CN106630678B - 具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜及其制备方法，包括HfO2膜层和SiO2膜层两种膜层，HfO2膜层折射率为1.93±0.02，SiO2膜层的折射率为1.45±0.01，HfO2膜层和SiO2膜层共18层。该薄膜使用HfO2和SiO2材料为表面薄膜材料，不会因被高活性的原子氧氧化而变性，提升了表面薄膜的化学稳定性，且镀膜后盖片的透射率可达MgF2薄膜水平，有利于提高太阳电池组件的工作效率。

Description

具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于光学薄膜领域，尤其是涉及具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜及其制备方法。
背景技术
太阳电池在宇宙空间中会受高能射线和带电粒子的辐射和轰击，因此常在太阳电池表面粘贴空间用抗辐照玻璃盖片。而太阳光垂直照射到玻璃盖片表面时，约有4％的光反射损失，为了减少光损失，常在玻璃盖片表面沉积1/4波长光学厚度的MgF2薄膜，理论上可以将降低太阳光垂直入射时的表面反射率，提高太阳电池组件的转换效率。
但是，在低地球轨道区域，环境组分中含有大量原子氧，约占80％，活性很高，具有强氧化性，有向材料表面输送附加能量的能力,该能量足以引起高分子材料断链并形成低分子物质,这些物质及其氧化物的挥发造成材料的剥蚀。此外,原子氧会与航天器表面撞击产生辉光放电,造成材料表面开裂、龟裂和局部燃烧及熔化等,太阳紫外线特别是真空紫外线与原子氧的共同作用还会加剧原子氧对一些材料的剥蚀效应，严重影响到航天器的性能和使用寿命。粘贴玻璃盖片的太阳电池组件在LEO中也会出现上述问题，在原子氧的强氧化性的作用下，MgF2逐渐被氧化为MgO。由于MgO的折射率约为1.74，当玻璃盖片表面的MgF2被氧化后，盖片的表面反射率将增加至11.0％，大大增加了太阳电池组件的表面光反射损失，对应的太阳电池的输出功率出现明显的下降。
发明内容
本发明的目的是提供具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜及其制备方法，解决抗辐照玻璃盖片表面MgF2薄膜被低地球轨道区域中原子氧氧化变性，使太阳电池输出功率下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜，包括HfO2膜层和SiO2膜层两种膜层，HfO2膜层折射率为1.93±0.02，SiO2膜层的折射率为1.45±0.01，HfO2膜层和SiO2膜层共18层，材料及厚度依次为：第1膜层材料为HfO2，厚度为10±1nm，第2膜层材料为SiO2，厚度为66±4nm，第3膜层材料为HfO2，厚度为15±1nm，第4膜层材料为SiO2，厚度为72±4nm，第5膜层材料为HfO2，厚度为22±2nm，第6膜层材料为SiO2，厚度为63±4nm，第7膜层材料为HfO2，厚度为30±2nm，第8膜层材料为SiO2，厚度为50±3nm，第9膜层材料为HfO2，厚度为43±3nm，第10膜层材料为SiO2，厚度为35±2nm，第11膜层材料为HfO2，厚度为53±3nm，第12膜层材料为SiO2，厚度为33±2nm，第13膜层材料为HfO2，厚度为49±3nm，第14膜层材料为SiO2，厚度为39±2nm，第15膜层材料为HfO2，厚度为39±2nm，第16膜层材料为SiO2，厚度为53±3nm，第17膜层材料为HfO2，厚度为21±2nm，第18膜层材料为SiO2，厚度为125±7nm。
