CN102110723B - 用于光学系统或太阳能电池表面的防带电灰尘的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光学系统或太阳能电池表面的防带电灰尘的装置，由衬底，以及在衬底上依次形成的氧化铟锡层、二氧化钛纳米颗粒阵列层和含氟聚合物薄膜层构成，衬底为用于光学系统表面的玻璃或用于太阳能电池表面的硅片。在持续的紫外光照下，本发明装置表面持续带正电，使粘附在表面的灰尘，不论原先带何种电荷，最终都带上与本发明装置表面相同的电荷，从而使灰尘粒子在静电斥力的作用下离开表面。另外，二氧化钛层在紫外光照下产生的空穴具有强氧化性，能分解粘附到光学器件表面的有机物，起到杀菌作用。本发明装置能达到良好的防尘与除尘效果，有效防止光学系统或太阳能电池表面的透光率受灰尘妨害而降低。
Description
技术领域
本发明属于灰尘防护装置领域，具体涉及一种用于光学系统或太阳能电池表面的防带电灰尘的装置。
背景技术
随着科技的高速发展，光学系统得到了广泛的应用。对于光学系统而言，灰尘的危害不容忽视。灰尘颗粒在外界环境作用下会带上电荷，并在静电力的作用下，粘着和堆积到各种接触到光学系统的装置上，造成视觉模糊、密封失效、读数错误、材料磨损、机构堵塞、图像对比度显著下降、光通量大幅减少和相机滤光片被灰尘污染等诸多问题。因此，光学系统有必要进行灰尘的防护，即对其裸露在外的光学表面采取防尘和除尘措施。由于光学镜头、反射镜等光学系统表面具有高精密、表面膜层易损坏等特点，对光学系统表面的灰尘防护的要求相对其他非光学表面就显得更为苛刻。
另外，众所周知，随着全球经济的飞速发展，对于能源的需求越来越迫切，然而地球上可利用得化石能源如石油、煤、天然气数量非常有限且短时间内不可再生。据估计，目前可利用得化石燃料目前石油、天然气和煤在地球上的总储量分别为1万亿桶、120万亿立方米、1万亿吨。按现在全球的消耗速度计算，这些燃料将分别在45年、56年、209年内用尽。若我们现在不开发利用新能源，届时，化石能源消耗殆尽，必然引发能源危机。对于太阳能的研究与开发逐渐受到重视，产业规模日益巨大。然而，带电荷或不带电荷的灰尘颗粒粘着和堆积到太阳能电池表面，日积月累，将大大影响太阳能电池的发电效率。因此，有必要对太阳能电池表面进行灰尘的防护。
对带电荷的灰尘粒子的防护装置有接地的镀导电膜、除尘电帘等。其中，接地的镀导电膜是由镀在镜头上或太阳能电池表面得一层超薄的导电膜构成，并且该导电膜层接地。接地的镀导电膜将附着在它表面上的灰尘粒子的电荷释放掉，从而减少灰尘的静电粘附力，便于除尘。但接地的镀导电膜除尘也仅限于电荷释放，在电荷释放掉后的除尘工作必须与其它设置结合起来进行。
除尘电帘由连接到多相(或单相)交流电源上的透明平行电极组成，在电极上覆盖有一层绝缘介质膜，以防止静电击穿。除尘电帘通常使用操作方便、价格经济的印刷电路板方法制作。由于将电极连接到多相(或单相)交流电源上，形成行波(或驻波)，同时沉积在电极的灰尘将由于接触或者与绝缘介质的摩擦而带电荷，因此，在电场的作用下，灰尘粒子随行波(或驻波)被举起并沿着垂直于电极轴线的方向运动，从而达到除尘的目的。除尘电帘的典型的除尘效率在80％～90％。但是，由于除尘电帘可能会对光学系统的成像质量产生影响，而且使用除尘电帘时需要对电极宽度、电极间距和交流电压频率等参数进行优化选择，这些都需要进一步的研究，从而限制了除尘电帘的应用。
发明内容
本发明提供了一种用于光学系统或太阳能电池表面的防带电灰尘的装置，能起到良好的防尘与除尘效果，可有效防止光学系统或太阳能电池表面受灰尘妨害而性能下降。
一种用于光学系统或太阳能电池表面的防带电灰尘的装置，由衬底，以及在衬底上依次形成的氧化铟锡层、二氧化钛纳米颗粒阵列层和含氟聚合物薄膜层构成，所述的衬底为用于光学系统表面的玻璃或用于太阳能电池表面的硅片。
