CN101353429B - 稳定硅氧烷材料的方法、稳定的硅氧烷材料和掺入该材料的器件 - Google Patents
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Abstract
本发明的名称是稳定硅氧烷材料的方法、稳定的硅氧烷材料和掺入该材料的器件。含硅氧烷材料由于暴露于紫外线辐射而导致变暗，通过将这些材料暴露于含有活性种的气氛中可阻止或逆转该变暗，所述活性种可以包括活性氧。所述活性氧可以通过在含氧气氛中紫外线辐射所述硅氧烷材料产生。在其它情况中，活性氧可以包括臭氧或一些其它的活性种。在另外其它情况中，活性种可以包括含氧物质如氧化亚氮或硝酸盐。它也可以包括其它物质如卤素、原子氢、质子或类似物。处理可以在紫外线暴露前应用，以阻止或最小化变暗，或它可以在变暗已经发生后被应用，目的是逆转变暗。也公开了已被处理以使其抵抗紫外线诱导的变暗的硅氧烷材料，以及公开了含有此类被涂敷到其上的硅氧烷材料的光伏器件。
Description
相关申请的引用
本申请要求于2007年7月25日提交的美国专利申请序列号11/782,681的优先权，其内容通过引用全部被包括在此。
政府利益的声明
本发明是在政府的资助下，按照美国空军条约FA9453-06-C-0339号完成的。政府对本发明具有一些权利。
技术领域
本发明一般涉及材料。更具体地说，本发明涉及含有硅氧烷的材料，该材料被稳定以对抗光诱导的生色团形成，以及涉及在含硅氧烷材料中光诱导的颜色生成的逆转方法。
背景技术
含硅氧烷聚合物通过有机硅单体的聚合制备。这些材料被广义地定义为聚硅氧烷，也被称为硅氧烷类。含硅氧烷的聚合物是化学惰性的、挠性的、电绝缘的并且具有优良的机械强度。而且，这些材料可以被制成光学透明的。因此，硅氧烷材料在大量的应用中通常被用作保护或钝化涂层。具体地说，硅氧烷涂层被有利地用作光伏器件和其它的光学器件及光电器件的保护涂层。于2004年7月2日提交的已公布美国专利申请2006/0207646——标题为“Encapsulation of SolarCells(太阳能电池的封装)”公开了使用硅氧烷涂层保护光伏器件。该专利申请的公开内容通过引用被包括在此。在该公开的上下文中，硅氧烷材料被理解为包括含有硅氧烷的所有材料。例如，硅氧烷材料包括硅氧烷聚合物，以及硅氧烷和其它材料的共聚物，以及含硅氧烷的材料的掺合物。因此，所有的这样的材料被理解为包括含有硅氧烷的材料或硅氧烷材料，所述术语可以互换使用。
硅氧烷涂层的轻质、挠性和耐久性使得它们成为用在意欲用于平流层和外层空间应用的轻质、挠性光伏器件上的优良候选物。这样的教导在2007年1月22日提交的题为“Solar Cells for Stratospheric andOuter Space Use(用于平流层和外层空间的太阳能电池)”的美国专利申请序列号11/656,151中发现，其公开内容通过引用被包括在此。
尽管硅氧烷涂层具有许多性质，这些性质使得它们理想地适合于平流层和外层空间的使用，但是已经发现，当这样的涂层在不存在氧气的情况下暴露于紫外线辐射时，它们倾向于形成吸收电磁光谱的可见光部分的发色物质。如本领域一般所理解的，所述可见电磁光谱范围介于大约400到700nm之间；尽管一些人具有更大的视觉敏感性，并能察觉到范围介于380到780nm之间的光。在任何情况下，硅氧烷保护涂层的这类变暗对于并入该硅氧烷保护涂层的光伏器件的操作是非常有害的，因为这样的变暗削弱了可用于产生光电流的光的量。
