Просветляющие покрытия для защитных стекол солнечных элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Немкова, Анастасия Александровна

• Немкова, Анастасия Александровна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Немкова, Анастасия Александровна

введение.

1 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ для ЗАЩИТНЫХ СТЕКОЛ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

1.1 Солнечные элементы.

1.1.1 Конструкция солнечного элемента.

1.1.2 Технология солнечных элементов.

1.2 Получение просветляющих покрытий методом золь-гель технологии.

1.2.1 Основы метода.

1.2.2 Способы нанесення покрытий.

1.3 Получение просветляющих покрытий.

1.3.1 Травление пленки в кислоте.

1.3.2 Сочетание пленкообразующих растворов с кислотным и основным катализом.

1.3.3 Добавление полимера в пленкообразующий раствор.

1.3.4 Просветляющие покрытия на основе фторидов металлов.

1.3.5 Просветляющие покрытия на основе полимеров.

1.4 Просветляющие покрытия в солнечной энергетике. выводы по главе 1.

2 выбор просветляющего покрытия для защитного стекла солнечного элемента.

2.1 Характеристики солнечного излучения.

2.2 Описание положения Солнца.

2.2.1 Система углов Земля-Солнце.

2.2^2 Система углов наблюдатель-Солнце.

2.3 Энергия солнечного излучения.

2.4 Выбор конструкции просветляющего покрытия.

2.5 Определение эффективности просветляющего покрытия при различных условиях освещенности.

2.6 Результаты расчетов. выводы по главе 2.

3 экспериментальная часть.

3.1 Покрытия из растворов с кислотным и щелочным катализом.

3.2 Покрытия из комбинированных растворов. выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Просветляющие покрытия для защитных стекол солнечных элементов»

Актуальность темы работы

Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии. В настоящее время в общественном сознании крепнет убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии, причем в самых разных ее проявлениях. Солнце — это огромный, неиссякаемый, абсолютно безопасный источник энергии, в равной степени всем принадлежащий и всем доступный.

Для регионов с низкой интенсивностью солнечного излучения актуальной задачей является увеличение эффективности работы солнечных батарей. Это достигается за счет нанесения просветляющих покрытий на защитные стекла или непосредственно на фронтальную поверхность солнечных элементов.

Инженеры и производители солнечных элементов уже определили, что максимальная эффективность солнечных элементов достигается при таком положении, когда солнечные лучи перпендикулярны их поверхности. Остается открытым вопрос, какова эффективность солнечных элементов при углах падения отличных от нормального, и какова зависимость между углом падения и вырабатываемой при этом энергией. Предложенные в литературе критерии оценки эффективности основаны либо на практических испытаниях элементов в различных условиях (оценивается значение тока короткого замыкания), либо на теоретических соотношениях, учитывающих потери на отражение в солнечном элементе или изменение потока солнечного излучения с изменением географической широты. Таким образом, актуальной является задача создания такого критерия, который бы объединял в себе все или большинство указанных факторов.

В последние годы наблюдается интерес к некогда широко распространенному методу нанесения покрытий — золь-гель технологии. Эксплуатационные характеристики получаемых с его помощью покрытий превосходят те, что обеспечивают вакуумные методы. Такие покрытия удовлетворяют требованиям, предъявляемым к защитным стеклам солнечных элементов, испытывающим агрессивное воздействие окружающей среды.

Использование золь-гель метода открывает широкие возможности для создания просветляющих покрытий. Несмотря на то, что этому методу уже исполнилось более полувека, потенциал его до конца не раскрыт и разработка покрытий на его основе по-прежнему является актуальной задачей.

Целью данной работы является создание просветляющего покрытия, обеспечивающего максимальную эффективность использования солнечного излучения в различных условиях эксплуатации.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ существующих просветляющих покрытий для защитных стекол солнечных элементов и оценка их эффективности.

2. Способы создания просветляющих покрытий на основе золь-гель технологии и выбор наиболее подходящего для достижения поставленной цели.

3. Выбор конструкции просветляющего покрытия.

4. Разработка методики оценки эффективности просветляющего покрытия.

5. Расчет параметров покрытия для использования в различных географических и климатических условиях.

6. Изготовление экспериментальных образцов покрытий и измерение их свойств.

Методы исследования

Для теоретического анализа использовались основные соотношения солнечной энергетики, элементы теории тонких пленок и полученная на их основе методика оценки эффективности просветляющих покрытий.

