透明纤维素薄膜雾度形成机制的研究

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将可持续的纤维素材料与电子器件结合是当今学术界的研究热点。高雾度透明纤维素薄膜是一种具有特殊光学性能的纸张。它除了具有普通纸张的优点(可降解、成本低、柔性、质轻等)外,还呈现出高的透光率和优异的光散射性能,可作为绿色光学透明材料应用于太阳能电池,提升电池的光电转化效率。然而,由于目前对高雾度透明纤维素薄膜的雾度影响因素缺乏深入系统的研究,导致雾度的形成机制还不明确,制约了该薄膜的产业化进程。因此,研究纤维素基高透明薄膜的雾度形成机制,可为发展高雾度透明纤维素薄膜的规模化制备方法提供科学依据。本文以木质纤维为原料,通过化学和机械处理(TEMPO氧化、筛分、蒸煮、漂白、离子交换处理),纸页抄造与后加工(真空抽滤、浸渍)等方法,对纤维与透明纤维素薄膜的结构进行调控,研究纤维结构(纤维结晶结构的尺寸、纤维长度、直径、细小纤维含量、聚合度等)与薄膜结构(薄膜厚度、表面粗糙度、孔隙率以及内部结晶结构等)对薄膜雾度的影响规律;分析得出影响透明纤维素薄膜雾度的主要因素,并阐明透明纤维素薄膜的雾度形成机制;通过覆膜工艺将高雾度透明纤维素薄膜应用于太阳能电池,同时探究雾度对太阳能电池性能的影响。主要结论如下:(1)研究了木质纤维结构对透明纤维素薄膜雾度的影响。微米级纤维的结晶结构是引起雾度的主导因素之一,随着纤维结晶结构的尺寸从纳米级增加到微米级,薄膜的雾度大幅度升高(从11.4%上升到82.8%);随着微米级纤维尺寸的下降(平均长度从2.348 mm到0.697 mm,平均宽度从30.2μm到24.9μm),薄膜的雾度逐渐降低(从83.1%到71.9%);纤维的聚合度几乎不会影响高雾度透明纤维素薄膜的雾度。(2)研究了透明纤维素薄膜的结构对其雾度的影响。薄膜的孔隙率是影响雾度的重要因素,而且随着薄膜孔隙率的增加(从24.7%到39.3%),薄膜雾度从68.6%大幅升高至95.7%;薄膜内部结晶结构的不均匀性也是影响雾度的重要因素,随着薄膜内部结晶结构的数量、尺寸以及分布的不均匀性降低,其雾度逐渐下降;随着薄膜厚度的增加(从36.2μm到105.3μm),其雾度逐渐上升(从83.3%到89.5%),但上升幅度有限,表明薄膜的厚度不是影响其雾度的主要因素;基于微米级纤维且表面粗糙度处于微米级的透明纤维素薄膜,其表面粗糙度几乎不影响其雾度。(3)阐明了高雾度透明纤维素薄膜的雾度形成机制。由(1)和(2)的研究可知:薄膜内部的结晶结构和孔隙率是影响透明纤维素薄膜雾度的主要因素,再结合Mie散射,综合分析得出雾度的形成机制:大量微米级纤维素结晶结构以及少量的微米或亚微米级孔隙引起折射率在透明纤维素薄膜内部的不均匀分布是产生雾度的主要原因。在雾度形成机制的指导下,从保留木质纤维原始结构以及提升微米级结晶结构的比例及其分布的不均匀性出发,以含有未溶解结晶纤维束的再生纤维素(RC)溶液浸渍普通纸张,制备出了超高雾度透明全纤维素复合薄膜,复合膜的透光率为90.1%,雾度达到95.2%,雾度值接近理论极限值,进一步验证了雾度的形成机制。(4)将高雾度透明纤维素薄膜应用于太阳能电池的光管理,并探究了雾度对太阳能电池性能的影响。通过覆膜工艺将高雾度透明纤维素薄膜作为光管理层应用于钙钛矿太阳能电池,实现太阳能电池的性能(包括PCE、FF、Isc和Voc)的全面提升,其中电池的PCE从19.26%提高到20.84%,增幅达到8.2%;当作为光管理层的薄膜透光率相近时,薄膜的雾度越高,太阳能电池的PCE越高。
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