光伏增透膜的可控制備及性能研究

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

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。通過對比多種制備技術，如溶膠 - 凝膠法、化學氣相沉積法等，深入分析其對膜層微觀結構、光學性能及物理穩定性的影響。結果表明，**調控制備參數能夠有效優化增透膜性能，為提升光伏電池效率提供有力支持。

關鍵詞

光伏增透膜；可控制備；光學性能；物理穩定性

一、引言

隨著全球對清潔能源需求的持續攀升，光伏發電作為一種可持續且環保的能源解決方案，在能源領域的地位愈發重要。光伏電池作為光伏發電系統的核心組件，其光電轉換效率的提升是該領域的研究重點。光伏增透膜作為提高光伏電池光學性能的關鍵技術，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換效率。實現光伏增透膜的可控制備，精準調控膜層的各項性能，對于推動光伏產業的高效發展具有重要的理論與實際意義。

二、光伏增透膜的作用原理

2.1 光學減反射原理

光在不同介質界面傳播時，由于折射率的差異會發生反射和折射現象。依據菲涅爾公式，當光從折射率為n_1的介質射向折射率為n_2的介質時，反射率R的表達式為R = (\frac{n_2 - n_1}{n_2 + n_1})^2。對于光伏電池而言，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，這導致大量光被反射，反射損失可達 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，當薄膜厚度為入射光 1/4 波長時，兩個相鄰反射光的光程差為\pi，即振動方向相反，疊加結果為反射光相消。此時，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，由此計算出理想的單層增透膜折射率約為 1.97 - 2.0。在實際應用中，常采用多層增透膜設計，通過不同折射率和厚度的薄膜組合，實現更寬光譜范圍和更高效率的增透效果。

2.2 對光伏電池性能的提升機制

在光伏系統中，增透膜發揮著至關重要的作用。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，由于與空氣的折射率差異，會造成約 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，在實際應用中，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，從而提高光電轉換效率。增透膜在一定程度上能夠保護光伏電池表面，減少灰塵、水汽等對電池性能的影響，提高電池的穩定性和耐久性。

三、光伏增透膜的可控制備技術

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鹽為前驅體，在有機溶劑中通過水解和縮聚反應形成溶膠，隨后溶膠經陳化、干燥等過程轉變為凝膠，*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）為前驅體，在酸性或堿性催化劑的作用下，TEOS 發生水解反應：Si(OC_2H_5)_4 + 4H_2O \longrightarrow Si(OH)_4 + 4C_2H_5OH，生成的硅酸進一步發生縮聚反應，形成具有三維網絡結構的溶膠。將溶膠涂覆在基底上，經過干燥和熱處理，去除溶劑和殘留的有機物，*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 對膜層性能的影響因素

3.2 化學氣相沉積法

3.2.1 沉積原理與分類

化學氣相沉積（CVD）法是利用氣態物質在固體表面進行化學反應，生成固態沉積物的一種制備技術。在光伏增透膜制備中，常見的 CVD 方法包括常壓化學氣相沉積（APCVD）、低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）等。以 PECVD 為例，其原理是在低壓環境下，通過射頻等離子體使反應氣體電離，產生高活性的離子、原子和自由基等，這些活性粒子在基底表面發生化學反應，形成固態薄膜。例如，在制備氮化硅（SiN?）增透膜時，通常以硅烷（SiH?）和氨氣（NH?）為反應氣體，在等離子體的作用下，發生如下反應：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 工藝參數對膜層的影響

化學氣相沉積法的工藝參數對增透膜性能影響顯著。沉積溫度是一個關鍵參數，不同的材料和膜層要求不同的沉積溫度。對于 SiN?增透膜，較低的沉積溫度可能導致膜層生長速率緩慢，且膜層的化學組成和結構不夠穩定；而過高的溫度可能使膜層產生應力，甚至出現裂紋，影響膜層的穩定性和光學性能。氣體流量比也會影響膜層的化學組成和性能。在制備 SiN?膜時，SiH?與 NH?的流量比會影響膜層中 Si/N 的比例，進而影響膜層的折射率和光學性能。射頻功率在 PECVD 中對等離子體的活性和反應速率有重要影響。適當提高射頻功率可以增加反應活性粒子的濃度，加快膜層生長速率，但過高的射頻功率可能導致膜層表面粗糙，影響膜層的光學質量。

3.3 其他制備方法

除了溶膠 - 凝膠法和化學氣相沉積法，還有一些其他的制備光伏增透膜的方法。物**相沉積（PVD）法，包括蒸發鍍膜、濺射鍍膜等。蒸發鍍膜是通過加熱使鍍膜材料蒸發，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，使具有特定結構的分子或納米粒子在基底表面自發形成有序的膜層。這些方法在特定的應用場景中具有各自的優勢，如 PVD 法能夠制備出高質量、致密的膜層，自組裝法可以實現對膜層微觀結構的**控制，但它們也存在一些局限性，如設備成本高、工藝復雜等。

四、光伏增透膜的性能研究

4.1 光學性能

4.1.1 透過率與反射率

增透膜的光學性能主要體現在其對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。對于采用溶膠 - 凝膠法制備的 TiO?/SiO?雙層增透膜，當 TiO?和 SiO?膜層的厚度和折射率匹配良好時，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。通過優化化學氣相沉積法的工藝參數制備的 SiN?增透膜，在特定波長范圍內，反射率可降低至 1% 以下，有效提高了光伏電池對光的吸收效率。增透膜的光學性能還與膜層的微觀結構密切相關，均勻、致密的膜層結構有助于減少光的散射和吸收損失，進一步提高透過率和降低反射率。

4.1.2 光譜響應

光伏增透膜的光譜響應也是衡量其光學性能的重要指標。不同波長的光在不同折射率的介質中傳播時，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實現低反射率和高透過率，增強電池對該波段光的響應。晶體硅太陽電池的光譜響應范圍為 300 - 1200nm，在設計增透膜時，需根據電池的光譜響應特性，優化膜層的折射率和厚度等參數，使增透膜在該波段內具有良好的增透效果。對于某些需要重點利用特定波長光的光伏電池，如在近紅外波段有較高響應的電池，可通過調整增透膜的折射率和結構，使其在近紅外波段實現更好的增透效果，從而提高電池在該波段的光電轉換效率。

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