理性能也影响着太阳能电池组件性能和光电转化效率，但在钠钙玻璃的生产过程中，一般通过Na2CO3和CaCO3的形式引入Na2O和CaO，热分解产生的CO2会在玻璃结构中形成微孔和气泡组织，降低玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械强度，进而影响CIGS薄膜太阳能电池组件的均一性和性能指标，此外，传统钠钙玻璃的应变点约为460℃，而CIGS薄膜太阳能电池的制程温度最高可达550℃，在制程工序中，必然会引起玻璃的变形与翘曲，影响太阳能电池器件的整体性能和光电转化效率。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板及其加工工艺。
本发明的技术方案概述如下：
一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，包括以下摩尔份无机原料：SiO2 10份、Al2O3 0.15-0.3份、ZrO2 0.02-0.12份、CaO 0.2-0.3份、K2O 0.1-0.5份、Na2O1-1.5份、SnO2 0.02-0.06份、MgO 0.4-0.6份、MgF2 0.005-0.01份、SrF2 0.01-0.08份、LiYF4 0.08-0.1份、PbTe 0.1-0.2份、PrSe 0.02-0.06份、RE2O3 0.001-0.005份，其中，ZrO2/CaO的值为0.07-0.6，Na2O/K2O的值为2-15，SrF2/MgF2的值为1-16。
优选的是，所述CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板还包括以下摩尔份有机原料：聚丙烯酸酯0.1-0.15份、聚四氟乙烯0.01-0.03份、硅烷偶联剂0.002-0.01份。
优选的是，所述硅烷偶联剂的型号为KH-560、KH-171、KH-792的任意一种。
优选的是，所述RE2O3为稀土氧化物通式，其中，RE代表Sc、Y、La、Nd、Gd、Eu、Pr中的一种或几种。
优选的是，所述ZrO2/CaO的值为0.1-0.5。
优选的是，所述Na2O/K2O的值为4-10。
优选的是，所述SrF2/MgF2的值为5-15。
本发明还提供上述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板的加工工艺，包括以下步骤：
S1：按摩尔份混合SiO2、Al2O3、ZrO2、CaO、K2O、Na2O、SnO2、MgO、MgF2、SrF2后，在氮气条件下，加热至混合料完全熔化，加热温度为1700-1800℃，得熔融玻璃液；
S2：待熔融玻璃液降温至1250-1300℃时，进行浇铸成型，经退火、切割、抛光工序后，得玻璃板初成品；
S3：利用计算机软件设计减反射膜三维文件，并传送至3D打印机；
S4：将玻璃板初成品预热至300-400℃；
S5：按摩尔份混合LiYF4、PbTe、PrSe、RE2O3、聚丙烯酸酯、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂，得3D打印基料，激光扫描、熔化后，于300-400℃的打印环境中，利用打印头将所得熔融液均匀喷射在预热后的玻璃板初成品表面，冷却至室温后，即得所述CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板。
优选的是，所述退火温度为550-570℃。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用两步法首次将3D打印技术应用于太阳能电池玻璃领域，避免一体化激光烧结玻璃造成的脆性高、透明度低、光学性能差、成型困难等问题，先通过熔制、成形、退火、切割、抛光等传统玻璃生产工序，构造耐高温钠硅玻璃基体层，再利用3D打印技术对基体层进行加固和强化，提高太阳能电池玻璃板的精度、光透性、疏水性、防污性及机械强度。
(2)为减少熔制过程中的发泡数量，提高玻璃的均一稳定性，本发明以高纯Na2O、CaO替代传统Na2CO3和CaCO3，致密性和机械强度更高，并引入K2O、ZrO2、SrF2、MgF2，通过调整Na2O/K2O、ZrO2/CaO、SrF2/MgF2的系数实现增加应变点与降低膨胀系数的目的，此外，Na2O与K2O协同助熔，并提高玻璃电导率，ZrO2能提高玻璃耐热性和机械强度，降低膨胀系数，CaO能降低玻璃液高温粘性，并极化桥氧，削弱Si-O键，促进玻璃粒子集聚与成型，SrF2与MgF2具有减反射作用，提高光透性，Al2O3和MgO为网络中间体氧化物，LiYF4、PbTe、PrSe、RE2O3及有机粘性材料共同组成玻璃强化层，进一步加强玻璃透光率、光谱转化性能、机械强度，进而提高太阳能电池光转化效率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，包括以下摩尔份原料：SiO2 10份、Al2O3 0.15份、ZrO2 0.02份、CaO 0.2份、K2O 0.25份、Na2O 1份、SnO2 0.02份、MgO 0.4份、MgF2 0.005份、SrF2 0.025份、LiYF4 0.08份、PbTe 0.1份、PrSe 0.02份、Sc2O3+Y2O3 0.001份，聚丙烯酸酯0.1份、聚四氟乙烯0.01份、硅烷偶联剂KH-560 0.002份，其中，ZrO2/CaO的值为0.1，Na2O/K2O的值为4，SrF2/MgF2的值为5。
上述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板的加工工艺，包括以下步骤：
S1：按摩尔份混合SiO2、Al2O3、ZrO2、CaO、K2O、Na2O、SnO2、MgO、MgF2、SrF2后，在氮气条件下，加热至混合料完全熔化，加热温度为1700℃，得熔融玻璃液；
S2：待熔融玻璃液降温至1250℃，进行浇铸成型，再于550℃退火处理，切割、抛光后，得玻璃板初成品；
S3：利用计算机软件设计减反射膜三维文件，并传送至3D打印机；
S4：将玻璃板初成品预热至300℃；
