CN115799372A - 一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，涉及一种太阳能电池冷却薄膜的制备方法。本发明是要解决目前太阳能电池主动冷却方式结构复杂、能耗大、维护成本高和投资成本高的技术问题。由于SiO2是一种具有很高红外发射率的材料，而P型单面抛光硅的光学特性与晶硅太阳能电池核心组件的光学特性是相似的，因此，为了将辐射制冷与太阳能电池的光伏转化效应两种物理过程集中到同一装置，本发明将上述两种材料有效的响应波段耦合到同一装置中来实现两种效应的有机结合。本发明制备的被动式的太阳能电池冷却器件大气窗口平均红外发射率能达到0.78；本发明制备的被动式的太阳能电池冷却器具有4℃的平均降温能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池冷却薄膜的制备方法。
背景技术
光伏组件利用光电转换半导体直接将吸收的阳光转化为电能，也被称为太阳能电池。为了促进光伏部署，需要进一步提高光伏转换效率和降低成本。聚光光伏(CPV)是一种利用便宜的聚光光学技术将太阳光集中到更小的多结电池上，从而降低多结电池成本的技术。提高效率和改善使用寿命是进一步降低成本的关键问题。虽然太阳能电池吸收大部分入射阳光，但吸收的阳光中只有一部分转化为电能(约20％～40％)，其它能量转化为热能等，导致模块组件被加热，电池运行温度升高，从而降低整个太阳电池系统稳定性及光电转换效率。例如，在硅太阳能电池中，电池温度每升高1℃，电池光电转化效率衰减约0.45％，而光伏组件的工作温度每升高10℃，其电池系统老化率则会提升1倍。在硅太阳能电池的实际应用过程中，由于其多余光能转化为热量，其电池组件温度上升50℃～100℃，这种温度的升高对于光伏组件的转换效率和可靠性有不利影响。因此，开展有效的光伏组件冷却方法对于提高长期发电性能和系统稳定性至关重要。公开号为CN202564421U、CN102544169B、CN213816176U等一系列的专利文献公开了水冷却和热管冷却等主动冷却方式，这些冷却方法虽然都实现太阳能电池温度的控制，但是需要添加一个额外的冷却系统，导致电池整体结构复杂、能耗大、维护成本及投资成本高，难以满足低成本、结构简单、无能耗的需求。因此，开发利用其它形式的绿色制冷技术意义重大。在众多的冷却方法中，辐射制冷不需要复杂的机制和能源消耗，是最具效益的冷却方法之一，具有潜在成本优势。因此，采用辐射制冷的办法来降低和控制太阳能电池的工作温度比传统的热管理系统更轻便、简洁和高效。
发明内容
本发明是要解决目前太阳能电池主动冷却方式结构复杂、能耗大、维护成本高和投资成本高的技术问题，而提供一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法。
本发明的被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法是按以下步骤进行的：
一、清洗基底：
①、对P型单面抛光硅基底进行超声清洗，取出后干燥；
②、将干燥后的P型单面抛光硅基底转移至等离子体表面处理仪中进行等离子体处理，得到亲水化的P型单面抛光硅片；
二、制备聚苯乙烯球混合溶液：
①、将高浓度的聚苯乙烯球溶液进行高速离心，去除上层离心液，得到下层沉淀物质；所述的高浓度的聚苯乙烯球溶液中聚苯乙烯球的质量分数为50％～70％；
②、将下层沉淀物质溶于无水乙醇和去离子水等体积比的混合溶液中，得到质量分数为10％～50％的聚苯乙烯球混合溶液；
三、自组装技术构筑单层聚苯乙烯球单层模板：
在洁净室中，向干净的培养皿中加入超纯水，再将步骤一制备的亲水化的P型单面抛光硅片倾斜放置到培养皿中，亲水化的P型单面抛光硅片一端搭在培养皿的侧壁上，一边搭在培养皿的内腔底面上，将步骤二制备的质量分数为10％～50％的聚苯乙烯球混合溶液匀速滴加到P型单面抛光硅片上，聚苯乙烯球混合溶液沿着P型单面抛光硅片滑落到培养皿的超纯水中，在水面自组装成膜后静置，最后用亲水化的P型单面抛光硅片将成膜的聚苯乙烯球从超纯水中捞出，自然晾干，得到表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片；
四、刻蚀：
将表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片转移至刻蚀机腔体内，在真空条件下，将CHF3、SF6和O2三种气体一起充入到刻蚀机腔体内，在ICP射频功率RF1为50W～150W、ICP射频功率RF2为50W～150W和刻蚀压强为50mtorr～150mtorr的条件下进行刻蚀，得到刻蚀后的样品；
五、真空镀膜：
对步骤四中刻蚀后的样品进行洗涤和干燥，得到具有微结构的P型单面抛光硅基底；将具有微结构的P型单面抛光硅基底移入真空蒸镀设备中，使P型单面抛光硅基底有微结构的一面正对蒸发舟，以SiO2颗粒为真空镀料，在P型单面抛光硅基底有微结构的一面上蒸镀SiO2薄膜，得到被动式的太阳能电池冷却器件。
