一种光伏组件玻璃用增透液及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于纳米材料合成技术领域，特别是涉及一种光伏组件玻璃用增透液及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着传统化石能源逐渐消耗殆尽，太阳能被认为是最有希望取代传统化石能源的清洁能源之一。光伏太阳电池(简称光伏电池)既可以转换太阳的直接辐射能，也能以相同的转换效率利用太阳光的漫射能，它可以用在任何有阳光的地方，不受地域限制，近年来在商业化以及学术研究上均得到了广泛关注和快速发展。
3.太阳光电磁辐射能量在进入发电系统成为可利用的能量前会经过许多中间表面，在界面处发生透过或者反射。对于光伏太阳电池组件(简称光伏组件)，光从空气入射至光伏组件时，遇到的第一个表面为光伏封装玻璃、封装聚合物薄膜或者是聚光光伏电池中的聚光透镜。通过在这些中间表面制备减反射膜可以有效地降低表面反射，从而使得更多的光透射进入太阳能发电系统，因此减反射膜在提高太阳能发电系统的发电效率上发挥重要作用。然而由于光伏电池的使用环境复杂而又恶劣，对于地面光伏电站，作为光伏组件最外层的减反射膜往往需要经受雨、雪、日晒、环境污染物以及干旱沙漠地区的沙尘等恶劣的环境条件，因此复杂恶劣的户外环境对减反射膜在光伏电池中的应用提出了严峻的考验。单一的减反功能已经无法满足光伏电池在户外的长期使用要求，针对不同的使用环境对减反射膜进行诸如防潮、自清洁、防雾、防结冰以及防尘抗污等多功能改性，成为目前减反射膜研究领域的一大热点。
4.太阳能电池板主要依靠太阳光的照射将光能转化为电能，因此太阳能电池板表面的清洁无遮挡至关重要，但是现有的太阳能电池板，如申请号：cn202011538579.9公开的一种修复光伏组件玻璃用减反增透液及其制备方法，其自清洁性能较差，使用一段时间后，表面容易附着灰尘和鸟粪等，经常需要进行人工清洁，而过于频繁的人工清洁不仅增加了维护成本，还容易刮花太阳能电池板的表面，导致其透光率降低，而且，人工清洁后，灰尘也会立即附着，进而影响其发电效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，提供一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，以制备出一种能常温自干、附着性好、长效自清洁性能好且透光率高的光伏组件玻璃用增透液。
6.本发明的目的之二在于克服现有技术的不足，提供一种光伏组件玻璃用增透液，其是一种功能化有机配体修饰的高透光无机纳米二氧化硅溶胶，该有机配使其具有优异的超亲水或超疏水性能，进而使该增透液兼具优异的长效自清洁性能和高透光率。
7.本发明的目的之三在于克服现有技术的不足，提供一种光伏组件玻璃用增透液在光伏组件玻璃表面的应用。
8.基于此，本发明公开了一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，包含如下步骤：
9.步骤一，将酸液加入低级醇中，调节溶液ph至1
‑
2，在搅拌下缓慢滴加有机硅氧烷，恒温反应后，静置，使溶液的ph为2
‑
4，得到纳米级的酸性二氧化硅溶胶；
10.步骤二，取定量步骤一的二氧化硅溶胶，再加入水、水溶性有机溶剂和加硬剂，将溶液的ph调至9
‑
10后，加入亲水表面活性剂或疏水表面活性剂，以对二氧化硅溶胶的表面进行亲水或疏水改性，搅拌均匀，再放置一段时间，得到改性后的混合液；
11.步骤三，将步骤二中改性后的混合液的ph调至3
‑
4，即得光伏组件玻璃用增透液。
12.优选地，步骤一中，所述有机硅氧烷缓慢滴加的速度为10
‑
20滴每秒；
13.所述恒温反应的时间为1.5
‑
3h、优选为2h，所述恒温反应的温度为28
‑
35℃、优选为30℃；
14.所述静置的时间为1
‑
7天、优选为两天。
15.优选地，步骤一中，所述二氧化硅溶胶的粒径为5
‑
30nm、优选为15
