囊皮和其制作方法及浮空器與流程

本發明涉及航空航天設備領域，尤其涉及囊皮、該囊皮的制作方法及浮空器。

背景技術：

由于技術和認識上的原因，臨近空間的戰略價值直到最近幾年才引起世界各國的重視也因其顯著特點和潛在的軍民兩用價值而成為各國研究的熱點。很多國家目前正紛紛投入大量的經費，積極開展臨近空間飛行器的技術與應用研究。目前的臨近空間飛行器主要為浮空器，該浮空器包括一個用于提供浮力的囊體及囊體下方懸掛的吊艙。浮空器的能量來源通常為太陽能電池，現有的用于浮空器的太陽能電池通常為設置于吊艙內或懸掛于吊艙外的太陽能電池板，然而，在浮空器需要的能量較大時，通常需要增加太陽能電池板的面積，大大浮空器的總載荷，不利于浮空器在臨近空間的長期飛行，而對于目前的臨近空間的浮空器來說，在臨近空間的飛行時間是制約其應用的瓶頸問題，是浮空器研究中急需解決的問題。

技術實現要素：

為了克服上述缺陷，本發明旨在提供一種可以減少浮空器載荷的囊皮、該囊皮的制作方法及浮空器。

根據本發明的一方面，提供一種囊皮的制作方法，包括步驟：制作柔性太陽能電池薄膜層；將防護層、阻氣層、該柔性太陽能電池薄膜層及載荷承力層依序層疊并熱壓，制成囊皮，在熱壓時，該防護層、阻氣層、該柔性太陽能電池薄膜層及載荷承力層相鄰兩層之間均設置有膠體，且該阻氣層為透光阻氣材料。

在一實例中，制作所述柔性太陽能電池薄膜層的步驟包括：在柔性襯底層 表面鍍金屬層以形成底電極，該柔性襯底層為柔性金屬箔與絕緣阻擋層的復合材料層、或聚酰亞胺層；在底電極上形成光吸收層；在光吸收層上依次制備緩沖層、窗口層、透明導電層、上電極及減反射膜，從而形成柔性太陽能電池薄膜層。

在一實例中，在底電極上形成光吸收層的方法包括：采用電沉積工藝在該底電極上形成光吸收層。

在一實例中，在底電極上形成光吸收層的方法為物理氣相沉積法。

在一實例中，當該柔性襯底層為柔性金屬箔與絕緣阻擋層的復合材料層時，采用電沉積工藝在該底電極上形成光吸收層的方法包括：；通過熱處理工藝將該前驅體形成為光吸收層。

在一實例中，采用電沉積的方法在該底電極上形成前驅體的步驟包括：以該底電極為陰極，以氯化銅、三氯化銦、亞硒酸的水溶液為電沉積液進行沉積，得到前驅體；通過熱處理工藝將該前驅體形成為光吸收層的步驟包括：將電沉積的前驅體放入管式爐中，在惰性氣體保護氣氛下，以8-15℃/min的升溫速度升溫至430-500℃的溫度范圍并保溫25-40分鐘(min)的時間范圍，保溫結束后停止加熱，隨爐自然慢冷；冷卻到低于45-55℃的溫度范圍時，關閉氬氣，開爐取樣，得到形成于底電極上的光吸收層。

在一實例中，該電沉積液中還包括三氯化鎵。

在一實例中，該膠體為半固化膠膜或涂覆于膠結面的液態膠體。

在一實例中，所述熱壓的溫度范圍為80-180℃，壓力范圍為0.1-1Mpa。

在一實例中，該阻氣層為Tedlar薄膜或PET與石墨烯的復合材料。

根據本發明的另一方面，提供一種浮空器用囊皮，包括依次層疊設置的防護層、第一膠層、阻氣層、第二膠層、該柔性太陽能電池薄膜層、載荷承力層、第三膠層、及熱封層，其中該阻氣層為透光阻氣材料。

