溶胶凝胶法制备光伏玻璃增透膜研究进展

光伏发电是目前应用最广的太阳能利用技术，研究开发透光率更高的光伏玻璃是提高太阳能光伏电池光电转换效率的重要手段。本文结合溶胶凝胶法制备增透膜的反应机理，对酸催化制备法、碱催化制备法、酸碱两步法、掺杂制备法和模板剂制备法5种溶胶凝胶法制备增透膜的研究进行阐述。溶胶凝胶法制备增透膜的反应机理：是利用在某些溶剂中一些易水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）或烷氧基化合物与水发生反应，通过水解和缩聚过程而形成溶胶。溶胶凝胶反应过程是一个复杂的化学反应体系。二氧化硅体系的溶胶凝胶过程属于典型的醇盐水解型溶胶凝胶过程。在溶胶凝胶反应过程中，反应物前驱体正硅酸乙酯（TEOS）在酸性或碱性催化条件下进行水解，生成大量硅羟基（Si-OH），而在硅羟基之间、硅羟基与正硅酸乙酯本体之间又发生缩聚反应形成硅溶胶。硅溶胶是具有液体特征的胶体体系，分散相的粒子是固体颗粒或大分子颗粒，粒径为1~100nm，硅溶胶中聚合物结构、水量、黏度等因素影响膜层的厚度及微结构。将这种硅溶胶涂敷在基底上形成液膜，通过后续的热处理凝胶膜可转变成无定形态或多晶态膜。（1）酸催化制备法：酸性催化的硅溶胶水解速度大于缩聚速度，形成的二氧化硅溶胶是纤维状，成膜时致密光滑、具有机械强度高、耐候性好和使用薄膜寿命长的优点。（2）碱催化制备法：用碱为催化剂制备二氧化硅溶胶，溶胶中主要以高度交联的无定型二氧化硅颗粒组成的团簇为主前躯体，缩聚速度大于水解速度。研究表明，碱性催化的条件下，溶液的pH值为8左右时，水解速率大于聚合速率，水解比较完全，形成的是大分子聚合物。这时主要由缩聚反应机理来控制凝胶的形成，溶胶颗粒趋向于球形颗粒，这样形成的是多孔颗粒状的二氧化硅团簇，从而使得碱催化制备的薄膜为颗粒堆积成的凝胶薄膜。因此碱催化法制备的二氧化硅增透膜孔隙率高，折射率低，透过率高，但膜层附着力差，耐候性不好，薄膜疏松，机械强度差，薄膜寿命短。（3）酸碱两步法：由于酸催化法或碱催化法制备的二氧化硅增透膜都有各自的优缺点，为了有效避免两种方法的缺点，许多科研工作者探索了酸碱两步法。研究发现，酸/碱两步催化二氧化硅薄膜的透光率介于酸催化和碱催化二氧化硅薄膜之间，酸/碱两步催化二氧化硅薄膜的透光率随着碱溶胶量的增加而增大，但耐磨性随碱溶胶的增加而减小，当碱胶与酸胶的体积比大于4∶1时，薄膜的透光率增加缓慢，而耐磨性却下降较快。虽然酸碱两步法制备二氧化硅增透膜工艺更复杂，但通过酸碱两步法完全可以避免酸催化法或碱催化法制备的二氧化硅增透膜各自的缺点，可以很好地调节二氧化硅增透膜的透光率和耐磨性。（4）掺杂制备法：在实际应用过程中，要求二氧化硅增透膜不仅具有良好的增透性能和机械性能，还希望其具有疏水性和能适应各种复杂的使用环境。因此，科研工作者采用添加功能团或元素来拓开二氧化硅增透膜的特性，让其具有更多实用特性和适应不同的环境要求。辛崇飞利用在酸催化条件下甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷水解得到的溶胶对碱催化二氧化硅溶胶改性处理，获得原位生成的甲基改性的二氧化硅溶胶，制备出了疏水减反射膜玻璃。为了解决碱性催化制备的二氧化硅薄膜机械强度低的问题，马建华、K.Wong、汤加苗、张晔等将三甲基氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷等有机聚合物掺入到二氧化硅溶胶中来提高薄膜的机械强度。（5）模板剂制备法：研究人员为对二氧化硅溶胶的组成、结构、形貌、尺寸、取向等进行控制，通过采用模板剂制备法将二氧化硅溶胶构筑成某种特殊结构的溶胶来提高其性能。模板剂制备二氧化硅溶胶的研究虽然开始，但由于其制备过程复杂和价格较高，目前仍未得到大规模的工业生产和应用。光伏玻璃镀膜方法有很多种，各种镀膜方法也在不断完善和发展。与各种光伏玻璃镀膜方法比较，由于设备简易和成本较低，溶胶凝胶法制备增透膜是目