用于硅基太阳能电池的SiO₂和TiO₂减反射薄膜溶胶-凝胶法制备

摘要：本文研究了减反射薄膜在硅基太阳能电池中的应用，首先介绍了减反射薄膜的原理和制备方法，包括溶胶-凝胶法等，然后采用溶胶-凝胶法制备了SiO2和TiO2溶胶，并通过浸渍提拉法镀膜，最后用紫外可见分光光度计测量样品的透过率。研究结果表明，对于 SiO2薄膜，单层的增透效果最好，平均透过率达 91.32%，最大透过率达 95.51%；对于TiO2薄膜，在 400nm-800nm 波段增透效果显著，单层薄膜平均透过率达 98.22%，最大值达 99.72%，从而肯定了减反射薄膜可有效增加硅基太阳能电池的效率。

关键词：减反射薄膜； 太阳能电池； 透过率； 溶胶-凝胶法

随着时代的发展，能源的问题对人类来说越来越重要。太阳能作为一种清洁能源对我们来说是取之不尽用之不竭的，太阳能电池作为运用太阳能的装置近年来的发展十分的迅速。太阳能电池的种类有很多，把它们按照材料分类大致可以分为硅基太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机太阳能电池等。

当今，硅基太阳能电池的用低铁超白玻璃封装，低铁超白玻璃也称光伏玻璃。虽然光伏玻璃的透过率很高，但光伏玻璃的折射率和空气的折射率相比仍然有差距，这种折射率的差距就会发生菲涅尔反射。从而导致硅基太阳能电池实际接受的太阳的辐射能降低[1]。而在光伏玻璃的表面镀上减反射薄膜，可以有效地减少玻璃对光线的反射，从而可以提高太阳能电池的输出效率。

1 减反射薄膜简介

1.1 减反射薄膜原理

减反射膜的基本原理是利用光的干涉现象来减少或消除光学表面的反射光。光线在两种介质中传播时，在两者表面会同时发生吸收、透过和反射三种现象。理论上，透率、吸收率、反射率的和为 1，且吸收率与介质的厚度成正。考虑到薄膜的厚度和为了简化问题，薄膜的吸收率可以忽略不记。

当光线从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的另一种介质时，在两种介质的分界面上就会产生光的反射。如果在介质表面镀制一层或多层薄膜，使得通过薄膜上、下表面反射回去的光线发生干涉，从而相互抵消，就可以减少或消除光线的反射，增加光线的透过率。

1.2 薄膜的制备方法

薄膜的制备有物理制备和化学制备两大类，物理制备包括真空蒸镀、溅射沉积、离子镀和离子束沉积等方法，化学制备方法有化学气相沉积和溶液镀膜法等方法，而溶胶-凝胶法是溶液镀膜法中的一种。

1.2.1 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是指采用金属醇盐或其他金属有机化合物作为原料，溶解在无水乙醇等有机溶剂中形成均匀溶液，该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶，再经过热处理脱除溶剂和水，最后形成薄膜。

溶胶-凝胶技术制备薄膜的主要步骤如下：首先将金属醇盐或其他化合物溶于有机溶剂中，然后加入其他组分制成均质溶液；下一步是陈化，静置溶液一段时间使溶液发生水解和聚合形成胶体；然后是镀膜，采用浸渍提拉法和旋涂法等方法使胶体附着在基底上；最后进行干燥和焙烧。

溶胶-凝胶法制备薄膜具有许多优点，比如薄膜的均匀性好、薄膜的纯度高、操作简单并且还可一制作多孔结构的薄膜。但是溶胶-凝胶法液存在薄膜厚度难以控制、容易开裂、制作试剂有毒、制作时间较长等问题。

1.3 SiO2薄膜和TiO2薄膜介绍

SiO2薄膜具有优异的光学性能和电学性能并且还有抗腐蚀能力强、耐磨性能好、耐高温等优异性能。如今SiO2薄膜已经广泛地应用在电子集成器件、光学薄膜器件以及医疗等领域。

TiO2是一种应用非常广泛的材料。TiO2薄膜具有良好的光学性能此外TiO2薄膜还有廉价、无毒、稳定性好等优点。如今TiO2薄膜被应用在光催化降解污垢，自清洁玻璃，太阳能电池等领域[2]。

2 实验部分

制备薄膜的方法有很多，由于实验条件和溶胶-凝胶法的方便和操作简单，因此本文选用溶胶-凝胶制备薄膜。

设计思路：用正硅酸乙酯为前驱体制备SiO2溶胶。以钛酸四丁酯为原料，乙醇为溶剂制备TiO2溶胶。用浸渍提拉法来进行镀膜[3]。

2.1 实验设备和试剂

设备：恒温磁力搅拌器；电子分析天平；超声波清洗器；马弗炉；紫外可见分光光度计；提拉镀膜机；鼓风干燥箱。

试剂：正硅酸乙酯；无水乙醇；丙酮；氨水；去离子水；钛酸四丁脂；盐酸。

2.2 实验过程

2.2.1 基片的清洗

采用普通的载玻片作为基片，玻璃衬底的清洗过程为：第一步用棉签蘸取去离子水擦拭玻璃表面明显的油污，擦拭完后用去离子水超声清洗10分钟；第二步用丙酮超声清洗10分钟；第三步用无水乙醇超声清洗10分钟；第四步再用去离子水清洗10分钟。清洗完的基片放入烘箱烘干后放入密封袋备用。