应当理解，紫外线诱导的硅氧烷涂层变暗是高平流层和外层空间应用中的严重问题，因为它们暴露于高水平的紫外线辐射。因此，需要方法和/或材料，其能够最小化或阻止或逆转硅氧烷涂层中这种光诱导的变暗。如在下文将要详细解释的，本发明提供了这样的材料和方法，其阻止、最小化和逆转由紫外线诱导的生色团形成所引起的硅氧烷材料变暗。
发明内容
公开了最小化或逆转含硅氧烷材料中的光吸收种类形成的方法，该光吸收种类的形成是由于暴露于紫外线辐射引起的。所述方法包括将所述材料暴露于含有活性种的气氛中，所述活性种如活性氧、臭氧、其它的含氧种类，如硝酸盐或氧化亚氮，以及氢、原子氢、质子和类似物。材料在暴露于紫外线辐射之前暴露于活性种将阻止或最小化可见光吸收种类的形成。在已经由于紫外线辐射而变暗的材料中，暴露于活性种将逆转该变暗作用。
暴露于活性种可以通过将涂层暴露于含氧气氛如空气、氧气或氧气和其它气体的掺合物，同时用具有250-350nm波长范围的紫外线辐射照射材料来实现。在其它情况中，所述活性种可以包括臭氧或电离化氧。所述活性种也可以包括含氧种类如氧化亚氮或硝酸盐、卤素、原子氢、质子或其它这样的种类，并且其可以远离硅氧烷材料产生，然后使其与硅氧烷材料接触。
在具体的情况中，硅氧烷材料在处理之前，具有250-270nm范围的吸收峰，并且将材料暴露于活性种的步骤包括将所述材料暴露足以将该吸收峰的强度减少至少50％的一段时间。
也公开了硅氧烷涂层，其被稳定以对抗紫外线诱导的变暗，并且其是根据前述进行制备的，以及公开了掺入那些涂层的光伏器件。
附图说明
图1是显示石英基底和硅氧烷涂层在暴露于紫外线辐射之前和之后的光学透射率对波长的图。
图2是比较第一系列的现有技术硅氧烷涂层与第二系列的根据本发明预处理的硅氧烷涂层，在紫外线暴露之前和之后的光学透射率对波长的图。也显示了石英基底的基线数据。
具体实施方式
已经发现，硅氧烷材料暴露于含有活性氧或其它活性种的气氛，当它们接着暴露于低氧环境中的紫外线辐射时，特别是高能、相对短波长的紫外线辐射如真空紫外线辐射时，将阻止那些材料光学变暗。进一步发现，以前由于暴露于紫外线辐射已经变暗的硅氧烷材料，通过接着将它们暴露于活性种，能够使它们的一些或全部的透明性恢复。可以用于本发明的所述活性种包括活性氧，该活性氧包括臭氧、含氧种类，和卤素以及其它种类，如原子氢、质子或其它活性高能粒子。诸如卤素或含氧种类的物质可以通过能量输入被进一步活化，并且可以或可以不被电离。
本发明将对活性氧的使用方面进行描述，应当理解的是，其它的活性种可以被同样地使用。在本公开的上下文中，活性氧包括具有的能量大于基态O2能量的氧。活性氧可以包括臭氧(O3)，或者它可以包括处于电子激发态的一些其它形式的氧，并因此包括中性氧以及电离化氧。在一个具体情况中，活性氧可以通过用紫外线辐射照射氧来提供。例如，已经发现，通过将硅氧烷置于含氧气氛中，并用紫外线辐射照射该材料，可以完成处理。在一些具体的实例中，该辐射具有200-350nm范围的波长。含氧气氛可以是空气、纯氧或氧和另一种气体的掺合物。在其它情况中，活性氧可以通过臭氧发生器提供，该臭氧发生器紧邻或独立于被处理的涂层放置。在另外的其它情况中，活性氧可以通过氧如在等离子体发生器或类似物中的电磁激发来提供。
如下面将进行详述，暴露于活性氧抑制或逆转硅氧烷材料中的可见光吸收种类的形成。尽管不希望受推测的束缚，但可以提出理论，活性氧与硅氧烷材料中的一些原子或分子相互作用，从而阻止了生色物质形成或者破坏了先前形成的物质。
典型的硅氧烷包括聚硅氧烷聚合物，其以例如可以从DowCorning公司以代号“DC1-2620”商业获得的材料为代表。这些材料的分光光度分析表明它们最初具有250-270纳米范围内的光吸收峰。该峰中心大约在265nm。当硅氧烷材料暴露于活性种时，该峰下降或消失。该峰的下降与材料随后暴露于短波长紫外线辐射时，随后抵抗该材料中可见光吸收种类的形成相关。在此基础上，推测出产生该峰的物质能够参加紫外线辐射诱导的反应，这导致光吸收种类形成，并且与活性材料如活性氧的优先反应改变该物质使其失活。
