減反射和自清潔功能薄膜的制備與表征

【摘要】：提高太陽光的入射比例、減少界面表面損失以及使用過程中的維護(hù)成本是提高太陽能利用效率的有效途徑,通過選擇合適的材料在襯底表面制備具有減反射和自清潔性能的復(fù)合功能薄膜可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),適宜的材料是TiO2。 TiO2薄膜的制備方法中,直流磁控濺射(DMS)技術(shù)因具有功率綠色環(huán)保、參數(shù)調(diào)控精確簡(jiǎn)便、可以低溫快速沉積制備多種薄膜以及可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可方便的制備多種與襯底結(jié)合緊密的薄膜。為提高制備薄膜的性能,本文對(duì)傳統(tǒng)的DMS技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),研制了能量過濾磁控濺射(EFMS)技術(shù),通過控制濺射粒子的能量及入射角度提高成膜質(zhì)量。本論文利用DMS和EFMS技術(shù)制備了Ti02薄膜以及摻雜A1203的Ti02薄膜,研究了其結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性和光催化性能的變化規(guī)律,并以此為基礎(chǔ)研制了具有減反射和自清潔功能的薄膜,主要研究?jī)?nèi)容有：(1)優(yōu)化了Ti02薄膜制備參數(shù),發(fā)現(xiàn)沉積溫度為100℃-400℃、沉積壓強(qiáng)為0.75 Pa-3.0 Pa、沉積時(shí)間為60 min-150 min、氧氬比為1：6-1：10、濺射功率為148 W-443 W范圍內(nèi)制備的Ti02薄膜都為單一的銳鈦礦結(jié)構(gòu),沒有出現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)。隨著沉積溫度的升高、沉積壓強(qiáng)的降低、沉積時(shí)間的增加、氧氬比的減小和濺射功率的增加,薄膜的結(jié)晶性變好,平均晶粒尺寸減小。300℃時(shí)薄膜的沉積速率最大。沉積壓強(qiáng)增加,沉積速率變小。氧氬比越小,沉積速率越大。濺射功率增加,沉積速率變大。(2)研究了制備參數(shù)對(duì)Ti02薄膜透射率、折射率、消光系數(shù)和光學(xué)帶隙等光學(xué)特性的影響,發(fā)現(xiàn)薄膜的平均透射率在制備溫度為300℃時(shí)達(dá)到最大,溫度降低或者升高透射率都有所降低。沉積壓強(qiáng)增加,平均透射率變大。60 min-150min沉積時(shí)間內(nèi),平均透射率在90 min最小。氧氬比降低,平均透射率降低。濺射功率增加平均透射率增加。Ti02薄膜的折射率隨著沉積溫度升高、沉積壓強(qiáng)降低、氧氬比增加和濺射功率增加而增加。60 min-150 min沉積時(shí)間內(nèi),折射率在120 min最大。低折射率銳鈦礦Ti02薄膜的優(yōu)化制備條件為：沉積溫度：100℃；壓強(qiáng)：3.0 Pa；氧氬比：1：6；時(shí)間：90 min；功率：295 W550 nm處薄膜的折射率為2.06。TiO2薄膜消光系數(shù)在大于400 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)為零,為透明無吸收薄膜。光學(xué)帶隙在制備溫度為300℃時(shí)最大,隨著沉積壓強(qiáng)、沉積時(shí)間增加、氧氬比降低和濺射功率增加,薄膜的光學(xué)帶隙由小變大。500℃退火后的Ti02薄膜的結(jié)晶性變好,透射率降低,折射率變大,光學(xué)帶隙變大。(3)對(duì)比研究了EFMS與DMS技術(shù),研究了EFMS技術(shù)中過濾電極對(duì)薄膜的影響,發(fā)現(xiàn)EFMS技術(shù)制備的Ti02薄膜表面較DMS技術(shù)平整、均勻,平均晶粒尺寸小,折射率高,光學(xué)帶隙增加。DMS技術(shù)制備的Ti02薄膜光學(xué)帶隙為3.04 eV,而EFMS技術(shù)制備的Ti02薄膜光學(xué)帶隙為3.22 eV。隨著過濾電極目數(shù)的增加,薄膜的結(jié)晶性變?nèi)?表面晶粒尺寸變小,沉積速率降低,平均透射率變小,折射率增加,光學(xué)帶隙增加。(4)研究了制備參數(shù)對(duì)Ti02薄膜光催化性能的影響,找到最佳光催化性能的制備條件,分析了光催化反應(yīng)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)參數(shù)為100℃、3.0 Pa、90 min、1:6和295 W制備的Ti02薄膜具有最好的光催化活性,對(duì)RhB的光催化降解速率為-0.0034 min-1。EFMS技術(shù)中用60目和120目電極制備的Ti02薄膜的光催化降解速率增加,分別為-0.00493 min-1、-0.00486 min-1,目數(shù)繼續(xù)增加,Ti02薄膜的光催化性能降低。(5)研究了摻雜不同比例的A1203對(duì)Ti02薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性和光催化性能的影響,發(fā)現(xiàn)摻雜后薄膜的結(jié)晶性變差,沉積速率增加,折射率降低,光催化活性有所降低,分析了機(jī)理及原因。(6)利用DMS和EFMS技術(shù)制備了折射率梯度變化的Ti02薄膜。結(jié)合表層Ti02薄膜的折射率和光催化性能,確定表層薄膜的制備條件為100℃、3.0 Pa、1：6和295 W。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)原理計(jì)算出底層高折射率Ti02薄膜需滿足的條件,選擇過濾電極為460目的EFMS技術(shù)制備底層薄膜,將各層材料的折射率輸入TFC膜系設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)出滿足要求的減反射薄膜。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制備了單質(zhì)Ti02單層、雙層減反射薄膜,摻雜A1203的Ti02單層、雙層減反射薄膜,表征并分析了薄膜的減反射及自清潔特性。結(jié)果表明雙層減反射薄膜的減反射和自清潔特性均優(yōu)于單層薄膜,同質(zhì)Ti02雙層減反射薄膜在400 nm-800 nm的平均透射率為89.1%,降解速率為-0.00337 min-1,氙燈光照30 min后接觸角為8°,表層為摻雜A1203的Ti02薄膜的雙層減反射薄膜的平均透射率為85.4%,降解速率為-0.000496 min-1,光照30 min后接觸角為29.5°。太陽能電池表面的應(yīng)用表明,同質(zhì)Ti02雙層減反射薄膜對(duì)電池效率的影響最小,具備較好的光催化活性。 【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O484.1

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