由于SiO2是一种具有很高红外发射率的材料，而P型单面抛光硅的光学特性与晶硅太阳能电池核心组件的光学特性是相似的，因此，为了将辐射制冷与太阳能电池的光伏转化效应两种物理过程集中到同一装置，本发明将上述两种材料有效的响应波段耦合到同一装置中来实现两种效应的有机结合。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
一、本发明的工艺简单；
二、本发明使用原料主要为P型单面抛光硅片、SiO2和聚苯乙烯微球，原料丰富易得；
三、本发明制备的被动式的太阳能电池冷却器件大气窗口(8μm～13μm)平均红外发射率能达到0.78；
四、本发明制备的被动式的太阳能电池冷却器件可见太阳光波段(0.38μm～0.76μm)反射率从50％变化到10％；
五、本发明制备的被动式的太阳能电池冷却器具有4℃的平均降温能力；
六、本发明制备的被动式的太阳能电池冷却器件表面微结构高度为0.5μm～1.5μm；
七、本发明制备的被动式的太阳能电池冷却器件微结构表面的周期为0.4μm～2μm(也就是两个微锥中心的距离)。
附图说明
图1为试验一的步骤三得到的表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片平面的SEM图；
图2为试验一的步骤四得到的刻蚀后的P型单面抛光硅基底截面的SEM图；
图3为试验一放入步骤五制备的被动式的太阳能电池冷却器件截面的SEM图；
图4为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅的实物照片对比图；
图5为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅的紫外-可见-近红外反射光谱对比图；
图6为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅的红外发射率(8～13μm)光谱对比图；
图7为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和试验一的步骤四中刻蚀后的样品的降温效果对比图；
图8为试验一的步骤三中将步骤一制备的亲水化的P型单面抛光硅片倾斜放置到培养皿中的示意图，1为亲水化的P型单面抛光硅片，2为培养皿。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、清洗基底：
①、对P型单面抛光硅基底进行超声清洗，取出后干燥；
②、将干燥后的P型单面抛光硅基底转移至等离子体表面处理仪中进行等离子体处理，得到亲水化的P型单面抛光硅片；
二、制备聚苯乙烯球混合溶液：
①、将高浓度的聚苯乙烯球溶液进行高速离心，去除上层离心液，得到下层沉淀物质；所述的高浓度的聚苯乙烯球溶液中聚苯乙烯球的质量分数为50％～70％；
②、将下层沉淀物质溶于无水乙醇和去离子水等体积比的混合溶液中，得到质量分数为10％～50％的聚苯乙烯球混合溶液；
三、自组装技术构筑单层聚苯乙烯球单层模板：
在洁净室中，向干净的培养皿中加入超纯水，再将步骤一制备的亲水化的P型单面抛光硅片倾斜放置到培养皿中，亲水化的P型单面抛光硅片一端搭在培养皿的侧壁上，一边搭在培养皿的内腔底面上，将步骤二制备的质量分数为10％～50％的聚苯乙烯球混合溶液匀速滴加到P型单面抛光硅片上，聚苯乙烯球混合溶液沿着P型单面抛光硅片滑落到培养皿的超纯水中，在水面自组装成膜后静置，最后用亲水化的P型单面抛光硅片将成膜的聚苯乙烯球从超纯水中捞出，自然晾干，得到表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片；
四、刻蚀：
将表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片转移至刻蚀机腔体内，在真空条件下，将CHF3、SF6和O2三种气体一起充入到刻蚀机腔体内，在ICP射频功率RF1为50W～150W、ICP射频功率RF2为50W～150W和刻蚀压强为50mtorr～150mtorr的条件下进行刻蚀，得到刻蚀后的样品；
五、真空镀膜：
对步骤四中刻蚀后的样品进行洗涤和干燥，得到具有微结构的P型单面抛光硅基底；将具有微结构的P型单面抛光硅基底移入真空蒸镀设备中，使P型单面抛光硅基底有微结构的一面正对蒸发舟，以SiO2颗粒为真空镀料，在P型单面抛光硅基底有微结构的一面上蒸镀SiO2薄膜，得到被动式的太阳能电池冷却器件。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的P型单面抛光硅基底的电阻为1Ω～10Ω。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一①中依次以丙酮、无水乙醇和超纯水为溶剂对P型单面抛光硅基底进行超声清洗，各自的超声清洗时间均为5min～20min，取出后使用高纯氩气吹干，。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一②中所述的等离子体处理的时间为5min～20min。