CN110133765A - 带有耐污层的光学组件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带有耐污层的光学组件及其制备方法和应用。本发明的光学组件包含：基材；在所述基材上方的减反射层；和在所述减反射层上方的耐污层，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。本发明的光学组件具有耐污性能，并且能够长久保持耐污性能。本发明光学组件在用于光伏组件中时将长久改善光伏组件的功率输出。
Description
技术领域
本发明总体涉及带有耐污层的光学组件和使用它的光伏组件。具体地说，本发明涉及光学组件，其含有基材、减反射层和耐污层，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。本发明的耐污层具有优异的持久性。本发明还涉及所述光学组件的制备方法及其在光伏组件中的应用。
背景技术
在常规构造中，光伏组件包括光伏电池、位于光伏电池两侧上的封装剂和分别位于封装剂的相对的前侧和后侧的两个面板。这种叠层构造提供对光伏电池的机械支撑，并保护它们免于因环境因素而造成的损坏。所述两个面板通常称为前侧层和后侧层（或背板）。至少前侧层对太阳能辐射是透明的，其常用玻璃材质。常见的光伏组件用的玻璃在可见光范围内的透光率大于约92%，这意味着约8%的光因为反射而损失。因此，如果能够采取措施减少反射损失，增加透光率，必然能够在一定程度上提高光伏组件的功率输出。施加减反射层是一种常用解决方案。减反射层可以通过减少反射而将光伏组件的输出功率提高约2.5%。然而，这些减反射层的表面容易吸附水和灰尘。因此，随时间推移，减反射层的表面上积累的污物会降低涂层的减反射效果。由此导致施加减反射层的（玻璃）前侧层在使用一段时间后透光率下降，从而使光伏组件的输出功率下降。为解决这样的问题，人们已经提出在减反射层上施加一层涂层，例如低表面能涂层，以赋予耐污性能。但是，这样的低表面能涂层存在会降低减反射层的减反射效果的风险。
申请人的未决专利申请CN103048706A公开了一种同时具备减反射和耐污性能的光学组件，其中在基材上沉积由多个大颗粒构成的颗粒阵列以及部分填充该多个大颗粒之间的空隙的纳米颗粒。由于大颗粒与纳米颗粒的粒径差形成“异构”颗粒结构，从而赋予耐污性能并避免可能的减反射劣化问题。在此将所述专利申请全文引入作为参考。
在此基础上，如果能够使光学组件的耐污性能能够持久保持，显然是有利的。这样的光学组件在用于光伏组件时可以避免因耐污层失效而对光伏组件功率输出稳定性的影响。
因此，本发明意在提供一种光学组件，其通过在基材上施加减反射层和耐污层，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面，从而为光学组件提供持久的耐污性，进而满足了上述需求。本发明还提供制备所述光学组件的方法以及其在光伏组件中的应用。
发明内容
本发明的一个实施方案是一种光学组件，其包含：
基材；
在所述基材上方的减反射层；和
在所述减反射层上方的耐污层，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。
本发明的另一个实施方案是一种制备上述光学组件的方法，其包括以下步骤：
将减反射层施加在基材上；和
将耐污层施加在所述减反射层上，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。
本发明的又一个实施方案是一种光伏组件，其包含上述光学组件。
本发明的发明人发现，本发明的光学组件具有耐污性能，并且能够长久保持耐污性能。本发明光学组件在用于光伏组件中时将长久改善光伏组件的功率输出。
附图说明