В практической части для измерения оптических параметров^ полученных покрытий использовались эллипсометрический и фотометрический методы. При проведении эллипсометрических измерений применялись две модели пленки.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Методика для оценки эффективности просветляющего покрытия для защитных стекол солнечных элементов.

2. Критерий выбора конструкции просветляющего покрытия.

3. Результаты расчета оптимальных параметров покрытий для различных условий эксплуатации солнечного элемента.

4. Способ создания просветляющего покрытия с низким показателем преломления.

5. Сравнение эффективности экспериментально полученных образцов и расчетных данных.

Практическая ценность работы

1. Выбрана оптимальная конструкция просветляющего покрытия для защитных стекол солнечных элементов

2. Для нескольких частных случаев рассчитаны оптические параметры (показатель преломления и оптическая толщина слоя) покрытий и углы наклона солнечных элементов с целью увеличения их коэффициента полезного действия

3. Изготовлены образцы просветляющих покрытий с использованием золь-гель метода из различных пленкообразующих растворов, измерены их оптические и механические свойства.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

-IV Межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург,

2007 г

-XXXVI научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава, Санкт-Петербург, 2007 г.

- V международная конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2007», Санкт-Петербург, 2007 г.

-V Межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург,

2008 г.

- VIII международная конференция «Прикладная оптика - 2008», Санкт-Петербург, 2008 г.

- XXXVIII научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава, Санкт-Петербург, 2009 г.

-VI Межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург,

2009 г.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях и тезисах докладов, в том числе 1 научная статья в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК для кандидатских диссертаций (редакция апрель 2008 года).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Работа содержит 97 страниц основного текста, включая 37 рисунков, 6 таблиц, библиографический список из 85 наименований.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Немкова, Анастасия Александровна

Выводы по главе 3

1. С использованием золь-гель технологии получены образцы покрытий из нескольких пленкообразующих растворов и исследованы их свойства.

2. Показано, что образцы покрытий, полученные из растворов на основе щелочного катализа, обладают наименьшим показателем преломления, но низкой механической прочностью.

3. Использование комбинированного пленкообразующего раствора на основе ТЭОС позволяет регулировать показатель преломления получаемого из него покрытия путем изменения соотношения смешиваемых растворов. Покрытие имеет высокую механическую прочность.

4. Измеренные значения эффективности (1,8 и 2,4 %) образцов, полученных из двух пленкообразующих растворов в пределах экспериментальной погрешности полностью соответствуют рассчитанным с помощью предложенной методики — 1,9 и 2,5 %.

Заключение

1. Рассмотрены просветляющие покрытия, используемые в солнечной энергетике в настоящее время, приведена их эффективность на основе литературных данных.

2. Рассмотрены способы получения просветляющих покрытий с низким показателем преломления на основе золь-гель технологии.

3. Выбрана оптимальная конструкция просветляющего покрытия для защитных стекол солнечных элементов.

4. Предложена методика для оценки эффективности покрытий солнечных элементов, работающих в различных условиях.

5. Выполнен расчет оптических параметров покрытий (показателя преломления и толщины слоя), обеспечивающих максимальную эффективность, приведено сравнение с доступными пленкообразующими материалами.

6. На основе нескольких пленкообразующих растворов изготовлены образцы покрытий и измерены их характеристики. Показано, что пленки, полученные из комбинированных растворов, обладают низким показателем преломления и высокой механической прочностью.

7. Рассчитанные в соответствии с предложенной методикой значения эффективности покрытий полностью соответствуют результатам измерений экспериментально изготовленных образцов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Немкова, Анастасия Александровна, 2009 год

1. Goetzberger A., Hoffmann V. U. Photovoltaic solar energy generation. Berlin: Springer, cop. 2005. XII. 232 c.

2. Helmreich D., Sirtl E., Dietl J. Crystals: Growth, Properties, and

3. Applications. Vol. 5. Berlin: Springer, 1981. P. 57.

4. Гребенщиков И. В., Фаворская Т. А. О химической стойкости стекла //

5. Труды ГОИ. 1931. Т.7. № 72. С. 1-26.

6. Просветление оптики. Уменьшение отражения света поверхностьюстекла / Под ред. акад. И. В. Гребенщикова. M.-JL: ОГИЗ. 1946. 212 с.

7. Суйковская Н. В. Определение химической стойкости стекол оптическим методом // ОМП. 1937. № 8. С. 12-16.

8. Суйковская Н. В. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. JI: Химия, 1971. 200 с.

9. Yoldas В. Y., Partlow D. P. Wide spectrum antireflective coating for fused silica and other glasses // Applied Optics. 1984. Vol. 23. №9. P. 1418— 1423.

