太陽能光伏玻璃用納米減反射膜的制備與改性

【摘要】：太陽能光伏用納米減反射膜玻璃可提高太陽能電池的發(fā)電效率，縮短并網發(fā)電的成本回收期，提升其市場綜合競爭力。在我國新能源戰(zhàn)略規(guī)劃的背景下，項目具有非常好的市場前景和應用價值。本項目用Sol-gel法制備出納米SiO_2減反射鍍膜溶液，在玻璃表面鍍膜后，經熱處理或鋼化使膜層與玻璃基體牢固結合，獲得透過率高、耐候性好、硬度高和耐劃傷能力好的多孔納米SiO_2膜，開發(fā)出太陽能電池響應波譜范圍內具有高透過率的減反射膜玻璃。 本文首先采用正交試驗法研究了醇硅摩爾比、水硅摩爾比、陳化時間、pH值等對酸催化、堿催化條件下合成了SiO_2溶膠的粘度、粒度及穩(wěn)定性的影響，獲得粒度可控的穩(wěn)定溶膠。酸催化條件下制備的薄膜致密，硬度較高，耐劃傷能力好，但增透效果欠佳。而堿催化條件下獲得多孔結構的膜，可見光透過率可達98.22%，不過由于孔隙率很高，膜硬度低、耐磨性較差。 采用聚硅氧烷改性堿催化基礎硅溶膠，纏繞或偶然分叉的線形鏈結構生長的聚硅氧烷被引入到體系中，填充到堿催化所得球形顆粒間的空隙中并形成相互粘連，導致溶膠粘度增加、穩(wěn)定性提高。隨著摻雜比例的提高，膜層孔隙率下降，折射率升高，而膜層表面變致密和光滑，膜耐候性、耐磨性及硬度顯著提高。通過控制摻雜比例可實現薄膜折射率在1.23～1.42之間的連續(xù)可調。當聚硅氧烷摻雜比例從0％提升到16％時，膜的可見光透過率由97.81％降至94.24％，90天室外老化試驗后的透過率衰減值從2.70％降至0.22％。摻雜5％的聚硅氧烷改性可兼顧堿性催化所得減反射膜的高透性與酸催化成膜性好、膜層牢固、硬度高等優(yōu)勢。 堿催化法獲得的減反射膜硬度低、機械強度差，引入TiO_2、ZrO_2溶膠以及Al_2O_3溶液改性堿催化基礎溶膠，這些氧化物填充到二氧化硅網絡結構中起到較好的復合增強作用，膜的硬度、耐劃傷能力等機械性能顯著改善。TiO_2、ZrO_2、Al2O3摻雜比例的增加可提高膜的硬度，但添加量過多會引起膜的折射率升高、透過率下降，要選擇適宜的摻加比例，才能在保證膜透過率的前提下改善其力學性能。 采用聚硅氧烷與納米TiO_2溶膠復合改性堿性基礎溶膠，制備出具有親水性自清潔功能的減反射膜玻璃。引入納米TiO_2改善了膜層表面狀態(tài)，膜具有較好的親水性，而且無定形納米TiO_2作為納米增強相提高了膜層硬度，與聚硅氧烷一起摻雜改性后膜的耐候性顯著提高。該鍍膜玻璃耐候性非常好，濕熱試驗后透過率衰減值僅為0.23％，膜層非常牢固，附著力為5B，鉛筆硬度≥3H，而且鍍膜玻璃合片制成組件成品的平均峰值功率較之采用未鍍膜玻璃的組件提升了3.20％。 傳統(tǒng)SiO_2膜易吸潮引起透過率衰減，本課題利用甲基三乙氧基硅烷（MTES）在酸催化條件下水解得到的溶膠對堿催化SiO_2溶膠改性處理，首次采用原位合成的方式向SiO_2網絡中引入-Si-CH3疏水基團，使納米SiO_2顆粒表面疏水化，獲得單甲基改性的SiO_2溶膠，制備出具有疏水自清潔功能的減反射膜玻璃。紅外光譜分析發(fā)現摻雜MTES后，膜的-OH基吸收峰減弱，而-CH3吸收峰增強，疏水甲基被成功的引入到膜層結構中，取代硅氧網絡結構中的活性羥基，解決了膜層由于表面富含羥基而吸潮、吸水所導致的透過率衰減問題。MTES體積摻雜比例為40％時兼具高透過率、高疏水性能，膜層的可見光透過率達96.25%，接觸角達到134.4°。 工業(yè)試驗證明項目研發(fā)的納米減反射溶液性能穩(wěn)定、可靠，制備的太陽能光伏用納米減反射膜玻璃透過率≥94.3％，膜層的附著力為5B級，鉛筆硬度為4H，耐候性非常好，經客戶試用證實合成組件的峰值功率提升達2.58％，為業(yè)內領先水平，具有非常好的市場前景和推廣價值，可廣泛的應用于太陽能光伏領域。 【關鍵詞】：太陽能 減反射膜 改性 多孔 SiO_2膜 光伏玻璃 透過率 耐候性
