用于增强可靠性的涂层材料和方法与流程
相关申请案的交叉引用
本申请要求保护下列临时申请的权益，其据此通过引用整体并入：2014年7月14日提交的相同名称的美国临时申请62/024,440。本申请要求保护2014年9月19日提交的名称为opticalenhancingdurableanti-reflectivecoating的美国专利申请14/491,259的权益，其据此通过引用整体并入。
背景
领域：
本公开总体上涉及薄膜溶胶-凝胶涂层的领域并且尤其涉及诸如玻璃或太阳能电池板的基板上的涂层。
相关领域描述：
对于光伏(pv)太阳能组件的重要可靠性问题是电势诱发衰减(pid)。pid由环境(热、湿度)与pv太阳能组件内的元件之间的相互作用引起，其导致pv太阳能组件的输出功率随时间推移而衰减。人们通常认为在组件的电压电势和泄漏电流驱动组件内介于半导体材料和组件的其它元件(例如玻璃、支架和框架)之间的离子迁移时发生pid，引起组件的功率输出能力衰减。离子迁移随湿度、温度和电压电势而加速。试验已经揭示了迁移率与温度和湿度的关系，pingel,s.等人“potentialinduceddegradationofsolarcellsandpanels.”2010年第35届ieee光伏专家会议(pvsc)。一些研究已经鉴定了在pv太阳能电池板中用作正钠离子和可能是pid主要原因的其它金属离子的来源的钠钙玻璃；schutze,m.等人“laboratorystudyofpotentialinduceddegradationofsiliconphotovoltaicmodules.”2011年第37届ieee光伏专家会议(pvsc)；hacke,peter等人“systemvoltagepotential-induceddegradationmechanismsinpvmodulesandmethodsfortest.”2011年第37届ieee光伏专家会议(pvsc)。
一般而言，可以通过将组件上由高电势诱发的泄露电流减到最小而降低对pid的敏感性。已有两种方法用于降低对pid的敏感性。首先，已经证实用于将玻璃与太阳能电池和背板粘合的包封材料对pid具有显著影响。对水分侵入的抗性低或电阻低的包封材料如乙烯-乙酸乙烯酯(eva)特别成问题。因此，pv组件制造商已经试验了先进包封材料如来自dowchemical的enlighttm聚烯烃，将其配制以消除pid。然而，这些材料往往比更有pid倾向的竞争材料如eva明显更昂贵。第二，研究已经证实施加到pv电池本身的抗反射、钝化涂层可以具有显著效果。这已产生了使用有时包括增加密度和/或厚度的方法设计可以降低pid效应的保护性电池涂层，如无孔隙的氮化硅电池涂层的方法。氮化硅改性的一个并发问题是它也使折射率次优化或使工艺控制和成本复杂化。增加氮化硅厚度增加了成本并且也可降低总体组件转换效率。
美国专利申请第13/690,954号教导覆盖至少一部分框架和至少一部分玻璃板的疏水性涂层可有助于防止pid。同样tatapudi,s.r.v.(2012)“potentialinduceddegradation(pid)ofpre-stressedphotovoltaicmodules:effectofglasssurfaceconductivitydisruption”(硕士论文)。arizonastateuniversity,tempearizona，教导疏水性但高透过率的表面涂层(如特富龙(teflon))可以通过使具防水性的框架/边缘改性而破坏玻璃的表面导电性。
几个参考文献讨论防止或阻碍钠迁移出钠钙玻璃的钠屏障以解决几个问题。美国专利第8,217,261号教导了介于cigspv太阳能组件中的钠钙玻璃和钼电极层之间的溅射或溶胶-凝胶沉积sio2屏障层。该屏障层防止过多的钠迁移到制造期间由热处理而产生的cigs吸收层内。nocuń,marek等人“sodiumdiffusionbarriercoatingspreparedbysol–gelmethod”,opticaapplicata，第xxxviii卷，第1期，2008，描述了各种旋涂溶胶-凝胶屏障层，其设计用于保护用于一些电子设备中的锡或铟导电透明薄膜层免于钠从玻璃基板迁移。yan,yanfa等人“sio2asbarrierlayerfornaout-diffusionfromsoda-limeglass”2011年第37届ieee光伏专家会议(pvsc)，发现溅射sio2层可以是掺杂f的sno2涂层钠钙玻璃的有效钠屏障，正如商用cdte薄膜pv太阳能组件制造商用于防止由于在550℃至650℃下热处理而引起的钠外扩散那样。rose,doug等人“massproductionofpvmoduleswith18％total-areaefficiencyandhighenergyperpeakwatt,”2006年第4届ieee国际光伏能源转换会议的会议记录，声明由saintgobainglass制造的称为pv-lite的4层溅射抗反射涂层防止碱金属从玻璃浸出，其可引起玻璃表面衰减。hacke,peter等人“test-to-failureofcrystallinesiliconmodules,”2010年第35届ieee光伏专家会议(pvsc)，发现在玻璃上具有ar涂层的组件在用负偏压的整个pid试验中表现出比那些没有此类涂层的组件更好的功率保持并且表明这与在薄膜组件中使用用于将引起衰减的钠迁移减到最低的氧化物屏障层一致。hacke,peter等人“characterizationofmulticrystallinesiliconmoduleswithsystembiasvoltageappliedindampheat,”第二十五届欧洲光电太阳能会议(eupvsec)2010，发现具有添加的sio2屏障的钠钙玻璃，正如薄膜pv工业用于减少钠迁移那样，以中间方式表现(与没有此类屏障的玻璃相比)，但是在负偏压pid试验中仍显示出显著衰减。该文件推断电阻越高的包装将越有助于降低电解和离子迁移相关的衰减，这可以通过选择包括玻璃及其涂层、包封剂和框架来控制。