一般地，已经发现，用作光伏器件中涂层的硅氧烷材料类型，通过在足以显著降低250-270nm吸收峰的条件下和时间内暴露于活性氧，能够被稳定以对抗紫外线诱导的变暗。在一个具体的实例中，良好的稳定程度是通过处理获得的，该处理足以保证硅氧烷材料在265nm的光学透明度是其在500nm的透明度的至少70％。这样的处理的范围和持续时间将取决于具体的处理方式。例如，如果处理是利用紫外线辐射和空气或一些其它此类含氧气氛完成的，已经发现在250-350nm范围的波长下在40托的压力以及在大气压下照射1000-3000当量太阳时(equivalent solar hours，ESH)将提供非常好的保护程度。处理可以利用更强活性的氧形式、更高的氧分压、更短的紫外线波长或其它强活化源在更短时间内完成。用活性氧的处理可以在硅氧烷材料被涂敷到光伏器件之前完成，或它也可以在涂敷后完成。鉴于在本文所提出的教导，所有这些方式和参数对本技术领域普通技术人员而言将是显而易见的。
进行了一系列的实验以评价和说明本发明的一些方面。在这点上，一系列硅氧烷膜被涂敷到石英基底上。该实验系列的涂层用前述的Dow Corning VC 1-2620(在图1中为USO)产品制备。该材料用制造商建议的Dow Corning OS-30溶剂稀释。得到的混合物被喷涂到一系列石英基底上并固化。固化是通过加热到至少60℃的温度完成的。在一些情况中，喷涂的基底在几个小时的时间内被逐渐从室温加热到高温。在其它情况中，利用多步加热，其中首先将样品达到大约70℃的温度，保持15分钟到几个小时的时间，并加热到至少125℃的最终温度。在另外其它情况中，样品被放在保持在125℃或更高温度的烘箱中，并在该烘箱保持大约30分钟。在所有情况中，产生了优良的涂层，并且所有的涂层达到了ASTM-E-595-93(2003)的除气标准。上述的涂层被制备成大约0.2和2密耳的厚度，并经受进一步检验。每种涂层与充当对照的未涂敷的、空白的石英基底配对，并且使所述样品和对照经受进一步检验。
在第一实验系列中，大约0.2和2密耳的硅氧烷涂层被暴露于在大约40托空气气氛中的宽带紫外线辐射。这些条件与高空航行器(HAA)在上部平流层中所遇到的条件接近。这些涂层暴露于可达2000当量太阳时(ESH)的紫外线辐射的照射没有产生显著的变暗。
用大约0.2密耳厚的硅氧烷涂层和参比石英圆盘重新进行上述实验；然而空气气氛用40托的氩气氛代替。该实验的结果示于图1中。从中可以看出，在紫外线暴露前，石英对照样品在350-1000nm范围具有高光学透明度。暴露之后，石英显示基本没有变化。所述硅氧烷涂层起初在整个范围内显示出很好的光学透明性；但是紫外线暴露之后，在350-500nm范围，它显示出显著的光吸收。如上所述，这种变暗对光伏器件的有效操作是有害的。利用2密耳厚的硅氧烷涂层重新进行实验系列，得到了很相似的结果。
进行进一步的实验系列，将其结果概括在图2的图中。在该实验系列中，两组大约0.2和2密耳厚的硅氧烷膜在石英基底上制备。通过在40托的压力下在空气中暴露于宽带紫外线辐射大约1000ESH，用活性氧预处理两种厚度的膜中的一组。此后，样品在真空中暴露于紫外线辐射另外1000ESH。显著地注意到，在预处理的样品中，变暗得到抑制。例如，在图2中，0.2密耳厚的涂层显示出变暗，其与空白石英对照样品所示没有显著的差异。同没有进行预处理并且具有非常显著的吸收的相应涂层相比，所述2密耳厚的涂层同样显示出很小的变暗。从前述可以看出，用活性氧预处理硅氧烷涂层显著抑制了在这些涂层中物理光吸收种类的产生。在前述的实例中，氧预处理发生在低压空气气氛下。在较高的氧浓度下的处理将在更快的时间内产生相似的结果。同样，用其它的活性氧种类如臭氧、等离子体和类似物处理将产生相似的结果。尽管上述实施例描述了利用借助活性氧处理以阻止或最小化硅氧烷涂层变暗的方法，但是已经发现，类似的处理将逆转已经暴露于紫外线辐射的硅氧烷涂层的变暗。
