CN111933806B - 太阳电池的光学增透膜及其应用 - Google Patents

太阳电池的光学增透膜及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳电池的光学增透膜及其应用。该光学增透膜包括氧化物纳米粒子膜层和八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷（简称MPOSS）膜层，其中氧化物纳米粒子膜层通过氧化物纳米粒子分散液旋涂得到，MPOSS膜层通过MPOSS、1,6‑己二醇二丙烯酸酯（HDA）和过氧化苯甲酰（BPO）的混合溶液旋涂后热交联得到，MPOSS膜层与氧化物纳米粒子层形成多层结构，或者氧化物纳米粒子与MPOSS形成共混层。MPOSS膜层不仅增强了透过性能，还增强了光学增透膜的机械强度，化学稳定性和疏水性。氧化物纳米粒子膜层提高了该光学膜表面粗糙度，从而进一步提高了太阳电池透明电极的透过率。利用该光学增透膜，可减少太阳电池透明电极的入射光反射损失，有助于提高太阳电池的能量转换效率。

Description

太阳电池的光学增透膜及其应用
技术领域
本发明属于能源材料领域，尤其涉及太阳电池用光学增透膜及其应用。
背景技术
在清洁能源的研究和发展中，利用光电效应将太阳能转变成电能的太阳电池一直以来是学术界与产业界关注与研究的热点。太阳电池结构通常由透明电极、金属电极、光活性层、空穴传输层和电子传输层五部分组成。光通过透明电极照射进入光活性层，活性层材料吸收光子，经过激子产生、激子扩散、激子解离、电荷传输和电荷收集五个过程实现光电转换。近年来，有机太阳电池的能量转换效率得到了快速发展，截至2020年，研究报道有机太阳的最高效率近18％(LIU Q,JIANG Y,JIN K,et al.2020.18％Efficiency organicsolar cells.Science Bulletin[J],65:272-275.)。
在太阳电池的光能和电能的转换过程中一般会经历两种能量损耗，分别是光学损耗和电学损耗。相对于电池内部的电学损耗来说，器件电极表面的光子捕获效率在提升效率方面更具有主导地位，光学损耗包括反射损失、透射损失和寄生吸收，其中反射损失占据了相当大的部分。因此，引入光学增透膜，将玻璃电极表面的反射损失控制到一个较低的水平，增加光的透过率，提升进入光活性层的光子数量，有助于提升太阳电池的能量转化效率。同时，水滴在疏水表面滚动可带走表面的污染物或灰尘，为了减少光学增透膜在环境中被污染，更多得保证太阳电池的长期工作稳定性，太阳电池的光学增透膜还需增强疏水性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种用于太阳电池的增透效果优异，疏水性能良好的光学增透膜的制备方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种太阳电池的光学增透膜，其包括氧化物纳米粒子膜层和MPOSS膜层，其中氧化物纳米粒子膜层通过氧化物纳米粒子分散液旋涂得到，MPOSS膜层通过八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷、1,6-己二醇二丙烯酸酯和过氧化苯甲酰的混合溶液旋涂后热交联得到，MPOSS膜层与氧化物纳米粒子层在太阳电池的透明基底背面形成多层结构，且透明基底背面与光学增透膜最底层的氧化物纳米粒子层贴合；所述氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化铝和氧化硅中的至少一种。
作为优选，以一层氧化物纳米粒子膜层和一层MPOSS膜层为一层组合层，所述光学增透膜为一层组合层或由多层组合层叠加而成。
进一步的，所述光学增透膜由1～5层组合层叠加而成。
第二方面，本发明提供了一种太阳电池的光学增透膜，该光学增透膜为氧化物纳米粒子与MPOSS共混层，其贴合于太阳电池的透明基底背面；该共混层由八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷、1,6-己二醇二丙烯酸酯、过氧化苯甲酰和氧化物纳米粒子的混合分散溶液旋涂后热交联得到；所述氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化铝和氧化硅中的至少一种。
作为上述第一方面的优选，所述的氧化物纳米粒子分散液的浓度为1～100mg/mL，分散剂为醇类溶剂。
作为上述第一方面和第二方面的优选，所述氧化物纳米粒子膜层中，氧化物纳米粒子粒径为5～500nm。
作为上述第一方面和第二方面的优选，所述的MPOSS膜层中，原料MPOSS和HDA的物质的量之比为1:0.1到1：100，引发剂BPO的质量百分比为2～20wt％。