在一實例中，該阻氣層為Tedlar薄膜或PET與石墨烯的復合材料。

在一實例中，該柔性太陽能電池薄膜層為銅銦硒、銅銦鎵硒電池薄膜、單晶硅薄膜太陽能電池或多晶硅薄膜太陽能電池。

在一實例中，該防護層的材料為乙烯-四氟乙烯共聚物。

在一實例中，該載荷承力層的材料為PBO纖維。

在一實例中，該柔性太陽能電池薄膜層的厚度范圍為30-150微米。

根據本發明的另一方面，提供一種浮空器，包括：囊體，由如上所述的囊皮制作而成；連接于囊體頂端的拉網，該拉網向該囊體的底端延伸；底部掛裝結構，連接于拉網的一端；吊艙，連接于該底部掛裝結構的下方。

在一實例中，該浮空器還包括設置于底部掛裝結構與該吊艙之間的桁架，以及設置于桁架相對兩端的螺旋槳。

在本實施例中，囊皮的多層結構整合了柔性太陽能電池薄膜層，即柔性太陽能電池與囊皮共形，由此囊皮制作而成的囊體則可以直接接受太陽光的照射并將光能轉化為電能，由于囊體表面積相對比較大，特別是進入到臨近空間時，相對于現有技術的浮空器所攜帶的太陽能電池板的面積要大得多，因此可以大大提高浮空器的電能供給；而且，由于柔性太陽能電池與囊皮共形，太陽能電池的固定更加牢固，省去了太陽能電池從浮空器脫離或脫落等的后顧之憂；進一步地，由于柔性太陽能電池為薄膜結構，重量輕，大大減少浮空器的載荷。更進一步地，由于阻氣層為透光材料，柔性太陽能電池薄膜設置于阻氣層之后，經過耐候保護，阻氣阻水保護以后的柔性太陽能電池薄膜可以有更長的使用時間，且又不影響囊皮本身的材料。

附圖說明

在結合以下附圖閱讀本發明公開的實施例的詳細描述之后，更能夠更好地理解本發明的上述特征和優點。

圖1是本發明第一實施例提供的囊皮的制作方法流程圖。

圖2是圖1的囊皮中柔性太陽能電池薄膜層的結構示意圖。

圖3是由圖1所示的方法制作形成的囊皮的示意圖。

圖4是包括了由如圖3所示的囊皮形成的囊體的浮空器的示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作詳細描述。注意，以下結合附圖和具體實施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應被理解為對本發明的保護范圍進行任何限制。

請參閱圖1，為本發明第一實施例提供一種浮空器囊體用囊皮100(如圖3所示的囊皮100)的制作方法，包括以下步驟：

步驟101：請參閱圖2，制作柔性太陽能電池薄膜層10。

在步驟101中，所述柔性太陽能電池薄膜層10為銅銦硒(CIS)或銅銦鎵硒(CIGS)電池薄膜。該CIS電池薄膜的制作方法如下：

(1)提供柔性襯底層11。

在本步驟中，該柔性襯底層11可以為柔性金屬箔與絕緣阻擋層的復合材料層，或者為聚酰亞胺(PI)層。該柔性金屬箔的材料可以為鈦、鉬、不銹鋼、銅或鋁等。該絕緣阻擋層的材料可以為絕緣的氧化物Al2O3或SiOx等。該絕緣阻擋層作為金屬襯底與底電極之間的電絕緣層，同時還是金屬襯底與電池之間的擴散阻擋層。當柔性襯底層11為PI層時，優選地，在進行后續步驟之前，對柔性襯底層11表面進行電暈處理。本實施例中，該柔性襯底層以柔性金屬箔與絕緣阻擋層的復合材料層為例進行說明。

(2)在柔性襯底層11表面鍍金屬層以形成底電極12，可采用電鍍、化學鍍或磁控濺鍍等方式進行。優選采用磁控濺鍍，可以使金屬層對柔性襯底層具有良好的附著性。形成該底電極12的材料可以為Cu、Mo等導電材料。

