太阳能光伏玻璃用纳米减反射膜的制备与改性

【摘要】：太阳能光伏用纳米减反射膜玻璃可提高太阳能电池的发电效率，缩短并网发电的成本回收期，提升其市场综合竞争力。在我国新能源战略规划的背景下，项目具有非常好的市场前景和应用价值。本项目用Sol-gel法制备出纳米SiO_2减反射镀膜溶液，在玻璃表面镀膜后，经热处理或钢化使膜层与玻璃基体牢固结合，获得透过率高、耐候性好、硬度高和耐划伤能力好的多孔纳米SiO_2膜，开发出太阳能电池响应波谱范围内具有高透过率的减反射膜玻璃。 本文首先采用正交试验法研究了醇硅摩尔比、水硅摩尔比、陈化时间、pH值等对酸催化、碱催化条件下合成了SiO_2溶胶的粘度、粒度及稳定性的影响，获得粒度可控的稳定溶胶。酸催化条件下制备的薄膜致密，硬度较高，耐划伤能力好，但增透效果欠佳。而碱催化条件下获得多孔结构的膜，可见光透过率可达98.22%，不过由于孔隙率很高，膜硬度低、耐磨性较差。 采用聚硅氧烷改性碱催化基础硅溶胶，缠绕或偶然分叉的线形链结构生长的聚硅氧烷被引入到体系中，填充到碱催化所得球形颗粒间的空隙中并形成相互粘连，导致溶胶粘度增加、稳定性提高。随着掺杂比例的提高，膜层孔隙率下降，折射率升高，而膜层表面变致密和光滑，膜耐候性、耐磨性及硬度显著提高。通过控制掺杂比例可实现薄膜折射率在1.23～1.42之间的连续可调。当聚硅氧烷掺杂比例从0％提升到16％时，膜的可见光透过率由97.81％降至94.24％，90天室外老化试验后的透过率衰减值从2.70％降至0.22％。掺杂5％的聚硅氧烷改性可兼顾碱性催化所得减反射膜的高透性与酸催化成膜性好、膜层牢固、硬度高等优势。 碱催化法获得的减反射膜硬度低、机械强度差，引入TiO_2、ZrO_2溶胶以及Al_2O_3溶液改性碱催化基础溶胶，这些氧化物填充到二氧化硅网络结构中起到较好的复合增强作用，膜的硬度、耐划伤能力等机械性能显著改善。TiO_2、ZrO_2、Al2O3掺杂比例的增加可提高膜的硬度，但添加量过多会引起膜的折射率升高、透过率下降，要选择适宜的掺加比例，才能在保证膜透过率的前提下改善其力学性能。 采用聚硅氧烷与纳米TiO_2溶胶复合改性碱性基础溶胶，制备出具有亲水性自清洁功能的减反射膜玻璃。引入纳米TiO_2改善了膜层表面状态，膜具有较好的亲水性，而且无定形纳米TiO_2作为纳米增强相提高了膜层硬度，与聚硅氧烷一起掺杂改性后膜的耐候性显著提高。该镀膜玻璃耐候性非常好，湿热试验后透过率衰减值仅为0.23％，膜层非常牢固，附着力为5B，铅笔硬度≥3H，而且镀膜玻璃合片制成组件成品的平均峰值功率较之采用未镀膜玻璃的组件提升了3.20％。 传统SiO_2膜易吸潮引起透过率衰减，本课题利用甲基三乙氧基硅烷（MTES）在酸催化条件下水解得到的溶胶对碱催化SiO_2溶胶改性处理，首次采用原位合成的方式向SiO_2网络中引入-Si-CH3疏水基团，使纳米SiO_2颗粒表面疏水化，获得单甲基改性的SiO_2溶胶，制备出具有疏水自清洁功能的减反射膜玻璃。红外光谱分析发现掺杂MTES后，膜的-OH基吸收峰减弱，而-CH3吸收峰增强，疏水甲基被成功的引入到膜层结构中，取代硅氧网络结构中的活性羟基，解决了膜层由于表面富含羟基而吸潮、吸水所导致的透过率衰减问题。MTES体积掺杂比例为40％时兼具高透过率、高疏水性能，膜层的可见光透过率达96.25%，接触角达到134.4°。 工业试验证明项目研发的纳米减反射溶液性能稳定、可靠，制备的太阳能光伏用纳米减反射膜玻璃透过率≥94.3％，膜层的附着力为5B级，铅笔硬度为4H，耐候性非常好，经客户试用证实合成组件的峰值功率提升达2.58％，为业内领先水平，具有非常好的市场前景和推广价值，可广泛的应用于太阳能光伏领域。 【关键词】：太阳能 减反射膜 改性 多孔 SiO_2膜 光伏玻璃 透过率 耐候性
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ171.73;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-38
• 1.1 太阳能产业的发展背景14-19
• 1.1.1 前言14-16
• 1.1.2 太阳能光伏技术简介16-18
• 1.1.3 光伏用减反射膜玻璃的市场需求和研究意义18-19
• 1.2 光学薄膜减反射原理分析19-22
• 1.2.1 相消干涉减反射原理20-22
• 1.2.2 精细粗化减反射原理22
• 1.3 减反射膜制备方法及应用22-26
• 1.3.1 减反射膜的发展史22-23
• 1.3.2 减反射膜的制备方法23-24
• 1.3.3 减反射膜的应用24-26
• 1.4 溶胶-凝胶工艺概述26-30
• 1.4.1 溶胶-凝胶工艺简介26-27
• 1.4.2 溶胶-凝胶工艺过程中影响因素的研究27-30
• 1.5 溶胶-凝胶法制备减反射膜及其改性研究进展30-35
• 1.5.1 减反射膜的国内外研究进展30-31
• 1.5.2 膜层机械性能改性研究31-32
• 1.5.3 膜层耐候性能改性研究32-34
• 1.5.4 膜层多功能化的研究34-35
• 1.6 本课题研究的意义及内容35-38
• 1.6.1 研究意义35
• 1.6.2 主要研究内容35-36
• 1.6.3 创新点36-38
