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CN116656155B - 一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法 - Google Patents

一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法 Download PDF

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CN116656155B CN202310579295.1A CN202310579295A CN116656155B CN 116656155 B CN116656155 B CN 116656155B CN 202310579295 A CN202310579295 A CN 202310579295A CN 116656155 B CN116656155 B CN 116656155B
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Abstract

本发明提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法，涉及航天领域。该月尘防护涂层包括层叠设置的月尘防护层和粘附层，其中：月尘防护层的原料包括含氟硅溶胶和溶剂；粘附层的原料包括聚二甲基硅氧烷、固化剂和溶剂。该月尘防护涂层可实现太阳能电池在月面环境下的月尘防护，使得月尘不会长期沉积在太阳能电池表面引起太阳能电池过热、遮蔽太阳能电池的光吸收率，降低发电效率。该月尘防护涂层与太阳能电池基底的结合力强，且具有良好的月球表面环境适应能力，可以实现在轨长期使用，具有较长的使用寿命，极大节约了成本。

Description

一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率 评价方法
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法。
背景技术
在月球探测任务中，利用太阳能电池阵发电是在轨主要的动力来源。在月面实际探测任务中，发动机羽流溅起的月尘是太阳能电池阵表面最大的污染来源。月尘沉积在太阳能电池表面后，会阻止太阳光进入太阳能电池，并会引起太阳能电池阵过热，导致发电效率严重降低。在Apollo任务的月球漫游车上和航天器上的太阳能电池，月尘沉积后，导致表面温度上升到82℃，远超过其安全工作温度范围。
对于太阳能电池表面的月尘防护，CN 111471995 A通过化学刻蚀的方法实现了铝基底表面的月尘防护涂层，但涂层不是透明的，且金属基底与太阳能电池表面基底的月尘防护有极大差异，除此之外，化学刻蚀方法无法应用于大面积的太阳能电池基底；CN113731772 A采用溶胶凝胶法制备了一种月尘防护的自清洁增透薄膜，通过二氧化硅溶胶与二氧化硅分散液混合后制备溶液，将其旋涂于太阳能电池表面，但并未进行防尘效率测试，月尘颗粒的粒径远小于水滴直径，单一的接触角并不能反应防尘性能，且空间环境适应性也并未说明；CN 203300671 U公开了一种太阳能电池月尘防护装置，但该装置需要在轨能源供给才能实现月尘防护，不属于被动防护技术；CN 112885504 A公开了一种具有规则倒金字塔结构的月尘防护薄膜，其基底为铝金属，该防护薄膜具有导电不透明特性，无法应用于太阳能电池。
因此需要为太阳能电池表面设计一种月尘防护涂层，在月球表面不消耗能量的情况下保证太阳能电池免受月尘沉积影响，保障月面活动能源供给正常。
此外，在以往的研究中，由于软着陆过程羽流溅起的月尘沉积速率和沉积质量无法定量计算，使得月尘防护效率实验也无法根据实际在轨数据进行测试。因此，提出一种新的太阳能电池表面月尘防护涂层的防尘效率评价方法也成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法，能够在月面环境下无外界能源供给的条件下实现月尘的防护，使得太阳能电池能在轨正常工作，保障后续载人探月及月面长期驻留任务中的月面长期活动过程中的能源供给。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层，包括层叠设置的月尘防护层和粘附层，其中：
所述月尘防护层的原料包括含氟硅溶胶和溶剂，；
所述粘附层的原料包括聚二甲基硅氧烷、固化剂和溶剂。
进一步地，所述粘附层的原料中，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为1：10～12，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量之和占粘附层原料总质量的4％～6％，溶剂为乙烷。
