光伏玻璃表面激光织构化技术研究

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太阳能光伏发电技术是当应对能源短缺前普遍认可的最有前景的可再生能源技术,其研究重点是提高光伏电池的光电转换效率。基于一种间接的技术路线,即:减小太阳能光伏玻璃表面反射率,以提高太阳光能利用率,进而提高光伏电池转换效率,设计了三种光伏玻璃织构方案,利用激光诱导背面干法刻蚀工艺,在光伏玻璃表面制备了具有减反功能的表面连续浮雕微光学结构。光伏玻璃对可见及近红外光具有极高的透射率,因而目前主要采用紫外波段的准分子激光器在其表面直接烧蚀加工,但是其加工速度受到加工系统及激光参数的很大制约。为了提高加工效率,搭建了激光织构光伏玻璃加工系统,应用中心波长为1064nm短脉冲掺镱光纤激光器,借助辅助吸收材料,在光伏玻璃表面诱导刻蚀微结构。不同于其他研究报道,本文应用表面粗糙度小于350nm,厚度为1mm的95氧化铝陶瓷和平均粒径为2.071m氧化铝粉末这两种非金属材料替代金属薄膜作为辅助吸收层,减少了金属镀膜准备及后续腐蚀处理的环节。通过扫描电镜,三维形貌仪,RAMAN光谱仪及EDS能谱分析仪等设备,对刻蚀的样品进行了表面形貌和成分的测量与分析,并探讨了基于氧化铝陶瓷作为吸收材料的刻蚀机理及激光参数与吸收层对刻蚀结果的影响。为了设计减反能力更强的光学结构,基于物理光学理论中的菲涅尔反射透射系数公式依据,推导了凸面金字塔和余弦微坑阵列两种织构的反射率计算公式,Matlab数值分析计算表明,与激光刻蚀样品三维形貌最接近的余弦微坑阵列结构具有最低的反射率。同时,应用ZEMAX光学设计软件对微结构进行光线追迹和成像仿真,对比分析了它们的光学性能,并确定了以余弦微坑结构为织构方案。作为对比实验,以优化的激光参数,在光伏玻璃表面制备了点阵式,线条式及点线混合式三种织构路径的光学结构,并对其反射率用紫外-可见光-近红外分光光度计进行测量,结果表明这几种光学结构较未织构化的平板玻璃能在不同程度上减小入射光线的反射率,尤其是在可见至近红外波段,平均反射率能降低4.3%。通过对微结构的微观形貌进行分析,织构的周期性微结构具有连续浮雕形貌,而对微光学结构的相干光源光学衍射实验,证明了它们是典型的二元微光学结构。为了进一步探讨光线在微光学结构中的传输性能,依据基尔霍夫标量衍射理论进行了分析,衍射光斑能量分布是余弦光栅与微坑结构互相调制的结果。这种二元微光学结构在信息光学和无掩模微加工中具有可预见的应用前景。
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