畢業(yè)設計(論文)太陽能電池表面減反膜的研究文獻綜述(doc)

1、<p>　　重 慶 理 工 大 學</p><p>　　文 獻 綜 述</p><p>　　二級學院 光電信息學院 </p><p>　　班 級 112160101 </p><p>　　學生姓名 陳珊珊 學 號

2、 11216010101 </p><p>　　太陽能電池表面減反膜的研究</p><p><b>　　陳珊珊 </b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在太陽能電池表面形成一層減反射薄膜是提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較可行且降低成本的方法。減反膜能減少太陽電池表面反

3、射，提高電池效率，因此近年來得到了極大的關注。本文結合國內(nèi)外對太陽能減反膜的研究現(xiàn)狀，概括了減反膜的基本原理，敘述了幾種目前常用的減反膜的制備方法及其工藝特點，針對目前的研究狀況展望太陽能電池減反膜的發(fā)展前景。</p><p>　　關鍵詞：減反膜 原理 制備方法及工藝 發(fā)展前景</p><p><b>　　引言</b></p><p>

4、　　隨著世界傳統(tǒng)能源供應短缺的危機 日益嚴重，太陽能作為“取之不盡、用之不竭”的清潔、可再生能源愈發(fā)得到重視，太陽能的開發(fā)與利用具有巨大的發(fā)展空間和潛力。太陽能電池就是利用太陽能的光電轉(zhuǎn)化效應將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，影響電池效率的一個重要因素是電池對入射光的利用率。根據(jù)菲涅爾反射原理，在電池表面制備減反射膜，可以減小入射光反射，增加光子有效吸收［1］。如果能夠提高太陽能電池及其組件的光利用率，則可以提高太陽能電池組件的發(fā)電量，而太陽能電池減

5、反膜能有效地減少光的反射，對提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率具有重要意義［2］。減反射膜必須具備較強的耐磨性，才能在長期使用過程中，保持較高的光透過率，獲得理想的光電轉(zhuǎn)換效果。目前的研究和應用主要集中在太陽能電池硅表面制備減反膜，降低對光的反射，以及在太陽能電池組件的超白玻璃上鍍減反膜，增加太陽光的透過率，從而提高轉(zhuǎn)化效率。</p><p>　　2.太陽電池減反膜的原理及設計策略</p><p>

6、;　　減反膜設計的理論基礎就是薄膜的干涉［3，4］。如圖1a所示，對于理想均勻單層減反膜的n1必須滿足以下兩條件: (1)n1=(n0ns)1/2，n0和ns分別是空氣和基底的折射率。(2)n1d =λ/4，d是薄膜厚度，λ是入射光波長。對于多層薄膜，它的數(shù)學模型有很大差異，如圖1b所示。對于玻璃基底(ns= 1．5) ，減反膜材料的n1理論值等于1．22。然而具有如此低折射率的天然材料極少，且獲得成本很高。因此，很多研究都從以下兩個方

7、面入手: 一是通過制備方法改進獲得多孔結構薄膜，多孔薄膜的孔隙率和薄膜折射率的關系為［5］: nP2= (n2－1)(1－P/100)+1，式中nP和n分別是薄膜和塊體材料折射率，P是孔隙率。要獲得理想折射率，必須控制好孔隙率大小。ACSS 的滲入使孔隙率得到調(diào)節(jié)，使折射率調(diào)節(jié)至理想值1.23，從而達到理想減反射效果［5］。通過對旋涂過程參數(shù)控制獲得的P =27，薄膜折射率降低至 1.352，峰值透過率提高到95%［6］。二是利用多層薄

8、膜原理，采用疊層技術(LBL)制備異質(zhì)多層膜或同質(zhì)多層膜。采用 LBL在玻璃基底上制備出具有寬波長減反射性和超雙疏性薄膜，由三</p><p>　　圖1 減反膜原理圖（a）單層膜（b）雙層膜 圖 2三種前驅(qū)體溶液下生長的 TiO2納 </p><p>　　米棒陣列的微觀 形態(tài)及薄膜水接觸角</p&g