附图用以辅助对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于说明本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的一个实施方案的光学组件的示意性侧视图；
图2为耐污性测试数据；
图3为耐污持久性测试中获得的照片；
图4为耐污性实地测试数据。
应理解，附图并非是按照比例绘制的。
具体实施方式
本文所用术语“上方”指的是“直接上方”和“间接上方”，即中间任选存在其他物体。
本文所用术语“至少一部分无机氧化物颗粒”指的是无机氧化物颗粒中的例如30-100重量%，40-100重量%，50-100重量%，60-100重量%，70-100重量%，80-100重量%，90-100重量%或100重量%。
本文所用术语“至少一部分体积”指的是占无机氧化物颗粒总体积的例如10-60体积%，10-50体积%，10-40体积%、10-30体积%，10-20体积%，20-60体积%，20-50体积%，20-40体积%、20-30体积%，30-60体积%，30-50体积%，30-40体积%、40-60体积%，40-50体积%或50-60体积%。
根据本发明的一个方面，涉及一种光学组件，其包含：
基材；
在所述基材上方的减反射层；和
在所述减反射层上方的耐污层，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。
根据本公开内容的光学组件的一种实施方案如图1所示。在图1中，光学组件100包括基材101；在所述基材上方的减反射层104；和在所述减反射层104上方的耐污层107，其中所述耐污层107含有无机氧化物颗粒106和无机氧化物基质105，至少一部分无机氧化物颗粒106的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质105的表面。减反射层104包括多孔层103和位于所述基材101和多孔层103之间的在下层102。
基材101可以为光伏组件的前侧层和后侧层。在用作光伏组件的前侧层时，优选基材101为透明或半透明的。在一个改进中，优选基材101选自玻璃、聚合物和半导体，更优选为玻璃。
减反射层104可以根据本领域中的常规技术制备。例如，在一个方案中，减反射层104包括多孔层103。在另一个方案中，减反射层104包括多孔层103和位于所述基材101和多孔层103之间的在下层102。在下层102是非多孔的。在一个改进中，在下层102的固含量为约2-5重量%，厚度为约20-110nm。多孔层103的固含量为约2-10重量%，孔隙度为约40-70体积%，厚度为约100-500nm，优选约100-400nm，更优选约100-250nm。
耐污层107含有无机氧化物颗粒106。在一个改进中，耐污层107含有约0.1-10重量%，优选约0.5-8重量%，更优选约1-5重量%的无机氧化物颗粒，基于耐污层107的总量计。无机氧化物颗粒的粒径为约50-300nm，优选约80-250nm，更优选约100-200nm。无机氧化物颗粒选自二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化锆及其组合。无机氧化物颗粒具有规则或不规则形状。例如，无机氧化物颗粒可以是球体、椭球体、正十二面体、三十面体、不规则多面体或其他任何适合的形状。
耐污层107含有无机氧化物基质105。无机氧化物基质105包含二氧化硅凝胶。在一个改进中，通过原硅酸四乙酯（TEOS）与盐酸反应原位形成二氧化硅凝胶。通过调整耐污层107中无机氧化物颗粒106与无机氧化物基质105的量，从而使得至少一部分无机氧化物颗粒106的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质105的表面。在一个改进中，相对于所述无机氧化物颗粒106的总量，无机氧化物基质的量为约1-5重量%，优选约2-4重量%。
根据本发明的一个方面，涉及一种制备上述光学组件的方法，其包括以下步骤：