优选地，所述粘附层的原料中，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为1：12，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量之和占粘附层原料总质量的5％，溶剂为乙烷。
进一步地，在所述月尘防护层的原料中，所述含氟硅溶胶的质量百分比为0.4～0.6％，溶剂为乙醇、乙酸乙酯和去离子水的混合物，质量比为96～98：0.1～0.5：2.0～3.0。
优选地，在所述月尘防护层的原料中，所述含氟硅溶胶的质量百分比为0.4％，溶剂为乙醇、乙酸乙酯和去离子水的混合物，质量比为97.5：0.1：2.0。
进一步地，所述含氟硅溶胶由甲基三甲氧基硅烷和十三氟辛基三甲氧基硅烷水解缩聚获得。
进一步地，所述月尘防护涂层的厚度为250～350nm，粗糙度为30～60nm。
优选地，所述月尘防护涂层的厚度为300nm，粗糙度为30nm。
第二方面，本发明提供所述的太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)太阳能电池片表面预处理：太阳能电池片表面依次进行酒精擦拭、去离子水清洗、氧等离子体处理，然后将其放入真空系统中静置；
(2)浸渍提拉法制备粘附层：将步骤(1)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的粘附层原料溶液中，向上提拉，在太阳能电池片表面形成粘附层，然后将其放入真空系统中静置；
(3)浸渍提拉法制备月尘防护层：将步骤(2)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的月尘防护层原料溶液中，向上提拉，在粘附层表面形成月尘防护层，然后将其放入真空系统中干燥。
进一步地，步骤(1)中，酒精擦拭的次数为3～6次，去离子水清洗的次数为3～6次，氧等离子体处理的时间为2～3min，真空系统的压强为10-4Pa，静置时间为1～2h；
优选地，步骤(1)中，酒精擦拭的次数为4次，去离子水清洗的次数为4次，氧等离子体处理的时间为2min，真空系统的压强为10-4Pa，静置时间为2h。
进一步地，步骤(2)中，提拉的速度为10～15mm/min，提拉次数为2～3次；真空系统温度为50～70℃，压强为10-4Pa，静置时间为40～60min；
优选地，步骤(2)中，提拉的速度为10mm/min，提拉次数为2次；真空系统温度为70℃，压强为10-4Pa，静置时间为40min。
进一步地，步骤(3)中，提拉的速度为10～15mm/min，提拉次数为2～5次；真空系统温度为30～50℃，压强为10-4Pa，干燥时间为10～15h。
优选地，步骤(3)中，提拉的速度为10mm/min，提拉次数为2次；真空系统温度为30℃，压强为10-4Pa，干燥时间为10h。
第三方面，本发明提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层的防尘效率评价方法，实验在安装有月尘均匀洒尘装置的真空系统中进行，实验过程中真空系统的温度保持30～35℃，所述防尘效率评价方法包括以下步骤：
1)将一定质量的月尘放入均匀洒尘装置的月尘承载盘中；
2)将涂有月尘防护涂层的样品放入月尘承载盘正下方，系统抽至10-4Pa真空；
3)打开洒尘装置，将月尘均匀洒在样品表面；
4)将样品表面平均分割为13个子区域，编号1～13；
5)通过相机拍摄真空系统内洒有月尘的防护涂层表面，判断月尘均匀沉积且铺满样品表面后继续实验，若判断月尘不均匀沉积或未铺满样品，则更换样品后重复步骤1)～3)，直到月尘均匀沉积为止；
6)将样品进行离心旋转；
7)离心旋转后将样品进行翻转，翻转后保持，然后拍摄样品表面的月尘残留图片；
8)判定拍摄翻转后的样品表面的月尘残留不再变化，以及单个子区域前后月尘残留个数不随翻转而变化，则对月尘残留的图片进行防尘效率分析；
9)对不同子区域未覆盖和覆盖月尘的区域进行阈值判定筛选，确定出不同子区域内的月尘覆盖区域；
10)根据计算出样品表面的月尘防护效率η，其中表示实验后1～13子区域内月尘所占的像素数，N1～N13表示1～13子区域的总像素数。
进一步地，步骤6)中，离心旋转的转速为1300～1500r/min，单次旋转时长为10～20s，旋转次数为2～4次；步骤7)中，翻转角度为45°～60°，翻转后保持1～3min。
优选地，步骤6)中，离心旋转的转速为1300～1500r/min，单次旋转时长为10s，旋转次数为3次；步骤7)中，翻转角度为45°，翻转后保持1min。
进一步地，步骤5)中，月尘均匀沉积的判断依据为：样品表面13个子区域上的月尘颗粒数两两互相相差1％以内；月尘铺满样品表面的判断依据为：单个子区域上月尘颗粒占子区域面积为100％。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层，可实现太阳能电池在月面环境下的月尘防护，比未涂覆月尘防护涂层的太阳能电池片的月尘防护效率提高了66.3％，使得月尘不会长期沉积在太阳能电池表面引起太阳能电池过热、遮蔽太阳能电池的光吸收率，降低发电效率。该月尘防护涂层与太阳能电池基底的结合力强，且具有良好的月球表面环境适应能力，可以实现在轨长期使用，具有较长的使用寿命，极大节约了成本。
