减反射疏水膜的研究及其在光伏器件中的应用

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依据菲涅尔定律,由于材料折射率的差异,在太阳能电池组件空气/窗口材料(玻璃或聚合物)界面处对太阳光的反射损失达8-9%,这对光子转变成载流子是非常不利的。为了降低入射光在太阳能电池表面的反射损失,通常在窗口层表面形成等效折射率较窗口层材料低的涂层来抑制反射。然而单一折射率减反膜的作用波长较窄,大角度入射反射损失较大。此外太阳能电池组件在户外工作时,表面累积的灰尘也会降低组件的输出功率。如赋予窗口层材料自清洁效果可降低组件清洁成本提高其竞争力。通过在窗口层界面构建微纳结构有望同时实现减反射与自清洁功能,因此受到科研工作者的广泛关注。在窗口层构筑亚微米的三维结构,可获得优异的减反和疏水效果,但机械性能较差无法满足电池户外工作的严苛要求。本研究采用平板热压印技术在乙烯-四氟乙烯(ETFE)聚合物基底上直接成型微米结构,获得机械强度高、疏水性能好的柔性减反射膜,可应用于柔性与刚性光伏组件。主要研究内容如下::  (1)基于微米柱结构的柔性自清洁减反射膜制备及其在光伏器件中的应用:采用平板热压法制备了周期为10μm,高为9.7μm的微米柱结构减反射超疏水(AR-S)膜,主要的减反射波段为300-600nm和700-1100nm,其与水的接触角达155°。对具有微米柱和纳米柱结构的减反膜同时进行风沙测试,实验结果表明,微米结构AR-S膜相较于纳米结构的膜具有良好的抗风沙性能,而且其与水的接触角在风沙测试后依然保持不变,但是纳米结构减反膜的接触角由130°降到了113°。将AR-S膜与多晶硅电池集成,在垂直入射的条件下电池的效率提升了7.9%,并且AR-S膜对电池的增益作用随着入射光倾斜角度的增加而增加,在60°入射角条件下,电池效率增益达16.5%。模拟结果表明覆有AR-S膜的电池相较于无减反膜的电池内部产生更多的光生载流子,这主要归因于表面微结构增加了入射光的反射次数从而提高了电池对可见光的利用率。  (2)高强度宽角度减反射膜的大面积制备及其在柔性薄膜电池中的应用:基于卷对卷压印技术和平板热压技术分别制备了具有三棱柱、四棱柱和纳米柱结构的柔性减反射膜,对不同结构的减反膜进行反射率测试,结果表明四棱柱减反膜对入射光的减反射效果最好;三种结构的减反膜均表现出良好的疏水性能。有趣的是,由于三棱柱、四棱柱的结构特性而具有各向异性接触角。四棱柱减反膜不仅展示出良好的机械性能,还具有宽波段减反效果和疏水特性,将其与硅基薄膜电池集成后,使电池组件的日发电量提升了5.5%,时域有限差分法(FDTD)模拟结果表明集成减反膜电池的内部产生了谐振腔与Bloch两种光学模式从而增强了电池内部对光的吸收。  (3)光伏器件减反射膜的结构模拟优化及制备:利用数值模拟手段优化减反膜表面微结构,模拟结果表明微结构主要是通过增加光线界面反射次数从而提升对可见光的利用率,并以优化结构为指导利用软光刻技术制备出小面积减反膜,并将其与非晶硅电池集成以验证其减反射效果,实验结果表明模拟出的最优减反结构使电池效率得到了较高的增益而且具有宽角度减反射的效果,然后通过卷对卷技术在ETFE基底上制备了可用于工业化生产的大面积减反膜,集成减反膜电池器件相对于未集成减反膜的器件日发电量增加了11%,其量子效率结果表明电池效率的增加主要来自于对400-700nm波长光吸收的增加。
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