技术方案中，优选的，膜层的厚度依次为：第1膜层为10nm，第2膜层为66nm，第3膜层为15nm，第4膜层为72nm，第5膜层为22nm，第6膜层为63nm，第7膜层材料为30nm，第8膜层为50nm，第9膜层为43nm，第10膜层为35nm，第11膜层为53nm，第12膜层为33nm，第13膜层为49nm，第14膜层为39nm，第15膜层为39nm，第16膜层为53nm，第17膜层为21nm，第18膜层为125nm。
技术方案中，优选的，HfO2膜层的折射率为1.93，SiO2膜层的折射率为1.45。
一种制备上述抗辐照玻璃盖板薄膜的方法，包括：对玻璃盖片进行清洗预处理；在温度不低于150℃的条件下，利用电子束热蒸发的方法将膜层依次沉积到玻璃盖片表面，蒸发源为直径2-4mm的SiO2颗粒及直径3-5mm的HfO2颗粒；在沉积过程中进行离子源辅助沉积，离子源以氩气为介质气体，离子能量为80eV，束流为5A。
技术方案中，优选的，电子束热蒸发依次沉积膜层过程中真空度条件不低于3.0×10-3Pa。
本发明具有的优点和积极效果是：使用HfO2和SiO2材料为表面薄膜材料，不会因被高活性的原子氧氧化而变性，提升了表面薄膜的化学稳定性。同时，该薄膜是专为空间用抗辐照玻璃盖片而设计的，材料折射率与玻璃盖片形成良好的匹配，镀膜后盖片的透射率较高，有利于提高太阳电池组件的工作效率。在表面薄膜的沉积过程中全程使用离子源辅助沉积，增加了薄膜的附着力和牢固度，制备方式有利于规模化大批量生产。
附图说明
图1是本发明具有原子氧防护功能的空间用抗辐照玻璃盖片表面薄膜结构示意图
图2是沉积了1/4波长光学厚度的MgF2玻璃盖片(a)和沉积了具有原子氧防护功能的表面薄膜的玻璃盖片(b)的透射率曲线
图中：
1、膜层1 2、膜层2 3、膜层3
4、膜层4 5、膜层5 6、膜层6
7、膜层7 8、膜层8 9、膜层9
10、膜层10 11、膜层11 12、膜层12
13、膜层13 14、膜层14 15、膜层15
16、膜层16 17、膜层17 18、膜层18
19、玻璃盖片
具体实施方式
下面对本发明实施例做进一步描述：
为了制备出增透效果良好的表面薄膜，本发明中表面薄膜的设计采用了多层干涉介质薄膜的设计。其包括HfO2膜层和SiO2膜层两种膜层，HfO2膜层折射率控制在1.93±0.02，SiO2膜层的折射率控制在1.45±0.01，HfO2膜层和SiO2膜层共18层，材料及厚度依次为：
膜层的材料及厚度最优选择为：
膜层 1 2 3 4 5 6 7 8 9
材料 HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub>
厚度(nm) 10 66 15 72 22 63 30 50 43
膜层 10 11 12 13 14 15 16 17 18
材料 SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub> HfO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub>
厚度(nm) 35 53 33 49 39 39 53 21 125
将HfO2薄膜的折射率控制在1.93，SiO2薄膜的折射率控制在1.45取得的增透效果最好。
该种表面薄膜的主要材质为HfO2和SiO2，与常用的1/4波长光学厚度的MgF2薄膜相比不会因被高活性的原子氧氧化而变性，提升了表面薄膜的化学稳定性。同时，该薄膜是专为空间用抗辐照玻璃盖片而设计的，材料折射率与玻璃盖片形成良好的匹配，镀膜后盖片的透射率较高，有利于提高太阳电池组件的工作效率。
该具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜的制备方法为：
