CN113257925A - 一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片。现有太阳能电池片散热装置结构复杂，散热效果不理想。本发明在硅太阳能电池片本体底面覆有钝化层，钝化层上覆有对应波长为8～12微米中红外辐射的增透膜。增透膜采用1.33～2.0微米厚度的SiO2层、1.23～1.84微米厚度的Al2O3层、1.03～1.54微米厚度的HfO2层、1.01～1.52微米厚度的Si3N4层、0.85～1.28微米厚度的TiO2层的一种或多种。本发明结构简单，增透膜附着力高，总厚度薄，可与硅太阳能电池现有的钝化层有机融合，无需消耗额外的电能即可有效减低硅太阳能电池片的使用温度。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片。
背景技术
目前硅太阳能电池片的光电转换效率在22-23％左右，要继续提升困难重重，即使0.1％的提升也可视为很大的技术进步。制约硅电池片效率进一步提升的主要原因在于硅材料的间接能带结构及偏小的禁带宽度，导致70％以上的太阳辐射能被电池片吸收后没有转换成电能，而是转换成了热能。因此，硅太阳能电池片在有光照时其工作温度会升高，特别是在炎热的夏天，太阳能电池片的温度可以上升到70℃，甚至更高。电池片的工作温度升高会引起太阳能电池光电转换效率的降低。研究发现，单晶硅电池片的工作温度每升高1度，其相对光电转换效率就会下降0.45％。假如电池片工作温度比周边环境温度高出30度，则相对光电转换效率就会下降13.5％，换算成绝对转换效率大概为3％左右，这是一个巨大的效率损失。因此，如何降低电池片工作时的温度势必成为硅晶体太阳能电池今后研究的一个重要方向。
为此，研究人员提出了通过风冷或水冷等强制制冷方式降低太阳能电池组件的工作温度以提高电池片的光电转换效率。但是强制风冷或者水流需要额外消耗一定的电能，影响组件的整体转换效率，而且因有风机、水泵等机械部件的运转产生噪声。另外，强制水冷虽然效果好，但是需要用低温水源，而太阳能发电站往往位于日光充足但是缺水的地区。虽然可以对出水进行冷却后循环利用以节约水源，但是这样需要额外消耗电能，因此也会影响电池组件的整体转换效率。
除了风冷和水冷方式，研究人员还提出了其他太阳能电池冷却散热方式，例如利用相变材料进行冷却，利用热电效应进行冷却等，但是这些方式的实用性和经济性并不值得推广。
近年来，研究人员提出了几种通过红外辐射散热降低太阳能电池工作温度的设想，即通过提升太阳能电池片本身的散热能力实现降低电池片工作温度的目的。一般而言，硅晶体电池片工作时的温度在0-80℃范围内，对应空气中的波长范围为8-12微米。由于硅晶体在这个波段的相对折射率较高，因此电池片的红外热辐射在Si/空气界面的反射率高达30％左右，导致电池片散热不畅而温度升高。因此降低8-12微米波段红外热辐射在Si/空气界面的反射率，使得有更多的热量通过热辐射散发出去，以此降低电池片的工作温度，到达提升电池片转换效率的目的。
相比于风冷和水冷等强制制冷方式，红外辐射散热无需消耗额外的电能，也没有机械噪声产生，只是将电池片的热量通过红外热辐射的方式释放到环境中，以降低电池片工作温度的方法提升转换效率。
有人分析了太阳能电池的辐射散热理论，提出了光栅、金字塔和圆顶三种2维周期性微结构辐射体以提升红外辐射散热能力。这种在电池片的正面制作的周期性结构，虽然可以提升红外辐射效率，但可能会影响到可见光波段的吸收，而且影响到正面电极的制作。申请号为CN202010943621.9的发明专利提出了一种辐射制冷太阳能电池组件，但是该发明申请中各种膜层也构建在电池片正面，同样会影响到正面对太阳光的吸收，而且所使用的材料氟化镁与硅太阳能电池工艺兼容性差，且过多的膜层导致总厚度过大容易引起正面龟裂，导致正面电极断裂而影响电池片的效率。申请号为201510344236.1的发明专利申请提出了一种以黑色散热涂料涂敷于组件成品或半成品中的背板上，经固化而在背板外侧形成高散热层，但是涂层不是直接涂敷在电池片背面。专利号为201611149318.1的发明专利提出了一种高散热型太阳能电池背板和组件及其背板的制备方法，其中涂层为含碳纳米管和/或石墨烯的功能含氟涂层。这些方法的对象是组件的成品或半成品，体积和重量都比较大，操作不便，不利于大规模的连续化生产，而且涂层与背板之间的粘结不牢固，涂层有脱落的风险。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，通过在电池片背面增设中红外辐射增透膜，有效减低硅太阳能电池片的使用温度。
本发明包括硅太阳能电池片本体，硅太阳能电池片本体底面覆有钝化层，钝化层上覆有对应波长为8～12微米中红外辐射的增透膜。
进一步，所述的增透膜为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层。
进一步，所述的增透膜为厚度在1.23～1.84微米之间的Al2O3层。
