仿生蛾眼减反射玻璃的研究及其在光伏中的应用
发布时间：2020-04-01 22:57
【摘要】：太阳能是可再生清洁能源,被寄望于解决能源枯竭与环境污染等问题。光伏电池是将太阳能直接转变为电能的器件。在光伏电池组件中,由于空气与电池窗口玻璃的折射率差异,其界面处存在严重的光反射,斜入射情况下将更加显著。因此,减少因光反射造成的能量损失是提升电池性能的关键。人们常利用光学干涉原理,制备1/4波长的低折射率减反射层,然而这只能在较窄的波段获得低反射率。受到飞蛾眼睛的启发,人们在材料表面研制微纳米结构,即蛾眼结构,以获得从空气到衬底的渐变折射率,实现宽光谱、广角度的减反射。前期的工作中,研究者大多利用纳米压印或微铸造方法在聚合物薄膜上构筑蛾眼结构,虽具有优异的减反效果,但机械强度欠佳,难以适应常规光伏组件在户外的严苛需求。本文中,利用自组装的金属纳米颗粒作为掩模,在玻璃表面直接干法刻蚀获得纳米尺度的三维(3D)蛾眼结构,获得如下简要结果:(1)退火使Cu薄膜收缩转变成纳米颗粒。氢气含量的增加有利于生成尺寸一致、形状规整的Cu纳米颗粒。颗粒直径随薄膜厚度的增加而增加,颗粒密度与占空比则呈相反的趋势。400-600℃的温度范围及10-60 min的时间范围不影响颗粒的形貌。(2)在感应耦合等离子体刻蚀(ICP)中,延长刻蚀时间会增加纳米锥的高度,有利于光的透过。但是过长的刻蚀时间也会造成纳米掩模的损耗,进而破坏蛾眼结构。过厚的薄膜由于形成的颗粒直径较大,会增加纳米锥顶部直径,对减反射不利。而薄膜过薄则耐刻蚀能力不足。因此,需权衡选取薄膜厚度与刻蚀时间。本文中ICP刻蚀的单面蛾眼玻璃其透过率可达96%以上,而双面刻蚀的样品透过率分别可达99%,在400-670 nm的波段超过99.5%。反应离子束刻蚀(RIE)由于其顶部光学平台的存在,且刻蚀深度较低,减反射效果相比ICP刻蚀的样品较差。(3)所制备的蛾眼玻璃可在300-1100 nm波段降低电池表面的光反射,在570-950 nm范围内可获得3%的反射率。电池的光电转换效率(PCE)在正入射时相对提升4.6%,60~o入射时相对提升9.9%,体现出蛾眼玻璃优异的宽光谱、广角度减反射能力。(4)蛾眼玻璃的水接触角约为0~o,具备优异的超亲水自清洁和防雾性能,这对提升光能利用效率十分有益。(5)风沙测试和铅笔硬度测试证实了蛾眼结构优异的机械强度,这有助于光伏组件在户外的长期应用。本文通过金属薄膜热退火及ICP刻蚀的方法,简单高效地制备了仿生3D蛾眼玻璃,该玻璃不仅具有优异的减反射性能,且具备超亲水自清洁、防雾特性与优异的机械性能,不仅可以用于提升光伏电池组件的效率,还可以应用在汽车后视镜、光学透镜、有机发光二极管(OLED)等领域。
【图文】：
132.76 亿吨石油当量，过去 10 年平均增长率为 1.8%，其中中国已连续 16 年成为全球增速最快的能源市场。人们通常将能源分为传统能源和新能源两大类。前者主要包括石油、煤炭和天然气等化石能源；后者主要包括太阳能、生物质能、风能和地热能等可再生能源[2]。当前世界能源消费结构中，化石能源占比约 87.9%，处于主导地位。然而，传统能源在地球上储量有限，具有不可再生性[3]。当前探明的石油、煤炭、天然气储量均仅能满足几十年的消费需求[4, 5]。中国是世界上最大的发展中国家，人口众多、经济发展迅猛，，然而人均资源占有量却远远低于世界平均水平，能源短缺问题更为突出[6]。另一方面，化石能源燃烧过程中产生的 SOX、NOX、CO 等有有毒气体及颗粒污染物排放到空气中，严重危害人类健康[7]，比如有研究表明空气中 PM2.5 浓度与肺癌发病率呈现强烈的正相关性[8]；所产生的 CO2是主要的温室气体，导致全球气候变暖、气象灾害频发[9]。
