CN102153292B

CN102153292B - 一种高透过纳米二氧化硅减反射薄膜及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102153292B
Application number: CN2010106068349A
Authority: CN
Inventors: 余锡宾; 彭颖杰; 汪正军
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: CN102153292A

Abstract

本发明公开了一种高透过纳米二氧化硅减反射薄膜及其制备与应用，所述薄膜是以纳米二氧化硅为基质，以聚氨酯、丙烯酸树脂等树脂为成膜剂，以普通光学玻璃、ITO玻璃、氧化铝玻璃等为基片，用浸渍提拉法或者旋涂法镀膜的减反射薄膜。本发明薄膜对可见光及近红外光的单面增透率可达4％，双面涂膜可使玻璃透过率达到99％。该薄膜应用在太阳能电池玻璃板上，能提高太阳电池对光的吸收，从而提高太阳能电池的效率。应用在平板显示以及光学镜头上，可以提高图像的清晰度和亮度。本发明产品安全无毒、化学性质稳定、易于长期保存；且制备工艺简单易操作，原料价廉易得，反应过程基本没有工业三废，具有绿色环保、低能耗、高效益等特点，适合工业化生产。

Description

一种高透过纳米二氧化硅减反射薄膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明是涉及一种高透过纳米二氧化硅减反射薄膜及其制备与应用，具体说，是涉及一种能增加玻璃的光透过率的无机材料薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球人口的增长和经济的快速发展，能源紧张和环境污染问题日益突出。现有的化石能源是不可再生能源，在可以预见的将来会面临开采枯竭问题，而太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳每年辐射至地球表面的能量约为3×10²⁴J，相当于目前全球商业能源消耗量的10000倍左右。因此，研究利用可再生能源特别是太阳能对解决能源危机和环境保护，对人类社会的可持续发展具有重要意义。

目前几乎90％以上的商品太阳电池是晶体硅太阳电池，商业化的电池组件效率是15％～17％。尽管太阳能光伏发电是一项清洁无污染的发电技术，但短期内无法与市电竞争的主要原因是其较高的生产成本和较低的光电转换效率。硅材料制备的太阳电池效率理论上限约为30％，现有工艺水平制备的太阳电池效率与理论极限接近，进一步提高太阳电池效率的空间不大，而在电池工艺制备上提高效率所需的成本很高。但是如果能够提高太阳电池及组件的光利用率，则可以在低成本下提高太阳电池组件的发电量。减反射薄膜就是一种有效的低成本提高光利用率的方法。

在硅太阳电池片上实现光学增透设计，可以提高太阳电池对光的吸收。如用二氧化钛、氮化硅、氟化镁、二氧化硅、五氧化二钽等在太阳电池表面镀减反射薄膜已有大量文献报道，且用二氧化钛，氮化硅制备减反射薄膜已实现工业化应用。但上述材料特别是用物理法制备的减反射薄膜，无法按照实际需要改变薄膜的折射率以达到最佳的减反射效果，而用化学方法制备纳米多孔SiO₂薄膜，可以通过调节纳米孔隙，以得到合适的折射率，从而获得最佳减反射效果。太阳电池组件上表面的封装玻璃盖板通常采用低铁钢化的超白玻璃，在晶体硅太阳电池光谱响应的波长范围内(400～1100nm)透过率一般在90％左右，尚有约8％～9％的光利用提高空间。而在太阳电池组件超白玻璃上研究减反射光学设计的文献较少。因此，本文旨在研究太阳电池组件超白玻璃上制备纳米孔SiO₂减反射薄膜的工艺，以进一步提高光的利用率，从而实现以低成本、操作简单的光学设计提高太阳电池组件的发电量。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种高透过纳米二氧化硅减反射薄膜，这种薄膜安全无毒、化学性质稳定、易长期保存、具有很好减反射性能的无机材料。

本发明的另一个目的是提供上述薄膜的制备方法，其制备工艺简单、成本低廉、节能环保及适合工业化生产的薄膜制备方法。

本发明的又一个目的是为了提供这种薄膜材料的几种应用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案来实现。

