本實(shí)用新型涉及一種能夠利用太陽(yáng)能的家用玻璃，具體為基于3D打印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能電池目前大多是利用四價(jià)的半導(dǎo)體硅材料制備的，制備的過(guò)程高耗能、高污染。然而金剛石也是四價(jià)的，現(xiàn)在人們已經(jīng)掌握的實(shí)驗(yàn)室制備納米金剛石的方法低耗能、無(wú)污染，所以人工制備的金剛石被普遍用在衣服、鞋帽上。金剛石具有高熱導(dǎo)率、高硬度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低摩擦系數(shù)、低介電常數(shù)和寬禁帶以及電子和空穴高遷移率等優(yōu)異的物理性能，并有良好的光學(xué)透射性和化學(xué)穩(wěn)定性，使金剛石可望成為高溫與復(fù)雜環(huán)境在光學(xué)、聲學(xué)、機(jī)械及半導(dǎo)體等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景的半導(dǎo)體材料。在金剛石薄膜中摻入硼雜質(zhì)，可以得到具有良好導(dǎo)電性能的p型金剛石薄膜，是一種極佳的半導(dǎo)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復(fù)合薄膜，它除了具有常規(guī)金剛石的優(yōu)異性質(zhì)外，還具有表面連續(xù)光滑、比表面積大等特點(diǎn)。在納米金剛石透明薄膜中摻入硼雜質(zhì)，可望制備得到具有比硼摻雜微晶金剛石薄膜更優(yōu)異的p型導(dǎo)電性能的薄膜，在納米電子器件和電化學(xué)電極等方面具有較好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的家用太陽(yáng)能采集中，通常在屋頂安裝大面積規(guī)格統(tǒng)一的電池板用以采集太陽(yáng)能，但是這種方法價(jià)格高昂而且效率平平。現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的太陽(yáng)能玻璃，是采用涂料吸收太陽(yáng)光后把光線以不同波長(zhǎng)傳輸?shù)桨惭b在玻璃邊緣的太陽(yáng)能電池中，雖然采用透明材質(zhì)透光率不受影響，但是其穩(wěn)定性差，光線經(jīng)過(guò)的路徑較長(zhǎng)，效率低，且目前只提出了構(gòu)想，僅僅處于理論研究的水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種基于3D打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(nèi)的太陽(yáng)能，不占用額外空間，且不降低透光率，轉(zhuǎn)化效率高，保證了屋內(nèi)照明的同時(shí)能夠根據(jù)需求進(jìn)行太陽(yáng)能的利用和轉(zhuǎn)化。

本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

基于3D打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(shè)置在玻璃靠近室內(nèi)側(cè)的正極層、P型納米金剛石透明薄膜、PN結(jié)層、N型納米金剛石透明薄膜和負(fù)極層；所述的玻璃至少設(shè)置一層，相鄰玻璃之間設(shè)置有真空間隙。

優(yōu)選的，所述的玻璃采用雙層中空玻璃，最外層玻璃靠近室內(nèi)側(cè)上依次設(shè)置有正極層、P型納米金剛石透明薄膜、PN結(jié)層、N型納米金剛石透明薄膜和負(fù)極層。

優(yōu)選的，所述的玻璃采用三層中空玻璃，最外層和中間層玻璃靠近室內(nèi)側(cè)上依次設(shè)置有正極層、P型納米金剛石透明薄膜、PN結(jié)層、N型納米金剛石透明薄膜和負(fù)極層。

優(yōu)選的，負(fù)極層上還包覆設(shè)置有采用柔性聚醋膜的封裝層。

優(yōu)選的，正極層采用Ti/SnO₂薄膜電極，負(fù)極層采用ZnO/Al透明薄膜電極，正極層和負(fù)極層上分別設(shè)置有正極引線和負(fù)極引線。

優(yōu)選的，負(fù)極引線采用由3D打印設(shè)備制成的金屬鋁膜；正極引線采用由3D打印設(shè)備制成的ITO薄膜。

優(yōu)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采用由3D打印設(shè)備制成的納米金剛石透明薄膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益的技術(shù)效果：

