一种高红外光谱反射纳米复合膜层及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于太阳能电池降温技术领域，尤其涉及一种高红外光谱反射纳米复合膜层及 其制备方法与应用。


背景技术：

2.太阳能电池是利用太阳能的重要形式。太阳能主要集中分布在波长为400nm～2500nm 的光谱中，按照太阳光谱能量被太阳能电池转换的形式来划分可以将太阳光谱划分为响应 光谱和红外光谱两部分。太阳光谱中光子能量大于半导体带隙的太阳光被太阳能电池转化 为电能，该部分太阳光谱被称为响应光谱。而太阳光谱中其余的红外低能光子只能被太阳 能电池转化为热能而非电能，该部分太阳光谱被称为红外光谱。以硅基太阳能电池为例， 响应光谱为400～1100nm，红外光谱为1100～2500nm。在太阳光照射下，红外光谱会被 太阳能电池吸收转换为热能来加热太阳能电池，从而降低光伏电池效率并损害器件寿命。
3.目前常见的降低太阳能电池温度的方法是从散热端出发，即通过在光伏电池背板上固 定散热器、水冷或者风冷装置。但是在弱自然对流区域，在光伏电池背板上固定散热器的 方法散热能力有限。而对于在光伏电池背板上固定水冷或者风冷装置方法的降温能力不会 受限于区域，但是该方法会额外增加机械组件。


技术实现要素：

4.为解决现有太阳能电池降温方法效率低或需额外增加机械组件的问题，本发明提供了 一种高红外光谱反射纳米复合膜层及其制备方法与应用。
5.本发明的技术方案：
6.一种高红外光谱反射纳米复合膜层，由至少两种不同折射率且不同厚度的h膜层和l 膜层交替叠加2～14层构成，所述h膜层在300～550nm的具体折射率在2.4～2.8范围内， 在550～2500nm的具体折射率在2.2-2.4范围内；所述l膜层在300～2500nm的具体折射 率为1.4～1.5范围内。
7.进一步的，所述h膜层由tio2构成，所述l膜层由sio2构成。
8.进一步的，所述叠加层数为2、4或14层。
9.进一步的，由tio2构成的h膜层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成双层薄膜，第 一层膜为h膜层，厚度为80～100nm；第二膜层为l膜层，厚度为40～60nm。
10.进一步的，由tio2构成的h膜层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成四层薄膜，第 一层膜为h膜层，厚度为60～80nm；第二膜层为l膜层，厚度为20～40nm；第三层膜为 h膜层，厚度为5～25nm；第四膜层为l膜层，厚度为20～40nm。
11.进一步的，由tio2构成的h膜层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成十四层薄膜， 第一层膜为h膜层，厚度为50～70nm；第二膜层为l膜层，厚度为210～240nm；第三层 膜为h膜层，厚度为5～25nm；第四膜层为l膜层，厚度为20～40nm；第五层膜为h膜 层，厚度为150
～170nm；第六膜层为l膜层，厚度为20～40nm；第七层膜为h膜层，厚 度为10～30nm；第八膜层为l膜层，厚度为230～250nm；第九层膜为h膜层，厚度为 10～30nm；第十膜层为l膜层，厚度为10～30nm；第十一层膜为h膜层，厚度为120～160nm； 第十二膜层为l膜层，厚度为10～20nm；第十三层膜为h膜层，厚度为5～25nm；第十四 膜层为l膜层，厚度为70～90nm。
12.一种本发明提供的高红外光谱反射纳米复合膜层的制备方法，步骤如下：
13.步骤一、制备h膜层；
14.利用磁控溅射法制备h膜层，采用直流反应，溅射气体为氩气，反应气体为氧气， 将真空室抽真空至2
×
10-3
pa，先后充入高纯氩气和氧气并使流量保持恒定，形成混合气 体；制备过程中在真空室内的总气压为2pa，制备时溅射电流为0.5～1.0a，溅射电压为
ꢀ‑
200～-400v，根据所需h膜层的厚度控制溅射时间，制备得到不同厚度的h膜层；
15.步骤二、制备l膜层；
16.利用磁控溅射法制备l膜层，采用中频交流电源，溅射气体为氩气，将真空室抽真 空至1
×
10-3
pa，加热靶材，待其温度稳定后先向真空室内通入氩气，并调节真空室内气 压为4～6pa，打开中频电源进行预溅射，待辉光稳定后通入氧气，调大溅射功率进行溅 射，根据所需l膜层的厚度控制溅射时间，制备得到不同厚度的l膜层；
17.步骤三、制备纳米复合膜层；
18.根据h膜层和l膜层叠加顺序及厚度要求，按照步骤一提供的磁控溅射方法和步骤 二提供的磁控溅射方法逐层交替制备h膜层和l膜层，得到高红外光谱反射纳米复合膜 层。
