CN110739353A

CN110739353A - 膜层结构、太阳能组件及太阳能组件的制备方法

Info

Publication number: CN110739353A
Application number: CN201810704875.8A
Authority: CN
Inventors: 黄亮
Original assignee: Beijing Hanergy Solar Power Investment Co Ltd
Current assignee: Shanghai zuqiang Energy Co.,Ltd.
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2020-01-31

Abstract

本申请实施方式涉及制造技术领域，公开了一种膜层结构、太阳能组件及太阳能组件的制备方法。本申请实施方式中，膜层结构设置于基板上，膜层结构的表面为矩阵式突起层。本申请实施方式还提供了一种太阳能组件及太阳能组件的制备方法。采用本申请实施方式，从结构上实现自清洁的效果，能够不限定膜层结构的材料组成，膜层结构的应用范围较广。

Description

膜层结构、太阳能组件及太阳能组件的制备方法

技术领域

本申请实施方式涉及制造技术领域，特别涉及膜层结构、太阳能组件及太阳能组件的制备方法。

背景技术

自清洁板是指在基板表面设置一层特殊的涂料膜层，使得灰尘或者污浊液体(包括含水，甚至含油的液体)都难以附着在基板的表面。这样，基板表面非常容易保持清洁，减少了清洁基板表面的麻烦，也可以节省日益匮乏的水资源。

但是，本专利申请的发明人发现：现有技术中的自清洁板大多是基于涂料本身的清洁特性，来实现自清洁的效果的，对涂料的材料组成有一定的要求，应用范围较窄。

发明内容

本申请实施方式的目的在于提供一种膜层结构、太阳能组件及太阳能组件的制备方法，从结构上实现自清洁的效果，能够不限定膜层结构的材料组成，膜层结构的应用范围较广。

为解决上述技术问题，本申请的实施方式提供了一种膜层结构，设置于基板上，膜层结构的表面为矩阵式突起层。

本申请的实施方式还提供了一种太阳能组件，包括透光前板，该透光前板上设有上述的膜层结构。

本申请的实施方式还提供了一种太阳能组件的制备方法，包括：

在透光前板上设置上述的膜层结构。

本申请实施方式相对于现有技术而言，基板上设置膜层结构，该膜层结构的表面为矩阵式突起层。这样，利用矩阵式突起层来降低灰尘或者污浊液体的粘滞力，从而从结构上实现自清洁的效果，能够不限定膜层结构的材料组成，膜层结构的应用范围较广。

可选地，矩阵式突起层为无机疏水层，能够保证膜层结构具有较长的自清洁寿命。

可选地，膜层结构还包括：有机高分子聚合物膜层；有机高分子聚合物膜层设置在无机疏水层上，能够进一步地提升膜层结构的自清洁效果。

可选地，无机疏水层为Si₃N₄膜层，或者为掺杂有重金属离子的Si₃N₄膜层；可选地，重金属离子为Ti⁴⁺、Pd²⁺或Er³⁺。这样，提供了无机疏水层的具体实现形式，增加了本申请实施方式的灵活性。并且，Si₃N₄具有高折射率、高致密性以及高透的特点，为后续膜层结构应用于太阳能组件时，保证太阳能组件具有较高的发电效率提供了基础。

可选地，有机高分子聚合物膜层为硅烷、氟碳高聚物或硅烷与氟碳高聚物的组合。这样，提供了有机高分子聚合物膜层的具体实现形式，增加了本申请实施方式的灵活性。

可选地，矩阵式突起层中单个矩阵的宽度区间为[100nm，200nm]，长度区间为[100nm，200nm]，有效地保证了膜层结果的良好自清洁效果。

附图说明

一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施方式的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是第一实施方式中膜层结构设置在基板上的结构示意图；

图2是第一实施方式中膜层结构表面疏水的示意图；

图3是第二实施方式中膜层结构设置在基板上的结构示意图；

图4是第二实施方式中太阳能组件的结构示意图；

图5是第二实施方式中增透膜系的结构示意图；

图6是第二实施方式中光线到达太阳能组件的光路示意图；

图7是第二施方式中增透膜系反射率的曲线示意图；

图8是第三实施方式中太阳能组件的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本申请第一实施方式涉及一种膜层结构，设置在基板2上，如图1所示。其中，膜层结构的表面设置有矩阵式突起层11。

