光學(xué)薄膜在太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用

1、2021-12-271光學(xué)薄膜在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用太陽(yáng)能電池的發(fā)展 1973年世界爆發(fā)了第一次能源危機(jī)，使人們清醒地認(rèn)識(shí)到地球上化石能源儲(chǔ)藏及供給的有限性，客觀上要求人們必須尋找其它可替代的能源技術(shù)，改變現(xiàn)有的以使用單一化石能源為基礎(chǔ)的能源供給結(jié)構(gòu)。為此，以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入大量人力、物力和財(cái)力支持太陽(yáng)電池的研究和發(fā)展，同時(shí)在以亟待解決的與化石能源燃燒有關(guān)的大氣污染、溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題的促使下，在全世界范圍內(nèi)掀起了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮，也由此拉開(kāi)了太陽(yáng)電池發(fā)電的序幕。 1839年法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家第一次報(bào)道了他在電解槽中發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。 1877年，W.G. Adams和R.E.

2、 Day在固體硒中觀察到了光生伏特效應(yīng)，并制作第一片硒太陽(yáng)電池。 1904年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦仁Albert Einstein)發(fā)表了關(guān)于光電效應(yīng)的論文，成功地提出了光生伏特效應(yīng)的理論2021-12-2722021-12-273太陽(yáng)能電池的分類(lèi)硅基太陽(yáng)能電池(單晶/多晶/非晶)(24.7%)化合物太陽(yáng)能電池(砷化鎵/硫化鎘/碲化鎘/銅銦硒等)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池 (酞青類(lèi)化合物/導(dǎo)電聚合物等)納米薄膜太陽(yáng)能電池(納米TiO2)2021-12-274各種太陽(yáng)能電池所占比例單晶硅30.2%多晶硅50.8%非晶硅11.7%帶狀硅6.5%化合物0.7%有機(jī)0.1%2021-12-275如何減少硅太陽(yáng)能

3、電池表面反射率裸硅表面的反射率在30%以上 將電池表面腐蝕成絨面或者多孔狀(增加光與半導(dǎo)體表面作用的次數(shù),同時(shí)會(huì)使電池溫度升高)鍍上減反射膜(SiO2/SnO2/TiO2/SiNx/SiCx等)光學(xué)薄膜（optical coating ） 光學(xué)薄膜是一種為改變光學(xué)零件表面光學(xué)特性而鍍?cè)诠鈱W(xué)零件表面上的一層或多層膜?？梢允墙饘倌ぁ⒔橘|(zhì)膜或這兩類(lèi)膜的組合。 它可分為增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜、偏振與消偏振膜等。 減反射膜是應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的一種光學(xué)薄膜，因此，它至今仍是光學(xué)薄膜技術(shù)中重要的研究課題，研究的重點(diǎn)是尋找新材料，設(shè)計(jì)新膜系,改進(jìn)淀積工藝,使之用最少的層數(shù)，最簡(jiǎn)單、最穩(wěn)定的工藝，獲得

4、盡可能高的成品率，達(dá)到最理想的效果。2021-12-276減反射薄膜的發(fā)展 人類(lèi)為了更好的利用光，經(jīng)過(guò)了許多探索。薄膜的一些奇異性質(zhì)最先引起人們的注意，但是即使是單層膜的應(yīng)用也歷盡艱辛。 早在1817年夫瑯和裴便已制成了世界上第一批單層減反射膜。1866年瑞利報(bào)告說(shuō)，年久失澤的玻璃的反光比新鮮玻璃的反光弱;但瑞利的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)由于沒(méi)有實(shí)際需要，并未引起人們的重視。直到最后，大氣腐蝕失澤的一批透鏡被光學(xué)零件制造師泰勒偶然發(fā)現(xiàn)后，他才致力于用腐蝕法使玻璃表面人工失澤，以降低折射界面的討厭的反射。 二十世紀(jì)三十年代中期才應(yīng)該認(rèn)為是薄膜在光學(xué)上加以應(yīng)用的真正開(kāi)端。2021-12-2772021-12-2

5、78單層減反射薄膜的原理 結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的減反射膜是單層膜。圖1所示為單層減反射薄膜的矢量圖。 膜有兩個(gè)界面就有兩個(gè)矢量，每個(gè)矢量表示一個(gè)界面上的振幅反射系數(shù)。如果膜層的折射率低于基片的折射率，則在每個(gè)界面上的反射系數(shù)都為負(fù)值，這表明相位變化為180（若反射光存在于折射率比相鄰媒質(zhì)更低的媒質(zhì)內(nèi)，則相移為180;若該媒質(zhì)的折射率高于相鄰媒質(zhì)的折射率，則相移為零。 ）。 當(dāng)膜層的相位厚度為90時(shí)，即膜層的光學(xué)厚度為某一波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，則兩個(gè)矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，則對(duì)該波長(zhǎng)而言，兩個(gè)矢量將完全抵消，于是出現(xiàn)了零反射率。2021-12-279 以上僅僅是垂直入射的情況。

