一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法与流程

本发明涉及航天，具体涉及一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法。

背景技术：

1、在月球探测任务中，利用太阳能电池阵发电是在轨主要的动力来源。在月面实际探测任务中，发动机羽流溅起的月尘是太阳能电池阵表面最大的污染来源。月尘沉积在太阳能电池表面后，会阻止太阳光进入太阳能电池，并会引起太阳能电池阵过热，导致发电效率严重降低。在apollo任务的月球漫游车上和航天器上的太阳能电池，月尘沉积后，导致表面温度上升到82℃，远超过其安全工作温度范围。

2、对于太阳能电池表面的月尘防护，cn 111471995 a通过化学刻蚀的方法实现了铝基底表面的月尘防护涂层，但涂层不是透明的，且金属基底与太阳能电池表面基底的月尘防护有极大差异，除此之外，化学刻蚀方法无法应用于大面积的太阳能电池基底；cn113731772 a采用溶胶凝胶法制备了一种月尘防护的自清洁增透薄膜，通过二氧化硅溶胶与二氧化硅分散液混合后制备溶液，将其旋涂于太阳能电池表面，但并未进行防尘效率测试，月尘颗粒的粒径远小于水滴直径，单一的接触角并不能反应防尘性能，且空间环境适应性也并未说明；cn 203300671 u公开了一种太阳能电池月尘防护装置，但该装置需要在轨能源供给才能实现月尘防护，不属于被动防护技术；cn 112885504 a公开了一种具有规则倒金字塔结构的月尘防护薄膜，其基底为铝金属，该防护薄膜具有导电不透明特性，无法应用于太阳能电池。

3、因此需要为太阳能电池表面设计一种月尘防护涂层，在月球表面不消耗能量的情况下保证太阳能电池免受月尘沉积影响，保障月面活动能源供给正常。

4、此外，在以往的研究中，由于软着陆过程羽流溅起的月尘沉积速率和沉积质量无法定量计算，使得月尘防护效率实验也无法根据实际在轨数据进行测试。因此，提出一种新的太阳能电池表面月尘防护涂层的防尘效率评价方法也成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、因此，本发明的主要目的在于提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层及其制备方法和防尘效率评价方法，能够在月面环境下无外界能源供给的条件下实现月尘的防护，使得太阳能电池能在轨正常工作，保障后续载人探月及月面长期驻留任务中的月面长期活动过程中的能源供给。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层，包括层叠设置的月尘防护层和粘附层，其中：

4、所述月尘防护层的原料包括含氟硅溶胶和溶剂，；

5、所述粘附层的原料包括聚二甲基硅氧烷、固化剂和溶剂。

6、进一步地，所述粘附层的原料中，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为1：10～12，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量之和占粘附层原料总质量的4％～6％，溶剂为乙烷。

7、优选地，所述粘附层的原料中，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为1：12，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量之和占粘附层原料总质量的5％，溶剂为乙烷。

8、进一步地，在所述月尘防护层的原料中，所述含氟硅溶胶的质量百分比为0.4～0.6％，溶剂为乙醇、乙酸乙酯和去离子水的混合物，质量比为96～98：0.1～0.5：2.0～3.0。

9、优选地，在所述月尘防护层的原料中，所述含氟硅溶胶的质量百分比为0.4％，溶剂为乙醇、乙酸乙酯和去离子水的混合物，质量比为97.5：0.1：2.0。

10、进一步地，所述含氟硅溶胶由甲基三甲氧基硅烷和十三氟辛基三甲氧基硅烷水解缩聚获得。

11、进一步地，所述月尘防护涂层的厚度为250～350nm，粗糙度为30～60nm。

12、优选地，所述月尘防护涂层的厚度为300nm，粗糙度为30nm。

13、第二方面，本发明提供所述的太阳能电池表面月尘防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

14、(1)太阳能电池片表面预处理：太阳能电池片表面依次进行酒精擦拭、去离子水清洗、氧等离子体处理，然后将其放入真空系统中静置；

15、(2)浸渍提拉法制备粘附层：将步骤(1)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的粘附层原料溶液中，向上提拉，在太阳能电池片表面形成粘附层，然后将其放入真空系统中静置；

16、(3)浸渍提拉法制备月尘防护层：将步骤(2)处理后的太阳能电池片浸没在配制好的月尘防护层原料溶液中，向上提拉，在粘附层表面形成月尘防护层，然后将其放入真空系统中干燥。

17、进一步地，步骤(1)中，酒精擦拭的次数为3～6次，去离子水清洗的次数为3～6次，氧等离子体处理的时间为2～3min，真空系统的压强为10-4pa，静置时间为1～2h；