第三方面，本发明提供了一种太阳电池的透明基底，该透明基底背面附有如上述第一方面和第二方面中任一方案所述的光学增透膜。
作为优选，所述的透明基底为玻璃基底或者塑料透明基底。
第是方面，本发明提供了一种基于上述第三方面的透明基底构建的太阳电池。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明利用氧化物纳米粒子膜层和在其外表面的MPOSS膜层制备得到了增透效果优异和疏水性能良好的太阳电池的光学增透膜。通过调节工艺条件，MPOSS膜层不仅增强了透过性能，还使该光学增透膜疏水性增强，耐刮擦，耐溶剂；氧化物纳米粒子膜层提高了该光学膜表面粗糙度，从而进一步提高了太阳电池透明电极的透过率，减少太阳电池透明电极的入射光反射损失，有助于提高太阳电池的能量转换效率。将本发明设计的太阳电池的光学增透膜用于其透明电极上，在450-1000nm波长范围透明电极透过率实现了近2.5％的提升，并且水接触角从25.2°提升至88.0°。
附图说明
图1为太阳电池的光学增透膜的结构示意图。
图2为太阳电池的光学增透膜的透过率曲线。
图3为太阳电池的光学增透膜的水接触角图。
图4为含光学增透膜的太阳电池器件结构示意图。
图5为实施例3中含有光学增透膜的太阳电池的电流-电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，本发明提供了两种太阳电池的光学增透膜形式，其主要成分均为氧化锌纳米粒子和MPOSS，但是两者的成膜方式是不一样的。
在图1(a)中，该太阳电池的光学增透膜包括氧化锌纳米粒子膜层和MPOSS膜层。MPOSS膜层与氧化锌纳米粒子层在太阳电池的透明基底背面形成多层结构。需要注意的是，此处的MPOSS膜层与氧化锌纳米粒子层均可以是一层或多层形式。以一层氧化锌纳米粒子膜层和一层MPOSS膜层为一层组合层，该光学增透膜为一层组合层或由多层组合层叠加而成，其组合层层数n优选为n＝1～5。在该光学增透膜中，氧化锌纳米粒子膜层通过氧化锌纳米粒子分散液旋涂得到，MPOSS膜层通过八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷、1,6-己二醇二丙烯酸酯和过氧化苯甲酰的混合溶液旋涂后热交联得到。透明基底背面与光学增透膜最底层的氧化锌纳米粒子层贴合。若组合层数大于1，则上一层组合层的氧化锌纳米粒子层叠加于下一层组合层的MPOSS膜层之上，以交替形式层层叠加组合。
在图1(b)中，该太阳电池的光学增透膜为氧化锌纳米粒子与MPOSS共混层，其贴合于太阳电池的透明基底背面。该共混层由八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷、1,6-己二醇二丙烯酸酯、过氧化苯甲酰和氧化锌纳米粒子的混合分散溶液旋涂后热交联得到，氧化锌纳米粒子和MPOSS位于同一层中。
本发明中的八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷MPOSS的化学结构式为：
Figure BDA0002623038710000041
在上述两种形式的光学增透膜制备过程中，其工艺参数可根据需要调整。一般而言，氧化锌纳米粒子分散液的浓度为1～100mg/mL，分散剂为醇类溶剂。氧化锌纳米粒子膜层中，氧化锌纳米粒子粒径为5～500nm。MPOSS膜层中，原料MPOSS和HDA的物质的量之比为1:0.1到1：100，引发剂BPO的质量百分比为2～20wt％。
上述光学增透膜可以用于太阳电池的透明基底，透明基底可以是玻璃基底或者塑料透明基底。基于该透明基底可进一步构建的太阳电池，图4为含光学增透膜的太阳电池器件结构示意图，各层的具体材料可根据需要进行设计。由于引入了光学增透膜，可以将玻璃电极表面的反射损失控制到一个较低的水平，增加光的透过率，提升进入光活性层的光子数量，有助于提升太阳电池的能量转化效率。
下面通过若干实施例，说明本发明的具体实现以及技术效果。各实施例中所采用的试剂，均可采用市售商品，没有特殊限制。其中，实施例中所用的八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷MPOSS(MA0735–Methacryl POSS Cage Mixtur e)可购买自Hybrid Plastics(https://hybridplastics.com/product/ma0735-methacryl-poss-cage-mixture/)，CAS:160185-24-0。
实施例1
在干燥的反应瓶中加入12g醋酸锌二水化合物和500mL甲醇，在60℃下搅拌溶解；再添加氢氧化钾(6g)的甲醇(250mL)溶液混合搅拌并回流，3h后停止反应，随后静置4h使氧化锌纳米粒子自然沉降，再分离沉淀物和母液。沉淀物经甲醇洗涤2次后再分散于乙醇溶剂中得到10mg/mL的氧化锌纳米粒子乙醇分散液。
