囊皮和其制作方法及浮空器与流程

本发明涉及航空航天设备领域，尤其涉及囊皮、该囊皮的制作方法及浮空器。

背景技术：

由于技术和认识上的原因，临近空间的战略价值直到最近几年才引起世界各国的重视也因其显著特点和潜在的军民两用价值而成为各国研究的热点。很多国家目前正纷纷投入大量的经费，积极开展临近空间飞行器的技术与应用研究。目前的临近空间飞行器主要为浮空器，该浮空器包括一个用于提供浮力的囊体及囊体下方悬挂的吊舱。浮空器的能量来源通常为太阳能电池，现有的用于浮空器的太阳能电池通常为设置于吊舱内或悬挂于吊舱外的太阳能电池板，然而，在浮空器需要的能量较大时，通常需要增加太阳能电池板的面积，大大浮空器的总载荷，不利于浮空器在临近空间的长期飞行，而对于目前的临近空间的浮空器来说，在临近空间的飞行时间是制约其应用的瓶颈问题，是浮空器研究中急需解决的问题。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷，本发明旨在提供一种可以减少浮空器载荷的囊皮、该囊皮的制作方法及浮空器。

根据本发明的一方面，提供一种囊皮的制作方法，包括步骤：制作柔性太阳能电池薄膜层；将防护层、阻气层、该柔性太阳能电池薄膜层及载荷承力层依序层叠并热压，制成囊皮，在热压时，该防护层、阻气层、该柔性太阳能电池薄膜层及载荷承力层相邻两层之间均设置有胶体，且该阻气层为透光阻气材料。

在一实例中，制作所述柔性太阳能电池薄膜层的步骤包括：在柔性衬底层 表面镀金属层以形成底电极，该柔性衬底层为柔性金属箔与绝缘阻挡层的复合材料层、或聚酰亚胺层；在底电极上形成光吸收层；在光吸收层上依次制备缓冲层、窗口层、透明导电层、上电极及减反射膜，从而形成柔性太阳能电池薄膜层。

在一实例中，在底电极上形成光吸收层的方法包括：采用电沉积工艺在该底电极上形成光吸收层。

在一实例中，在底电极上形成光吸收层的方法为物理气相沉积法。

在一实例中，当该柔性衬底层为柔性金属箔与绝缘阻挡层的复合材料层时，采用电沉积工艺在该底电极上形成光吸收层的方法包括：；通过热处理工艺将该前驱体形成为光吸收层。

在一实例中，采用电沉积的方法在该底电极上形成前驱体的步骤包括：以该底电极为阴极，以氯化铜、三氯化铟、亚硒酸的水溶液为电沉积液进行沉积，得到前驱体；通过热处理工艺将该前驱体形成为光吸收层的步骤包括：将电沉积的前驱体放入管式炉中，在惰性气体保护气氛下，以8-15℃/min的升温速度升温至430-500℃的温度范围并保温25-40分钟(min)的时间范围，保温结束后停止加热，随炉自然慢冷；冷却到低于45-55℃的温度范围时，关闭氩气，开炉取样，得到形成于底电极上的光吸收层。

在一实例中，该电沉积液中还包括三氯化镓。

在一实例中，该胶体为半固化胶膜或涂覆于胶结面的液态胶体。

在一实例中，所述热压的温度范围为80-180℃，压力范围为0.1-1Mpa。

在一实例中，该阻气层为Tedlar薄膜或PET与石墨烯的复合材料。

根据本发明的另一方面，提供一种浮空器用囊皮，包括依次层叠设置的防护层、第一胶层、阻气层、第二胶层、该柔性太阳能电池薄膜层、载荷承力层、第三胶层、及热封层，其中该阻气层为透光阻气材料。

在一实例中，该阻气层为Tedlar薄膜或PET与石墨烯的复合材料。

在一实例中，该柔性太阳能电池薄膜层为铜铟硒、铜铟镓硒电池薄膜、单晶硅薄膜太阳能电池或多晶硅薄膜太阳能电池。

在一实例中，该防护层的材料为乙烯-四氟乙烯共聚物。

在一实例中，该载荷承力层的材料为PBO纤维。

在一实例中，该柔性太阳能电池薄膜层的厚度范围为30-150微米。

根据本发明的另一方面，提供一种浮空器，包括：囊体，由如上所述的囊皮制作而成；连接于囊体顶端的拉网，该拉网向该囊体的底端延伸；底部挂装结构，连接于拉网的一端；吊舱，连接于该底部挂装结构的下方。