本實(shí)用新型所述的家用玻璃，通過(guò)設(shè)置在靠近室內(nèi)側(cè)的納米金剛石透明薄膜電池，在保證窗戶透光性的同時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行利用，不僅節(jié)省了太陽(yáng)能電池板額外的占用空間，而且利用家用窗戶的設(shè)置，充分的對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行吸收，節(jié)省了每個(gè)家庭的能源開(kāi)支；并且能夠通過(guò)相鄰玻璃件的真空間隙實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金剛石透明薄膜電池的保護(hù)，提高其使用的穩(wěn)定和壽命；并且基于3D打印的設(shè)置，能夠滿足各種不同形狀和尺寸的玻璃，進(jìn)行個(gè)性化定制，提高了其適應(yīng)性。

進(jìn)一步的，通過(guò)多層中空玻璃的設(shè)置，并且設(shè)置在靠近窗外側(cè)的內(nèi)部，能夠?qū)μ?yáng)能進(jìn)行多次最直接的利用和吸收；利用封裝層的設(shè)置，更好的保證了納米金剛石透明薄膜電池和玻璃的結(jié)合穩(wěn)定性和可靠性。

進(jìn)一步的，通過(guò)設(shè)置能夠用3D打印設(shè)備得到的正極引線和負(fù)極引線，能夠更好的提高家用玻璃的整體結(jié)構(gòu)性，提高太陽(yáng)能利用率。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)例中所述的制備步驟框圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)例中所述納米金剛石透明薄膜熱燒結(jié)曲線圖。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)例中所述對(duì)玻璃的3D建模圖形。

圖4為本實(shí)用新型實(shí)例中所述雙層中空的家用玻璃的結(jié)構(gòu)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(jié)層4，N型納米金剛石透明薄膜5，負(fù)極層6，真空間隙7。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本實(shí)用新型的解釋而不是限定。

本實(shí)用新型一種基于3D打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(shè)置在玻璃1靠近室內(nèi)側(cè)的正極層2、P型納米金剛石透明薄膜3、PN結(jié)層4、N型納米金剛石透明薄膜5和負(fù)極層6；所述的玻璃1至少設(shè)置一層，相鄰玻璃1之間設(shè)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采用由3D打印設(shè)備制成的納米金剛石透明薄膜。

具體的，本實(shí)用新型優(yōu)選得到的基于3D打印納米金剛石透明薄膜電池的家用玻璃，采用雙層中空結(jié)構(gòu)，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(nèi)側(cè)依次設(shè)置正極層2、P型納米金剛石透明薄膜3、PN結(jié)層4、N型納米金剛石透明薄膜5和負(fù)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打印設(shè)備制成。還能夠采用采用三層中空玻璃，最外層和中間層玻璃靠近室內(nèi)側(cè)上依次設(shè)置有正極層2、P型納米金剛石透明薄膜3、PN結(jié)層4、N型納米金剛石透明薄膜5和負(fù)極層6。

其中，負(fù)極層6上還包覆設(shè)置有采用柔性聚醋膜的封裝層。正極層2采用Ti/SnO₂薄膜電極，負(fù)極層6采用ZnO/Al透明薄膜電極，正極層2和負(fù)極層6上分別設(shè)置有正極引線ITO薄膜和負(fù)極引線鋁膜。

本實(shí)用新型制備時(shí)，具體的，如圖1所示，為了3D打印納米金剛石透明薄膜太陽(yáng)能電池，首先要采取工業(yè)化的三步清潔方法對(duì)所使用的玻璃進(jìn)行清潔：

第一步，丙酮溶液中的清洗：用機(jī)械手臂把玻璃放進(jìn)裝有超聲波源和丙酮溶液的水槽內(nèi)進(jìn)行清洗，機(jī)械手臂有plc控制有三個(gè)氣缸，并且機(jī)械手部分至少有三個(gè)吸盤，吸盤的通氣孔與真空泵相連，使吸盤產(chǎn)生負(fù)壓牢牢的吸附在玻璃表面。而超聲波源采取20KHz～40KHz以防止震碎玻璃，清洗時(shí)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(guò)的玻璃經(jīng)機(jī)械手臂自動(dòng)放進(jìn)體積濃度為95～98％的乙醇溶液，并水槽同樣裝有超聲波源，超聲波源采取20KHz～40KHz以防止震碎玻璃，清洗時(shí)間5～10mins。

