光伏增透膜的可控制备及性能研究

光伏增透膜的可控制备及性能研究

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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

摘要

本研究聚焦于光伏增透膜的可控制备方法及其性能表现。通过对比多种制备技术，如溶胶 - 凝胶法、化学气相沉积法等，深入分析其对膜层微观结构、光学性能及物理稳定性的影响。结果表明，**调控制备参数能够有效优化增透膜性能，为提升光伏电池效率提供有力支持。

关键词

光伏增透膜；可控制备；光学性能；物理稳定性

一、引言

随着全球对清洁能源需求的持续攀升，光伏发电作为一种可持续且环保的能源解决方案，在能源领域的地位愈发重要。光伏电池作为光伏发电系统的核心组件，其光电转换效率的提升是该领域的研究重点。光伏增透膜作为提高光伏电池光学性能的关键技术，能够有效减少光在电池表面的反射，增加光的吸收，从而显著提升光电转换效率。实现光伏增透膜的可控制备，精准调控膜层的各项性能，对于推动光伏产业的高效发展具有重要的理论与实际意义。

二、光伏增透膜的作用原理

2.1 光学减反射原理

光在不同介质界面传播时，由于折射率的差异会发生反射和折射现象。依据菲涅尔公式，当光从折射率为n_1的介质射向折射率为n_2的介质时，反射率R的表达式为R = (\frac{n_2 - n_1}{n_2 + n_1})^2。对于光伏电池而言，其表面材料（如硅，折射率约为 3.8 - 4.0）与空气（折射率约为 1）的折射率差异较大，这导致大量光被反射，反射损失可达 8% 左右。增透膜通过在电池表面引入一层或多层薄膜，改变光的传播路径和反射特性，以减少反射光，增加透射光。以单层增透膜为例，当薄膜厚度为入射光 1/4 波长时，两个相邻反射光的光程差为\pi，即振动方向相反，叠加结果为反射光相消。此时，增透膜的折射率n需满足n = \sqrt{n_0 \times n_s}，其中n_0为空气折射率，n_s为基底材料的折射率，由此计算出理想的单层增透膜折射率约为 1.97 - 2.0。在实际应用中，常采用多层增透膜设计，通过不同折射率和厚度的薄膜组合，实现更宽光谱范围和更高效率的增透效果。

2.2 对光伏电池性能的提升机制

在光伏系统中，增透膜发挥着至关重要的作用。其首要功能是降低光在光伏电池表面的反射损失，提高光的利用率。普通光伏玻璃在未镀膜时，由于与空气的折射率差异，会造成约 8% 的透光率损失。而在玻璃表面覆盖一层低折射率的增透膜后，可有效降低反射率，增加透光率。例如，在实际应用中，采用合适的增透膜可使光伏玻璃的透光率从普通的 91.7% 以上提升至 94%，进而提高光伏组件输出功率约 1.5 - 2%。增透膜还有助于改善光伏电池对不同波长光的吸收特性，使电池能够更有效地吸收太阳光中的能量，从而提高光电转换效率。增透膜在一定程度上能够保护光伏电池表面，减少灰尘、水汽等对电池性能的影响，提高电池的稳定性和耐久性。

三、光伏增透膜的可控制备技术

3.1 溶胶 - 凝胶法

3.1.1 制备原理与流程

溶胶 - 凝胶法是一种常用的制备光伏增透膜的方法。该方法以金属醇盐或无机盐为前驱体，在有机溶剂中通过水解和缩聚反应形成溶胶，随后溶胶经陈化、干燥等过程转变为凝胶，*后通过热处理得到所需的增透膜。以制备 SiO₂增透膜为例，通常以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体，在酸性或碱性催化剂的作用下，TEOS 发生水解反应：Si(OC_2H_5)_4 + 4H_2O \longrightarrow Si(OH)_4 + 4C_2H_5OH，生成的硅酸进一步发生缩聚反应，形成具有三维网络结构的溶胶。将溶胶涂覆在基底上，经过干燥和热处理，去除溶剂和残留的有机物，*终得到 SiO₂增透膜。在涂覆过程中，可以采用浸渍提拉、旋涂等方法，以获得均匀的膜层。

