CN102126831A - 太阳能接收器的盖板玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能接收器的盖板玻璃及其制备方法，所述盖板玻璃以其具有SiO2膜层和TiO2膜层为主要特征；所述制备方法以钢化低铁浮法玻璃为基体，以其采用具有PEM监控器的中频磁控溅射镀膜机为生产设备，其制备步骤依次包括基体表面清洗，基体表面二次清洗，镀SiO2膜层，镀TiO2膜层和退火处理为主要特征。本发明的盖板玻璃具有高透过率和自清洁等特点，本发明的制备方法，具有工艺先进合理，镀膜过程自动控制，镀膜质量好，生产效率高等特点。

Description

太阳能接收器的盖板玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能接收器的盖板玻璃及其制备方法，属于太阳能利用装备技术。
背景技术
本发明所述的太阳能接收器，主要是指光热转换太阳能接收器，也包括光电转换太阳能接收器。而所述盖板玻璃是指保护所述光热转换太阳能接收器或光电转换太阳能接收器的盖板玻璃。
如何提高太阳能的光热或光电转换效率，除了提高所述转换器核心部件的转换率外，提高外部的盖板玻璃的太阳光透过率同样显得十分重要。
而提高盖板玻璃的透过率，目前主要的技术措施是，采用低铁浮法玻璃作为盖板玻璃，使得盖板玻璃的太阳光透过率达到90％以上，也就是说盖板玻璃的反射率仍在8～10％的范围内，直接影响了太阳能利用效率。
由于所述太阳能转换器是在露天工作的，自然环境对其太阳能利用效率有着直接的影响，例如空气中的尘埃，砂土以及其它多种颗粒物质，很容易粘着在盖板玻璃的表面，阻碍太阳光的透过，以致盖板玻璃的太阳光透过率从90％下降至≤60％。而且粘着在盖板玻璃上的尘埃等，尽管可以通过人工清扫或雨水冲洗予以清除掉，但是这种人工或自然清除是不彻底的，也是很麻烦的。这是因为所述尘埃等与盖板玻璃之间有很强的亲和力(或称结合力)。
为了提高太阳光透过率，目前的主要研究方向是在光伏电池晶体硅基底表面镀覆减反射膜，例如SiO2减反射膜或/和SiN减反射膜或/和TiO2减反射膜。但是在所述盖板玻璃上镀减反射膜技术，至今未见有报道。而且，单层SiO2减反射膜只能在某个太阳光波长段内降低反射率、提高透过率，其他波长段的太阳光仍有一部份被反射掉。而在盖板玻璃表面镀覆2种不同物质的2层或多层镀膜盖板玻璃技术，至今也未见有报道。
这里应当说明的是，在光伏电池晶体硅基底表面镀覆双层减反射膜的技术已有报道，诸如中国专利申请CN200910303615.0和CN200910054568.0等。而前者专利申请是在硅基衬底表面依次沉积一层致密层TiO2薄膜和一层疏松层TiO2薄膜，在电极银浆印刷后，经400～900℃的烧结，在硅基底与致密TiO2层界面处生成SiO2钝化层，从而构成疏松TiO2膜层/致密TiO2膜层/钝化SiO2膜层三层复合结构。该专利申请由于SiO2钝化层薄膜的厚度很薄(是在中温条件下由分子渗透生成的)，而其减反射作用主要是由TiO2膜层所产生的。正如该专利的主权项所描述的那样，其减反射能力主要表现在太阳光600nm波长处。由此可见其适用太阳光波长的范围很窄，其减反射效果也相对较差。而后者专利申请，是采取溶胶凝胶法和喷涂法，在晶体硅太阳能电池基片上形成SiN膜层，然后在SiN膜层表面经喷涂形成SiO2膜层，从而构成SiN/SiO2双层复合结构。该专利申请由于采用溶胶凝胶法和喷涂法制备工艺，因而其镀层厚度很难控制，镀层厚度的均匀性也难以保证，这就造成其减反射能力相对较差的缺憾。
