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毕业设计(论文)文献综述(DOC)

重庆理工大学

文献综述

二级学院光电信息学院

班级112160101

学生姓名陈珊珊学号11216010101

太阳能电池表面减反膜的研究

陈珊珊

摘要

在太阳能电池表面形成一层减反射薄膜是提高太阳能电池的光电转换效率比较可行且降低成本的方法。减反膜能减少太阳电池表面反射,提高电池效率,因此近年来得到了极大的关注。本文结合国内外对太阳能减反膜的研究现状,概括了减反膜的基本原理,叙述了几种目前常用的减反膜的制备方法及其工艺特点,针对目前的研究状况展望太阳能电池减反膜的发展前景。

关键词:减反膜原理制备方法及工艺发展前景

1.引言

随着世界传统能源供应短缺的危机日益严重,太阳能作为“取之不尽、用之不竭”的清洁、可再生能源愈发得到重视,太阳能的开发与利用具有巨大的发展空间和潜力。太阳能电池就是利用太阳能的光电转化效应将太阳能转化为电能,影响电池效率的一个重要因素是电池对入射光的利用率。根据菲涅尔反射原理,在电池表面制备减反射膜,可以减小入射光反射,增加光子有效吸收[1]。如果能够提高太阳能电池及其组件的光利用率,则可以提高太阳能电池组件的发电量,而太阳能电池减反膜能有效地减少光的反射,对提高太阳能电池光电转换效率具有重要意义[2]。减反射膜必须具备较强的耐磨性,才能在长期使用过程中,保持较高的光透过率,获得理想的光电转换效果。目前的研究和应用主要集中在太阳能电池硅表面制备减反膜,降低对光的反射,以及在太阳能电池组件的超白玻璃上镀减反膜,增加太阳光的透过率,从而提高转化效率。

2.太阳电池减反膜的原理及设计策略

减反膜设计的理论基础就是薄膜的干涉[3,4]。如图1a所示,对于理想均匀单层减反膜的n1必须满足以下两条件: (1)n1=(n0n s)1/2,n0和n s分别是空气和基底的折

射率。(2)n1d =λ/4,d是薄膜厚度,λ是入射光波长。对于多层薄膜,它的数学模型有很大差异,如图1b所示。对于玻璃基底(n s= 1.5) ,减反膜材料的n1理论值等于1.22。然而具有如此低折射率的天然材料极少,且获得成本很高。因此,很多研究都从以下两个方面入手: 一是通过制备方法改进获得多孔结构薄膜,多孔薄膜的孔隙率和薄膜折射率的关系为[5]: n P2= (n2-1)(1-P/100)+1,式中n P和n分别是薄膜和块体材料折射率,P是孔隙率。要获得理想折射率,必须控制好孔隙率大小。ACSS 的渗入使孔隙率得到调节,使折射率调节至理想值1.23,从而达到理想减反射效果[5]。通过对旋涂过程参数控制获得的P =27,薄膜折射率降低至 1.352,峰值透过率提高到95%[6]。二是利用多层薄膜原理,采用叠层技术(LBL)制备异质多层膜或同质多层膜。采用 LBL在玻璃基底上制备出具有宽波长减反射性和超双疏性薄膜,由三个不同结构( SiO2纳米颗粒、空心纳米微球和纳米片) 组成,在波长为530nm时透过率最大能达到96.1%[7]。采用水热法得到 TiO2纳米棒结构薄膜,在乙二醇热处理的玻璃基底上覆盖的垂直导向的TiO2纳米棒具有最好的减反性和亲水性,如图2所示,这开拓了一种制备自清洁减反射薄膜的新方法[8]。

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图1 减反膜原理图(a)单层膜(b)双层膜图2三种前驱体溶液下生长的TiO2纳

米棒阵列的微观形态及薄膜水接触角3.太阳电池减反膜的制备工艺

近两个世纪以来,研究人员一直致力于寻找新的方法来增强光透性,消除不必要的反射。同时,高效制造具有耐久性自清洁减反膜的技术在太阳能电池板和玻璃领域的研究得到了越来越多关注。到目前为止,人们主要是在设备表面和基片上制备薄膜,

相应的制备顺序可分为“自下而上”和“自上而下”模式[18]。“下-上”模式通常是用纳米粒子作为基础材料,通过溶胶凝胶法、化学气相沉积法、物理气相沉积法等方法来合成减反膜。“上-下”模式就是在已制备好的薄膜上采用一些带或不带遮罩的刻蚀技术获得不平整结构等。

3.1:溶胶-凝胶法( Sol-gel)

溶胶凝胶法是制备纳米结构材料的特殊工艺,具有许多独特的优点,例如化学均匀性好、纯度高、合成温度低等,而且溶胶凝胶还具有流变特性,可控制孔隙度,可以制备大尺寸及在各种形状不规则的基底上镀膜,因而具有很高的经济价值。特别是Sol-gel制得的SiO2减反膜结构可控、折射率可调、材料易于获取而被广泛应用。近年来很多研究将 Sol-gel 与其他方法结合对该法进行了很多改进。对 TiO2溶胶进行SiO2复合改性,得到了粒径变小粗糙度大的复合薄膜,最终水接触角低至0°,比起未经 SiO2复合的薄膜,复合薄膜展现了更优的自清洁性能[19]。制备了一种中空结构的 SiO2纳米复合材料薄膜,透过率接近于理论值 97.72%,薄膜具有超亲水性和防雾性,可用于实际生产中,特别是用于极端气候及潮湿环境下的户外能量收集器和光学仪器等[5],制备过程如图3所示。