10. Thomas I. M. Method for the preparation of porous silica antireflection coatings varying in refractive index from 1,22 to 1,44 // Applied Optics — 1992. Vol. 31. №28. P.6145-6149.

11. Bellevile F. P., FloshH.G. Ammonia-hardening of porous silica antireflective coatings // Proc. SPIE. 1994. Vol. 2288. P. 25-32.

12. Wu Guangming et al. Nanoporous silica antireflective coatings for solar heat collectors // High Temperatures High Pressures. 2000. V. 32. P. 687692.

13. Wu Guangming et al. Properties of sol-gel derived scratch-resistant nano-porous silica films by a mixed atmosphere treatment // J. Non-Cryst. Solids. 2001. V. 275. № 3. P. 169-174.

14. Li Song et al. Preparation of antireflective films by the different methods // Proceedings of the Seventeenth International Congress on Glass. 1995. Vol. 4. P. 108-113.

15. БохонскаяИ. Ф., Андрианова И. А., Карапетян Г. А. Просветляющие покрытия, полученные травлением пленок оксидов // Оптический журнал. 1992. № 10. С. 64-67.

16. БохонскаяИ. Ф. и др. Широкополосные просветляющие покрытия на основе химических технологий // Оптический журнал. 1993. №2. С. 58-62.

17. Biswas Р. К., KunduD, Ganguli D. A sol-gel derived antireflective coating on optical glass for near infrared application // Journal of material science. 1989. №8. P. 1436-1437.

18. Biswas P. K. et al. Study of refractive index and physical thickness of porous silica films with ageing in hydrated ammonia and air // Material Letters. 2003. № 57. P. 2320-2325.

19. Biswas P. K. et al. Porous anti-reflective silica coatings with a high spectral coverage by sol-gel spin coating technique // Journal of material science letters. 2003. № 22. P. 181-183.

20. Yoldas Bulent E. Investigations of porous oxides as an antiteflective coating for glass surfaces // Applied Optics. 1980. Vol. 19. № 9. P. 1425-1429.

21. Yoldas Bulent E., Partlow Deborah P. Wide spectrum antireflective coating for fused silica and other glasses // Applied Optics. 1984. Vol. 23. № 9. P.1418-1424.

22. ЕР 1 329 433 Al, Int. CI. C03C 17/00. Sol-gel process for the preparation of porous coatings, using precursor solutions prepared by polymeric reactions / Morales Sabio Angel (ES). Date of publication: 23.07.2003. Bulletin 2003/30.

23. United States Patent 5,744,243, Int. CI. B23B 9/04. Coating composition and articles prepared therewith / Li Huawen et al. Date of Patent 28.04.1998.

24. International Patent WO 01/19533 Al, Int. CI. B05D 1/38. Composition and method for a coating providing anti-reflective and anti-static properties / Park Sung-Soon, Zheng Haixing (US). Publication Date 22.03.2001.

25. United States Patent US 2005/0266208 Al, Int. CI. B23B 1/00. Abrasion-resistant, antistatic, antireflective transparent coating and method for making it / Satyabrata Raychaudhuri et al. (US). Pub. Date 01.12.2005.

26. United States Patent US 2004/0258929 Al, Int. CI. B32B 9/04. Glass comprising a porous anti-reflection surface coating and method for producing one such glass / Glaubitt Walter et al. (DE). Pub. Date 23.12.2004.

27. International Patent WO 00/28603 Al, Int. CI. H01L 31/036. Texturing of glass by Si02 film / Ji Jing Jia, Shi Zhengrong (AU). Pub. Date 18.05.2000.

28. Sam E. D., Budakoglu R., Gunay V. Comparison of the properties of various sol-gel derived anti-reflective (AR) coatings on SLS glasses I I Key Energy Materials. 2004. V. 264-268. P. 391-394.

29. Ashley Carol S., Reed Scott T. Sol-gel AR films for solar applications I I Mat. Res. Symp. Proc. 1986. Vol. 73. P. 671-677.

30. Кос К, Tepehan F. Z., Tepehan G. G. Antireflecting coating from Та2Об and Si02 multilayer films // Journal of Materials Science. 2005. Vol. 40. P. 1363-1366.

31. Mozaffarinia R., Ashrafizadeh F., Golozar M. Si02/Si02-Zn0 optical multilayer coatings fabricated by sol-gel method // Surface Engineering. 2002. Vol. 18. № 4. P. 305-308.

