梯度折射率减反射光伏玻璃的相关研究

摘要： 本文主要以TiO2薄膜为对象，对其研究现状和薄膜的制备方法进行介绍，并在此基础上探讨对制备方法的改进和完善，以此来进一步促进我国能源的有效利用。

Abstract： This paper takes thin film TiO2 as the subject to introduce the research status and the preparation method of thin film. Based on this， the improvement and perfection of the preparation method are discussed to further promote the effective use of energy in China.

关键词： 梯度折射率;减反射;光伏玻璃

Key words： gradient refractive index;antireflection;solar pv glass

0  引言

随着我国社会经济的飞速发展，能源危机问题越来越严重，在这种形势下，太阳能作为一项取之不尽用之不竭的能源，得到了世界各国的高度重视。近年来，太阳能电池的大规模使用使减反射光伏玻璃的需求也在不断增加，光伏玻璃减反射技术的研究也成为了光伏领域的一个主要研究热点。本文主要对TiO2薄膜的研究现状和制备方法进行介绍，并在此基础上提出相应的改进措施，以此来进一步促进我国能源的有效利用。

1  TiO2薄膜研究现状

1.1 TiO2薄膜相变特性  在当前太阳能电池陷光薄膜应用领域中，TiO2薄膜凭借着自身光学性能好、化学稳定性高和易于沉积等诸多优势得到了广泛应用，甚至在当前一部分商业电池中，也有很多组件中采用TiO2薄膜来作为减反射层。正是因为TiO2薄膜具有以上良好特性，所以在实际应用过程中，并不存在设备门槛问题，而且还能够避免工艺中很多酸碱的侵蚀，确保整体质量。同时，利用TiO2薄膜作为减反射层，还不会出现因为减反层材料变化而需要对工艺或设备进行调整的问题。

目前，TiO2薄膜有锐钛矿相、金红石相和板钛矿相三种相，每一种类型的相取决于沉积温度的高低。一般来说，沉积温度在350℃-700℃范围内所形成为薄膜为锐钛矿相，700℃以上沉积温度所形成的薄膜则为金红石相，至于板钛矿相则在TiO2薄膜中比较少见。其中，锐钛矿相晶体结构是八面体共边组成，光学带隙约为3.2eV，折射率为2.5。而金红石相晶体结构则是由八面体共顶点组成，光学带隙为3.0eV，折射率为2.7，并且具有吸收系数大、稳定性高等特点。

1.2 非金属元素掺杂  B.Farkas等采用脉冲激光沉积法，以金属钛为靶材，O2/N2的混合气体作为反应气体，沉积氮掺杂的TiO2薄膜。通过紫外-可见光谱及椭圆偏振光谱得到薄膜的光学性能及膜厚等性质，计算出不同基底温度、不同氮掺杂量TiO2薄膜的带隙和消光系数。实验结果表明，掺杂得到TiOxN2-x化合物，氮的掺入可以使薄膜的禁带宽度降低至2.89eV，有可能提高光催化性能。

江洪湖等用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上，控制氩气和氮气的流量比，生长出不同氮含量的TiO2薄膜，进而研究氮掺杂对TiO2薄膜的折射率、透过率、吸收光谱和光学禁带宽度的影响，寻找最佳的掺氮量，通过掺氮来提高TiO2薄膜对可见光的敏感度。研究结果表明适量的掺杂可以提高薄膜的折射率，可以有效地减小TiO2薄膜的光学禁带宽度，氮掺杂的TiO2薄膜的光学吸收边发生了明显的红移现象。由于氮的掺杂，在TiO2的禁带中形成了一个孤立的能态（N2p），这个能态就位于TiO2的价带之上，这使氮掺杂的TiO2薄膜在可见光吸收带中出现一个肩峰。

