減反射薄膜及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能光伏系統(tǒng)用多功能減反膜材料，尤其是涉及一種超疏水高透射Si02減反射薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前太陽能光伏產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展的低谷，究其原因是其能源轉化效率低下，成本過高導致，而隨著煤，石油等化石燃料資源的日益匱乏，加之環(huán)境保護的壓力，發(fā)展太陽能，風能等可再生能源已迫在眉睫。相對于風能，地熱等可再生能源來說，太陽能具有能源分布地域極廣，在使用過程中不會產(chǎn)生任何污染的特點。通過太陽能電池板將太陽能直接轉化為電能，必然會成為人類解決能源問題的重要途徑。但是，與其它電池相比，太陽能電池的光電轉換效率比較低。因此，提高其效率是長期以來人們一直致力解決的問題，而影響電池效率的一個重要因素就是電池對入射到其表面光的利用率，即電池對入射到其表面各波長光的光譜響應。我們知道，影響電池效率的一個重要因素就是電池對入射到其表面光的利用率，僅就占市場主要份額的硅電池來說，由于高折射率，超過30%的入射光從晶體硅表面反射出去，近10%的光在空氣/玻璃界面損失掉。根據(jù)菲涅爾反射原理，在電池表面制備單層或多層折射率小于電池基底的減反射膜可以減小入射光的反射，增加透射，增加光子的有效吸收。入射光子數(shù)越多，光譜響應越大，電池的光電轉換效率也就越高。因此，對太陽能電池減反膜進行研究也是提高太陽電池效率研究中的關鍵。
[0003]另外，由于實際使用的太陽能裝置往往處于惡劣的戶外工作環(huán)境，戶外環(huán)境中裝置表面常被霧化以及雨水沖刷，表面薄膜光學特性就會急劇惡化，可以通過創(chuàng)造一種具有特殊潤濕性(超疏水性)表面來解決這個難題，使薄膜能在長期使用過程中，保持較高的光透過率，獲得理想的光-熱或光-電轉換效果。而且，戶外環(huán)境中灰塵問題也是影響薄膜性能的問題之一，灰塵散射會造成入射光損失，薄膜的自清潔特性也能從某種程度上解決灰塵沉積問題。因此，近年來具有多功能的減反膜獲得了極大的關注。
[0004]經(jīng)過幾十年的發(fā)展，人們相繼開發(fā)出Si02、Ti02、MgF2、SiNx等多種減反膜，其中Si02以其低折射率、高化學穩(wěn)定性和耐酸堿腐蝕等優(yōu)良性能，成為是目前研究最多、應用最廣的減反射材料，已在光學器件、太陽能電池、建筑玻璃等眾多領域得到應用。通常決定Si02薄膜增透效果的因素有兩個:一是薄膜的折射率，一般降低折射率的方法主要是增加膜層的孔隙率，使致密膜變成疏松膜。二是薄膜的厚度，當膜厚等于1/4波長時，達到最佳增透效果。但是一些傳統(tǒng)方法制備的納米多孔Si02薄膜孔隙率大、表面能高，容易吸附環(huán)境中的懸浮物，大大限制了它的實際應用。
[0005]中國專利CN103426939A公開了太陽能電池用復合減反射膜及其制備方法，具體涉及采用溶膠-凝膠結合浸漬提拉工藝涂覆3102/1102復合減反射膜的方法。首先，設計T1jP S1 2薄層交替的太陽能電池用復合減反射膜，然后，以鈦酸丁酯和硅酸乙酯為前驅體，乙醇為溶劑，分別配制Ti02溶膠和S12溶膠，采用浸漬-提拉工藝在普通玻璃上交替涂覆1102和Si02溶膠，最后，進行熱處理，得太陽能電池用復合減反射膜。但是該制備Si02s膠采用的是鹽酸催化來制備，采用酸催化制備的溶膠鍍膜后，薄膜較致密，折射率較大，因此薄膜透射率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種提高透射率和表面疏水性的超疏水高透射Si02減反射薄膜及其制備方法。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0008]—種超疏水高透射Si02減反射薄膜的制備方法，采用以下步驟:
[0009](1)采用溶膠-凝膠法制備摻有三甲基氯硅烷的雜化溶膠；
[0010](2)對載玻片表面進行清洗，清洗處理的結果對制備高性能減反膜至關重要；
[0011](3)采用浸漬提拉方法，在載玻片的表面形成鍍膜，干燥后即獲得超疏水高透射Si02減反射薄膜。
[0012]針對常規(guī)5102減反薄透射率低、折射率高的問題，提出了一種堿一步催化制備多孔低折射率納米尺度3102減反膜，該多孔結構薄膜能極大的降低薄膜折射率，從而提高了薄膜的透射率，減反射效果明顯。并針對堿催化薄膜親水性的特點，在制備過程中摻入一定比例三甲基氯硅烷，使薄膜表面自帶大量疏水基團，薄膜水接觸角高于150°，薄膜具備超疏水性能。從而較好地解決了光伏器件在潮濕環(huán)境中易吸潮、透光性降低等難題。
[0013]步驟⑴具體采用以下步驟:
[0014](1-1)將氨水加入到無水乙醇中，氨水與無水乙醇的體積比為1:30_50，在40-60°C的恒溫下磁力攪拌5-20min得到混合溶液；
