一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法

摘要

本发明涉及种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法,该方法先将硅酸盐、氧化钨、钛源、助剂及溶剂混合后进行回流反应,再加入稳定液并进行超声反应,之后通入氮气进行曝气反应,得到氧化硅基吸收材料,最后加入有机硅树脂,并通过水浴微沸反应及高温高压反应,制得高吸光率太阳能吸收材料。与现有技术相比,本发明采用掺杂钨元素和钛元素的氧化硅基吸收材料,扩展了材料对太阳光谱的利用范围,并利用有机硅树脂与其进行高温粘合,不仅具有良好的粘结效果,保证材料的稳固性,同时还能够提高材料中氧化硅的含量,进步提高材料的吸光率,且制备方法简单,工艺条件温和,重复性好,生产成本低,能满足工业化生产要求。

权利要求

1.一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(1)按照以下组分及重量份含量进行备料：硅酸盐10-15份、氧化钨11-13份、钛源20-25份、助剂1-4份、溶剂12-33份、稳定液3-8份、有机硅树脂12-18份；

(2)将硅酸盐、氧化钨、钛源、助剂及溶剂混合后，回流反应3-5h，冷却后加入稳定液，并进行超声反应10-30min；

(3)通入氮气进行曝气反应1-2h；

(4)加入有机硅树脂，先进行水浴微沸反应2-3h，再进行高温高压反应1-2h，即得到所述的高吸光率太阳能吸收材料；

所述的硅酸盐包括四甲基硅酸铵或硅酸铵中的一种或两种；

所述的钛源包括钛酸正丁酯、钛酸铵或钛酸乙酯中的一种或多种；

所述的助剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇中的一种或两种；

所述的溶剂包括正庚烷、正己烷或正丁醇中的一种或多种，所述的稳定液为乙酰丙酮；

步骤(4)所述的水浴微沸反应中，水浴采用全浸式水浴，微沸温度为90-95℃；

步骤(4)所述的高温高压反应中，反应温度为130-150℃，反应压力为9-13MPa。

2.根据权利要求1所述的一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的回流反应中，回流流速为10-15mL/min，反应温度为50-70℃。

3.根据权利要求1所述的一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的超声反应中，超声频率为0.1-1.1MHz。

4.根据权利要求1所述的一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的曝气反应中，氮气的通入速率为20-35mL/min。

说明书

一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法。

背景技术

[0002] 与煤、石油、天然气等不可再生资源相比，太阳能有着资源丰富、清洁无污染、不受地域限制等优点。利用太阳能的方式有很多，如光热转换、光电转换或光化学转换等。在诸多太阳能利用方式中，最吸引人关注的是基于光电效应的太阳能电池。近几十年来，太阳能利用技术在科学研究、商业化生产、市场开拓等方面都获得了长足发展，成为持续快速发展的新兴产业之一。因此，提高对太阳能的有效利用率是目前材料、物理、化学等各学科及其交叉学科的重要研究方向之一。

[0003] 太阳能电池的研究方向是高转换效率、低制造能耗、低成本、寻找存量丰富的原料、耐久性好且无公害等。经过几十年的努力，太阳能电池在转换效率等方面取得了长足进步。以晶体硅为代表的太阳能电池因其原料丰富、转换效率高，已经成为目前开发最快的太阳能电池。但硅基材料为间接带隙半导体，其光吸收系数低。此外，硅基材料作为太阳能吸收材料，还存在原材料消耗大、成本高、制造工艺复杂、能源回收周期长等缺点。

[0004] 在传统的太阳能半导体吸收材料中，电子吸收光子后从价带跃迁到导带，从而产生光生载流子。这样就导致能量小于带宽的光子无法被材料吸收，而能量大于带宽的光子则只有一部分能量被材料利用，其超出带宽的部分通过电子-声子等相互作用转化为热能从而导致能量损失。在半导体材料的带隙中引入杂质中间带，能够扩展材料对太阳光谱的利用范围，从而更好地利用太阳光谱以减少能量损失。因此，采用适当的方法掺入合适的元素，在受主半导体带隙中引入杂质能带，能够提高吸光率并减少载流子的非辐射复合。