优选的技术方案中，所述的氧化铟锡层为透光的氧化铟锡层。一方面，氧化铟锡的导带能级为-4.7eV，比很多半导体材料低，这样就可以保证二氧化钛受紫外光照射后产生的电子能注入氧化铟锡层，使二氧化钛层剩下带正电的空穴，从而使二氧化钛表面带正电；另一方面，透光的氧化铟锡可以满足光学系统和太阳能电池受光面透光性的要求。
优选的技术方案中，所述的氧化铟锡层的厚度为100～300纳米，如果所述的氧化铟锡层的厚度太小，不能很好地起到允许电子注入的作用；如果所述的氧化铟锡层的厚度太大，可能会对透光性有不良的影响。
优选的技术方案中，所述的二氧化钛纳米颗粒阵列层中，二氧化钛颗粒的粒径为50纳米～5微米。由于二氧化钛颗粒阵列层的折射率大大低于二氧化钛薄膜的折射率，因此，可以大大降低反射率，利于光学系统和太阳能电池受光面的通光性；而在优选的粒径范围内，所述的二氧化钛颗粒阵列能增加最外层薄膜的粗糙度，从而使最外层膜的接触角增大，灰尘更不易沾污表面；同时，二氧化钛颗粒能够有效增加材料的表面积，使在单位面积衬底上紫外光与二氧化钛的作用面积增大，从而能提高其与紫外线产生氧化还原反应的效率，对于防带电灰尘的装置表面的除菌作用是有益的。
优选的技术方案中，所述的含氟聚合物层的厚度为100纳米～5微米，若含氟聚合物层厚度太大，会影响二氧化钛颗粒层的光催化降解有机物作用的发挥；而含氟聚合物层的厚度太小，则不能很好地抵消掉具有高表面能的二氧化钛颗粒层对防带电灰尘装置的表面能的影响，使表面容易粘附灰尘。含氟聚合物层的厚度为100纳米～5微米能很好地与粒径在50纳米～5微米内的二氧化钛颗粒层匹配，即能使表面粗糙度增大也能发挥二氧化钛的光催化作用。
优选的技术方案中，所述的含氟聚合物层中，所述的含氟聚合物为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。由于含氟聚合物层是已知的表面能最低、本征接触角最大、最不易粘附灰尘的一类材料，非常适合用作最外层材料。优选的含氟聚合物薄膜层不仅具有不易粘附灰尘的特点，还有折射率低、光学透过率好、机械强度高、稳定性好等优良性能。
本发明利用了氧化铟锡的透光性及其导带能级小于二氧化钛的性质，使二氧化钛受紫外光照激发的电子注入氧化铟锡层，从而使二氧化钛中只剩下带正电的空穴；同时，利用了含氟聚合物的低表面能，使得在其表面不易粘污灰尘并且具有很好的疏水性自清洁功能；此外，还利用了二氧化钛颗粒阵列使含氟聚合物表面的粗糙度增大，接触角增大，灰尘更不易粘污。
由于氧化铟锡层和二氧化钛存在导带能级差，从而实现氧化铟锡内的空穴和二氧化钛在紫外光照下产生的电子复合。在持续的紫外光照下，防带电灰尘的装置表面持续带正电。在防带电灰尘的装置表面持续带正电的情况下：
(1)若灰尘粒子带正电，由于同性电荷相斥，灰尘粒子在静电斥力的作用下离开防带电灰尘的装置表面。
(2)若灰尘粒子为电中性，那么再与薄膜接触时，由于电荷转移，灰尘粒子将带上与防带电灰尘的装置表面相同的电荷，即正电，这样灰尘粒子在静电斥力的作用下离开防带电灰尘的装置表面。
(3)若灰尘粒子带负电，则灰尘粒子的电荷首先将与防带电灰尘的装置表面的正电中和，而后由于电荷转移，灰尘最终将带上与防带电灰尘的装置表面相同的电荷，最后在静电斥力的作用下离开防带电灰尘的装置表面。
这样，本发明装置就能起到防带电灰尘的作用。
可见，本发明中，让防带电灰尘的装置表面持续带上电荷，吸引中性和同性电荷的灰尘，排斥带有异性电荷的灰尘；然后被吸引到防带电灰尘的装置表面的灰尘，由于电荷转移，最终也会带上与防带电灰尘的装置表面相同电性的电荷，最后在电场的斥力作用下离开光学表面。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益技术效果：
