基于超宽带微纳结构的光伏组件光热协同调控研究

光伏组件运作时过高的工作温度会降低太阳能电池光电转换效率和系统稳定性,进而影响组件功率输出及使用寿命。本文基于溶胶凝胶与图形转印相结合的技术手段,采用商业制绒晶硅作为原始模板在玻璃表面制备了超宽带微纳结构,并系统研究了其光学特性、耐候性能和被动辐射制冷等性能;此外,将该结构置于晶硅太阳能电池窗口层,研究了其在调控和提升电池短路电流密度和光电转换效率方面的作用,实现了光伏组件光管理和热管理的协同调控研究。本论文的主要成果如下:1.通过制备杂化SiO_2溶胶凝胶压印层和二次转印PDMS软模板,探究了热纳米压印图形转移技术工艺,初步制备了形貌较好的光盘和光学光栅微米图案结构。2.采用商业制绒硅片作为原始模板,通过热纳米压印图形转移技术和紫外纳米压印技术分别制备了微纳米金字塔型结构氧化硅减反射薄膜和紫外光固化减反射薄膜。其中,氧化硅薄膜样品相较于紫外薄膜样品表面微结构形貌更为规整均匀,其特征尺寸处于可见到中红外波段之间,分别为1.7μm和1.9μm;在350~750 nm波长范围氧化硅薄膜平均透过率Tave为94.7%,高于紫外薄膜样品Tave的92.3%;此外,氧化硅薄膜样品除光学特性优异外,经24小时高加速高温高湿测试Tave仍维持在初始值的100%,紫外薄膜样品下降至初始值的97.3%;经过紫外辐照测试,氧化硅薄膜样品在300~1200 nm波长范围平均透过率略有下降,随后保持不变,而紫外薄膜样品略有上升。3.基于Maxwell-Garnett有效介质理论模拟仿真发现,普通玻璃在中红外8~13μm和20~30μm两个波段处具有高反射率波峰,而该超宽带微纳结构能够明显抑制两个波谱区域反射率;根据实验结果表明,具有微纳图形结构玻璃的红外热发射率高于0.96;采用该微纳结构封装的裸硅片,在太阳辐照功率800W/cm2条件下,最低温度下降16.39 K,具有良好的辐射制冷降温效果。4.将该微纳结构玻璃置于晶硅太阳电池组件窗口层研究了对短路电流密度和光电转换效率的影响作用,发现由于几何光学和波动光学的减反射和陷光作用使得入射光更有效的耦合进入到太阳能电池,电池短路电流密度从40.03 m A/cm2提高至42.08 m A/cm2,提升幅度为5.12%;光电转换效率从17.57%提高至18.12%,提升幅度为3.13%。