3.1.2 对膜层性能的影响因素

3.2 化学气相沉积法

3.2.1 沉积原理与分类

化学气相沉积（CVD）法是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的一种制备技术。在光伏增透膜制备中，常见的 CVD 方法包括常压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等。以 PECVD 为例，其原理是在低压环境下，通过射频等离子体使反应气体电离，产生高活性的离子、原子和自由基等，这些活性粒子在基底表面发生化学反应，形成固态薄膜。例如，在制备氮化硅（SiNₓ）增透膜时，通常以硅烷（SiH₄）和氨气（NH₃）为反应气体，在等离子体的作用下，发生如下反应：3SiH₄ + 4NH₃ \longrightarrow Si₃N₄ + 12H₂，生成的 Si₃N₄沉积在基底表面形成增透膜。

3.2.2 工艺参数对膜层的影响

化学气相沉积法的工艺参数对增透膜性能影响显著。沉积温度是一个关键参数，不同的材料和膜层要求不同的沉积温度。对于 SiNₓ增透膜，较低的沉积温度可能导致膜层生长速率缓慢，且膜层的化学组成和结构不够稳定；而过高的温度可能使膜层产生应力，甚至出现裂纹，影响膜层的稳定性和光学性能。气体流量比也会影响膜层的化学组成和性能。在制备 SiNₓ膜时，SiH₄与 NH₃的流量比会影响膜层中 Si/N 的比例，进而影响膜层的折射率和光学性能。射频功率在 PECVD 中对等离子体的活性和反应速率有重要影响。适当提高射频功率可以增加反应活性粒子的浓度，加快膜层生长速率，但过高的射频功率可能导致膜层表面粗糙，影响膜层的光学质量。

3.3 其他制备方法

除了溶胶 - 凝胶法和化学气相沉积法，还有一些其他的制备光伏增透膜的方法。物**相沉积（PVD）法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜等。蒸发镀膜是通过加热使镀膜材料蒸发，然后在基底表面冷凝形成薄膜；溅射镀膜则是利用高能粒子轰击靶材，使靶材原子溅射出来并沉积在基底上形成薄膜。自组装法也是一种新兴的制备方法，它利用分子间的自组装作用，使具有特定结构的分子或纳米粒子在基底表面自发形成有序的膜层。这些方法在特定的应用场景中具有各自的优势，如 PVD 法能够制备出高质量、致密的膜层，自组装法可以实现对膜层微观结构的**控制，但它们也存在一些局限性，如设备成本高、工艺复杂等。

四、光伏增透膜的性能研究

4.1 光学性能

4.1.1 透过率与反射率

增透膜的光学性能主要体现在其对光的透过率和反射率上。合适的增透膜能够显著降低光的反射率，提高透过率。对于采用溶胶 - 凝胶法制备的 TiO₂/SiO₂双层增透膜，当 TiO₂和 SiO₂膜层的厚度和折射率匹配良好时，在可见光波段的平均透过率可超过 96%，相比未镀膜的基底，反射率大幅降低。通过优化化学气相沉积法的工艺参数制备的 SiNₓ增透膜，在特定波长范围内，反射率可降低至 1% 以下，有效提高了光伏电池对光的吸收效率。增透膜的光学性能还与膜层的微观结构密切相关，均匀、致密的膜层结构有助于减少光的散射和吸收损失，进一步提高透过率和降低反射率。

4.1.2 光谱响应

光伏增透膜的光谱响应也是衡量其光学性能的重要指标。不同波长的光在不同折射率的介质中传播时，其反射、折射和吸收特性不同。合适的增透膜能够在光伏电池的敏感光谱范围内实现低反射率和高透过率，增强电池对该波段光的响应。晶体硅太阳电池的光谱响应范围为 300 - 1200nm，在设计增透膜时，需根据电池的光谱响应特性，优化膜层的折射率和厚度等参数，使增透膜在该波段内具有良好的增透效果。对于某些需要重点利用特定波长光的光伏电池，如在近红外波段有较高响应的电池，可通过调整增透膜的折射率和结构，使其在近红外波段实现更好的增透效果，从而提高电池在该波段的光电转换效率。

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