雙層鍍膜光伏玻璃對雙玻單晶硅光伏組件性能的影響研究

喬惠玲，鄭張安，王少佳，尹偉勇，牛祎琳，柳 思

(晶澳(邢臺)太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

太陽能作為一種新能源，具有無污染、可重復(fù)利用等優(yōu)點，已成為新一代的主要能源[1-2]。然而，隨著光伏發(fā)電平價上網(wǎng)時代的到來，使光伏發(fā)電的平準化度電成本受到考驗，降本增效已成為當前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要目標。

光伏組件主要由太陽電池、涂錫銅帶、光伏玻璃、EVA膠膜、背板、鋁邊框、硅膠、接線盒這8部分構(gòu)成。其中，光伏玻璃作為光伏組件主要材料中成本占比較高的物料，其在技術(shù)上的提升已迫在眉睫。光伏玻璃的主要成分為SiO2，與普通建筑玻璃相比，其具有“超白”“高透”的特點[3-4]。而光伏玻璃的透光率會直接影響光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。目前，普通光伏玻璃的透光率約為91%[5]，而利用光的干涉原理在光伏玻璃上制備一層厚度約為120 nm的多孔SiO2減反射膜(即單層鍍膜)后，光伏玻璃的透光率可以達到93%左右[6]。由于太陽電池的光譜響應(yīng)范圍為380～1100 nm，單層鍍膜的光伏玻璃只能降低某一波長附近的反射率，因此并不能提高其在整個波段的透光率[7-9]。針對此問題，研究人員對不同材質(zhì)的雙層及多層鍍膜光伏玻璃進行了研究[10]，但由于研究所用的實驗設(shè)備的精度較高且價格昂貴，因此該研究結(jié)果無法滿足大批量生產(chǎn)的需求。

本文從雙層鍍膜光伏玻璃的工作原理出發(fā)，使用同一批次的單晶硅太陽電池分別搭配某玻璃廠家生產(chǎn)的單層鍍膜光伏玻璃與雙層鍍膜光伏玻璃制備成相同版型的雙玻單晶硅光伏組件(下文分別簡稱為“單層鍍膜玻璃光伏組件”和“雙層鍍膜玻璃光伏組件”)，通過實驗對2種雙玻單晶硅光伏組件的輸出功率進行對比；然后對雙層鍍膜光伏玻璃的透光率與膜層厚度的關(guān)系進行分析，并通過環(huán)境測試對2種鍍膜光伏玻璃的耐候性進行對比研究。

1 光伏組件輸出功率對比實驗

1.1 實驗設(shè)計

選取某玻璃廠家生產(chǎn)的單層鍍膜光伏玻璃與雙層鍍膜光伏玻璃各2000片，然后分別再與同廠家、同批次的單晶硅太陽電池、EVA膠膜、涂錫銅帶等其他光伏組件主要材料搭配，采用相同制備工藝于同一生產(chǎn)線制作成2種72版型的雙玻單晶硅光伏組件，即單層鍍膜玻璃光伏組件和雙層鍍膜玻璃光伏組件，然后采用由瑞士PASAN公司生產(chǎn)的同一臺I-V測試儀對制備得到的2種雙玻單晶硅光伏組件進行電性能測試。

1.2 實驗結(jié)果分析

2種雙玻單晶硅光伏組件的電性能測試結(jié)果如表1所示。

從表1的測試結(jié)果可以看出：針對同種版型的雙玻單晶硅光伏組件，在測試機臺及光伏組件其他主要材料一致，且分別配置同一廠家生產(chǎn)的雙層鍍膜光伏玻璃與單層鍍膜光伏玻璃的前提下，雙層鍍膜玻璃光伏組件的最大輸出功率比單層鍍膜玻璃光伏組件的最大輸出功率高3.32 W，短路電流提升了0.08 A。

2 雙層鍍膜光伏玻璃的增效分析及其工藝流程

2.1 玻璃透光率對光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的影響

太陽電池的工作原理主要是通過光生伏特效應(yīng)實現(xiàn)發(fā)電。當太陽光照射太陽電池時，入射光的能量超過單晶硅半導(dǎo)體的禁帶寬度，在p-n結(jié)處就會產(chǎn)生電子-空穴對，若這些電子-空穴對未復(fù)合，就會在內(nèi)電場的影響下進行移動，從而產(chǎn)生電流。光伏組件的短路電流可以通過光伏組件的短路電流密度乘以太陽電池的面積計算得到，

而玻璃的透光率會直接影響光伏組件的短路電流密度[11]，最終會影響光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。使用北京奧博泰科技有限公司生產(chǎn)的型號為

Filmeasure 2100的透光率測試儀，對某廠家生產(chǎn)的單層鍍膜光伏玻璃和雙層鍍膜光伏玻璃的透光率分別進行測試，并與所采用的單晶硅太陽電池的量子效率曲線進行對比。不同波長下2種鍍膜光伏玻璃的透光率和單晶硅太陽電池的量子效率曲線如圖1所示。

