一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液及其制备方法，将氧化石墨烯加入硅酸钠水溶胶中超声处理0.5‑1h，使氧化石墨烯分散吸附在纳米SiO2水溶胶粒子表面，将硅粉分批加入反应溶液中，在50‑70℃下反应1‑4h，使氧化石墨烯分子中的含氧官能团还原去除生成石墨烯，硅粉本身在pH为8‑10下被氧化和水解生成石墨烯掺杂纳米SiO2水溶胶A，再与正硅酸乙酯水解生成的纳米SiO2水溶胶B以及镀膜调节剂调配得到石墨烯掺杂玻璃镀膜液。本发明专利技术石墨烯掺杂玻璃镀膜液具备减反射和自清洁双重功能，可提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率。

A Graphene Doped Glass Coating Solution and Its Preparation Method

The present invention relates to a graphene-doped glass coating solution and its preparation method. Graphene oxide is added to sodium silicate hydrosol by ultrasonic treatment for 0.5 1 h to disperse and adsorb graphene oxide on the surface of nano-SiO_2 hydrosol particles. Silicon powder is batched into the reaction solution and reacted for 1 4 h at 50 70 C to reduce and remove oxygen-containing functional groups in graphene oxide molecule to form graphene. The silica powder itself is oxidized and hydrolyzed to form graphene-doped nano-SiO_2 sol A at pH 8 10. Then, the nano-SiO_2 sol B produced by hydrolysis of tetraethyl orthosilicate and the coating regulator are mixed to obtain graphene-doped glass coating solution. The graphene doped glass coating solution of the invention has dual functions of anti-reflection and self-cleaning, and can improve the photoelectric conversion efficiency of crystal silicon solar cells.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液及其制备方法
本专利技术涉及一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液及其制备方法，特别是一种硅粉还原氧化石墨烯制备石墨烯掺杂玻璃镀膜液的方法，属于新能源和新材料领域。
技术介绍
晶体硅太阳能电池组件封装玻璃的可见光透过率一般为91.6%，其单表面反射率约4%。若在太阳能玻璃表面涂覆厚度120-180nm的减反射膜，可使单表面反射率降低到1%以下，增加可见光透过率2.5%-3.5%，在500-550nm波长下的透过率可达95%-96%。太阳能玻璃减反射镀膜液主要组分是纳米SiO2、TiO2、MgF2、Al2O3、SnO2、稀土氧化物或其混合物的水溶胶。目前太阳能玻璃减反射镀膜液的生产和应用技术已基本成熟，工业上将溶胶凝胶法制备的水性减反射镀膜液辊涂在清洗干净的太阳能玻璃表面，在150-180℃下烘干固化成膜，然后在700℃左右进行钢化，同时将涂覆在太阳能玻璃表面的减反射膜烧结在太阳能玻璃表面上。