对于pv太阳能组件可靠性而言pid仍然是一个重要问题。因此如果存在低成本的材料和方法用于消除pid而对太阳能转换效率无不利影响，将是有利的。
概述
本公开提供了用于涂布pv太阳能组件内的玻璃的材料和方法，以便阻碍、减少或消除作为pid原因的离子，尤其是碱金属离子并且最尤其是钠离子从玻璃向组件其余部分的移动。涂层的几种性质单独地或组合地起作用以提供这种益处。
在一些实施方案中涂层增加了玻璃外侧的表面电阻并因而起到降低穿过玻璃的泄露电流的流量的作用。表面电阻的增加可通过使用防水或疏水性涂层，或抗污、防尘和防污涂层实现，所述涂层减少通过表面污染物例如水、盐类沉积物、污垢沉积物或这些成分中的一些或全部的组合的泄露电流。
在一些实施方案中涂层可包封表面并且阻碍、减少或消除液态水、水蒸汽和其它化学药品进入玻璃。例如，pv太阳能组件表面上的水根据污染程度例如大气co2或so2可为酸性或碱性，或可具有工业污染物如水泥粉尘和多样且未知组成的风载微粒，或地质条件如碱湖沉积物和火山灰。此外，含有高浓度溶解盐的海雾和烟雾也可以沉积在pv太阳能组件的表面上。这些表面化学物质，如果允许在玻璃上凝结或接触玻璃，则可以增加玻璃内的离子迁移率和离子从玻璃的浸出。在一些实施方案中玻璃外侧被涂布，或内侧被涂布或两侧均被涂布。
有利的是涂层本身由大体上不含碱金属离子的材料组成。
包封玻璃表面的涂层放置在内侧时可特别有益，因为人们通常认为离子最容易从玻璃的内表面到达pv太阳能电池。水分可以通过pv太阳能组件背板、包封剂边缘和终端如经由接线盒途径通过扩散而到达该表面。虽然pv太阳能组件背板可以是玻璃(在所谓的“玻璃-玻璃”组件中)，但是出于成本原因它们通常由聚合物材料制成，如来自dupont的
在一些实施方案中玻璃内侧的涂层起到离子迁移屏障的作用，使得离子无法穿过涂层或离子陷入或固定在涂层内。
离子迁移率和移动方向受介于太阳能电池和通常存在于组件框架上的地电势之间的电场调节。在一些实施方案中涂层起到在玻璃外侧和内侧产生等势的作用。如果玻璃的外表面和内表面处于相同电势，则在玻璃内不存在电场来帮助离子移动。此外，玻璃的外表面，由于它和接地组件框架之间有许多低电阻通路，所以可接近于地电势。因此，如果玻璃的内表面与外表面电气性连接，则玻璃内侧的电势也将接近于地电势。这基本上去除了将离子驱逐出玻璃横截面的电动势。在一些实施方案中将导电涂层施加在玻璃的内表面并且另外可施加在玻璃的外表面并且另外可施加在玻璃的边缘上。使用与典型透明导体相关的组合物，涂层的薄层电阻低于约1010ω/□，介于约106ω/□和约103ω/□之间及介于约200ω/□和约5ω/□之间。薄层电阻也被认为是ω/sq或ω/平方并且仅仅意在作为薄层电阻，而非体电阻。
本公开还提供了涂层组合物，其包含由包含聚倍半硅氧烷、溶剂、任选催化剂和任选其它添加剂的溶胶形成的凝胶，其中所述涂层组合物在溶剂蒸发后转化成干凝胶，随后使干凝胶固化在玻璃基板上形成具有诸如硬度、折射率、表面接触角及离子和水渗透性等性质的所需组合的涂层。
在一些实施方案中，所述涂层组合物包括具有式a的溶胶的组合：
rsi(oh)2o0.5]a[rsio1.5]b[rsi(oh)o]c[r’si(oh)2o0.5]m[r’sio1.5]n[r’si(oh)o]p[sio2]w[si(oh)o1.5]x[si(oh)2o]y[si(oh)3o0.5]z
在化学结构a中，r独立地为甲基或任选被取代或未被取代的c2-c10烷基、被取代或未被取代的c3-c20环烷基、被取代或未被取代的c1-c10羟烷基、被取代或未被取代的c6-c20芳基、被取代或未被取代的c2-c20杂芳基、被取代或未被取代的c2-c10烯基、被取代或未被取代的羧基、被取代或未被取代的(甲基)丙烯酰基、被取代或未被取代的缩水甘油醚基团或其组合；r’为氟取代的c3烷基或任选c4-c10烷基、氟取代的c3-c20环烷基、氟取代的c1-c10羟烷基、氟取代的芳基、氟取代的c2-c20杂芳基、氟取代的c2-c10烯基、氟取代的羧基、氟取代的(甲基)丙烯酰基、氟取代的缩水甘油醚基团或其组合；并且0<a，b，c，w，x，y，z<0.9，0≤m，n，p<0.9及a+b+c+m+n+p+w+x+y+z＝1。
在一些实施方案中，所述涂层组合物的组成基于溶剂的精确选择、ph、溶剂与水的比率及溶剂与硅烷的比率，其允许所得溶胶很长一段时间保持稳定，在其化学或物理特征上不表现出变化。在一些实施方案中，所述涂层组合物的组成基于控制涂层组合物中不同硅烷的精确量和/或比率。涂层组合物中硅烷的量可用于控制涂层的最终组成和厚度，而涂层组合物中不同硅烷的比率可用于调整其它性质。