2、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层具有高透光率，不会影响到太阳能电池本身的光接收效率，即实现了不影响太阳能本身吸光率的同时，兼顾了月尘防护效果。对于可见光、紫外光和红外光的透过率比没有月尘防护涂层的透过率分别提高了2.28％、0.64％和3.14％。
3、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层厚度为300nm左右，具有质量轻的优点；含氟硅溶胶形成5～10nm的氟硅颗粒聚集体，用于构造月尘防护涂层的微纳结构，粗糙度在30nm左右，远小于月尘颗粒平均粒径，可以实现极小粒径月尘颗粒的防护。
4、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层具有良好的耐高温性能，在300℃以内性能不变；具有良好的耐电子(30KeV下30h)和紫外辐射性能(395nm波长下32h)；且耐磨性良好。
5、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层属于被动防护涂层，不需要在轨进行能源供给，是一种节能的防护方法。
6、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层的制备采用浸渍提拉法，可以用于大面积不规则的防护表面，对后续的工程应用具有极大的支撑作用。
7、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层的防尘效率评价方法，可以实现精度高达1μm的月尘颗粒的效率评价，而称重法得出的防尘效率中未考虑到粘附到表面的细微颗粒，故本发明提出的新方法极大提高了防尘效率精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是涂覆有月尘防护涂层和未涂覆月尘防护涂层的表面对比图；
图2是表面处理前后接触角测试结果，其中：(a)为表面未处理前，接触角为23.2°，(b)为表面处理后，接触角为0°；
图3是采用不同浸渍次数制得的月尘防护涂层的接触角测试结果图，其中：(a)为实施例1，(b)实施例2，(c)实施例3，(d)实施例4；
图4是采用不同浸渍次数制得的月尘防护涂层的表面粗糙度测试示意图，其中：(a)为实施例1，(b)实施例2，(c)实施例3；
图5是采用不同浸渍次数制得的月尘防护涂层的涂层厚度测试示意图；
图6是防尘效率测试样品子区域编号示意图；
图7是涂覆有月尘防护涂层和未涂覆月尘防护涂层的表面防尘效率测试图，其中：(a)为未涂覆表面，(b)为实施例2涂覆表面，1、3、7和11代表图5中对应的子区域。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中使用的太阳能电池型号为三结砷化镓电池，购买于天津十八所，实验中使用的太阳能电池均为同一批次。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用原料或仪器，均为可以通过市购获得的常规产品，包括但不限于本申请实施例中采用的原料或仪器。
实施例1
本实施例提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，具体步骤如下：
(1)太阳能电池片表面预处理：太阳能电池片表面先用酒精擦拭4次，再用去离子水清洗4次，再氧等离子体处理2min，然后将其放入真空系统(10-4Pa)中静置2h；
(2)浸渍提拉法制备粘附层：将步骤(1)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的粘附层原料溶液中，以10mm/min的速度向上提拉，提拉2次，在太阳能电池片表面形成粘附层，然后将其放入70℃真空系统(10-4Pa)中静置40min；
(3)浸渍提拉法制备月尘防护层：将步骤(2)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的月尘防护层原料溶液中，以10mm/min的速度向上提拉，提拉1次，在粘附层表面形成月尘防护层，然后将其放入30℃真空系统(10-4Pa)中干燥10h。
步骤(2)中的粘附层原料溶液由聚二甲基硅氧烷、固化剂和乙烷配制而成，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为1：12，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量之和占粘附层原料总质量的5％。
