一种基于溶胶-凝胶技术的多结太阳能电池的宽光谱减反射膜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学薄膜制备技术领域，具体来说涉及一种折射率梯度变化的、基于 溶胶-凝胶技术的多结太阳能电池的宽光谱减反射膜。
【背景技术】
[0002] 随着太阳能电池技术的不断进步，出现了多种类型的高效太阳能电池，其中III-V 族化合物电池因转换效率尤其出众而受到人们的普遍重视。由于材料本身带隙宽度匹配 和晶格匹配的限制，目前GalnP/GaAs/Ge三结太阳能电池在空间应用中的效率已经接近极 限，仅从电池本身来寻求效率的提升空间已经越来越困难。然而太阳能电池的表面由于光 的反射作用，却会导致30%~40%的光能损耗。在多结太阳能电池表面制备减反射薄膜能 够使入射的太阳光大幅增加，从而提高太阳能电池的能量转换效率。由于多结电池所利用 光谱范围的扩展，对于减反射膜的适用光谱范围也提出了更高的要求，膜系的设计难度和 复杂程度也不断提高，通常一到两层减反射膜的结构设计已经难以满足多结电池的使用需 要，必须使用多层薄膜结构体系，才能实现在宽光谱范围内的减反射效果。
[0003]目前国内四结及以上的太阳能电池产品尚不成熟，所以针对多结太阳能电池减反 射膜的研宄并不多见，且多采用物理法镀膜，而使用溶胶-凝胶方法在多结太阳能电池上 制备减反射膜的专利技术近乎空白。与传统物理镀膜方法相比，溶胶-凝胶法镀膜过程简 单、成本低、结构可控。此外，膜层材料的折射率连续可调，因此使用较为简单的膜系结构就 可以实现宽谱减反射的效果。申请人方昕、张玮等[201210539205.8]公开了一种用于多结 电池多层宽谱减反射膜的制备方法，利用具有一定倾斜角度的电子束蒸发方法制备出折射 率低于1. 2的材料，实现了 300~1800nm的减反射效果。但其整个膜系结构复杂，需要多个 周期循环才能达到效果。申请人林桂江、吴志敏等[200910019870.2]公布了一种三层太阳 能电池增透膜的制备方法，利用热蒸发镀膜和化学刻蚀结合的方法制备出三层减反射膜， 但其仅针对400~1200nm的波长范围，且制作工艺需要真空蒸镀和化学刻蚀，工艺较为复杂 且成本较高。目前为止，尚未发现适用于多结太阳能电池的工艺简单、成本低廉的宽光谱减 反膜制备工艺。
[0004] 此外，本发明提供的采用溶胶-凝胶工艺制备光学减反射膜的方法同样可以用于 解决四结或更高结数的太阳能电池的宽谱减反射问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是根据现有的多结太阳能电池的结构，提出一种利用溶胶_凝胶方 法制备出用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜，以提高太阳能电池的光利用率，进而提 高太阳能电池的效率。为达到以上目的，根据太阳光谱的分布特征和多结电池的实际结构， 选择适当的溶胶-凝胶法制备的高、低折射率材料，形成折射率梯度变化的减反射膜系，以 实现在300~1700nm宽光谱范围内良好的减反射效果。本发明技术方案如下： 用于多结太阳能电池的宽光谱减反射膜，所述减反射膜位于电池上方，其薄膜材料 的膜层总数在3层以上，自下而上薄膜材料的折射率由高到低依次递增，根据需要从由溶 胶-凝胶法制备的高折射率薄膜材料、中折射率薄膜材料和低折射率薄膜材料中选择至少 3种不同折射率的薄膜材料；控制最靠近电池表面的薄膜材料，即最底层的薄膜材料为折 射率最高的材料，其上层薄膜材料折射率依次降低，最顶层的薄膜材料为折射率最低的材 料，最底层的折射率最高的材料折射率在1. 95以上，最顶层的折射率最低的材料折射率在 1.2以下，具体步骤如下： (1) 利用溶胶-凝胶法分别制备的高折射率薄膜材料、中折射率薄膜材料和低折射率 薄膜材料； (2) 将上述材料按照折射率由高到低的顺序依次堆叠在电池表面，形成梯度变化的多 层光学膜系，根据计算机软件模拟计算的结果，确定膜系中各膜层的厚度； (3) 采用浸渍提拉法在清洗干净的电池上依次镀膜，并在每一层薄膜制备完成后，分别 对其进行热处理，在电池上制备该减反射膜后，可以实现在300~1700 nm的宽波段范围内有 效地降低多结太阳能电池的反射率，进而提高电池效率。