[0005] 目前，国际上普遍采用离子注入或激光退火的方法掺杂特定元素，来诱导母体化合物杂质带的产生，进而制备出中间带太阳能电池。其中，激光退火法仅适用于表层，作用距离有限(仅数十纳米左右)，且其成本相对较高；而离子注入法制备过程复杂，难以进行大规模生产，限制了其工业化应用。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备方法简单且生产成本低的高吸光率太阳能吸收材料的制备方法。

[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0008] 一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

[0009] (1)按照以下组分及重量份含量进行备料：硅酸盐10-15份、氧化钨11-13份、钛源20-25份、助剂1-4份、溶剂12-33份、稳定液3-8份、有机硅树脂12-18份；

[0010] (2)将硅酸盐、氧化钨、钛源、助剂及溶剂混合后，回流反应3-5h，冷却后加入稳定液，并进行超声反应10-30min；

[0011] (3)通入氮气进行曝气反应1-2h；

[0012] (4)加入有机硅树脂，先进行水浴微沸反应2-3h，再进行高温高压反应1-2h，即得到所述的高吸光率太阳能吸收材料。

[0013] 所述的硅酸盐包括四甲基硅酸铵或硅酸铵中的一种或两种。

[0014] 所述的钛源包括钛酸正丁酯、钛酸铵或钛酸乙酯中的一种或多种。

[0015] 所述的助剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇中的一种或两种。

[0016] 所述的溶剂包括正庚烷、正己烷或正丁醇中的一种或多种，所述的稳定液为乙酰丙酮。

[0017] 步骤(2)所述的回流反应中，回流流速为10-15mL/min，反应温度为50-70℃。

[0018] 步骤(2)所述的超声反应中，超声频率为0.1-1.1MHz。

[0019] 步骤(3)所述的曝气反应中，氮气的通入速率为20-35mL/min。

[0020] 步骤(4)所述的水浴微沸反应中，水浴采用全浸式水浴，微沸温度为90-95℃。

[0021] 步骤(4)所述的高温高压反应中，反应温度为130-150℃，反应压力为9-13MPa。

[0022] 本发明中，先将硅酸盐、氧化钨、钛源、助剂及溶剂混合后进行回流反应，使钛源水解并与硅酸盐反应生成钛金属硅酸，同时氧化钨变成钨盐；再加入稳定液并进行超声反应，使钛金属硅酸能够稳定存在；之后通入氮气进行曝气反应，使钛金属硅酸充分分散，与钨盐均匀混合，并通过高分子助剂进行表面界面力连接，形成氧化硅基吸收材料；最后加入有机硅树脂，先通过水浴微沸反应，使有机硅树脂与氧化硅基吸收材料粘结在一起，再通过高温高压反应，使氧化硅基吸收材料与有机硅树脂发生稳定的键合反应，并与其内部的硅离子键合形成更为稳定的键链，最终制得高吸光率太阳能吸收材料。

[0023] 本发明将钨元素和钛元素作为杂质元素，先通过键链的方式将其固定在氧化硅基吸收材料中，再通过高温高压反应使其与有机硅树脂内部的硅离子键合形成更为稳定的键链。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下特点：

[0025] 1)采用掺杂钨元素和钛元素的氧化硅基吸收材料，能够扩展材料对太阳光谱的利用范围，从而更好地利用太阳光谱以减少能量损失；利用有机硅树脂与其进行高温粘合，不仅具有良好的粘结效果，保证材料的稳固性，同时还能够提高材料中氧化硅的含量，进一步提高材料的吸光率；

[0026] 2)先利用氮气使反应能够充分进行，之后通过水浴微沸反应提取溶剂及氨气气体，在微沸条件下，溶剂加热挥发，氨气在沸腾过程中快速释放，以保证制得的材料中具有足够的氧化硅浓度，并达到较高的吸光性能；