19.进一步的，步骤一所述磁控溅射法制备h膜层的溅射靶材为钛靶，溅射过程中钛靶 温度为室温；所述氩气的流量为80cm3/min，所述混合气体中氩气和氧气的体积比为4:1； 所得h膜层经400～500℃氩气氛围退火60～90min。
20.进一步的，步骤二所述磁控溅射法制备l膜层的溅射靶材为二氧化硅靶，所述靶材 的加热温度为100℃，所述氩气和氧气的流量比为80:20，通入气体的总流量为100sccm； 所述预溅射的功率为300w，所述溅射功率为1026w。
21.一种本发明提供的高红外光谱反射纳米复合膜层在太阳能电池降温中的应用。
22.进一步的，所述应用是将高红外光谱反射纳米复合膜层设置在太阳能电池表面。
23.进一步的，所述太阳能电池为硅基太阳能电池，其结构由上至下依次为ag层-p型硅 层-n型硅层，所述高红外光谱反射纳米复合膜层设置在n型硅层表面。
24.本发明的有益效果：
25.本发明通过合理地选择高折射率膜层材料和低折射率膜层材料、膜层层数和膜层厚度 制备的纳米复合膜层，对红外光谱的反射率达到70～85％，将其设置于太阳能电池表面， 能够反射掉太阳光谱中被太阳能电池转化为热能而非电能的红外低能光子，阻止其被太阳 能电池吸收转换成热能，进而能够降低太阳能电池温度，提高了太阳能电池的光电转化效 率及使用寿命。同时，本发明提供的纳米复合膜层还能够降低太阳能电池的响应光谱的反 射损失，从而进一步提高了太阳能电池的光电转化效率。
26.本发明从太阳能源头输入端出发，通过对红外光谱具有高反射率的纳米复合膜层对太 阳能电池表面进行纳米结构改进，无需增加水冷、风冷装置即可实现太阳能电池的降温， 降低了太阳能电池整体成本，具有广阔的应用前景。
附图说明
27.图1为设有本发明纳米复合膜层的太阳能电池的太阳光全光谱吸收和反射示意图；
28.图2为传统的太阳能电池的太阳光全光谱吸收和反射示意图；
29.图3为设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的反射率结果图；
30.图4为设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池的反射率结果图；
31.图5为设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池的反射率结果图；
32.图6为传统的太阳能电池与设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的响应光谱反 射率对比图；
33.图7为传统的太阳能电池与设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的红外光谱反 射率对比图；
34.图8为传统的太阳能电池与设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池的响应光谱反 射率对比图；
35.图9为传统的太阳能电池与设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池的红外光谱反 射率对比图；
36.图10为传统的太阳能电池与设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池的响应光谱反 射率对比图；
37.图11为传统的太阳能电池与设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池的红外光谱反 射率对比图；
38.图12为传统的太阳能电池与设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池与环境标准 25℃之间的温差对比图；
39.图13为传统的太阳能电池与设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的光电转换效 率对比图；
40.图14为传统的太阳能电池与设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池与环境标准 25℃之间的温差对比图；
41.图15为传统的太阳能电池与设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池的光电转换效 率对比图；
42.图16为传统的太阳能电池与设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池与环境标准 25℃之间的温差对比图；
43.图17为传统的太阳能电池与设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池的光电转换效 率对比图；
44.图中，1、硅基太阳能电池ag层，2、p型硅层，3、n型硅层，4、纳米复合膜层。
具体实施方式