• 第二章 实验方法与试样的表征38-46
• 2.1 实验原料及仪器设备38
• 2.1.1 实验原料38
• 2.1.2 实验仪器与设备38
• 2.2 实验方法38-41
• 2.2.1 纳米 SiO_2溶胶的制备38-40
• 2.2.2 纳米 SiO_2溶胶的改性40-41
• 2.2.3 减反射膜的制备41
• 2.3 试样的表征41-44
• 2.3.1 溶胶的纳米粒度仪分析41
• 2.3.2 溶胶的粘度与酸碱度分析41-42
• 2.3.3 薄膜显微分析42
• 2.3.4 分光光度计及椭偏仪分析42
• 2.3.5 红外光谱分析42
• 2.3.6 接触角测试42
• 2.3.7 铅笔硬度测试与分析42
• 2.3.8 薄膜附着力测试42-43
• 2.3.9 薄膜耐候性测试43
• 2.3.10 组件发电效率测试43-44
• 2.4 本章小结44-46
• 第三章 Sol-gel 酸催化法合成 SiO_2溶胶的研究46-62
• 第一节 正交试验法研究酸催化合成 SiO_2溶胶的影响因素46-55
• 3.1.1 酸催化合成 SiO_2溶胶的正交试验设计46
• 3.1.2 酸催化纳米 SiO_2溶胶的合成46-47
• 3.1.3 结果与讨论47-54
• 3.1.4 本节小结54-55
• 第二节 醇硅摩尔比对酸催化法合成 SiO_2溶胶及膜性能的影响55-61
• 3.2.1 引言55
• 3.2.2 实验部分55
• 3.2.3 结果与讨论55-61
• 3.2.4 本节小结61
• 3.3 本章小结61-62
• 第四章 Sol-gel 碱催化法合成 SiO_2溶胶的研究62-82
• 第一节 正交试验法研究碱催化合成 SiO_2溶胶的影响因素62-74
• 4.1.1 碱催化合成 SiO_2溶胶的正交试验设计62
• 4.1.2 碱催化纳米 SiO_2溶胶的合成62-64
• 4.1.3 结果与讨论64-73
• 4.1.4 本节小结73-74
• 第二节 醇硅摩尔比对太阳能玻璃用多孔 SiO_2减反膜性能的影响74-80
• 4.2.1 引言74
• 4.2.2 实验部分74-75
• 4.2.3 结果与讨论75-80
• 4.2.4 本节小结80
• 4.3 本章小结80-82
• 第五章 纳米 SiO_2溶胶的改性及减反射膜性能研究82-120
• 第一节 聚硅氧烷掺杂改性 SiO_2溶胶及减反射膜性能研究82-92
• 5.1.1 引言82
• 5.1.2 实验部分82-83
• 5.1.3 结果与讨论83-90
• 5.1.4 本节小结90-92
• 第二节 纳米 TiO_2, ZrO_2,Al_2O_3掺杂对 SiO_2减反射膜性能的影响92-108
• 5.2.1 引言92
• 5.2.2 纳米 TiO_2,ZrO_2,Al_2O_3,MgO 对减反射膜性能的影响92-100
• 5.2.3 TiO_2、ZrO_2、Al_2O_3复合掺杂对溶胶及膜层性能的影响100-107
• 5.2.4 本节小结107-108
• 第三节 复合改性 SiO_2溶胶的制备与减反射膜的性能研究108-118
• 5.3.1 引言108
• 5.3.2 实验部分108-110
• 5.3.3 结果与讨论110-117
• 5.3.4 本节小结117-118
• 5.4 本章小结118-120
• 第六章 疏水型溶胶及疏水减反射膜的制备与性能研究120-138
• 第一节 甲基三乙氧基硅烷（MTES）改性纳米 SiO_2溶胶的研究120-133
• 6.1.1 实验部分120-121
• 6.1.2 溶胶纳米粒度及粘度分析121-122
• 6.1.3 薄膜接触角分析122-124
• 6.1.4 光谱性能分析124-126
• 6.1.5 红外光谱分析126-127
• 6.1.6 热处理与提拉速度对 M4 性能的影响127-132
• 6.1.7 本节小结132-133
• 第二节 二甲基二乙氧基硅烷（DDS）改性纳米 SiO_2溶胶的研究133-137
• 6.2.1 实验部分133
• 6.2.2 溶胶纳米粒度分析133-134
• 6.2.3 薄膜接触角分析134-136
• 6.2.4 光学性能分析136-137
• 6.2.5 本节小结137
• 6.3 本章小结137-138
• 第七章 纳米减反射膜玻璃的工业化制备与性能研究138-149
• 7.1 辊涂工艺简介138-139
• 7.2 样片制备139
• 7.3 测试与表征139-140
• 7.4 结果与讨论140-148
• 7.4.1 透过率分析140-142
• 7.4.2 加速老化（PCT）实验分析142-143
• 7.4.3 中性盐雾实验分析143-144
• 7.4.4 紫外老化实验分析144-145
• 7.4.5 硬度测试145-146
• 7.4.6 附着力测试146
• 7.4.7 组件效益测试对比146-148
• 7.5 本章小结148-149
• 结论149-151
• 参考文献151-162
• 攻读博士学位期间取得的研究成果162-164
• 致谢164-166
• 答辩委员会对论文的评定意见166

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