光伏用空心球二氧化硅减反射膜的制备及其功能化研究

发布时间：2020-03-18 06:27

【摘要】：用于光伏组件封装玻璃或聚合物薄膜的减反射膜在提高组件发电效率上具有重要作用。光伏组件在地面和空间应用中面临复杂而恶劣的环境,这对减反射膜提出了诸如防潮、自清洁、防雾、防结冰、防刮擦、防尘抗污以及抗原子氧等多方面的功能需求。本论文以空心球SiO_2纳米颗粒减反射膜为对象,系统研究了空心球SiO_2减反射膜的低温制备及其在柔性聚合物衬底上的应用,和空心球SiO_2减反射膜的在空间应用时的抗原子氧特性以及地面应用时的防潮、自清洁、防尘抗污等多功能特性,主要研究成果如下:一、提出了利用双氧水氧化作用低温去除空心球SiO_2减反射膜模板剂PAA的方法,实现了在不超过100℃的条件下制备空心球SiO_2减反射膜。基于该低温制备工艺,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底上制备了空心球SiO_2减反射膜,相比于空白PET衬底,在波长300-1200 nm范围的平均透过率提升7.59%。二、基于空心球SiO_2薄膜的低温制备工艺,通过转移法,实现了空心球SiO_2/PI复合薄膜的制备,有效地提升了PI的光学、力学以及抗原子氧特性:在400-1600 nm光波长范围的平均透过率从原始PI的90.80%提升至92.43%;杨氏模量和硬度从3.1 GPa和0.26 GPa分别提升至7.1 GPa和0.51 GPa;经过6.05×10~(20)atoms/cm~2的原子氧刻蚀试验后,复合薄膜质量损失仅为35μg/cm~2,相比于原始PI的质量损失1129μg/cm~2低两个数量级。三、通过对双硅源前驱体溶胶体系中化学修饰和杂化反应过程的研究和调控,成功制备了具有高温稳定性的防潮耐刮擦空心球SiO_2减反射膜。经400°C退火1小时的减反射膜,在400-1100 nm波长平均透过率达到97.21%,相比空白玻璃提升5.96%,水接触保持在105°;1000次往返洗刷对其透过率无影响,120小时高加速温湿压测试(约相当于传统5000小时双85温湿测试)平均透过率的相对衰减仅为0.6%,为目前所报道的最佳值。四、设计进行两组对比实验,一组为空心与实心SiO_2减反射膜,另一组为亲水与氟基和甲基修饰的两种疏水空心SiO_2减反射膜,系统研究了孔隙结构、表面粗糙度以及表面化学状态对减反射膜自清洁、防尘特性的影响规律。结果表明:(1)具有空心封闭孔隙以及粗糙表面的相比于实心开放孔隙表面平整的减反射膜具有更好的防尘特性;(2)亲水减反射膜在宁波的气候条件下显示出自清洁特性,而两种疏水减反射膜未表现出该特性;(3)氟基修饰的减反射膜表面存在-0.11至-0.15 kV的静电势,致其容易通过静电作用吸附环境中的粉尘。经室内粉尘试验,其平均透过率衰减量为2.32%,明显高于空白玻璃的1.72%,因而不具备防尘特性;而甲基修饰的减反射膜表面无静电势,室内粉尘试验显示其平均透过率衰减仅为0.25%,比亲水减反射膜0.5%的衰减量更低。上述研究成果均未见文献报道。所取得的研究成果,为空间太阳电池阵列中所用的柔性透明PI提供了一种提高光学透过率和抗原子氧特性的新方法,为减反射膜在地面光伏组件应用中与复杂环境因素相互作用的研究提供了实验支撑和解决方案。
【图文】：

示意图,单层减反射膜,多层膜,示意图

如图 1.1 a 中，R1和 R2是两束反射光，当满足干涉相消的条件时，两束光叠加，反射消除。要发生干涉相消，单层减反射膜的折射率（nc）厚度（d）需要满足以下两个条件：(1) = √ 0 s，其中 n0为空气的折射率，ns为基底的折射率；(2) d=λ/4nc，其中 λ 为入射光波长。对于多层减反射膜的数学模型，与单层有一些区别。如图 1.1 b 所示，，在 ij层相邻界面处产生的反射光为[40]: ij= mnexp[ 2( j)] ，其中 | = [( j) ( j)], =2π cos ( 为反射角，为膜层的物理厚度)，对于整个薄膜，总反射为 = 01 12 23 34 通过调节每一层的厚度及折射率，即能获得最小的总反射，，这时多层减反射膜也确定了。

形貌,沉积技术,斜角,渐变折射率

得到了在可见光区域反射仅为 0.1%的氮化铝表面。并且该工作在实验上证明了这种多层渐变折射率减反射膜具有宽光谱，574-1010 nm 范围的反射率均低于 0.5%，以及广角减反特性，0-55°入射角范围内的 TE 以及 TM 两种极化波的反射率均在 0.3%以下[45]。此外，Liu 等人[46]通过两步法对光伏玻璃表面进行化学刻蚀，形成了孔隙率及化学组成沿化学刻蚀方向变化，从而在玻璃表面形成了渐变折射率多孔结构，其在接近空气界面处的折射率约为 1.07，所制备的薄膜 SEM 截面形貌如图 1.2 b 所示；这种渐变折射率多孔表面表现出宽光谱减反特性，经过双面刻蚀的玻璃，其在 400-1150nm 波长范围的太阳光谱加权平均透过率高达 99.4%，比未刻蚀玻璃高出约 7.8%，基本接近光学减反~8%的极限，此外这种渐变折射率表面的减反特性也具有很好的广角减反特性，其在入射角为40°时，透过率仍高达 99%，当入射角达到 70°时，透过率为 95.4%，明显高于未刻蚀玻璃的 73.1%。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.2;TB383.2

【参考文献】