本公开还提供了用于施加涂层和使用此类涂层的方法。在一些实施方案中，处理基板的方法包括基于洗涤、化学处理、蚀刻和/或抛光或清洁步骤等的组合的基板预处理，其使得溶胶与玻璃表面更好地相互作用，以产生厚度范围为50nm至20μm的涂层。之后，在一些实施方案中，所述方法包括将溶胶施加到玻璃基板的表面并且使溶胶胶凝以形成具有所需性质的涂层。用于退火或钢化、浮法或压花玻璃或其它种类的玻璃基板的预处理方法可具有相似特性。在一些实施方案中，向基板施加溶胶包括浸涂、流涂、辊涂、喷涂和狭缝模具式涂布，导致溶胶均匀沉积以形成平坦、均匀且无裂纹的涂层。在一些实施方案中，所述方法包括在介于100℃至约300℃和介于约100℃至约500℃和介于约100℃至约700℃的特定热条件下并且在商业玻璃钢化工艺下热处理涂层制品以形成强力附着到基板上，无裂纹和/或分层的硬质、化学耐久性涂层。
在一个实施方案中，本公开包括抗pid的光伏太阳能组件。该组件包括具有涂层的前盖玻璃、第一层包封剂、至少一个光伏太阳能电池、第二层包封剂和后盖板，其中具有涂层的前盖玻璃当与没有涂层的相同前盖玻璃相比时，具有抗反射性、疏水性和增强的离子迁移阻断性；并且其中所述前盖玻璃在选自正面、背面和至少一个边缘的至少一个表面上被涂布。
另一个实施方案是一种制造抗pid的光伏太阳能组件的方法。该方法包括以下步骤：(i)制备含有具有下式的溶胶的组合的涂层组合物：
rsi(oh)2o0.5]a[rsio1.5]b[rsi(oh)o]c[r’si(oh)2o0.5]m[r’sio1.5]n[r’si(oh)o]p[sio2]w[si(oh)o1.5]x[si(oh)2o]y[si(oh)3o0.5]z
其中r独立地为甲基或任选被取代或未被取代的c2-c10烷基、被取代或未被取代的c3-c20环烷基、被取代或未被取代的c1-c10羟烷基、被取代或未被取代的c6-c20芳基、被取代或未被取代的c2-c20杂芳基、被取代或未被取代的c2-c10烯基、被取代或未被取代的羧基、被取代或未被取代的(甲基)丙烯酰基、被取代或未被取代的缩水甘油醚基团或其组合；r’为氟取代的c3烷基或任选c4-c10烷基、氟取代的c3-c20环烷基、氟取代的c1-c10羟烷基、氟取代的芳基、氟取代的c2-c20杂芳基、氟取代的c2-c10烯基、氟取代的羧基、氟取代的(甲基)丙烯酰基、氟取代的缩水甘油醚基团或其组合；并且0<a，b，c，w，x，y，z<0.9，0≤m，n，p<0.9及a+b+c+m+n+p+w+x+y+z＝1。该方法还包括以下步骤：(ii)预处理盖玻璃板；(ii)在选自所述盖玻璃板的正面、背面和至少一个边缘的至少一个表面上用所述涂层组合物涂布所述盖玻璃板；(iii)加热所述盖玻璃板以固化所述涂层；并且
(iv)组装所述光伏太阳能组件。
另一个实施方案是一种抗pid的光伏太阳能组件。该组件包括抗pid的光伏太阳能组件，太阳能组件包括：
具有涂层的前盖玻璃，所述涂层包含具有下式的溶胶的组合：
rsi(oh)2o0.5]a[rsio1.5]b[rsi(oh)o]c[r’si(oh)2o0.5]m[r’sio1.5]n[r’si(oh)o]p[sio2]w[si(oh)o1.5]x[si(oh)2o]y[si(oh)3o0.5]z
其中r独立地为甲基或任选被取代或未被取代的c2-c10烷基、被取代或未被取代的c3-c20环烷基、被取代或未被取代的c1-c10羟烷基、被取代或未被取代的c6-c20芳基、被取代或未被取代的c2-c20杂芳基、被取代或未被取代的c2-c10烯基、被取代或未被取代的羧基、被取代或未被取代的(甲基)丙烯酰基、被取代或未被取代的缩水甘油醚基团或其组合；r’为氟取代的c3烷基或任选c4-c10烷基、氟取代的c3-c20环烷基、氟取代的c1-c10羟烷基、氟取代的芳基、氟取代的c2-c20杂芳基、氟取代的c2-c10烯基、氟取代的羧基、氟取代的(甲基)丙烯酰基、氟取代的缩水甘油醚基团或其组合；并且0<a，b，c，w，x，y，z<0.9，0≤m，n，p<0.9及a+b+c+m+n+p+w+x+y+z＝1。该组件还包括具有置于光伏太阳能电池表面的至少一层包封剂的至少一个光伏太阳能电池和后盖板，其中具有涂层的前盖玻璃当与没被涂布的相同前盖玻璃相比时，具有抗反射性、疏水性和增强的离子迁移阻断性；并且其中所述前盖玻璃在选自正面、背面和至少一个边缘的至少一个表面上被涂布。
从下面对优选实施方案的详细描述和附图看，本公开的这些和其它系统、方法、目的、特征和优点将对本领域的技术人员显而易见。
本文提到的所有文件据此通过引用整体并入。除非另有明确规定或从上下文清楚，否则以单数形式提到物品应被理解为包括复数形式的物品，并且反之亦然。除非另有规定或从上下文清楚，否则语法连词旨在表达所连分句、句子、词等的任何及所有转折和连接组合。
附图说明
图1示出了pv太阳能组件一部分的横截面示意图。
图2示出了实验结果，证明相对于pv太阳能组件盖玻璃正面上的亲水性抗反射涂层和无涂层，疏水性抗反射涂层的pid抗性增强。
图3示出了实验结果，证明相对于无涂层和仅在pv太阳能组件盖玻璃正面上的涂层，pv太阳能组件盖玻璃背面上的涂层的pid抗性增强。
详述