9、t;<p>　　3.太陽電池減反膜的制備工藝</p><p>　　近兩個世紀以來，研究人員一直致力于尋找新的方法來增強光透性，消除不必要的反射。同時，高效制造具有耐久性自清潔減反膜的技術在太陽能電池板和玻璃領域的研究得到了越來越多關注。到目前為止，人們主要是在設備表面和基片上制備薄膜，相應的制備順序可分為“自下而上”和“自上而下”模式［18］。“下-上”模式通常是用納米粒子作為基礎材料，通過溶膠凝膠

10、法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法等方法來合成減反膜?！吧?下”模式就是在已制備好的薄膜上采用一些帶或不帶遮罩的刻蝕技術獲得不平整結構等。</p><p>　　3.1：溶膠-凝膠法( Sol-gel)</p><p>　　溶膠凝膠法是制備納米結構材料的特殊工藝，具有許多獨特的優(yōu)點，例如化學均勻性好、純度高、合成溫度低等，而且溶膠凝膠還具有流變特性，可控制孔隙度，可以制備大尺寸及在各種形狀不

11、規(guī)則的基底上鍍膜，因而具有很高的經(jīng)濟價值。特別是Sol-gel制得的SiO2減反膜結構可控、折射率可調(diào)、材料易于獲取而被廣泛應用。近年來很多研究將 Sol-gel 與其他方法結合對該法進行了很多改進。對 TiO2溶膠進行SiO2復合改性，得到了粒徑變小粗糙度大的復合薄膜，最終水接觸角低至0°，比起未經(jīng) SiO2復合的薄膜，復合薄膜展現(xiàn)了更優(yōu)的自清潔性能［19］。制備了一種中空結構的 SiO2納米復合材料薄膜，透過率接近于理論值

12、 97.72%，薄膜具有超親水性和防霧性，可用于實際生產(chǎn)中，特別是用于極端氣候及潮濕環(huán)境下的戶外能量收集器和光學儀器等［5］，制備過程如圖3所示。</p><p>　　圖3 新型中空納米薄膜制備示意圖</p><p><b>　　3.2：氣相沉積法</b></p><p>　　化學氣相沉積法( CVD) 具有薄膜形成方向性小、致密性好、薄膜

13、純度高、殘余應力小、延展性強、可制備多成分、結晶良好的薄膜，與其它工藝具有良好的相容性等優(yōu)點。目前工業(yè)沉積多種材料應用最廣泛的方法PECVD，該方法可以大大降低沉積溫度，從而不使基板發(fā)生相變或變形，而且成膜質(zhì)量高。展示了一種直流電弧噴射化學氣相沉積工藝，它不需要復雜和昂貴的真空設備，能生產(chǎn)高能等離子體，在大面積低成本技術薄膜沉積方面具有很大潛力，非常適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)線［20］。目前物理氣相沉積( PVD) 多采用磁控濺射法，利用不同傾

14、斜角度獲得不同結構薄膜，展示了薄膜微觀結構從平面到柱狀的轉(zhuǎn)變［21］。也有最新一些研究采用電子束物理氣相沉積法在聚合物太陽電池上成功制備了超寬帶減反膜，相比聚合物電池目前僅用的有毒材料LiF、昂貴材料 MoO3，該研究采用經(jīng)濟性高的 SiO2和 TiO2為材料，使電池效率提高了3.23%，該方法成為聚合物太陽電池陽極蒸鍍減反膜的新方法［22］。采用電子束真空鍍膜設備制備出具有憎水憎油抗污染能力、牢固性強、抗輻射能力強的多功能薄膜［23］