实施例2
将表面刻蚀有条状氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声振荡清洗30分钟后，用氮气流干燥，再用紫外、臭氧等离子体处理5分钟。将实施例1中制得的10mg/mL的氧化锌纳米粒子乙醇分散液以3000r/min的转速旋涂于ITO透明导电玻璃的玻璃面，并重复操作一次。再配置八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷(MPOSS)、1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDA)和过氧化苯甲酰(BPO)的四氢呋喃混合液，混合液中MPOSS和交联剂HDA的总浓度为75mg/mL，MPOSS与HDA的物质的量之比为1：20，引发剂BPO的含量为2wt％。然后在室温下对上述混合液搅拌1h；再将该混合液以3000r/min的转速旋涂于氧化锌纳米粒子膜之上，并在150℃下热固化10min，得到一层MPOSS膜层与一层氧化锌纳米粒子层形成的多层结构的光学增透膜(MPOSS/ZnO NPs)。
实施例3
将表面刻蚀有条状氧化铟锡ITO的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声振荡清洗30分钟后，用氮气流干燥，再用紫外、臭氧等离子体处理5分钟。再配置八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷(MPOSS)、1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDA)和过氧化苯甲酰(BPO)的四氢呋喃混合液，混合液中MPOSS和交联剂HDA的总浓度为75mg/mL，MPOSS与HDA的物质的量之比为1：20，引发剂BPO的含量为2wt％。然后在该混溶液中加入20wt％的50mg/mL的氧化锌纳米粒子乙醇分散液，室温下搅拌1h，得到MPOSS@氧化锌纳米粒子混合液。再将该MPOSS@氧化锌纳米粒子混合液以4000r/min的转速旋涂在ITO透明导电玻璃的玻璃面，并在150℃下热固化10min，得到MPOSS与氧化锌纳米粒子共混的光学增透膜(MPOSS@ZnO NPs)。
实施例4
在表面刻蚀有条状氧化铟锡ITO的透明导电玻璃的背面按照实施例2旋涂得到光学增透膜MPOSS/ZnO NPs后，再将氧化锌纳米粒子乙醇分散液以3500r/min的转速旋涂于该透明导电玻璃的ITO面，转移至手套箱。配置PM6/Y6溶液(具体配比为16.5mg/mL，重量比1：1.2，含0.5wt％CN)。再将PM6/Y6溶液以3500r/min的转速旋涂于氧化锌纳米粒子层上，并在100℃下退火10分钟。最后在2×10-4Pa条件下，在活性层上真空室沉积8纳米厚的氧化钼空穴传输层和100纳米厚的Ag电极(阳极)，得到太阳电池。
上述各实施例的测试结果分析如下：
在光照强度为100mW/cm2的AM 1.5G模拟太阳光照射下，测试了实施例4中太阳电池器件的电流－电压曲线，电流电压曲线测试结果如图5和表1所示。其中，器件的开路电压为0.831V，短路电流密度为24.43mA/cm2，填充因子为0.72，光电能量转换效率为14.69％
表1含有光学增透膜的太阳电池器件的效率参数表。
Figure BDA0002623038710000061
利用HITACHI公司出品的U-4100型紫外可见分光光度计设备，测试了实施例2和实施例3中的光学增透膜的透过率，结果如图2所示，其中含多层结构光学增透膜的透明电极在450-1000nm波长范围的平均透过率为88.65％，含共混光学增透膜的透明电极的透过率为88.09％，未处理的透明电极的透过率为86.16％，可见，使用该光学增透膜，可提高太阳电池透明电极的透过率。
上述两种光学增透膜还可以进一步增大透明电极的水接触角，以MPOSS/ZnO NPs为例，同时以仅旋涂MPOSS膜层和仅旋涂氧化锌纳米粒子膜层的透明电极作为对比，各自的水接触角测试结果如图3所示。其中，未处理的透明电极的水接触角为25.2°，表面只有氧化锌纳米粒子膜层的透明电极的水接触角为54.4°，表面只有MPOSS膜层的透明电极的水接触角为80°，表面含有完整该光学增透膜的透明电极的水接触角为88°。
该光学增透膜的原子力显微镜测试粗糙度结果如表2所示，其中，表面只有氧化锌纳米粒子膜层的透明电极的粗糙度为0.829，表面只有MPOSS膜层的透明电极的粗糙度为0.340，表面含有完整该光学增透膜的透明电极的粗糙度为0.363。
表2太阳电池的光学增透膜的粗糙度表