图1示出了整个典型pv太阳能组件的横截面视图。该组件的证明，也称为“阳”面，在图的上部而背面在图的下部。该组件被构造成以盖玻璃10、包封材料13、pv太阳能电池14和背板15开始的堆叠层。该组件的边缘可容纳在经一层硅酮密封剂、丁基橡胶或复合胶带12粘附的金属框架11内。根据需要或如本文作为一层或两层或更多层所述，包封材料或包封剂13可包括一层或多层包封剂。
操作期间，即pv太阳能组件被太阳照射时，可在pv太阳能电池14和框架11之间保持高达1500vdc的高压20。这样在整个pv太阳能组件上产生了强烈且恒定的电场21。这种恒定电场为盖玻璃内的离子16提供动力朝着pv太阳能电池14移动。人们认为这些离子当到达pv太阳能电池14并与之相互作用时是pid的主要原因。
在实施方案中可将涂层17施加到盖玻璃10的外表面，或者可将涂层18施加到盖玻璃10的边缘表面，或者可将涂层19施加到盖玻璃10的内表面或者可将这些涂层17、18和19呈任何组合施加，例如仅涂层17，或仅涂层17和19或仅涂层18和19等。
现转到涂层可如何用于减少或消除pid，研究中已经证实盖玻璃10正面上的导电性增加可促成pid。通常清洁干燥的玻璃具有低导电性，然而水的存在，尤其是受污垢、粉尘和溶解或沉积的盐污染可增加玻璃表面的导电性和/或降低玻璃的表面电阻率。因此，用于盖玻璃外表面减少表面积累的污垢、粉尘或盐的量或防止水分附着于表面的涂层17也可以有利于降低pid。另外，涂层如果当与低铁钠钙玻璃相比时表现出高表面电阻率，则可更有利。具有疏水性、超疏水性和或疏油性的涂层可用于提供此类功能性。可根据本公开的方法通过选择并入了有机r基团(如烷基、苯基)、脂肪族饱和有机基团(如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、环己基)的硅烷前体来制备具有这些性质的硬质、耐久性涂层。这些也可包括脂肪族不饱和有机基团如乙烯基、烯丙基、丁烯基、戊烯基、己烯基和乙炔基、丙炔基、丁炔基。有机r基团可包括芳香族基团。芳香族基团可选自诸如苯基、苄基、二甲苯基、苯乙烯基、萘基、1-苯乙基、甲苯基、乙基苄基和2-苯乙基等基团以产生持久疏水性涂层。选择具有氟-碳基团、3,3,3-三氟丙基、氟甲基、2-氟丙基、4,4,4-三氟丙基、4,4,4,3,3-五氟丁基、5,5,5,4,4,3,3-七氟戊基、6,6,6,65,5,4,4,3,3-九氟己基和8,8,8,7,7-五氟辛基的硅烷前体可用于增加疏油性。添加剂如胶体氧化硅、碳纳米管、巴克敏斯特富勒烯c60和c70(buckminsterfullerenec60和c70)可用于设计特定表面纹理，这也可增加疏水性。一般而言涂层的表面能越低，涂层疏水性越高，并且因此也会降低被涂布的盖玻璃10的表面电阻率。
人们认为水与玻璃表面的相互作用，可能因源自包封剂的酸如乙酸的存在而增强。盖玻璃10内侧上的eva或由大气co2和so2产生的，或由外侧上的沉积海盐增加的碳酸或硫酸，可促成碱金属离子16如钠离子等从盖玻璃10内迁移动并渗出。因此消除或减少水与盖玻璃10表面之间的接触的涂层可有利于降低pid。疏水性进一步增强的硬质、致密、无孔或孔隙最少的涂层可用于提供这种功能性。因为水可以更容易地移动通过pv太阳能组件背板15，所以水可以接触盖玻璃10的内表面和边缘。因此可将这种涂层施加到盖玻璃10的整个表面或仅选定的表面。可根据本公开通过选择具有小的有机r基团或无有机r基团的硅烷前体并通过增加材料内的交联以增加密度来制备具有这些性质的涂层。这可以通过选择具有高硅醇官能度的前体来实现。可通过在介于100℃至约300℃和介于约100℃至约500℃和介于约100℃至约700℃的温度下并且在商业玻璃钢化工艺下热处理而进一步增加密度。
硬质致密涂层也可作为离子迁移的简单屏障。可通过增加将碱金属离子捕获或螯合在涂层内并防止其进一步迁移的功能来增强涂层的屏障性质。本公开的涂层材料可包括离子交换树脂如聚磺苯乙烯、磺化聚膦腈或其它磺化聚合物或螯合化合物如含硫醇的或四齿席夫碱配体(schiffbaseligand)，其在pv太阳能组件的有效寿命中对离子具有强亲和性并将离子捕获在涂层中或阻碍它们迁移通过涂层。
离子的动力是在接地框架11和pv太阳能电池14之间发展的电场。操作期间当pv太阳能组件被照射时，在pv太阳能电池14和地之间可存在高达1500vdc20的电势差。一般而言，盖玻璃10的外表面将处于接近框架电势并接近地电势的电势。因此电场21延伸通过盖玻璃10到达pv太阳能电池14。玻璃内的碱金属和碱土金属离子如na+、mg++和ca++暴露于该场并且随时间推移可以移动通过并移出盖玻璃10并且通过包封材料13或包封剂到达pv太阳能电池14，其中它们促成或引起pid。如果可以将电场21从盖玻璃10除去，则将消除离子的主要动力，这样大大减少了可以进入包封材料13并最终转运到pv太阳能电池14的离子数量。因此，施加到盖玻璃10，使得盖玻璃10外侧和内侧上电势接近或相等的涂层17、18和19将消除跨过盖玻璃10厚度的电场21。可根据本公开通过使涂层的电阻率相比盖玻璃10的电阻率低来制备此类涂层。可通过选择前体化学品以在最终涂层中除了硅以外或代替硅，还包括其它非碱金属氧化物来降低涂层的电阻率。例如，具有添加剂sno2、al2o3、si3n4、zro2、hfo2和ce2o3等的涂层，起到增加导电性和使涂层电阻率降低至低于约1010ω/□薄层电阻的作用。这些添加剂可呈细粉，如纳米颗粒形式，少量添加。另外，导电性碳纳米管(cnt)或银纳米线可分散在液体涂层材料中以控制薄层电阻。