而所述镀膜层的镀膜方法，目前的已有技术有两种方法，一种是物理法，诸如直流反应磁控溅射镀膜法。这种方法适用于大面积镀膜，膜层厚度及其均匀性好控制，但易造成靶“中毒”(即在靶的表面附着氧化物，影响其导电、溅射工作)；另一种是化学法，诸如溶胶凝胶法。这种方法主要适用于小面积镀膜。该方法由于对环境和工作条件的依赖性很强，例如镀胶的温度和粘度，以及工作环境的温度、湿度和洁净度等，都会直接影响镀膜的厚度、厚度的均匀性和制成品的质量。因而化学法镀膜是不适合面积较大的所述盖板玻璃镀膜的。
显然，所述的第一种物理法镀膜，除了会造成靶“中毒”而影响镀膜的正常工作和镀膜的质量外，还由于其缺乏溅射监控系统，对于反应气体O2的含量和等离子体的发射等进行实时监控和自动调节，而无疑会对镀膜工作的过程和镀膜的质量等造成不利影响。就此而言，这种设备性欠缺，也是已有技术的一个严重不足。
发明内容
本发明旨在提供一种大面积镀膜厚度各批次一致和厚度均匀的，具有自清洁能力的，减反射能力相对较高的太阳能接收器的盖板玻璃。
与此同时，提供一种镀膜工艺过程能够自动控制的，镀膜质量好的制备所述太阳能接收器的盖板玻璃的方法。
本发明实现上述目的的技术构想：一是利用TiO2膜层所具有的减反射能力和与水很强的亲和力(TiO2膜层与水的亲和力大大高于TiO2与尘埃的亲和力)，以便于雨水清除盖板玻璃表面所附着的尘埃等，实现盖板玻璃的自清洁。二是利用TiO2膜层选择性光波减反射能力和SiO2膜层的较宽光波范围的减反射能力，通过TiO2/SiO2膜的复合，以进一步提高盖板玻璃的减反射率，使其反射率≤5％，透过率达到≥95％。三是采用中频(40KHZ)反应磁控溅射镀膜机，以有效解决靶“中毒”问题和适应大面积所述盖板玻璃的镀膜处理。四是采用PEM等离子体发射监控系统，对所述镀膜机工作实施全过程实时监控，以进一步确保和提高本发明镀膜质量。五是在必要的时候，所述镀膜机采用具有两个真空镀膜室的镀膜机(例如由常州博士新能源科技有限公司申请的专利号为ZL200910031377.2，连续镀膜机)，以避免Si靶与Ti靶的相互干涉，进一步提高本发明镀膜的质量。
基于上述技术构想，本发明实现其第一个目的的技术方案是：
一种太阳能接收器的盖板玻璃，包括钢化低铁浮法玻璃基体，其创新点在于，在所述玻璃基体表面镀有SiO2膜层，在所述SiO2膜层的表面镀有TiO2膜层。
由以上所给出的技术方案可以明了，本发明盖板玻璃由于在其所述玻璃基体表面依次镀有减反射能力很强的SiO2膜层和选择性减反射的TiO2膜层，而具有很高的减反射能力，且在其表面由于镀有一层与水具有很强亲和力的TiO2膜层，而当其表面附着尘埃时，只要用水冲洗或遇雨水冲刷，水就会与TiO2密切亲近，尘埃则与TiO2膜层表面分开然后随水流而被带走，实现盖板玻璃的自清洁，从而有效提高了盖板玻璃的减反射能力，提高了盖板玻璃的太阳光透过率，实现了本发明的第一个目的。
由研究表明，SiO2膜层与TiO2膜层多层交替布置，能够进一步提高盖板玻璃的减反射综合能力。为此，本发明还主张，所述SiO2膜层和TiO2膜层各有1层或2层或3层或4层，且所述SiO2膜层和TiO2膜层由内至外依次交替布置。
