光伏增透膜的可控制備及性能研究

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

摘要

本研究聚焦于光伏增透膜的可控制備方法及其性能表現(xiàn)。通過對(duì)比多種制備技術(shù)，如溶膠 - 凝膠法、化學(xué)氣相沉積法等，深入分析其對(duì)膜層微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能及物理穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，**調(diào)控制備參數(shù)能夠有效優(yōu)化增透膜性能，為提升光伏電池效率提供有力支持。

關(guān)鍵詞

光伏增透膜；可控制備；光學(xué)性能；物理穩(wěn)定性

一、引言

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮某掷m(xù)攀升，光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)且環(huán)保的能源解決方案，在能源領(lǐng)域的地位愈發(fā)重要。光伏電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，其光電轉(zhuǎn)換效率的提升是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。光伏增透膜作為提高光伏電池光學(xué)性能的關(guān)鍵技術(shù)，能夠有效減少光在電池表面的反射，增加光的吸收，從而顯著提升光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)現(xiàn)光伏增透膜的可控制備，精準(zhǔn)調(diào)控膜層的各項(xiàng)性能，對(duì)于推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展具有重要的理論與實(shí)際意義。

二、光伏增透膜的作用原理

2.1 光學(xué)減反射原理

光在不同介質(zhì)界面?zhèn)鞑r(shí)，由于折射率的差異會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。依據(jù)菲涅爾公式，當(dāng)光從折射率為n_1的介質(zhì)射向折射率為n_2的介質(zhì)時(shí)，反射率R的表達(dá)式為R = (\frac{n_2 - n_1}{n_2 + n_1})^2。對(duì)于光伏電池而言，其表面材料（如硅，折射率約為 3.8 - 4.0）與空氣（折射率約為 1）的折射率差異較大，這導(dǎo)致大量光被反射，反射損失可達(dá) 8% 左右。增透膜通過在電池表面引入一層或多層薄膜，改變光的傳播路徑和反射特性，以減少反射光，增加透射光。以單層增透膜為例，當(dāng)薄膜厚度為入射光 1/4 波長時(shí)，兩個(gè)相鄰反射光的光程差為\pi，即振動(dòng)方向相反，疊加結(jié)果為反射光相消。此時(shí)，增透膜的折射率n需滿足n = \sqrt{n_0 \times n_s}，其中n_0為空氣折射率，n_s為基底材料的折射率，由此計(jì)算出理想的單層增透膜折射率約為 1.97 - 2.0。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用多層增透膜設(shè)計(jì)，通過不同折射率和厚度的薄膜組合，實(shí)現(xiàn)更寬光譜范圍和更高效率的增透效果。

2.2 對(duì)光伏電池性能的提升機(jī)制

在光伏系統(tǒng)中，增透膜發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其首要功能是降低光在光伏電池表面的反射損失，提高光的利用率。普通光伏玻璃在未鍍膜時(shí)，由于與空氣的折射率差異，會(huì)造成約 8% 的透光率損失。而在玻璃表面覆蓋一層低折射率的增透膜后，可有效降低反射率，增加透光率。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，采用合適的增透膜可使光伏玻璃的透光率從普通的 91.7% 以上提升至 94%，進(jìn)而提高光伏組件輸出功率約 1.5 - 2%。增透膜還有助于改善光伏電池對(duì)不同波長光的吸收特性，使電池能夠更有效地吸收太陽光中的能量，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。增透膜在一定程度上能夠保護(hù)光伏電池表面，減少灰塵、水汽等對(duì)電池性能的影響，提高電池的穩(wěn)定性和耐久性。

三、光伏增透膜的可控制備技術(shù)

3.1 溶膠 - 凝膠法

3.1.1 制備原理與流程

溶膠 - 凝膠法是一種常用的制備光伏增透膜的方法。該方法以金屬醇鹽或無機(jī)鹽為前驅(qū)體，在有機(jī)溶劑中通過水解和縮聚反應(yīng)形成溶膠，隨后溶膠經(jīng)陳化、干燥等過程轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，*后通過熱處理得到所需的增透膜。以制備 SiO?增透膜為例，通常以正硅酸乙酯（TEOS）為前驅(qū)體，在酸性或堿性催化劑的作用下，TEOS 發(fā)生水解反應(yīng)：Si(OC_2H_5)_4 + 4H_2O \longrightarrow Si(OH)_4 + 4C_2H_5OH，生成的硅酸進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶膠。將溶膠涂覆在基底上，經(jīng)過干燥和熱處理，去除溶劑和殘留的有機(jī)物，*終得到 SiO?增透膜。在涂覆過程中，可以采用浸漬提拉、旋涂等方法，以獲得均勻的膜層。