在盖玻璃10内侧和外侧上的本公开的涂层17和19分别包含从太阳到pv太阳能电池14的部分光程。因此其光学特征影响光线在该光程上的传输。对于玻璃10外侧上的涂层17而言，期望在350nm至1100nm波长范围内具有介于约1.52和约1.24之间，及介于约1.4和约1.3之间的折射率(ri)。还期望具有介于约50nm至约250nm，和约100nm至约150nm之间，和约120nm±15nm的最终固化涂层厚度。这些ri和厚度值可优化以便通过盖玻璃10进行光传输并且将盖玻璃10外表面的太阳光谱反射减到最小。
对于盖玻璃10内侧上的涂层19而言，期望在350nm至1100nm波长范围内具有的ri匹配盖玻璃10和包封材料13在相同波长范围内的ri。如果盖玻璃10和包封材料13之间在ri上存在差异，则对于涂层19而言期望具有接近通过下式计算的值，其中n为涂层19的ri，n1为盖玻璃10的ri并且n2为包封材料13的ri。
涂层材料19的ri可介于约1.52和约1.45之间及介于约1.52和约1.48之间并且可为1.52±0.02。涂层19的厚度可介于约50nm和约10μm之间，及介于约100nm和约250nm之间，及介于约500nm和约5μm之间，及介于约1μm和约10μm之间。
本公开中的涂层的ri可调节。取纯二氧化硅涂层的基础ri为约1.45，则可通过增加材料的孔隙率降低ri。可通过选择包括影响二氧化硅网络形成方式的有机基团的前体化学品来增加孔隙率；可用直接合成或在配制期间添加的纳米颗粒形成涂层；可包括在热处理步骤期间被烧掉，在形成的涂层中留下孔隙的生孔剂材料(porogenmaterial)。合适的生孔剂包括peo、ppo、二乙烯氧化物、二丙烯氧化物、peg100、200、300、400、600、吐温20(tween20)和吐温80。可通过添加金属氧化物(例如，陶瓷)纳米颗粒如tio2、sno2、al2o3、si3n4、zro2、hfo2、ce2o3等增大涂层的ri。
对于盖玻璃10内侧上的涂层19的另一考虑是涂层19和盖玻璃10之间及涂层19和包封材料13之间的附着。可包括在涂层配制物中促进与包封材料的附着的材料包括甲基芳氧基丙基-、缩水甘油氧丙基-和甲基丙烯酰氨基丙基-三烷氧基硅烷。
一般而言，可使用多个步骤将涂层溶胶施加到指定基板上，例如三个步骤。第一，可清洁并预处理基板。第二，可用溶胶或溶胶混合物涂布基板。第三，在基板上形成最终涂层。
作为初始步骤，可预处理或预先清洁基板以去除表面杂质并且通过产生新生表面或在表面上产生新结合位点而活化表面。期望通过预处理或清洁基板增加基板的表面能以形成“活化”表面。例如活化表面可以是具有许多暴露的si-oh部分的表面。活化表面减小基板的接触角并使得表面上溶胶的有效润湿成为可能。在一些实施方案中，物理抛光或清洁和/或化学蚀刻的组合可足以提供溶胶的均匀润湿。在需要进一步降低表面张力的情况下，可用表面活性剂稀溶液(低分子量表面活性剂如surfynol)；长链醇如己醇或辛醇；低分子量氧化乙烯或氧化丙烯；或商业洗碗机用洗涤剂如cascade、finish或electrasol预处理基板以帮助溶胶更好地散布在玻璃表面。
因此，表面预处理可涉及表面的化学和物理处理的组合。化学处理步骤可包括(1)用溶剂或溶剂组合、洗涤剂、弱碱如碳酸钠或碳酸铵清洁表面和/或(2)连同磨料垫一起用溶剂清洁表面，(3)任选地化学蚀刻表面，和/或(4)用水洗涤表面。物理处理步骤可包括(1)用溶剂或溶剂组合清洁表面，(2)连同微粒磨料一起用溶剂清洁表面，和(3)用水洗涤表面。应认识到，可仅使用化学处理步骤或仅使用物理处理步骤预处理基板。可选地，化学和物理处理步骤两者可呈组合使用。还应认识到，在清洁刷或清洁垫与表面之间摩擦的物理清洁作用是表面准备的重要方面。
在化学处理第一步中，可用具有可变疏水性的溶剂或溶剂组合处理表面。所用典型溶剂为水、乙醇、异丙醇、丙酮和甲乙酮。商用玻璃清洁剂(例如，windex)也可用于这个目的。可单独地用独立溶剂或通过使用溶剂混合物来处理表面。在第二步中，磨料垫(例如，scotchbrite)可使用溶剂在表面上摩擦，注意这可连同第一步一起或在第一步之后单独进行。在最后一步中，可用水洗涤或冲洗表面并干燥。
通过这种方法进行基板准备的一个实例涉及用有机溶剂如乙醇、异丙醇或丙酮清洁表面以去除表面有机杂质、污垢、粉尘和/或油脂(用或不用磨料垫)，接着用水清洁表面。另一个实例涉及用甲乙同清洁表面(用或不用磨料垫)，接着用水洗涤表面。另一个实例基于使用乙醇和丙酮的1:1混合物去除有机杂质，接着用水洗涤表面。
在一些情况下可进行用浓硝酸、硫酸或食人鱼洗液(96％硫酸和30％h2o2过氧化氢的1:1混合物)化学处理表面的任选步骤以使得表面适于与沉积的溶胶粘合。通常这个步骤在最后一步用水冲洗表面之前进行。在一个实施方案中，可将基板置于食人鱼洗液中20分钟，接着浸入去离子水中5分钟。然后可将基板转移到另一个装有新鲜去离子水的容器中并且再浸泡5分钟。最后，可用去离子水冲洗基板并风干。