在一实例中，该浮空器还包括设置于底部挂装结构与该吊舱之间的桁架，以及设置于桁架相对两端的螺旋桨。

在本实施例中，囊皮的多层结构整合了柔性太阳能电池薄膜层，即柔性太阳能电池与囊皮共形，由此囊皮制作而成的囊体则可以直接接受太阳光的照射并将光能转化为电能，由于囊体表面积相对比较大，特别是进入到临近空间时，相对于现有技术的浮空器所携带的太阳能电池板的面积要大得多，因此可以大大提高浮空器的电能供给；而且，由于柔性太阳能电池与囊皮共形，太阳能电池的固定更加牢固，省去了太阳能电池从浮空器脱离或脱落等的后顾之忧；进一步地，由于柔性太阳能电池为薄膜结构，重量轻，大大减少浮空器的载荷。更进一步地，由于阻气层为透光材料，柔性太阳能电池薄膜设置于阻气层之后，经过耐候保护，阻气阻水保护以后的柔性太阳能电池薄膜可以有更长的使用时间，且又不影响囊皮本身的材料。

附图说明

在结合以下附图阅读本发明公开的实施例的详细描述之后，更能够更好地理解本发明的上述特征和优点。

图1是本发明第一实施例提供的囊皮的制作方法流程图。

图2是图1的囊皮中柔性太阳能电池薄膜层的结构示意图。

图3是由图1所示的方法制作形成的囊皮的示意图。

图4是包括了由如图3所示的囊皮形成的囊体的浮空器的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

请参阅图1，为本发明第一实施例提供一种浮空器囊体用囊皮100(如图3所示的囊皮100)的制作方法，包括以下步骤：

步骤101：请参阅图2，制作柔性太阳能电池薄膜层10。

在步骤101中，所述柔性太阳能电池薄膜层10为铜铟硒(CIS)或铜铟镓硒(CIGS)电池薄膜。该CIS电池薄膜的制作方法如下：

(1)提供柔性衬底层11。

在本步骤中，该柔性衬底层11可以为柔性金属箔与绝缘阻挡层的复合材料层，或者为聚酰亚胺(PI)层。该柔性金属箔的材料可以为钛、钼、不锈钢、铜或铝等。该绝缘阻挡层的材料可以为绝缘的氧化物Al2O3或SiOx等。该绝缘阻挡层作为金属衬底与底电极之间的电绝缘层，同时还是金属衬底与电池之间的扩散阻挡层。当柔性衬底层11为PI层时，优选地，在进行后续步骤之前，对柔性衬底层11表面进行电晕处理。本实施例中，该柔性衬底层以柔性金属箔与绝缘阻挡层的复合材料层为例进行说明。

(2)在柔性衬底层11表面镀金属层以形成底电极12，可采用电镀、化学镀或磁控溅镀等方式进行。优选采用磁控溅镀，可以使金属层对柔性衬底层具有良好的附着性。形成该底电极12的材料可以为Cu、Mo等导电材料。

(3)采用电沉积的方法在该底电极12上形成CIS前驱体，通过热处理工艺将该CIS前驱体形成为光吸收层13。该电沉积法可以采用二电极系统，以铂网为阳极，该底电极为阴极，以氯化铜(CuCl2)、三氯化铟(InCl3)、亚硒酸(H2SeO3)的水溶液为电沉积液，电镀添加剂为柠檬酸钠,在不搅拌的情况下恒电势沉积，形成CIS前驱体。该热处理工艺为将电沉积的CIS前驱体放入管式炉中，在惰性气体如氩气(Ar)保护气氛下，以8-15℃/min的升温速度升温至430-500℃的温度范围并保温25-40分钟(min)的时间范围，保温结束后停止加热，随炉自然慢冷；冷却到低于45-55℃的温度范围时，关闭氩气，开炉取样，得到形成于底电极上的CIS光吸收层。在其它实施例中，电沉积液也可以进一步包括三氯化镓(GaCl3)，此时，即可形成CIGS光吸收层。

当然，光吸收层13也可以采用其它方法进行制作，如物理气相沉积法，所述的物理气相沉积法为为共蒸发法或磁控溅射法。当柔性衬底层11的材料为PI时，仍可采用电沉积法来形成光吸收层。

(4)在光吸收层上依次制备缓冲层14、窗口层15、透明导电层16、上电极17及减反射膜18，从而形成柔性太阳能电池薄膜层10。该缓冲层14的材料可以为CdS或ZnS。该窗口层15的材料可以为本征ZnO薄膜。该透明导电层16的材料可以氧化铟锡或碳纳米管。本实施例中，该柔性太阳能电池薄膜层10的厚度范围为30-150微米。

如图2所示，本实施例中，该柔性太阳能电池薄膜10为多层结构,包括依次设置的柔性衬底层11、底电极12、光吸收层13、缓冲层14、窗口层15、透明导电层16、上电极17及减反射膜18。

可以理解的是，本实施例中，柔性太阳能电池薄膜10也可以为其它类型，如单晶硅或多晶硅薄膜太阳能电池，并不以本实施例为限。

步骤102：请参阅图3，将防护层19、第一胶层20、阻气层21、第二胶层22、该柔性太阳能电池薄膜层10、载荷承力层23、第三胶层24、及热封层25依序层叠并进行热压工艺，制成囊皮100。