45.下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发 明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在 本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规 设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明， 本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
nm的具体折射率在2.2-2.4范围内；所述l膜层在300nm-2500nm的具体折射率为1.4～1.5 范围内。
74.本实施例纳米复合膜层的制备方法包括如下步骤：
75.步骤一、制备由tio2构成的h膜层；
76.利用磁控溅射法制备由tio2构成的h膜层，采用直流反应，溅射靶材为钛靶，溅射 过程中钛靶温度为室温；溅射气体为氩气，反应气体为氧气，将真空室抽真空至2
×
10-3
pa， 先后充入高纯氩气和氧气，调节针阀使流量保持恒定，所述氩气的流量为80cm3/min， 所述氧气流量为20cm3/min，形成氩气和氧气的体积比为4:1的混合气体；溅射过程中在 真空室内的总气压为2pa，制备时溅射电流为0.5～1.0a，溅射电压为-200～-400v，根据所 需h膜层的厚度控制溅射时间，制备得到不同厚度的h膜层；所得h膜层经400～500℃ 氩气氛围退火60～90min。
77.步骤二、制备由sio2构成的l膜层；
78.利用磁控溅射法制备由sio2构成的l膜层，采用中频交流电源，溅射靶材为二氧化 硅靶，靶材首先在丙酮和污水乙醇中超声清洗30min，将靶材吹干后放入磁控溅射镀膜真 空室内，依次开启机械泵、分子泵，将真空室抽真空至1
×
10-3
pa；将靶材加热至100℃， 待其温度稳定后先向真空室内通入氩气，设置氩气的流量为80sccm，调节真空室内气压 为4～6pa，打开中频电源，以功率为300w进行预溅射，以去除靶材表面的杂质，待辉光 稳定后通入氧气，氧气的流量为20sccm，调大溅射功率至1026w，打开靶材上的挡板， 进行溅射，根据所需l膜层的厚度控制溅射时间，制备得到不同厚度的l膜层；
79.步骤三、制备纳米复合膜层；
80.根据h膜层和l膜层叠加顺序及厚度要求，按照步骤一提供的磁控溅射方法和步骤 二提供的磁控溅射方法逐层交替制备h膜层和l膜层，得到高红外光谱反射纳米复合膜 层。
81.本实施例将纳米复合膜层通过逐层磁控溅射方法设置于太阳能电池表面。以硅基太阳 能电池为基础，其结构由上至下依次为ag层-p型硅层-n型硅层，通过步骤一提供的制 备由tio2构成的h膜层的磁控溅射方法，在n型硅层表面形成第一层厚度为56nm的h 膜层，通过步骤二提供的制备由sio2构成的l膜层的磁控溅射方法在第一层h膜层的表 面形成第二层厚度为238nm的l膜层，在第二层l膜层表面形成第三层厚度为11nm的 h膜层，在第三层h膜层表面形成第四层厚度为36nm的l膜层，在第四层l膜层表面 形成第五层厚度为154nm的h膜层，在第五层h膜层表面形成第六层厚度为26nm的l 膜层，在第六层l膜层的表面形成第七层厚度为15nm的h膜层，在第七层h膜层表面 形成第八层厚度为245nm的l膜层，在第八层l膜层的表面形成第九层厚度为18nm的 h膜层，在第九层h膜层表面形成第十层厚度为22nm的l膜层，在第十层l膜层表面 形成第十一层142nm的h膜层，在第十一层h膜层表面形成第十二层厚度为13nm的l 膜层，在第十二层l膜层的表面形成第十三层厚度为17nm的h膜层，在第十三层h膜 层表面形成第十四层厚度为88nm的l膜层，得到设有本实施例高红外光谱反射纳米复合 膜层的太阳能电池。
82.目前产业化的太阳能光伏电池对太阳能的利用如图2所示，其响应光谱主要在 400～1100nm波段，而1100～2500nm波段的红外光谱对太阳能光伏电池来说是有害的，这 一部分太阳能会转化成为热，造成太阳能光伏电池温度升高、效率下降、寿命缩短等问题。
83.图1为设有本发明纳米复合膜层的太阳能电池的太阳光全光谱吸收和反射示意
图；如 图1所示，太阳能电池表面的纳米复合膜层能够提高太阳能电池在对响应波段 (400～1100nm)的吸收，同时提高其在红外光谱波段(1100～2500nm)的反射。
84.为了定量的表征实施例一、二、三得到的分别设有实施例一、二、三纳米复合膜层的 太阳能电池的反射率与传统太阳能电池反射率的大小，定义了光谱积分反射率均值其定义为
[0085][0086]
其中，r
λ
为光谱反射率；λ1、λ2为积分区间的起点和终点，在响应波段分别为400nm， 1100nm；在红外波段分别为1100nm，2500nm。
[0087]
实施例一：
[0088]
