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提高太陽能利用效率:增透用多孔二氧化硅薄膜的制備
2022年04月24日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:165
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隨著能源技術的發展,收集太陽能并利用已經不是什么新鮮事了。在這個利用過程中,能量收集是一個非常關鍵的過程。但限于太陽能自身組成系統本身,總有非常可觀的一部分能量遭受流失。尤其是太陽能玻璃蓋板,更是最主要的因素之一,因其光滑的表面會反射一部分光導致最終到達系統的能量變少。


因此要提高提高整個太陽能電池相對光電轉化效率,就要想辦法提高蓋板玻璃的(光)透過率。根據已有文獻報道,提高蓋板玻璃1%的透過率就能使整個系統效率增加2%。而目前常用的手段就是給蓋板玻璃表面制造一層納米級別的“增透膜”(也叫減反射膜)——該層薄膜能有效地減少光的反射,讓更多的光進入太陽能電池片并被吸收。

針對減反射薄膜不同的需求,研究者展開了廣泛而深入的研究,常用的鍍膜材料有MgO、TiO2SiO2Al2O3ZrO2等,其中SiO2由于具有性能穩定、無毒、無污染,折射率相對較低、廉價易用,與基底結合良好的特點,被廣泛應用在玻璃薄膜行業,如漳州旗濱玻璃有限公司申請的專利,就是采用溶膠凝膠法和噴涂法制備的SiO2雙層膜,在波長為400-800nm的范圍內,其透光率超過95%。

鍍膜工藝可以有效提高透光率

鍍膜工藝可以有效提高透光率

鍍膜材料的參數對比


另外要注意的是,由于空氣的折射率為1.0,因此向材料中引入孔隙,可以有效的降低其折射率。對于增透膜而言,要在保證不引起散射的前提下向其引入孔隙,如此一來納米多孔材料的孔隙尺度遠低于太陽光的波長,不會對太陽光造成散射。

多孔二氧化硅薄膜的制備

鍍膜的質量直接依賴于其制備工藝,主要包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、等離子增強化學氣相沉積、離子束輔助沉積、分子束外延、金屬有機物分解法、溶膠凝膠法等多種制備方法。

其中,溶膠凝膠(Sol-Gel)法是屬于是濕化學方法中的一種,其基本過程是:一些易水解的金屬無機鹽或者金屬醇鹽在合適的溶劑中與適量的水發生反應,經過水解和縮聚過程而逐漸凝膠,經過干燥,高溫等后續處理過程得到所需的材料,包括薄膜材料、圓柱狀塊體材料、輕質氣凝膠材料、纖維材料等。在光學鍍膜領域,則主要應用于制備多孔二氧化硅減反膜。


與其他工藝相比較,溶膠凝膠法設備工藝簡單,成本低廉,結構可控,適合大面積鍍膜,能從分子水平上設計、剪裁等特點。此外,溶膠凝膠法的耐擦洗性能最優,可以承受清洗劑反復擦拭500次以上,真空濺射次之,真空鍍膜最差。同樣,膜層的均勻性也是如此。

兩種路線

那增透膜到底是怎么通過溶膠凝膠法制備的呢?資料顯示,主要有兩種途徑:

一是使用溶膠凝膠法制備的具有三維空間網絡結構的二氧化硅溶膠,通過輥涂或噴涂等方法在玻璃或單晶硅基底上制備SiO2薄膜,再將二氧化硅薄膜在一定溫度下熱處理,使其固化變成分子乃至納米結構的薄膜,其多孔形貌是構成二氧化硅薄膜的膠粒聚合和熱應變的結果。其中,SiO2溶膠的粘度是一重要參數,因為它決定納米多孔SiO2薄膜的表面覆蓋性、密度、孔隙率、介電常數等性能。

多孔二氧化硅薄膜的SEM圖

多孔二氧化硅薄膜的SEM圖

二是利用溶膠凝膠法制備的二氧化硅空心微球作為原料,得到微球后將其混合再預制備好的溶液中后將其涂敷在玻璃基板上,在一定溫度下熱處理除去聚合物模板就能得到多孔結構的薄膜。如Tao Gao等使用PS小球為模板制備了單分散性良好的SiO2微球,微球直徑大約250nm左右。經過旋涂后將溶膠分散在玻璃基板表面,500℃下處理3小時除去有機模板,得到的樣品對比白玻璃有在透過性能上有顯著的提升。

可以確定的是,空心微球的尺寸對于薄膜的厚度、表面粗糙度、孔隙率都有巨大的影響。目前這種基于這種空心為求的多孔結構增透膜已經規模化應用于在線鍍膜的生產線,下圖所示的空心微球就是鍍膜液直接輥涂于光伏超白玻璃表面,剛化處理后的多孔結構增透膜。


空心二氧化硅微球TEM圖和多孔薄膜斷面SEM圖

其他應用

玻璃鍍上二氧化硅薄膜后,可以改變表層的親水性,提高自潔凈性能,減少清潔劑的使用,有利于玻璃保持持久干凈,提高光電轉換效率;鍍膜還有可能提高耐酸、耐堿、耐老化、殺菌、防霉變等,提高耐候性,保護玻璃,延長使用壽命。因此可應用的領域其實很多,如太陽能集熱、溫室、BIPV、激光系統等領域去提高光透過率。

 

資料來源:

溶膠-凝膠法制備納米多孔二氧化硅減反膜的研究進展,李春華,姜宏,趙會峰,鄒世鋒。

納米多孔二氧化硅薄膜的制備及性能,殷明志,姚熹,吳小清。

納米多孔二氧化硅光學功能薄膜的溶膠—凝膠法制備與性能研究,肖堯。

 

粉體圈NANA整理

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