CN114300622A - 一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法，属于光伏建筑一体化技术领域，解决了现有光伏玻璃采光面积小、视觉效果差、透光性和发电效率相互制约、安装严重受限于太阳时域变化的技术问题。本发明所制备的纳米光栅结构具有偏振敏感特性能有效增强光吸收，解除了太阳时域变化对安装倾角的限制，实现了安装成本的降低和建筑发电功率的提升；同时，通过对光栅周期、间距和高度的优化能调节光伏玻璃中透光/发电的占比，以较低成本满足用户的不同需求。该结构所具有的节能效果优异(采光效果好、发电功率高)、安装成本低以及经济适用性高等优点，使其在光伏幕墙、光伏窗户、光伏屋顶等建筑领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法

技术领域

本发明属于光伏建筑一体化技术领域，具体涉及一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法。

背景技术

随着各类建筑能耗在全球能源占比中的不断提升，建筑节能这一概念也越来越得到重视。太阳能具有来源丰富、绿色可再生及不受地理位置限制等特点，能够满足巨大的建筑能耗需求。而光伏电池与建筑结合所实现的光伏建筑一体化(BIPV)，是实现建筑节能的有效途径。

光伏玻璃能够实现建筑与光伏的集成，具有经济美观、节约用地、降低能耗等特点，因而在建筑光伏一体化中得到广泛使用。目前常见的光伏玻璃为晶硅光伏玻璃和薄膜光伏玻璃，其中，晶硅光伏玻璃存在采光面积小、光斑不均匀、视觉效果差等问题，使其难以满足建筑的采光需求；而薄膜光伏玻璃是通过减小有效吸收层厚度，即牺牲一部分转换效率来达到满足需求的均匀透光效果，因此透光性和光电转换效率存在相互制约。此外，目前的光伏玻璃都会受到入射光角度和安装倾角的严重影响，难以克服太阳光时域特性所带来的影响，导致节能效果和经济适用性受到损害。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明设计了一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃，实现了建筑的高效节能(采光效果好和发电功率高)并降低安装成本，解决了现有光伏玻璃采光面积小、视觉效果差、透光性和发电效率相互制约、安装严重受限于太阳时域变化的技术问题、以低成本和高自适应特性实现了建筑的高效透光和稳定发电需求。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃，包括透明玻璃基底，所述透明玻璃基底中间设有微纳米光栅区域，两端设有电极槽区域；所述微纳米光栅区域包括若干电池槽区域和非电池槽区域，所述电池槽区域和非电池槽区域穿插排列；所述电极槽区域包括上电极槽和下电极槽；所述电池槽区域和电极槽区域上设有底部透明电极；所述上电极槽和下电极槽上方设有透明绝缘层；位于电池槽区域上的底部透明电极上方设有薄膜光伏电池；所述透明绝缘层和薄膜光伏电池上方设有顶部透明电极。

进一步地，所述底部透明电极和顶部透明电极由透明导电氧化物、超薄金属或高分子聚合物材料制成；所述透明绝缘层的材料为聚二甲基硅氧烷。

进一步地，所述薄膜光伏电池为钙钛矿太阳能电池或有机薄膜太阳能电池。

本发明还公开了上述基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用第一掩膜板，对透明玻璃进行微纳加工处理，得到具有微纳米光栅区域和电极槽区域的透明玻璃基底；

步骤2：采用第二掩膜板，对步骤1所得透明玻璃基底上方沉积底部透明电极，得到中间处理光伏玻璃；

步骤3：采用第三掩膜板，对步骤2所得中间处理光伏玻璃中的上电极槽和下电极槽上方填充透明绝缘层，得预处理光伏玻璃；

步骤4：采用第四掩膜板，对步骤3所得预处理光伏玻璃中的光栅区域上方制备薄膜光伏电池，得到中间成形处理光伏玻璃；

步骤5：采用第二掩膜板，对步骤4所得中间成形处理光伏玻璃，沉积顶部透明电极，随后进行去胶处理，得到一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃。

