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提高太阳能利用效率:增透用多孔二氧化硅薄膜的制备
2022年04月24日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:352
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随着能源技术的发展,收集太阳能并利用已经不是什么新鲜事了。在这个利用过程中,能量收集是一个非常关键的过程。但限于太阳能自身组成系统本身,总有非常可观的一部分能量遭受流失。尤其是太阳能玻璃盖板,更是最主要的因素之一,因其光滑的表面会反射一部分光导致最终到达系统的能量变少。


因此要提高提高整个太阳能电池相对光电转化效率,就要想办法提高盖板玻璃的(光)透过率。根据已有文献报道,提高盖板玻璃1%的透过率就能使整个系统效率增加2%。而目前常用的手段就是给盖板玻璃表面制造一层纳米级别的“增透膜”(也叫减反射膜)——该层薄膜能有效地减少光的反射,让更多的光进入太阳能电池片并被吸收。

针对减反射薄膜不同的需求,研究者展开了广泛而深入的研究,常用的镀膜材料有MgO、TiO2SiO2Al2O3ZrO2等,其中SiO2由于具有性能稳定、无毒、无污染,折射率相对较低、廉价易用,与基底结合良好的特点,被广泛应用在玻璃薄膜行业,如漳州旗滨玻璃有限公司申请的专利,就是采用溶胶凝胶法和喷涂法制备的SiO2双层膜,在波长为400-800nm的范围内,其透光率超过95%。

镀膜工艺可以有效提高透光率

镀膜工艺可以有效提高透光率

镀膜材料的参数对比


另外要注意的是,由于空气的折射率为1.0,因此向材料中引入孔隙,可以有效的降低其折射率。对于增透膜而言,要在保证不引起散射的前提下向其引入孔隙,如此一来纳米多孔材料的孔隙尺度远低于太阳光的波长,不会对太阳光造成散射。

多孔二氧化硅薄膜的制备

镀膜的质量直接依赖于其制备工艺,主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、离子束辅助沉积、分子束外延、金属有机物分解法、溶胶凝胶法等多种制备方法。

其中,溶胶凝胶(Sol-Gel)法是属于是湿化学方法中的一种,其基本过程是:一些易水解的金属无机盐或者金属醇盐在合适的溶剂中与适量的水发生反应,经过水解和缩聚过程而逐渐凝胶,经过干燥,高温等后续处理过程得到所需的材料,包括薄膜材料、圆柱状块体材料、轻质气凝胶材料、纤维材料等。在光学镀膜领域,则主要应用于制备多孔二氧化硅减反膜。


与其他工艺相比较,溶胶凝胶法设备工艺简单,成本低廉,结构可控,适合大面积镀膜,能从分子水平上设计、剪裁等特点。此外,溶胶凝胶法的耐擦洗性能最优,可以承受清洗剂反复擦拭500次以上,真空溅射次之,真空镀膜最差。同样,膜层的均匀性也是如此。

两种路线

那增透膜到底是怎么通过溶胶凝胶法制备的呢?资料显示,主要有两种途径:

一是使用溶胶凝胶法制备的具有三维空间网络结构的二氧化硅溶胶,通过辊涂或喷涂等方法在玻璃或单晶硅基底上制备SiO2薄膜,再将二氧化硅薄膜在一定温度下热处理,使其固化变成分子乃至纳米结构的薄膜,其多孔形貌是构成二氧化硅薄膜的胶粒聚合和热应变的结果。其中,SiO2溶胶的粘度是一重要参数,因为它决定纳米多孔SiO2薄膜的表面覆盖性、密度、孔隙率、介电常数等性能。

多孔二氧化硅薄膜的SEM图

多孔二氧化硅薄膜的SEM图

二是利用溶胶凝胶法制备的二氧化硅空心微球作为原料,得到微球后将其混合再预制备好的溶液中后将其涂敷在玻璃基板上,在一定温度下热处理除去聚合物模板就能得到多孔结构的薄膜。如Tao Gao等使用PS小球为模板制备了单分散性良好的SiO2微球,微球直径大约250nm左右。经过旋涂后将溶胶分散在玻璃基板表面,500℃下处理3小时除去有机模板,得到的样品对比白玻璃有在透过性能上有显著的提升。

可以确定的是,空心微球的尺寸对于薄膜的厚度、表面粗糙度、孔隙率都有巨大的影响。目前这种基于这种空心为求的多孔结构增透膜已经规模化应用于在线镀膜的生产线,下图所示的空心微球就是镀膜液直接辊涂于光伏超白玻璃表面,刚化处理后的多孔结构增透膜。


空心二氧化硅微球TEM图和多孔薄膜断面SEM图

其他应用

玻璃镀上二氧化硅薄膜后,可以改变表层的亲水性,提高自洁净性能,减少清洁剂的使用,有利于玻璃保持持久干净,提高光电转换效率;镀膜还有可能提高耐酸、耐碱、耐老化、杀菌、防霉变等,提高耐候性,保护玻璃,延长使用寿命。因此可应用的领域其实很多,如太阳能集热、温室、BIPV、激光系统等领域去提高光透过率。

 

资料来源:

溶胶-凝胶法制备纳米多孔二氧化硅减反膜的研究进展,李春华,姜宏,赵会峰,邹世锋。

纳米多孔二氧化硅薄膜的制备及性能,殷明志,姚熹,吴小清。

纳米多孔二氧化硅光学功能薄膜的溶胶—凝胶法制备与性能研究,肖尧。

 

粉体圈NANA整理

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