考虑到SiO2膜层和TiO2膜层的厚度及其层数，与其减反射能力成正相关，为此SiO2膜层和TiO2膜层的厚度，应根据玻璃基体及其层数作相应调整。本发明通过反复多次试验，所优选的镀在所述玻璃基体表面的SiO2膜层的厚度在100～120nm范围内，镀在最外面一层的TiO2膜层的厚度在80～120nm范围内，其余的SiO2膜层的厚度在15～25nm范围内，其余的TiO2膜层的厚度在5～15nm范围内。其中，所述在本发明为SiO2/TiO2两层镀膜结构的条件下，其SiO2膜层的厚度，一般不要小于100nm；而其布置在最外面一层的TiO2膜层的厚度，一般不要小于80nm。这种多层SiO2/TiO2复合结构的本发明，对于延长其使用寿命，具有十分明显的积极意义；同时，对于进一步提高其减反射能力，也具有十分明显的作用。
上述技术方案得以实施后，本发明所述盖板玻璃所具有的减反射能力强，自清洁功能好，太阳光透过率高等特点，是显而易见的。
基于前述本发明的技术构想，本发明实现其第二个目的的技术方案是，
一种制备如上述的太阳能接收器的盖板玻璃的方法，以钢化低铁浮法玻璃为制备基体，其创新点在于，采用具有PEM等离子体发射监控器的设有Si靶和Ti靶的中频反应磁控溅射镀膜机为制备设备，依次包括以下步骤：
a、基体表面清洗；对所述基体表面实施清洗、烘干；
b、基体表面二次清洗；所述二次清洗是在所述镀膜机的真空镀膜室内，在抽真空和有保护气体条件下，给经a步骤处理的基体通直流电，轰击基体表面，去除基体表面残存的杂质及附着的气体。
c、镀所述SiO2膜层；紧接b步骤，待真空镀膜室内达到本底真空度后，通入工作气体Ar和反应气体O2，打开硅靶电源并调节至工作电流，开始镀SiO2减反射膜层，直至所述SiO2膜层达到所需厚度后，关闭硅靶电源；
d、镀所述TiO2膜层；紧接c步骤，待真空镀膜室内达到本底真空度后，通入工作气体Ar及反应气体O2，打开Ti靶电源并调节至工作电流，开始在所述SiO2膜层的表面镀所述TiO2膜层，直至TiO2膜层达到所需厚度后，关闭Ti靶电源；当所述SiO2膜层和TiO2膜层有多层时，则所述镀SiO2膜层和镀TiO2膜层交替进行；
e、退火处理；将经d步骤镀膜的制件，在450～550℃温度范围内，保温1～2h，然后随炉冷却实施退火处理，令TiO2发生相变，使之转变为与水具有更强亲和力的锐钛矿相。
其中，所述a步骤表面清洗，可以采用水加清洗剂的常规清洗方式。而所用PEM等离子发射监控器，建议采用德国FEP研究所的监控系统。而其所用Si靶和Ti靶，建议采用含量为99.99％的Si或Ti。而所述中频反应磁控溅射镀膜机，是40KHZ中频反应磁控溅射镀膜机。
由以上所给出的制备方法可以明了，本发明由于采用具有PEM监控系统的中频反应磁控溅射镀膜机，不但有效避免了靶“中毒”，而且实现了镀膜过程的全程自动监控调节，从而由所述镀膜设备确保了镀膜的质量和提高了产能；且通过先后两次清洗，从而有效提高了首层SiO2膜层与基体玻璃的镀粘强度；特别是通过退火处理，使TiO2膜层变相，进一步有效提高了TiO2膜层与水的亲和力，增强了本发明的自清洁能力，从而使本发明所述盖板玻璃，成为高透过率、自清洁的盖板玻璃，实现了本发明的第二个目的。
本发明上述制备方法的进一步创新点在于：
所述步骤b二次清洗的保护气体为Ar气，其真空度为0.1～20Pa。但不局限于此。
所述c步骤镀SiO2膜层和d步骤镀TiO2膜层的电压在350～700V范围内，其电流在30～50A范围内。但不局限于此。
所述c步骤镀SiO2膜层和d步骤镀TiO2膜层的真空镀膜室内的本底真空度为6×10-3Pa。但不局限于此。
所述c步骤镀SiO2膜层和d步骤镀TiO2膜层，是在2个隔开的真空膜室内依次进行的，且Si靶和Ti靶分别置于2个隔开的真空镀膜室内。当然也可以采用双靶镀膜室实施本发明的制备技术方案，但是必须严格控制Si靶和Ti靶可能产生的相互干涉，且其镀膜工艺过程的操作必须严格正确控制。