本发明提供的高透过纳米二氧化硅减反射薄膜无机材料，是以纳米二氧化硅为基质，以聚氨酯、丙烯酸树脂聚合物为成膜剂的一种减反射薄膜。

上述的减反射薄膜的制备方法，具体步骤如下：

a)量取一定量的无水乙醇和一定量的正硅酸乙酯(TEOS)，使正硅酸乙酯的浓度为0.1～2mol/L，加热至一定温度(室温～100℃)同时磁力搅拌；

b)量取一定量去离子水，加入一定量的浓氨水，使氨水溶液浓度为0.1～1mol/L；

c)将步骤b)的氨水溶液逐滴滴加到乙醇与正硅酸乙酯的混合液中，滴加完成后继续搅拌1～12小时；

d)将固含量0.5％～20％的以上胶体溶液与固含量0.5％～20％的成膜剂按体积比为1～9∶1混合；

e)以玻璃为基片，使用浸渍提拉法或旋涂法制膜，膜的层数为1～5层；

f)将镀膜的玻璃片置于120℃烘箱中烘30分钟，再置于马弗炉中200℃-600℃烧4-60分钟。

在步骤c)中，可同时加入适量稳定剂，所述稳定剂为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾和氨水中的一种加入量为纳米二氧化硅的0.1～10％。

步骤d)中，加入的成膜剂为聚氨酯、聚丙烯酸、丙烯酸树脂和丁二烯树脂中的一种。

步骤e)中，所述的玻璃为普通光学玻璃、ITO玻璃或氧化铝玻璃种的一种。

步骤e)中，当用浸渍提拉法制膜时，提拉速度为10～100厘米/分钟；当为旋涂法制膜时，旋涂速度为1000～5000转/分钟。

所制备的纳米二氧化硅粒径为5～50纳米；制备的减反射薄膜膜厚为50～500纳米。

此方法适用于制作其他各种功能薄膜，如TiO₂薄膜等。

使用本发明的二氧化硅减反射薄膜可以应用在太阳能电池玻璃板上，能提高太阳电池对光的吸收，从而提高太阳能电池的效率。其次应用在平板显示以及光学镜头上，可以提高图像的清晰度和亮度。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)首次制得了以纳米二氧化硅为基质的减反射无机薄膜，其对可见光及近红外光的单面透过增加率可达4％以上，能有效的增加光线在玻璃的透过率，且还能吸收紫外线，具有抗紫外线伤害功能；

2)本发明产品是不含有机溶剂的无机固体材料，具有安全无毒、化学性质稳定、易于长期保存、减反射性能稳定等有益效果；

3)本发明的制备工艺简单易操作，原料价廉易得，反应过程基本没有工业三废，具有绿色环保、低能耗、高效益等特点，适合工业化生产。

附图说明

图1为的减反射薄膜的紫外-可见-近红外透过光谱图；

图2为所制备的减反射薄膜的X射线衍射图；

图3为所制备的减反射薄膜的断面扫描电子显微镜照片；

图4为所制备的减反射薄膜原料二氧化硅的透射电子显微镜照片；

图5为所制备的减反射薄膜的原子力显微镜照片；

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供的纳米二氧化硅减反射膜的制备方法，具体步骤如下：

a)量取100mL无水乙醇和11.2mL(0.05mol)正硅酸乙酯(TEOS)，加热至50℃同时磁力搅拌；

b)量取50ml去离子水，加入0.6ml浓氨水；

c)将氨水溶液逐滴滴加到乙醇与正硅酸乙酯的混合液中，滴加完成后继续搅拌2小时。

d)将10％固含量的以上胶体溶液与2.5％固含量的聚氨酯按体积比7∶1混合均匀；

e)以玻璃为基片，使用旋涂法，以3000转/分钟的旋涂速度制膜，膜的层数为1层；

f)将镀膜的玻璃片置于120℃烘箱中烘30分钟，再置于马弗炉中600℃烧5分钟。制备获得减反射薄膜。

实施例2

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是在步骤b)量取50ml去离子水，加入0.3mL浓氨水。

实施例3

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是在步骤b)量取50ml去离子水，加入0.9mL浓氨水。

实施例4

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是在步骤a)量取100mL无水乙醇和5.6mL(0.025mol)正硅酸乙酯(TEOS)，加热至50℃同时磁力搅。

实施例5

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是在步骤a)100mL无水乙醇和22.4mL(0.1mol)正硅酸乙酯(TEOS)，加热至50℃同时磁力搅。

实施例6

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是在步骤a)100mL无水乙醇和33.6mL(0.15mol)正硅酸乙酯(TEOS)，加热至50℃同时磁力搅。

实施例7

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是在步骤a)量取100mL无水乙醇和11.2mL(0.05mol)正硅酸乙酯(TEOS)，常温磁力搅拌。

实施例8

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是在步骤a)量取100mL无水乙醇和11.2mL(0.05mol)正硅酸乙酯(TEOS)，加热至40℃同时磁力搅拌。

实施例9

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤a)量取100mL无水乙醇和11.2mL(0.05mol)正硅酸乙酯(TEOS)，加热至60℃同时磁力搅拌。

