CN112147722A - 一种光伏玻璃用的增透膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种光伏玻璃用的增透膜，从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层；其制备方法包括如下步骤：步骤一：将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单‑4‑辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在溶剂中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；步骤二：将硅烷偶联剂和酸性催化剂加入到步骤一所得溶胶中，升温到100‑120℃下反应10‑12h，得到目标溶胶；步骤三：将所得到的溶胶涂覆到稀土增透膜上，固化后烘干即可得到光伏玻璃用的增透膜。本发明的光伏玻璃用的增透膜具有优异的光学性能，优异的抗环境性能和化学机械稳定性。

Description

一种光伏玻璃用的增透膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光伏玻璃用的增透膜及其制备方法和应用。
背景技术
迄今为止，化石能源的使用促进了人类经济发展和社会进步。然而，化石能源的储量有限且不可再生的缺点限制了它的利用，同时化石能源的使用导致了严重的生态环境问题，雾霾以及由于大量排放温室气体造成的全球气候变暖效应，不利于人类社会的可持续发展。太阳能是目前储量最大且利用最广泛的清洁能源，从广义上来说，风能、水能等可再生能源及化石能源都属于太阳能，因为他们的产生及利用都依赖于太阳光对地球的照射。太阳能的利用技术主要分为光热技术和光伏技术。目前应用很广泛的太阳能热水器属于光热技术的一种，而太阳能光伏发电则属于光伏技术的一种。虽然光热技术的发展已经可以和传统能源竞争，但是从技术先进性来看，光伏技术更具发展前景。
光伏发电(PV)技术被认为是清洁且可再生的发电技术。太阳能电池是固态电气设备，其通过光伏效应将太阳能直接转换成电能。但是太阳能电池的光电转换效率低下限制了光伏技术的应用，根据最新研究，硅太阳能电池的最佳转换效率达到了22.34％，这是硅太阳能电池的一大突破。晶体硅是太阳能电池最重要的材料，但是，其常见的问题是高折射率(RI)的硅掺杂和超过30％的入射光从晶体硅表面反射回来，造成表面或界面处的反射损失，对太阳能电池的能量转换效率产生负面影响，大大降低了太阳能光电转换效率。因此，减少太阳能电池表面光反射非常重要，科学家们采用在中间附加抗反射的涂层、嵌入金属纳米粒子和构建微观纹理和光子晶体结构等方法减少反射。
玻璃是最重要的光学基材之一，大约每个空气/玻璃界面的反射损失是4％，虽然不像硅片那么严重，仍然会降低光学器件的性能，尤其是涉及多个元件时其损失相当可观。目前已经有研究证明使用具有增透膜的玻璃作为太阳能集热器的覆盖物可以提高光伏***的光电转换效率。当我们计算太阳能加热设备中的年能量输出效率时(假设流体温度为100℃)，如果在太阳能玻璃上使用增透膜则年能输出效率可以增加约20％。然而长期使用后增透膜表面会有污垢的粘附，其将降低光伏玻璃的透射率。为适应户外使用需要，延长光伏玻璃使用寿命，增透膜通常需具有较好的亲水或疏水性能，以防止灰尘、水气等积聚在模块上。对于干燥环境，玻璃表面本身应具有纳米结构，以使灰尘不会沉积在表面上，并允许水扩散。因此，具有多功能性的抗反射涂层在光伏器件中的应用是非常有价值的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种光伏玻璃用的增透膜及其制备方法。
为了达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种光伏玻璃用的增透膜，从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层；
所述保护膜层通过在所述稀土增透膜层上喷涂保护涂料，再经烘干后得到。
所述保护涂料包括以下重量份的原料：溶剂50-100份；十七氟癸基三甲氧基硅烷10-30份；正硅酸乙酯30-50份；聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚10-20份；硅烷偶联剂10-15份；酸性催化剂1-5份；纳米氧化锌1-5份；氟化钠5-10份；
所述溶剂为甲醇、乙醇中的一种；酸性催化剂为硝酸；硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷中的一种。
所述稀土增透膜层由以下步骤制备：
1)玻璃衬底的清洁：首先将玻璃衬底在无水乙醇中超声处理10min，然后在去离子水中超声处理10min，并干燥；
2)射频磁控溅射镀膜：以稀土氧化物为靶，将玻璃衬底转移至射频仪的样品室中，关闭衬底挡板，抽真空至0.0008Pa，以固定的体积流量通入氩气，设定射频仪的工作参数，设定完成后先预溅射5min，稳定射频功率后，打开衬底挡板，开始溅射沉积稀土增透膜；
3)稀土增透膜退火：将制备的稀土增透膜转移至退火炉中，控制氩气体积流量，设定退火温度，进行高温退火处理，即可得到稀土增透膜层；
