新研发的CaF2减反射薄膜,可用于优化太阳能组件的电性能!

   电子分析员        

氟化钙(CaF2)是通过真空热蒸发沉积在硼硅酸盐玻璃上,以产生一种用于太阳能组件的防反射薄膜。Macleod的基本模拟用于优化玻璃上的CaF2薄膜的厚度。实验表明,在约350 ~ 1100 nm的波长光谱范围内,120±4 nm的玻璃表面CaF2薄膜与未涂膜玻璃(Un CG)相比,平均透过率增加了约4%,反射率减少了约3.2%。研究人员分析了caf2涂层玻璃(CaF2-CG)在传统光伏组件和轻型光伏组件应用中的电性能。用CaF2-CG玻璃代替Un CG后,短路电流(Jsc)由38.13 mA/cm2提高到39.07 mA/cm2,效率(η)提高2.40%。在轻量组件中,将极薄的CaF2-CG放置在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和太阳能电池之间,可以观察到Jsc增强从35.63 mA/cm2到36.44 mA/cm2,η提高2.32%。


相关论文以题为“Optical Properties of CaF2 Thin Film Deposited on Borosilicate Glass and Its Electrical Performance in PV Module Applications”发表在《 Applied Sciences 》上。




研究背景


一个典型的光伏组件可以分为传统组件和轻型组件。在传统的模块中,玻璃被用作顶盖,约占模块重量的70%。相反,在轻质c-Si光伏组件中,玻璃被丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯:PMMA)或其他聚合物取代,使此类组件能够用于必须限制PV组件重量的应用中。反射损耗是影响光伏组件有效效率的主要问题之一。玻璃和PMMA的前表面约有8%的反射损失,因为它们的高折射率比空气高。这个问题可以通过在玻璃前表面使用超低折射率(比玻璃低很多)的抗反射涂层(ARC)材料来解决。电弧的使用已经被认为是各种光学和光伏面板应用的关键。一种简单且具有成本效益的电弧包括具有适合所需波长光谱的折射率的材料的单层涂层。在此背景下,氟化物和氧化物材料的光学膜由于具有较高的带隙而得到了广泛的研究。光学涂料已广泛应用于光电子,光学,光伏组件等领域。


研究目的


近年来,氟化镁(MgF2)由于其低折射率(600 nm处n = 1.37),适合应用于光伏组件前盖的电弧引起了人们的广泛关注;然而,它被证明在户外环境不怎么耐用。CaF2属于一类类似的材料,由于其较低的折射率(在600 nm处为1.43),与玻璃衬底相比,已经得到了光学团体的广泛研究。它还具有从130到10000 nm的宽透射光谱。此外,与MgF2[14]相比,它在水中的溶解度更低,考虑到对环境条件的耐化学性,这可能是一个重要因素。此外,它也被用于户外条件下的电弧,光学应用,红外成像系统,和光刻系统。因此,研究人员对CaF2作为光伏组件电弧的应用进行了探索。值得注意的是,优异的电弧表面均匀性很大程度上依赖于沉积技术。许多用于在衬底上沉积CaF2薄膜的技术已经被引入,如电子束蒸发,射频磁控溅射,分子束外延,脉冲激光沉积和热离子真空电弧。在这些技术中,热蒸发因其具有大面积沉积、低温、工艺简单等优点而被认为是最适合的,是一种廉价的制备工艺。


研究人员采用真空热蒸发法在硼硅酸盐玻璃(BSG)上沉积了CaF2涂层。在此过程中,衬底以恒定的速度倾斜和旋转,导致材料的均匀沉积。电弧的厚度首先使用Essential Macleod模拟工具进行优化。用紫外-可见光谱法研究了玻璃衬底上热蒸发CaF2的光学性质。通过将传统光伏组件中的caf2涂层玻璃(CG)替换为未涂层玻璃(Un CG),并在轻量光伏组件中的PMMA和SC之间放置薄薄的CaF2-CG,比较了太阳能电池(SC)的电学性能。


CaF2薄膜结构表征


研究人员使用电子显微镜观察薄膜的形态。玻璃上的CaF2薄膜的横截面FE-SEM图像清晰地显示在图1a中。该图像显示了电弧厚度、电弧均匀性以及涂层与基体之间的相互作用等信息。使用x射线衍射仪(Bruker, D8 Advance, Turbo x射线源18kw)记录了2θ范围20 ~ 70°范围内的x射线衍射(XRD)图谱。玻璃上CaF2薄膜的典型XRD衍射图谱如图1b所示。结果表明CaF2薄膜为多晶,峰值为111,这与Bannon和Coogan的结果一致。随后在49.6和55.6处的衍射线分别被确定为CaF 2相的220和311反射。



