快速、不含化学物的一代的光散射结构聚(对苯二甲酸乙二醇酯乙烯)使用一个有限公司₂激光为轻量级的,灵活的光伏应用

文摘

高度光散射结构中生成聚(对苯二甲酸乙二醇酯乙烯)(PET)电影使用有限公司₂激光。阴霾,在某些情况下,透明度,宠物的电影已经提高了不同激光工艺参数(即,扫描速度、激光输出功率和加工轨迹间距)。与未加工的宠物相比,平均价值的阴霾已经改善3.26%,至55.42%的峰值,相当于一个绝对提高52.16%或增加了17倍。除了光学性质,表面使用光学显微镜和映射为特征的光学表面光度仪。等同于关键表面参数的数量和结构表面粗糙度和特性进行了分析。的有限公司₂高速激光产生的微观结构,在不影响材料的批量属性,本质上是一种不含化学物的过程使其特别适用于使用在工业、配件的高通量,卷卷过程与灵活的有机光伏器件的生产。

1。介绍

光伏(PV)行业非常有价值和快速增长。2017年,比任何其他能力增加了从太阳能光伏技术和可以被认为是在领先竞争者取代化石燃料成为全球能源的主要提供者(1]。传统的第一代太阳能电池的效率达到26.7%,非常接近理论最大值~ 33% (2,3]。也被称为第二代光伏薄膜光伏,近年来关闭差距显著。这两个主要技术是碲化镉(集团)和cigd(香烟),有21.0%的验证记录(标准≥1厘米的活跃领域²下面,在活跃的地区,分别记录是22.1%)和22.9% (2]。薄膜光伏设计使用的材料有很高的吸收系数。这使得设备的吸收层厚度~ 10μm和下面,一个相当大的材料保存在100 - 500μ米厚的活跃层,第一代光伏(4]。第三代光伏(3世)涵盖了广泛的不同的技术领域。3世主要集中在克服Shockley-Queisser限制通过应用一个或多个方法如热载流子吸收,光子管理技术,多个pn结和浓度(5- - - - - -8]。尽管如此,许多小说新材料类型也归入3世。这包括染料(DSC)、有机(口服脊髓灰质炎疫苗)和perovskite-based设备(9- - - - - -11]。这些新技术提供的可能性更低生产成本和应用范围的利基市场,否则无法进入经典模块设计。其中,钙钛矿迄今以来的最高效率20.9%(标准的有效面积,在较小的22.7%)2,12]。这些新技术的一个优点是能够在聚合物基质沉积。这特别的口服脊髓灰质炎疫苗,不仅提供了降低成本,但允许灵活的设备(13]。

工程结构在微观和纳米级提高光伏电池的光子收集。这些发现特定应用程序薄吸收材料吸收最大化在一个小的光学路径长度是提高性能的关键。从表面的纹理的结构来减少反射(例如,通过一代的黑硅和类似的结构或通过创建命令和随机生成的结构设计来创建一个高度的光散射(也称为阴霾)或诱导光捕获)(14- - - - - -16]。另一条路线,用于提高光子捕获是电浆的应用程序层(17]。方法用于创建这些类型的表面围绕的增长结构的光伏层(例如,通过PVD——或者CBD-based方法)或通过移除材料(即创建结构。蚀刻)(18,19]。在几乎所有情况下,额外的需要和正常高度有毒化学物质作为反应前驱物,或作为一个蚀刻过程的一部分。相比之下,激光加工通常是免费使用的有毒物质以外的使用常见的溶剂清洗(20.]。激光应用在许多领域。这些范围从加工工具切割和焊接应用程序(21)表面的工程在生物医学或骨科应用程序(22,23),以及微流体和薄膜沉积的一部分(24,25]。二氧化碳(有限公司₂)基于激光在当今最流行的系统。他们相当高效,低成本、高度灵活的使用各种应用程序。有限公司₂激光功率连续波系统和最高也q-switchable收益率非常高的功率密度每脉冲(26- - - - - -28]。