其中，步骤2)中氩气体积流量为20mL/min；射频仪的工作参数为：射频仪工作气压0.5-2.0Pa，溅射功率为20-50W；稀土氧化物为Y2O3、Yb2O3、Er2O3中的一种；步骤3)中氩气体积流量为5L/min；退火温度为以20℃/min的速率升温到600-1000℃，保持20min。
一种光伏玻璃用的增透膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在溶剂中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；
步骤二：将硅烷偶联剂和酸性催化剂加入到步骤一所得溶胶中，升温到100-120℃下反应10-12h，冷却后得到所述保护涂料；
步骤三：将所得到的保护涂料喷涂到稀土增透膜层上，固化后烘干即可得到光伏玻璃用的增透膜。
其中，步骤三的烘干温度为50-70℃。
所述保护膜层的厚度为5-30nm之间。
本发明还提供了上述光伏玻璃用的增透膜在太阳能光伏玻璃上的应用。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明公开的一种光伏玻璃用的增透膜中，稀土增透膜层具有良好的光学透过性能，通过射频磁控溅射镀膜所制备的稀土增透膜层在高温退火处理时可形成多层增透膜，并且稀土增透膜层内应力较低，与衬底结合力较好，添加了稀土原色的稀土增透膜层具有较宽的吸收波段，能够有效提高太阳能的利用效率。
(2)在稀土增透膜层上所喷涂的保护膜层，在偶联剂、酸性催化剂与醚的作用下实现与稀土增透膜层的紧密结合；所选择的涂料成分赋予膜优异的疏水性能和自洁性能，可以有效的提高稀土增透膜层的抗环境性能；纳米颗粒及无机物的加入用于提升膜的耐磨性能。因此，本发明提供的光伏玻璃用的增透膜具有优异的光学性能，优异的抗环境性能和化学、机械稳定性。
附图说明
图1为实施例1制得的增透膜与对比例1制得增透膜进行接触角测试图；
图2为实施例5制备的增透膜在300-1100nm波长范围的透过率图谱；
图3为实施例5制备的增透膜在300-1100nm波长范围的反射率图谱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种光伏玻璃用的增透膜，从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层，保护膜层通过在稀土增透膜层上喷涂保护涂料，再经烘干后得到。
其中，保护涂料包括以下重量份的原料：甲醇50份；十七氟癸基三甲氧基硅烷10份；正硅酸乙酯30份；聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚10份；乙烯基三乙氧基硅烷10份；质量分数为68％的硝酸1份；纳米氧化锌1份；氟化钠5份。
一种光伏玻璃用的增透膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一：按上述配比，将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在溶剂甲醇中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；
步骤二：按上述配比，将乙烯基三乙氧基硅烷和硝酸加入到步骤一所得溶胶中，升温到100℃下反应12h，冷却后得到保护涂料；
步骤三：将玻璃衬底在无水乙醇中超声处理10min，然后在去离子水中超声处理10min，并干燥；接着以稀土氧化物Y2O3为靶，将玻璃衬底转移至射频仪的样品室中，关闭衬底挡板，抽真空至0.0008Pa，以20mL/min的体积流量通入氩气，设定射频仪的压力为0.5Pa，溅射功率为20W，设定完成后先预溅射5min，稳定射频功率后，打开衬底挡板，开始溅射沉积稀土增透膜；其次，将制备的稀土增透膜转移至退火炉中，控制氩气体积流量为5L/min，以20℃/min的速率升温到600℃，保持20min，进行高温退火处理，即可得到稀土增透膜层；最后将所得到的保护涂料喷涂到稀土增透膜上形成约15nm厚的保护膜，固化后在55℃烘干即可得到光伏玻璃用的增透膜。
实施例2
一种光伏玻璃用的增透膜，从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层；
增透保护涂料包括以下重量份的原料：乙醇60份；十七氟癸基三甲氧基硅烷15份；正硅酸乙酯35份；聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚12份；乙烯基三甲氧基硅烷11份；质量分数为68％的硝酸2份；纳米氧化锌2份；氟化钠6份；
一种光伏玻璃用的增透膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一：按上述配比，将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在乙醇中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；
步骤二：按上述配比，将乙烯基三甲氧基硅烷和硝酸加入到步骤一所得溶胶中，升温到110℃下反应11h，得到保护涂料；