‑
20nm，该纳米二氧化硅溶胶的粒径通过反应过程中加入的水的量进行调节；
16.所述酸液为醋酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液或硫酸溶液；
17.所述低级醇为甲醇、乙醇、丁醇、正丙醇或异丙醇；
18.所述有机硅氧烷为正硅酸四乙酯或正硅酸四丁酯。
19.优选地，步骤二中，所述疏水表面活性剂为甲基三(三甲基硅氧烷基)硅烷、二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷中的一种或多种；
20.或者，所述亲水表面活性剂为三乙氧基硅烷和三甲氧基硅烷中的一种或多种。
21.选用的亲水表面活性剂优选为具有基团si
‑
h的硅烷偶联剂(如三乙氧基硅烷、三甲氧基硅烷)，这样，在碱性条件下，该硅烷偶联剂的基团si
‑
h变成基团si
‑
oh，以便达到亲水的目的。
22.而且，亲水表面活性剂或疏水表面活性剂选择为硅烷偶联剂，一方面，可以在碱性条件下直接键合在二氧化硅溶胶的表面产生亲水或疏水性，进而提高膜层的自清洁性能；另一方面，在碱性条件下，该亲水表面活性剂或疏水表面活性剂又能自身水解产生更小粒径的二氧化硅和亲水基团si
‑
oh(或疏水基团如si
‑
ch3)，进而能填补较大粒径的二氧化硅溶胶之间的空隙，进一步提高膜层均匀性，进而提高膜层的透光、附着和自清洁等综合性能。
23.进一步优选地，所述疏水表面活性剂是甲基三(三甲基硅氧烷基)硅烷和甲基三乙氧基硅烷的混合液，其混合的质量比优选为10％
‑
70％；或者，所述疏水表面活性剂是二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷的混合液，其混合的质量比优选为10％
‑
70％。
24.选用的疏水表面活性剂优选为两种硅烷偶联剂形成的混合液。而且，发明人发现，若两种硅烷偶联剂均为一个硅原子上具有一个甲基(即
‑
si
‑
ch3)的硅烷偶联剂，则不足以使二氧化硅溶胶及增透液达到好的疏水性能；若两种硅烷偶联剂均为一个硅原子上具有双甲基(即
‑
si
‑
(ch3)2)的硅烷偶联剂或一个硅原子上具有多甲基(si
‑
(ch3)3)的硅烷偶联剂硅烷)，虽然会使体系中的二氧化硅变得非常疏水，但也会使得二氧化硅与玻璃的表面能不匹配，从而使增透液在玻璃表面的成膜变差。基于此，选择的这两种硅烷偶联剂中，优选为：其中一种硅烷偶联剂具有基团
‑
si
‑
ch3(即甲基三乙氧基硅烷)，且另一种硅烷偶联剂具有基团
‑
si
‑
(ch3)2(即二甲基硅氧烷)；或者这两种硅烷偶联剂中，优选为：其中一种硅烷偶联
剂具有基团
‑
si
‑
ch3(即甲基三乙氧基硅烷)，且另一种硅烷偶联剂具有基团si
‑
(ch3)3(即甲基三(三甲基硅氧烷基)；以确保疏水改性的增透液既具有好的疏水性和自清洁性能，又能在光伏玻璃表面形成致密的膜层。
25.进一步优选地，所述亲水表面活性剂是三乙氧基硅烷和三甲氧基硅烷的混合液。该亲水表面活性剂优选为采用两种具有基团si
‑
h的硅烷偶联剂混合(即三乙氧基硅烷和三甲氧基硅烷的混合液，其混合质量比优选为20
‑
80％)，以达到更好的亲水性能，进而提升其自清洁性能。
26.优选地，步骤二中，所述水溶性有机溶剂为异丙醇、乙醇、正丙醇、甲醇和丙二醇甲醚中的至少两种；
27.所述加硬剂为乙基聚硅酸脂或甲基三乙氧基硅烷。
28.进一步优选地，步骤二中，各组分的体积份数如下：
29.所述二氧化硅溶胶为5
‑
10份、水为10
‑
20份、异丙醇为4
‑
6份、乙醇为7
‑
17份、正丙醇为5
‑
12份、甲醇为30
‑
50份、丙二醇甲醚为5
‑
12份和加硬剂为0.1
‑
0.5份；所述亲水表面活性剂或疏水表面活性剂占溶液总量的0.05
‑
0.5％。
30.优选地，步骤二中，所述放置的时间为10
‑
15h，采用氨水的甲醇溶液调节溶液的ph至9
‑
10；
31.步骤三中，采用硝酸的甲醇溶液调节混合液的ph至3