进一步地，步骤1中，所述微纳加工处理包括紫外光刻和电子束曝光工艺。

进一步地，步骤2中，所述沉积方法包括溅射、蒸镀或化学气相沉积。

进一步地，步骤3中，所述透明绝缘层的填充高度为底部透明电极和顶部透明电极之间的厚度。

进一步地，步骤5中，所述顶部透明电极的沉积方法包括溅射、蒸镀或化学气相沉积。

10.进一步地，步骤5中，所述去胶处理是对微纳米光栅区域(6)的非电池槽区域(62)上方的功能层进行溶解，而不会对电池槽区域(61)造成损伤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃，该光伏玻璃通过微纳加工处理刻蚀得到具有微纳米光栅区域和电极槽区域的透明玻璃基底，随后对其进行薄膜光伏电池的制备，得到一种具有微纳米光栅结构的光伏玻璃。采用高效的薄膜光伏电池，进一步克服了不同自然环境导致的入射光强变化，增强了光伏组件输出功率的高效性和稳定性，同时其对称结构及弱光特性使其可以同时吸收室内光源并高效利用，从而阴天以及夜晚下仍能为建筑提供电力；在玻璃表面所制备的微纳米光栅结构，具有偏振敏感特性、可根据光的偏振方向增强光吸收，实现多角度入射光的全方位捕获，进一步克服了入射光角度变化和安装倾角限制带来的反射损失高、经济效果差的问题，因此相比于传统薄膜光伏玻璃，降低了对于薄膜光伏电池透光率的要求，从根本上消除了有效吸收层厚度与透光性之间的相互制约；此外，微纳米光栅结构可通过周期、间距和高度的调整实现最小反射损失、优化透射和吸收的比例，这种简单的自适应特性能以较低的成本满足不同用户的采光和发电需求，大幅提升建筑的采光和节能效果；同时，针对进入建筑内部的透射光，微纳米光栅结构可根据光的衍射，实现建筑内部整体均匀透光，克服了现有光伏玻璃光电转换效率、透光性相互制约的限制。本发明在保证高效的弱光转换的同时，消除了薄膜电池有效吸收层厚度和透光性之间的相互限制，实现了建筑内部充足的采光及持续稳定的电能供给，具有转换效率高、透光效果好、自适应性强、制备成本低等特点，能够广泛应用于光伏幕墙、光伏窗户、光伏屋顶等领域。

进一步地，底部透明电极、顶部透明电极采用导电氧化物、超薄金属、高分子聚合物等透明导电材料制成，在保证光伏玻璃透明度的同时，能实现两侧载流子的有效收集以及外部负载设备的电力输出；透明绝缘层采用聚二甲基硅氧烷PDMS这类高透明不导电材料，能够防止上下电极之间短路现象发生，保证光伏玻璃与外部负载电路的正常连通；薄膜光伏电池采用钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池等光电转换效率高、弱光性能好的薄膜光伏电池，能保证不同强度入射光条件下高效的光电转换效率，提高了电能供给的稳定性。

此外，本发明还公开了一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，采用紫外光刻、电子束曝光等微纳加工处理方法制备透明玻璃，能够简单快速得到透明玻璃表面的微纳米光栅区域，以实现良好的透光性和薄膜光伏电池的制备；而薄膜光伏电池制备过程中所采用的溅射、蒸镀、化学气相沉积等方法，能实现纳米区域的有效沉积，保证了本发明制备方法的可行性；同时，针对薄膜材料在不同区域的沉积、可通过掩膜板的调整来确保沉积精度，减少对高精度仪器的使用，以达到可观的经济适用性；本发明所涉及一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法具有成本低廉、方法简单、工艺成熟、选择多样等特点，为高效光伏玻璃的商业化生产提供了创新性思路。

附图说明

图1为本发明光伏玻璃制备方法步骤1所得的具有微纳米光栅区域和电极槽区域的透明玻璃基底示意图；

图2为本发明光伏玻璃制备方法步骤2所得中间处理光伏玻璃示意图；

图3为本发明光伏玻璃制备方法步骤3所得预处理光伏玻璃示意图；

图4为本发明光伏玻璃制备方法步骤4所得中间成形处理光伏玻璃示意图；

图5为本发明光伏玻璃制备方法步骤5所得沉积顶部透明电极后的光伏玻璃示意图；

图6为本发明制备基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃整体示意图；

图7为本发明制备微纳米光栅区域示意图；

图8为采用第一掩膜板示意图；

图9为采用第二掩膜板示意图；

图10为采用第三掩膜板示意图；

图11为采用第四掩膜板示意图；

其中，1-透明玻璃基底；2-底部透明电极；3-透明绝缘层；4-薄膜光伏电池；5-顶部透明电极；6-微纳米光栅区域；61-电池槽区域；62-非电池槽区域；7-电极槽区域；71-上电极槽；72-下电极槽；11-第一掩膜板；12-第二掩膜板；13-第三掩膜板；14-第四掩膜板。

具体实施方式

为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。

本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。

本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值包括整数与分数。

本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由……组成”和“主要由……组成”的意思，例如“A包含a”涵盖了“A包含a和其他”和“A仅包含a”的意思。

本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。

实施例1

一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：如图1所示，本实施例中采用第一掩膜板11，对透明玻璃采用光刻的方法进行微纳加工处理；得到具有微纳米光栅区域6和电极槽区域7的透明玻璃基底1；

步骤2：如图2和图9所示，采用第二掩膜板12，对步骤1所得透明玻璃基底1上方采用溅射的方法沉积底部透明电极2，透明电极2的材料为透明导电氧化物掺锡氧化铟ITO；得到中间处理光伏玻璃；

步骤3：如图3和图10所示，采用第三掩膜板13，对步骤2所得中间处理光伏玻璃中的上电极槽71和下电极槽72上方填充透明绝缘层3，透明绝缘层3的材料为甲基硅氧烷PDMS；得预处理光伏玻璃；