圖1 不同波長下2種鍍膜光伏玻璃的透光率和單晶硅太陽電池的量子效率曲線Fig.1 Curves of transmittance of two kinds of coating PV glass and quantum efficiency of mono-Si solar cells at different wavelengths

從圖1可以看出：單晶硅太陽電池在380～1030 nm區(qū)間的量子效率可達到90%以上，因此單晶硅太陽電池在此波段的光電轉(zhuǎn)換效率較高。而與單層鍍膜光伏玻璃相比，雙層鍍膜光伏玻璃在800～1030 nm長波段的透光率較高(該波段二者差異更明顯)，從而可使長波段的太陽光盡可能到達單晶硅太陽電池表面，提高單晶硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.2 雙層鍍膜光伏玻璃的透光率特性

光在不同介質(zhì)中傳播時會發(fā)生折射與反射，其反射率R可表示為：

式中：n1、n2分別為光在2種不同介質(zhì)中的折射率，當這2種介質(zhì)的折射率相近時，光的反射率就會減小。

雙層鍍膜光伏玻璃的入射光線路線示意圖如圖2所示。圖中：n1為第1層膜的折射率；n2為第2層膜的折射率；n3為玻璃原片的折射率；R01為第1層膜與空氣之間的反射率；R12為指第2層膜與第1層膜之間的反射率；R23為指玻璃原片與第2層膜之間的反射率。

圖2 雙層鍍膜光伏玻璃的入射光線路線示意圖Fig.2 Route schematic diagram of incident light of double-layer anti-reflection coating PV glass

對于整個雙層鍍膜光伏玻璃的反射率Rs，各參數(shù)之間存在以下關(guān)系：

從式(2)可以看出：可通過調(diào)整每層膜層的反射率來獲得雙層鍍膜光伏玻璃的最小反射率，即調(diào)整每層膜層的折射率。

然而，膜層的折射率除了會影響雙層鍍膜光伏玻璃的反射率以外，根據(jù)有效介質(zhì)理論[11]，某一膜層的折射率還與該膜層的孔隙率p存在以下關(guān)系：

式中：n為完全無孔材質(zhì)的折射率；np為添加孔隙后減反射膜的折射率。

從式(3)可以看出：膜層的孔隙率越大，該膜層的折射率越小。而膜層的孔隙率大小與其機械強度密切相關(guān)，膜層的孔隙率越小，其機械強度越大。因此，在選取膜層的折射率時，除了要考慮雙層鍍膜光伏玻璃的透光率之外，還需要考慮膜層的機械強度。

2.3 雙層鍍膜光伏玻璃的工藝流程

雙層鍍膜光伏玻璃是利用光的干涉原理在玻璃原片上鍍制雙層減反射膜，其已成為光伏組件減反增效的主要手段。與目前批量使用的單層鍍膜光伏玻璃相同，雙層鍍膜光伏玻璃也需要采用輥涂法進行批量生產(chǎn)，該方法的主要原理是采用溶膠-凝膠法分別制備納米SiO2溶膠和多孔SiO2薄膜，即進行雙層鍍膜光伏玻璃底層膜與表層膜的制備。因此在實際生產(chǎn)中，玻璃生產(chǎn)廠家只需對生產(chǎn)線進行簡單改造，增加鍍膜設(shè)備及固化爐，即可實現(xiàn)雙層鍍膜光伏玻璃的生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍推廣。

某玻璃生產(chǎn)廠家使用輥涂法制作雙層鍍膜光伏玻璃的工藝流程如圖3所示。

圖3 使用輥涂法制作雙層鍍膜光伏玻璃的工藝流程Fig.3 Technological process of double-layer anti-reflection coating PV glass by roll coating method

在雙層鍍膜光伏玻璃的實際制作過程中，可通過調(diào)整底層膜與表層膜的厚度來調(diào)整每層膜層的折射率。在不同波長下，不同膜層厚度時鍍膜光伏玻璃的透光率曲線如圖4所示，數(shù)據(jù)對比如表2所示。其中：“/”前、后的數(shù)值分別表示雙層鍍膜的底層膜和表層膜的膠輥轉(zhuǎn)動速度；T為玻璃的透光率；Y為玻璃在可見光波段的透光率[12]；ΔT為鍍膜后鍍膜光伏玻璃的透光率與玻璃原片透光率的差值，即透光率增益。

圖4 不同波長下不同膜層厚度時鍍膜光伏玻璃的透光率曲線Fig.4 Transmittance curve of coating PV glass under different wavelength and different film thickness

表2 不同鍍膜光伏玻璃的數(shù)據(jù)對比Table 2 Data comparison of different coating PV glasses

從圖4和表2可以看出：當雙層膜的膠輥轉(zhuǎn)動速度為7/7 m/min時，鍍膜光伏玻璃的透光率增益最大，為2.67%。

雙層膜的膠輥轉(zhuǎn)動速度為7/7 m/min時，所鍍的底層膜為一層致密的納米SiO2溶膠，折射率為1.44，厚度約為78.5 nm；表層膜是由多孔的SiO2薄膜構(gòu)成，折射率約為1.29，厚度約為110 nm。將每層的折射率數(shù)據(jù)代入式(3)，可得到雙層膜的膠輥轉(zhuǎn)動速度為7/7 m/min時所鍍底層膜的孔隙率為5.13%，表層膜的孔隙率為41.31%。