聚对苯二甲酸乙二醇酯乙烯(PET)是一种常见的聚合物,用于食品包装、医疗设备,在衬底或作为光伏模块的封装(29日- - - - - -32]。它成本低,重量轻,具有良好的机械和光学性能(29日]。这项工作提出了一种不含化学物的第一步发展(超出最初的清洁)有限公司₂激光过程工程师宠物生产层的光散射结构旨在提高柔性光伏设备在高速的性能。

2。材料和方法

2.1。表面工程

的有限公司₂激光系统使用的是一个60 W Synrad Firestar系统配备了一个检流计的扫描光斑大小头生产的半最大值宽度为171μm。每个样本产生一系列平行线在10毫米²区域。三个处理组中各有不同的实验参数。这些都是激光功率、扫描速度和行间距。根据设置的参数表1,每一个可能的组合测试,导致共64个样本。在实验之前,激光功率测量使用Mahoney激光功率调查。测量值已经包含在表中1旁边的电源使用的百分比。透明的0.25毫米厚宠物电影从格拉汉姆·古德费勒购买Inc .和激光治疗之前,样品简要与异丙醇清洗擦拭,去除表面污染和减少额外的溶剂使用。所有加工进行环境空气。

2.2。面描述

两种类型的表面描述执行:表面轮廓测定法和光学显微镜。表面已经映射使用保修期内Micromeasure 2共焦彩色成像仪(CCI)。面积1×1毫米在每个样本扫描步长为10μm。数据处理是使用MountainMaps软件做的,和所有原始数据比较过滤和处理。多个3 d表面参数计算和分析,也就是说,(算术平均粗糙度),(10点高度),(高度分布的峰态)(高度分布的偏态)。光学显微镜进行莱卡DM2700显微镜。

2.3。光学测量

海洋光学QE-Pro系列紫外可见光谱仪已被用于测量激光处理宠物样品的光学特性。所有的样品,包括一个未加工的应用基(AR)样本,使用积分球测量。两个参考测量了: ,相当于100%的传输 ,相同的出口的积分球开放允许直接光束通过球面所以只有自然开花的杂散光检测到光束。对于每一个样品,两个已经采取了进一步的测量。这些都是 ,相当于但与样品到位, ,相当于与样品。方程1可以用来计算总的传输( )每个样本的方程2可以用来计算扩散传播( ),和方程3可以用来计算总霾( )。

3所示。结果与讨论

3.1。表面分析

表面产生的分析,得出了一系列不同结构的生产宠物样本。有趣的是,两个样品,同时处理20%的100毫米/秒扫描速度和力量而在300年和400年的间距μm,分别导致了样品融化,导致他们的破坏由于功率密度大于宠物能够承受。光学显微镜的样品展示详细的结构表面。图1显示一个系列的样品增加间隔从300年到600年μm。在每一个图像,功率和扫描速度是常数。正如人们预期的那样,越宽间距,AR-like材料的面积就越大。一些泡沫是可见的样品,由于空气变得困在激光加工后迅速熔化的宠物当它冷却。CCI表面地图,它可以观察到的样本的最小间距较小范围比wider-spaced样本。这是样本内的传热造成的连续线扫描的足够近距离影响前面的扫描。这里的效果是减少冶炼过程的有效深度的宠物部分填充任何战壕以前刻在表面。激光的应用产生一个大小为171μ米,相当于1 /e²点大小为290μm。因为聚合物不耐热特别有效,可以看出,提出的重熔作用可能发生由于光斑大小和间距(最小的间距)类似的规模。一旦间距达到足够宽的水平,这种效应可以减少和消失。通过分析表面粗糙度数据进一步支持这一发现。通过平均 ,和所有样品使用相同的间距,我们发现平均粗糙度( )增加随着间距的增加。300年μ米间距显示平均粗糙度o~ 10.8μ增加到12.8米μ达到600μ米间距。400年和500年μ米间距样本比较值。仅是一种相对无用的价值,然而,随着大样本和一个小范围范围可以有类似的平均粗糙度尽管截然不同的表面。比较与提供了一个更好的表面粗糙度的规模示范。给出了测量表面粗糙度的规模,即。最高的山峰,从最低的山谷。也遵循同样的趋势,表明样品的平均粗糙度增加不仅如此而且粗糙度的规模。大约有100人μ从300年到600年增加表面粗糙度μ米间距。其他关键参数,和 ,还提供了关于表面粗糙度特征的有用信息。的偏态表面与表面波峰或波谷的相对优势。峰度,表明多高的高峰和低谷。这两个和是没有单位的。所有的样品间距表明负偏态,表明山谷的优势。这将会随着激光加工通常是一个烧蚀除过程,生成的山谷。有一个略大的负偏态值平均为300μ米间距(−1.60),与增加间距(−1.51−1.43−1.33,分别)。当然,而值接近,一种解释可能是由于增加间距导致相对减少加工面积减少的体积相对数量的山谷。值证明增加的最低水平kurtosis-meaning深valleys-for最小间距的低水平。这增加从8.2到9.8和9.4 400年和500年μ10.2米间距,非常相似的价值观,然后最大间距。这似乎支持的想法再融化在较低空隙导致一些深度的过程被删除。这也解释了减少数量的泡沫在300年μ米间隔的样品,由于冷却速度变慢(造成的重熔)允许更多的空气被困逃离样本。

