基於3D列印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃的製作方法

2023-06-14 12:19:36 1

本實用新型涉及一種能夠利用太陽能的家用玻璃，具體為基於3D列印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃。

背景技術：

太陽能電池目前大多是利用四價的半導體矽材料製備的，製備的過程高耗能、高汙染。然而金剛石也是四價的，現在人們已經掌握的實驗室製備納米金剛石的方法低耗能、無汙染，所以人工製備的金剛石被普遍用在衣服、鞋帽上。金剛石具有高熱導率、高硬度、高擊穿場強、低摩擦係數、低介電常數和寬禁帶以及電子和空穴高遷移率等優異的物理性能，並有良好的光學透射性和化學穩定性，使金剛石可望成為高溫與複雜環境在光學、聲學、機械及半導體等領域具有廣闊的應用前景的半導體材料。在金剛石薄膜中摻入硼雜質，可以得到具有良好導電性能的p型金剛石薄膜，是一種極佳的半導體材料。納米金剛石透明薄膜是由納米金剛石晶粒和非晶碳晶界形成的複合薄膜，它除了具有常規金剛石的優異性質外，還具有表面連續光滑、比表面積大等特點。在納米金剛石透明薄膜中摻入硼雜質，可望製備得到具有比硼摻雜微晶金剛石薄膜更優異的p型導電性能的薄膜，在納米電子器件和電化學電極等方面具有較好的應用前景。

現有的家用太陽能採集中，通常在屋頂安裝大面積規格統一的電池板用以採集太陽能，但是這種方法價格高昂而且效率平平。現有技術中公開的太陽能玻璃，是採用塗料吸收太陽光後把光線以不同波長傳輸到安裝在玻璃邊緣的太陽能電池中，雖然採用透明材質透光率不受影響，但是其穩定性差，光線經過的路徑較長，效率低，且目前只提出了構想，僅僅處於理論研究的水平。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本實用新型提供一種基於3D列印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃，其能夠充分利用照射到屋內的太陽能，不佔用額外空間，且不降低透光率，轉化效率高，保證了屋內照明的同時能夠根據需求進行太陽能的利用和轉化。

本實用新型是通過以下技術方案來實現：

基於3D列印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃，包括玻璃，以及依次設置在玻璃靠近室內側的正極層、P型納米金剛石透明薄膜、PN結層、N型納米金剛石透明薄膜和負極層；所述的玻璃至少設置一層，相鄰玻璃之間設置有真空間隙。

優選的，所述的玻璃採用雙層中空玻璃，最外層玻璃靠近室內側上依次設置有正極層、P型納米金剛石透明薄膜、PN結層、N型納米金剛石透明薄膜和負極層。

優選的，所述的玻璃採用三層中空玻璃，最外層和中間層玻璃靠近室內側上依次設置有正極層、P型納米金剛石透明薄膜、PN結層、N型納米金剛石透明薄膜和負極層。

優選的，負極層上還包覆設置有採用柔性聚醋膜的封裝層。

優選的，正極層採用Ti/SnO2薄膜電極，負極層採用ZnO/Al透明薄膜電極，正極層和負極層上分別設置有正極引線和負極引線。

優選的，負極引線採用由3D列印設備製成的金屬鋁膜；正極引線採用由3D列印設備製成的ITO薄膜。

優選的，所述的P型納米金剛石透明薄膜和N型納米金剛石透明薄膜採用由3D列印設備製成的納米金剛石透明薄膜。

與現有技術相比，本實用新型具有以下有益的技術效果：

本實用新型所述的家用玻璃，通過設置在靠近室內側的納米金剛石透明薄膜電池，在保證窗戶透光性的同時，對太陽能進行利用，不僅節省了太陽能電池板額外的佔用空間，而且利用家用窗戶的設置，充分的對太陽能進行吸收，節省了每個家庭的能源開支；並且能夠通過相鄰玻璃件的真空間隙實現對納米金剛石透明薄膜電池的保護，提高其使用的穩定和壽命；並且基於3D列印的設置，能夠滿足各種不同形狀和尺寸的玻璃，進行個性化定製，提高了其適應性。

