【摘要】：太陽能是可再生清潔能源,被寄望于解決能源枯竭與環(huán)境污染等問題。光伏電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷�。在光伏電池組件中,由于空氣與電池窗口玻璃的折射率差異,其界面處存在嚴重的光反射,斜入射情況下將更加顯著。因此,減少因光反射造成的能量損失是提升電池性能的關(guān)鍵。人們常利用光學(xué)干涉原理,制備1/4波長的低折射率減反射層,然而這只能在較窄的波段獲得低反射率。受到飛蛾眼睛的啟發(fā),人們在材料表面研制微納米結(jié)構(gòu),即蛾眼結(jié)構(gòu),以獲得從空氣到襯底的漸變折射率,實現(xiàn)寬光譜、廣角度的減反射。前期的工作中,研究者大多利用納米壓印或微鑄造方法在聚合物薄膜上構(gòu)筑蛾眼結(jié)構(gòu),雖具有優(yōu)異的減反效果,但機械強度欠佳,難以適應(yīng)常規(guī)光伏組件在戶外的嚴苛需求。本文中,利用自組裝的金屬納米顆粒作為掩模,在玻璃表面直接干法刻蝕獲得納米尺度的三維(3D)蛾眼結(jié)構(gòu),獲得如下簡要結(jié)果:(1)退火使Cu薄膜收縮轉(zhuǎn)變成納米顆粒。氫氣含量的增加有利于生成尺寸一致、形狀規(guī)整的Cu納米顆粒。顆粒直徑隨薄膜厚度的增加而增加,顆粒密度與占空比則呈相反的趨勢。400-600℃的溫度范圍及10-60 min的時間范圍不影響顆粒的形貌。(2)在感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)中,延長刻蝕時間會增加納米錐的高度,有利于光的透過。但是過長的刻蝕時間也會造成納米掩模的損耗,進而破壞蛾眼結(jié)構(gòu)。過厚的薄膜由于形成的顆粒直徑較大,會增加納米錐頂部直徑,對減反射不利。而薄膜過薄則耐刻蝕能力不足。因此,需權(quán)衡選取薄膜厚度與刻蝕時間。本文中ICP刻蝕的單面蛾眼玻璃其透過率可達96%以上,而雙面刻蝕的樣品透過率分別可達99%,在400-670 nm的波段超過99.5%。反應(yīng)離子束刻蝕(RIE)由于其頂部光學(xué)平臺的存在,且刻蝕深度較低,減反射效果相比ICP刻蝕的樣品較差。(3)所制備的蛾眼玻璃可在300-1100 nm波段降低電池表面的光反射,在570-950 nm范圍內(nèi)可獲得3%的反射率。電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)在正入射時相對提升4.6%,60~o入射時相對提升9.9%,體現(xiàn)出蛾眼玻璃優(yōu)異的寬光譜、廣角度減反射能力。(4)蛾眼玻璃的水接觸角約為0~o,具備優(yōu)異的超親水自清潔和防霧性能,這對提升光能利用效率十分有益。(5)風沙測試和鉛筆硬度測試證實了蛾眼結(jié)構(gòu)優(yōu)異的機械強度,這有助于光伏組件在戶外的長期應(yīng)用。本文通過金屬薄膜熱退火及ICP刻蝕的方法,簡單高效地制備了仿生3D蛾眼玻璃,該玻璃不僅具有優(yōu)異的減反射性能,且具備超親水自清潔、防霧特性與優(yōu)異的機械性能,不僅可以用于提升光伏電池組件的效率,還可以應(yīng)用在汽車后視鏡、光學(xué)透鏡、有機發(fā)光二極管(OLED)等領(lǐng)域。
【圖文】：

132.76 億噸石油當量，過去 10 年平均增長率為 1.8%，其中中國已連續(xù) 16 年成為全球增速最快的能源市場。人們通常將能源分為傳統(tǒng)能源和新能源兩大類。前者主要包括石油、煤炭和天然氣等化石能源；后者主要包括太陽能、生物質(zhì)能、風能和地熱能等可再生能源[2]。當前世界能源消費結(jié)構(gòu)中，化石能源占比約 87.9%，處于主導(dǎo)地位。然而，傳統(tǒng)能源在地球上儲量有限，具有不可再生性[3]。當前探明的石油、煤炭、天然氣儲量均僅能滿足幾十年的消費需求[4, 5]。中國是世界上最大的發(fā)展中國家，人口眾多、經(jīng)濟發(fā)展迅猛，，然而人均資源占有量卻遠遠低于世界平均水平，能源短缺問題更為突出[6]。另一方面，化石能源燃燒過程中產(chǎn)生的 SOX、NOX、CO 等有有毒氣體及顆粒污染物排放到空氣中，嚴重危害人類健康[7]，比如有研究表明空氣中 PM2.5 濃度與肺癌發(fā)病率呈現(xiàn)強烈的正相關(guān)性[8]；所產(chǎn)生的 CO2是主要的溫室氣體，導(dǎo)致全球氣候變暖、氣象災(zāi)害頻發(fā)[9]。

比上一年增長了 14.1%，且實現(xiàn)了連續(xù)多年的高速增長[10]。目前太陽能在可再生能源中占比為 18%，但是上一年卻貢獻了 32%的增長。2017 年全球光伏發(fā)電量已經(jīng)達到 130GW 以上[11]。利用太陽能作為動力的太陽能汽車、太陽能飛機等高科技產(chǎn)品受到科技界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[12]。光伏電池原理與性能表征目前人們對于太陽能的利用方式主要分為 2 種[13]，一種是通過光熱效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗右岳�，另一種則是利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�。也有通過人工光合成途徑將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的研究[14]，不過目前仍主要處于實驗室階段，較少工業(yè)化應(yīng)用。太陽能電池即為利用光伏效應(yīng)，將入射的太陽光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷虼艘脖环Q為光伏電池。本文以經(jīng)典的單晶硅電池為例，闡明光伏發(fā)電的原理。其基本結(jié)構(gòu)如圖 1.2（a）所示[15, 16]。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4;TQ171.1

【參考文獻】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 董曉軒;隨機陣列納米蛾眼減反結(jié)構(gòu)的制備及應(yīng)用研究[D];蘇州大學(xué);2013年

2 王軍軍;納米結(jié)構(gòu)TiO_2薄膜的制備及其超親水自清潔特性研究[D];西北師范大學(xué);2011年

本文編號：2611073