图2显示光学显微图说明扫描速度的影响表面的宠物。扫描速度范围从100到400毫米/秒。所有其他参数保持不变。有趣的是,在更快的扫描速度似乎有增加气泡被困在聚合物。可能的解释是,由于更快的扫描速度每秒导致更少的激光功率显著区域的表面,同时提供足够的能量来处理宠物,宠物达到温度可能会更低。这将导致增加任何熔融聚合物冷却速度,减少任何困空气逃脱的可能性。CCI的图像,它可以观察到表面的规模随速度增大而减小。再一次,这与激光功率每秒的表面。激光束相互作用的时间越长,发现表面上,越大的融化和消融。事实上,它还可以看到激光的光学显微图跟踪似乎明显深在100 mm / s比400 mm / s哪里有比较小的表面处理。粗糙度数据的分析支持。虽然平均粗糙度没有特定的趋势,100毫米/秒的最大(252μ米),300和400毫米/秒显示最低的值(165年和192年μ米)。显示了所有负样本,与更大的负偏态,表明更高比例的山谷,扫描速度最慢的。再一次,支持的理论速度变慢,产生更深的山谷,平均超过12 100 mm / s的样本,同时对于所有其他速度小于10。

图3包含光学显微图显示在PET表面激光处理能力的影响。激光的权力范围从5到20%;所有其他参数保持不变。激光功率的5%,很少有影响被观察到表面上,而在更高的权力痕迹清晰可见。冒泡明显观察到10%的力量,少量为15%,而不是20%。这与前面提到的更高力量每秒造成热融化宠物导致较长的冷却时间允许气泡的时间逃跑。没有明显的泡沫在5%力量由于有限激光材料发生相互作用。演示的CCI地图,雕刻的宽度和深度与激光功率显著增加。的平均值和规模的表面粗糙度是最低为5% ( μ米, μ米),而其他所有展览样品 μm, μm。平均偏斜度和峰度的5%力量处理样品也显著降低,表明越来越小山谷被创建在PET表面的5%的样品是−0.77和6.0,分别。其他大国都表现出一个<−1.45和> 10.0。所有这些平均粗糙度值的警告是,每个参数都有自己的个人作用,这可以让其他的结果。尽管如此,从这个数据有明显的趋势和观察,声音逻辑意义时考虑到红外激光与宠物。