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TQ171.73;TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-38
• 1.1 太陽能產業(yè)的發(fā)展背景14-19
• 1.1.1 前言14-16
• 1.1.2 太陽能光伏技術簡介16-18
• 1.1.3 光伏用減反射膜玻璃的市場需求和研究意義18-19
• 1.2 光學薄膜減反射原理分析19-22
• 1.2.1 相消干涉減反射原理20-22
• 1.2.2 精細粗化減反射原理22
• 1.3 減反射膜制備方法及應用22-26
• 1.3.1 減反射膜的發(fā)展史22-23
• 1.3.2 減反射膜的制備方法23-24
• 1.3.3 減反射膜的應用24-26
• 1.4 溶膠-凝膠工藝概述26-30
• 1.4.1 溶膠-凝膠工藝簡介26-27
• 1.4.2 溶膠-凝膠工藝過程中影響因素的研究27-30
• 1.5 溶膠-凝膠法制備減反射膜及其改性研究進展30-35
• 1.5.1 減反射膜的國內外研究進展30-31
• 1.5.2 膜層機械性能改性研究31-32
• 1.5.3 膜層耐候性能改性研究32-34
• 1.5.4 膜層多功能化的研究34-35
• 1.6 本課題研究的意義及內容35-38
• 1.6.1 研究意義35
• 1.6.2 主要研究內容35-36
• 1.6.3 創(chuàng)新點36-38
• 第二章 實驗方法與試樣的表征38-46
• 2.1 實驗原料及儀器設備38
• 2.1.1 實驗原料38
• 2.1.2 實驗儀器與設備38
• 2.2 實驗方法38-41
• 2.2.1 納米 SiO_2溶膠的制備38-40
• 2.2.2 納米 SiO_2溶膠的改性40-41
• 2.2.3 減反射膜的制備41
• 2.3 試樣的表征41-44
• 2.3.1 溶膠的納米粒度儀分析41
• 2.3.2 溶膠的粘度與酸堿度分析41-42
• 2.3.3 薄膜顯微分析42
• 2.3.4 分光光度計及橢偏儀分析42
• 2.3.5 紅外光譜分析42
• 2.3.6 接觸角測試42
• 2.3.7 鉛筆硬度測試與分析42
• 2.3.8 薄膜附著力測試42-43
• 2.3.9 薄膜耐候性測試43
• 2.3.10 組件發(fā)電效率測試43-44
• 2.4 本章小結44-46
• 第三章 Sol-gel 酸催化法合成 SiO_2溶膠的研究46-62
• 第一節(jié) 正交試驗法研究酸催化合成 SiO_2溶膠的影響因素46-55
• 3.1.1 酸催化合成 SiO_2溶膠的正交試驗設計46
• 3.1.2 酸催化納米 SiO_2溶膠的合成46-47
• 3.1.3 結果與討論47-54
• 3.1.4 本節(jié)小結54-55
• 第二節(jié) 醇硅摩爾比對酸催化法合成 SiO_2溶膠及膜性能的影響55-61
• 3.2.1 引言55
• 3.2.2 實驗部分55
• 3.2.3 結果與討論55-61
• 3.2.4 本節(jié)小結61
• 3.3 本章小結61-62
• 第四章 Sol-gel 堿催化法合成 SiO_2溶膠的研究62-82
• 第一節(jié) 正交試驗法研究堿催化合成 SiO_2溶膠的影響因素62-74
• 4.1.1 堿催化合成 SiO_2溶膠的正交試驗設計62