(3)采用電沉積的方法在該底電極12上形成CIS前驅體，通過熱處理工藝將該CIS前驅體形成為光吸收層13。該電沉積法可以采用二電極系統，以鉑網為陽極，該底電極為陰極，以氯化銅(CuCl2)、三氯化銦(InCl3)、亞硒酸(H2SeO3)的水溶液為電沉積液，電鍍添加劑為檸檬酸鈉,在不攪拌的情況下恒電勢沉積，形成CIS前驅體。該熱處理工藝為將電沉積的CIS前驅體放入管式爐中，在惰性氣體如氬氣(Ar)保護氣氛下，以8-15℃/min的升溫速度升溫至430-500℃的溫度范圍并保溫25-40分鐘(min)的時間范圍，保溫結束后停止加熱，隨爐自然慢冷；冷卻到低于45-55℃的溫度范圍時，關閉氬氣，開爐取樣，得到形成于底電極上的CIS光吸收層。在其它實施例中，電沉積液也可以進一步包括三氯化鎵(GaCl3)，此時，即可形成CIGS光吸收層。

當然，光吸收層13也可以采用其它方法進行制作，如物理氣相沉積法，所述的物理氣相沉積法為為共蒸發法或磁控濺射法。當柔性襯底層11的材料為PI時，仍可采用電沉積法來形成光吸收層。

(4)在光吸收層上依次制備緩沖層14、窗口層15、透明導電層16、上電極17及減反射膜18，從而形成柔性太陽能電池薄膜層10。該緩沖層14的材料可以為CdS或ZnS。該窗口層15的材料可以為本征ZnO薄膜。該透明導電層16的材料可以氧化銦錫或碳納米管。本實施例中，該柔性太陽能電池薄膜層10的厚度范圍為30-150微米。

如圖2所示，本實施例中，該柔性太陽能電池薄膜10為多層結構,包括依次設置的柔性襯底層11、底電極12、光吸收層13、緩沖層14、窗口層15、透明導電層16、上電極17及減反射膜18。

可以理解的是，本實施例中，柔性太陽能電池薄膜10也可以為其它類型，如單晶硅或多晶硅薄膜太陽能電池，并不以本實施例為限。

步驟102：請參閱圖3，將防護層19、第一膠層20、阻氣層21、第二膠層22、該柔性太陽能電池薄膜層10、載荷承力層23、第三膠層24、及熱封層25依序層疊并進行熱壓工藝，制成囊皮100。

在步驟102中，熱壓溫度范圍為80-180℃，壓力范圍為0.1-1Mpa。該防護層19的材料可以為乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)，其厚度范圍為10-30微米，該防護層19具有阻擋紫外線等耐候性；該阻氣層21采用透光的阻氣材料，如聚氯乙烯(Tedlar)薄膜，該阻氣層21用于防止氣體漏出。優選地，該阻氣層21為PET與石墨烯的復合材料，此時該阻氣層21的制作方法如下：(一)在銅或鎳上生長石墨烯薄膜，單層厚度約0.3納米；(二)清理PET的相對兩表面，并在清洗后的相對兩表面上分別附上保護薄膜，以免粘上灰塵；(三)去掉其中一層保護薄膜，然后將銅或鎳上的石墨烯薄膜轉移到PET上；(四)蝕刻去除銅或鎳蝕層；(五)在PET上的單層石墨烯表面重復生長更多層的石墨烯，直至PET上的石墨烯達到阻氦的作用，從而形成阻氣層21，一般地，石墨烯的層數10-50層。可以理解的是，在上述第(一)步，也可以在銅或鎳的表面生長多層石墨烯，直到石墨烯達到阻氦的作用，再進行第(三)、(四)步，并不以本實施例為限。