具体地说，基板2可以为玻璃基板(如，太阳能电池板、超白玻璃板等)、塑料基板或金属基板。由于膜层结构的表面为矩阵式突起层11，膜层结构表面的接触角较大，水、油、尘等物质落到膜层结构上时，并不会与膜层结构的表面全部接触，从而能够实现自清洁的效果。如图2所示，提供了液滴3滴落在膜层结构的表面后的示意图，当液滴3落到膜层结构的表面时，液滴3在自身重力的作用下，与膜层结构的表面接触，并形成一定的形变量。由于液滴3自身表面张力的作用，液滴3本身会收缩，并且膜层结构的表面为凹凸不平的矩阵式突起，当液滴3流过时，在表面张力作用下，这些微矩阵结构内部能驻留部分气体，形成剪切力较小的气-液接触面，从而极大地减少了膜层结构表面上的固-液接触面积，有效地降低了膜层结构表面的黏性阻力，达到了自清洁的目的。其中，单个矩阵的宽度区间为[100nm，200nm]，长度区间为[100nm，200nm]，自清洁效果较佳。

本实施方式中，矩阵突起层11可以为无机疏水层，能够保证膜层结构具有较长的自清洁寿命。如，无机疏水层可以为Si₃N₄膜层，或者为掺杂有重金属离子的Si₃N₄膜层；可选地，重金属离子选自Ti⁴⁺、Pd²⁺或Er³⁺中的至少一种。这样，由于Si₃N₄具有高电阻率和高击穿场强，化学稳定性和热稳定性相当好，同时，Si₃N₄具有优良的抗高温氧化性、高耐磨性和抗划伤能力、高抗弯强度和弹性模量，对可动离子(如Na⁺)阻挡能力强、结构致密、呈疏水性、介电常数大等优良特性，因而膜层结构的自清洁能力较为稳定，且使用寿命较长。

需要注意的是，上述对矩阵突起层11的举例，仅作为示例性说明，本实施方式中并不对矩阵突起层的具体实现形式做任何限定。

本申请的实施方式相对于现有技术而言，从结构上实现自清洁的效果，能够不限定膜层结构的材料组成，膜层结构的应用范围较广。

本申请的第二实施方式涉及一种膜层结构，设置在基板2上，如图2所示。第二实施方式在第一实施方式的基础上加以改进，主要改进之处在于：在本申请第二实施方式中，膜层结构还包括有机高分子聚合物膜层12，能够进一步地提升膜层结构的自清洁效果。

具体地说，有机高分子聚合物膜层12设置在无机疏水层上。其中，有机高分子聚合物膜层12的材料可以为硅烷、氟碳高聚物或硅烷与氟碳高聚物的组合。如，有机高分子聚合物膜层12的材料可以为聚四氟乙烯、氟硅烷、氟碳高聚物等有机聚合物。需要注意的是，当无机疏水层可以为Si₃N₄膜层，或者为掺杂有重金属离子的Si₃N₄膜层时，有机高分子聚合物能够与Si₃N₄中的不饱和悬挂键结合，从而令有机高分子聚合物膜层12的附着力较强，有效地保证了膜层结构的使用寿命。

本实施方式相比于第一实施方式而言，膜层结构表面极度难以被浸润，表面接触角可以达到164°±0.8°，自清洁效果显著。

本申请的第三实施方式涉及一种太阳能组件，如图4所示，包括：透明前板2以及如第一实施方式或第二实施方式中所提及到的膜层结构1，膜层结构1设置在透明前板2上。

本实施方式中，透光前板2包括：基板21和增透膜系22。增透膜系22设置在基板21上，且膜层结构1设置在增透膜系22上。其中，增透膜系22包括：包括交替堆叠的高折射率增透膜层222和低折射率增透膜层221，如图5所示。其中，高折射率增透膜层的折射率范围为1.8至3之间，低折射率增透膜层的范围为1.37至1.72之间。如，高折射率增透膜层222可以选自Nb₂O₅膜、Si₃N₄膜、SiON_x膜和SnO₂膜中的至少一种；低折射率增透膜层221可以选自SiO₂膜和MgF₂膜中的至少一种。然而，上述对高折射率增透膜层以及低折射率增透膜层的举例，仅作为示例性说明，在实际操作使用时，增透膜系所包括的增透膜层以高低搭配的形式存在即可，即，高低折射率是一个相对的概念。