• 4.1.2 堿催化納米 SiO_2溶膠的合成62-64
• 4.1.3 結果與討論64-73
• 4.1.4 本節(jié)小結73-74
• 第二節(jié) 醇硅摩爾比對太陽能玻璃用多孔 SiO_2減反膜性能的影響74-80
• 4.2.1 引言74
• 4.2.2 實驗部分74-75
• 4.2.3 結果與討論75-80
• 4.2.4 本節(jié)小結80
• 4.3 本章小結80-82
• 第五章 納米 SiO_2溶膠的改性及減反射膜性能研究82-120
• 第一節(jié) 聚硅氧烷摻雜改性 SiO_2溶膠及減反射膜性能研究82-92
• 5.1.1 引言82
• 5.1.2 實驗部分82-83
• 5.1.3 結果與討論83-90
• 5.1.4 本節(jié)小結90-92
• 第二節(jié) 納米 TiO_2, ZrO_2,Al_2O_3摻雜對 SiO_2減反射膜性能的影響92-108
• 5.2.1 引言92
• 5.2.2 納米 TiO_2,ZrO_2,Al_2O_3,MgO 對減反射膜性能的影響92-100
• 5.2.3 TiO_2、ZrO_2、Al_2O_3復合摻雜對溶膠及膜層性能的影響100-107
• 5.2.4 本節(jié)小結107-108
• 第三節(jié) 復合改性 SiO_2溶膠的制備與減反射膜的性能研究108-118
• 5.3.1 引言108
• 5.3.2 實驗部分108-110
• 5.3.3 結果與討論110-117
• 5.3.4 本節(jié)小結117-118
• 5.4 本章小結118-120
• 第六章 疏水型溶膠及疏水減反射膜的制備與性能研究120-138
• 第一節(jié) 甲基三乙氧基硅烷（MTES）改性納米 SiO_2溶膠的研究120-133
• 6.1.1 實驗部分120-121
• 6.1.2 溶膠納米粒度及粘度分析121-122
• 6.1.3 薄膜接觸角分析122-124
• 6.1.4 光譜性能分析124-126
• 6.1.5 紅外光譜分析126-127
• 6.1.6 熱處理與提拉速度對 M4 性能的影響127-132
• 6.1.7 本節(jié)小結132-133
• 第二節(jié) 二甲基二乙氧基硅烷（DDS）改性納米 SiO_2溶膠的研究133-137
• 6.2.1 實驗部分133
• 6.2.2 溶膠納米粒度分析133-134
• 6.2.3 薄膜接觸角分析134-136
• 6.2.4 光學性能分析136-137
• 6.2.5 本節(jié)小結137
• 6.3 本章小結137-138
• 第七章 納米減反射膜玻璃的工業(yè)化制備與性能研究138-149
• 7.1 輥涂工藝簡介138-139
• 7.2 樣片制備139
• 7.3 測試與表征139-140
• 7.4 結果與討論140-148
• 7.4.1 透過率分析140-142
• 7.4.2 加速老化（PCT）實驗分析142-143
• 7.4.3 中性鹽霧實驗分析143-144
• 7.4.4 紫外老化實驗分析144-145
• 7.4.5 硬度測試145-146
• 7.4.6 附著力測試146
• 7.4.7 組件效益測試對比146-148
• 7.5 本章小結148-149
• 結論149-151
• 參考文獻151-162
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果162-164
• 致謝164-166
• 答辯委員會對論文的評定意見166

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