步骤三：首先将玻璃衬底在无水乙醇中超声处理10min，然后在去离子水中超声处理10min，并干燥；接着以稀土氧化物Er2O3为靶，将玻璃衬底转移至射频仪的样品室中，关闭衬底挡板，抽真空至0.0008Pa，以20mL/min的体积流量通入氩气，设定射频仪的压力为1.0Pa，溅射功率为30W，设定完成后先预溅射5min，稳定射频功率后，打开衬底挡板，开始溅射沉积稀土增透膜；再将制备的稀土增透膜转移至退火炉中，控制氩气体积流量为5L/min，以20℃/min的速率升温到700℃，保持20min，进行高温退火处理，即可得到稀土增透膜；最后将所得到的保护涂料喷涂到稀土增透膜上形成约20nm厚的保护膜，固化后在70℃烘干即可得到光伏玻璃用的增透膜。
实施例3
一种光伏玻璃用的增透膜，从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层；
增透保护涂料包括以下重量份的原料：乙醇70份；十七氟癸基三甲氧基硅烷20份；正硅酸乙酯40份；聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚16份；乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷13份；质量分数为68％的硝酸3份；纳米氧化锌3份；氟化钠7份；
一种光伏玻璃用的增透膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一：按上述配比，将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在乙醇中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；
步骤二：按上述配比，将乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷和硝酸加入到步骤一所得溶胶中，升温到120℃下反应10h，冷却后得到保护涂料；
步骤三：首先将玻璃衬底超声处理10min，然后在去离子水中超声处理10min，并干燥；再以稀土氧化物Yb2O3为靶，将玻璃衬底转移至射频仪的样品室中，关闭衬底挡板，抽真空至0.0008Pa，以20mL/min的体积流量通入氩气，设定射频仪的压力为2.0Pa，溅射功率为40W，设定完成后先预溅射5min，稳定射频功率后，打开衬底挡板，开始溅射沉积稀土增透膜；接着将制备的稀土增透膜转移至退火炉中，控制氩气体积流量为5L/min，以20℃/min的速率升温到800℃，保持20min，进行高温退火处理，即可得到稀土增透膜；最后将所得到的保护涂料喷涂到稀土增透膜上形成约8nm厚的保护膜，固化后于50℃烘干机中烘干，即可得到光伏玻璃用的增透膜。
实施例4
一种光伏玻璃用的增透膜，从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层；
增透保护涂料包括以下重量份的原料：乙醇80份；十七氟癸基三甲氧基硅烷25份；正硅酸乙酯45份；聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚18份；乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷14份；质量分数为68％的硝酸4份；纳米氧化锌4份；氟化钠8份；
一种光伏玻璃用的增透膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一：按上述配比，将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在乙醇中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；
步骤二：按上述配比，将乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷和硝酸加入到步骤一所得溶胶中，升温到120℃下反应10h，冷却后得到保护涂料；
步骤三：首先将玻璃衬底超声处理10min，然后在去离子水中超声处理10min，并干燥；再以稀土氧化物Y2O3为靶，将玻璃衬底转移至射频仪的样品室中，关闭衬底挡板，抽真空至0.0008Pa，以20mL/min的体积流量通入氩气，设定射频仪的压力为2.0Pa，溅射功率为50W，设定完成后先预溅射5min，稳定射频功率后，打开衬底挡板，开始溅射沉积稀土增透膜；接着将制备的稀土增透膜转移至退火炉中，控制氩气体积流量为5L/min，以20℃/min的速率升温到900℃，保持20min，进行高温退火处理，即可得到稀土增透膜；最后将所得到的保护涂料喷涂到稀土增透膜上形成约30nm厚的保护膜，固化后60℃下烘干即可得到光伏玻璃用的增透膜。
实施例5
一种光伏玻璃用的增透膜，从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层；