将玻璃盖片进行清洗预处理；将真空室内烘烤加热至150℃，真空度调为3.0×10- 3Pa，利用电子束热蒸发的方式在盖片表面逐层沉积，蒸发源材料为直径2mm-4mm的SiO2颗粒以及直径3mm-5mm的HfO2颗粒；沉积过程中使用离子源进行辅助沉积，介质气体为氩气，离子能量80eV，束流5A，该过程中，惰性气体被电离后形成离子，离子被电场加速后轰击向玻璃盖片。离子轰击给到达盖片的膜料粒子提供足够的动能，从而提高淀积粒子的迁移率，增加膜层聚集密度，填充膜内空隙缺陷，可以使沉积的薄膜更加牢固。
在沉积的过程中，使每层薄膜的厚度误差控制在±5％，HfO2薄膜的折射率控制在1.93±0.02，SiO2薄膜的折射率控制在1.45±0.01。
镀膜完成后，利用分光光度计测量玻璃盖片在280nm-1800nm范围内的透射率曲线，得到图2中的结果。沉积了表面薄膜的玻璃盖片在400nm-1800nm范围内的平均透射率为94.40％，其透射效果优于MgF2盖片的93.86％。
本发明的优点和有益效果是：该玻璃盖片薄膜不会因被高活性的原子氧氧化而变性，化学稳定性强，且由实验数据可知其透射效果优于MgF2盖片，有利于提高太阳电池组件的工作效率。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.具有原子氧防护性的抗辐照玻璃盖板薄膜，其特征在于：包括HfO2膜层和SiO2膜层两种膜层，所述HfO2膜层折射率为1.93±0.02，所述SiO2膜层的折射率为1.45±0.01，所述HfO2膜层和所述SiO2膜层共18层，材料及厚度依次为：第1膜层材料为HfO2，厚度为10±1nm，第2膜层材料为SiO2，厚度为66±4nm，第3膜层材料为HfO2，厚度为15±1nm，第4膜层材料为SiO2，厚度为72±4nm，第5膜层材料为HfO2，厚度为22±2nm，第6膜层材料为SiO2，厚度为63±4nm，第7膜层材料为HfO2，厚度为30±2nm，第8膜层材料为SiO2，厚度为50±3nm，第9膜层材料为HfO2，厚度为43±3nm，第10膜层材料为SiO2，厚度为35±2nm，第11膜层材料为HfO2，厚度为53±3nm，第12膜层材料为SiO2，厚度为33±2nm，第13膜层材料为HfO2，厚度为49±3nm，第14膜层材料为SiO2，厚度为39±2nm，第15膜层材料为HfO2，厚度为39±2nm，第16膜层材料为SiO2，厚度为53±3nm，第17膜层材料为HfO2，厚度为21±2nm，第18膜层材料为SiO2，厚度为125±7nm。
2.根据权利要求1所述的抗辐照玻璃盖板薄膜，其特征在于：所述膜层的厚度依次为：第1膜层为10nm，第2膜层为66nm，第3膜层为15nm，第4膜层为72nm，第5膜层为22nm，第6膜层为63nm，第7膜层材料为30nm，第8膜层为50nm，第9膜层为43nm，第10膜层为35nm，第11膜层为53nm，第12膜层为33nm，第13膜层为49nm，第14膜层为39nm，第15膜层为39nm，第16膜层为53nm，第17膜层为21nm，第18膜层为125nm。
3.根据权利要求1或2所述的抗辐照玻璃盖板薄膜，其特征在于：所述HfO2膜层的折射率为1.93，所述SiO2膜层的折射率为1.45。
4.一种制备如权利要求1-3任一所述抗辐照玻璃盖板薄膜的方法，其特征是包括：对玻璃盖片进行清洗预处理；在温度不低于150℃的条件下，利用电子束热蒸发的方法将膜层依次沉积到玻璃盖片表面，蒸发源为直径2-4mm的SiO2颗粒及直径3-5mm的HfO2颗粒；在沉积过程中进行离子源辅助沉积，所述离子源以氩气为介质气体，离子能量为80eV，束流为5A。
5.根据权利要求4所述的抗辐照玻璃盖板薄膜的制备方法，其特征在于：所述电子束热蒸发依次沉积膜层过程中真空度条件不低于3.0×10-3Pa。
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