光伏雙層減反射膜的制備和性能研究

董天鵬 王將 俞長慶 呂華博

（江西彩虹光伏有限公司 上饒 334000）

0 引言

太陽能取之不盡，用之不竭，以其不必長距離輸送、無噪聲、無污染等獨特優(yōu)點成為理想的代替化石燃料的清潔能源。光伏發(fā)電是太陽能利用率高且具有發(fā)展前景的利用方式。目前，在光伏市場中，較為成熟的太陽能發(fā)電器件為硅基太陽電池和薄膜（碲化鎘、砷化鎵等）太陽電池，其組件的光電轉(zhuǎn)換效率雖然在近年來取得快速發(fā)展，然而依舊在20%左右。提高太陽電池組件中光吸收材料的光電轉(zhuǎn)換效率不僅成本高，而且存在技術(shù)瓶頸，很難突破。因此，提高組件中其他材料（如蓋板玻璃和EVA膠等）的透光率是目前提高光伏組件發(fā)電功率的常用方法［1］。在光伏蓋板玻璃上制備減反射薄膜可以明顯降低反射率，增加透過率，從而增加硅基吸收層對太陽能的吸收［2］。

減反射薄膜有單層膜、雙層膜和多層膜之分。單層膜材料主要有多孔SiO2、ZnS和TiO2等，很難實現(xiàn)寬域范圍內(nèi)理想的減反射效果，而三層減反射膜會增加材料、資金的損耗以及鍍膜工藝的復(fù)雜性［3］。常用的雙層減反射薄膜系主要是TiO2/ SiO2、 MgF2/ ZnS或TiOx/ Al2O3。 TiO2和 SiO2薄膜具有較大的折射率差，可獲得比較寬的反射帶，因而被廣泛應(yīng)用于雙層減反射薄膜中。SiO2薄膜具有硬度高、耐磨性好、膜層牢固、光透過率高、散射吸收小、透明區(qū)一直延伸到紫外區(qū)等良好的光學(xué)性能，更低廉的原料價格使得雙層SiO2減反射薄膜在光伏市場中更有優(yōu)勢。

在固體薄膜的制備過程中，常見的沉積方法有: 脈沖激光沉積、磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、分子束外延、化學(xué)氣相沉積等。本文采用鍍膜成本低的溶膠-凝膠方法，選用連續(xù)輥涂的方式在光伏壓延原片玻璃上連續(xù)沉積兩層不同厚度和折射率的SiO2薄膜，成功實現(xiàn)了雙層SiO2減反射膜的制備，進行了光學(xué)性能測試。

1 實驗

1.1 原料

CH-202A/CH-202B鍍膜液（彩虹光伏有限公司）；異丙醇；3.2 mm超白光伏壓延玻璃（彩虹光伏有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

輥涂鍍膜機；氣浮臺式光譜透射比測量系統(tǒng)（ 奧博泰Filmeasure2100）；場發(fā)射掃描電子顯微鏡；PCT加速老化試驗箱。

1.3 雙層SiO2減反射膜的制備

在恒溫恒濕鍍膜房中，使用明碩鍍膜機在2267 mm×1128 mm×3.2 mm的太陽能光伏壓延原片玻璃表面依次輥涂底層膜和面層膜。原片玻璃的透過率為91.66%。雙層減反射膜的制備中，選用固定型號的兩種鍍膜液以分別固定頂層和底層薄膜的折射率。主要通過輥涂工藝中調(diào)節(jié)膠輥轉(zhuǎn)動速度來控制所得的薄膜厚度，以保證滿足光學(xué)性能要求。在輥涂工藝中，提高膠輥速度能線性提高涂布液體的數(shù)量，因此可以調(diào)節(jié)雙層SiO2減反射膜頂層和底層薄膜厚度。在標準鍍膜過程中，鍍膜液與異丙醇的補給量按比例2∶1，主傳動速度設(shè)為12 m/min，膠輥速度設(shè)為12.5～13.5 m/min，固化爐溫度設(shè)為120～200 ℃。鍍膜固化后進入鋼化爐鋼化，按照常規(guī)鋼化工藝在680～720 ℃鋼化2～3 min，然后經(jīng)清洗機清洗、烘干，得到鍍有雙層SiO2減反射膜的光伏鍍膜玻璃。

1.4 性能測試

透過率測試采用奧博泰Filmeasure2100氣浮臺式光譜透射比測量系統(tǒng)，在380～1100 nm波長范圍內(nèi)對減反射鍍膜鋼化玻璃樣品進行測試。