3 雙層鍍膜光伏玻璃的耐候性

光伏組件的質(zhì)保期為25年，其于戶外長期使用時需滿足不同氣候環(huán)境下的使用要求。與單層鍍膜光伏玻璃相比，雙層鍍膜光伏玻璃擁有一層致密的SiO2底層膜，能夠更好地阻止空氣中的水汽到達光伏玻璃內(nèi)部，從而減少了光伏玻璃中Na2SiO3的水解反應(yīng)生成的金屬氫氧化物破壞鍍膜層的情況發(fā)生。

通過環(huán)境測試對雙層鍍膜光伏玻璃的耐候性進行分析。分別對單層鍍膜光伏玻璃和雙層鍍膜光伏玻璃進行48 h的高壓蒸煮試驗(PCT)，PCT 48 h前、后2種鍍膜光伏玻璃的SEM圖分別如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出：與PCT 48 h前相比，PCT 48 h后單層鍍膜光伏玻璃的表面有密集的堆砌結(jié)構(gòu)，大部分孔隙已被玻璃水解后的物質(zhì)填充；而雙層鍍膜光伏玻璃的表面仍比較光滑，孔隙仍有封閉的結(jié)構(gòu)。

圖5 PCT 48 h 前 2 種鍍膜光伏玻璃的 SEM 圖Fig.5 SEM images of two kinds of coating PV glass before PCT for 48 h

圖6 PCT 48 h 后 2 種鍍膜光伏玻璃的 SEM 圖Fig.6 SEM images of two kinds of coating PV glass after PCT for 48 h

為了分析PCT 48 h前、后膜層中的成分差異，使用X射線熒光光譜儀分別對單層鍍膜光伏玻璃和雙層鍍膜光伏玻璃進行測試。PCT 48 h前、后2種鍍膜光伏玻璃膜層中的元素分析結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 PCT 48 h前2種鍍膜光伏玻璃膜層中的元素分析Fig.7 Element analysis in the films of two kinds of coating PV glass before PCT for 48 h

圖8 PCT 48 h后2種鍍膜光伏玻璃膜層中的元素分析Fig.8 Element analysis in the films of two kinds of coating PV glass after PCT for 48 h

從圖7、圖8可以看出：除Si、O元素外，2種鍍膜光伏玻璃膜層中還存在Na、Ca、Mg元素。主要原因在于玻璃原片是由Na2SiO3、CaSiO3、MgSiO3等構(gòu)成，這些物質(zhì)在水蒸氣侵蝕下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成NaOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2，而這些堿性物質(zhì)會腐蝕膜層中的SiO2，并生成游離的金屬元素堵塞膜層中的孔隙[13-14]。

從圖7、圖8還可以看出：PCT 48 h后，單層鍍膜光伏玻璃膜層中的Ca、Mg金屬元素的含量分別增加了2.90%和1.57%，雙層鍍膜光伏玻璃膜層中的Ca、Mg金屬元素的含量分別增加了0.34%和0.24%。單層鍍膜光伏玻璃膜層中的Ca、Mg金屬元素的含量遠高于雙層鍍膜光伏玻璃膜層中的，從而使更多的金屬元素堆積在膜層表面，導(dǎo)致膜層被破壞，鍍膜光伏玻璃的透光率也會隨之下降，從而影響了光伏組件整體的光電轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)論

本文在其他材料及制備條件均相同的前提下，對分別采用單層鍍膜光伏玻璃與雙層鍍膜光伏玻璃制備的相同版型的雙玻單晶硅光伏組件的輸出功率進行了對比，分析了雙層鍍膜光伏玻璃的透光率與膜層厚度之間的關(guān)系，并通過環(huán)境測試對鍍膜光伏玻璃的耐候性進行了研究。研究結(jié)果表明：

1)與目前批量使用的單層鍍膜光伏玻璃相比，72版型雙玻單晶硅光伏組件采用雙層鍍膜光伏玻璃時可使其最大輸出功率提高3.32 W。

2)雙層鍍膜光伏玻璃的透光率增益最大時，其底層膜使用致密的納米SiO2溶膠，折射率為1.44，厚度約為78.5 nm；表層膜使用多孔SiO2薄膜，折射率約為1.29，厚度約為110 nm。

3)由于雙層鍍膜光伏玻璃的底層膜的致密性阻止了水汽的進入，從而防止了膜層由內(nèi)到外的腐蝕，使雙玻單晶硅光伏組件的耐候性得到提高。

4)在實際生產(chǎn)中，只需增加相應(yīng)設(shè)備即可實現(xiàn)雙層鍍膜光伏玻璃的批量生產(chǎn)，給其實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供了便利。