該第一膠層20、第二膠層22及第三膠層23可以采用呈半固化狀態的聚氨酯膠膜，該熱封層25可以采用與第一膠層20、第二膠層22或第三膠層24相同的聚氨酯膠膜材料。該載荷承力層23一般為纖維織物層，其可以為PBO(Poly-p-phenylene benzobisoxazole，聚對苯撐苯并二噁唑)纖維層，厚 度范圍可以為80-200微米，該載荷承力層23當然也可以為滌綸纖維層或芳綸纖維層，優選為PBO纖維層，因為PBO纖維具有超高的比強度和比模量，從而使得載荷承力層23具有更高的強度。

在本實施例中，囊皮100為多層結構，包括依次層疊設置的防護層19、第一膠層20、阻氣層21、第二膠層22、該柔性太陽能電池薄膜層10、載荷承力層23、第三膠層24、及熱封層25。其中，該柔性太陽能電池薄膜層10為經過步驟101制作而成的柔性太陽能電池薄膜層。

可以理解的是，也可以采用在膠結面上涂覆液態的膠體如聚氨酯膠，以取代設置第一至第三膠層及熱封層，然后再通過熱壓工藝制成囊皮，其中熱壓溫度范圍為80-180℃，壓力范圍為0.1-1Mpa。

在本實施例中，囊皮100的多層結構整合了柔性太陽能電池薄膜層10，即柔性太陽能電池與囊皮共形，由此囊皮100制作而成的囊體則可以直接接受太陽光的照射并將光能轉化為電能，由于囊體表面積相對比較大，特別是進入到臨近空間時，相對于現有技術的浮空器所攜帶的太陽能電池板的面積要大得多，而CIS或CIGS柔性太陽能電池的光電轉化效率也比較高，可以達到將近20％的轉化效率，因此可以大大提高浮空器的電能供給；而且，由于柔性太陽能電池與囊皮共形，太陽能電池的固定更加牢固，省去了太陽能電池從浮空器脫離或脫落等的后顧之憂；進一步地，由于CIS或CIGS柔性太陽能電池為薄膜結構，重量輕，大大減少浮空器的載荷。更進一步地，由于阻氣層21為透光材料，柔性太陽能電池薄膜設置于阻氣層之后，經過耐候保護，阻氣阻水保護以后的柔性太陽能電池薄膜可以有更長的使用時間，且又不影響囊皮本身的材料。

如圖4所示，本發明第二實施例提供一種浮空器200。該浮空器200可以為對流層浮空器或臨近空間浮空器，當該浮空器200為臨近空間浮空器時則更具優勢。該浮空器200包括囊體100A、拉網30、底部掛裝結構32及吊艙34該囊體100A采用如第一實施例的囊皮100制作而成，其形狀可以為圓球形、南瓜形或水滴狀等母線為弧形的軸對稱體。拉網30的材料可以采用鍍鋁薄膜包裹的高強度芳綸，拉網30包括多條縱向加強筋301，自囊體100A的頂部即兩極的其中之一沿測地線向囊體100A的底部即兩極中另外一個方向延伸，且 該多條縱向加強筋301以該囊體100A的頂端中心對稱。該底部掛裝結構32與該囊體100A的底部相鄰且連接于該多條縱向加強筋301的一端。該吊艙34通過多條連接索繩37連接于該底部掛裝結構32。該吊艙34用于裝載航電設備、飛行控制裝置、通信裝置等。

在其它可選的實施方式中，浮空器還可以包括桁架結構和緩沖結構，桁架結構連接于囊體100A與吊艙34之間，該桁架結構的相對兩端分別還可以分別連接驅動結構(圖未示)如螺旋槳；緩沖結構設置于吊艙的下方，用于浮空器落地時的緩沖，以防止浮空器發生損傷。當然，囊皮100也可以應用于其它的浮空器，如飛艇等，并不以本實施例為限。

提供之前的描述是為了使本領域中的任何技術人員均能夠實踐本文中所描述的各種方面。但是應該理解，本發明的保護范圍應當以所附權利要求為準，而不應被限定于以上所解說實施例的具體結構和組件。本領域技術人員在本發明的精神和范圍內，可以對各實施例進行各種變動和修改，這些變動和修改也落在本發明的保護范圍之內。