18、优选地，步骤(1)中，酒精擦拭的次数为4次，去离子水清洗的次数为4次，氧等离子体处理的时间为2min，真空系统的压强为10-4pa，静置时间为2h。

19、进一步地，步骤(2)中，提拉的速度为10～15mm/min，提拉次数为2～3次；真空系统温度为50～70℃，压强为10-4pa，静置时间为40～60min；

20、优选地，步骤(2)中，提拉的速度为10mm/min，提拉次数为2次；真空系统温度为70℃，压强为10-4pa，静置时间为40min。

21、进一步地，步骤(3)中，提拉的速度为10～15mm/min，提拉次数为2～5次；真空系统温度为30～50℃，压强为10-4pa，干燥时间为10～15h。

22、优选地，步骤(3)中，提拉的速度为10mm/min，提拉次数为2次；真空系统温度为30℃，压强为10-4pa，干燥时间为10h。

23、第三方面，本发明提供一种太阳能电池表面月尘防护涂层的防尘效率评价方法，实验在安装有月尘均匀洒尘装置的真空系统中进行，实验过程中真空系统的温度保持30～35℃，所述防尘效率评价方法包括以下步骤：

24、1)将一定质量的月尘放入均匀洒尘装置的月尘承载盘中；

25、2)将涂有月尘防护涂层的样品放入月尘承载盘正下方，系统抽至10-4pa真空；

26、3)打开洒尘装置，将月尘均匀洒在样品表面；

27、4)将样品表面平均分割为13个子区域，编号1～13；

28、5)通过相机拍摄真空系统内洒有月尘的防护涂层表面，判断月尘均匀沉积且铺满样品表面后继续实验，若判断月尘不均匀沉积或未铺满样品，则更换样品后重复步骤1)～3)，直到月尘均匀沉积为止；

29、6)将样品进行离心旋转；

30、7)离心旋转后将样品进行翻转，翻转后保持，然后拍摄样品表面的月尘残留图片；

31、8)判定拍摄翻转后的样品表面的月尘残留不再变化，以及单个子区域前后月尘残留个数不随翻转而变化，则对月尘残留的图片进行防尘效率分析；

32、9)对不同子区域未覆盖和覆盖月尘的区域进行阈值判定筛选，确定出不同子区域内的月尘覆盖区域；

33、10)根据计算出样品表面的月尘防护效率η，其中表示实验后1～13子区域内月尘所占的像素数，n1～n13表示1～13子区域的总像素数。

34、进一步地，步骤6)中，离心旋转的转速为1300～1500r/min，单次旋转时长为10～20s，旋转次数为2～4次；步骤7)中，翻转角度为45°～60°，翻转后保持1～3min。

35、优选地，步骤6)中，离心旋转的转速为1300～1500r/min，单次旋转时长为10s，旋转次数为3次；步骤7)中，翻转角度为45°，翻转后保持1min。

36、进一步地，步骤5)中，月尘均匀沉积的判断依据为：样品表面13个子区域上的月尘颗粒数两两互相相差1％以内；月尘铺满样品表面的判断依据为：单个子区域上月尘颗粒占子区域面积为100％。

37、本发明技术方案，具有如下优点：

38、1、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层，可实现太阳能电池在月面环境下的月尘防护，比未涂覆月尘防护涂层的太阳能电池片的月尘防护效率提高了66.3％，使得月尘不会长期沉积在太阳能电池表面引起太阳能电池过热、遮蔽太阳能电池的光吸收率，降低发电效率。该月尘防护涂层与太阳能电池基底的结合力强，且具有良好的月球表面环境适应能力，可以实现在轨长期使用，具有较长的使用寿命，极大节约了成本。

39、2、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层具有高透光率，不会影响到太阳能电池本身的光接收效率，即实现了不影响太阳能本身吸光率的同时，兼顾了月尘防护效果。对于可见光、紫外光和红外光的透过率比没有月尘防护涂层的透过率分别提高了2.28％、0.64％和3.14％。

40、3、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层厚度为300nm左右，具有质量轻的优点；含氟硅溶胶形成5～10nm的氟硅颗粒聚集体，用于构造月尘防护涂层的微纳结构，粗糙度在30nm左右，远小于月尘颗粒平均粒径，可以实现极小粒径月尘颗粒的防护。

41、4、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层具有良好的耐高温性能，在300℃以内性能不变；具有良好的耐电子(30kev下30h)和紫外辐射性能(395nm波长下32h)；且耐磨性良好。

42、5、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层属于被动防护涂层，不需要在轨进行能源供给，是一种节能的防护方法。

43、6、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层的制备采用浸渍提拉法，可以用于大面积不规则的防护表面，对后续的工程应用具有极大的支撑作用。

44、7、本发明提供的太阳能电池表面月尘防护涂层的防尘效率评价方法，可以实现精度高达1μm的月尘颗粒的效率评价，而称重法得出的防尘效率中未考虑到粘附到表面的细微颗粒，故本发明提出的新方法极大提高了防尘效率精度。