基于SiO2微孔薄膜耦合ZnO纳米棒的自清洁结构改善太阳能电池性能的方法

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及到一种新的sio2微孔薄膜耦合zno纳米棒的自清洁结构改善太阳能电池性能的方法。

背景技术：

1、近年来，随着地球非可再生能源的过度开发以及环境污染程度的不断加深，世界各国都开始不断地调节和更新能源产业结构。为了应对能源枯竭和环境污染这一关乎人类生存的重要问题，一个亟待解决的问题是如何获得低廉并且对环境友好的清洁能源。开发太阳能是实现这一目标的有效手段。这主要是因为地球表面接受的光辐射能量为1.2×1017w，而目前世界的所有能源总产能仅为1.4×1013w。太阳能电池则被广泛认为是利用太阳能最有效的手段之一。

2、由于光伏组件占地面积较大且对日照条件要求苛刻，越来越多的太阳能发电站选择安装在人烟稀少但是自然环境较为恶劣的多尘地区，比如荒凉的戈壁和沙漠地带。这些地方有着极其丰富的太阳能资源，同时由于那里的土地很难用作其他的用途，太阳能电站的安装无疑也极大地提高了土地利用率。然而，光伏电池组件所处的自然环境中广泛存在着灰尘、粉尘等固体微颗粒，容易被太阳能面板表面所吸附，对光伏发电系统的转换效率和使用寿命产生着严重影响。研究表明，影响光伏组件能量转换效率的最重要的因素是灰尘积聚。同时，附着在电池表面的雨水会对光线进行折射与反射也会大大降低光电转换效率。依靠传统后清洁方式(人工大面积冲刷、清洗、擦拭)清洁光伏器件，不仅会损耗大量的人力物力财力，而且可能会造成光伏电池组件损坏。污染物的长期附着不但清洁困难，还有可能引起热斑效应，损坏光伏组件，进而降低电池的使用寿命。根据我们前期的调研发现，目前中国绝大多数的光伏电池器件采取人工擦拭的方法去除污染，擦拭频率由各地的污染程度不同而存在较大的差异。其中，在山东曲阜地区甚至达到每周一次。因此，在太阳能板表面引入超疏水自清洁薄膜则成为一种潜在有效的清洁手段。

3、自1997年德国植物学家barthlott和neinhuis首次报道了荷叶表面微结构与荷叶表面自清洁功能的关系以后，越来越多的研究人员将目光放在了仿生超疏水自清洁功能层上。一般来说，超疏水表面与水滴或灰尘接触时，只存在很小的接触面积，导致表面污染物在气流或水滴等外力的作用下易被清走，从而达到表面自清洁的效果，即为“荷叶自清洁效应”，从结构方面来解释，荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角，导致水滴极易滚落。水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象，在自清洁过程中起到了一个至关重要的作用：水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘，从而达到自清洁的效果。将其应用到器件表面，则能大大降低表面清洁所需的能耗。

4、2024年，张惠等人参考天然荷叶表面，利用聚二甲基硅氧烷(pdms)弹性体作为软模板，结合紫外光固化技术制备出具有微乳凸结构的超疏水表面，其表面静态水接触角达到了150°。2015年，fang，y等人研究了蝶翼表面的微观结构、润湿性，在cassie方程的基础上，建立了蝶翼表面疏水性的微纳结构模型。2020年，张德虎等采用溶胶凝胶法，通过控制四乙氧基硅烷与聚丙烯乙二醇聚的混合比例在衬底材料上制备一层硅膜并对其加以修饰后，得到静态水接触角为159°的超疏水硅膜。2019年刘鹏飞等采用水热法，用甲酰胺和锌片在石墨表面制备出蒲公英状氧化锌薄膜静态水接触角可达155°。2014年，费婷等采用模板沉积法，经十六烷基三甲氧基硅烷(ctms)改性处理后制得超疏水透明涂层。其静态水接触角高达166.1°。2022年，saini等人利用纳米tio2，对tio2薄膜的自清洁特性进行了深入研究，发现薄膜的自清洁能力非常明显，其存在能够提高约4％的发电量。elminir等人通过对自清洁原理的详细研究以及太阳能表面粉尘对其系统性能的影响的估计，发现无法进行自清洁的光伏发电系统其输出功率每月下降约17.4％。

5、现今对光伏器件的研究主要聚焦于器件改良和新型器件研发等，而对光伏器件的粉尘污染带来的影响尚未给予足够的重视并且少有文献报道。因此，本发明聚焦于降低粉尘污染对光伏器件带来的影响。