32. Koichi Awazu, Hideo Onuki Photo-induced synthesis of amorphous Si02 film from tetramethoxy-silane on polymethylmethacrylate at room temperature//J. Non-Cryst. Solids. 1997. V. 215. P. 176-181.

33. Helsch G, Radlein E., Frischat G. H. On the origin of the aging process of porous Si02 antireflection coatings I I J. Non-Cryst. Solids. 2000. V. 265. P. 193-197.

34. O'Neill F. et al. Colloidal silica coatings for KrF and Ndiglass laser applications // Applied Optics. 1987. №5. P. 828-832.

35. Rao K. S. et al. A novel method for synthesis of silica nanoparticles // J. Colloid Interface Sci. 2005. № 215. P. 176-181.

36. Junrok Oh, Hiroaki Imai, Hiroshi Hirashima. Direct deposition of silica films using silicon alkoxide solution // J. Non-Cryst. Solids. 1998. V. 241. №2-3. P. 91-97.

37. Mukherjee S. P., Lowdermilkb W. H. Gel-derived single layer antireflection films // J. Non-Cryst. Solids. 1982. V. 48. № 1. P. 177-184.

38. Pulker H. K. Coatings on glass. Amsterdam: Elsevier, 1984. 545 p.

39. ГОСТ P ИСО 14644-1-2002 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1: Классификация чистоты воздуха. М.: Изд-во стандартов, 2003. 16 с.

40. Thomas 1. М. High laser damage threshold porous silica antireflective coating //Applied Optics. 1986. №25. P. 1481-1483.

41. ScrivenL. T. Physics and applications of dip coating and spin coating // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1988. № 121. P. 717-729.

42. Dinguo Chen. Anti-reflection (AR) coatings made by sol-gel processes : a review // Sol. Energy Mat. Sol. Cells. 2001. V. 68. P. 313-336.

43. Washo B. D. Rheology and modeling of the spin coating process // IBM J. Res. Develop. 1977. № 121. P. 190-198.

44. Aegerter М. А., PuetzJ., Gasparro G. and Al-DahoudiN. Versatile wet deposition techniques for functional oxide coatings // Optical Materials. 2004. Vol. 26. № 2. P. 155-162.

45. Yu Han Sun et al. Sol-gel broadband anti-reflective single-layer silica films with high laser damage threshold // Thin Solid Films. 2003. V. 440. P. 180183.

46. Bautista M. S., Morales A. Silica antireflective films on glass produced by sol-gel method // Sol. Energy Mat. Sol. Cells. 2003. V. 80. № 2. P. 217-215.

47. Yao Xu et al. Antireflective silica thin films with super water repellence via a sol gel process I I Applied Optics. 2003. Vol. 42. № 1. P. 108-112.

48. Joosten P. H. et al. Optical thin layers of MgF2 produced by decomposition of organic magnesium-fluoro compounds I I Applied Optics. 1985. Vol. 24. № 16. P. 2674-2678.

49. Thomas I. M. Porous fluoride antireflective coatings // Applied Optics. 1988. Vol. 27. №16. P. 3356-3358.

50. Murata T. et al. Investigations of MgF2 optical thin films prepared from autoclaved sol // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2004. Vol. 32. P. 161-165.

51. Fujihara S.et al. Role of organic additives in the sol-gel synthesis of porous CaF2 anti-reflective coatings // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2002. Vol. 24. P. 147-154.

52. Flosh H. G., Belleville P ,F. A scratch-resistant single-layer antireflective coating by a low temperature sol-gel route I I Journal of Sol-Gel Science and Technology. 1994. V 1. P. 293-304.

53. Ming Zhao et al. Influence of the fabrication technique on the porous size of the polymer nanoporous antireflection coatings I I J. Opt. Soc. Am. B. 2005. Vol. 22. №6. P. 1330-1333.

54. Richards B. S. et al. Novel uses of Ti02 in crystalline silicon solar cells // Proc. 28th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. 2000. P. 375-378.

55. Zhao J., Green Martin A. Optimized antireflection coatings for high-efficiency silicon solar cells // IEEE Transactions on electron devices. 1991. Vol. 38. № 8. P. 1925-1934.

56. Thorp D., Campbell P., Wenham S. R. Absorption enhancement in conformally textured thin-film silicon solar cells // Proc. 25th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. 1996. P.705-708.

57. Duerinckx F., SzlufcikJ. Defect passivation of industrial multycrystalline silicon solar cells based on PECVD silicon nitride // Sol. Energy Mat. Sol. Cells. 2002. Vol. 72. P. 231-246.

