摘要

柔性太陽(yáng)能電池的表面涂層要求是高性能的紫外固化丙烯酸酯納米復(fù)合材料。他們的合成不僅是一個(gè)微調(diào)的化學(xué)步驟，同時(shí)要求分散和研磨的過程。已申請(qǐng)專利的氣相二氧化硅原位硅烷化在德國(guó)VMA公司的TORUSMILL®研磨分散機(jī)的幫助下表現(xiàn)得最好。從VMA實(shí)驗(yàn)室系列分散研磨機(jī)參數(shù)的可比性更簡(jiǎn)單方便的幫助從實(shí)驗(yàn)室試樣放到規(guī)模生產(chǎn)。

簡(jiǎn)介

非凡的挑戰(zhàn)要求非凡的解決方案：柔性太陽(yáng)能電池要受到陽(yáng)光、風(fēng)力和各種外界因素幾十年的摧殘。要承受這些極端的要求，表面涂層必須柔韌，耐磨和耐劃傷。當(dāng)然，高透明度，成本效益和避免底材溫度過高這些性能也是需要的。由于同時(shí)要求高的生產(chǎn)效率和低的工藝溫度，優(yōu)異性能的紫外光固化丙烯酸酯系統(tǒng)是首選。通過加入無(wú)機(jī)粒子，可使得丙烯酸酯配方的耐刮性和耐磨性可以進(jìn)一步提高。只要填充度低于的閾值為25%體積(大約與40%質(zhì)量百分比一致，因?yàn)闊o(wú)機(jī)顆粒的密度更高)則被認(rèn)為是表面硬度與填充度呈線性過程。涂料表面硬度的提高比期望的顆粒硬度要低(圖1)。直到超過滲流閾值，即顆粒不能再滑動(dòng)，總硬度成為顆粒和基體的加權(quán)和。超過了滲流閾值，另一方面也就意味著這個(gè)系統(tǒng)不再攪動(dòng)。插圖1很明顯地顯示了理論狀況，這就是眾所周知的冶金過程。

圖1: 提高填充度的紫外光固化納米復(fù)合材料的微硬度的改善隨質(zhì)量百分比顯示。插圖顯示了硬度和填充度的體積百分比在整個(gè)范圍內(nèi)的理論關(guān)系。突出的區(qū)域?qū)?yīng)于主圖中顯示的數(shù)據(jù)。

分散技術(shù)

如果不是粒子本身的硬度,那是什么決定了不同填充度的硬度變化呢?這是由顆粒與基體之間的相互作用及矩陣，這受到粒子的表面處理，也即分散技術(shù)相互作用的控制。最不理想的情況是，微硬度隨填充度的增加而降低，我們最近在實(shí)驗(yàn)室研究的一個(gè)水性納米粒子丙烯酸酯系統(tǒng)(數(shù)據(jù)未顯示)就是這種情況。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)最大的顆粒基質(zhì)相互作用的原位表面改性的硅烷化是在萊布尼茨研究所研發(fā)的。這一專利的概念是基于著名的化學(xué)反應(yīng)與一個(gè)新過程的組合。顆粒表面硅烷化包括前體步驟(通過相應(yīng)的烷氧基硅烷的水解形成的硅醇基取代)和硅烷醇與表面羥基縮合來(lái)結(jié)合擴(kuò)散，從而提供表面活性。因?yàn)檫@些過程是丙烯酸酯基的自身反應(yīng)，并不需要不確定的反式擴(kuò)散。最后，每個(gè)顆粒都有了自己的硅烷均勻包裹，再交聯(lián)與基體形成堅(jiān)硬的質(zhì)膜。如太陽(yáng)能電池所用的透明薄膜，就需要非常精細(xì)的納米顆粒。操作會(huì)產(chǎn)生氣相二氧化硅納米粒子(Degussa的氣相二氧化硅比表面積至少200m2/g，即Aerosil200和Aerosil380)未經(jīng)表面處理的這些粒子通常作為一種觸變劑，百分之幾的質(zhì)量足以將清漆變成高粘度的膩?zhàn)印＿@種效果當(dāng)然也發(fā)生在中納米復(fù)合材料的合成過程：納米顆粒必須計(jì)量并慢慢加到有丙烯酸酯的TORUSMILL® 研磨分散機(jī) 中，該型號(hào)的分散機(jī)具有高扭矩力的引擎，并能滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著分散的開始并在表面反應(yīng)的輔助下，納米復(fù)合材料的粘度再次下降。當(dāng)降低轉(zhuǎn)矩力，機(jī)器上會(huì)顯示出綜合數(shù)值，告知操作員什么時(shí)候恢復(fù)供給二氧化硅納米顆粒。一個(gè)完全自動(dòng)化的耦合轉(zhuǎn)矩控制和粒子計(jì)量已經(jīng)應(yīng)用在TORUSMILL® TM500中。

透明清澈的納米復(fù)合材料——使用TORUSMILL®

使用傳統(tǒng)的分散機(jī)是不可能得到完全透明清澈的清漆而且完全沒有附聚物的。這就是TORUSMILL®專利系統(tǒng)的關(guān)鍵之處，分散機(jī)的預(yù)分散與研磨砂的創(chuàng)新結(jié)合，能有效地對(duì)基料先作預(yù)分散，之后用高性能的珠磨作研磨，不再需要轉(zhuǎn)移基料：已經(jīng)合成了納米粒子超過20%質(zhì)量百分比的透明清澈的納米復(fù)合材料。透明清澈的意思是通過半米厚的納米復(fù)合材料，仍能看到放在桶底的硬幣上的字母。TORUSMILL®系列為納米復(fù)合材料的合成線路的發(fā)展提供了極大的便利。 TORUSMILL® TM 10已經(jīng)大批量運(yùn)用在10L的規(guī)模原料下，也已經(jīng)有了一些經(jīng)驗(yàn)，更大的機(jī)器通常需要用更多的時(shí)間。很快將會(huì)大批量生產(chǎn)100L的型號(hào) (圖2是TM100) 或者是半噸規(guī)模的(TM500)。這種方式就是購(gòu)買原材料從實(shí)驗(yàn)室小樣到試生產(chǎn)到擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)的時(shí)理步驟。

最終的產(chǎn)品

通過在TORUSMILL®上的IOM系統(tǒng)生產(chǎn)的丙烯酸酯納米復(fù)合材料表現(xiàn)出令人驚訝的低粘度，使我們制造出高填充度且涂層柔韌耐磨的太陽(yáng)能電池。柔性太陽(yáng)能電池還在試生產(chǎn)階段，而丙烯酸酯納米復(fù)合材料已經(jīng)由萊比錫的Cetelon Nanotechnik成噸大批量生產(chǎn)并由WKP Unterensingen進(jìn)一步加工成了耐受性極強(qiáng)、超細(xì)克拉級(jí)的箔。

VMA TM砂磨分散機(jī)

圖2: 來(lái)自VMA Getzmann的TORUSMILL®TM100安裝在能在IOM研制納米合成材料的AFM掃描儀前面，這臺(tái)掃描儀能展示顆粒被碾磨成堅(jiān)硬骨料(70nm)的合成過程。

Fig. 3:柔性電池和尺子比較.