[0015](1-2)將正硅酸乙酯和三甲基乙氧基硅烷混合，正硅酸乙酯和三甲基乙氧基硅烷的體積比為1:0.5-1，然后逐滴加入到(1-1)的混合溶液中形成反應溶液，溶液中正硅酸乙酯的體積濃度為1.89% -3.08%。；
[0016](1-3)反應溶液在30-40°C下磁力攪拌15_30h，然后在室溫條件下老化4_6天，制備得到雜化溶膠。
[0017]步驟⑵具體采用以下步驟:
[0018](2-1)將載玻片置于去離子水中超聲清洗20-40min ;
[0019](2-2)將清洗后的載玻片置于丙酮中超聲清洗10-20min ;
[0020](2-3)清洗完的載玻片用去離子水沖洗3-8min，充分去除載玻片表面的丙酮及灰塵;
[0021](2-4)將清洗完的載玻片置于50_70°C烘箱中l(wèi)_3h，在浸漬提拉前，再次用擦鏡紙擦拭干凈。
[0022]步驟(3)具體采用以下步驟:已處理的載玻片在雜化溶膠中浸漬3_8s后以
2.5-3mm/s的速度勻速提拉出來，鍍膜后載玻片置于室溫環(huán)境中自然干燥，再置于200°C烘箱干燥20-40min，獲得超疏水高透射Si02減反射薄膜。
[0023]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用堿一步催化制備的多孔結構薄膜，峰值透射率最高能達到97.05%，比裸玻璃峰值透射率高5.56%，200 °C烘干后，薄膜透射率衰減很小，最高仍能達到96.7%，經(jīng)過三甲基氯硅烷改性后的雜化溶膠鍍膜，薄膜水接觸角為152°，滿足超疏水要求，200°C烘干后，薄膜水接觸角為106°，仍滿足疏水要求，從而較好地解決了光伏器件在潮濕環(huán)境中易吸潮、實用性差、耐久性差等難題，可應用于太陽能產(chǎn)業(yè)領域和光纖通信、多媒體數(shù)碼產(chǎn)品、IT產(chǎn)業(yè)、汽車工業(yè)、軍事、航空航天技術等領域。
[0024]本申請集超疏水和高透射于一體，而要取得本申請中減反膜的優(yōu)異效果，必須是采用堿性催化和摻雜含有疏水基團的有機表面改性劑(如三甲基乙氧基硅烷)。如果不是采用氨水催化，而是采用鹽酸或者別的催化劑，或者采用的比例范圍不是本申請公開的比例范圍的話，可能制備不出本申請中所提的多孔結構薄膜，薄膜也可能達不到峰值9 7 %的高透射效果。如果原料中沒有三甲基乙氧基硅烷，得到的薄膜也不具備疏水效果。這是因為三甲基乙氧基硅烷本身就是一種含有大量疏水基團甲基(_CH3)的有機硅烷，常被用來制備疏水材料，本申請創(chuàng)新性的將三甲基乙氧基硅烷與硅酸乙酯結合，得到雜化溶膠，來制備超疏水高透射Si02薄膜。
[0025]本申請制備的Si02溶膠采用的是氨水催化來制備，由于堿和酸催化機理不同，本申請采用堿催化制備的溶膠鍍膜后，薄膜疏水多孔，折射率較小，透射率一般較高，性能遠優(yōu)于利用酸制備得到溶膠，摻雜了三甲基乙氧基硅烷的雜化溶膠，制備的薄膜不僅滿足透射率高的要求，疏水性能也好，能達到150°。
【附圖說明】
[0026]圖1為薄膜C1和C2的紅外吸收光譜測試圖；
[0027]圖2為薄膜Cl、C2和裸玻璃的透射率曲線；
[0028]圖3為薄膜C1和C2的水接觸角圖；
[0029]圖4為薄膜C1的俯視平面掃描電子顯微照片
[0030]圖5為水滴測試前C1和測試后C3的透射率和水接觸角對比圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0032]實施例1
[0033]超疏水高透射Si02減反射薄膜的制備方法，整個制備過程可細分為:溶膠的制備、基片的處理和薄膜的制備(浸漬提拉、干燥處理)三大步驟。
[0034]溶膠的制備:采用溶膠凝膠一步法制備摻TMES的雜化溶膠，標記雜化溶膠Sol C。實驗前將燒杯、量筒、滴管等設備酸洗干凈，再用超聲清洗30min，最后用去離子水沖刷，放入烘箱干燥備用。制備步驟:第一步，1.3ml的氨水加入到40ml無水乙醇中，將混合溶液在恒溫50°C下磁力攪拌10分鐘。第二步，將1ml正硅酸乙酯(TE0S)和0.8ml三甲基乙氧基硅烷(TMES)混合，然后逐滴加入到第一步的混合溶液中，形成最終的反應溶液。第三步，將最終反應溶液在35°C下磁力攪拌20小時，并在室溫(25°C )下老化4天(老化時間至少4?6天才能形成顆粒均勻的溶膠)，形成雜化溶膠Sol C，該溶膠一般可保存一個月左右，隨著時間延長，溶膠顆粒逐漸會逐漸變大。
[0035]基片的處理:基片的清洗處理對制備高性能減反膜至關重要。清洗的第一步是將載玻片置于去離子水中超聲清洗30分鐘。第二步，將第一步清洗的載玻片取出，再置于丙酮中超聲清洗15分鐘。第三步，將第二步清洗完的載玻片用去離子水沖洗5分鐘，充分去除載玻片表面的丙酮及灰塵。最后，將清洗完的載玻片置于60°C烘箱中2小時。在浸漬提拉前，載玻片應再次用擦鏡紙擦干凈備用。
[0036]薄膜的制備:鍍膜方法采用的是浸漬提拉法，提拉速度為2.7mm/So將已處理的載玻片浸入Sol C中約5秒鐘，然后迅速以勻速提拉出來，提拉速度2.7mm/So鍍膜基片置于室溫環(huán)境(約25°C)中讓其自然干燥，不經(jīng)過任何熱處理即形成薄膜Cl。將Cl置于2