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二①中离心速度为8000r/min，时间为5min～20min。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤三中聚苯乙烯球混合溶液匀速滴加到硅片上的注入速度为0.2mL/min～1mL/min。其他与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤四中所述的刻蚀的时间为5min～30min。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤四中CHF3、SF6和O2的流率比为(5～60):(5～30):(5～20)；CHF3的流率为5sccm～60sccm。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤五中所述的蒸镀的速度为0.1nm/s～1nm/s。其他与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤五中在P型单面抛光硅基底有微结构的一面上蒸镀SiO2薄膜的厚度为0.1μm～2μm。其他与具体实施方式九相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、清洗基底：
①、依次以丙酮、无水乙醇和超纯水为溶剂对P型单面抛光硅基底进行超声清洗，各自的超声清洗时间均为15min，取出后使用高纯氩气吹干；所述的P型单面抛光硅基底的电阻为1Ω～10Ω；
②、将干燥后的P型单面抛光硅基底转移至等离子体表面处理仪中进行等离子体处理10min，得到亲水化的P型单面抛光硅片；
二、制备聚苯乙烯球混合溶液：
①、将高浓度的聚苯乙烯球溶液进行高速离心，去除上层离心液，得到下层沉淀物质；所述的高浓度的聚苯乙烯球溶液中聚苯乙烯球的质量分数为60％；步骤二①中离心速度为8000r/min，时间为10min；
②、将下层沉淀物质溶于无水乙醇和去离子水等体积比的混合溶液中，得到质量分数为15％的聚苯乙烯球混合溶液；
三、自组装技术构筑单层聚苯乙烯球单层模板：
在洁净室中，向干净的培养皿中加入超纯水，再将步骤一制备的亲水化的P型单面抛光硅片倾斜放置到培养皿中，亲水化的P型单面抛光硅片一端搭在培养皿的侧壁上，一边搭在培养皿的内腔底面上，将步骤二制备的质量分数为15％的聚苯乙烯球混合溶液匀速滴加到P型单面抛光硅片上，注入速度为0.3mL/min，聚苯乙烯球混合溶液沿着P型单面抛光硅片滑落到培养皿的超纯水中，在水面自组装成膜后静置，最后用亲水化的P型单面抛光硅片将成膜的聚苯乙烯球从超纯水中捞出，自然晾干，得到表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片；
四、刻蚀：
将表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片转移至刻蚀机腔体内，在真空条件下，将CHF3、SF6和O2三种气体一起充入到刻蚀机腔体内，在ICP射频功率RF1为80W、ICP射频功率RF2为120W和刻蚀压强为100mtorr的条件下进行刻蚀15min，得到刻蚀后的样品；所述的CHF3、SF6和O2的流率比为20:20:10；CHF3的流率为40sccm；
五、真空镀膜：
对步骤四中刻蚀后的样品进行洗涤和干燥，得到具有微结构的P型单面抛光硅基底；将具有微结构的P型单面抛光硅基底移入真空蒸镀设备中，使P型单面抛光硅基底有微结构的一面正对蒸发舟，以SiO2颗粒为真空镀料，在P型单面抛光硅基底有微结构的一面上蒸镀SiO2薄膜，SiO2薄膜的厚度为0.4μm，得到被动式的太阳能电池冷却器件；
所述的蒸镀的速度为0.5nm/s。
图1为试验一的步骤三得到的表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片平面的SEM图，可以看出PS微球的直径约为400nm。
图2为试验一的步骤四得到的刻蚀后的P型单面抛光硅基底截面的SEM图，可以看出微锥结构高度大约为1μm，周期大约为0.4μm。
图3为试验一放入步骤五制备的被动式的太阳能电池冷却器件截面的SEM图，可以看出微锥结构高度大约为1μm，周期大约为0.5μm。
图4为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅的实物照片对比图，能够发现本试验制备的P型单面抛光硅呈现黑色，展现了其在可见光具有高吸收的潜力。
图5为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅的紫外-可见-近红外反射光谱对比图，曲线1为未经任何处理的P型单面抛光硅，曲线2为被动式的太阳能电池冷却器件，通过计算可知被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅在0.3μm～0.78μm波段平均反射率分别为10％和50％。