[0027] 3)通过超声反应与曝气反应，将硅酸盐与钨元素和钛元素充分混合，并通过曝气反应和水浴微沸反应，将氨气及溶剂脱除，起到加稠效果；

[0028] 4)制备方法简单，工艺条件温和，重复性好，生产成本低，能满足工业化生产要求，且材料的高温循环性能好，防腐性佳。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0030] 实施例1：

[0031] 一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，其步骤如下：

[0032] 步骤1，将硅酸盐、钛源、氧化钨、助剂加入至反应釜中，并加入溶剂进行回流反应3h，其中，回流流速为10mL/min，回流反应的温度为50℃，回流过程中采用水进行冷凝降温；

[0033] 步骤2，回流后自然冷却，然后加入稳定液进行超声反应10min，其中，超声频率为0.1MHz，超声过程中采用水冷降温；

[0034] 步骤3，自然冷却后，在室温下，以20mL/min的速率通入氮气，进行曝气反应1h；

[0035] 步骤4，加入有机硅树脂，在90℃下进行全浸式水浴微沸反应2h；

[0036] 步骤5，在130℃、9MPa下进行高温高压反应1h，之后自然冷却至室温，即可得到高吸光率太阳能吸收材料。

[0037] 其中，各组分的重量份含量如下：硅酸盐10份、氧化钨11份、钛源20份、助剂1份、溶剂12份、稳定液3份、有机硅树脂12份。硅酸盐采用四甲基硅酸铵，钛源采用钛酸正丁酯，助剂采用聚乙烯吡咯烷酮，溶剂采用正庚烷，稳定液采用乙酰丙酮。

[0038] 实施例2：

[0039] 步骤1，将硅酸盐、钛源、氧化钨、助剂加入至反应釜中，并加入溶剂进行回流反应5h，其中，回流流速为15mL/min，回流反应的温度为70℃，回流过程中采用水进行冷凝降温；

[0040] 步骤2，回流后自然冷却，然后加入稳定液进行超声反应30min，其中，超声频率为1.1MHz，超声过程中采用水冷降温；

[0041] 步骤3，自然冷却后，在室温下，以35mL/min的速率通入氮气，进行曝气反应2h；

[0042] 步骤4，加入有机硅树脂，在95℃下进行全浸式水浴微沸反应3h；

[0043] 步骤5，在150℃、13MPa下进行高温高压反应2h，之后自然冷却至室温，即可得到高吸光率太阳能吸收材料。

[0044] 其中，各组分的重量份含量如下：硅酸盐15份、氧化钨13份、钛源25份、助剂4份、溶剂33份、稳定液8份、有机硅树脂18份。硅酸盐采用硅酸铵，钛源采用钛酸铵，助剂采用聚乙二醇，溶剂采用正己烷，稳定液采用乙酰丙酮。

[0045] 实施例3：

[0046] 一种高吸光率太阳能吸收材料，其制备方法的步骤如下：

[0047] 步骤1，将硅酸盐、钛源、氧化钨、助剂加入至反应釜中，并加入溶剂进行回流反应4h，其中，回流流速为13mL/min，回流反应的温度为60℃，回流过程中采用水进行冷凝降温；

[0048] 步骤2，回流后自然冷却，然后加入稳定液进行超声反应20min，其中，超声频率为0.7MHz，超声过程中采用水冷降温；

[0049] 步骤3，自然冷却后，在室温下，以28mL/min的速率通入氮气，进行曝气反应1h；

[0050] 步骤4，加入有机硅树脂，在94℃下进行全浸式水浴微沸反应3h；

[0051] 步骤5，在140℃、11MPa下进行高温高压反应1h，之后自然冷却至室温，即可得到高吸光率太阳能吸收材料。

[0052] 其中，各组分的重量份含量如下：硅酸盐13份、氧化钨12份、钛源23份、助剂3份、溶剂22份、稳定液6份、有机硅树脂15份。硅酸盐采用四甲基硅酸铵，钛源采用钛酸乙酯，助剂采用聚乙烯吡咯烷酮，溶剂采用正丁醇，稳定液采用乙酰丙酮。