上述制备技术方案得以实施后，本发明制备方法所具有的工艺先进合理，工艺操作简便可靠，镀膜质量好和生产效率高等特点，同样是十分明显的。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式的结构示意图。图中所示是SiO2/TiO2复合结构。由该图可以理解，SiO2/TiO2/SiO2/TiO2...多层复合的本发明的结构。
具体实施方式
具体实施方式之一，如附图1所示，
一种太阳能接收器的盖板玻璃，包括钢化低铁浮法玻璃基体1，在所述基体1表面镀有SiO2膜层2，在所述SiO2膜层2的表面镀有TiO2膜层3。镀在所述基体1表面的SiO2膜层2的厚度在100～120nm范围内，镀在最外面一层的TiO2膜层3的厚度在80～120nm范围内。
具体实施方式之二，请参读附图1，
一种太阳能接收器的盖板玻璃，包括钢化低铁浮法玻璃基体1，在所述基体1表面镀有SiO2膜层2，在所述SiO2膜层2的表面镀有TiO2膜层3。所述SiO2层2和TiO2膜层3各有1层或2层或3层或4层，且所述SiO2膜层2和TiO2膜层3由内至外依次交替布置。镀在所述基体1表面的SiO2膜层2的厚度在100～120nm范围内，镀在最外面一层的TiO2膜层3的厚度在80～120nm范围内，其余的SiO2膜层2的厚度在15～25nm范围内，其余的TiO2膜层3的厚度在5～15nm范围内。
具体实施方式之三，请参读附图1。
一种制备如实施例之一所描述的太阳能接收器的盖板玻璃的方法，以钢化低铁浮法玻璃为制备基体1，采用具有PEM等离子体发射监控器的设有Si靶和Ti靶的中频反应磁控溅射镀膜机为制备设备，依次包括以下步骤：
a、基体表面清洗；对所述基体1表面实施清洗、烘干；
b、基体表面二次清洗；所述二次清洗是在所述镀膜机的真空镀膜室内，在抽真空和有保护气体条件下，给经a步骤处理的基体1通直流电，轰击基体1表面，去除基体1表面残存的杂质及附着的气体。
c、镀所述SiO2膜层2；紧接b步骤，待真空镀膜室内达到本底真空度后，通入工作气体Ar和反应气体O2，打开硅靶电源并调节至工作电流，开始镀SiO2减反射膜层2，直至所述SiO2膜层2达到所需厚度后，关闭硅靶电源；
d、镀所述TiO2膜层3；紧接c步骤，待真空镀膜室内达到本底真空度后，通入工作气体Ar及反应气体O2，打开Ti靶电源并调节至工作电流，开始在所述SiO2膜层2的表面镀所述TiO2膜层3，直至TiO2膜层3达到所需厚度后，关闭Ti靶电源；当所述SiO2膜层2和TiO2膜层3有多层时，则所述镀SiO2膜层2和镀TiO2膜层3交替进行；
e、退火处理；将经d步骤镀膜的制件，在450～550℃温度范围内，保温1～2h，然后随炉冷却实施退火处理，令TiO2发生相变，使之转变为与水具有更强亲和力的锐钛矿相。
所述步骤b二次清洗的保护气体为Ar气，其真空度为0.1～20Pa。所述c步骤镀SiO2膜层(2)和d步骤镀TiO2膜层(3)的电压在350～700V范围内，其电流在30～50A范围内。所述c步骤镀SiO2膜层(2)和d步骤镀TiO2膜层(3)的真空镀膜室内的本底真空度为6×10-3Pa。
具体实施方式之四，请参读附图1。
一种太阳能接收器的盖板玻璃的制备方法，当所述SiO2膜层2和TiO2膜层3有多层时，所述镀SiO2膜层2和镀TiO2膜层3交替进行；且所述c步骤镀SiO2膜层2和d步骤镀TiO2膜层3，是在2个隔开的真空膜室内依次进行的，Si靶和Ti靶分别置于2个隔开的真空镀膜室内。除此之外，其它均如同具体实施方式之三。