图3为设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的反射率结果图，显示了其在 400～2500nm的光谱反射率。图6为传统的太阳能电池与设有实施例一纳米复合膜层的太 阳能电池的响应光谱反射率对比图；从图6可知在大部分响应光谱，设有实施例一纳米复 合膜层的太阳能电池的光谱反射率大部分要低于传统的太阳能电池，根据公式(1)计算 可得，传统太阳能电池r
400～1100nm
为9.0％，设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的 r
400～1100nm
为6.93％。
[0089]
图7为传统的太阳能电池与设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的红外光谱反 射率对比图；从图7可知，传统太阳能电池在1100～1700nm波段的r
1100～1700nm
为23.1％， 而设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池在该波段的r
1100～1700nm
为78.34％。在红外光谱 (1100～2500nm)，设有实施例一纳米复合膜层的太阳能电池的r
1100～2500nm
为75.51％。因此， 实施例一提供的纳米复合膜层可以降低太阳能电池在响应光谱的反射率以及提高太阳能 电池在红外光谱的反射率。
[0090]
实施例二：
[0091]
图4为设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池的反射率结果图，显示了其在 400～2500nm的光谱反射率。图8为传统的太阳能电池与设有实施例二纳米复合膜层的太 阳能电池的响应光谱反射率对比图；从图8可知在部分响应光谱处，设有实施例二纳米复 合膜层的太阳能电池的光谱反射率要低于传统太阳能电池的光谱反射率，根据公式(1) 计算可得，传统的太阳能电池的r
400～1100nm
为9.0％，实施例二的r
400～1100nm
为9.1％。
[0092]
图9为传统的太阳能电池与设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池的红外光谱反 射率对比图；从图9可知，传统太阳能电池在1100～1700nm波段的r
1100～1700nm
为23.1％， 而设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池在该波段的r
1100～1700nm
为74.95％。在红外光谱(1100～2500nm)，设有实施例二纳米复合膜层的太阳能电池的r
1100～2500nm
为71.1％。因此， 实施例二提供的纳米复合膜层可以在不提高太阳能电池在响应光谱的反射率的同时提高 太阳能电池在红外光谱的反射率。
[0093]
实施例三：
[0094]
图5为设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池的反射率结果图，显示了其在 400～2500nm的光谱反射率。图10为传统的太阳能电池与设有实施例三纳米复合膜层的 太
阳能电池的响应光谱反射率对比图；从图10可知在部分响应光谱处，设有实施例三纳 米复合膜层的太阳能电池的光谱反射率要低于传统太阳能电池的光谱反射率。根据公式 (1)计算可得，传统的光伏电池的r
400～1100nm
为9.0％，实施例三的r
400～1100nm
为10.2％。
[0095]
图11为传统的太阳能电池与设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池的红外光谱反 射率对比图；由图11可知，传统太阳能电池在1100～1700nm波段的r
1100～1700nm
为23.1％， 而设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池在该波段的r
1100～1700nm
为80.8％。在红外光谱 (1100～2500nm)，设有实施例三纳米复合膜层的太阳能电池的r
1100～2500nm
为79.1％。因此， 本实施例三提供的纳米复合膜层可以在稍微提高太阳能电池在响应光谱的反射率的同时 显著提高太阳能电池在红外光谱的反射率。
[0096]
对于太阳能电池的温差计算和效率计算，根据am1.5太阳能光谱对太阳能光伏电池 的吸收率进行平均，即
[0097][0098]
其中s
λ
是am1.5太阳能光谱，a
λ
是太阳能电池的吸收率。对于ewt电池即发射极 环绕穿通(emitter-wrap-through，ewt)硅太阳能电池来说，
[0099]
电池吸收率式
[0100]acell
＝a
