CN113130668A - 一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜，其制备方法以及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，包括以下步骤：S1.将水、异丙醇和氢氧化钠混合，形成腐蚀液；将硅片浸泡于所述腐蚀液中进行刻蚀，从而得到具有金字塔结构的硅模板；S2.将PDMS溶液、固化剂和双叔丁基苯甲噻吩混合均匀，涂敷于所述硅模板上；接着将其放入烘箱中烘烤，固化后，将PDMS薄膜剥离，即得到所述具有倒金字塔结构的荧光减反膜。本发明还公开了由上述方法制备的荧光减反膜以及太阳能电池。本发明的荧光减反膜不仅能够降低玻璃表面光线的反射，提高进入电池内部可见光光线的比例，同时能够提高电池的紫外稳定性，而且赋予玻璃表面自清洁功能，降低电池运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜，其制备方法以及太阳能电池。
背景技术
太阳能电池的转换效率与电池的光利用能力密切相关。提高太阳能电池的转换效率需要优化设计电池的光吸收。对于玻璃封装的硅太阳能电池或新型的光伏器件-钙钛矿太阳能电池，光线从空气入射到透明导电玻璃表面。玻璃的折射率为1.5左右，空气折射率为1，光线从空气入射到玻璃表面，由于折射率的不同，在空气-玻璃界面存在光的反射，有一部分光线被反射回空气，无法进入电池。因此有必要在玻璃表面引入一层光学减反膜，降低光线在表面的损失，提高电池对光的利用。另一个值得关注的问题是，玻璃表面亲水性良好，表面沉积的灰尘等杂物不易被雨水冲走，会影响光线的透射。光伏电池在实际运行时，需定期清理玻璃表面的异物，这会增加额外的运营成本。如果将玻璃表面变成疏水界面，使得玻璃表面获得自清洁功能，灰尘等杂物容易在雨水的作用下被带走。太阳光中的紫外线具有很高的能量，紫外线进入电池后容易破坏太阳能电池中功能层的活性，从而降低电池的效率和稳定性。因此降低紫外线进入电池的比例，是有效提升太阳能电池的解决方法。
目前，应用在玻璃上最为经典的减反膜材料是氟化镁。在玻璃表面生长氟化镁减反膜，可以通过磁控溅射等方法实现。但是采用氟化镁薄膜作为减反膜，存在以下缺陷：(1)氟化镁薄膜充当减反膜，利用的是光的相消干涉原理。薄膜厚度一定时，对某一特定范围波长具有减反效果。紫外线和可见光波长相差较大，无法同时获得较好的减反效果。(2)氟化镁薄膜的沉积一般通过磁控溅射实现，磁控溅射等仪器较为昂贵，工作时能量消耗较高，因此镀膜成本较高。另外，受限于仪器的尺寸，无法进行大尺寸面积的镀膜，从而限制了其大规模应用。(3)氟化镁薄膜本身不具备较好的疏水性，无法实现自清洁功能。
太阳能电池在长时间工作及测试时，一般在电池表面加上一块光学滤光片，阻挡紫外线进入电池。但是紫外光占据太阳光光谱的一部分，完全过滤紫外线将降低太阳能电池对光的利用，从而不利于获得高效率的太阳能电池。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜，该荧光减反膜不仅能够降低玻璃表面光线反射，提高进入电池内部可见光光线的比例，同时能够提高电池的紫外稳定性，而且赋予玻璃表面自清洁功能，降低电池运营成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明第一方面提供了一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水、异丙醇和氢氧化钠混合，形成腐蚀液；将硅片浸泡于所述腐蚀液中进行刻蚀，从而得到具有金字塔结构的硅模板；
S2.将PDMS溶液、固化剂和双叔丁基苯甲噻吩(简称BBOT)混合均匀，涂敷于所述硅模板上；接着将其放入烘箱中烘烤，固化后，将PDMS薄膜剥离，即得到所述具有倒金字塔结构的荧光减反膜。
进一步地，步骤S1中，所述水、异丙醇和氢氧化钠的比例为40-50:1-5:1-5。
进一步地，步骤S1中，所述硅片进行刻蚀的温度为25-100℃，刻蚀时间为0-40分钟。
进一步地，步骤S1中，刻蚀完成后，利用稀盐酸和去离子水冲洗硅片，并吹干。
进一步地，步骤S2中，PDMS溶液和固化剂的质量比为10:1，BBOT的质量分数在0.05wt％-2wt％之间。
进一步地，步骤S2中，烘烤的温度为50-150℃，烘烤时间为2-20分钟。
本发明第二方面提供了所述的方法制备得到的具有倒金字塔结构的荧光减反膜。
本发明第三方面提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池的玻璃表面上粘贴有第二方面所述的具有倒金字塔结构的荧光减反膜。
进一步地，所述太阳能电池为硅太阳能电池或钙钛矿太阳能电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.碱刻蚀后的硅片具有金字塔结构，本发明将其作为硬模板，将PDMS薄膜涂在刻蚀后的硅模板上，获得具有倒金字塔结构的薄膜，这种制备方法简单经济。