图6为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅的红外发射率(8～13μm)光谱对比图，曲线1为被动式的太阳能电池冷却器件，曲线2为未经任何处理的P型单面抛光硅，通过计算可知被动式的太阳能电池冷却器件和步骤一中未经任何处理的P型单面抛光硅在8μm～13μm波段平均发射率分别为0.78和0.3。
图7为试验一得到的被动式的太阳能电池冷却器件和试验一的步骤四中刻蚀后的样品的降温效果对比图，曲线1为被动式的太阳能电池冷却器件，曲线2为试验一的步骤四中刻蚀后的样品，通过对比可得到在被动式的太阳能电池冷却器件与同等条件下的试验一的步骤四中刻蚀后的样品相比具有大约4℃的平均降温能力。
Claims (10)
1.一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法是按以下步骤进行的：
一、清洗基底：
①、对P型单面抛光硅基底进行超声清洗，取出后干燥；
②、将干燥后的P型单面抛光硅基底转移至等离子体表面处理仪中进行等离子体处理，得到亲水化的P型单面抛光硅片；
二、制备聚苯乙烯球混合溶液：
①、将高浓度的聚苯乙烯球溶液进行高速离心，去除上层离心液，得到下层沉淀物质；所述的高浓度的聚苯乙烯球溶液中聚苯乙烯球的质量分数为50％～70％；
②、将下层沉淀物质溶于无水乙醇和去离子水等体积比的混合溶液中，得到质量分数为10％～50％的聚苯乙烯球混合溶液；
三、自组装技术构筑单层聚苯乙烯球单层模板：
在洁净室中，向干净的培养皿中加入超纯水，再将步骤一制备的亲水化的P型单面抛光硅片倾斜放置到培养皿中，亲水化的P型单面抛光硅片一端搭在培养皿的侧壁上，一边搭在培养皿的内腔底面上，将步骤二制备的质量分数为10％～50％的聚苯乙烯球混合溶液匀速滴加到P型单面抛光硅片上，聚苯乙烯球混合溶液沿着P型单面抛光硅片滑落到培养皿的超纯水中，在水面自组装成膜后静置，最后用亲水化的P型单面抛光硅片将成膜的聚苯乙烯球从超纯水中捞出，自然晾干，得到表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片；
四、刻蚀：
将表面带有单层聚苯乙烯球的P型单面抛光硅片转移至刻蚀机腔体内，在真空条件下，将CHF3、SF6和O2三种气体一起充入到刻蚀机腔体内，在ICP射频功率RF1为50W～150W、ICP射频功率RF2为50W～150W和刻蚀压强为50mtorr～150mtorr的条件下进行刻蚀，得到刻蚀后的样品；
五、真空镀膜：
对步骤四中刻蚀后的样品进行洗涤和干燥，得到具有微结构的P型单面抛光硅基底；将具有微结构的P型单面抛光硅基底移入真空蒸镀设备中，使P型单面抛光硅基底有微结构的一面正对蒸发舟，以SiO2颗粒为真空镀料，在P型单面抛光硅基底有微结构的一面上蒸镀SiO2薄膜，得到被动式的太阳能电池冷却器件。
2.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中所述的P型单面抛光硅基底的电阻为1Ω～10Ω。
3.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤一①中依次以丙酮、无水乙醇和超纯水为溶剂对P型单面抛光硅基底进行超声清洗，各自的超声清洗时间均为5min～20min，取出后使用高纯氩气吹干。
4.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的等离子体处理的时间为5min～20min。
5.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤二①中离心速度为8000r/min，时间为5min～20min。
6.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤三中聚苯乙烯球混合溶液匀速滴加到硅片上的注入速度为0.2mL/min～1mL/min。
7.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤四中所述的刻蚀的时间为5min～30min。
8.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤四中CHF3、SF6和O2的流率比为(5～60):(5～30):(5～20)；CHF3的流率为5sccm～60sccm。
9.根据权利要求1所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤五中所述的蒸镀的速度为0.1nm/s～1nm/s。
10.根据权利要求9所述的一种被动式太阳能电池冷却薄膜的制备方法，其特征在于步骤五中在P型单面抛光硅基底有微结构的一面上蒸镀SiO2薄膜的厚度为0.1μm～2μm。
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