‑
4。
32.本发明还公开了一种光伏组件玻璃用增透液，其采用上述的一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法制备而成。
33.本发明还公开了一种光伏组件玻璃用增透液的应用，将上述的一种光伏组件玻璃用增透液涂覆至光伏组件玻璃表面，常温固化后形成500nm以下的膜层。
34.该增透液采用喷涂、滚涂或抹涂的施工方式涂在光伏组件玻璃表面后，能通过常温自干的形式固化形成膜层，且该膜层是厚度为500nm以下的超薄膜层，因此，能够修复光伏组件玻璃表面已被破坏的镀膜，固化后的超薄膜层不仅在波长范围400
‑
1100nm具有透过率高，其膜层表面具有较小的水接触角或者更大的水接触角，并能抑制玻璃基材表面产生静电，使污渍不易附着于玻璃基材，从而使得光伏组件表面具有自清洁和防污性能，进而能长期确保光伏组件表面的高透光率，提高光伏组件的发电量。
35.与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
36.该制备方法是先在酸性(即ph＝1
‑
2)条件下合成且的纳米级的酸性(即ph＝2
‑
4)二氧化硅溶胶，相比碱性的二氧化硅，该酸性的二氧化硅溶胶结构致密，能增加其与玻璃的附着性能，该纳米级的二氧化硅溶胶折射率低，能使增透液固化后形成高透光的膜层，且该纳米级的二氧化硅溶胶的粒径大小均匀，能使膜层平整致密，进而能提升该膜层的透光、附着和自清洁等综合性能；再将二氧化硅溶胶与水、水溶性有机溶剂和加硬剂混合，使二氧化硅溶胶表面形成更多氢键，这样，能使固化后的膜层更加致密；再将该混合液调至碱性(即ph＝9
‑
10)，这样，在碱性条件下，亲水表面活性剂或疏水表面活性剂能够充分发挥其对二氧化硅溶胶表面的亲水或疏水改性作用，提高其自清洁性能；最后再调节至酸性(即ph＝3
‑
4)，以得到酸性的增透液，能增强其在玻璃表面的成膜致密性和附着性能。
37.综上，本发明采用上述制备方法所制得的增透液能通过常温自干形成平整致密的膜层，该膜层与光伏玻璃表面附着性能好，该膜层不仅光透过率高，还具有优异的自清洁性
能，从而能达到长效防污的性能，进而能长期保持好的减反增透效果，提高光伏组件的发电量，并能大大降低光伏组件的清洁维护成本。
38.所得光伏组件玻璃用增透液的膜层能在波长范围400
‑
1100nm内将玻璃的光透过率提高2％以上，且该膜层能长时间保持光伏组件的耐脏污性能，相比未镀膜的光伏组件，采用该增透液在光伏组件玻璃表面形成膜层后，镀膜的光伏组件的发电量增益2.27％以上。
附图说明
39.图1是实施例2合成的纳米级的酸性二氧化硅溶胶的tem图。
40.图2是涂覆减反增透液后玻璃表面的结构示意图。
41.图3是实施例1
‑
2和对比例1的增透液喷涂在光伏组件玻璃表面前后玻璃的光透过率数据图。
42.图4是实施例1
‑
2和对比例1的增透液在光伏组件玻璃表面形成膜层后的水接触角数据图。
具体实施方式
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.实施例1
45.本实施例的一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，包括如下步骤：
46.步骤一，向反应器中加入320g无水乙醇，向异丙醇中缓慢滴加入4.8ml盐酸溶液，加入20ml超纯水，搅拌均匀，得到ph为1
‑
2的溶液，控制溶液温度为30℃，在搅拌下使用滴液漏斗缓慢滴加90ml正硅酸四乙酯，滴加的速度控制在10
‑
20滴每秒，滴加完毕后，在搅拌下恒温反应2h，敞口静置2天，使溶液的ph为2
‑
4，得到纳米级的酸性二氧化硅溶胶。
47.步骤二，之后取10ml二氧化硅溶胶，加入15ml水、6ml异丙醇、17ml无水乙醇、12ml正丙醇、30ml甲醇、10ml丙二醇甲醚和0.5ml乙基聚硅酸脂，将ph调节至9，之后加入占溶液总量0.5％的三乙氧基硅烷和三甲氧基硅烷的混合液(质量比为1：1)作为亲水表面活性剂，搅拌均匀，放置12h，得到混合液。