第三步，去離子水中的清洗：機(jī)械手臂自動(dòng)把玻璃放進(jìn)裝有超聲波和去離子水的水槽內(nèi)，超聲波源采取20KHz～40KHz以防止震碎玻璃，去離子水溫度為25～35℃，清洗時(shí)間為20～30mins。

其次，要進(jìn)行太陽(yáng)能電池正極板及引線的處理。

采用提拉法制備Ti/SnO₂電極作為太陽(yáng)能電池的正極，電極反射透光度和光學(xué)透光較好，而且還能提高能量轉(zhuǎn)化效率。以鈦為基材，將鹵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(jìn)溶液中提拉涂抹，取出后進(jìn)行烘干，烘干溫度為120～160℃，在進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為450～550℃，反復(fù)多次便可制成太陽(yáng)能電池正極。

利用智能制造的3D打印技術(shù)可控制備納米金剛石透明薄膜太陽(yáng)能電池的正極板引線，在正極上制備ITO薄膜作為正極的極板引線。

再次，根據(jù)不同家庭不同尺寸不同種類的玻璃的形狀建立三維數(shù)據(jù)，利用工業(yè)3D打印機(jī)專業(yè)軟件建立3D數(shù)字模型，對(duì)于不同尺寸不同種類的玻璃進(jìn)行精密的測(cè)量，根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行3D建模。本實(shí)例采用長(zhǎng)和寬為30cm和20cm，厚為1.5cm的玻璃進(jìn)行3D建模，如圖3所示。由于要以玻璃為基體進(jìn)行ITO膜的制造，也要考慮ITO膜的厚度，一般ITO薄膜的后度為1～100nm。

然后，根據(jù)玻璃的3D建模，進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的納米金剛石透明薄膜的太陽(yáng)能電池的3D打印制備方法，

采用3D打印設(shè)備制得所述P、N型納米金剛石透明薄膜，其燒結(jié)時(shí)的溫度曲線如圖2所示。優(yōu)選的采用共享集團(tuán)股份有限公司實(shí)用新型的一種多工作箱砂型3D打印設(shè)備。

以丙酮為碳源，B₂H₆為硼源，硼濃度為500～5000ppm，采用工作箱砂型3D打印設(shè)備將溶有硼源的丙酮噴入到反應(yīng)室中，反應(yīng)溫度600～700℃、反應(yīng)時(shí)間5～6小時(shí)，在襯底上制備得到厚度為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，制得所述的P型納米金剛石透明薄膜，再利用多工作箱砂型3D打印設(shè)備在納米金剛石透明薄膜中注入劑量為1×10¹⁵cm^-2磷離子，并在900℃真空退火30分鐘，得到N型納米金剛石透明薄膜。退火后用擴(kuò)散管進(jìn)行磷離子擴(kuò)散形成PN結(jié)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(jìn)行負(fù)極板處理，優(yōu)選的，采用共享集團(tuán)股份有限公司實(shí)用新型的基于FDM的3D打印設(shè)備制備負(fù)極板。

采用基于FDM的3D打印設(shè)備制備負(fù)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?dú)獯蹈苫?，送入磁控濺射反應(yīng)室；磁控濺射反應(yīng)室抽真空至9.0×10^-4Pa后，將基片加熱至100℃，并調(diào)整氬氣流量使氣壓達(dá)到6Pa，以純Al為靶材進(jìn)行磁控濺射，控制濺射功率為100W，濺射時(shí)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，然后將基片加熱到200～400℃，使用3D打印設(shè)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，然后用高純氮?dú)馇逑礆猓〕龌?；在氧氣氣氛下，?00℃對(duì)載有薄膜的基片退火處理30min，得到不同制備溫度下的ZnO/Al透明薄膜電極。

利用3D打印設(shè)備控制備負(fù)極的極板引線；采用比銀納米級(jí)粉更低成本的納米級(jí)鋁粉。將納米級(jí)鋁粉和溶劑按1：30的比例混合，然后超聲加熱分散3小時(shí)候得到漿料，再將其通過(guò)3D打印制備在薄膜電池表面上，激光燒結(jié)成型。

最后，基于3D打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(jù)不同家庭不同尺寸不同種類的玻璃設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(guò)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(shè)備進(jìn)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(jìn)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，然后將冷卻至70℃以下的太陽(yáng)電池組件進(jìn)行加熱層壓封裝。