光伏玻璃表面减反和自洁SiO2TiO2双层膜的制备和性能

0引言

太阳能电池组件置于外界环境使用过程中会在光伏玻璃表面沉积灰尘，同时还会沾染大气污染物中的有机物和天空飞鸟的排泄物等形成脏污，从而影响光线的透过率、降低光伏电池的转换效率。目前，光伏组件基本上全部使用了镀有减反射膜的光伏玻璃，减反射膜层为多孔纳米SiO2结构，有较大的孔隙率，与未镀膜相比更容易吸附空气中的污染物。TiO2膜具有光催化作用，在紫外光的照射下能够将表面的有机物分解为低分子量的二氧化碳和水，从而表面表现出超亲水性，兼配雨水的冲刷就可以达到自清洁的效果，因而TiO2膜被广泛应用于自清洁玻璃上。在减反膜上镀一层自洁膜，不仅能达到增加透光率的作用，同时又能起到提高光伏组件效率、节省劳动力成本的目的。

致密TiO2膜的折射率约为2.2，多孔SiO2减反膜的折射约为1.30，光伏玻璃的折射为1.52，如果TiO2膜较厚则会削弱SiO2减反膜的增透效果，只有TiO2膜的厚度小于10nm时才对减反射玻璃的透过率影响较小，但TiO2膜越薄光催化效果越小。使用多孔结构可以降低TiO2膜的折射率，在不影响减反射效果的情况下能够增加TiO2自洁膜的厚度，提高自洁膜的光催化效果。

本研究以光伏玻璃为基底，利用SiO2减反膜和多孔TiO2膜在光伏玻璃绒面制备了双层膜，研究了双层膜的制备工艺及膜层厚度对光学性能和光催化性能的影响，膜层结构如图1所示。图1膜层结构示意图1实验和分析

1.1实验仪器与试剂

本实验采用的实验仪器有：J.A.WoollamCo.公司的Alpha-SE椭偏仪、日本日立公司的场发射扫描电子显微镜、奥博泰GST3光谱透射比测试设备、日本岛津Uvmini-1240紫外可见光分光光度计、自制光催化试验装置、自制提拉镀膜装置、马弗炉；试剂和前驱液采用：D公司减反射膜液、A公司自清洁膜液、阿拉丁甲基蓝；基底为安彩高科生产的光伏玻璃。

1.2SiO2/TiO2膜的光学常数测量

利用自制提拉镀膜装置在玻璃表面分别涂减反射膜和自洁膜，固化后用椭偏仪测试获得两种膜层的光学常数。椭偏仪的原理是通过测量偏振光束照射样品表面经过反射后光束偏振态的变化，来获得样品的光学常数。玻璃基底以及SiO2和TiO2膜在可见光范围都是透明的，折射率曲线随波长减小略有上升，可以用Cauchy色散公式来描述这一特征。Cauchy公式为式中：n（λ）—介质在不同波长下的折射率；

A0、A1、A2—三个柯西色散系数，因不同的介质而不同；

λ—波长，nm。

测得的光伏玻璃、SiO2减反射膜、TiO2自洁膜的Canchy公式中的常数见表1。

光伏玻璃及SiO2、TiO2膜层的折射率曲线如图2所示。由图2可知，A公司的TiO2自洁膜的折射率在波长小于480nm时要比光伏玻璃的大，但在大于480nm后要略低于光伏玻璃的折射率。自洁膜TiO2的折射率要高于减反膜SiO2的折射率，因此自洁膜单独涂在光伏玻璃表面会略微增加玻璃的透过率，但在减反射膜上涂自洁膜会降低减反射玻璃的透过率。图2光伏玻璃及SiO2、TiO2膜层的折射率曲线1.3SiO2/TiO2膜的透过率模拟

根据椭偏仪获得的基底及膜层的光学参数，利用光学薄膜设计和分析软件分析不同的膜层厚度对玻璃透过率的影响。减反和自洁SiO2/TiO2双层膜中，SiO2的厚度范围取80～130nm，间隔10nm；TiO2的厚度范围取10～50nm，间隔10nm。模拟分析只是利用光伏玻璃的光学参数，不考虑光伏玻璃的绒面和压花面对透过率的影响。