含氟聚合物层有效减小灰尘粒子与表面粘附的可能，氧化铟锡层和二氧化钛颗粒阵列层的组合使装置表面带正电，有效防止和除去带电灰尘到达和停留在光学系统和太阳能电池表面，同时二氧化钛颗粒层在紫外光照下产生的空穴具有强氧化性，能分解粘附到光学器件表面的有机物，起到光催化降解有机物、杀死细菌等微生物的作用。因此，将氧化铟锡层、二氧化钛颗粒阵列层及含氟聚合物层结合在一起，能有效防止光学系统及太阳能电池表面受灰尘妨害而性能下降，达到良好的防尘与除尘效果。
附图说明
图1是本发明的防带电灰尘的装置的结构示意图。
图2是氧化铟锡层与二氧化钛纳米颗粒阵列层中载流子迁移情况图。
具体实施方式：
实施例1
如图1所示，一种用于太阳能电池表面的防带电灰尘的装置，由衬底1，以及在衬底1上依次形成的氧化铟锡层2、二氧化钛纳米颗粒阵列层3和含氟聚合物薄膜层4构成。
其中，衬底1为用于太阳能电池表面的p型单晶硅片；氧化铟锡层2为透明的氧化铟锡层；二氧化钛纳米颗粒阵列层3中二氧化钛的粒径为5微米，密排时，二氧化钛纳米颗粒阵列层能达到的粗糙度为2；含氟聚合物薄膜层4为聚四氟乙烯层，厚度为5微米。
如图2所示，在紫外光照下，二氧化钛纳米颗粒阵列层3中二氧化钛的导带能级为-4.21eV，而氧化铟锡层2中氧化铟锡的导带能级为-4.7eV，氧化铟锡的导带能级小于二氧化钛的导带能级，因此，二氧化钛纳米颗粒阵列层3中二氧化钛的自由电子将注入氧化铟锡层2中的氧化铟锡，这样，氧化铟锡中的空穴将与二氧化钛中的自由电子复合，使二氧化钛纳米颗粒阵列层3中大量的空穴剩余，从而使防带电灰尘的装置表面带正电。紫外光持续光照下，防带电灰尘的装置表面持续带正电。此时，若周围的灰尘粒子带正电，由于同性电荷相斥，灰尘粒子在静电斥力的作用下直接离开防带电灰尘的装置表面；若周围的灰尘粒子为中性，那么在与防带电灰尘的装置接触时，由于电荷转移，灰尘粒子将带上与防带电灰尘的装置表面相同的电荷即正电，同样在静电斥力的作用下离开防带电灰尘的装置表面；若周围的灰尘粒子带负电，灰尘粒子的负电荷首先将与防带电灰尘的装置表面的正电中和，而后由于电荷转移，灰尘最终将带上与防带电灰尘的装置表面相同的电荷即正电，并在静电斥力的作用下离开防带电灰尘的装置表面，从而起到防带电灰尘的作用。
实施例2
一种用于光学系统表面的防带电灰尘的装置，由衬底1，以及在衬底1上依次形成的氧化铟锡层2、二氧化钛纳米颗粒阵列层3和含氟聚合物薄膜层4构成。
其中，衬底1为用于光学系统表面的K9玻璃；氧化铟锡层2为透明的氧化铟锡层；二氧化钛纳米颗粒阵列层3中二氧化钛的粒径为50nm，密排时二氧化钛颗粒阵列层的粗糙度为2；含氟聚合物薄膜层4为聚偏氟乙烯层，厚度为小于100nm。
其机理与实施例1中机理相同，但含氟聚合物层聚偏氟乙烯与聚四氟乙烯的耐受温度范围有所不同，聚四氟乙烯的耐受温度为-196～260℃，聚偏氟乙烯的耐受温度为-60～150℃，实际应用中可以根据不同的环境温度选用相应的含氟聚合物层。
Claims (2)
1.一种用于光学系统或太阳能电池表面的防带电灰尘的装置，其特征在于，由衬底，以及在衬底上依次形成的透光的氧化铟锡层、二氧化钛纳米颗粒阵列层和含氟聚合物薄膜层构成，所述的衬底为用于光学系统表面的玻璃或用于太阳能电池表面的硅片；
所述的氧化铟锡层厚度为100～300纳米；
所述的二氧化钛纳米颗粒阵列层中，二氧化钛颗粒的粒径为50纳米～5微米；
所述的含氟聚合物层的厚度为100纳米～5微米。
2.如权利要求1所述的防带电灰尘的装置，其特征在于，所述的含氟聚合物层中，所述的含氟聚合物为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
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