[发明专利]涂有二氧化硅纳米颗粒的玻璃样聚合物抗反射膜、制备方法以及使用该膜的吸光装置

说明书

相关专利申请的交叉参考

本专利申请要求于2010年12月20日提交的第61/424707号美国临时专利申请的权益，该专利的公开内容以全文引用方式并入本文。

本发明在DOE授予的政府支持下进行，合同号为DE-EE0000587。政府拥有本发明的某些权利。

本发明涉及透明抗反射结构化膜，确切地说，涉及一种透明抗反射结构化膜，该膜包括涂有纳米级微粒的交联的有机硅弹性体材料，更确切地说，涉及具有玻璃样表面的抗反射结构的这类膜，该表面涂有二氧化硅纳米颗粒，并涉及制备该类膜的方法，以及包括该类膜的吸光装置。

背景技术

由于基于燃烧化石燃料的常规发电（例如，基于石油和煤炭的发电厂）的成本升高并且需要减少伴随的温室气体，因此非常规电源中的投资增加。例如，美国能源部已在太阳能发电（例如，基于太阳能的热水生成和发电）的研究和开发中进行了大量投资。一种这样的非常规发电源是使用光伏电池来将太阳光能转化为电。太阳光能还已被用来直接或间接地加热水以供住宅和商业使用。与此提高的关注程度一道，需要改善此类非常规太阳能技术可吸收光能的效率并从而增加可供使用的太阳能的量。

发明内容

本发明提供一种通过允许更多可用的光能进入对应的吸光元件（例如，光伏电池）来提高太阳光和其他光能吸收技术的效率（即，增大能量产生潜能）的方法。

有机硅弹性体以其在长期暴露于紫外光下的稳定性而著称，且它们可能在光学上透明并且坚韧。不幸的是，有机硅弹性体也具有相对发粘的表面，此表面往往会吸引、粘附（pick-up）并且固持住污物和粉尘微粒。直到现在，有机硅弹性体粘附并且固持住污物和粉尘的该特性使其成为形成光能吸收或转化装置的暴露表面的不可取的材料，例如用于光伏电池的光透明棱柱覆盖件。本发明至少部分基于以下发现：有机硅弹性体表面的粘着性可以显著降低，以及它们对污物和粉尘微粒粘附的抵抗力可以显著提高，方法是对有机硅弹性体材料的结构化表面进行处理使得它成为包括SiO₂化学计量的玻璃样表面。对污物和粉尘微粒粘附的抵抗力可以进一步增加，同时保持耐磨性，方法是在玻璃样表面上涂覆无机纳米级微粒。

在本发明的一方面，提供了透明抗反射结构化膜、片、幅材等，其包括结构化膜基材，该基材包括具有抗反射结构的结构化面，该抗反射结构限定了抗光反射的结构化表面。至少抗反射结构包括交联的有机硅弹性体材料，其中结构化表面中的所有、大多数或至少相当大一部分包括玻璃样表面，并且该玻璃样表面包括SiO₂化学计量。该玻璃样表面涂有至少一个二氧化硅纳米颗粒的凝聚物的层的涂层，其中凝聚物包括二氧化硅纳米颗粒的三维多孔网，并且二氧化硅纳米颗粒粘合到邻近的二氧化硅纳米颗粒。

期望玻璃样表面包括大于约50摩尔百分比的SiO₂。可以期望玻璃样表面包括在大于约50摩尔百分比至约90摩尔百分比范围内的SiO₂。或者，也可以期望玻璃样表面包括在至少约60摩尔百分比至约90摩尔百分比范围内的SiO₂。优选地，玻璃样表面包括至少约60、65、70、75、80或85摩尔百分比的SiO₂。玻璃样表面可以包括至少一些量的SiOH。本文所用的对SiOH的任何引用不仅包括SiOH，而且还包括含Si和OH的其他成分。

期望每个抗反射结构中只有外层是玻璃样的（即，每个抗反射结构具有玻璃样表面）。抗反射结构可以从结构化膜基材的基座部分或背衬中突出来。玻璃样表面的深度取决于在抗反射结构的至少相当大一部分上形成玻璃样表面所使用的处理（例如，火焰温度和持续时间、UV辐射强度和持续时间、氧等离子体功率和持续时间，等等）的设置（例如，强度和/或持续时间）。

在本发明的另一方面，提供了一种用于制备根据本发明的透明抗反射结构化膜的方法。所述方法包括：提供具有结构化面的结构化膜基材，所述结构化面包括抗反射结构，所述抗反射结构限定抗光反射的抗反射结构化表面，其中至少抗反射结构包括交联的有机硅弹性体材料；以及对抗反射结构化表面进行处理以将限定抗反射结构化表面的至少相当大一部分的交联的有机硅弹性体材料转变成包括SiO₂化学计量的玻璃样材料，这样抗反射结构化表面的至少相当大一部分包括具有SiO₂化学计量的玻璃样表面；以及用至少一个二氧化硅纳米颗粒的凝聚物的层的涂层来涂覆所述玻璃样表面，其中所述凝聚物包括二氧化硅纳米颗粒的三维多孔网，并且二氧化硅纳米颗粒粘合到邻近的二氧化硅纳米颗粒。