3.2.2溶胶的制备

SiO2溶胶：将适量的正硅酸乙酯和无水乙醇在室温下混合磁力搅拌30分钟，得到溶液A；再将适量的氨水和去离子水加入适量的乙醇中，在室温下混合磁力搅拌30分钟，得到溶液B；将溶液B加入溶液A中，在滴加的过程中并不断的搅拌，然后继续搅拌8小时，最后密封放置48小时，陈化后得到透明的SiO2溶胶。

TiO2溶胶：将适量的钛酸四丁脂和无水乙醇在室温下混合磁力搅拌10分钟的到A溶液，去离子水和无水乙醇在室温下混合磁力搅拌10分钟得到B溶液，加入1到2滴盐酸调节B溶液的PH。然后将A溶液缓慢匀速地滴加到B溶液中，并且在滴加的过程中注意搅拌，反应一段时间后得到淡黄色的TiO2溶胶[4]。

3.2.3 薄膜的制备

薄膜的制备采用溶胶-凝胶浸渍提拉法，将清洗好的基片浸渍在需要的薄膜的对应溶胶中30秒，控制提拉机的提拉速度在一个合适的速度，提拉完成好将镀好膜的玻璃片放在干燥箱中15分钟，取出后进行下一次镀膜。可以控制不同的提拉速度和镀膜次数的到不同厚度的薄膜。最后将镀好薄膜的玻璃片放入马弗炉中干燥。

3 实验结果与分析

运用紫外可见分光光度计测量样品的透过率。

3.1 SiO2薄膜的透过率分析

从图3-1可以看出来镀一层的SiO2薄膜与空白玻璃相比在400nm-650nm左右这一区间内和大于750nm的范围有很强的增透效果。而两层的SiO2薄膜则在500nm-600nm左右和大于750nm有增透效果。无论是一层还是两层的最大透过率都要比空白玻璃要大。

根据图4-1和表4-1可以的出一层的SiO2薄膜的增透效果要比两层的SiO2薄膜的增透效果好。

3.2 TiO2薄膜的透过率分析

从图3-2可以看出一层TiO2薄膜的透过率曲线在波长200nm-400nm的区间透过率的波动范围很大，此区间的最小值约为60%左右。而在400nm-800nm区间其透过率相对稳定并且透过率都很高，最大值约为99.5%左右。和图3-1中空白玻璃的透过率曲线对比来看发现单层的TiO2薄膜在400nm-800nm这一波段具有很强的增透效果。

从图4-4可以看出两层TiO2薄膜的透过率在200nm-400nm的区间的透过率相对较低，最低只有15%左右。在400nm-800nm这一波段的透过率相对较高而且相对稳定。整体来说最大的透过率在400nm左右。

对比一层和两层的TiO2薄膜的透过率曲线，发现一层的TiO2薄膜的透过率要比两层的透过率更好。

4结论

用溶胶-凝胶法制备SiO2胶体和TiO2胶体，接着用浸渍提拉法进行镀膜，通过紫外可见分光光度计检测其透过率。最后通过分析和计算德出以下结论：

1）对于SiO2薄膜来说，单层的SiO2薄膜对玻璃增透效果最好，平均的透过率达到了91.32%，最大透过率更是达到了95.51%。

2）对于TiO2薄膜来说，在波长小于400nm时，其增透效果并不明显，然而在波长400nm-800nm这一范围的增透效果巨大，其中单层的TiO2薄膜更为明显，平均透过率达到了98.22097%，最大值更是达到了99.72407%。

通过对SiO2薄膜和TiO2薄膜的分析可以肯定利用减反射薄膜可以有效的增加硅基太阳能电池的效率。

参考文献

[1] 林昇华， 张景， 艾玲等. 光伏玻璃减反射膜的研究进展[J]， 材料导报， 2019 （33）：3588-3595.

[2] 肖华清， 王坤平， 邱俊杰等. 二氧化钛薄膜的溶胶-凝胶法制备及表征[J]， 重庆理工大学学报（自然科学）， 2018 （32）：93-99.

[3] 何亮， 王祥宇， 田浩生等. 多种方法制备SiO2薄膜及其性能研究[J]， 材料导报， 2024 （38）：46-49.

[4] 李佳佳， 王伟， 刘宜汉等. 溶胶—凝胶法制备TiO2薄膜的工艺研究[J]， 中国陶瓷工业， 2023 （30）：9-13.