58. San Vicente G., Morales A., Gutierrez M. T. Preparation and characterization of sol-gel Ti02 antireflective coatings for silicon // Thin Solid Films. 2001. V. 391. P. 133-137.

59. Petti R. В., Br inker С. J., Ashley C. S. Sol-gel double-layer antireflection coatings for silicon solar cells // Solar Cells. 1985. № 15. P. 267-278.

60. Morales-Acevedo A., Luna-Arredondo E., Santana G. Double anti-reflection layers for silicon solar cells obtained by spin-on // Proc. 29th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. 2002. P. 293-295.

61. Kursawe M., Hofmann T. Antireflective coating on float glass for solar collectors // Glass Processing Days. 2001. P. 771-774.

62. Kursawe M., Hofmann T. High transmission coating on glass for solar application // Proceedings of 3rd ICCG. 2000. P. 681-687.

63. Kursawe M., Hofmann T. Antireflective coating on float glass for solar applications // Glass Processing Days. 2003. P. 382-384.

64. Maatouk Khoukhi et al. Flat-plate solar collector performance with coated and uncoated glass cover // Heat Transfer Engineering. 2006. Vol. 27. P. 46-53.

65. Gombert A. et al. Glazing with very high solar transmittance // Solar Energy. 1998. Vol. 62. № 3. P. 177-188.

66. Gombert A. et al. Antireflective transparent covers for solar devices // Solar Energy. 2000. Vol. 68. № 4. P. 357-360.

67. Ballif С. et al. Solar glass with industrial porous SiC>2 antireflection coating: measurements of photovoltaic module properties improvement and modeling of yearly energy yield gain // Sol. Energy Mat. Sol. Cells. 2004. Vol. 82. P. 331-344.

68. Cathro K, Constable D., Solaga T. Silica low-reflection coatings for collector covers, by a dip-coating process // Solar Energy. 1984. V. 32. № 5. P. 573-579.

69. Nostell P., Roos A., Karlsson B. Antireflection of glazings for solar energy applications // Sol. Energy Mat. Sol. Cells. 1998. Vol. 54. P. 223-233.

70. Nostell P., Roos A., Karlsson B. Optical and mechanical properties of sol-gel antireflective films for solar energy applications // Thin Solid Films. 1998. Vol. 351. P. 170-175.

71. San Vicente G. et al. Long-term durability of sol-gel porous coatings for solar glass covers // Thin Solid Films. 2009. V. 517. № 10. P. 3157-3160.

72. Chinyama G. K, Roos A. and Karlsson B. Stability of antireflection coatings for large area glazing // Solar Energy. 1993. V. 50. № 2. P. 105— 111.

73. Колтун M. M. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука. 1985.279 с.

74. ASTM standard G173: Standard tables for reference solar spectral irradiance at air mass 1,5: direct normal and hemispherical for a 37° tilted surface / ASTM Annual Book of Standards. Vol. 14.04. ASTM International, West Conshohocken, PA. 2002

75. Practical handbook of photovoltaics: fundamentals and applications / ed. by: Tom Markvart a. Luis Castaner. Oxford: Elsevier, 2003. 984 p.

76. НемковаА.А. Выбор оптимального просветляющего покрытия для задач солнечной энергетики // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 58. Оптотехника, оптоинформатика, оптические материалы. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. С. 22-25.

77. ASTM standard E 490. Standard Solar Constant and Air Mass Zero Solar Spectral Irradiance Tables. ASTM Annual Book of Standards. Vol. 14.04. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2002.

78. Физика тонких пленок. Т. 5. Современое состояние исследований и технические применения / Под общ. ред. Г. Хасса и Р. Э. Туна. М: Мир. 1972. 344 с.

79. Немкова А. А, Путилин Э. С Измерение показателя преломления неоднородного просветляющего покрытия // Оптический журнал. 2009. № 1.С. 61-63.

80. Крылова Т. Н, Бохонская И. Ф., Карапетян Г. А. Измерение прозрачных пленок на поверхности стекла эллипсометрическим и спектрофотометрическим методами // Оптика и спектроскопия. 1980. Т.49. Вып. 4. С. 802-808.

81. S3. Толмачев В. А. Адсорбционно-эллипсометрический методисследования оптического профиля, толщины и пористости тонких пленок И Оптический журнал. 1999. № 7. С. 20-34.

82. CENEN410. Glass in building. Determination of luminous and solar characteristics of glazing, European Committee for Standardisation, Brussels, Belgium, 1998. 27 p.