进一步，所述的增透膜为厚度在1.03～1.54微米之间的HfO2层。
进一步，所述的增透膜为厚度在1.01～1.52微米之间的Si3N4层。
进一步，所述的增透膜为厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层。
进一步，所述的增透膜为双层结构，其中一层为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层，另一层为厚度在1.01～1.52微米之间的Si3N4层。
进一步，所述的增透膜为双层结构，其中一层为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层，另一层为厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层。
进一步，所述的增透膜为双层结构，其中一层为厚度在1.23～1.84微米之间的Al2O3层，另一层为厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层。
进一步，所述的增透膜为多层结构，为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层、厚度在1.23～1.84微米之间的Al2O3层、厚度在1.03～1.54微米之间的HfO2层、厚度在1.01～1.52微米之间的Si3N4层、厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层中任意3～5层的组合。
根据光学干涉理论，利用介质膜可以构建出对特定波长增透的结构，特别是对于单层膜，增透膜的厚度等于光波在薄膜内的波长的1/4。假如红外辐射在空气中的波长为λ，薄膜的折射率为n，则增透膜的厚度应等于λ/4n。目前的硅太阳能电池片为了减小背面载流子复合，提高电池片工作效率，背面一般都有Al2O3、Si3N4和SiO2等薄膜构成的钝化层。但是，目前钝化层的总厚度大约为0.1微米，与8～12微米的中红外波长相比很小，因此不会对中红外产生明显的增透效应。本发明在硅太阳能电池片背面钝化膜的基础上增置厚度等于λ/4n的红外辐射增透膜，使硅太阳能电池片内部产生的热量以红外辐射的形式通过增透膜有效散发，可以有效降低硅太阳能电池片的工作温度。这种设计不影响电池片正面结构和功能，无需消耗额外的电能，也没有强制制冷产生的噪音，而且可以和电池片背面的钝化层有很好的兼容性。
本发明提出的背面红外增透散热硅太阳能电池片具有以下有益效果：
1.增透膜为单层、双层或多层膜结构，结构简单，总厚度薄，附着力高；
2.采用的材料为硅工艺中常用的SiO2、Al2O3、HfO2、Si3N4和TiO2材料，技术成熟，而且可与硅太阳能电池现有的Si3N4/Al2O3钝化层有机融合；
3.在电池片背面制作红外增透散热膜，完全不影响电池片的正面结构和功能；
4.无需消耗额外的电能，也没有强制制冷产生的噪音。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，包括硅太阳能电池片本体1，硅太阳能电池片本体1的底面覆有钝化层2，钝化层2上覆有对应波长为8～12微米中红外辐射的增透膜3。
以下实施中，选取与硅电池片背面工艺兼容的材料SiO2、Al2O3、HfO2、Si3N4和TiO2进行说明。
1.增透膜采用SiO2层。取SiO2折射率n＝1.5，则8微米波长对应的SiO2增透膜的厚度为
12微米波长对应的SiO2增透膜的厚度为
因此，SiO2增透膜的厚度在1.33～2.0微米之间。本实施例中，SiO2增透膜的厚度取中间值1.7微米。
2.增透膜采用Al2O3层。取Al2O3折射率n＝1.63，则8微米波长对应的Al2O3增透膜的厚度为
12微米波长对应的Al2O3增透膜的厚度为
因此，Al2O3增透膜的厚度在1.23～1.84微米之间。本实施例中，Al2O3增透膜的厚度取中间值1.5微米。
3.增透膜采用HfO2层，取HfO2折射率n＝1.95，则8微米波长对应的HfO2增透膜的厚度为
12微米波长对应的HfO2增透膜的厚度为
因此，HfO2增透膜的厚度在1.03～1.54微米之间。本实施例中，HfO2增透膜的厚度取中间值1.3微米。
4.增透膜采用Si3N4层，取Si3N4折射率n＝1.98，则8微米波长对应的Si3N4增透膜的厚度为
12微米波长对应的Si3N4增透膜的厚度为
因此，Si3N4增透膜的厚度应在1.01～1.52微米之间。本实施例中，Si3N4增透膜的厚度取中间值1.2微米。
5.增透膜采用TiO2层，取TiO2折射率n＝2.35，则8微米波长对应的TiO2增透膜的厚度为
电池片微米，12微米波长对应的TiO2增透膜的厚度为
因此，TiO2增透膜的厚度应在0.85～1.28微米之间。本实施例中，TiO2增透膜的厚度取中间值1.1微米。
增透膜也可采用双层增透膜结构，两层的折射率要求有较大的差值。