步骤4：如图4和图11所示，采用第四掩膜板14，对步骤3所得预处理光伏玻璃的微纳米光栅区域6上方制备薄膜光伏电池4，薄膜光伏电池4为钙钛矿太阳能电池；自下至上依次为磁控溅射所得透明导电材料掺锡氧化铟ITO、原子层沉积所得空穴传输层NiOx、旋涂所得钙钛矿吸收层FAPbI3、溅射所得电子传输层SnO2；

步骤5：如图5和图9所示，采用第二掩膜板12，对步骤4所得中间成形处理光伏玻璃的微纳米光栅区域6和电极槽区域7上方采用化学气相沉积的方法沉积顶部透明电极5，透明电极5的材料为ITO；对旋涂光刻胶区域进行去胶处理，实现非电池槽区域62上方的沉积材料的溶解；得到一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃。

实施例2

一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，与实施例1不同的是：薄膜光伏电池4为有机薄膜太阳能电池，其余组成部分和制备方法均与实施例1相同，得到一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃。

本实施例中所涉及的有机薄膜太阳能电池包括透明导电氧化物、电子阻挡层、活性吸收层、阴极四部分。所述有机薄膜太阳能电池自下至上依次为溅射所得透明导电氧化物ITO、旋涂所得电子阻挡层PEDOT:PSS、旋涂所得活性吸收层P₃HT:CNT及真空蒸镀阴极铝。

实施例3

一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法，与实施例1不同的是：沉积底部透明电极2的方法为蒸镀，底部透明电极2为透明导电氧化物掺氟氧化铟FTO，其余组成部分和制备方法均与实施例1相同。

本实施例中所涉及的底部透明电极2为磁控溅射沉积所得FTO。

实施例4

一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法，与实施例1不同的是：顶部透明电极5的材料为超薄金属银Ag，底部透明电极2为超薄金属银，其余组成部分和制备方法均与实施例1相同，得到一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃。

实施例5

一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法，与实施例1不同的是：透明玻璃微纳加工处理的方法，底部透明电极2为高分子聚合物材料PEDOT:PSS，其余组成部分和制备方法均与实施例1相同，得到一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃。

本实施例中所涉及的微纳加工处理的方法采用电子束曝光工艺在透明玻璃表面制备图案。

实施例6

一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃及其制备方法，与实施例1不同的是：去胶处理中所用的去胶溶剂，其余组成部分和制备方法均与实施例1相同。

本实施例中所涉及的去胶溶剂采用，实现非电池槽区域62上方材料层的溶解。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃，其特征在于，包括透明玻璃基底(1)，所述透明玻璃基底(1)中间设有微纳米光栅区域(6)，两端设有电极槽区域(7)；所述微纳米光栅区域(6)包括若干电池槽区域(61)和非电池槽区域(62)，所述电池槽区域(61)和非电池槽区域(62)穿插排列；所述电极槽区域(7)包括上电极槽(71)和下电极槽(72)；所述电池槽区域(61)和电极槽区域(7)上设有底部透明电极(2)；所述电极槽(71)和下电极槽(72)上方设有透明绝缘层(3)；位于电池槽区域(61)上的底部透明电极(2)上方设有薄膜光伏电池(4)；所述透明绝缘层(3)和薄膜光伏电池(4)上方设有顶部透明电极(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃，其特征在于，所述底部透明电极(2)和顶部透明电极(5)由透明导电氧化物、超薄金属或高分子聚合物材料制成；所述透明绝缘层(3)的材料为聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃，其特征在于，所述薄膜光伏电池(4)为钙钛矿太阳能电池或有机薄膜太阳能电池。

4.权利要求1～3中任意一项所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用第一掩膜板(11)，对透明玻璃进行微纳加工处理，得到具有微纳米光栅区域(6)和电极槽区域(7)的透明玻璃基底(1)；

步骤2：采用第二掩膜板(12)，对步骤1所得透明玻璃基底(1)上方沉积底部透明电极(2)，得到中间处理光伏玻璃；

步骤3：采用第三掩膜板(13)，对步骤2所得中间处理光伏玻璃中的上电极槽(71)和下电极槽(72)上方填充透明绝缘层(3)，得预处理光伏玻璃；

步骤4：采用第四掩膜板(14)，对步骤3所得预处理光伏玻璃上方制备薄膜光伏电池(4)，得到中间成形处理光伏玻璃；

步骤5：采用第二掩膜板(12)，对步骤4所得中间成形处理光伏玻璃，沉积顶部透明电极(5)，随后进行去胶处理，得到一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃。

5.根据权利要求4所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述微纳加工处理包括紫外光刻和电子束曝光工艺。

6.根据权利要求4所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述沉积方法包括溅射、蒸镀或化学气相沉积。

7.根据权利要求4所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述透明绝缘层(3)的填充高度为底部透明电极(2)和顶部透明电极(5)之间的厚度。

8.根据权利要求4所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述顶部透明电极(5)的沉积方法包括溅射、蒸镀或化学气相沉积。

9.根据权利要求4所述的一种基于偏振敏感特性捕获太阳光的光伏玻璃的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述去胶处理是对微纳米光栅区域(6)的非电池槽区域(62)上方的功能层进行溶解，而不会对电池槽区域(61)造成损伤。

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