尽管上述的实验系列利用了一种具体的硅氧烷材料，但应当理解，此处公开的方法可以与所有的含硅氧烷材料一起使用。硅氧烷材料可以在涂敷到基底上之前或之后暴露于活性氧。应当理解，在一些情况中，其它的活性种可以代替活性氧。这样的物质可以包括卤素以及含氧种类如硝酸盐和氧化亚氮以及原子氢、质子和类似物。尽管前面内容已经关于用于封装光伏器件的方法和材料予以描述，但是应当理解的是，基于硅氧烷的涂层在它们暴露于强紫外线辐射的情况下具有许多用途，并且本发明的方法和材料可以容易地适于这类应用。
鉴于前述，应当理解，本发明的许多改良、变化和实施方式对本技术领域普通技术人员是显而易见的，并且可以被容易地实施。上述附图、论述和描述是对本发明具体实施方式的说明，而不意味着对其实施进行限制。
Claims (14)
1.最小化或逆转由于暴露于紫外线辐射导致的在含硅氧烷材料中可见光吸收种类形成的方法，所述方法包括步骤：
将所述含硅氧烷材料暴露于活性种，
其中所述活性种选自：含氧种类、卤素、原子氢、质子或它们的组合。
2.权利要求1所述的方法，其中所述活性种包括活性氧。
3.权利要求2所述的方法，其中将所述含硅氧烷材料暴露于活性氧的所述步骤包括：
将所述材料暴露于含氧气氛中，同时用具有200-350nm范围波长的紫外线辐射照射所述材料。
4.权利要求3所述的方法，其中所述含氧气氛是空气。
5.权利要求1所述的方法，其中将所述含硅氧烷材料暴露于所述活性种的所述步骤包括：
将所述材料在暴露于高能紫外线辐射之前，将所述材料暴露于所述活性种，由此所述材料的暴露抑制了可见光吸收种类在其中的形成。
6.权利要求1所述的方法，其中将所述含硅氧烷材料暴露于所述活性种的步骤包括：
在所述材料已经暴露于所述紫外线辐射之后，将所述材料暴露于所述活性种，由此所述暴露至少部分地逆转可见光吸收种类在所述材料中的形成。
7.权利要求1所述的方法，其中所述含硅氧烷材料是聚硅氧烷。
8.权利要求1所述的方法，其中所述含硅氧烷材料在250-270nm处具有吸收峰，并且其中将所述材料暴露于所述活性种的所述步骤包括将所述材料暴露足以降低该峰强度至少50％的时间。
9.权利要求1所述的方法，其中暴露所述含硅氧烷材料的所述步骤包括将所述材料在空气中暴露于波长范围为250-350纳米的紫外线辐射，所述辐射的量在1000-3000当量太阳时(ESH)范围内。
10.权利要求1所述的方法，其中将所述含硅氧烷材料暴露于所述活性种的步骤包括：
将所述材料暴露于包含臭氧的气氛。
11.一种用于钝化意欲暴露于高强度紫外线辐射的含硅氧烷材料，以阻止或最小化可见光吸收种类在其中形成的方法，所述方法包括步骤：
将所述材料暴露于活性种，
其中所述活性种选自：含氧种类、卤素、原子氢、质子或它们的组合。
12.权利要求11所述的方法，包括在所述硅氧烷材料已经暴露于含有活性种的气氛之后，将所述硅氧烷材料涂布到基底上的进一步的步骤。
13.权利要求11所述的方法，包括在所述硅氧烷材料暴露于含有活性种的气氛之前，将所述硅氧烷材料涂布到基底上的进一步的步骤。
14.权利要求11所述的方法，其中所述活性种包括活性氧。
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