6、在傾斜入射時(shí)，情況與上述類(lèi)似，只是膜層的有效相位厚度減少了，因而最佳透射波長(zhǎng)更短些。2021-12-27102021-12-2711太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍:紫外光區(qū)(7%)紅外光區(qū)(43%)和可見(jiàn)光區(qū)(50%)硅在紅外波段透過(guò)率很高,但對(duì)紅外波段太陽(yáng)輻射能的利用很少;紅外光的熱效應(yīng)會(huì)降低電池的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率和使用壽命紫外波段光對(duì)電池板膠合材料(EVA)有老化作用400800nm范圍實(shí)現(xiàn)減反射,對(duì)紫外光(800nm)的透過(guò)率有較大抑制太陽(yáng)的光譜與太陽(yáng)能電池2021-12-2712AR薄膜的制備方法氣相法:利用各種材料在氣相間、氣相和固體基礎(chǔ)表面間所產(chǎn)生的物理、化學(xué)過(guò)程而沉積薄膜的方法化學(xué)氣相沉積(C

7、VD) 、物理氣相沉積(PVD) CVD可以分為熱CVD 、光CVD 和等離子體CVD(根據(jù)促使化學(xué)反應(yīng)的能量可以來(lái)自加熱、光照和等離子體) PVD利用加熱材料而產(chǎn)生的熱蒸發(fā)沉積、利用氣體放電產(chǎn)生的正離子轟擊陰極(靶材)所產(chǎn)生的濺射沉積、把蒸發(fā)和濺射結(jié)合起來(lái)的離子鍍以及分子束外延液相法:化學(xué)鍍、電鍍、浸漬鍍其它:噴涂、涂覆等2021-12-2713幾種AR薄膜的制備化學(xué)氣相沉積(PECVD) 制備氮化硅 (SiCx:H)AR膜磁控濺射法(PVD)制備SiO2 /TiO2減反射膜溶膠凝膠提拉法制備SiO2 /TiO2減反射膜2021-12-2714等離子體(PECVD) 制備碳化硅(SiCx:H

8、)AR膜1SiCx:H膜:具有較低的電導(dǎo)率和較寬的光學(xué)帶隙,并且折射率根據(jù)碳成分可調(diào)(2.0-3.75),薄膜中H含量高;其次具有優(yōu)良的機(jī)械性能、抗腐蝕性和熱穩(wěn)定性;能減少反射,沉積時(shí)釋放的氫對(duì)硅材料的晶界和體缺陷起到鈍化作用降低了表面復(fù)合速率,增加了少子壽命,從而提高了太陽(yáng)電池效率2021-12-2715制備過(guò)程以純硅烷(SiH4)和純甲烷(CH4)為氣源,在硅襯底以及玻璃襯底上沉積a-SiCx:H薄膜反應(yīng)的動(dòng)力是來(lái)自被高頻電場(chǎng)加速的電子和離子,它們與反應(yīng)氣體分子碰撞,電離或激活成活性基團(tuán),因而可以在遠(yuǎn)低于熱反應(yīng)的溫度下制備薄膜。2021-12-2716制備過(guò)程通過(guò)改變襯底溫度、氣源流量比和

9、射頻功率分別制備a-SICx:H薄膜樣品,并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析,討論制備條件對(duì)薄膜表面形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能等的影響，并對(duì)薄膜的成膜機(jī)理和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行探討利用正交實(shí)驗(yàn)法研究PECVD設(shè)備制備的a- SiCx:H薄膜的沉積參數(shù)對(duì)薄膜減反射性能的影響,確定影響其減反射性能的主要沉積參數(shù),尋找最佳的沉積條件2021-12-2717最佳沉積條件隨著襯底溫度的升高,薄膜致密度增加,膜內(nèi)Si-C鍵含量增大,薄膜生長(zhǎng)速率降低,折射率升高,光學(xué)帶隙變窄隨著CH4流量的增大,薄膜粗糙度先減小后增大,并且當(dāng)SiH4與CH4流量比為1:2時(shí),薄膜最致密;隨CH4流量的增大,生長(zhǎng)速率減小隨著射頻功率增大,薄膜致密度增

10、加,粗糙度減小;折射率隨射頻功率的增大而增大;缺陷態(tài)減少導(dǎo)致光學(xué)帶隙變寬襯底溫度250度,流量比V(SiH4):V(CH4)=1:3,射頻功率35w2021-12-2718在最優(yōu)參數(shù)下,波長(zhǎng)小于400nm時(shí),薄膜透過(guò)率很小,這也說(shuō)明了薄膜對(duì)紫外光有較弱的透過(guò)性.薄膜的平均透過(guò)率在90%左右,說(shuō)明在整個(gè)太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)范圍內(nèi),薄膜對(duì)光的吸收很少,薄膜具有良好的透過(guò)性.總的來(lái)說(shuō),在優(yōu)化后的制備條件下沉積的a-SICx:H薄膜具有良好的光學(xué)性能,能起到較好的減反射效果2021-12-2719TiO2的特性納米TiO2(粒徑在1-100nm)由于粒子直徑小,表面積大從而使其具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量

