用于硅太阳能电池的二氧化钛减反射膜制备及性能研究

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硅太阳能电池目前是我国最主要的能源产业之一,为了有效地减少硅太阳能电池表面光的反射率,提高太阳能电池的光电转化效率,镀减反射膜是一种有效减少光能反射率的方法。目前国内外减反射膜的种类很多,常用的减反射膜有SiO2、Si3N4、Ta2O3等,TiO2薄膜主要用在光催化方面,在减反射膜应用方面不是很多。本文利用溶胶-凝胶法制备了TiO2减反射膜、氮掺杂TiO2减反射膜和有机添加聚乙二醇(PEG)TiO2减反射膜,研究了乙醇添加量、水添加量、pH、提拉速度、氮掺杂量、聚乙二醇添加量等对薄膜透射率的影响;探讨了氮掺杂TiO2减反射膜紫外-可见光谱影响的机制;并对比了镀有各种薄膜的太阳能电池的光电特性。采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)对薄膜进行了紫外可见透射光谱分析、原子力显微镜(AFM)观察了薄膜表面形貌、机械性能测试分析了薄膜耐摩擦强度和附着力大小、I-V曲线测试分析了太阳能电池的光伏特性,主要创新成果有:(1)采用单因素实验方法确定了制备TiO2减反射膜的最佳工艺。紫外-可见透射光谱、原子力显微镜分析表明,溶胶配比和提拉速度对TiO2减反射膜的增透效果和薄膜的表面形貌有显著影响。研究得到,当乙醇添加量为20ml、水添加量为3ml、溶液pH为4时TiO2减反射膜的透过率最大;且TiO2减反射膜表面致密,表面粗糙度为2.607nm,最大凸起峰值为26.73nm。(2)非金属氮掺杂改变了TiO2减反射膜的光学特性。紫外-可见光谱分析表明:氮掺杂的TiO2减反射膜在可见光区的增透效果明显,薄膜对可见光的吸收边产生红移现象,薄膜吸收边红移的大小与掺杂量有一定的关系,当氮掺杂增大到一定量后吸收边的红移减弱。研究得到,氮掺杂量为0.1g时薄膜的增透效果最明显,采用拟合公式(?)得到TiO2减反射膜的光学带隙为3.486,氮掺杂的TiO2减反射膜的光学带隙为3.374,氮掺杂后引入杂质能级改变了TiO2减反射膜光学带隙;原子力显微镜分析显示:氮掺杂TiO2减反射膜比未掺杂TiO2减反射膜的表面更加致密平整,粗糙度仅为1.780nm,最大凸起峰值为16.69nm。(3)表面活性剂聚乙二醇改变了TiO2薄膜的结构及形貌。紫外-可见光谱分析表明:聚乙二醇的添加量、煅烧温度对TiO2减反射膜的透过率有很大的影响。研究发现,表面活性剂量过多过少、煅烧温度过高过低都不利于薄膜的增透效果,当煅烧温度为500℃,PEG2000添加量0.1g、PEG4000添加量0.1g、PEG6000添加量0.05g时薄膜有良好的增透效果;原子力显微镜分析显示:添加聚乙二醇的TiO2薄膜表面形成疏松多孔结构,孔的大小随聚乙二醇添加量的多少有关,随聚乙二醇添加量的不断增多薄膜表面疏松、平整度差,适量添加聚乙二醇有利于改变薄膜的结构及形貌。(4)镀氮掺杂TiO2减反射膜的硅太阳能电池转化效率最高。镀氮掺杂TiO2减反射膜和镀添加PEG4000TiO2减反射膜的太阳能电池转化效率与镀膜前相比分别提高了1.6和1.08倍,镀各种薄膜的太阳能电池转化效率η的大小顺序为:η氮掺杂>ηPEG4000>ηTiO2>ηPEG2000>η电池>ηPEG6000,结果显示氮掺杂TiO2薄膜的光能利用率最大,能够更大的提高硅太阳能电池的转化效率,而添加PEG6000的TiO2减反射膜降低了太阳能电池的转化效率,其有待进一步通过改善工艺条件改变薄膜的性能,提高电池的光电特性。
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