空间太阳能电池保护膜的制备与研究

摘要

太阳能的研究和应用是目前乃至今后人类能源利用的主要方向之一。在开发和利用太阳能的过程中，人们研制了太阳能电池，把太阳能转换为电能或其他能量。但是，空间太阳能电池的力学强度较差，容易破损。因此，需要使用保护介质。目前，国内外空间太阳能电池的物理保护，多采用耐辐照玻璃盖片来实现。为了减轻太阳能电池的质量，降低保护介质的破损率，本论文在广泛阅读相关文献的基础上，提出了利用溶胶-凝胶技术，在空间太阳能电池片上直接制备玻璃膜来替代耐辐照玻璃盖片的技术方案。
　　 本论文开展的主要工作有:
　　 1.溶胶-凝胶工艺的优化
　　 以正硅酸乙酯为前躯体、乙醇为溶剂，通过酸催化，采用溶胶-凝胶法制备薄膜。通过正交实验确定最佳工艺方案，并讨论影响SiO2薄膜结构和性质的主要因素。研究发现:TEOS的用量对薄膜透过率的影响最大;H2O的用量对薄膜反射率的影响最大;陈化时间对薄膜折射率的影响最大;EtOH的用量对薄膜显微硬度的影响最大。并得出的最佳实验方案，反应物体积比TEOS∶H2O∶EtOH=6∶3∶20，陈化时间6小时，pH=3。
　　 2.溶胶-凝胶法制备SiO2薄膜
　　 用最佳配比制备溶胶液，采用匀胶机旋涂镀膜。通过X射线衍射谱图、DSC曲线和TEM照片分析表明，实验中制得的是无序网络结构的SiO2薄膜。TG-DTG曲线分析表明，二氧化硅凝胶的热稳定性较强。AFM观察表明，经过热处理后的薄膜表面均匀、细致，没有开裂现象。光学性能测试结果表明SiO2薄膜具有增透效果。机械性能测试结果显示镀膜后试样抗弯强度有所提高。
　　 3.溶胶-凝胶法制备Eu:SiO2薄膜
　　 在制备溶胶液时添加了EuCl3进行掺杂，掺杂量为0.25％、0.5％、0.75％和1％。DSC曲线分析表明，随着掺杂量的增加，薄膜更加容易析晶。TG-DTG曲线分析表明，最后的产物除了二氧化硅，还有晶体析出。X射线衍射谱图和TEM照片的分析支持了热分析的结论，对比标准PDF卡可知晶体分别是Eu2Si2O7和α-EuSiO3。PL光谱分析表明，高温处理过程中，部分Eu3+还原成Eu2+。AFM观察表明，经过热处理后的薄膜表面平整度有所提高。对其进行接触角测试，结果表明掺杂能提高薄膜的亲水性。机械性能测试结果说明镀膜对试样抗弯强度和表面硬度均有影响，掺杂量0.5％时有最大值，掺杂量过高产生不利影响。光学性能测试结果表明镀膜能明显提高试样的透过率，掺杂量0.5％时提高量最大。
　　 4.溶胶-凝胶法制备多层膜
　　 分析SEM照片可知，多层镀膜后薄膜与基片之间没有明显的间隙，结合紧密。用DMA测试太阳能电池抗弯强度发现，镀膜超过六层后，抗弯强度提高显著。Eu:SiO2薄膜对抗弯强度的提高量大于SiO2薄膜。镀SiO2+Eu:SiO2两层膜（第一层SiO2膜、第二层Eu:SiO2膜）的样品，抗弯强度的提高量基本等于一层SiO2薄膜和一层Eu:SiO2薄膜的效果叠加。接触角测试表明，镀SiO2+Eu:SiO2两层膜的样品亲水性介于Eu:SiO2膜和SiO2膜之间。

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摘要

第一章 文献综述

1．1 空间太阳能电池及其保护

1．1．1 太阳能电池的应用背景与发展

1．1．2 空间太阳能电池的发展

1．1．3 国内外空间太阳能电池保护的研究现状

1．2 薄膜的制备方法

1．2．1 真空蒸发沉积

1．2．2 溅射沉积

1．2．3 气相生长沉积

1．2．4 外延沉积

1．2．5 激光沉积

1．2．6 溶胶-凝胶技术

1．3 溶胶-凝胶法制备保护膜

1．3．1 溶胶-凝胶法的发展

1．3．2 溶胶-凝胶法的优点及应用现状

1．3．3 溶胶-凝胶法的分类

1．3．4 溶胶-凝胶法的一般工艺

1．3．5 溶胶-凝胶法制备薄膜的原理

1．4 薄膜性能的研究

1．4．1 热分析

1．4．2 形貌观察

1．4．3 物相分析

1．4．4 光学性能

1．4．5 机械性能

1．4．6 接触角测试

1．4．7 流变行为测试

1．5 课题研究的意义

1．5．1 减轻太阳能电池质量，降低发射成本

1．5．2 减少破损，简化装配工序，降低成本

1．5．3 增加透过率，提高电池阵的能效

第二章 溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺研究

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 主要试剂

2．2．2 主要设备

2．2．3 技术路线

2．2．4 性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 溶胶液的制备

2．3．2 基片的处理

2．3．3 镀膜工艺的研究

2．3．4 正交实验确定最佳工艺参数

2．3．5 最佳配方制得溶胶液的性能测试(FTIR、流变行为)

2．4 本章小结

第三章 溶胶-凝胶法制备SiO2薄膜及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 主要试剂

3．2．2 主要设备

3．2．3 工艺步骤

3．2．4 性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 热处理工艺的优化

3．3．2 热分析(DSC、TG)

3．3．3 物相分析(FTl R、XRD、TEM)

3．3．4 SiO2薄膜表面形貌的分析(AFM)

3．3．5 SiO2薄膜对基片光学性能的影响(UV-Vis)

3．3．6 SiO2薄膜对基片力学性能的影响(抗弯强度)

3．4 本章小结

第四章 溶胶-凝胶法制备Eu：SiO2薄膜及其性能研

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 主要试剂

4．2．2 主要设备

4．2．3 工艺步骤

4．2．4 性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 掺杂量的计算和热处理温度的确定

4．3．2 热分析(DSC、TG)

4．3．3 物相分析(FTI R、XRD、TEM)

4．3．4 荧光光谱的测试(PL)

4．3．5 Eu：SiO2薄膜表面形貌的测试(AFM)

4．3．6 掺杂量对薄膜性能的影响(HV、抗弯强度、透过率)

4．3．7 接触角测试

4．4 本章小结

第五章 溶胶-凝胶法制备多层膜及其应用研究

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 主要试剂

5．2．2 主要设备

5．2．3 技术路线

5．2．4 性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 SEM观察界面结合情况

5．3．2 显微镜观察膜层表面形貌

5．3．3 DMA测试电池抗弯强度

5．3．4 膜层接触角测试

5．4 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 对本文的总结

6．2 对未来工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