可选地或另外可通过物理处理来准备基板。在物理处理情况下，对于一个实施方案而言，可经溶剂及清洁刷或清洁垫的机械作用简单地清洁表面，任选地向溶剂中添加表面活性剂或洗涤剂，之后用水冲洗基板并风干。在另一个实施方案中可首先用水清洁表面，之后向基板表面上添加磨料颗粒粉如二氧化铈、二氧化钛、氧化锆、氧化铝、硅酸铝、二氧化硅、氢氧化镁、氢氧化铝颗粒、氮化硅、碳化硅或其组合以在表面上形成浆料或糊剂。磨料可呈粉末形式或者可呈浆料、分散物、悬浮液、乳液或糊剂形式。磨料的粒度可在0.1至10微米间变化并且在一些实施方案中在1至5微米间变化。可经由用垫(例如，scotchbrite垫)、布、泡沫或纸垫摩擦，用磨料浆料抛光基板。可选地，可通过放置在抛光机的转盘上，接着在表面上施加磨料浆料并且当基板在盘上旋转时用垫摩擦来抛光基板。另一种替代性方法涉及使用电动抛光机，其可与磨料浆料组合用作摩擦垫以抛光表面。用浆料抛光的表面可用水清洁并风干。
预处理表面之后，可通过本领域已知的技术，包括浸涂、喷涂、流涂、辊涂或狭缝模具式涂布，使涂层沉积在基板上以在基板上形成均匀涂层。可以使用的其它沉积方法包括旋涂；气溶胶沉积；超声、热或电沉积方法；微沉积技术如喷墨、喷射、静电印刷术；或商业印刷技术如丝网印刷、点阵式印刷等。溶胶的沉积可以在环境条件下或在控制的温度和湿度条件下进行。在一些实施方案中温度控制在20℃和35℃之间和/或相对湿度控制在20％和60％之间或更优选在25％和35％之间。
在一些实施方案中，可通过流涂使溶胶沉积，其中溶胶以一定速率从单个喷嘴分布到移动基板上使得流动溶胶在表面上产生均匀沉积物，或从多个喷嘴分布到固定表面上或从狭缝分布到固定表面上。另一种沉积方法是通过使液体溶胶沉积到基板上，接着使用机械分散剂以使液体均匀散布到基板上。例如，刮板或具有尖锐、界限清楚的、均匀边缘的其它机械装置可用于散布溶胶如辊涂。
所沉积的涂层混合物的厚度可受涂布方法，以及涂层混合物的粘度影响。因此，应选择涂布方法，使得对于任何指定涂层混合物而言获得所需涂层厚度。对于流涂法而言控制平均厚度的临界参数可以是涂层材料的非挥发性固体含量。对于辊涂法而言临界参数可以是涂层材料的非挥发性固体含量、正在涂布的基板的速度及辊的速度和压力。在本公开的实施方案中涂层材料的非挥发性固体含量可介于0.5重量％和约10重量％之间，及介于约0.8重量％和约5重量％之间，及介于约1.4重量％和约3重量％之间。在使用逆转辊涂法的实施方案中，基板的速度可介于约2m/分钟和约12m/分钟之间，及介于约3m/分钟和约8m/分钟之间。施加辊的速度可视为与基板速度的比率，使得可以维持约0.1至约2.00和约0.75至约1.25的基板::辊比率。刮刀辊与施加辊之间的偏差可介于约-0.05mm和约-0.5mm之间并且刮种辊与施加辊之间的偏差可介于约0mm和约-0.5mm之间。施加辊与基板表面之间的偏差可介于约-0.01mm和-0.50mm之间。施加辊的硬度介于约25肖氏(shore)和约50肖氏之间并且介于约30肖氏和约40肖氏之间，全部按肖氏a刻度测量。
存在几种方法，可以通过其使涂层干燥并固化和/或老化以形成最终涂层。在一些实施方案中涂层可在环境或室温条件下干燥和固化。在一些实施方案中，可通过闪干室(flash-offoven)或通过将热风吹过表面或通过施加红外热来干燥涂层。可加热基板表面介于约20秒至10分钟之间和介于约1分钟至5分钟之间的时间至介于约100℃至约300℃之间和介于约150℃至约250℃之间的温度。无论是在环境条件下还是通过闪干干燥，均可通过在介于约100℃至约500℃之间和介于约120℃至约300℃之间和介于约200℃至约300℃之间的温度下，在烘箱内加热介于约5分钟至约60分钟之间和介于约15分钟至30分钟之间的停留时间使涂层固化。一般而言，固化温度越低需要的固化时间越长。最高固化温度可由所需涂层硬度决定，温度越高将产生越硬的涂层并且由基板所加限制决定，如不影响玻璃基板的钢化。在一些实施方案中涂层可在标准玻璃钢化过程中固化。
在以下实施例中描述了溶胶制备的一般程序。这些实施例不应被视为限制性的。
在称为实施例1的实施方案中，通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶i。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加2.87g(0.021摩尔)甲基三甲氧基硅烷。在室温下搅拌混合物约30分钟。通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶ii。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加3.71g(0.021摩尔)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室温下搅拌该混合物约30分钟。将溶胶i和ii混合在一起，接着添加6.39g(0.042摩尔)的四甲氧基硅烷。在室温下搅拌最终混合物约30分钟。使该混合物在环境温度下老化24小时至120小时。