步骤(3)中的月尘防护层原料溶液由含氟硅溶胶和溶剂配制而成，含氟硅溶胶的质量百分比为0.4％，溶剂为乙醇、乙酸乙酯和去离子水的混合物，质量比为97.5：0.1：2.0。其中，含氟硅溶胶由甲基三甲氧基硅烷和十三氟辛基三甲氧基硅烷水解缩聚获得，具体制备方法为：在容器中加入1mL的甲基三甲氧基硅烷和1mL的十三氟辛基三甲氧基硅烷，在常温下搅拌30分钟，随后加入草酸溶液0.2mL，继续搅拌30分钟，放置20小时，再滴入7.5mL的氨水，在常温下陈化后发生自缩聚，得到含氟硅溶胶。
实施例2
本实施例提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，具体步骤参照实施例1，不同之处仅在于，步骤(3)中提拉次数为2次，制备出的防护表面如图1所示，图中未涂覆表面是指在太阳能电池玻璃片上未涂覆任何防护涂层，只是将其进行了等离子表面处理。通过对比涂覆和未涂覆的表面，可以发现涂覆了防护涂层的表面在光下有涂层反光，且涂层涂覆前后不影响玻璃透明度，未发现明显模糊效应。
实施例3
本实施例提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，具体步骤参照实施例1，不同之处仅在于，步骤(3)中提拉次数为3次。
实施例4
本实施例提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，具体步骤参照实施例1，不同之处仅在于，步骤(3)中提拉次数为4次。
对比例太阳能电池片表面先用酒精擦拭4次，再用去离子水清洗4次，再氧等离子体处理2min，然后将其放入真空系统(10-4Pa)中静置2h。
如图2所示，分别测量处理前和处理后样品表面的接触角，可以得出处理后样品表面的接触角几乎为0°。
实验例1接触角测试
取实施例1～4制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其表面进行接触角测试，结果如表1和图3所示。
表1实施例1～4接触角测试结果
实验例2粗糙度测试
取实施例1～3制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其表面进行粗糙度测试，实验过程为：将制备好的防护涂层进行粗糙度测试，将5次的结果进行平均后得出粗糙度值，结果如表2和图4所示。
表2实施例1～3粗糙度测试结果
如图4所示，随着提拉涂覆次数的增加，粗糙度逐渐减小，表面微/纳米级结构逐渐消失。
实验例3厚度测试
取实施例1～3制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其表面进行厚度测试，实验过程为：采用膜厚测试仪对其进行测试，在表面选取5个点，测试的膜厚结果取平均可得，结果如表3和图5所示。
表3实施例1～3厚度测试结果
实验例4透光率测试
取实施例1～3制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其表面进行透光率测试，并以对比例处理的表面作为对照，实验过程为：通过透光率测试仪对防护薄膜进行测试，单个防护表面选取5个点，取平均值。结果如表4所示。
表4实施例1～3透光率测试结果
如表4所示，实施例2的透光效果最好，相较于未涂覆表面(对比例)的透过率分别提高2.28％(紫外光)、0.64％(可见光)、3.14％(红外光)。
实验例5耐温性测试
取实施例2制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其进行耐温性测试，实验过程为：将月尘防护涂层样品放置在真空系统中，系统抽真空后，温度分别设置为50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃，在目标温度下保持时间为30h，取出后立即测量样品表面接触角。结果如表5所示。
表5实施例2耐温性测试结果
实验例6耐紫外辐照测试
取实施例2制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其进行耐紫外辐照测试，实验过程为：将月尘防护涂层样品放置在真空系统中，样品放置在真空紫外灯正下方10cm处，系统抽真空后，打开真空紫外灯，其波长为395nm，紫外灯辐照时间为32h，辐照结束后取出样品立即进行接触角测量。结果如表6所示。
表6实施例2耐紫外辐照测试结果
组别 粘附层浸渍次数 防护层浸渍次数 紫外时长 接触角
实施例2 2 2 32h 147.25°
实验例7耐电子辐射测试
取实施例2制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其进行耐电子辐射测试，实验过程为：将月尘防护涂层样品放置在真空系统中，样品放置在电子枪正下方15cm处，系统抽真空后，电子枪能量设置为30KeV，打开电子枪辐照30h，电子辐射结束后取出样品立即进行接触角测量。结果如表7所示。
表7实施例2耐电子辐射测试结果
组别 粘附层浸渍次数 防护层浸渍次数 辐射时长 接触角