在步骤102中，热压温度范围为80-180℃，压力范围为0.1-1Mpa。该防护层19的材料可以为乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)，其厚度范围为10-30微米，该防护层19具有阻挡紫外线等耐候性；该阻气层21采用透光的阻气材料，如聚氯乙烯(Tedlar)薄膜，该阻气层21用于防止气体漏出。优选地，该阻气层21为PET与石墨烯的复合材料，此时该阻气层21的制作方法如下：(一)在铜或镍上生长石墨烯薄膜，单层厚度约0.3纳米；(二)清理PET的相对两表面，并在清洗后的相对两表面上分别附上保护薄膜，以免粘上灰尘；(三)去掉其中一层保护薄膜，然后将铜或镍上的石墨烯薄膜转移到PET上；(四)蚀刻去除铜或镍蚀层；(五)在PET上的单层石墨烯表面重复生长更多层的石墨烯，直至PET上的石墨烯达到阻氦的作用，从而形成阻气层21，一般地，石墨烯的层数10-50层。可以理解的是，在上述第(一)步，也可以在铜或镍的表面生长多层石墨烯，直到石墨烯达到阻氦的作用，再进行第(三)、(四)步，并不以本实施例为限。

该第一胶层20、第二胶层22及第三胶层23可以采用呈半固化状态的聚氨酯胶膜，该热封层25可以采用与第一胶层20、第二胶层22或第三胶层24相同的聚氨酯胶膜材料。该载荷承力层23一般为纤维织物层，其可以为PBO(Poly-p-phenylene benzobisoxazole，聚对苯撑苯并二噁唑)纤维层，厚 度范围可以为80-200微米，该载荷承力层23当然也可以为涤纶纤维层或芳纶纤维层，优选为PBO纤维层，因为PBO纤维具有超高的比强度和比模量，从而使得载荷承力层23具有更高的强度。

在本实施例中，囊皮100为多层结构，包括依次层叠设置的防护层19、第一胶层20、阻气层21、第二胶层22、该柔性太阳能电池薄膜层10、载荷承力层23、第三胶层24、及热封层25。其中，该柔性太阳能电池薄膜层10为经过步骤101制作而成的柔性太阳能电池薄膜层。

可以理解的是，也可以采用在胶结面上涂覆液态的胶体如聚氨酯胶，以取代设置第一至第三胶层及热封层，然后再通过热压工艺制成囊皮，其中热压温度范围为80-180℃，压力范围为0.1-1Mpa。

在本实施例中，囊皮100的多层结构整合了柔性太阳能电池薄膜层10，即柔性太阳能电池与囊皮共形，由此囊皮100制作而成的囊体则可以直接接受太阳光的照射并将光能转化为电能，由于囊体表面积相对比较大，特别是进入到临近空间时，相对于现有技术的浮空器所携带的太阳能电池板的面积要大得多，而CIS或CIGS柔性太阳能电池的光电转化效率也比较高，可以达到将近20％的转化效率，因此可以大大提高浮空器的电能供给；而且，由于柔性太阳能电池与囊皮共形，太阳能电池的固定更加牢固，省去了太阳能电池从浮空器脱离或脱落等的后顾之忧；进一步地，由于CIS或CIGS柔性太阳能电池为薄膜结构，重量轻，大大减少浮空器的载荷。更进一步地，由于阻气层21为透光材料，柔性太阳能电池薄膜设置于阻气层之后，经过耐候保护，阻气阻水保护以后的柔性太阳能电池薄膜可以有更长的使用时间，且又不影响囊皮本身的材料。

如图4所示，本发明第二实施例提供一种浮空器200。该浮空器200可以为对流层浮空器或临近空间浮空器，当该浮空器200为临近空间浮空器时则更具优势。该浮空器200包括囊体100A、拉网30、底部挂装结构32及吊舱34该囊体100A采用如第一实施例的囊皮100制作而成，其形状可以为圆球形、南瓜形或水滴状等母线为弧形的轴对称体。拉网30的材料可以采用镀铝薄膜包裹的高强度芳纶，拉网30包括多条纵向加强筋301，自囊体100A的顶部即两极的其中之一沿测地线向囊体100A的底部即两极中另外一个方向延伸，且 该多条纵向加强筋301以该囊体100A的顶端中心对称。该底部挂装结构32与该囊体100A的底部相邻且连接于该多条纵向加强筋301的一端。该吊舱34通过多条连接索绳37连接于该底部挂装结构32。该吊舱34用于装载航电设备、飞行控制装置、通信装置等。

在其它可选的实施方式中，浮空器还可以包括桁架结构和缓冲结构，桁架结构连接于囊体100A与吊舱34之间，该桁架结构的相对两端分别还可以分别连接驱动结构(图未示)如螺旋桨；缓冲结构设置于吊舱的下方，用于浮空器落地时的缓冲，以防止浮空器发生损伤。当然，囊皮100也可以应用于其它的浮空器，如飞艇等，并不以本实施例为限。

提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。