進一步的，通過多層中空玻璃的設置，並且設置在靠近窗外側的內部，能夠對太陽能進行多次最直接的利用和吸收；利用封裝層的設置，更好的保證了納米金剛石透明薄膜電池和玻璃的結合穩定性和可靠性。

進一步的，通過設置能夠用3D列印設備得到的正極引線和負極引線，能夠更好的提高家用玻璃的整體結構性，提高太陽能利用率。

附圖說明

圖1為本實用新型實例中所述的製備步驟框圖。

圖2為本實用新型實例中所述納米金剛石透明薄膜熱燒結曲線圖。

圖3為本實用新型實例中所述對玻璃的3D建模圖形。

圖4為本實用新型實例中所述雙層中空的家用玻璃的結構示意圖。

圖中：玻璃1，正極層2，P型納米金剛石透明薄膜3，PN結層4，N型納米金剛石透明薄膜5，負極層6，真空間隙7。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本實用新型做進一步的詳細說明，所述是對本實用新型的解釋而不是限定。

本實用新型一種基於3D列印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃，包括玻璃1，以及依次設置在玻璃1靠近室內側的正極層2、P型納米金剛石透明薄膜3、PN結層4、N型納米金剛石透明薄膜5和負極層6；所述的玻璃1至少設置一層，相鄰玻璃1之間設置有真空間隙7。其中，P型納米金剛石透明薄膜3和N型納米金剛石透明薄膜5採用由3D列印設備製成的納米金剛石透明薄膜。

具體的，本實用新型優選得到的基於3D列印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃，採用雙層中空結構，如圖4所示，兩層玻璃1中間為真空間隙7，在最外層的玻璃1上靠近室內側依次設置正極層2、P型納米金剛石透明薄膜3、PN結層4、N型納米金剛石透明薄膜5和負極層6。P型納米金剛石透明薄膜3和N型納米金剛石透明薄膜5由3D列印設備製成。還能夠採用採用三層中空玻璃，最外層和中間層玻璃靠近室內側上依次設置有正極層2、P型納米金剛石透明薄膜3、PN結層4、N型納米金剛石透明薄膜5和負極層6。

其中，負極層6上還包覆設置有採用柔性聚醋膜的封裝層。正極層2採用Ti/SnO2薄膜電極，負極層6採用ZnO/Al透明薄膜電極，正極層2和負極層6上分別設置有正極引線ITO薄膜和負極引線鋁膜。

本實用新型製備時，具體的，如圖1所示，為了3D列印納米金剛石透明薄膜太陽能電池，首先要採取工業化的三步清潔方法對所使用的玻璃進行清潔：

第一步，丙酮溶液中的清洗：用機械手臂把玻璃放進裝有超聲波源和丙酮溶液的水槽內進行清洗，機械手臂有plc控制有三個氣缸，並且機械手部分至少有三個吸盤，吸盤的通氣孔與真空泵相連，使吸盤產生負壓牢牢的吸附在玻璃表面。而超聲波源採取20KHz～40KHz以防止震碎玻璃，清洗時間5～10mins，丙酮溶液濃度10～30％。

第二步，乙醇溶液中的清洗：將用丙酮溶液清洗過的玻璃經機械手臂自動放進體積濃度為95～98％的乙醇溶液，並水槽同樣裝有超聲波源，超聲波源採取20KHz～40KHz以防止震碎玻璃，清洗時間5～10mins。

第三步，去離子水中的清洗：機械手臂自動把玻璃放進裝有超聲波和去離子水的水槽內，超聲波源採取20KHz～40KHz以防止震碎玻璃，去離子水溫度為25～35℃，清洗時間為20～30mins。

其次，要進行太陽能電池正極板及引線的處理。

採用提拉法製備Ti/SnO2電極作為太陽能電池的正極，電極反射透光度和光學透光較好，而且還能提高能量轉化效率。以鈦為基材，將滷化錫固體粉末加到檸檬酸-乙醇混合液中加熱攪拌，將基材放進溶液中提拉塗抹，取出後進行烘乾，烘乾溫度為120～160℃，在進行高溫燒結，燒結溫度為450～550℃，反覆多次便可製成太陽能電池正極。