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图3 新型中空纳米薄膜制备示意图

3.2:气相沉积法

化学气相沉积法( CVD) 具有薄膜形成方向性小、致密性好、薄膜纯度高、残余应力小、延展性强、可制备多成分、结晶良好的薄膜,与其它工艺具有良好的相容性等优点。目前工业沉积多种材料应用最广泛的方法PECVD,该方法可以大大降低沉积温度,从而不使基板发生相变或变形,而且成膜质量高。展示了一种直流电弧喷射化学气相沉积工艺,它不需要复杂和昂贵的真空设备,能生产高能等离子体,在大面积低成本技术薄膜沉积方面具有很大潜力,非常适合工业化连续生产线[20]。目前物理气相沉积( PVD) 多采用磁控溅射法,利用不同倾斜角度获得不同结构薄膜,展示了薄膜微观结构从平面到柱状的转变[21]。也有最新一些研究采用电子束物理气相沉积法在聚合物太阳电池上成功制备了超宽带减反膜,相比聚合物电池目前仅用的有毒材料LiF、昂贵材料 MoO3,该研究采用经济性高的 SiO2和 TiO2为材料,使电池效率提高了3.23%,该方法成为聚合物太阳电池阳极蒸镀减反膜的新方法[22]。采用电子束真空镀膜设备制备出具有憎水憎油抗污染能力、牢固性强、抗辐射能力强的多功能薄膜[23]。

3.3:液相沉积法( LPD)

液相沉积法是一种可控的水解过程,能够在低温下获得氧化物薄膜,常用该方法来制备TiO2薄膜,如TiO2外壳复合粒子和 TiO2中空微球。自从 TiO2薄膜成功地在微米和纳米尺度的制备,它在超亲水领域的应用就更为广泛。而且 LPD 法制备薄膜成本低、耗能小,操作简单,并支持大面积的生产,是一种环境友好型方法。大面积硅基底上沉积的 TiO2薄膜,经紫外光照射后薄膜展现出超亲水性,当硼酸浓度为0.5 M 时,LPD-TiO2薄膜的消光效率最高 82.66%,薄膜平均反射率为5.3%[24]。目前很多研究团队把 PLD 法和 LBL 自组装法结合,成功制备出了具有粗糙表面结构的多孔TiO2薄膜。由于薄膜表面复合形态的可扩展性和高效性,不同技术的结合提高了它的工业应用价值。

3.4:刻蚀技术

刻蚀技术,是按照掩模图形或设计要求对半导体衬底表面或表面覆盖薄膜进行选

择性腐蚀或剥离的技术。最普遍、成本最低的蚀刻方法就是湿法刻蚀,简单来说就是通过化学溶液精确的选择性溶解。一个具有高选择性的蚀刻系统,应该只对被加工薄膜有腐蚀作用,而不伤及蚀刻掩膜或其下的基板材料。目前有采用金属辅助化学刻蚀方法制备硅纳米线,可通过调整刻蚀时间来控制纳米线长度,且随纳米线长度增加,减反射性增强。还有采用离子刻蚀工艺在大面积硅表面形高密度纳米金字塔结构,该工艺使低反射率和高均匀性的大面积多晶硅表面得以重复实现的,这对提高光吸收率和提高太阳电池转换效率具有很大潜力。

4.太阳能电池减反膜展望

随着太阳能电池光电转换效率的增加、成本降低及世界各国对再生清洁能源的巨大需求,太阳能电池必将为人类大规模地利用太阳能开辟广阔的空间。在目前多晶硅电池光电转换效率提高困难的情况下,减反膜的出现在低成本的情况下提高了太阳能电池的效率,为太阳能电池与传统能源的竞争提供了有利的条件。国内太阳能减反膜应用主要集中在太阳能电池组件上,对超白玻璃进行镀膜,提高透过率来获得转换的效率。国内太阳能减反膜应用的企业如信义玻璃、常州亚玛顿股份有限公司、河南思可达能源公司等投人生产且获得很好的经济利益。但目前的制备工艺还存在一定的问题,如现在企业常用的溶胶一凝胶法,就存在镀膜液的制备重复性、保存以及镀膜均匀性的问题。随着太阳能电池需求量的增加及减反膜制备技术及生产的技术革新,太阳能电池减反膜必然会在规模生产上获得巨大的成功。

5.结论

目前仍存在一些问题需要解决: 第一,机械性。表面的机械磨损会破坏薄膜微观结构,甚至能直接去除掉基底表面的薄膜。第二,耐久性。耐久性越好,薄膜的使用寿命越长。第三,经济性。目前很多方法还仅限于实验室研究,若用于工业生产,则价格昂贵,经济性太低。在不久的将来,应更多的考虑以下这些研究方向。( 1) 进一步探索薄膜光电特性与材料及表面结构之间的关系,从而提高薄膜透射率。( 2) 雨水、灰尘、有机污染物都可沉积在薄膜表面,并改变表面的光学和润湿性能,因此具备自清洁和自修复功能表面的研究势在必行。( 3) 制备具有高机械强度和耐久性的减反膜,这对大面积工业化生产具有显著意义[25]。

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