48.步骤三，将混合液的ph调节至4，即得本实施例的光伏组件玻璃用增透液。
49.实施例2
50.本实施例的一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，包括如下步骤：
51.步骤一，向反应器中加入480g正丙醇，向异丙醇中缓慢滴加入5.2ml硝酸溶液，加入25ml超纯水，搅拌均匀，得到ph为1
‑
2的溶液，控制溶液温度为30℃，在搅拌下使用滴液漏斗缓慢滴加90ml正硅酸四乙酯，滴加的速度控制在10
‑
20滴每秒，滴加完毕后，在搅拌下恒温反应2h，敞口静置2天，使溶液的ph为2
‑
4，得到纳米级的酸性二氧化硅溶胶。
52.步骤二，之后取8ml二氧化硅溶胶，加入10ml水、6ml异丙醇、10ml无水乙醇、12ml正丙醇、50ml甲醇、10ml丙二醇甲醚和0.5ml乙基聚硅酸脂，将ph调节至10，之后加入占溶液总量0.3％的甲基三(三甲基硅氧烷基)硅烷和甲基三乙氧基硅烷的混合液(质量比为3:2)作为疏水表面活性剂，搅拌均匀，放置12h，得到混合液。
53.步骤三，将混合液的ph调节至3，即得本实施例的光伏组件玻璃用增透液。
54.实施例3
55.本实施例的一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，包括如下步骤：
56.步骤一，向反应器中加入320g甲醇，向异丙醇中缓慢滴加入4.8ml醋酸溶液，加入20ml超纯水，搅拌均匀，得到ph为1
‑
2的溶液，控制溶液温度为35℃，在搅拌下使用滴液漏斗缓慢滴加90ml正硅酸四乙酯，滴加的速度控制在10
‑
20滴每秒，滴加完毕后，在搅拌下恒温反应1.5h，敞口静置4天，使溶液的ph为2
‑
4，得到纳米级的酸性二氧化硅溶胶。
57.步骤二，之后取10ml二氧化硅溶胶，加入15ml水、6ml异丙醇、15ml无水乙醇、8ml正丙醇、35ml甲醇、12ml丙二醇甲醚和0.5ml乙基聚硅酸脂，将ph调节至9，之后加入占溶液总量0.5％的三乙氧基硅烷和三甲氧基硅烷的混合液(质量比为2：1)作为亲水表面活性剂，搅拌均匀，放置12h，得到混合液。
58.步骤三，将混合液的ph调节至4，即得本实施例的光伏组件玻璃用增透液。
59.实施例4
60.本实施例的一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，包括如下步骤：
61.步骤一，向反应器中加入480g无水丁醇，向异丙醇中缓慢滴加入5.5ml硫酸溶液，加入15ml超纯水，搅拌均匀，得到ph为1
‑
2的溶液，控制溶液温度为28℃，在搅拌下使用滴液漏斗缓慢滴加82ml正硅酸四乙酯，滴加的速度控制在10
‑
20滴每秒，滴加完毕后，在搅拌下恒温反应3h，敞口静置7天，使溶液的ph为2
‑
4，得到纳米级的酸性二氧化硅溶胶。
62.步骤二，之后取10ml二氧化硅溶胶，加入15ml水、6ml异丙醇、17ml无水乙醇、10ml正丙醇、30ml甲醇、10ml丙二醇甲醚和0.5ml甲基三乙氧基硅烷，将ph调节至10，之后加入占溶液总量0.5％的二甲基硅氧烷或甲基三乙氧基硅烷的混合液(质量比为1：1)作为疏水表面活性剂，搅拌均匀，放置10h，得到混合液。
63.步骤三，将混合液的ph调节至4，即得本实施例的光伏组件玻璃用增透液。
64.实施例5
65.本实施例的一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，包括如下步骤：
66.步骤一，向反应器中加入320g无水乙醇，向异丙醇中缓慢滴加入4.8ml醋酸溶液，加入20ml超纯水，搅拌均匀，得到ph为1
‑
2的溶液，控制溶液温度为30℃，在搅拌下使用滴液漏斗缓慢滴加90ml正硅酸四丁酯，滴加的速度控制在10
‑
20滴每秒，滴加完毕后，在搅拌下恒温反应2h，敞口静置1天，使溶液的ph为2
‑