利用智能製造的3D列印技術可控制備納米金剛石透明薄膜太陽能電池的正極板引線，在正極上製備ITO薄膜作為正極的極板引線。

再次，根據不同家庭不同尺寸不同種類的玻璃的形狀建立三維數據，利用工業3D印表機專業軟體建立3D數字模型，對於不同尺寸不同種類的玻璃進行精密的測量，根據所得數據進行3D建模。本實例採用長和寬為30cm和20cm，厚為1.5cm的玻璃進行3D建模，如圖3所示。由於要以玻璃為基體進行ITO膜的製造，也要考慮ITO膜的厚度，一般ITO薄膜的後度為1～100nm。

然後，根據玻璃的3D建模，進行不同結構的納米金剛石透明薄膜的太陽能電池的3D列印製備方法，

採用3D列印設備製得所述P、N型納米金剛石透明薄膜，其燒結時的溫度曲線如圖2所示。優選的採用共享集團股份有限公司實用新型的一種多工作箱砂型3D列印設備。

以丙酮為碳源，B2H6為硼源，硼濃度為500～5000ppm，採用工作箱砂型3D列印設備將溶有硼源的丙酮噴入到反應室中，反應溫度600～700℃、反應時間5～6小時，在襯底上製備得到厚度為1～15nm的硼摻雜納米金剛石透明薄膜前體，在800～1200℃下真空退火、30～60分鐘，製得所述的P型納米金剛石透明薄膜，再利用多工作箱砂型3D列印設備在納米金剛石透明薄膜中注入劑量為1×1015cm-2磷離子，並在900℃真空退火30分鐘，得到N型納米金剛石透明薄膜。退火後用擴散管進行磷離子擴散形成PN結層，得到與玻璃形狀相同納米金剛石透明薄膜，即電池基片。

第四，進行負極板處理，優選的，採用共享集團股份有限公司實用新型的基於FDM的3D列印設備製備負極板。

採用基於FDM的3D列印設備製備負極板，先以電池基片為基片，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲波清洗基片，用氮氣吹乾基片，送入磁控濺射反應室；磁控濺射反應室抽真空至9.0×10-4Pa後，將基片加熱至100℃，並調整氬氣流量使氣壓達到6Pa，以純Al為靶材進行磁控濺射，控制濺射功率為100W，濺射時間4min，在基片上得到258nm厚的Al薄膜；用去離子水清洗上述濺射有Al薄膜的基片，然後將基片加熱到200～400℃，使用3D列印設備的噴頭通入氧氣和攜帶有Zn(HCH2CH3)2的氬氣，其中氬氣和氧氣流量之比為1：100，噴射速度為6s/50g～6s/100g，在有Al薄膜的基片得到500nm厚的薄膜，然後用高純氮氣清洗氣，取出基片；在氧氣氣氛下，於400℃對載有薄膜的基片退火處理30min，得到不同製備溫度下的ZnO/Al透明薄膜電極。

利用3D列印設備控制備負極的極板引線；採用比銀納米級粉更低成本的納米級鋁粉。將納米級鋁粉和溶劑按1：30的比例混合，然後超聲加熱分散3小時候得到漿料，再將其通過3D列印製備在薄膜電池表面上，雷射燒結成型。

最後，基於3D列印納米金剛石透明薄膜電池在家用玻璃上的封裝方法，根據不同家庭不同尺寸不同種類的玻璃設計不同的封裝工藝。

選取不同尺寸和不同種類的玻璃、正極和納米金剛石透明薄膜電池，納米金剛石透明薄膜電池的厚度為0.5mm；將選擇好納米金剛石透明薄膜電池固定，取出準備好的刻刀，在納米金剛石透明薄膜電池的表面上沿橫豎的方向劃出劃痕；柔性聚醋膜將正極和納米金剛石透明薄膜電池依次包裹在玻璃上，柔性聚醋膜通過邊緣多出的薄膜將正極和納米金剛石透明薄膜電池膠封成密閉的腔體；層壓封裝將柔性聚醋膜包裹好的組件放入3D設備進行層壓封裝，使膠薄熔融抽真空在熔融的薄膜未收縮之前，進行下室抽真空，上氣囊充氣，使玻璃緊壓正極和納米金剛石透明薄膜電池，然後將冷卻至70℃以下的太陽電池組件進行加熱層壓封裝。