2.本发明的荧光减反膜有效降低玻璃表面光线反射，提高太阳能电池对可见光的利用。
3.本发明的荧光减反膜能够吸收太阳光中的紫外线，将其转换成可见光，提高太阳能电池对紫外光的稳定性。
4.本发明的荧光减反膜粘贴于太阳能电池上时，能够赋予太阳能电池表面一定的疏水性和自清洁功能。
附图说明
图1是硅模板的制备过程示意图。
图2是具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备过程示意图。
图3是在ITO导电玻璃上粘贴本发明的荧光减反膜前后的透过率；
图4是在FTO导电玻璃上粘贴本发明的荧光减反膜前后的透过率；
图5是本发明的荧光减反膜的吸收光谱图和荧光发射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例提供了一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜，其制备方法如下：
1)将水，异丙醇和氢氧化钠以的质量比均匀混合，形成腐蚀液。将硅片浸泡在腐蚀液中，反应时间10分钟，反应温度为60℃。刻蚀完成后，利用1:100体积比的稀盐酸和去离子水冲洗硅片，吹干，从而获得具有金字塔结构的硅模板。
2)将PDMS溶液、固化剂和BBOT混合均匀，其中PDMS溶液和固化剂的质量比为10:1，BBOT的质量分数在0.05wt％-2wt％之间。将混合溶液涂覆在硅模板上面，放入烘箱中，在100℃的条件下，加热5分钟。固化后，将PDMS薄膜剥离，即可得到具有倒金字塔结构的荧光减反膜。
实施例2
将实施例1制备的荧光减反膜分别粘贴于ITO导电玻璃和FTO导电玻璃上，ITO导电玻璃和FTO导电玻璃的厚度分别为1mm和2.2mm。测试玻璃的透射率，结果如图3-4所示。从图中可以看出，对于这两种玻璃，实施例1的具有倒金字塔结构的荧光减反膜都能较大幅度增加可见光波段的透射率，透射率的绝对增幅达到5％。如图5所示，荧光减反膜在紫外波段呈现出很强的宽带吸收特性，荧光发射位于可见光波段。
实施例3
1.制备基于ITO玻璃的平面结构钙钛矿太阳能电池
1)清洗ITO导电玻璃：将导电玻璃放在超声波清洗仪中依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗15min，用N2气吹干。
2)对ITO玻璃表面进行紫外-臭氧处理，提高表面亲水性。
3)在ITO表面旋涂一层厚度约为30nm的SnO2薄膜作为电子传输层，150℃加热30min后，再次进行紫外-臭氧处理，提高表面亲水性。
4)在ITO/SnO2薄膜上沉积一层钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜的厚度约为500nm，禁带宽度约为1.56eV，吸光范围为300-800nm。使用反溶剂法制备钙钛矿薄膜，其中氯苯作为反溶剂。
5)在钙钛矿薄膜上旋涂一层厚度为200nm的Spiro-OMeTAD作为空穴传输层。
6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Ag作为金属电极。
2.将实施例1制备的荧光减反膜粘贴在上述基于ITO玻璃的平面结构钙钛矿太阳能电池上，结果显示，电池的光电转换效率不会降低，紫外稳定性增加。
实施例4
1.制备基于FTO玻璃的平面结构钙钛矿太阳能电池
1)清洗FTO导电玻璃：将导电玻璃放在超声波清洗仪中依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗15min，用N2气吹干。
2)对FTO玻璃表面进行紫外-臭氧处理，提高表面亲水性。
3)在FTO表面旋涂一层厚度约为30nm的TiO2薄膜作为电子传输层，450℃加热30min后，在TiO2表面旋涂一层厚度约为30nm的SnO2薄膜，150℃加热30min后，再次进行紫外-臭氧处理，提高表面亲水性。以该双层TiO2/SnO2作为电子传输层。
4)在FTO/TiO2/SnO2薄膜上沉积一层钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜的厚度约为500nm，禁带宽度约为1.56eV，吸光范围为300-800nm。使用反溶剂法制备钙钛矿薄膜，其中氯苯作为反溶剂。
5)在钙钛矿薄膜上旋涂一层厚度为200nm的Spiro-OMeTAD作为空穴传输层。
6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Ag作为金属电极。
2.将实施例1制备的荧光减反膜粘贴在上述基于FTO玻璃的平面结构钙钛矿太阳能电池上，结果显示，电池的光电转换效率不会降低，紫外稳定性增加。
实施例5
1.制备基于FTO玻璃的介孔结构钙钛矿太阳能电池
1)清洗FTO导电玻璃：将导电玻璃放在超声波清洗仪中依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗15min，用N2气吹干。
2)对FTO玻璃表面进行紫外-臭氧处理，提高表面亲水性。
