用于空间薄膜太阳能电池的聚合物透明基板材料

Transparent polymer substrates will be developed for space thin film solar cells. The Tg (glass transition temperature) and Td (1%, thermogravimetic temperature) of the resulting polymer will be above 370℃ and 500℃ respectively. And the average transparency of the obtained films is over 85% from 400-1000nm with coefficient of heat expansion less than 20ppm/℃. Diphenyl dianhydrides containing two methylene bridges between the benzenes will be employed as monomer, in which the methylenes are stabilized with trifluoromethane substitute for the application in space. Isomers of trifluoromethane substituted diamine with diphenyl core are chosen as the comonomer to prepare the fluorine-containing polyimides, in which the positions of the diamine will be modified to twist the polymeric backbone and improve the transparency of the obtained substrates. Multi diamine monomers will be copolymerized to control the coefficient of heat expansion of the substrate. The target transparent polymer films, which exhibit excellent temperature and radiatio n durable properties, will fasten the development of space solar power station in China.

本项目旨在开发玻璃化转变温度达到370℃、1%热失重达到500℃、可见至近红外光区（400-1000nm）平均透光率85%以上、热膨胀和收缩系数小于20ppm/℃，可在太空使用的透明高分子薄膜，为制备空间薄膜太阳能电池提供基板。通过两个亚甲基桥连的非共轭六元环构建刚性二酐，以三氟甲基提高亚甲基桥的空间稳定性。利用此刚性二酐单体与三氟甲基取代的联苯二胺及其同分异构体共聚获得含氟聚酰亚胺。二胺单体中氨基的位置变化用来调控高分子主链的扭曲，提高薄膜的透光率。通过多个二胺单体的共聚调节透明薄膜的热膨胀和收缩率，获得耐高温、耐低温、耐辐照的聚合物透明基板，为我国发展空间太阳能电池奠定材料基础。

高能量/重量比是空间薄膜太阳能电池的关键指标，用高分子材料作基板和盖板才能获得高能量/重量比的空间薄膜太阳能电池。聚酰亚胺（PI）是唯一能够在空间使用、作为空间薄膜太阳能电池基材或者盖板的聚合物材料。本研究目标是开发高玻璃化转变和热失重温度、高透光率和低热膨胀系数的透明聚酰亚胺薄膜。借鉴广泛应的传统六氟二酐（6FDA）提高聚酰亚胺薄膜透光率和稳定性的思路，我们提出了构建刚性半脂环结构透明聚酰亚胺的方法。通过两个亚甲基桥连两个苯环构建刚性半脂环二酐。用-CF3和-F取代亚甲基氢，以三氟甲基提高亚甲基桥稳定性的二酐8FDA。以此刚性二酐单体为基础，与刚性二胺共聚获得含氟聚酰亚胺薄膜。通过筛选共聚二胺单体，调节透明薄膜的玻璃化转变温度和热膨胀收缩率。与6FDA对比，8FDA的平面性比由季碳桥连6FDA的平面性好，其线性程度、链间相互作用均明显优于6FDA。因此，基于8FDA聚酰亚胺具有更高的玻璃化转变温度和热分解温度，更好的尺寸稳定性和机械性能。对比6FDA与TFDB（三氟甲基取代联苯二胺）共聚的薄膜（玻璃化转变温度达到315℃、1%热失重达到488℃、热膨胀和收缩系数小于49ppm/℃），基于8FDA-TFDB的新材料，其玻璃化转变温度达到401℃、1%热失重达到518℃、薄膜可见至近红外光区（400-750nm）平均透光率85%以上、薄膜热膨胀和收缩系数小于15ppm/℃。基于8FDA,透明聚酰亚胺薄膜的耐高温性能和尺寸稳定性均有大幅提升，这也是目前公开报道的综合性能最好的透明聚酰亚胺材料。