以下以高折射率增透膜层222为Si₃N₄膜，低折射率增透膜层221为SiO₂膜为例进行说明：

具体地说，透光前板2的基板21为玻璃材质。玻璃的主要成分是SiO₂，因而在玻璃基板上设置的低折射率增透膜层221为SiO₂膜，令低折射率增透膜层221的材质与基板21的材质相同，能够实现两种相同的化合物形成的化学键Si-O相同，低折射率增透膜层221中的SiO₂可以与基板21中的SiO₂形成Si-O键，从而可以保证低折射率增透膜层221与基板21的紧密结合。并且，SiO₂膜能够阻挡基板21中的金属离子进入后续镀制的膜层中，保证了后续镀制膜层的有效性。

更具体地说，低折射率增透膜层221为SiO₂膜时，在低折射率增透膜层221上设置Si₃N₄膜，由于SiO₂和Si₃N₄均是以共价键为主的化合物，因而低折射率增透膜层221与高折射率增透膜层222间可以相互结合形成共价键，从而使得各膜层间的附着力强，不易脱落，自清洁板的膜层牢固，使用寿命较长。

本实施方式中，在基板21进行平板清洗、吹干后，使用磁控溅射设备(如，真空磁控连续镀膜机)镀制SiO₂膜以及Si₃N₄膜。在镀制SiO₂膜时，镀膜温度设置范围为260℃～400℃，镀膜室传动节拍为120秒，在磁控溅射设备的第一腔室使用3个硅Si靶镀制SiO₂膜，Si的溅射功率为8000W～15000W，氧气O₂的流量为100～130标准毫升/分钟，氩气Ar的流量为200～220标准毫升/分钟、真空度在3.0×10^-1Pa～4.5×10^-1Pa之间。在镀制Si₃N₄膜时，在磁控溅射设备的第二腔室使用3个Si靶镀制Si₃N₄膜，Si溅射功率为8000W～15000W，O₂的流量为100～130标准毫升/分钟、氮气N2的流量为100～130标准毫升/分钟、氩气Ar的流量200～220标准毫升/分钟、真空度在3.0×10^-1Pa～4.5×10^-1Pa之间。

其中，在镀制Si₃N₄膜的过程中，通入O₂，因此Si₃N₄膜中会存在部分SiO₂分子。这样，Si₃N₄膜中的SiO₂分子可以与低折射率增透膜层221中的Si-O键相结合，从而在Si₃N₄膜层内形成Si-O键、Si-N键、O-Si-N键。由于Si-O键、Si-N键、O-Si-N键之间可以相互结合形成共价键，因而膜层间的结合强度较大。并且，形成的共价键能够永久结合，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，因此即使在高温下，Si₃N₄膜的缺陷扩散系数也很低，这种情况下形成的膜层致密性很好。同时，整个镀膜过程都在高温条件(260℃～400℃)下进行，可以使溅射的原子拥有更大的动能，有利于离子填补薄膜表面的缺陷，膜层表面的平整度更好。

需要注意的是，高温条件下进行的镀膜可以提高膜层的致密性，从而能够增强Si₃N₄膜的透光性。因此，Si₃N₄膜高折射率(约在2.00左右)、高致密性、高透的特点可以保证太阳能组件的发电效率较高。并且，矩阵式突起层设置在透明前板2上，能够令太阳能组件具有自清洁的能力，从而可以有效地避免因外界污染而导致光电转换效率下降，以及，污染产生热斑所导致的组件受损的问题，进一步地保证了太阳能组件具有较长的使用寿命，并具有较高的发电效率。