取晶硅太阳电池的有效波长范围380～1100nm，根据光学薄膜软件的模拟结果计算出此范围下的有效透过率，不同膜层厚度下的透过率结果如图3所示，其中AR为单层减反射膜的透过率数据，SC10～SC50为TiO2膜厚为10～50nm的透过率数据。由图3可以看出，单层减反膜的透过率在SiO2膜厚为120nm时为最大，当TiO2膜厚为10nm时，双层膜的透过率在SiO2膜厚为100nm时为最大；当TiO2膜厚为20nm时，双层膜的透过率在SiO2膜厚为90nm时为最大；当TiO2膜厚大于30nm时，双层膜的透过率均为在SiO2膜厚为80nm时为最大，即透过率随TiO2膜厚的增大而降低。因此制备SiO2/TiO2双层膜时，第一层SiO2减反膜的厚度应适当降低，第二层TiO2自洁膜的厚度也不能较大，否则会影响玻璃的透光效果。图3双层膜不同膜厚下的透过率

根据分析结果列举了SiO2减反膜厚为100nm、不同TiO2膜厚下的双层膜透过率曲线，如图4所示，SC10~SC50分别表示TiO2的膜厚为10~50nm。可以看出，随着TiO2膜厚的增加，透过率曲线的峰值向长波方向移动，短波处透过率下降较快。图4SiO2膜厚100nm、不同TiO2膜厚的透过率曲线

根据分析结果列举了TiO2膜厚20nm、不同SiO2膜厚下的双层膜透过率曲线，如图5所示，AR80~AR130分别表示SiO2的膜厚为80～130nm。同样，随着SiO2膜厚的增加，透过率曲线的峰值向长波方向移动，短波处透过率下降较快。图5TiO2膜厚20nm、不同SiO2膜厚的透过率曲线2SiO2/TiO2双层膜的制备和性能

2.1双层膜的制备工艺

利用辊涂机制备单面双层SiO2/TiO2膜，膜层的厚度可以通过改变辊涂机涂布辊的速度和输送速度来控制。首先在光伏玻璃表面辊涂SiO2减反膜，然后在150℃下固化3min，待玻璃冷却后再涂TiO2自洁膜，送入钢化炉进行钢化。

2.2双层膜表面和断面形貌

图6为制备的减反和自洁SiO2/TiO2双层膜表面和断面的SEM图，从断面形貌图中可以看出下层的SiO2减反膜为多孔结构，中间有直径为50～80nm的孔洞结构，而上层TiO2自洁膜为颗粒堆积结构。从膜层表面形貌图中可以看出，TiO2由约20nm的颗粒连接而成，中间具有大量的空隙，正是由于这种结构的存在才降低了TiO2膜的折射率。图6减反加自洁双层膜SEM图2.3双层膜的透光性能

根据双层膜透过率分析结果，利用辊涂机制备的双层膜中，SiO2减反膜的厚度为100nm，TiO2自洁膜的厚度为20nm。利用奥博泰GST3光谱透射比测试设备测试镀膜玻璃的透过率，透过率曲线如图7所示，图中AR为单层减反射膜的透过率曲线，AR+SC1、AR+SC2为两片减反和自洁双层膜的透过率曲线。单层减反射膜的有效透过率为93.85%，减反和自洁双层膜的有效透过率分别为93.68%、93.67%，双层膜相对于单层减反膜的透过率衰减为0.17%，和前述的分析结果非常接近。图7单层减反膜和双层膜透过率曲线2.4膜层的光催化性能

2.4.1光催化测试方法

利用自制光催化试验装置测试减反加自洁双层膜的光催化性能，使用甲基蓝水溶液为待测有机物，浓度为10～30mg/L。紫外光光源由1支8W的365nm黑光灯和4支8W的254nmUV灯组成，灯管和样品的垂直距离为10cm。照射装置中配备通风设施。自清洁玻璃切成60mm×60mm的样品平放在直径为100mm的培养皿中，所用甲基蓝溶液的量以完全覆盖玻璃表面为准。紫外光照射2.5h后，利用日本岛津Uvmini-1240紫外可见光分光光度计测试溶液照射前后的吸光度，并计算光降解率。甲基蓝的吸光度在波长600nm附近最大，测试的吸光度都是在600nm波长的值。

2.4.2光催化性能

TiO2膜的厚度和孔隙率对光催化降解率有一定的影响，张永彬认为在一定的厚度范围内，膜厚度的增加有利于增加膜的吸光率、反应面积以及对反应物的吸附作用，因此有利于增加光催化效果；孔隙率越高，催化效果反而降低。通过调整涂膜工艺参数制备了含有不同TiO2膜层厚度的减反加自洁双层膜玻璃，以及单独涂自洁膜的玻璃，相应的光催化实验结果如表2所示。从表2中可以看出，涂有减反加自洁双层膜的光催化降解率要比单层自洁膜大，因为光伏玻璃中有钠离子存在，如果钠离子扩散到TiO2膜层将会破坏光催化性，在玻璃上先镀上SiO2减反膜层可以阻止钠离子向TiO2自洁膜层的扩散。

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结论在光