将减反射层施加在基材上；和
将耐污层施加在所述减反射层上，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。
施加减反射层的步骤包括：任选施加在下层和施加多孔层。在一些实施方案中，如下施加在下层：混合原硅酸四乙酯（TEOS）与盐酸形成二氧化硅凝胶溶液，将二氧化硅凝胶溶液施加在基材上，并且干燥。在一些实施方案中，如下施加多孔层：混合TEOS与盐酸形成二氧化硅凝胶溶液，向二氧化硅凝胶溶液中加入聚合物珠和粒径为约50-300nm，优选约80-250nm，更优选约100-200nm的二氧化硅颗粒，将得到的悬浮液施加在基材或如果存在在下层则施加在在下层上。
在一个变型中，如下施加在下层：混合重量比为约1：0.1-10，优选约1:0.5-5，更优选约1:1-2，例如约1:1.5的TEOS和盐酸水溶液形成二氧化硅凝胶溶液，其中盐酸的pH为2。将二氧化硅凝胶溶液施加在基材上。可以通过刮涂、幕涂、旋涂、辊涂等方式进行。优选通过旋涂进行，其中旋涂速度为约500-2000rpm。在约50-150℃，优选约100℃下干燥约1-20分钟，优选约5-10分钟，形成所述在下层。
在一个变型中，如下施加多孔层：混合重量比为约1：0.1-10，优选约1:0.5-5，更优选1:1-2，例如约1:1.5的TEOS和盐酸水溶液形成二氧化硅凝胶溶液，其中盐酸的pH为2。向二氧化硅凝胶溶液中加入约1-10重量%，优选2-5重量%的聚合物珠，其为粒径为约20-100nm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。再向二氧化硅凝胶溶液中加入二氧化硅颗粒，其中二氧化硅颗粒的加入量为约0.1-5重量%并且粒径为约50-300nm，优选约80-250nm，更优选约100-200nm。将得到的悬浮液施加在基材上或如果存在在下层则施加在在下层上。可以通过刮涂、幕涂、旋涂、辊涂等方式进行。优选通过旋涂进行，其中旋涂速度为500-2000rpm。然后进行回火处理。在一个实施方案中，回火处理包括加热到600-750℃并保持约120-180秒，然后骤冷到室温。回火处理将多孔层中的聚合物珠烧掉，留下的空隙形成多孔层的孔。
施加耐污层的步骤包括：混合原硅酸四乙酯（TEOS）与盐酸形成二氧化硅凝胶溶液，混合二氧化硅凝胶溶液和无机氧化物颗粒，将得到的悬浮液施加在减反射层上，并且干燥。在一个变型中，如下施加耐污层：混合重量比为约1：0.1-10，优选约1:0.5-5，更优选约1:1-2，例如约1:1.5的TEOS和盐酸水溶液形成二氧化硅凝胶溶液，其中盐酸的pH为2。混合二氧化硅颗粒与去离子水得到二氧化硅颗粒悬浮液，其中二氧化硅颗粒的量为约0.1-10重量%，优选约0.5-8重量%，更优选约1-5重量%，并且粒径为约50-300nm，优选约80-250nm，更优选约100-200nm。混合二氧化硅凝胶溶液与二氧化硅颗粒悬浮液，其中二氧化硅凝胶溶液的用量使得相对于二氧化硅颗粒的总量，二氧化硅凝胶的量为约1-5重量%，优选约2-4重量%。将所得混合悬浮液施加在减反射层上。可以通过刮涂、幕涂、旋涂、辊涂等方式进行。优选通过旋涂进行，其中旋涂速度为约500-2000rpm，涂层厚度约为二氧化硅颗粒的单层厚度。在约50-150℃，优选约100℃下干燥约1-20分钟，优选约5-10分钟，形成耐污层。
出人意料地发现，本发明的光学组件具有耐污性能，并且能够长久保持耐污性能。本发明光学组件在用于光伏组件中时长久改善光伏组件的功率输出。
实施例
通过以下实施例使明本发明的特点和优点显而易见。实施例旨在描述而非以任何方式限制本发明。
试剂列表：
TEOS： 原硅酸四乙酯，商购试剂
盐酸：商购试剂，浓度为36重量%
PMMA珠：商购聚甲基丙烯酸甲酯珠粒，粒径为50nm
二氧化硅颗粒：商购，粒径为100nm。
实施例1：