2  TiO2的梯度折射薄膜制备方法

2.1 溶胶-凝胶法制备TiO2的梯度折射率低反射薄膜  溶胶-凝胶法是制备梯度折射率薄膜常用的一种方法，这种方法首先是将金属醇盐与水、溶剂以及催化剂等融合在一起，通过化学反应生成溶胶，通常情况下，这些金属醇盐主要包括钛酸丁酯、钛酸乙酯和钛酸异丙酯等。然后利用旋涂法和提拉法等技术将溶胶在玻璃上形成凝胶膜，对于薄膜厚度的控制，可以通过调整与溶胶相关的因素如粘度、催化剂、溶剂以及浸渍提升速率等来完成。最后通过烧结工艺去除膜中有机物，最终形成梯度折射薄膜。这种梯度折射薄膜制备方法不仅操作简单，制备成本低，而且沉积温度低，均匀度高。一般来说，利用该方法制备出的TiO2薄膜为网络结构，无明显微孔缺陷，致密性和均匀性都很好，经过热处理之后，薄膜的厚度通常在80nm左右，这也可以作为最终获得的梯度TiO2薄膜的厚度。但是这种方法也有不足之处，比如说有机物挥发会对薄膜产生C元素污染等。为了将以上问题有效解决，Chen等尝试利用钛酸异丙酯作为前驱体来对梯度折射薄膜进行制备，在制备过程中，热处理温度得到了有效提高，有效避免了薄膜产生C元素污染这一问题。但是，溶胶-凝胶法目前还存在一些有待完善的地方，比如说该方法无法对梯度折射薄膜的折射率进行有效调控，同时，利用该方法所制备出的梯度折射薄膜成品厚度均匀性差，在制备减反膜方面等有一定的限制。因此，溶胶-凝胶法还有待进一步完善。

2.2 化学气相沉积法  化学气相沉积法也是当前TiO2梯度折射薄膜制备的一个主要方法之一，这种方法主要是利用加热和光辐射等各种能源，将处于反应器内的化学物质通过化学反应形成固态沉积物的一种技术。按照不同标准，化学气相沉积法还可以分为不同类型。这种方法的优点在于，沉积速率快，成膜质量高等。同时，也存在不足之处，比如说沉积温度较高，导致其应用范围在一定程度上受到了限制。此外，该方法可以通过控制成分来改变薄膜折射率也是存在一定限制的。

2.3 物理气相沉积法  物理气相沉积法主要指的是在真空条件下，通过激光、热蒸发以及溅射等方法，将固体材料源气化，以此来生成气态的粒子团或失去电子的等离子体。在较压下经过反应气体沉积在衬底表面形成具有某些功能特性的薄膜。就目前物理气相沉积法的分类来看，大致可以将其分为两种类型，即蒸发法和溅射沉积法。利用蒸发法制备薄膜的时候，可以通过降低余气体分压和提高沉积速率的方法来提高薄膜纯度，同时，沉积速度和背底真空度的变化也会给薄膜纯度带来影响，具体参数如表1所示。

与以上两种制备方法相比，物理气相沉积法具有沉积温度低、应用范围广、衬底粘附性强以及制备方法等优点。该制备方法的缺点则是溅射过程中绕射性差，不宜作为复杂表面的镀膜。利用物理气相沉积法进行梯度折射薄膜制备，主要有两种方式，一种是倾斜沉积;另一种是多角度倾斜沉积，无论采用哪一种方法，均能够使梯度折射薄膜呈现出较好的特性，使其满足太阳能电池的使用需求。

3  结语

综上所述，随着我国社会经济的飞速发展，能源问题也将被提到一个新的高度，太阳能作为未来社会经济发展中的一项主要能源，不仅需要其具有较高的转换效率，而且还要实现成本的降低。太阳能电池的大规模必定会在一定程度上使增加反射光伏玻璃的需求。TiO2薄膜作为一种重要的半导体光催化材料，在太阳能源的充分利用中占据重要的位置。因此，了解当前TiO2薄膜的研究现状和制备方法，并在此基础上对其制备技术进行不断改进与完善是非常重要的。

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