在太阳能玻璃上涂覆减反射膜是一种提高太阳能电池光转换效率简便易行的方法，已在光伏产业中得到广泛应用。晶体硅太阳能电池在户外安装使用中，玻璃盖板逐渐为灰尘或工业污染物覆盖，降低了玻璃透光率,使太阳能电池效率下降10%—30%。目前太阳能电池玻璃的灰尘污染主要靠人工或机械方式清理，不仅操作麻烦，而且容易损伤太阳能电池，市场需要具有自清洁和减反射双重功能的太阳能玻璃镀膜液。太阳能玻璃自清洁减反射膜可分为亲水性自清洁减反射膜和疏水性自清洁减反射膜二类。亲水性自清洁减反射膜主要依靠其对雨水的良好浸润性，利用自然降雨将其表面附着的灰尘冲刷洗去，比较适合雨水充沛的地区采用。疏水性自清洁减反射膜的表面能比较小，灰尘不易在其表面吸附，长期积累的灰尘在其表面的吸附力很弱，自然风力就可将其表面附着的灰尘吹去，比较适合干旱少雨地区采用。为了防止灰尘在自清洁减反射膜表面的静电吸附，自清洁减反射膜材料不能是绝缘体，通常需要在SiO2减反射膜材料中掺杂SnO2或TiO2半导体以提高其抗静电性能。因为纳米石墨烯具有良好的导电性、透光性和疏水性，若将其添加在SiO2减反射镀膜液中，在玻璃表面形成的减反射膜不仅具有良好的透光性，而且具有抗静电性能和疏水性，表面不易静电吸附灰尘，积累的灰尘也容易被自然风吹去，纳米石墨烯是一种潜在的自清洁减反射膜材料。中国专利CN10755805A(2018-01-09)公开一种减反射镀膜复合溶胶及其制备方法，也在考虑将石墨烯材料作为玻璃减反射材料组分，但其没有认识到掺杂纳米石墨烯的抗静电和自清洁作用，减反射镀膜复合溶胶仍采用过渡金属氧化物半导体作为抗静电材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液,其特征在于由减反射组分、自清洁组分、成膜粘结组分、镀膜调节剂和溶剂组成，具有自清洁和减反射双重功能，能够适应现有的太阳能玻璃镀膜生产工艺，镀膜液按质量百分比组成如下：纳米SiO2水溶胶A3%-4.5%纳米SiO2水溶胶B0.5%-2%纳米石墨烯水溶胶0.05%-0.1%磷酸钠+磷酸0.05%-0.2%表面活性剂水溶液0.01%-0.02%聚氨酯乳液0.01%-0.02%溶剂余量。镀膜液配方中减反射组分包括纳米SiO2水溶胶A、纳米SiO2水溶胶B和纳米石墨烯水溶胶。纳米SiO2水溶胶A是采用硅粉碱性水解法制备，平均粒径20nm，具有密度低、硬度大和稳定性好的优点，适合用作减反射膜结构材料。纳米SiO2水溶胶B由正硅酸乙酯酸性水解制备，平均粒径5nm，具有附着力高和耐候性好的优点，适合用作减反射膜结构材料的粘合剂。纳米石墨烯水溶胶由硅粉碱性还原氧化石墨烯原位制备，平均粒径40nm，具有良好的韧性、导电性、透光性、疏水性和稳定性，适合用作减反射膜的改性材料。镀膜液配方中自清洁组分是纳米石墨烯，石墨烯掺杂使SiO2薄膜表面电阻由1012Ω以上降低到109Ω以下，使其从绝缘体变为半导体，从而消除了薄膜表面静电积累；石墨烯掺杂使SiO2薄膜的水润湿角从20°以下提高到95°以上，使其从亲水表面变为疏水表面。镀膜液配方中成膜粘结组分是平均粒径5nm的纳米SiO2水溶胶B，小粒径的纳米SiO2粒子具有良好的粘结性，它可将附着力比较差的大粒径的SiO2粒子和纳米石墨烯粘结在玻璃表面上形成薄膜。镀膜液配方中镀膜调节剂包括表面活性剂和聚氨酯乳液，表面活性剂可选用月桂酸二乙醇酰胺或十二烷基硫酸钠及其混合物，是市售工业品，镀膜调节剂可以增强玻璃表面的润湿性和提高镀膜的均匀性。因为镀膜调节剂是有机组分，在太阳能玻璃的后续的热处理中完全分解除去。镀膜液配方中的溶剂是乙醇水溶液，其中乙醇和水的质量比为1:4-10，乙醇水溶液具有挥发度适中、安全环保和价格低廉的优点。本专利技术的石墨烯掺杂玻璃镀膜液与市售纳米SiO2玻璃镀膜液相比，镀膜液的贮存稳定性大幅提高，因为少量掺杂的纳米石墨烯阻滞了纳米SiO2粒子的凝聚长大。纳米石墨烯分子具有良好的柔韧性，石墨烯掺杂玻璃镀膜液形成的薄膜不发生应力开裂现象。由于具有良好的抗静电和自清洁性能，其应用范围不局限在晶体硅太阳能电池盖板玻璃，同样适用于电子显示屏玻璃、建筑屏幕和隔墙玻璃镀膜。