比上一年增长了 14.1%，且实现了连续多年的高速增长[10]。目前太阳能在可再生能源中占比为 18%，但是上一年却贡献了 32%的增长。2017 年全球光伏发电量已经达到 130GW 以上[11]。利用太阳能作为动力的太阳能汽车、太阳能飞机等高科技产品受到科技界与产业界的广泛关注[12]。光伏电池原理与性能表征目前人们对于太阳能的利用方式主要分为 2 种[13]，一种是通过光热效应将太阳能转变为热能加以利用，另一种则是利用光伏效应将太阳能转变为电能。也有通过人工光合成途径将太阳能转变为化学能的研究[14]，不过目前仍主要处于实验室阶段，较少工业化应用。太阳能电池即为利用光伏效应，将入射的太阳光直接转变为电能的器件，因此也被称为光伏电池。本文以经典的单晶硅电池为例，阐明光伏发电的原理。其基本结构如图 1.2（a）所示[15, 16]。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TQ171.1
本文编号：2611073
【图文】：
132.76 亿吨石油当量，过去 10 年平均增长率为 1.8%，其中中国已连续 16 年成为全球增速最快的能源市场。人们通常将能源分为传统能源和新能源两大类。前者主要包括石油、煤炭和天然气等化石能源；后者主要包括太阳能、生物质能、风能和地热能等可再生能源[2]。当前世界能源消费结构中，化石能源占比约 87.9%，处于主导地位。然而，传统能源在地球上储量有限，具有不可再生性[3]。当前探明的石油、煤炭、天然气储量均仅能满足几十年的消费需求[4, 5]。中国是世界上最大的发展中国家，人口众多、经济发展迅猛，，然而人均资源占有量却远远低于世界平均水平，能源短缺问题更为突出[6]。另一方面，化石能源燃烧过程中产生的 SOX、NOX、CO 等有有毒气体及颗粒污染物排放到空气中，严重危害人类健康[7]，比如有研究表明空气中 PM2.5 浓度与肺癌发病率呈现强烈的正相关性[8]；所产生的 CO2是主要的温室气体，导致全球气候变暖、气象灾害频发[9]。
比上一年增长了 14.1%，且实现了连续多年的高速增长[10]。目前太阳能在可再生能源中占比为 18%，但是上一年却贡献了 32%的增长。2017 年全球光伏发电量已经达到 130GW 以上[11]。利用太阳能作为动力的太阳能汽车、太阳能飞机等高科技产品受到科技界与产业界的广泛关注[12]。光伏电池原理与性能表征目前人们对于太阳能的利用方式主要分为 2 种[13]，一种是通过光热效应将太阳能转变为热能加以利用，另一种则是利用光伏效应将太阳能转变为电能。也有通过人工光合成途径将太阳能转变为化学能的研究[14]，不过目前仍主要处于实验室阶段，较少工业化应用。太阳能电池即为利用光伏效应，将入射的太阳光直接转变为电能的器件，因此也被称为光伏电池。本文以经典的单晶硅电池为例，阐明光伏发电的原理。其基本结构如图 1.2（a）所示[15, 16]。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TQ171.1
【参考文献】
相关硕士学位论文 前2条
1 董晓轩;随机阵列纳米蛾眼减反结构的制备及应用研究[D];苏州大学;2013年
2 王军军;纳米结构TiO_2薄膜的制备及其超亲水自清洁特性研究[D];西北师范大学;2011年
本文编号：2611073
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2611073.html
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