图1. (a)CaF 2薄膜的横截面FE-SEM图像;(b)CaF 2膜的XRD图。


CaF2薄膜的反射率,透过率和吸光度


反射率的计算公式如下:


R(λ)=100−T(λ)−A(λ)


其中T为透射率,A为λ波长处的吸光度。


联合国CG显示平均透射率和反射率的~ 91%和8.1%,分别在大范围从350 ~ 1100纳米(图2),而CaF2-CG显示改善的透射率和反射率~ 95.7%和4.3%,分别在广泛的~ 350 - 1100 nm如图2 b。观察到的结果与Hahn等人报道的结果很一致,并表现出结果的改进,正如Cetin等人在真空蒸发CaF2研究中讨论的那样。在600 nm处,观察到的吸光度最小(约0.015%),与预期相当低。



图2.模拟光谱和实验光谱的比较:(a)未包覆的和(b) caf2包覆的硼硅酸盐玻璃(BSG)。


CaF2薄膜入射角和折射率


光伏板的光学特性主要取决于入射角。不同入射角对Essential Macleod计算的CaF2-CG反射率和透射率的影响如图3a所示。从图中可以看出,从低入射角到高入射角,反射率增大,透过率减小。



图3.(a)不同入射角对反射率和透射率的影响;(b)的折射率。


折射率(n)提供了有关局域场、电子极化和光在材料内部传播的相速度的知识。折射率取决于涂层的沉积工艺,因为材料的质量密度和晶体取向会影响n。Lorentz-Lorenz方程提供了n随薄膜密度增加而增加的信息。如图3b所示,宽波长范围内caf2涂层膜的n对BSG的依赖关系。研究人员用柯西模型拟合VB-250瓶椭偏仪的数据,以确定生产的CaF2薄膜的n值。样品在600 nm处的折射率约为1.39,表明CaF2-CG的透明度约为95%。真空热蒸发处理的折射率比文献和块状材料的折射率有较好的改善。


传统的模块


将CaF2-CG放置在SC上,分析电弧的性能,如图4所示。该结构代表了传统的模块模型,其中联合国CG被CaF2-CG取代。



图4.太阳能电池上caf2涂层的BSG代表传统的光伏组件模型。


表1显示了SC上Un CG和CG样本的不同PV参数的比较,有平均值和相应的标准差值。在记录5个不同样品的性能数据后,对数据进行分析。


表1.太阳能电池(SC)、caf2覆膜玻璃(CG)/SC和未覆膜玻璃(Un CG)/SC在1个太阳照度下测量的不同电参数的比较(100 mW/cm2)。



统计分析


分析表明,在玻璃上喷涂电弧后,Jsc和η合金得到了合理的改善。SC的CG Jsc平均和标准偏差为39.03±0.45,20.39±0.24的有效η,分别与SC在联合国CG Jsc和标准偏差为38.10±0.43,一个有效的η为19.88±0.24,分别如图5所示。重量轻的CG偶联增强了[32]结构的Jsc和η。与Un CG相比,电弧对玻璃的透射率提高约4%,有效η提高2.40%。Un CG和SC上CG在1个太阳光照(100 mW/cm2)下测量的电流-电压(J-V)曲线之间的关系如图5b所示。



图5.(a) Jsc和η在SC、CG/SC和Un CG/SC上的统计分析。图表显示了来自五个不同细胞的数据,用标准差值进行了分析;(b) SC、CG/SC和Un CG/SC的J-V特征。


结论


综上所述,研究人员成功地研究了硼硅酸盐玻璃基板上真空热蒸发CaF2电弧的光学性质。用Macleod模拟方法模拟了未涂层和CaF2-CG的光学特性,并进行了实验比较。此外,CaF2-CG的电性能分析用于传统和轻型模块的应用。结果表明,短路电流密度和模块效率得到了合理的改善。由于CaF2的溶解度较MgF2低,玻璃上的CaF2-电弧有利于提高太阳能电池组件的电学性能,并可有效地应用于两种类型的光伏组件(传统和轻型)。CaF2-ARC表现出良好的耐候性。此外,在涂层表面进行退火、六甲基二硅烷等多种处理,可以进一步改善玻璃材料的光学性能和环境可持续性。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/16/5647/htm



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