6、本发明以太阳能电池为主体，构造分级清洁结构实现光伏组件的自清洁功能，以此来降低粉尘污染对光电转换效率的影响。本发明在太阳能电池的迎光面构筑具有高透光的sio2微孔膜耦合zno纳米棒的分级自清洁结构。首先，选取适当的原材料和溶剂，在fto玻璃基底上旋涂一层聚苯乙烯@二氧化硅混合悬浊液，然后通过高温煅烧使聚苯乙烯微球消失，在sio2薄膜上留下微米孔洞，接着在sio2微孔膜上旋涂zno种子液，采用水热沉积法生长zno纳米棒，构造微纳分级复合结构，从而实现光伏器件的自清洁功能，避免粉尘污染影响光伏器件的性能。该仿生微纳结构还有望将应用扩展到玻璃幕墙和汽车挡风玻璃等领域的防尘自清洁。

技术实现思路

1、为了解决光伏器件表面易受灰尘、粉尘等固体微颗粒污染物的影响，本发明提出了一种具有高透光的sio2微孔膜耦合zno纳米棒的分级自清洁结构改善太阳能电池性能的方法。该薄膜结构与现有自清洁结构相比，在保证微纳分级复合结构具有超疏水性的同时，透光性能得到明显改善。

2、本发明的第一目的在于获得制备sio2微孔薄膜耦合zno纳米棒的自清洁薄膜的方法；

3、本发明的第二目的在于获得一种基于sio2微孔薄膜耦合zno纳米棒的自清洁结构处理的光伏器件使之非常适用于太阳能电池方面。

4、本发明的第一方面，提供了一种制备sio2微孔薄膜耦合zno纳米棒的自清洁薄膜的方法，用于改善太阳能电池性能，其步骤包括：

5、(1)将fto导电玻璃依次用去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各进行40min的超声清洗，氮气吹干后在氧等离子体清洗仪腔体中清洁15min，得到洁净干燥的fto；

6、(2)采用溶胶-凝胶法制备平均球径为10nm的二氧化硅小球悬浊液，按比例在浊液中加入一定体积的平均球径为800nm的聚苯乙烯小球悬浊液，获得聚苯乙烯@二氧化硅混合悬浊液；

7、(3)取fto玻璃基底上置于匀胶机上，匀胶机转速为6070r/min，均匀悬滴聚苯乙烯@二氧化硅混合悬浊液105μl，旋涂结束后在350℃热台上30min左右高温去除聚苯乙烯微球。在sio2微孔薄膜上旋涂zno种子液，之后放入90℃恒温水浴锅中生长一定时间。将zno纳米棒生长完成后的fto玻璃基底在500℃下高温退火1h；

8、(4)准备一套大小规格合适的玻璃培养皿，清洗干净，将一个玻璃培养皿放到真空干燥器底部，在培养皿中滴加50μl十七氟癸基三甲氧基硅烷。将另一个玻璃培养皿放置于真空干燥器中间带孔的陶瓷隔板上，并将待修饰样品放到培养皿中。用凡士林简单处理真空干燥器封口处，盖好真空干燥器，确保其完全密封。将真空干燥器和真空泵连接起来，调整真空干燥器上的玻璃活塞，打开真空泵，抽真空10min左右，关闭真空干燥器上的活塞。将整个真空干燥器轻轻拿起放到烘干箱中，让其在95℃的温度下反应一定的时间。待烘干箱停止工作，冷却至室温后即修饰完成。

9、本发明的第二方面，获得一种基于sio2微孔薄膜耦合zno纳米棒的自清洁结构改善的光伏器件，其步骤包括：

10、(1)将fto玻璃基板在去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇中超声处理40分钟。氮气吹干后再用紫外线臭氧处理fto玻璃基板15分钟，得到洁净干燥的fto；

11、(2)根据光伏器件的具体类型(如钙钛矿、硫化物、硒化物等)，选择合适的沉积方法(如旋涂、热蒸发、水热沉积等)将光伏吸收层材料沉积在sio2微孔薄膜耦合zno纳米棒的自清洁结构上；

12、(3)在光伏吸收层上方依次沉积空穴传输层和电子传输层，具体材料和沉积方法根据器件设计而定；

13、(4)采用热蒸发或磁控溅射等方法制备背电极(如金、银、铝等)，厚度约为10nm；

14、(5)按标准工艺封装制备完成的器件。

15、本发明与现有技术相比，有以下优点和积极效果：

16、(1)本发明创新性地构建了sio2@zno网状微孔薄膜的分级自清洁结构，sio2薄膜上独特的微米孔洞结构，可以增加薄膜的透光率，从而在微纳复合结构确保超疏水性的同时，提高电池的光电转换效率；

17、(2)本发明中sio2微米孔洞结构起到了类似凹透镜的作用，能够将太阳光在自由空间范围内重新分布并聚焦，从而显著提高入射光的光照强度，间接增强了该结构的透光性能，从而提高电池的光电转换效率；

18、(3)本发明为太阳能电池的超疏水薄膜的研发和光伏应用提供了新的思路和方法；

19、(4)本发明所选用的zno纳米棒材料在紫外光波段具有较大的“吸收率”，可以大大减少紫外光对光伏器件的损害，且zno在吸收紫外光后，会发射可见光，从而增加光的“透射率”；

20、(5)本发明方法简单，成本相对低廉，易于实现。