15、。</p><p>　　3.3：液相沉積法( LPD)</p><p>　　液相沉積法是一種可控的水解過程，能夠在低溫下獲得氧化物薄膜，常用該方法來制備TiO2薄膜，如TiO2外殼復合粒子和 TiO2中空微球。自從 TiO2薄膜成功地在微米和納米尺度的制備，它在超親水領域的應用就更為廣泛。而且 LPD 法制備薄膜成本低、耗能小，操作簡單，并支持大面積的生產(chǎn)，是一種環(huán)境友好型方法。大面積硅基

16、底上沉積的 TiO2薄膜，經(jīng)紫外光照射后薄膜展現(xiàn)出超親水性，當硼酸濃度為0.5 M 時，LPD-TiO2薄膜的消光效率最高 82.66%，薄膜平均反射率為5.3%［24］。目前很多研究團隊把 PLD 法和 LBL 自組裝法結合，成功制備出了具有粗糙表面結構的多孔 TiO2薄膜。由于薄膜表面復合形態(tài)的可擴展性和高效性，不同技術的結合提高了它的工業(yè)應用價值。</p><p><b>　　3.4：刻蝕技術&l

17、t;/b></p><p>　　刻蝕技術，是按照掩模圖形或設計要求對半導體襯底表面或表面覆蓋薄膜進行選擇性腐蝕或剝離的技術。最普遍、成本最低的蝕刻方法就是濕法刻蝕，簡單來說就是通過化學溶液精確的選擇性溶解。一個具有高選擇性的蝕刻系統(tǒng)，應該只對被加工薄膜有腐蝕作用，而不傷及蝕刻掩膜或其下的基板材料。目前有采用金屬輔助化學刻蝕方法制備硅納米線，可通過調(diào)整刻蝕時間來控制納米線長度，且隨納米線長度增加，減反射性增強

18、。還有采用離子刻蝕工藝在大面積硅表面形高密度納米金字塔結構，該工藝使低反射率和高均勻性的大面積多晶硅表面得以重復實現(xiàn)的，這對提高光吸收率和提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率具有很大潛力。</p><p>　　4.太陽能電池減反膜展望</p><p>　　隨著太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的增加、成本降低及世界各國對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池必將為人類大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的空間。在目前多晶硅電池光電

19、轉(zhuǎn)換效率提高困難的情況下，減反膜的出現(xiàn)在低成本的情況下提高了太陽能電池的效率，為太陽能電池與傳統(tǒng)能源 的競爭提供了有利的條件。國內(nèi)太陽能減反膜應用主要集中在太陽能電池組件上，對超白玻璃進行鍍膜，提高透過率來獲得轉(zhuǎn)換的效率。國內(nèi)太 陽能減反膜應用 的企業(yè)如信義玻璃、常州亞瑪頓股份有限公司、河南思可達能源公司等投人生產(chǎn)且獲得很好的經(jīng)濟利益。但目前的制備工藝還存在一定的問題，如現(xiàn)在企業(yè)常用的溶膠一凝膠法，就存在鍍膜液的制備重復性、保存以及鍍膜

20、均勻性的問題。隨著太陽能電池需求量的增加及減反膜制備技術及生產(chǎn)的技術革新，太陽能電池減反膜必然會在規(guī)模生產(chǎn)上獲得巨大的成功。</p><p><b>　　5.結 論</b></p><p>　　目前仍存在一些問題需要解決: 第一，機械性。表面的機械磨損會破壞薄膜微觀結構，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，薄膜的使用壽命越長。第三，經(jīng)濟性。目前很

21、多方法還僅限于實驗室研究，若用于工業(yè)生產(chǎn)，則價格昂貴，經(jīng)濟性太低。在不久的將來，應更多的考慮以下這些研究方向。( 1) 進一步探索薄膜光電特性與材料及表面結構之間的關系，從而提高薄膜透射率。( 2) 雨水、灰塵、有機污染物都可沉積在薄膜表面，并改變表面的光學和潤濕性能，因此具備自清潔和自修復功能表面的研究勢在必行。( 3) 制備具有高機械強度和耐久性的 減反膜，這對大面積工業(yè)化生產(chǎn)具有顯著意義［25］。</p><p

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