涂覆减反射层
以1:1.5的重量比混合TEOS和pH为2的盐酸水溶液制备二氧化硅凝胶溶液500g。进一步加入pH为2的盐酸水溶液稀释到2000g。将所得溶液用旋涂机以1000rpm的速度沉积在玻璃基材上。在100℃下干燥涂层10分钟，形成在下层，涂层厚度为50nm。
以1:1.5的重量比混合TEOS和pH为2的盐酸水溶液制备二氧化硅凝胶溶液500g。进一步加入pH为2的盐酸水溶液稀释到1850g。向溶液中加入100g粒径为50nm的PMMA珠，再加入50g粒径为100nm的二氧化硅颗粒。将所得悬浮液用旋涂机以1000rpm的速度沉积在在下层上。将涂覆的玻璃基材加热到700℃并保持120秒，然后骤冷降温到室温，形成多孔层，涂层厚度为120nm。
涂覆耐污层
以1:1.5的重量比混合TEOS和pH为2的盐酸水溶液制备二氧化硅凝胶溶液100g。将100g粒径为100nm的二氧化硅颗粒与1900g去离子水混合。向所得悬浮液中加入17g在前制备的二氧化硅凝胶溶液，将所得混合悬浮液用旋涂机以1000rpm的速度沉积在减反射层上，涂层厚度为100nm。在100℃下干燥涂层10分钟，形成耐污层。
对比实施例1
重复制备实施例1，不同之处在于涂覆耐污层时不加入二氧化硅凝胶溶液。
性能测试
将未进行任何处理的玻璃基材作为参照，对实施例1和对比实施例1制备的光学组件分别作为本发明光学组件和对比光学组件，进行耐污性和耐污持久性测试。
耐污性测试如下进行：将砂料（无特定要求）分散在待测试的光学组件上，震动1分钟，使砂料分散在测试样品上。用分光光度计Lambda 950获取其上分散有砂料的样品的透光率，计算该透光率与测试前的该样品的初始透光率之间的差（透光率下降），用以表征耐污性能。
耐污性测试结果显示在图2中。图2显示，作为参照的玻璃基材上污物（砂料）沉积严重，导致的透光率下降为1.4%；对比光学组件的污物沉积有所缓解，相应的透光率下降为1.2%；本发明光学组件进一步减少了污物沉积，相应的透光率下降为1.1%。上述结果显示，本发明光学组件提供了优于对比光学组件的耐污性能。
耐污持久性测试如下：在耐污性测试中，将砂料（无特定要求）分散在待测试的光学组件上，震动砂料10分钟以对样品实施刮擦作用。获取测试前后的样品的涂层表面的扫描电子显微镜照片。通过对比测试前后的扫描电子显微镜照片，确定样品的涂层表面结构完整性的保留程度，从而表征耐污性能的持久性。
耐污持久性测试结果显示在图3中。图3显示，在测试后，对比光学组件上的二氧化硅颗粒几乎完全脱落，从而意味着耐污性受到严重损害。与此不同的是，本发明光学组件上的二氧化硅颗粒大量保留，从而意味着本发明光学组件具有持久的耐污性。
耐污性的实地测试：在2017年9月8日至9月18日期间，将待测试的光学组件放置于位于上海的实验室的室外屋顶上。每日12：00现场测试其透光率，记录其与初始透光率的差，记为透光率下降，以此作图。
耐污性的实地测试结果显示在图4中。图4显示，在实地测试过程中经历4天雨天（9月9-11日和9月14日）。因为污物沉积，被测试的光学组件发生透光率下降。连续降雨后，透光率下降有所缓解，可能是雨水冲刷走污物所致。对于作为参照的玻璃基材，最终的透光率下降为1.7%；对于对比光学组件，最终的透光率下降为0.9%；对于本发明光学组件，最终的透光率下降为0.7%。这样的结果显示，本发明光学组件提供了优于对比光学组件的耐污性能。图4还显示，在测试前期，本发明光学组件的耐污性能等同于对比光学组件，而进入测试中期后，本发明光学组件的耐污性能开始优于对比光学组件，且随时间推移，这种优越性进一步增加。耐污性的实地测试结果进一步显示，本发明光学组件具有优异的耐污性和优异的耐污持久性。
本领域技术人员可以理解，可以对上述实施方案进行改变而不偏离其发明构思。因此，应理解的是，本发明不限于公开的特定实施方案，而是要覆盖所附权利要求确定的本发明精神和范围内的修改。
附图标记列表：
100 光学组件