实施例2 2 2 30h 145.14°
实验例8耐磨性测试
取实施例2制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其进行耐磨性测试，实验过程为：使用胶带进行剥离，剥离20次以后进行防护涂层的接触角测量。结果如表8所示。
表8实施例2耐磨性测试结果
组别 粘附层浸渍次数 防护层浸渍次数 接触角
实施例2 2 2 150.40°
实验例9月尘防护效率测试
取实施例2制备得到的太阳能电池表面月尘防护涂层，对其进行防护效率测试，实验在安装有月尘均匀洒尘装置的真空系统中进行，实验过程中真空系统的温度保持30℃，实验过程为：
1)称量10g月尘放入均匀洒尘装置的月尘承载盘中；
2)将实施例2制备的样品放入月尘承载盘正下方5cm处，系统抽至10-4Pa真空；
3)打开洒尘装置，将月尘均匀洒在样品表面；
4)如图6所示，将样品表面平均分割为13个子区域，编号1～13；
5)通过相机拍摄真空系统内洒有月尘的防护涂层表面，判断月尘均匀沉积且铺满样品表面后继续实验，若判断月尘不均匀沉积或未铺满样品，则更换样品后重复步骤1)～3)，直到月尘均匀沉积为止，其中，月尘均匀沉积的判断依据为：样品表面13个子区域上的月尘颗粒数两两互相相差1％以内，月尘铺满样品表面的判断依据为：单个子区域上月尘颗粒占子区域面积为100％；
6)将样品以1300～1500r/min的转速进行离心旋转，单次旋转时长为10s，旋转次数为3次；
7)离心旋转后将样品进行翻转45°，翻转后保持1min，然后拍摄样品表面的月尘残留图片；
8)判定拍摄翻转后的样品表面的月尘残留不再变化，以及单个子区域前后月尘残留个数不随翻转而变化，则对月尘残留的图片进行防尘效率分析；
9)对不同子区域未覆盖和覆盖月尘的区域进行阈值判定筛选，确定出不同子区域内的月尘覆盖区域；
10)根据计算出样品表面的月尘防护效率η，其中表示实验后1～13子区域内月尘所占的像素数，N1～N13表示1～13子区域的总像素数。
结果如表9和图7所示。
表9实施例2月尘防护效率测试结果
组别 粘附层浸渍次数 防护层浸渍次数 月尘防护效率
实施例2 2 2 66.3％
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种太阳能电池表面月尘防护涂层，其特征在于，包括层叠设置的月尘防护层和粘附层，其中：
所述月尘防护层的原料包括含氟硅溶胶和溶剂；
所述粘附层的原料包括聚二甲基硅氧烷、固化剂和溶剂，
所述粘附层的原料中，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为1：10～12，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量之和占粘附层原料总质量的4％～6％，溶剂为乙烷；
在所述月尘防护层的原料中，所述含氟硅溶胶的质量百分比为0.4～0.6％，溶剂为乙醇、乙酸乙酯和去离子水的混合物，质量比为96～98：0.1～0.5：2.0～3.0；
所述含氟硅溶胶由甲基三甲氧基硅烷和十三氟辛基三甲氧基硅烷水解缩聚获得。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池表面月尘防护涂层，其特征在于，所述月尘防护涂层的厚度为250～350nm，粗糙度为30～60nm。
3.权利要求1或2所述的太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)太阳能电池片表面预处理：太阳能电池片表面依次进行酒精擦拭、去离子水清洗、氧等离子体处理，然后将其放入真空系统中静置；
(2)浸渍提拉法制备粘附层：将步骤(1)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的粘附层原料溶液中，向上提拉，在太阳能电池片表面形成粘附层，然后将其放入真空系统中静置；
(3)浸渍提拉法制备月尘防护层：将步骤(2)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的月尘防护层原料溶液中，向上提拉，在粘附层表面形成月尘防护层，然后将其放入真空系统中干燥。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中，酒精擦拭的次数为3～6次，去离子水清洗的次数为3～6次，氧等离子体处理的时间为2～3min，真空系统的压强为10-4Pa，静置时间为1～2h；
步骤(2)中，提拉的速度为10～15mm/min，提拉次数为2～3次；真空系统温度为50～70℃，压强为10-4Pa，静置时间为40～60min；
步骤(3)中，提拉的速度为10～15mm/min，提拉次数为2～5次；真空系统温度为30～50℃，压强为10-4Pa，干燥时间为10～15h。
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