[0006] 本发明中，高折射率薄膜材料选自折射率为I. 8~2. 1的溶胶-凝胶法制备的Zr02、 TiO2、材料或两者复合材料中的一种或几种，中折射率薄膜材料选自折射率为I. 65~1. 75的 溶胶-凝胶法制备的A1203、MgO、HfO2材料中的一种或几种，低折射率薄膜材料选自折射率 为I. 15~1.45的溶胶凝-胶法制备的5102或MgF2材料中的一种或几种。
[0007] 本发明中，高折射率薄膜材料的膜层厚度为20~50nm，中折射率薄膜材料的膜层厚 度为50~100nm，低折射率薄膜材料的膜层厚度为80~120nm。
[0008] 本发明中，相邻两层薄膜材料的折射率差值不小于0. 05,且不大于0. 5。
[0009] 本发明中，高折射率薄膜材料热处理温度为350~600°C，中折射率薄膜材料热处理 温度为200~400°C，低折射率薄膜材料热处理温度为100~250°C。
[0011] 本发明针对太阳能电池的具体结构，可制备适用于各种结构的多结太阳能电池的 宽光谱减反射膜。该制备方法简单，不需要真空等实验条件和大型设备，成本较低，且使用 较为简单的膜系结构就可实现300~1700 nm的宽光谱范围良好的减反射效果，进而明显提 高多结太阳能电池效率，与同类发明相比具有明显的优点。
【附图说明】
[0012] 图1为三结太阳能电池结构示意图。
[0013] 图2为减反射膜系结构示意图。
[0014] 图3为制备减反射膜后的三结太阳能电池反射谱图。
【具体实施方式】
[0015] 以下结合本发明的附图和实施例，更详细地描述本发明。需要指出的是，本发明 可以不同形式实现，并且应该根据实际情况做出相应调整。提出这些实施例是为了达成充 分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围，不应解释为受在此 提出之实施例的限制。
[0016] 实施例1 三结电池结构如图1所示。
[0017] 将钛酸丁酯（11(0(；119)4，了801')、无水乙醇化切1〇、去离子水（11 20)、冰醋酸（拟(3)、 乙酰丙酮（AcAc)按照摩尔比I :8 :3 :1. 5 :0. 2在温度约20 °C，相对湿度低于50%的环境中 下充分搅拌2小时，然后老化3-5天即得透明的氧化钛溶胶。
[0018] 将正硅酸四乙酯（TE0S)、去离子水（H20)、盐酸（HCl)和无水乙醇（EtOH)按照摩尔 比1: 2. 1: 0. 3: 40混合搅拌均匀后，放置在稳定环境（20°C，相对湿度20%)下静置5-7天 后即可获得无色透明的酸性氧化硅溶胶。
[0019] 将氯化镁，氢氟酸、乙醇按照摩尔比1:0. 004:40混合后在室温下充分搅拌后，在 水热釜中200°C水热24个小时，然后放置在稳定环境（20°C，相对湿度20%)下静置5天后 即可获得透明的氟化镁溶胶。
[0020] 将正硅酸四乙酯（TE0S)、氨水（NH3，H20)和无水乙醇（EtOH)按照摩尔比1: 2: 40 混合搅拌均匀后，放置在稳定环境（20°C，相对湿度20%)下静置5-10天后即可获得淡蓝色 透明的碱性氧化硅溶胶。然后将溶胶经80°C回流12h后方可使用。
[0021] 利用椭偏仪或分光光度计测量并计算出各薄膜材料的光学参数(折射率n和消光 系数k)，输入优化程序。
[0022] 将上述材料按照折射率由高到低的顺序依次堆叠在电池表面(如图2)，根据 Ess