101 基材
102 在下层
103 多孔层
104 减反射层
105 无机氧化物基质
106 无机氧化物颗粒
107 耐污层
Claims (16)
1.一种光学组件，其包含：
基材；
在所述基材上方的减反射层；和
在所述减反射层上方的耐污层，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。
2.如权利要求1所述的光学组件，其中所述基材选自玻璃、聚合物和半导体。
3.如权利要求1所述的光学组件，其中所述基材为透明或半透明的。
4.如权利要求1所述的光学组件，其中所述无机氧化物颗粒的粒径为50-300nm，优选80-250nm，更优选100-200nm。
5.如权利要求1所述的光学组件，其中所述无机氧化物颗粒选自二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化锆及其组合。
6.如权利要求1所述的光学组件，其中所述无机氧化物基质包含二氧化硅凝胶，优选通过原硅酸四乙酯与盐酸反应原位形成的二氧化硅凝胶。
7.如权利要求1所述的光学组件，其中基于所述耐污层的总量，所述耐污层含有0.1-10重量%，优选0.5-8重量%，更优选1-5重量%的所述无机氧化物颗粒。
8.如权利要求1所述的光学组件，其中基于所述无机氧化物颗粒的总量，所述无机氧化物基质的量为1-5重量%，优选2-4重量%。
9.如权利要求1所述的光学组件，其中减反射层包括多孔层，并任选包括位于所述基材和多孔层之间的在下层。
10. 一种制备如权利要求1所述的光学组件的方法，其包括以下步骤：
将减反射层施加在基材上；和
将耐污层施加在所述减反射层上，其中所述耐污层含有无机氧化物颗粒和无机氧化物基质，至少一部分无机氧化物颗粒的至少一部分体积延伸突出于无机氧化物基质表面。
11.如权利要求10所述的方法，其中施加减反射层的步骤包括：任选施加在下层和施加多孔层。
12.如权利要求11所述的方法，其中施加在下层包括步骤：
混合原硅酸四乙酯与盐酸形成二氧化硅凝胶溶液，
将二氧化硅凝胶溶液施加在基材上，和
干燥。
13.如权利要求11所述的方法，其中施加多孔层包括步骤：
混合原硅酸四乙酯与盐酸形成二氧化硅凝胶溶液，
向二氧化硅凝胶溶液中加入聚合物珠和粒径为50-300nm，优选80-250nm，更优选100-200nm的二氧化硅颗粒，和
将得到的悬浮液涂覆在基材或如果存在在下层则涂覆在在下层上。
14.如权利要求11所述的方法，其中施加耐污层的步骤包括：
混合原硅酸四乙酯与盐酸形成二氧化硅凝胶溶液，
混合二氧化硅凝胶溶液和无机氧化物颗粒，
将得到的悬浮液施加在减反射层上，和
干燥。
15.如权利要求11所述的方法，其中施加耐污层的步骤包括：
混合重量比为1：0.1-10，优选1:0.5-5，更优选1:1-2，例如1:1.5的原硅酸四乙酯和盐酸水溶液形成二氧化硅凝胶溶液，其中盐酸的pH为2；
混合二氧化硅颗粒与去离子水得到二氧化硅颗粒悬浮液，其中二氧化硅颗粒的量为0.1-10重量%，优选0.5-8重量%，更优选1-5重量%，并且粒径为50-300nm，优选80-250nm，更优选100-200nm；
混合二氧化硅凝胶溶液与二氧化硅颗粒悬浮液，其中二氧化硅凝胶溶液的用量使得相对于二氧化硅颗粒的总量，二氧化硅凝胶的量为1-5重量%，优选2-4重量%；
将所得混合悬浮液旋涂施加在多孔层上，其中旋涂速度为500-2000rpm，涂层厚度为二氧化硅颗粒的单层厚度；和
在50-150℃，优选100℃下干燥1-20分钟，优选5-10分钟。
16.一种光伏组件，其包含如权利要求1所述的光学组件，其中基材为玻璃。
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2018
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