本专利技术的另一目的是提供一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液的制备方法，技术方案包括硅粉还原氧化石墨烯制备石墨烯掺杂纳米SiO2水溶胶A、正硅酸乙酯酸性水解制备粘结用纳米SiO2水溶胶B和石墨烯掺杂玻璃镀膜液调配三部分，采取的具体步骤为：（1）将Hummers氧化石墨法制备的氧化石墨烯加入硅酸钠水溶胶中超声处理0.5-1h，使氧化石墨烯分散吸附在纳米SiO2水溶胶粒子表面，将硅粉分批加入反应溶液中，控制原料硅粉、硅酸钠和氧化石墨烯C的投料摩尔比为：1:0.02-0.1:0.02-0.1，控制反应温度50-70℃，控制反应时间1-4h，反应产生的氢使氧化石墨烯原料分子中的含氧官能团还原去除生成石墨烯，硅粉在pH为8-10下被氧化和水解生成质量百分浓度为5%-10%的石墨烯掺杂纳米SiO2水溶胶A，纳米SiO2粒子的平均粒径为20nm，纳米石墨烯平均粒径为40nm；（2）向反应器中先后加入质量百分浓度为94%的乙醇、去离子水、质量百分浓度为20%的稀磷酸和纯度为99%的硅酸乙酯，控制原料的质量百分比为：99%正硅酸乙酯：94%乙醇：去离子水：20%稀磷酸=1：2-4：0.5-1.0：0.01-0.05，在15-30℃搅拌反应4-6小时，静置陈化反应12-24小时以上，用去离子水稀释得到质量百分浓度为5%-10%的酸性纳米SiO2水溶胶B，平均粒径5nm；（3）向反应器中加入石墨烯掺杂纳米SiO2水溶胶A，在搅拌下加入纳米SiO2水溶胶B，控制二种原料溶质的质量比为：A:B=1.5-9:1，用质量百分浓度为20%的稀磷酸溶液调节混合SiO2水溶胶的pH为2.5-3.0，用溶剂稀释，再加入表面活性剂溶液和聚氨酯乳液，使其质量百分浓度均为0.01%-0.1%，搅拌反应1-2小时，得到固体质量百分浓度为5%的石墨烯掺杂玻璃镀膜液。将本专利技术的石墨烯掺杂玻璃镀膜液涂布到太阳能电池玻璃盖板上，可以提高太阳能玻璃透光率和抗污染性能，具体步骤为：（1）将镀膜液棒涂在清洗干净的100mm╳100mm太阳能玻璃样片上，控制湿膜厚度为1600-20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液, 其特征在于由减反射组分、自清洁组分、成膜粘结组分、镀膜调节剂和溶剂组成，具有自清洁和减反射双重功能，能够适应现有的太阳能玻璃镀膜生产工艺，镀膜液按质量百分比组成如下：纳米SiO2水溶胶A      3%‑4.5%纳米SiO2水溶胶B      0.5%‑2%纳米石墨烯水溶胶     0.05%‑0.1%磷酸钠+磷酸          0.05%‑0.2%表面活性剂水溶液     0.01%‑0.02%聚氨酯乳液           0.01%‑0.02%溶剂                 余量。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯掺杂玻璃镀膜液,其特征在于由减反射组分、自清洁组分、成膜粘结组分、镀膜调节剂和溶剂组成，具有自清洁和减反射双重功能，能够适应现有的太阳能玻璃镀膜生产工艺，镀膜液按质量百分比组成如下：纳米SiO2水溶胶A3%-4.5%纳米SiO2水溶胶B0.5%-2%纳米石墨烯水溶胶0.05%-0.1%磷酸钠+磷酸0.05%-0.2%表面活性剂水溶液0.01%-0.02%聚氨酯乳液0.01%-0.02%溶剂余量。2.根据权利要求1所述的石墨烯掺杂玻璃镀膜液其特征在于纳米SiO2水溶胶A是采用硅粉碱性水解法制备，平均粒径20nm。3.根据权利要求1所述的石墨烯掺杂玻璃镀膜液,其特征在于纳米SiO2水溶胶B由正硅酸乙酯酸性水解制备，平均粒径5nm。4.根据权利要求1所述的石墨烯掺杂玻璃镀膜液,其特征在于纳米石墨烯水溶胶由硅粉碱性还原氧化石墨烯原位制备，平均粒径40nm。5.一种权利要求1所述的石墨烯掺杂玻璃镀膜液的制备方法，其特征在于技术方案包括硅粉还原制备石墨烯掺杂纳米SiO2水溶胶A、正硅酸乙酯酸性水解制备粘结用纳米SiO2水溶胶B和镀膜液调配三部分，具体步骤为：（1）将Hummers氧化石墨法制备的氧化石墨烯加入硅酸钠水溶胶中超声处理0.5-1h，使氧化石墨烯分散吸附在纳米SiO2水溶胶粒子表面，将硅粉分批加入反应溶液中，控制原料...

【专利技术属性】
技术研发人员：王欣，李仕增，李建生，祖晓冬，李青超，王泽江，翟超，
申请(专利权)人：天津市职业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12