在称为实施例2的实施方案中，通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶i。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加2.87g(0.021摩尔)甲基三甲氧基硅烷。在室温下搅拌混合物约30分钟。通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶ii。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加3.71g(0.021摩尔)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室温下搅拌该混合物约30分钟。将溶胶i和ii混合在一起，接着添加8.8g(0.042摩尔)的四乙氧基硅烷。在室温下搅拌最终混合物约30分钟。使该混合物在环境温度下老化48小时。
在称为实施例3的实施方案中，通过为500ml烧瓶装入354g的ipa和50g的0.04mhcl制备溶胶。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加4.37g(0.0321摩尔)甲基三甲氧基硅烷。在室温下搅拌混合物约30分钟，接着添加7.08g(0.034摩尔)的四乙氧基硅烷。在室温下搅拌最终混合物约30分钟。使该混合物在环境温度下老化48小时。
在称为实施例4的实施方案中，通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶i。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加2.63g(0.0193摩尔)甲基三甲氧基硅烷。在室温下搅拌混合物约30分钟。通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶ii。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加0.284g(0.0013摩尔)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室温下搅拌该混合物约30分钟。将溶胶i和ii混合在一起，接着添加6.24g(0.03摩尔)的四乙氧基硅烷。在室温下搅拌最终混合物约30分钟。使该混合物在环境温度下老化48小时。
在称为实施例5的实施方案中，通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶i。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加2.39g(0.01753摩尔)甲基三甲氧基硅烷。在室温下搅拌混合物约30分钟。通过为500ml烧瓶装入177g的ipa和25g的0.04mhcl制备溶胶ii。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加0.399g(0.00262摩尔)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室温下搅拌该混合物约30分钟。将溶胶i和ii混合在一起，接着添加6.24g(0.03摩尔)的四乙氧基硅烷。在室温下搅拌最终混合物约30分钟。使该混合物在环境温度下老化48小时。
在称为实施例6的实施方案中，通过为500ml烧瓶装入345g的ipa和50g的0.08mhcl制备溶胶。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加9.13g(0.067摩尔)甲基三甲氧基硅烷。在室温下搅拌混合物约30分钟，接着添加13.96g(0.067摩尔)的四乙氧基硅烷。在室温下搅拌最终混合物约30分钟。使该混合物在环境温度下老化48小时。向溶胶混合物中添加10.5ml的1-甲氧基-2-丙醇并搅拌约1分钟。
在称为实施例7的实施方案中，通过为500ml烧瓶装入197g的ipa和140g的0.08mhcl制备溶胶。在室温下按100rpm搅拌约1分钟后，向混合物中添加30.2g(0.288)甲基三甲氧基硅烷。在室温下搅拌混合物约30分钟，接着添加60g(0.288摩尔)的四乙氧基硅烷。在室温下搅拌最终混合物约30分钟。使该混合物在环境温度下老化48小时。
图2示出了实验结果，证明相对于pv太阳能组件盖玻璃正面上的亲水性抗反射涂层和无涂层，疏水性抗反射涂层的pid抗性增强。在这个实验中使用根据实施例3制成的涂层材料辊涂用于制造晶体硅pv太阳能组件的两张30cmx30cm的标准压花低铁钠钙盖玻璃特征的玻璃。涂层厚度为约110nm。涂层在约275℃下硬化30分钟。将这些样品称为“疏水性arc”。再选择两张30cmx30cm的相同玻璃并标记“未经涂布”。将两张30cmx30cm的具有可商购的抗反射涂层且测量的水接触角<10°的相似玻璃标记为“疏水性arc”。使用标准的可商购eva包封剂和背板材料将六张盖玻璃组装成单电池微型组件。使用特制的有pid倾向的156mm多晶硅pv电池。电池位于微型组件中，使得其左上角与盖玻璃的左上角间隔约2.5cm的距离。沿着盖玻璃的上边缘粘贴一条铜胶带。六个微型组件经瞬间高压试验以测量其初始最大功率(pmax)。然后在电池和铜带之间用1000vdc电压使其偏置并放入在85℃和85％rh条件下的恒温恒湿箱内。取出微型组件并进行瞬间高压试验并且在24小时、48小时、72小时和96小时读数时间点记录pmax。