6.增透膜采用双层增透膜结构，其中一层为厚度是1.33～1.67微米的SiO2层，对波长8～10微米的红外辐射增透，另一层为厚度是1.26～1.52微米的Si3N4层，对波长10～12微米的红外辐射增透。本实施例中，采用厚度1.5微米的SiO2层和厚度1.5微米的Si3N4层的双层结构。
7.增透膜采用双层增透膜结构，其中一层为厚度是1.01～1.25微米的Si3N4层，对波长8～10微米的红外辐射增透，另一层为厚度是1.68～2微米的SiO2层，对波长10～12微米的红外辐射增透。本实施例中，采用厚度1.2微米的Si3N4层和厚度1.8微米的SiO2层的双层结构。
8.增透膜采用双层增透膜结构，其中一层为厚度是1.33～1.67微米的SiO2层，对波长8～10微米的红外辐射增透，另一层为厚度是1.06～1.28微米的TiO2层，对波长10～12微米的红外辐射增透。本实施例中，采用厚度1.5微米的SiO2层和厚度1.2微米的TiO2层的双层结构。
9.增透膜采用双层增透膜结构，其中一层为厚度是0.85～1.05微米的TiO2层，对波长8～10微米的红外辐射增透，另一层为厚度是1.68～2微米的SiO2层，对波长10～12微米的红外辐射增透。本实施例中，采用厚度1.1微米的TiO2层和厚度1.9微米的SiO2层的双层结构。
10.增透膜采用双层增透膜结构，其中一层为厚度是1.23～1.53微米的Al2O3层，对波长8～10微米的红外辐射增透，另一层为厚度是1.06～1.28微米的TiO2层，对波长10～12微米的红外辐射增透。本实施例中，采用厚度1.3微米的Al2O3层和厚度1.1微米的TiO2层的双层结构。
11.增透膜采用双层增透膜结构，其中一层为厚度是0.85～1.05微米的TiO2层，对波长8～10微米的红外辐射增透，另一层为厚度是1.54～1.84微米的Al2O3层，对波长10～12微米的红外辐射增透。本实施例中，采用厚度1微米的TiO2层和厚度1.8微米的Al2O3层的双层结构。
12.增透膜采用多层增透膜结构，采用实施例1-11中任何方式的进行组合，对整个8～12微米的中红外辐射有较高的增透效果。
Claims (10)
1.一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，包括硅太阳能电池片本体；其特征在于：硅太阳能电池片本体底面覆有钝化层，钝化层上覆有对应波长为8～12微米中红外辐射的增透膜。
2.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层。
3.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为厚度在1.23～1.84微米之间的Al2O3层。
4.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为厚度在1.03～1.54微米之间的HfO2层。
5.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为厚度在1.01～1.52微米之间的Si3N4层。
6.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层。
7.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为双层结构，其中一层为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层，另一层为厚度在1.01～1.52微米之间的Si3N4层。
8.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为双层结构，其中一层为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层，另一层为厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层。
9.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为双层结构，其中一层为厚度在1.23～1.84微米之间的Al2O3层，另一层为厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层。
10.如权利要求1所述的一种利用红外增透散热的硅太阳能电池片，其特征在于：所述的增透膜为多层结构，为厚度在1.33～2.0微米之间的SiO2层、厚度在1.23～1.84微米之间的Al2O3层、厚度在1.03～1.54微米之间的HfO2层、厚度在1.01～1.52微米之间的Si3N4层、厚度在0.85～1.28微米之间的TiO2层中任意3～5层的组合。
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