Figure BDA0002623038710000071
由此可见，MPOSS膜层不仅提高了透过率，还由于化学交联反应，使疏水性增强，耐溶剂，耐刮擦，氧化锌纳米粒子膜层提高了粗糙度，从而进一步提高了透过率。使用这种光学增透膜可以提高太阳电池透明电极的透过率，并且增强其疏水性能，有助于太阳电池能量转换效率的提升和稳定性的增强。
另外，上述氧化锌纳米粒子膜层也可以采用其他氧化物纳米粒子膜层替代，例如氧化钛、氧化铝、氧化硅等。氧化锌纳米粒子膜层中的氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化铝和氧化硅中的一种均可实现类似功能。下面提供另外三种氧化物的制备实施例，当然这些氧化物也可以采用多种混合的方式制备氧化物纳米粒子层，其效果理论上也是类似的。
实施例5
本实施例中，以氧化钛纳米粒子代替实施例2中的氧化锌纳米粒子制备氧化物纳米粒子层，其余做法与实施例2相同，制得性能相似的光学增透膜(MPOSS/TiO2 NPs)。
实施例6
本实施例中，以氧化钛纳米粒子代替实施例3中的氧化锌纳米粒子制备氧化物纳米粒子层，其余做法与实施例3相同，制得性能相似的光学增透膜(MPOSS@TiO2 NPs)。
实施例7
本实施例中，以氧化铝纳米粒子代替实施例2中的氧化锌纳米粒子制备氧化物纳米粒子层，其余做法与实施例2相同，制得性能相似的光学增透膜(MPOSS/Al2O3 NPs)。
实施例8
本实施例中，以氧化铝纳米粒子代替实施例3中的氧化锌纳米粒子制备氧化物纳米粒子层，其余做法与实施例3相同，制得性能相似的光学增透膜(MPOSS@SiO2 NPs)。
实施例9
本实施例中，以氧化硅纳米粒子代替实施例2中的氧化锌纳米粒子制备氧化物纳米粒子层，其余做法与实施例2相同，制得性能相似的光学增透膜(MPOSS/Al2O3 NPs)。
实施例10
本实施例中，以氧化硅纳米粒子代替实施例3中的氧化锌纳米粒子制备氧化物纳米粒子层，其余做法与实施例3相同，制得性能相似的光学增透膜(MPOSS@SiO2 NPs)。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种太阳电池的光学增透膜，其特征在于，包括氧化物纳米粒子膜层和MPOSS膜层，其中氧化物纳米粒子膜层通过氧化物纳米粒子分散液旋涂得到，MPOSS膜层通过八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷、1,6-己二醇二丙烯酸酯和过氧化苯甲酰的混合溶液旋涂后热交联得到；MPOSS膜层与氧化物纳米粒子层能在太阳电池的透明基底背面形成多层结构，且透明基底背面与光学增透膜最底层的氧化物纳米粒子层贴合；所述氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化铝和氧化硅中的至少一种；
以一层氧化物纳米粒子膜层和一层MPOSS膜层为一层组合层，所述光学增透膜为一层组合层或由多层组合层叠加而成；
所述氧化物纳米粒子分散液的浓度为1~100 mg/mL；氧化物纳米粒子粒径为5~500 nm；所述的MPOSS膜层中，原料八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷和1,6-己二醇二丙烯酸酯的物质的量之比为1:0.1到1:100，引发剂过氧化苯甲酰的质量百分比为2 wt%~20 wt%。
2.如权利要求1所述的太阳电池的光学增透膜，其特征在于，所述光学增透膜由1~5层组合层叠加而成。
3.如权利要求1所述的太阳电池的光学增透膜，其特征在于，所述的氧化物纳米粒子分散液的分散剂为醇类溶剂。
4.一种太阳电池的光学增透膜，其特征在于，所述光学增透膜为氧化物纳米粒子与MPOSS共混层，其贴合于太阳电池的透明基底背面；该共混层由八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷、1,6-己二醇二丙烯酸酯、过氧化苯甲酰和氧化物纳米粒子的混合分散溶液旋涂后热交联得到；所述氧化物为氧化锌、氧化钛、氧化铝和氧化硅中的至少一种；
所述氧化物纳米粒子粒径为5~500 nm；所述的MPOSS膜层中，原料八甲基丙烯酸酯基笼状倍半硅氧烷和1,6-己二醇二丙烯酸酯的物质的量之比为1:0.1到1:100，引发剂过氧化苯甲酰的质量百分比为2 wt%~20 wt%。
5.一种太阳电池的透明基底，其特征在于，透明基底背面附有如权利要求1~4任一所述的光学增透膜。
6.如权利要求5所述的太阳电池的透明基底，其特征在于，所述的透明基底为玻璃基底或者塑料透明基底。
7.一种基于如权利要求5所述透明基底构建的太阳电池。
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