可选地，若矩阵式突起层11为掺杂有重金属离子的Si₃N₄膜层，则可以在上述举例镀制Si₃N₄膜的过程中，掺杂重金属离子，如，Ti⁴⁺、Pd²⁺或Er³⁺中的至少一种。如，矩阵式突起层11为掺杂有Ti⁴⁺的Si₃N₄膜层，Si₃N₄的疏水性以及Ti⁴⁺的光催化作用均能实现自清洁的效果，能够令太阳能组件具有良好自清洁效果。

以下以增透膜系22包括三层膜层，且矩阵式突起层11为Si₃N₄膜层为例，对光线到达太阳能组件的光路原理进行说明：

其中，增透膜系22包括的三层膜层由下至上分别为：第一SiO₂膜、Si₃N₄膜以及第二SiO₂膜，如图6所示，环境的入射光①由空气进入最外层的矩阵式突起层11，此时会产生反射光线②以及折射光线⑥。由于第一SiO₂膜和矩阵式突起层11材质不同，折射率不同，因此折射光线⑥在进入第一SiO₂膜2时，会产生反射光线③和折射光线⑦。同理，折射光线⑦进入Si₃N₄膜时，也产生反射光线④和折射光线⑧，折射光线⑧进入第二SiO₂膜时，会产生反射光线⑤和折射光线⑨。此时，真正到达基板1表面的光线为折射光线⑨，因而折射光线⑨可以被基板21吸收，实现光能转化为电能。

由此可见，折射光线⑨的光总量越高，光电转化效率越高。因此，基于光的波动性以及菲涅尔原理，合理地设置矩阵式突起层11的d1、第一SiO₂膜的d2、Si₃N₄膜的d3以及第二SiO₂的d4的厚度，从而尽量满足所有的反射光线的光程差为π的整数倍，这样，所有的反射光线到达矩阵式突起层11与空气之间的界面时，能够满足波峰与波谷叠加的条件，从而能够实现由矩阵式突起层11折射至空气的光线量最少，达到增透的目的。通过这种方式，能够尽可能地实现入射光在经过干涉相消后，反射光为0的目的，在不考虑膜层吸收的情况下，所有入射的光线全部到达至基板21上，增透膜系22就形成了光陷阱，能够达到最好的增透效果，提高太阳能电池板的发电效率。

如，d1的厚度可以为8-110埃格斯特朗、d2的厚度可以为150-800埃格斯特朗、d3的厚度可以为15-180埃格斯特朗、d4的厚度可以为200-310埃格斯特朗。由于薄膜太阳能吸收的主要波段在200nm-2000nm，因此以200nm-2000nm波段为例，增透膜系22反射率的曲线示意如图7所示，反射率大概在5％左右。其中，在220nm-350nm波段反射率相对较高，但是该部分紫外光线在自然光中所占的比例较少，所以对整个增透膜系22的反射率影响非常有限。并且，增透膜系22在整个380-760nm的可见光波段有极低的反射率，因而可以很大程度上提高的光电转化效率。

需要注意的是，上述增透膜系22的举例仅作为示例性说明。在实际操作时，可以根据实际需求设置增透膜系22的材料以及所包括的膜层的层数，来满足不同的频宽，以尽可能地降低反射率，达到增透的目的。

