[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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GaInP/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。

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究并不多见，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。

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

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。

本发明中，高折射率薄膜材料选自折射率为1.8~2.1的溶胶-凝胶法制备的ZrO₂、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1.65~1.75的溶胶-凝胶法制备的Al₂O₃、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1.15~1.45的溶胶凝-胶法制备的SiO₂或MgF₂材料中的一种或几种。