3.2。光学性质

描述样品的表面后,光学特性测量。考虑宠物的位置层的光伏电池,作为底物或封装系统的一部分,因此事件入射光线,最重要的两个属性是透射率,即多少的入射光将通过设备,和阴霾。多少光线分散。宠物的折射率~ 1.57,产生一个近似反射损失约4 - 5%的表面界面。光学数据的分析,400年和750年之间的波长范围海里被选中,尽管再测量。这个范围的同时,大部分的光子能量提供给所有光伏活性材料吸收不仅为最常见的半导体材料,即。,silicon, CdTe, and CIGS, but also and more importantly for the target PV materials for this light scattering technology, OPV and perovskites which often do not absorb towards the near-infrared [2]。似乎有一个小的激光加工样品的透射率的影响宠物相比,基于“增大化现实”技术的样本。图4(一)显示样品的平均传输激光参数的函数,而图4 (b)显示例子透射光谱的基于“增大化现实”技术的宠物样本与样本进行比较,产生最高的阴霾的价值。在图4(一),每个运行与一个特定的值设置平均,以查看效果,显示一个特定的参数。许多设置在传输显示略有增加,~ 1 - 2%。这可能是由于两个主要原因。首先,由于材料去除由于激光材料的相互作用。更少的材料将会导致轻微的减少吸收。然而,由于非常低的吸收发生在这些波长的宠物,这似乎影响最小。另一个可能性是表面结构以某种方式行动部分捕获光。变形表面nonflat,它允许增加全内反射由于入射角的变化相对于表面。另一种可能性是pseudolensing效应引起的常规射线的结构,创建了部分集中在很小的范围内。也许最有趣的效果是改变激光功率对PET薄膜的透射率。 The lowest laser power demonstrates an average transmission value equivalent to that of the unprocessed PET, whereas the higher powers all display a slight increase to transmission. This would imply that at the lowest power, any structures created on the surface are comparatively small and having a minimal effect on the incident light.

图5再次显示了激光处理的平均阴霾宠物电影,平均在400 - 750纳米波长范围之间。激光加工产生了令人印象深刻的阴霾在宠物电影水平。基于“增大化现实”技术的宠物有一个非常低水平的本地阴霾,~ 3%,而laser-engineered表面,在某些情况下,展览平均烟雾水平超过50%。评估的光散射特性laser-textured电影也表明,梁的力量是最重要的财产用于生成高阴霾的表面。随着激光功率的增加,似乎有一个明确的趋势增加平均阴霾。更深层次的分析是必需的,然而,随着激光参数往往也有相似的效果。特别是(正如前面所讨论的那样),扫描速度也严重影响激光的功率密度单位时间,扫描速度较慢导致更大的有效功率密度达到一个点。这是在一定程度上也能看到在一片朦胧中生产水平。

图6显示的平均阴霾宠物电影作为激光扫描速度的函数。它曾被观察到在本文,扫描速度越慢,越特性,因此散射越大;然而,这可以让阴霾的激光功率的影响。在扫描速度最慢,100毫米/秒,平均阴霾最低的权力,5%,最高。其他三个大国的阴霾水平以这个速度不相上下,暗示可能上限的阴霾创造性的用这种方法在这些电影。随着扫描速度的增加,大大减少5%的阴霾在力量从> 20% < 10%。激光显示最高的10%和15%总阴霾值在扫描速度最慢,降低平均烟雾随着速度的增加。然而,在最高权力阴霾仍然相当恒定的水平。样品的行间距的阴霾似乎影响有限样本一旦间隔足以限制的影响后续过程线之前的。最高的阴霾价值获得这个工作从一个样本100毫米/秒扫描速度,400年μ米间距和电力的15%(相当于样本有20%的电力是一个破坏的两个示例)。

另一个有趣的观察是,高度方向散射光的高阴霾结构。图7显示照片显示unscattered光与PET膜的结构的存在。而不是更多的光把积分球,这将表明均匀的散射和方向,光线散射的方向垂直于激光标志。这是有趣的,给潜在的面向不同的组合结构光散射效应最大化。所有样品的烟雾的测量也可以观察到在图7,展示阴霾的值的范围内由不同的只有三个参数。应该注意的是,之间没有一致的趋势和整体阴霾的粗糙度值。这将表明,光散射取决于生产的特点和模式,而不是直接。