S5：按摩尔份混合LiYF4、PbTe、PrSe、RE2O3、聚丙烯酸酯、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂，得3D打印基料，激光扫描、熔化后，于300℃的打印环境中，利用打印头将所得熔融液均匀喷射在预热后的玻璃板初成品表面，冷却至室温后，即得所述CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板。
实施例2
一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，包括以下摩尔份原料：SiO2 10份、Al2O3 0.2份、ZrO2 0.075份、CaO 0.25份、K2O 0.2份、Na2O 1.2份、SnO2 0.04份、MgO 0.5份、MgF2 0.006份、SrF2 0.06份、LiYF4 0.09份、PbTe 0.15份、PrSe 0.04份、La2O3+Nd2O3+Gd2O3 0.003份，聚丙烯酸酯0.13份、聚四氟乙烯0.02份、硅烷偶联剂KH-171 0.005份，其中，ZrO2/CaO的值为0.3，Na2O/K2O的值为6，SrF2/MgF2的值为10。
加工工艺同实施例1，区别在于：
S1：熔制温度为1750℃；
S2：浇铸成型温度为1275℃，退火温度为560℃；
S4：预热温度为350℃；
S5：打印环境温度为350℃。
实施例3
一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，包括以下摩尔份原料：SiO2 10份、Al2O3 0.3份、ZrO2 0.12份、CaO 0.24份、K2O 0.15份、Na2O 1.5份、SnO2 0.06份、MgO 0.6份、MgF2 0.008份、SrF2 0.08份、LiYF4 0.1份、PbTe 0.2份、PrSe 0.06份、La2O3+Eu2O3+Pr2O3 0.005份，聚丙烯酸酯0.15份、聚四氟乙烯0.03份、硅烷偶联剂KH-792 0.01份，其中，ZrO2/CaO的值为0.5，Na2O/K2O的值为10，SrF2/MgF2的值为10。
加工工艺同实施例1，区别在于：
S1：熔制温度为1800℃；
S2：浇铸成型温度为1300℃，退火温度为570℃；
S4：预热温度为400℃；
S5：打印环境温度为400℃。
对实施例1-3制得的玻璃板进行性能指标测试，结果如下表所示：
由上表可知，本发明生产的玻璃板的应变点全部超过550℃，避免在太阳能电池组件制程工序中发生变形与翘曲，并明显降低玻璃的膨胀系数和脆性指数，且气孔率极低，间接提高太阳能的光电转化效率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (9)

1.一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，其特征在于，包括以下摩尔份无机原料：SiO2 10份、Al2O3 0.15-0.3份、ZrO2 0.02-0.12份、CaO 0.2-0.3份、K2O 0.1-0.5份、Na2O 1-1.5份、SnO2 0.02-0.06份、MgO 0.4-0.6份、MgF2 0.005-0.01份、SrF2 0.01-0.08份、LiYF4 0.08-0.1份、PbTe 0.1-0.2份、PrSe 0.02-0.06份、RE2O3 0.001-0.005份，其中，ZrO2/CaO的值为0.07-0.6，Na2O/K2O的值为2-15，SrF2/MgF2的值为1-16。
2.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，其特征在于，所述CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板还包括以下摩尔份有机原料：聚丙烯酸酯0.1-0.15份、聚四氟乙烯0.01-0.03份、硅烷偶联剂0.002-0.01份。
3.根据权利要求2所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，其特征在于，所述硅烷偶联剂的型号为KH-560、KH-171、KH-792的任意一种。
4.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，其特征在于，所述RE2O3为稀土氧化物通式，其中，RE代表Sc、Y、La、Nd、Gd、Eu、Pr中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，其特征在于，所述ZrO2/CaO的值为0.1-0.5。
6.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，其特征在于，所述Na2O/K2O的值为4-10。
7.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板，其特征在于，所述SrF2/MgF2的值为5-15。
8.如权利要求1-7任一项所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按摩尔份混合SiO2、Al2O3、ZrO2、CaO、K2O、Na2O、SnO2、MgO、MgF2、SrF2后，在氮气条件下，加热至混合料完全熔化，加热温度为1700-1800℃，得熔融玻璃液；
S2：待熔融玻璃液降温至1250-1300℃时，进行浇铸成型，经退火、切割、抛光工序后，得玻璃板初成品；
S3：利用计算机软件设计减反射膜三维文件，并传送至3D打印机；
S4：将玻璃板初成品预热至300-400℃；
S5：按摩尔份混合LiYF4、PbTe、PrSe、RE2O3、聚丙烯酸酯、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂，得3D打印基料，激光扫描、熔化后，于300-400℃的打印环境中，利用打印头将所得熔融液均匀喷射在预热后的玻璃板初成品表面，冷却至室温后，即得所述CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板。
9.根据权利要求8所述一种基于3D打印技术的CIGS薄膜太阳能电池用玻璃板的加工工艺，其特征在于，所述退火温度为550-570℃。
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