4，得到纳米级的酸性二氧化硅溶胶。
67.步骤二，之后取5ml二氧化硅溶胶，加入10ml水、4ml异丙醇、7ml无水乙醇、5ml正丙醇、30ml甲醇、5ml丙二醇甲醚和0.1ml乙基聚硅酸脂，将ph调节至9，之后加入占溶液总量0.05％的三乙氧基硅烷和三甲氧基硅烷的混合液(质量比为1：1)作为亲水表面活性剂，搅拌均匀，放置15h，得到混合液。
68.步骤三，将混合液的ph调节至4，即得本实施例的光伏组件玻璃用增透液。
69.实施例6
70.本实施例的一种光伏组件玻璃用增透液的制备方法，包括如下步骤：
71.步骤一，向反应器中加入480g无水乙醇，向异丙醇中缓慢滴加入5.5ml盐酸溶液，加入15ml超纯水，搅拌均匀，得到ph为1
‑
2的溶液，控制溶液温度为32℃，在搅拌下使用滴液漏斗缓慢滴加82ml正硅酸四乙酯，滴加的速度控制在10
‑
20滴每秒，滴加完毕后，在搅拌下
恒温反应2h，敞口静置2天，使溶液的ph为2
‑
4，得到纳米级的酸性二氧化硅溶胶。
72.步骤二，之后取7ml二氧化硅溶胶，加入15ml水、5ml异丙醇、15ml无水乙醇、12ml正丙醇、40ml甲醇、10ml丙二醇甲醚和0.35ml甲基三乙氧基硅烷，将ph调节至10，之后加入占溶液0.2％的甲基三(三甲基硅氧烷基)硅烷和甲基三乙氧基硅烷的混合液(质量比为2：3)作为疏水表面活性剂，搅拌均匀，放置13h，得到混合液。
73.步骤三，将混合液的ph调节至3，即得本实施例的光伏组件玻璃用增透液。
74.对比例1
75.本对比例的一种增透液的制备方法与实施例1基本相同，其区别仅在于：在本对比例的增透液的制备方法中，步骤二的溶液中未加入表面活性剂三乙氧基硅烷，即得本对比例的增透液。
76.性能测试
77.1、对实施例2合成的纳米级的酸性二氧化硅溶胶进行tem测试，其测试结果参见图1。
78.从图1可知，该二氧化硅溶胶的粒径为15
‑
20nm；参见图2，本发明使用粒径均匀的酸性二氧化硅溶胶，能使固化后的膜层更加均匀致密，进而进一步提高膜层的透光、附着和自清洁性能。
79.2、将实施例1
‑
2增透液分别喷涂在光伏组件玻璃的表面，常温自干形成厚度在500nm以下的膜层，参见图2，测试膜层的透光率和水接触角，其测试结果参见表1及图3
‑
4。
80.参见表1和图3可知，本实施例1
‑
2的增透液在波长范围400
‑
1100nm内的光透过率相比玻璃空白组提升了至少2％以上。
81.参见表1和图4，实施例1和2的增透液的膜层的水接触角分别为5
°
和123
°
，对比例1的水接触角为34
°
；可见，实施例1具有较小的水接触角，具有超亲水能力，实施例2具有超疏水能力，这两种膜层均能使得脏污不易附着于玻璃基材表面，能使膜层具有优异的长效自清洁防污功能。
82.表1实施例1
‑
6及对比例1的增透液膜层的透光率和水接触角数据
[0083][0084]
其中，表1中室温是指25℃。
[0085]
3、将实施例1和2的增透液分别喷涂在光伏组件玻璃的表面，常温自干形成厚度在500nm以下的膜层，参见表2，再收集光伏组件的发电量数据。
[0086]
表2光伏组件的发电量数据
[0087]
[0088][0089]
表2是收集的12月10日至12月20日4组光伏组件的逆变器的发电量数据。12月21日，分别对4组光伏组件进行清洗或喷涂膜层，其中6
‑
5光伏组件不做任何处理，6
‑
6光伏组件只清洗不涂膜层，6
‑
7光伏组件喷涂实施例2的增透液以形成膜层，6
‑
8光伏组件喷涂实施例1的增透液以形成膜层。之后收集12月22日至来年的5月20日的发电量数据。
[0090]
从表2可知，对光伏组件6
‑
7和6
‑
8施工后，光伏组件的发电量增益2.27％以上。
[0091]
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
[0092]
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。