3.1.2 對(duì)膜層性能的影響因素

3.2 化學(xué)氣相沉積法

3.2.1 沉積原理與分類

化學(xué)氣相沉積（CVD）法是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的一種制備技術(shù)。在光伏增透膜制備中，常見的 CVD 方法包括常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）等。以 PECVD 為例，其原理是在低壓環(huán)境下，通過射頻等離子體使反應(yīng)氣體電離，產(chǎn)生高活性的離子、原子和自由基等，這些活性粒子在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成固態(tài)薄膜。例如，在制備氮化硅（SiN?）增透膜時(shí)，通常以硅烷（SiH?）和氨氣（NH?）為反應(yīng)氣體，在等離子體的作用下，發(fā)生如下反應(yīng)：3SiH? + 4NH? \longrightarrow Si?N? + 12H?，生成的 Si?N?沉積在基底表面形成增透膜。

3.2.2 工藝參數(shù)對(duì)膜層的影響

化學(xué)氣相沉積法的工藝參數(shù)對(duì)增透膜性能影響顯著。沉積溫度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，不同的材料和膜層要求不同的沉積溫度。對(duì)于 SiN?增透膜，較低的沉積溫度可能導(dǎo)致膜層生長速率緩慢，且膜層的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定；而過高的溫度可能使膜層產(chǎn)生應(yīng)力，甚至出現(xiàn)裂紋，影響膜層的穩(wěn)定性和光學(xué)性能。氣體流量比也會(huì)影響膜層的化學(xué)組成和性能。在制備 SiN?膜時(shí)，SiH?與 NH?的流量比會(huì)影響膜層中 Si/N 的比例，進(jìn)而影響膜層的折射率和光學(xué)性能。射頻功率在 PECVD 中對(duì)等離子體的活性和反應(yīng)速率有重要影響。適當(dāng)提高射頻功率可以增加反應(yīng)活性粒子的濃度，加快膜層生長速率，但過高的射頻功率可能導(dǎo)致膜層表面粗糙，影響膜層的光學(xué)質(zhì)量。

3.3 其他制備方法

除了溶膠 - 凝膠法和化學(xué)氣相沉積法，還有一些其他的制備光伏增透膜的方法。物**相沉積（PVD）法，包括蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜等。蒸發(fā)鍍膜是通過加熱使鍍膜材料蒸發(fā)，然后在基底表面冷凝形成薄膜；濺射鍍膜則是利用高能粒子轟擊靶材，使靶材原子濺射出來并沉積在基底上形成薄膜。自組裝法也是一種新興的制備方法，它利用分子間的自組裝作用，使具有特定結(jié)構(gòu)的分子或納米粒子在基底表面自發(fā)形成有序的膜層。這些方法在特定的應(yīng)用場景中具有各自的優(yōu)勢，如 PVD 法能夠制備出高質(zhì)量、致密的膜層，自組裝法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)膜層微觀結(jié)構(gòu)的**控制，但它們也存在一些局限性，如設(shè)備成本高、工藝復(fù)雜等。

四、光伏增透膜的性能研究

4.1 光學(xué)性能

4.1.1 透過率與反射率

增透膜的光學(xué)性能主要體現(xiàn)在其對(duì)光的透過率和反射率上。合適的增透膜能夠顯著降低光的反射率，提高透過率。對(duì)于采用溶膠 - 凝膠法制備的 TiO?/SiO?雙層增透膜，當(dāng) TiO?和 SiO?膜層的厚度和折射率匹配良好時(shí)，在可見光波段的平均透過率可超過 96%，相比未鍍膜的基底，反射率大幅降低。通過優(yōu)化化學(xué)氣相沉積法的工藝參數(shù)制備的 SiN?增透膜，在特定波長范圍內(nèi)，反射率可降低至 1% 以下，有效提高了光伏電池對(duì)光的吸收效率。增透膜的光學(xué)性能還與膜層的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，均勻、致密的膜層結(jié)構(gòu)有助于減少光的散射和吸收損失，進(jìn)一步提高透過率和降低反射率。

4.1.2 光譜響應(yīng)

光伏增透膜的光譜響應(yīng)也是衡量其光學(xué)性能的重要指標(biāo)。不同波長的光在不同折射率的介質(zhì)中傳播時(shí)，其反射、折射和吸收特性不同。合適的增透膜能夠在光伏電池的敏感光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低反射率和高透過率，增強(qiáng)電池對(duì)該波段光的響應(yīng)。晶體硅太陽電池的光譜響應(yīng)范圍為 300 - 1200nm，在設(shè)計(jì)增透膜時(shí)，需根據(jù)電池的光譜響應(yīng)特性，優(yōu)化膜層的折射率和厚度等參數(shù)，使增透膜在該波段內(nèi)具有良好的增透效果。對(duì)于某些需要重點(diǎn)利用特定波長光的光伏電池，如在近紅外波段有較高響應(yīng)的電池，可通過調(diào)整增透膜的折射率和結(jié)構(gòu)，使其在近紅外波段實(shí)現(xiàn)更好的增透效果，從而提高電池在該波段的光電轉(zhuǎn)換效率。

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