实施例10

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤c)将氨水溶液逐滴滴加到乙醇与正硅酸乙酯的混合液中，滴加完成后继续搅拌4小时。

实施例11

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤c)将氨水溶液逐滴滴加到乙醇与正硅酸乙酯的混合液中，滴加完成后继续搅拌6小时。

实施例12

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤c)将氨水溶液逐滴滴加到乙醇与正硅酸乙酯的混合液中，滴加完成后继续搅拌8小时。

实施例13

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤c)将氨水溶液逐滴滴加到乙醇与正硅酸乙酯的混合液中，滴加完成后继续搅拌10小时。

实施例14

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是步骤d)，将8％固含量的以上胶体溶液与2.5％固含量的聚氨酯按体积比7∶1混合均匀。

实施例15

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是步骤d)，将6％固含量的以上胶体溶液与2.5％固含量的聚氨酯按体积比7∶1混合均匀。

实施例16

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是步骤d)，将固含量4％的以上胶体溶液与2.5％固含量的聚氨酯按体积比7∶1混合均匀。

实施例17

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤d)将以上胶体溶液按2％固含量与2.5％固含量的聚氨酯按体积比7∶1混合均匀。

实施例18

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤d)将以上胶体溶液按10％固含量与2％固含量的聚氨酯按体积比7∶1混合均匀。

实施例19

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤d)将以上胶体溶液按10％固含量与3％固含量的聚氨酯按体积比7∶1混合均匀。

实施例20

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤d)将以上胶体溶液按10％固含量与2.5％固含量的聚氨酯按体积比6∶1混合均匀。

实施例21

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤d)将以上胶体溶液按10％固含量与2.5％固含量的聚氨酯按体积比8∶1混合均匀。

实施例22

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤d)将以上胶体溶液按10％固含量与2.5％固含量的聚氨酯按体积比9∶1混合均匀。

实施例23

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤e)以玻璃为基片，使用旋涂法，以2000转/分钟的旋涂速度制膜，膜的层数为1层。

实施例24

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤e)以玻璃为基片，使用旋涂法，以4000转/分钟的旋涂速度制膜，膜的层数为1层。

实施例25

本实施例的制备方法与实施例1所述相同，不同之处是将步骤e)以玻璃为基片，使用旋涂法，以5000转/分钟的旋涂速度制膜，膜的层数为1层。

上述实施例所制备获得的减反射薄膜。

如图1所示，所述玻璃以及单面涂膜玻璃的透过对比图，从图中可以看出，在400～800nm波长下，减反射薄膜能使玻璃的透过率增加达到4％。

如图2所示，所述二氧化硅胶体烘干后所测固体粉末X射线衍射图，所制样品为无定形二氧化硅。

如图3所示，所述样品的断面场发射扫描电镜图，所制的薄膜厚度均匀，连续。

如图4所示，所述二氧化硅胶体的透射电镜图，从图中可以看出，此方法所制的二氧化硅胶体溶液中纳米二氧化硅能很好的分散在溶剂中。

如图5所示，所述减反射膜的表面原子力显微镜图，从图中可以看出，所制备的减反射薄膜表面平整，光滑，连续。

Claims

1.一种高透过纳米二氧化硅减反射薄膜无机材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

a)量取一定量的无水乙醇和一定量的正硅酸乙酯（TEOS），使正硅酸乙酯的浓度为0.1～2mol/L，加热至室温～100℃，同时磁力搅拌；

c)将步骤b）的氨水溶液逐滴滴加到乙醇与正硅酸乙酯的混合液中，滴加完成后继续搅拌1～12小时；

d)将固含量0.5%～20%的以上胶体溶液与固含量0.5%～20%的成膜剂按体积比为1～9：1混合；

f)将镀膜的玻璃片置于120℃烘箱中烘30分钟，再置于马弗炉中200℃-600℃烧4-60分钟；

在步骤c)中，同时加入适量稳定剂，所述稳定剂为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾和氨水中的一种，加入量为纳米二氧化硅的0.1～10%；

步骤d)中，加入的成膜剂为聚氨酯、聚丙烯酸、丙烯酸树脂和丁二烯树脂中的一种；

步骤e)中，所述的玻璃为普通光学玻璃、ITO玻璃或氧化铝玻璃种的一种；

步骤e)中，当用浸渍提拉法制膜时，提拉速度为10～100厘米/分钟；当为旋涂法制膜时，旋涂速度为1000～5000转/分钟；

所制备的减反射薄膜，纳米二氧化硅粒径为5～50纳米；减反射薄膜膜厚为50～500纳米。