3)在FTO表面旋涂一层厚度约为30nm的TiO2薄膜作为电子传输层，450℃加热30min后，在TiO2表面旋涂一层厚度约为150nm的TiO2纳米颗粒薄膜，500℃下加热30min后，再次进行紫外-臭氧处理，提高表面亲水性。以该平面TiO2/介孔TiO2复合结构作为电子传输层。
4)在FTO/复合结构TiO2薄膜上沉积一层钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜的厚度约为500nm，禁带宽度约为1.56eV，吸光范围为300-800nm。使用反溶剂法制备钙钛矿薄膜，其中氯苯作为反溶剂。
5)在钙钛矿薄膜上旋涂一层厚度为200nm的Spiro-OMeTAD作为空穴传输层。
6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Ag作为金属电极。
2.将实施例1制备的荧光减反膜粘贴在上述基于FTO玻璃的介孔结构钙钛矿太阳能电池上，结果显示，电池的光电转换效率不会降低，紫外稳定性增加。
实施例6
1.制备基于ITO玻璃的反型结构钙钛矿太阳能电池
1)清洗ITO导电玻璃：将导电玻璃放在超声波清洗仪中依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗15min，用N2气吹干。
2)对ITO玻璃表面进行紫外-臭氧处理，提高表面亲水性。
3)在ITO表面旋涂一层厚度约为10nm的PTAA薄膜作为空穴传输层，100℃加热10min。
4)在ITO/PTTA薄膜上沉积一层钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜的厚度约为500nm，禁带宽度约为1.56eV，吸光范围为300-800nm。使用反溶剂法制备钙钛矿薄膜，其中氯苯作为反溶剂。
5)在钙钛矿薄膜上旋涂一层厚度为200nm的PCBM作为电子传输层。
6)在电子传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Ag作为金属电极。
2.将实施例1制备的荧光减反膜粘贴在上述基于ITO玻璃的反型结构钙钛矿太阳能电池上，结果显示，电池的光电转换效率不会降低，紫外稳定性增加。
实施例7
将实施例1制备的荧光减反膜粘贴在玻璃封装的晶体硅太阳能电池上，结果显示，电池的光电转换效率不会降低，紫外稳定性增加。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将水、异丙醇和氢氧化钠混合，形成腐蚀液；将硅片浸泡于所述腐蚀液中进行刻蚀，从而得到具有金字塔结构的硅模板；
S2.将PDMS溶液、固化剂和双叔丁基苯甲噻吩混合均匀，涂敷于所述硅模板上；接着将其放入烘箱中烘烤，固化后，将PDMS薄膜剥离，即得到所述具有倒金字塔结构的荧光减反膜。
2.根据权利要求1所述的一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述水、异丙醇和氢氧化钠的质量比为40-50:1-5:1-5。
3.根据权利要求1所述的一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述硅片进行刻蚀的温度为25-100℃，刻蚀时间为0-40分钟。
4.根据权利要求1所述的一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，刻蚀完成后，利用稀盐酸和去离子水冲洗硅片，并吹干。
5.根据权利要求1所述的一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，PDMS溶液和固化剂的质量比为10:1，双叔丁基苯甲噻吩的质量分数为0.05wt％-2wt％。
6.根据权利要求1所述的一种具有倒金字塔结构的荧光减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，烘烤的温度为50-150℃，烘烤时间为2-20分钟。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的具有倒金字塔结构的荧光减反膜。
8.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池的玻璃表面上粘贴有权利要求7所述的具有倒金字塔结构的荧光减反膜。
9.根据权利要求8所述的一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池为硅太阳能电池或钙钛矿太阳能电池。
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| CN113809238A (zh) * | 2021-08-24 | 2021-12-17 | 杭州电子科技大学 | 一种提高钙钛矿电池转换效率的方法 |
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