CN109659375A - 一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，包括以下步骤：S1、以线棒刮涂法在基底上制备单层聚苯乙烯胶体晶体；S2、将单层聚苯乙烯胶体晶体作为模板层，在模板层上进行原子层沉积二氧化硅薄膜；S3、通过热处理去除聚苯乙烯胶体晶体，得到所述仿生凸起结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜；利用ALD沉积薄膜对于异形结构基底的均匀成膜性质，以球形聚苯乙烯结构为模板层，制备具有仿生蝇眼结构的凸起空腔结构二氧化硅薄膜，该薄膜有效提升了玻璃的可见光透过率，同时拥有相对较大的红外反射特性，能够应用在太阳能薄膜电池领域以提升光学透过率、延长电池寿命达到电池效率提升的目的。
Description
技术领域
本发明涉及功能薄膜技术领域，具体是一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法。
背景技术
仿生结构材料是模仿自然界生物的生存规律或者生物结构而人为的模仿制造的人工材料，是当下研究十分火热的材料制备与设计的一类分枝。仿生材料通过特定的结构实现特定的功能或功能的增强，正是这种结构展现出来的优越性能使得当前各种具有特殊性能的仿生结构材料应运而生，仿生结构的化学合成也因此得到了快速的发展。但是，受限于材料合成方法，仿生材料在微观结构的复杂程度方面仍与天然材料存在差距，导致人工合成的仿生材料结构相对简单，一定程度上限制了仿生材料的性能，而随着研究的深入，仿生结构的合成机理将会被科学工作者们从越来越多的方面进行揭示，设计和制备与其结构和功能相似的功能膜，甚至开发出具有与生物膜不同性能的膜材料也是极具意义的，同时随着对自然界的特殊结构不断学习，仿生结构的合成技术也会更加成熟，仿生结构的前景十分光明。
在薄膜领域，人们已经利用仿生技术制备了各种功能薄膜，如：高强高韧薄膜材料、超亲水超疏水薄膜、仿生高黏附薄膜、仿生智能薄膜材料等。而在太阳能电池用盖板减反玻璃领域，目前传统主流的实现方法仍然以酸性氧化硅、碱性氧化硅溶胶镀膜为主，但这些传统方法都有其固有缺陷，如：强度不够，透过率提升不明显等，因此，如何将传统的减反膜与仿生结合是一个新的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，利用该方法制备的薄膜能够在保持薄膜强度的同时达到优秀的增透效果，同时具有较大波长的红外反射特性，能够应用在太阳能薄膜电池领域以提升光学透过率、延长电池寿命达到电池效率提升的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、以线棒刮涂法在基底上制备单层聚苯乙烯胶体晶体；
S2、将单层聚苯乙烯胶体晶体作为模板层，在模板层上进行原子层沉积二氧化硅薄膜；
S3、通过热处理去除聚苯乙烯胶体晶体，得到所述仿生凸起结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜。
进一步的，步骤S1采用4～14um线道间隙的线棒，刮涂速率为1～4m/min。
进一步的，步骤S1制得的聚苯乙烯胶体晶体粒度为50～150nm。
进一步的，步骤S2原子层沉积时以氩气为反应载气源、以三二甲胺基硅烷为硅源、以氧气或H2O为氧源进行等离子体原子层沉积或热原子层沉积；沉积本底真空度为0.1～1.0Pa，载气流量为100～200sccm，沉积温度为100～200℃，脉冲循环次数为100～1000次；
硅源参数：脉冲30～60ms，吹扫15～30s；
氧源的热原子层沉积参数：脉冲10～30ms，吹扫20～35s；
氧源的等离子体原子层沉积参数：射频电源功率50～150W，脉冲1000～2000ms，吹扫30～50s。
进一步的，步骤S3热处理时将基底升温至300～500℃，保温0.5～1.5h。
本发明的有益效果是，利用ALD沉积薄膜对于异形结构基底的均匀成膜性质，以球形聚苯乙烯结构为模板层，制备具有仿生蝇眼结构的凸起空腔结构二氧化硅薄膜，该薄膜有效提升了玻璃的可见光透过率，同时拥有相对较大的红外反射特性，用于太阳能电池盖板时，在满足了电池对于可见光或近红外的光学增透条件下同时降低了较大波长红外线的进入量，这就意味着，在温度较高的天气下阻止红外热量的进入，使得组件避免出现温度过高导致的封胶老化、薄膜成分析出渗透等问题，从而延长电池寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明步骤S1的示意图；
图2是本发明步骤S2的示意图；
图3是本发明步骤S3的示意图；
图4是本发明实施例一制备得到减反膜的断面形貌图；
图5是本发明实施例一制备得到减反膜的透过率曲线；
图6是本发明实施例二制备得到减反膜的断面形貌图；
图7是本发明实施例二制备得到减反膜的透过率曲线；
图8是本发明实施例三制备得到减反膜的断面形貌图；
图9是本发明实施例三制备得到减反膜的反射曲线图。
具体实施方式
实施例一
本发明提供一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、如图1所示，以线棒刮涂法在基底1上制备单层聚苯乙烯胶体晶体2；采用4um线道间隙的线棒，刮涂速率为4m/min，得到聚苯乙烯胶体晶体粒度为50nm；