3.3。潜力提高光电和激光加工的优点

Laser-structured宠物显然有能力提高太阳能电池的效率利用光散射机制。增加的阴霾与许多高霾电影已经被证实能增加一些细胞效率超过10%33- - - - - -36]。本文中描述的优势在这个过程中已经讨论了一些介绍;然而,他们承受重复结合时,发现在这个工作。激光过程,最重要的是对于任何工业过程,非常快。电影展示了高达50%的阴霾已经生成在400 mm / s使用激光扫描速度权力非常低考虑到有限公司₂千瓦的激光输出功率水平通常可用。这导致显著的机会更快的处理速度,以抵消可能增加力量和肯定水平足以被合并为任何批或精密卷绕对位过程的一部分。这是特别重要的精密卷绕对位技术生产的一个关键卖点的口服脊髓灰质炎疫苗(13]。也许同样重要的是缺乏处理速度的复杂性。有许多优秀的出版物展示表面纹理子10微米尺度(通常)的表面类似的最终目标(19,37- - - - - -40]。许多过程用于这可以耗费时间相比,激光过程,当然是更复杂的比工业激光的“傻瓜相机”的方法使用。这里的高水平的散射观察也证明复杂纳米结构是不必要的高度光散射表面的生产。这个过程也可以完全不含化学物,既提供了机会,节约生产和提高安全的去除潜在的有毒化学物质的生产线。通过纹理的宠物,能力提高高度小说形式的光伏聚合物基质已经演示了使用灵活。尽管这个角色的竞争者,宠物并不总是基质用于灵活的应用程序。然而,它确实表现得相对其他几个透明高分子材料辐照时有限公司₂激光源使它成为有用的参考材料。事实上,有证据表明在有限的文献₂激光加工和/或加工的聚合物被认为是重要的,因为潜在的基质光伏技术包括聚酰亚胺和聚二甲硅氧烷(41- - - - - -45]。

另一个需要考虑的重要因素是影响这一过程可能在透明导电层(通常氧化物掺杂氧化锡铟,tco,或聚合物混合物像PEDOT: PSS,安全和)涂层衬底。这些高导电层作为前面联系的光伏设备,实现高水平的细胞性能至关重要。口服脊髓灰质炎疫苗的电影形态的有机细胞有显著影响细胞性质。例如,厚的电影,而自然地吸收入射光的更大的部分,可能会导致增加细胞内的串联电阻,和空洞或其他缺陷会增加短路导致的可能性减少分流电阻(包括影响导致减少细胞填充因数)(46- - - - - -48]。一个潜在的问题可以从宠物不利传热衬底TCO / TCP层,由激光过程引起的,扭曲的层,导致缺陷的增加有机层满足前面的接触。虽然这确实有可能导致的问题,这些应该是次要的两个关键原因。首先,面临的外部处理发生在一侧的宠物衬底,只有更极端的加工条件测试在这个工作也会影响内部方面相对特征尺寸(见插图表面上的数字1- - - - - -3)。其次,宠物后的导电涂层可以应用激光加工。这将允许一个更TCO / TCP层应用,减少引入microshorts的可能性。也有可能获得的潜在有利的纹理TCO / TCP层通过模板效应,因为它已经证明过去或添加到这些散射中心层的变形会导致增强光子捕获和/或上级结形成,尽管主要在玻璃基板46- - - - - -49]。为了充分测试,进一步研究处理预镀基板和涂层pretextured基质是必需的。

4所示。结论

本文展示了一种高速、简单,不含化学物的方法生产高光散射表面用于灵活的光伏应用程序。激光功率和扫描速度的参数有最大影响的水平变形表面产生烟雾。已经观察到,在更高权力和扫描速度慢,有显著减少捕获的气泡,这可能是因为慢冷却空气允许更多的时间来逃避。电影表现出山谷的增加,证明了负的值,这可以被认为是非常大的粗糙度特性由于高 。 和值表明,当间距水平接近的光斑大小,传热/重熔发生导致更小的特征尺寸。粗糙度值不直接与光的散射,表明光散射比显式直接依赖于特征尺寸。光散射发生在一个方向垂直于加工激光线的方向,使潜在的定向应用程序或小说多方向的结构。最后,简要讨论如何这个过程可能导致改善光伏电池已经包括讨论的优势和一些潜在的问题,可能会导致和他们如何可能被克服。产生最高的样本测量烟雾400至750海里的扫描速度100 mm / s,间距为400μm, 15%的激光功率。下一步在意识到这种技术方法增强光伏设备需要广泛的光散射模型和测试功能的光伏设备。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢的成员切斯特大学科学与工程学院为有用的对话而进行这项工作,特别是自然科学部门的成员和机械工程。这里的工作是内部通过切斯特大学的资助。

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