本发明制成品所述盖板玻璃初样的测试结果显示，其太阳光透过率达到96％；模拟雨水冲洗，其表面的自清洁水平接近或达到原始盖板玻璃表面的清洁程度。本发明是一种高透过率自清洁盖板玻璃，实现了本发明的初衷。

Claims (8)

1.一种太阳能接收器的盖板玻璃，包括钢化低铁浮法玻璃基体(1)，其特征在于，在所述基体(1)表面镀有SiO2膜层(2)，在所述SiO2膜层(2)的表面镀有TiO2膜层(3)。
2.根据权利要求1所述的太阳能接收器的盖板玻璃，其特征在于，所述SiO2膜层(2)和TiO2膜层(3)各有1层或2层或3层或4层，且所述SiO2膜层(2)和TiO2膜层(3)由内至外依次交替布置。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能接收器的盖板玻璃，其特征在于，镀在所述基体(1)表面的SiO2膜层(2)的厚度在100～120nm范围内，镀在最外面一层的TiO2膜层(3)的厚度在80～120nm范围内，其余的SiO2膜层(2)的厚度在15～25nm范围内，其余的TiO2膜层(3)的厚度在5～15nm范围内。
4.一种制备如权利要求1所述的太阳能接收器的盖板玻璃的方法，以钢化低铁浮法玻璃为制备基体(1)，其特征在于，采用具有PEM等离子体发射监控器的设有Si靶和Ti靶的中频反应磁控溅射镀膜机为制备设备，依次包括以下步骤：
a、基体表面清洗；对所述基体(1)表面实施清洗、烘干；
b、基体表面二次清洗；所述二次清洗是在所述镀膜机的真空镀膜室内，在抽真空和有保护气体条件下，给经a步骤处理的基体(1)通直流电，轰击基体(1)表面，去除基体(1)表面残存的杂质及附着的气体。
c、镀所述SiO2膜层(2)；紧接b步骤，待真空镀膜室内达到本底真空度后，通入工作气体Ar和反应气体O2，打开硅靶电源并调节至工作电流，开始镀SiO2减反射膜层(2)，直至所述SiO2膜层(2)达到所需厚度后，关闭硅靶电源；
d、镀所述TiO2膜层(3)；紧接c步骤，待真空镀膜室内达到本底真空度后，通入工作气体Ar及反应气体O2，打开Ti靶电源并调节至工作电流，开始在所述SiO2膜层(2)的表面镀所述TiO2膜层(3)，直至TiO2膜层(3)达到所需厚度后，关闭Ti靶电源；当所述SiO2膜层(2)和TiO2膜层(3)有多层时，则所述镀SiO2膜层(2)和镀TiO2膜层(3)交替进行；
e、退火处理；将经d步骤镀膜的制件，在450～550℃温度范围内，保温1～2h，然后随炉冷却实施退火处理，令TiO2发生相变，使之转变为与水具有更强亲和力的锐钛矿相。
5.根据权利要求4所述的太阳能接收器的盖板玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤b二次清洗的保护气体为Ar气，其真空度为0.1～20Pa。
6.根据权利要求4所述的太阳能接收器的盖板玻璃的制备方法，其特征在于，所述c步骤镀SiO2膜层(2)和d步骤镀TiO2膜层(3)的电压在350～700V范围内，其电流在30～50A范围内。
7.根据权利要求4所述的太阳能接收器的盖板玻璃的制备方法，其特征在于，所述c步骤镀SiO2膜层(2)和d步骤镀TiO2膜层(3)的真空镀膜室内的本底真空度为6×10-3Pa。
8.根据权利要求4所述的太阳能接收器的盖板玻璃的制备方法，其特征在于，所述c步骤镀SiO2膜层(2)和d步骤镀TiO2膜层(3)，是在2个隔开的真空膜室内依次进行的，且Si靶和Ti靶分别置于2个隔开的真空镀膜室内。
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