S2、结合图2所示，将单层聚苯乙烯胶体晶体作为模板层，在模板层上进行原子层沉积二氧化硅薄膜3；
原子层沉积时以氩气为反应载气源、以三二甲胺基硅烷为硅源、以氧气为氧源进行等离子体原子层沉积；沉积本底真空度为1.0Pa，载气流量为100sccm，沉积温度为100℃，脉冲循环次数为200次；
硅源参数：脉冲30ms，吹扫15s；
氧源的等离子体原子层沉积参数：射频电源功率50W，脉冲1500ms，吹扫40s；
S3、结合图3所示，通过热处理去除聚苯乙烯胶体晶体，热处理时将基底升温至300℃，保温1.5h，得到所述仿生凸起结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜。
结合图4与图5所示，薄膜呈现为凸起的纳米球粒子聚集态，且为单层结构，透过率图谱显示薄膜在可见光区具有优良的增投作用，透过率可达到约95%。适用于太阳能电池盖板，提升可见光透过率，提高电池吸收光转化效率。
实施例二
本发明提供一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、如图1所示，以线棒刮涂法在基底1上制备单层聚苯乙烯胶体晶体2；采用8um线道间隙的线棒，刮涂速率为2m/min，得到聚苯乙烯胶体晶体粒度为100nm；
S2、结合图2所示，将单层聚苯乙烯胶体晶体作为模板层，在模板层上进行原子层沉积二氧化硅薄膜3；
原子层沉积时以氩气为反应载气源、以三二甲胺基硅烷为硅源、以H2O为氧源进行热原子层沉积；沉积本底真空度为0.5Pa，载气流量为150sccm，沉积温度为150℃，脉冲循环次数为500次；
硅源参数：脉冲45ms，吹扫20s；
氧源的热原子层沉积参数：脉冲25ms，吹扫25s；
S3、结合图3所示，通过热处理去除聚苯乙烯胶体晶体，热处理时将基底升温至400℃，保温1h，得到所述仿生凸起结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜。
结合图6与图7所示，紧密排列的二氧化硅微球薄膜亦表现出优良的可见光区增透性能，透过率可达93%。
实施例三
本发明提供一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、如图1所示，以线棒刮涂法在基底1上制备单层聚苯乙烯胶体晶体2；采用14um线道间隙的线棒，刮涂速率为1m/min，得到聚苯乙烯胶体晶体粒度为150nm；
S2、结合图2所示，将单层聚苯乙烯胶体晶体作为模板层，在模板层上进行原子层沉积二氧化硅薄膜3；
原子层沉积时以氩气为反应载气源、以三二甲胺基硅烷为硅源、、以H2O为氧源进行热原子层沉积；沉积本底真空度为1.0Pa，载气流量为200sccm，沉积温度为200℃，脉冲循环次数为900次；
硅源参数：脉冲65ms，吹扫30s；
氧源的热原子层沉积参数：脉冲30ms，吹扫35s；
S3、结合图3所示，通过热处理去除聚苯乙烯胶体晶体，热处理时将基底升温至500℃，保温0.5h，得到所述仿生凸起结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜。
结合图8与图9所示，薄膜展示了在红外光区的反射作用，反射光谱在1300nm波长处出现较大波峰，意味着薄膜应用于太阳能薄膜电池能够阻隔红外热量的进入从而使器件温度避免过高，延长电池寿命，提高电池效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (5)
1.一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以线棒刮涂法在基底上制备单层聚苯乙烯胶体晶体；
S2、将单层聚苯乙烯胶体晶体作为模板层，在模板层上进行原子层沉积二氧化硅薄膜；
S3、通过热处理去除聚苯乙烯胶体晶体，得到所述仿生凸起结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜。
2.根据权利要求1所述的一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S1采用4～14um线道间隙的线棒，刮涂速率为1～4m/min。
3.根据权利要求1所述的一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S1制得的聚苯乙烯胶体晶体粒度为50～150nm。
4.根据权利要求1所述的一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S2原子层沉积时以氩气为反应载气源、以三二甲胺基硅烷为硅源、以氧气或H2O为氧源进行等离子体原子层沉积或热原子层沉积；沉积本底真空度为0.1～1.0Pa，载气流量为100～200sccm，沉积温度为100～200℃，脉冲循环次数为100～1000次；
硅源参数：脉冲30～60ms，吹扫15～30s；
氧源的热原子层沉积参数：脉冲10～30ms，吹扫20～35s；
氧源的等离子体原子层沉积参数：射频电源功率50～150W，脉冲1000～2000ms，吹扫30～50s。
5.根据权利要求1所述的一种仿生结构空心纳米二氧化硅粒子减反膜的制备方法，其特征在于，步骤S3热处理时将基底升温至300～500℃，保温0.5～1.5h。
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