本文關鍵詞：減反射和自清潔功能薄膜的制備與表征

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【摘要】：提高太陽光的入射比例、減少界面表面損失以及使用過程中的維護成本是提高太陽能利用效率的有效途徑,通過選擇合適的材料在襯底表面制備具有減反射和自清潔性能的復合功能薄膜可實現(xiàn)上述目標,適宜的材料是TiO2。 TiO2薄膜的制備方法中,直流磁控濺射(DMS)技術因具有功率綠色環(huán)保、參數(shù)調(diào)控精確簡便、可以低溫快速沉積制備多種薄膜以及可重復性強等優(yōu)點,可方便的制備多種與襯底結(jié)合緊密的薄膜。為提高制備薄膜的性能,本文對傳統(tǒng)的DMS技術進行改進,研制了能量過濾磁控濺射(EFMS)技術,通過控制濺射粒子的能量及入射角度提高成膜質(zhì)量。本論文利用DMS和EFMS技術制備了Ti02薄膜以及摻雜A1203的Ti02薄膜,研究了其結(jié)構(gòu)、光學特性和光催化性能的變化規(guī)律,并以此為基礎研制了具有減反射和自清潔功能的薄膜,主要研究內(nèi)容有：(1)優(yōu)化了Ti02薄膜制備參數(shù),發(fā)現(xiàn)沉積溫度為100℃-400℃、沉積壓強為0.75 Pa-3.0 Pa、沉積時間為60 min-150 min、氧氬比為1：6-1：10、濺射功率為148 W-443 W范圍內(nèi)制備的Ti02薄膜都為單一的銳鈦礦結(jié)構(gòu),沒有出現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)。隨著沉積溫度的升高、沉積壓強的降低、沉積時間的增加、氧氬比的減小和濺射功率的增加,薄膜的結(jié)晶性變好,平均晶粒尺寸減小。300℃時薄膜的沉積速率最大。沉積壓強增加,沉積速率變小。氧氬比越小,沉積速率越大。濺射功率增加,沉積速率變大。(2)研究了制備參數(shù)對Ti02薄膜透射率、折射率、消光系數(shù)和光學帶隙等光學特性的影響,發(fā)現(xiàn)薄膜的平均透射率在制備溫度為300℃時達到最大,溫度降低或者升高透射率都有所降低。沉積壓強增加,平均透射率變大。60 min-150min沉積時間內(nèi),平均透射率在90 min最小。氧氬比降低,平均透射率降低。濺射功率增加平均透射率增加。Ti02薄膜的折射率隨著沉積溫度升高、沉積壓強降低、氧氬比增加和濺射功率增加而增加。60 min-150 min沉積時間內(nèi),折射率在120 min最大。低折射率銳鈦礦Ti02薄膜的優(yōu)化制備條件為：沉積溫度：100℃；壓強：3.0 Pa；氧氬比：1：6；時間：90 min；功率：295 W550 nm處薄膜的折射率為2.06。TiO2薄膜消光系數(shù)在大于400 nm的波長范圍內(nèi)為零,為透明無吸收薄膜。光學帶隙在制備溫度為300℃時最大,隨著沉積壓強、沉積時間增加、氧氬比降低和濺射功率增加,薄膜的光學帶隙由小變大。500℃退火后的Ti02薄膜的結(jié)晶性變好,透射率降低,折射率變大,光學帶隙變大。(3)對比研究了EFMS與DMS技術,研究了EFMS技術中過濾電極對薄膜的影響,發(fā)現(xiàn)EFMS技術制備的Ti02薄膜表面較DMS技術平整、均勻,平均晶粒尺寸小,折射率高,光學帶隙增加。DMS技術制備的Ti02薄膜光學帶隙為3.04 eV,而EFMS技術制備的Ti02薄膜光學帶隙為3.22 eV。隨著過濾電極目數(shù)的增加,薄膜的結(jié)晶性變?nèi)?表面晶粒尺寸變小,沉積速率降低,平均透射率變小,折射率增加,光學帶隙增加。(4)研究了制備參數(shù)對Ti02薄膜光催化性能的影響,找到最佳光催化性能的制備條件,分析了光催化反應機理。發(fā)現(xiàn)參數(shù)為100℃、3.0 Pa、90 min、1:6和295 W制備的Ti02薄膜具有最好的光催化活性,對RhB的光催化降解速率為-0.0034 min-1。EFMS技術中用60目和120目電極制備的Ti02薄膜的光催化降解速率增加,分別為-0.00493 min-1、-0.00486 min-1,目數(shù)繼續(xù)增加,Ti02薄膜的光催化性能降低。(5)研究了摻雜不同比例的A1203對Ti02薄膜的結(jié)構(gòu)、光學特性和光催化性能的影響,發(fā)現(xiàn)摻雜后薄膜的結(jié)晶性變差,沉積速率增加,折射率降低,光催化活性有所降低,分析了機理及原因。(6)利用DMS和EFMS技術制備了折射率梯度變化的Ti02薄膜。結(jié)合表層Ti02薄膜的折射率和光催化性能,確定表層薄膜的制備條件為100℃、3.0 Pa、1：6和295 W。根據(jù)光學設計原理計算出底層高折射率Ti02薄膜需滿足的條件,選擇過濾電極為460目的EFMS技術制備底層薄膜,將各層材料的折射率輸入TFC膜系設計軟件,設計出滿足要求的減反射薄膜。根據(jù)設計結(jié)果制備了單質(zhì)Ti02單層、雙層減反射薄膜,摻雜A1203的Ti02單層、雙層減反射薄膜,表征并分析了薄膜的減反射及自清潔特性。結(jié)果表明雙層減反射薄膜的減反射和自清潔特性均優(yōu)于單層薄膜,同質(zhì)Ti02雙層減反射薄膜在400 nm-800 nm的平均透射率為89.1%,降解速率為-0.00337 min-1,氙燈光照30 min后接觸角為8°,表層為摻雜A1203的Ti02薄膜的雙層減反射薄膜的平均透射率為85.4%,降解速率為-0.000496 min-1,光照30 min后接觸角為29.5°。太陽能電池表面的應用表明,同質(zhì)Ti02雙層減反射薄膜對電池效率的影響最小,具備較好的光催化活性。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O484.1

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本文編號：1297319