摘要

柔性太陽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微調(diào)的化學步驟，同時要求分散和研磨的過程。已申請專利的氣相二氧化硅原位硅烷化在德國VMA公司的TORUSMILL®研磨分散機的幫助下表現(xiàn)得最好。從VMA實驗室系列分散研磨機參數(shù)的可比性更簡單方便的幫助從實驗室試樣放到規(guī)模生產(chǎn)。

簡介

非凡的挑戰(zhàn)要求非凡的解決方案：柔性太陽能電池要受到陽光、風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。通過加入無機粒子，可使得丙烯酸酯配方的耐刮性和耐磨性可以進一步提高。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，因為無機顆粒的密度更高)則被認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，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系統(tǒng)不再攪動。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，我們最近在實驗室研究的一個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反應(yīng)與一個新過程的組合。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結(jié)合擴散，從而提供表面活性。因為這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散。最后，每個顆粒都有了自己的硅烷均勻包裹，再交聯(lián)與基體形成堅硬的質(zhì)膜。如太陽能電池所用的透明薄膜，就需要非常精細的納米顆粒。操作會產(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子。這種效果當然也發(fā)生在中納米復(fù)合材料的合成過程：納米顆粒必須計量并慢慢加到有丙烯酸酯的TORUSMILL® 研磨分散機 中，該型號的分散機具有高扭矩力的引擎，并能滿負荷運轉(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。當降低轉(zhuǎn)矩力，機器上會顯示出綜合數(shù)值，告知操作員什么時候恢復(fù)供給二氧化硅納米顆粒。一個完全自動化的耦合轉(zhuǎn)矩控制和粒子計量已經(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，分散機的預(yù)分散與研磨砂的創(chuàng)新結(jié)合，能有效地對基料先作預(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)大批量運用在10L的規(guī)模原料下，也已經(jīng)有了一些經(jīng)驗，更大的機器通常需要用更多的時間。很快將會大批量生產(chǎn)100L的型號 (圖2是TM100) 或者是半噸規(guī)模的(TM500)。這種方式就是購買原材料從實驗室小樣到試生產(chǎn)到擴大規(guī)模生產(chǎn)的時理步驟。

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能電池。柔性太陽能電池還在試生產(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進一步加工成了耐受性極強、超細克拉級的箔。

VMA TM砂磨分散機

圖2: 來自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，這臺掃描儀能展示顆粒被碾磨成堅硬骨料(70nm)的合成過程。

Fig. 3:柔性電池和尺子比較.