[0053] 对比例：

[0054] 将现有水泥基太阳能吸收材料作为对比例，与实施例1-3制备得到的高吸光率太阳能吸收材料一起进行性能测试，结果如下表所示：

[0055]项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例
光吸收系数 95％ 95％ 97％ 90％
最高耐温温度 110℃ 103℃ 132℃ 70.7℃
波长范围 300-1200nm 350-1150nm 250-1300nm 300-760nm
抗压强度 55MPa 51MPa 58MPa 25.8MPa

[0056] 由上表可以看出，实施例1-3制备得到的高吸光率太阳能吸收材料的光吸收系数均不低于95％，高于对比例的90％，表现出高吸光率，表明在钨元素与钛元素的作用下，材料的吸光性能得到了提高；在耐温性能方面，由于以有机硅树脂为主要粘结剂，并在硅、钨、钛元素之间发生作用，使材料的最高耐温温度大大提高；随着钛元素与钨元素的掺杂，材料的可吸收波长范围发生了变化，范围变得更大，吸收率也随之增加；由于具有稳定的键链，高吸光率太阳能吸收材料的抗压强度也得到了提升。

[0057] 实施例4：

[0058] 一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

[0059] (1)按照以下组分及重量份含量进行备料：硅酸盐10份、氧化钨13份、钛源20份、助剂4份、溶剂12份、稳定液8份、有机硅树脂12份；

[0060] (2)将硅酸盐、氧化钨、钛源、助剂及溶剂混合后，在60℃、回流流速12mL/min下回流反应4h，冷却后加入稳定液，并在0.1MHz下进行超声反应30min；

[0061] (3)以27mL/min的速率通入氮气进行曝气反应1.5h；

[0062] (4)加入有机硅树脂，先采用全浸式水浴，在90℃下进行水浴微沸反应3h，再在130℃、9MPa下进行高温高压反应2h，即得到高吸光率太阳能吸收材料。

[0063] 其中，硅酸盐为硅酸铵；钛源为钛酸正丁酯；助剂为聚乙二醇；溶剂为正庚烷；稳定液为乙酰丙酮。

[0064] 实施例5：

[0065] 一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

[0066] (1)按照以下组分及重量份含量进行备料：硅酸盐15份、氧化钨11份、钛源25份、助剂1份、溶剂33份、稳定液3份、有机硅树脂18份；

[0067] (2)将硅酸盐、氧化钨、钛源、助剂及溶剂混合后，在70℃、回流流速15mL/min下回流反应3h，冷却后加入稳定液，并在1.1MHz下进行超声反应10min；

[0068] (3)以35mL/min的速率通入氮气进行曝气反应1h；

[0069] (4)加入有机硅树脂，先采用全浸式水浴，在95℃下进行水浴微沸反应2h，再在150℃、13MPa下进行高温高压反应1h，即得到高吸光率太阳能吸收材料。

[0070] 其中，硅酸盐包括四甲基硅酸铵和硅酸铵；钛源包括钛酸铵和钛酸乙酯；助剂为聚乙烯吡咯烷酮；溶剂包括正庚烷和正己烷；稳定液为乙酰丙酮。

[0071] 实施例6：

[0072] 一种高吸光率太阳能吸收材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

[0073] (1)按照以下组分及重量份含量进行备料：硅酸盐12份、氧化钨12份、钛源23份、助剂3份、溶剂23份、稳定液5份、有机硅树脂15份；

[0074] (2)将硅酸盐、氧化钨、钛源、助剂及溶剂混合后，在50℃、回流流速10mL/min下回流反应5h，冷却后加入稳定液，并在0.7MHz下进行超声反应20min；

[0075] (3)以20mL/min的速率通入氮气进行曝气反应2h；

[0076] (4)加入有机硅树脂，先采用全浸式水浴，在92℃下进行水浴微沸反应2.5h，再在140℃、11MPa下进行高温高压反应1.5h，即得到高吸光率太阳能吸收材料。

[0077] 其中，硅酸盐为四甲基硅酸铵；钛源为钛酸铵；助剂包括聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇；溶剂为正丁醇；稳定液为乙酰丙酮。

[0078] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。