11、子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)TiO2薄膜具有殺菌消毒、光催化、光降解、防霧、防露、自清潔以及對(duì)紫外光的強(qiáng)烈吸收2021-12-2720磁控濺射法(PVD)制備SiO2 /TiO2減反射膜2射頻磁控濺射設(shè)備立式提拉鍍膜機(jī)2021-12-2721隨著氧流量的增加薄膜的反射低谷向中心波長(zhǎng)550nm處移動(dòng)2021-12-2722隨著總氣壓的增加薄膜的反射低谷向短波方向移動(dòng)2021-12-2723隨著溫度的增加薄膜的平均反射率降低并且反射低谷向長(zhǎng)波方向移動(dòng)2021-12-2724隨著靶基距的增加薄膜的反射低谷先短波再長(zhǎng)波之后再短波2021-12-2725結(jié)論通過(guò)分析:制備TiO2薄膜應(yīng)當(dāng)選

12、用常溫,靶基距為190nm,氧流量為15sccm,總氣壓為410-1Pa的條件,在此條件下獲得的薄膜與SiO2 薄膜匹配制成雙層減反射膜將會(huì)達(dá)到最佳減反射效果2021-12-2726SiO2 /TiO2 W形減反射膜3(/-/)設(shè)定SiO2薄膜TiO2薄膜的厚度 d1、d2初值分別為89.75nm、124.12nm(n1d1/4,n2d2/2,中心波長(zhǎng)選用 510nm, n1n2分別為SiO2 /TiO2對(duì)510nm波長(zhǎng)的折射率)使用macleod膜系設(shè)計(jì)軟件對(duì)膜系進(jìn)行擬合優(yōu)化.最后得到優(yōu)化結(jié)果為93.55nm 、 125.45nm2021-12-2727 鍍膜后的玻璃在430nm和643nm

13、處分別達(dá)到透射率極大值97.72%、98.35%在可見(jiàn)光區(qū)域(400800nm)平均透過(guò)率達(dá)到96.40% 與不鍍膜的玻璃相比,提高了6.12%具有很好的增透效果;在紫外光波段,由于雙層膜反射率的迅速提高以及TiO2薄膜對(duì)紫外光的強(qiáng)吸收, 極大的降低了該波段光透過(guò)率;在紅外光波段,雙層膜反射率的大幅增加也抑制了該區(qū)太陽(yáng)光的透過(guò)率圖2 理論與實(shí)際對(duì)比2021-12-2728參考文獻(xiàn)1張瑞麗.太陽(yáng)能電池用a-SICx:H薄膜的制備與性能研究D,浙江:浙江理工大學(xué),20102王賀權(quán).太陽(yáng)電池減反射膜的研究D,遼寧:東北大學(xué),20053王曉棟,沈軍,謝志勇,等.太陽(yáng)能玻璃表面高強(qiáng)度雙層減反膜制備研究J

14、.光子學(xué)報(bào),2009,38(10):2501-25054劉永生,谷民安,楊晶晶,等.太陽(yáng)電池用低折射率納米晶減反射膜研究J.華東電力,2010,38(11):1794-17962021-12-2729表5-3 試驗(yàn)安排因素ABCD1234567892525251501501502002002002.610-25.210-27.810-22.610-25.210-27.810-22.610-25.210-27.810-21.52.53.52.53.51.53.51.52.579：2187：1392：892：879：2187：1387：1392：879：21試驗(yàn)號(hào) 以上僅僅是垂直入射的情況。在傾斜

15、入射時(shí)，情況與上述類(lèi)似，只是膜層的有效相位厚度減少了，因而最佳透射波長(zhǎng)更短些。2021-12-27312021-12-2732太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍:紫外光區(qū)(7%)紅外光區(qū)(43%)和可見(jiàn)光區(qū)(50%)硅在紅外波段透過(guò)率很高,但對(duì)紅外波段太陽(yáng)輻射能的利用很少;紅外光的熱效應(yīng)會(huì)降低電池的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率和使用壽命紫外波段光對(duì)電池板膠合材料(EVA)有老化作用400800nm范圍實(shí)現(xiàn)減反射,對(duì)紫外光(800nm)的透過(guò)率有較大抑制太陽(yáng)的光譜與太陽(yáng)能電池2021-12-2733太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍:紫外光區(qū)(7%)紅外光區(qū)(43%)和可見(jiàn)光區(qū)(50%)硅在紅外波段透過(guò)率很高,但對(duì)紅外波段太陽(yáng)輻射能的利用很少;紅外光的熱效應(yīng)會(huì)降低電池的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率和使用壽命紫外波段光對(duì)電池板膠合材料(EVA)有老化作用400800nm范圍實(shí)現(xiàn)減反射,對(duì)紫外光(800nm)的透過(guò)率有較大抑制太陽(yáng)的光譜與太陽(yáng)能電