本申请的实施方式相对于现有技术而言，太阳能组件的制备较为简单、具有自清洁能力，且发光效率较高。

本申请的第四实施方式涉及一种太阳能组件的制备方法，如图8所示，步骤如下：

步骤101，在透光前板上设置膜层结构。

具体地说，膜层结构为第一实施方式中所提及到的膜层结构。更具体地说，在透光前板上设置无机疏水层，对无机疏水层进行表面处理，令无机疏水层形成矩阵式突起层。如，在无机疏水层上涂布感光胶，而后经曝光，碱水洗，酸洗，令无机疏水层形成矩阵式突起层。如，无机疏水层为Si₃N₄膜，或者无机疏水层无机疏水层为掺杂有重金属离子的Si₃N₄膜层；其中，重金属离子选自Ti⁴⁺、Pd²⁺或Er³⁺中的至少一种。这样，使用去离子水清洗无机疏水层后，在无机疏水层上涂布感光剂，如，重氮萘醌型酯化物，并令涂布有感光剂的无机疏水层经过一定量紫外光线(波长为365nm)照射8秒至15秒。这样，无机疏水层上紫外线照射、曝光的区域的感光剂发生分解，生成溶于稀碱水的茚羧酸；未经紫外线照射、曝光的区域没有发生变化，不溶于稀碱水中，因此曝光后的自清洁板在通过碱水洗(浓度为0.040％至0.050％的氢氧化钠或浓度为0.040％至0.050％的氢氧化钾)、酸洗(浓度为10％至30％的HF溶液)后，就可以令无机疏水层部分区域内的Si₃N₄被蚀刻掉，从而能够令无机疏水层形成矩阵式突起层。其中，矩阵式突起层中单个矩阵的宽度可以在100nm-200nm之间。

本实施方式中，还可以在无机疏水层上设置有机高分子聚合物膜层，能够进一步地提高自清洁效果。其中，有机高分子聚合物膜层可以为硅烷、氟碳高聚物或硅烷与氟碳高聚物的组合。这样，在无机疏水层上修饰有机高分子聚合物膜层，能进一步地提高太阳能组件的清洁效果。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims

1.一种膜层结构，设置于基板上，其特征在于，所述膜层结构的表面设置有矩阵式突起层。

2.根据权利要求1所述的膜层结构，其特征在于，所述矩阵式突起层为无机疏水层；

可选地，所述无机疏水层为Si₃N₄膜层，

或者，所述无机疏水层为掺杂有重金属离子的Si₃N₄膜层；可选地，所述重金属离子选自Ti⁴⁺、Pd²⁺和Er³⁺中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的膜层结构，其特征在于，还包括：有机高分子聚合物膜层；

所述有机高分子聚合物膜层设置在所述无机疏水层上；

可选地，所述有机高分子聚合物膜层的材料为硅烷、氟碳高聚物或硅烷与氟碳高聚物的组合。

4.根据权利要求1所述的膜层结构，其特征在于，所述矩阵式突起层中单个矩阵的宽度区间为[100nm，200nm]，长度区间为[100nm，200nm]。

5.一种太阳能组件，其特征在于，包括透光前板，所述透光前板上设置如权利要求1至4中任一项所述的膜层结构。

6.根据权利要求5所述的太阳能组件，其特征在于，所述透光前板包括：基板和增透膜系；

所述增透膜系设置在所述基板上，且所述膜层结构设置在所述增透膜系上。

7.根据权利要求6所述的太阳能组件，其特征在于，所述增透膜系包括：包括交替堆叠的高折射率增透膜层和低折射率增透膜层；

所述高折射率增透膜层选自Nb₂O₅膜、Si₃N₄膜、SiON_x膜和SnO₂膜中的至少一种；所述低折射率增透膜层选自SiO₂膜和MgF₂膜中的至少一种。

8.一种太阳能组件的制备方法，其特征在于，包括：

在透光前板上设置如权利要求1至4中任一项所述的膜层结构。

9.根据权利要求8所述的太阳能组件的制备方法，其特征在于，所述在透光前板上设置如权利要求1至4中任一项所述的膜层结构，具体包括：

在透光前板上设置无机疏水层；

对所述无机疏水层进行表面处理，令所述无机疏水层形成所述矩阵式突起层；

可选地，所述对所述无机疏水层进行表面处理，令所述无机疏水层形成所述矩阵式突起层，具体包括：

在所述无机疏水层上涂布感光胶；

经曝光，碱水洗，酸洗，令所述无机疏水层形成所述矩阵式突起层；

可选地，所述无机疏水层为Si₃N₄膜，或者所述无机疏水层为掺杂有重金属离子的Si₃N₄膜层；可选地，所述重金属离子选自Ti⁴⁺、Pd²⁺和Er³⁺中的至少一种。

10.根据权利要求9所述的太阳能组件的制备方法，其特征在于，所述令所述无机疏水层形成所述矩阵式突起层后，还包括：

在所述无机疏水层上设置有机高分子聚合物膜层。