增透保护涂料包括以下重量份的原料：乙醇100份；十七氟癸基三甲氧基硅烷30份；正硅酸乙酯50份；聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚20份；乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷15份；硝酸5份；纳米氧化锌5份；氟化钠10份；
一种光伏玻璃用的增透膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一：按上述配比，将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在乙醇中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；
步骤二：按上述配比，将乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷和硝酸加入到步骤一所得溶胶中，升温到120℃下反应10h，冷却后得到保护涂料；
步骤三：首先将玻璃衬底超声处理10min，然后在去离子水中超声处理10min，并干燥；再以稀土氧化物Y2O3为靶，将玻璃衬底转移至射频仪的样品室中，关闭衬底挡板，抽真空至0.0008Pa，以20mL/min的体积流量通入氩气，设定射频仪的压力为2.0Pa，溅射功率为50W，设定完成后先预溅射5min，稳定射频功率后，打开衬底挡板，开始溅射沉积稀土增透膜；接着将制备的稀土增透膜转移至退火炉中，控制氩气体积流量为5L/min，以20℃/min的速率升温到1000℃，保持20min，进行高温退火处理，即可得到稀土增透膜；最后将所得到的保护涂料喷涂到稀土增透膜上形成约20nm厚的保护膜，固化后63℃烘干即可得到光伏玻璃用的增透膜。
对比例1
对比例1的制备方法参照专利CN109401173B公开的实施例1，制备高性能真空增透膜。
试验例
将上述实施例1制得的增透膜与对比例1制得增透膜进行接触角测试，接触液体为水，结果见图1。
由图1可知，对采用实施例1制得的增透膜与对比例中制得的增透膜进行接触角表征(采用接触角仪)，对比例1中制得的增透膜接触角为30°(图1a)，而实施例1制得的增透膜接触角达到150°(图1b)。本发明的光伏玻璃用的增透膜能有效降低膜层对水的吸附，膜层的耐候性和自清洁能力较高。
图2和图3为实施例5制备的减反射膜在300-1100nm波长范围的透过率和反射率图谱，其在可见光区域(380-780nm)的平均透过率达99.51％；平均反射率为0.19％。

Claims (8)

1.一种光伏玻璃用的增透膜，其特征在于，所述增透膜从下到上依次为稀土增透膜层和保护膜层；
所述保护膜层通过在所述稀土增透膜层上喷涂保护涂料，再经烘干后得到。
2.根据权利要求1所述的一种光伏玻璃用的增透膜，其特征在于，所述保护涂料包括以下重量份的原料：溶剂50-100份；十七氟癸基三甲氧基硅烷10-30份；正硅酸乙酯30-50份；聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚10-20份；硅烷偶联剂10-15份；酸性催化剂1-5份；纳米氧化锌1-5份；氟化钠5-10份。
3.根据权利要求2所述的一种光伏玻璃用的增透膜，其特征在于，所述溶剂为甲醇、乙醇中的一种；酸性催化剂为硝酸；硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种光伏玻璃用的增透膜，其特征在于，所述稀土增透膜层由以下方法步骤制备：
1)玻璃衬底的清洁：首先将玻璃衬底在无水乙醇中超声处理10min，然后在去离子水中超声处理10min，并干燥；
2)射频磁控溅射镀膜：以稀土氧化物为靶，将玻璃衬底转移至射频仪的样品室中，关闭衬底挡板，抽真空至0.0008Pa，以固定的体积流量通入氩气，设定射频仪的工作参数，设定完成后先预溅射5min，稳定射频功率后，打开衬底挡板，开始溅射沉积稀土增透膜；
3)稀土增透膜退火：将制备的稀土增透膜转移至退火炉中，控制氩气体积流量，设定退火温度，进行高温退火处理，即可得到所述稀土增透膜层。
5.根据权利要求4所述的一种光伏玻璃用的增透膜，其特征在于，步骤2)中氩气体积流量为20mL/min；射频仪的工作参数为：射频仪工作气压0.5-2.0Pa，溅射功率为20-50W；稀土氧化物为Y2O3、Yb2O3和Er2O3中的一种；步骤3)中氩气体积流量为5L/min；退火温度为以20℃/min的速率升温到600-1000℃，保持20min。
6.根据权利要求1或4所述的一种光伏玻璃用的增透膜，其特征在于，所述光伏玻璃用的增透膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚、氟化钠和纳米氧化锌溶解在溶剂中，在40℃下搅拌20min，得到溶胶；
步骤二：将硅烷偶联剂和酸性催化剂加入到步骤一所得溶胶中，升温到100-120℃下反应10-12h，冷却后得到所述保护涂料；
步骤三：将所得到的保护涂料喷涂到稀土增透膜层上，固化后烘干即可得到光伏玻璃用的增透膜。
7.根据权利要求6所述的一种光伏玻璃用的增透膜，其特征在于，所述步骤三的烘干温度为50-70℃。
8.权利要求1-7任一项所述的光伏玻璃用的增透膜在太阳能光伏玻璃上的应用。
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