acaac
a
gragr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0101]
热效率计算式
[0102]aeff
＝a
cell-η
el
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0103]
温差计算式
[0104]
t
cell-t
amb
＝κa
effgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0105]
效率计算式
[0106][0107]
根据公式(2)～(5)分别计算了辐照度为500w/m2、600w/m2、700w/m2和800w/m2、 900w/m2、1000w/m2情况下的设有实施例一、二、三提供的纳米复合膜层的太阳能电池 及传统太阳能电池与环境温度为25℃时的具体温差，结果如图12、14、16所示。具有纳 米复合膜层的太阳能电池在同等辐照度下比传统电池温度升高的慢，与环境的温差相对更 小。由此可知，具有纳米复合膜层的太阳能电池降温效果明显。
[0108]
根据公式(2)～(6)分别计算了辐照度为500w/m2、600w/m2、700w/m2、800w/m2、 900w/m2、1000w/m2情况下的设有实施例一、二、三提供的纳米复合膜层的太阳能电池 的光电转换效率，结果如图13、15、17所示，由此可知同等辐照度情况下，具有纳米复 合膜层的太阳能电池光电转换效率比传统太阳能电池光电效率高。
[0109]
实施例四
[0110]
本实施例与实施例一的区别仅在于，本实施例的纳米复合膜层是由tio2构成的h膜 层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成的双层薄膜，第一层膜为h膜层，厚度为80nm； 第二膜层为l膜层，厚度为40nm。
[0111]
实施例五
[0112]
本实施例与实施例一的区别仅在于，本实施例的纳米复合膜层是由tio2构成的h
膜 层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成的双层薄膜，第一层膜为h膜层，厚度为100nm； 第二膜层为l膜层，厚度为60nm。
[0113]
实施例六
[0114]
本实施例与实施例二的区别仅在于，本实施例的纳米复合膜层是由tio2构成的h膜 层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成的四层薄膜，第一层膜为h膜层，厚度为60nm； 第二膜层为l膜层，厚度为20nm；第三层膜为h膜层，厚度为5nm；第四膜层为l膜层， 厚度为20nm。
[0115]
实施例七
[0116]
本实施例与实施例二的区别仅在于，本实施例的纳米复合膜层是由tio2构成的h膜 层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成的四层薄膜，第一层膜为h膜层，厚度为80nm； 第二膜层为l膜层，厚度为40nm；第三层膜为h膜层，厚度为25nm；第四膜层为l膜 层，厚度为40nm。
[0117]
实施例八
[0118]
本实施例与实施例三的区别仅在于，本实施例的纳米复合膜层是由tio2构成的h膜 层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成的十四层薄膜，第一层膜为h膜层，厚度为50nm； 第二膜层为l膜层，厚度为210nm；第三层膜为h膜层，厚度为5nm；第四膜层为l膜 层，厚度为20nm；第五层膜为h膜层，厚度为150nm；第六膜层为l膜层，厚度为20nm； 第七层膜为h膜层，厚度为10nm；第八膜层为l膜层，厚度为230nm；第九层膜为h 膜层，厚度为10nm；第十膜层为l膜层，厚度为10nm；第十一层膜为h膜层，厚度为 120nm；第十二膜层为l膜层，厚度为10nm；第十三层膜为h膜层，厚度为5nm；第十 四膜层为l膜层，厚度为70nm。
[0119]
实施例九
[0120]
本实施例与实施例三的区别仅在于，本实施例的纳米复合膜层是由tio2构成的h膜 层和由sio2构成的l膜层交替叠加构成的十四层薄膜，第一层膜为h膜层，厚度为70nm； 第二膜层为l膜层，厚度为240nm；第三层膜为h膜层，厚度为25nm；第四膜层为l 膜层，厚度为40nm；第五层膜为h膜层，厚度为170nm；第六膜层为l膜层，厚度为 40nm；第七层膜为h膜层，厚度为30nm；第八膜层为l膜层，厚度为250nm；第九层 膜为h膜层，厚度为30nm；第十膜层为l膜层，厚度为30nm；第十一层膜为h膜层， 厚度为160nm；第十二膜层为l膜层，厚度为20nm；第十三层膜为h膜层，厚度为25nm； 第十四膜层为l膜层，厚度为90nm。