实验结果显示对于具有经疏水性arc涂布的盖玻璃的微型组件而言pid抗性非常明显的增强。平均来说，它们在96小时应力之后保持其初始功率的近60％，而具有经亲水性arc涂布的盖玻璃和未经涂布的盖玻璃的微型组件在24小时应力之后基本上丧失所有功率。
图3示出了实验结果，证明相对于无涂层和仅在pv太阳能组件盖玻璃正面上的涂层，pv太阳能组件盖玻璃背面上的涂层的pid抗性增强。在这个实验中使用根据实施例3制成的涂层材料辊涂用于制造晶体硅pv太阳能组件的六张20cmx20cm的标准压花低铁钠钙盖玻璃特征的玻璃。涂层厚度为约110nm。涂层在约275℃下硬化30分钟。六张中，两张在正面(即pv太阳能组件中通常面对太阳的侧面)被涂布；两张在背面被涂布及两张在正面和背面均被涂布。再选择两张20cmx20cm的相同玻璃并用作未经涂布的对照。使用标准的可商购eva包封剂和背板材料将总共八张盖玻璃组装成单电池微型组件。使用特制的有pid倾向的156mm多晶硅pv电池。八个微型组件经瞬间高压试验以测量其初始pmax。然后在电池和置于微型组件正面上方的一片铝箔之间用1000vdc电压使其偏置。然后将其放入在85℃和85％rh条件下的恒温恒湿箱内。取出微型组件并进行瞬间高压试验并且在12小时、24小时、48小时和96小时读数时间点记录pmax。
实验结果显示相对于无涂层或仅正面有涂层的微型组件，在背面和两面均有涂层的微型组件的pid抗性非常明显的增强。两面和仅背面有涂层的微型组件表现方式相似，全部96小时应力之后保持其初始功率的约50％。仅正面被涂布的微型组件表现比未经涂布的微型组件更好，在24小时应力之后保持其初始功率的约30％，而未经涂布的微型组件在相同读数时间点已经衰减到接近于零功率。用完全覆盖盖玻璃正面的铝箔板进行这项实验。可能疏水性涂层优于未经涂布的玻璃的表面电阻率优势被低电阻箔掩盖。
如本文所述玻璃上用于降低pid效应的涂层可用于放松对pv组件内所含的其它组分的设计和规格限制以产生更好的成本和性能优化的组件。例如，通过提供有效的离子屏障，被涂布的玻璃可允许使用工艺要求放松的氮化硅电池涂层。
对于“玻璃-玻璃”或利用玻璃作为背板材料的双面组件而言，在玻璃背板内表面和/或外表面上有涂层的实施方案可用于以与先前对涂布前盖玻璃所描述的方式相似的方式降低pid效应。提到内侧或外侧或内部或外部上的涂层具有相同含义，与玻璃是在pv组件的前盖(向阳)面还是在背面并用作背板无关。提到盖玻璃的正面类似于背板的背面并且提到盖玻璃的背面类似于背面玻璃的正面。
本文描述的实施方案非常适于进行其它步骤或本文叙述的步骤的变型，并且顺序不同于本文描绘和/或描述的顺序。
应认识到，本说明书全篇提到“一实施方案”或“一个实施方案”意指连同该实施方案描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施方案中。因此，强调并且认识到，在本说明书的不同部分中两次或更多次提到“一实施方案”或“一个实施方案”或“一个替代性实施方案”不一定全部提到的是同一实施方案。此外，特定特征、结构或特性可如其所应在本公开的一个或多个实施方案中合并。
类似地，应认识到在前面对本公开示例性实施方案的描述中，在单个实施方案、附图或其描述中为了使本公开简化，帮助理解各个创新方面中的一个或多个的目的，有时将本公开的各种特征分组在一起。然而，本公开的这种方法不得解释为反映要求保护的公开内容需要比每条权利要求中明确叙述的更多的特征的意图。相反，正如以下权利要求所反映的，创新方面在于少于前面公开的单个实施方案的所有特征。因此，具体实施方式后面的权利要求书据此明确并入该具体实施方式中，每条权利要求独立地作为本公开的单独实施方案。
虽然本公开已经连同详细示出并描述的优选实施方案一起公开，但是对其的各种修改和改进对于本领域的技术人员将变得显而易见。因此，本公开的精神和范围不应受前述实施例限制，而应在法律允许的最广义上来理解。除非本文另有说明或上下文明显矛盾，否则在描述本公开的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)使用术语“一”、“一种(个)”和“所述(该)”及类似指示物应被解释为包括单数和复数。除非另外指出，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。除非本文另有说明，否则本文对值的范围的叙述仅仅旨在用作单独提到属于该范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值并入本说明书中如同本文对其进行单独叙述一样。除非本文另有说明或上下文另外明显矛盾，否则本文描述的所有方法按任何合适的顺序进行。除非另有声明，否则使用本文提供的任何及所有实例或示例性语言(例如，“如”)，仅仅旨在更好地阐明本公开并未对本公开的范围构成限制。不应将说明书中的语言解释为指示任何未要求保护的要素为本公开实践所必需的。
虽然前面的书面描述使得普通技术人员能够制作和使用目前被视为是其最佳模式的那些，但是普通技术人员将理解并且认识到存在本文的具体实施方案、方法和实例的变型、组合和等效物。因此本公开不应受上述实施方案、方法和实例限制，而应受本公开精神和范围内的所有实施方案和方法限制。
本文参考的所有文件据此通过引用并入。
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