微觀形貌結(jié)構(gòu)的測試利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡測量減反射膜層厚度及表面和斷面結(jié)構(gòu)形貌。

耐候性能的測試是在PCT加速老化實驗箱中，在溫度121 ℃±0.5 ℃，相對濕度99%～100%下保持48 h，測試膜層的腐蝕對比情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙層SiO2減反射膜的透過率增益

通過調(diào)節(jié)雙層SiO2減反射膜制備過程中鍍膜機的膠輥轉(zhuǎn)動速度來控制雙層薄膜中底層薄膜和頂層薄膜的厚度，利用頂層薄膜和底層薄膜不同折射率和厚度來調(diào)節(jié)鍍膜的整體光學(xué)性能，從而調(diào)節(jié)鍍膜光伏蓋板玻璃的整體透過率。

圖1為單層SiO2減反射膜光伏玻璃和使用不同膠輥轉(zhuǎn)速工藝制備的雙層SiO2減反射膜光伏玻璃的透過率曲線；具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同光伏玻璃的透過率

圖1 不同工藝制備的光伏玻璃的透過率曲線

由表1可知，由于原片玻璃表面對太陽光的反射以及內(nèi)部離子對太陽光的吸收，透過率只有91.66%；使用彩虹CH202B鍍膜液制備的單層SiO2減反射膜光伏玻璃能有效減少玻璃表面對太陽光的反射，透過率提高到94.06%；而使用彩虹CH202A鍍膜液在不同膠輥轉(zhuǎn)速制備的雙層SiO2減反射膜光伏玻璃的透過率均高于單層SiO2減反射膜光伏玻璃的透過率，其中鍍膜機膠輥轉(zhuǎn)速均為12 m/s時樣品的透過率最高，達到了94.33%，與原片玻璃相比，透過率增益達到了2.67%。雙層鍍膜的光學(xué)增益明顯。

2.2 雙層SiO2減反射膜的微觀結(jié)構(gòu)

由透過率增益可以看出，制備雙層SiO2減反射膜制備的底層薄膜和頂層薄膜的最佳膠輥轉(zhuǎn)速均為12 m/s，得到的頂層薄膜和底層薄膜的厚度分別為127 nm和75nm。對制備的SiO2減反射膜的微結(jié)構(gòu)進行表征，圖2和圖3分別為單層和雙層SiO2減反射膜的表面和斷面掃描電鏡照片。

圖2 單層/雙層SiO2減反射膜表面掃描電鏡照片

圖3 單層/雙層SiO2減反射膜斷面掃描電鏡照片

由圖2可以看出，單層SiO2減反射膜和雙層SiO2減反射膜的外層表面結(jié)構(gòu)基本相似，表面均勻分布了孔徑為50 nm左右的橢圓形納米微孔。

由圖3可以看出，單層SiO2減反射膜其膜層厚度約為118 nm，膜層中存在分布均勻且互不連通的橢圓形氣孔。雙層SiO2減反射膜其頂層薄膜的厚度127 nm，底層較為致密薄膜的厚度為75 nm，頂層薄膜的微結(jié)構(gòu)與單層SiO2減反射膜類似，均勻分布了互不連通的橢圓形氣孔，其底層薄膜相對均勻，沒有明顯的氣孔。雙層SiO2減反射膜因其頂層薄膜和底層薄膜不同的微結(jié)構(gòu)和折光率，實現(xiàn)了透過率2.67%的增益。

光伏鍍膜玻璃由于要在戶外長期使用，因此，耐候性能表現(xiàn)對于光伏鍍膜玻璃的綜合性能和長期可靠工作而言是十分重要的。雙層SiO2減反射膜由于底層致密二氧化硅層的引入，可對光伏玻璃本體起到隔絕水汽入侵的保護作用。因此，還對制備的鍍有SiO2減反射膜的光伏玻璃樣品進行了耐候性能的測試和對比。

單層和雙層SiO2減反射膜經(jīng)過PCT加速老化測試后的表面和斷面掃描電鏡見圖4和圖5。由表面和斷面掃描電鏡照片來看，單層SiO2減反射膜經(jīng)過PCT加速老化測試后膜層表面和內(nèi)部均有損壞，薄膜表面粗糙不平且厚度不均；雙層SiO2減反射膜經(jīng)過PCT加速老化測試后膜層表面和內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)基本保持不變。這是因為雙層SiO2鍍膜的底層較為致密，能明顯抑制玻璃本體中堿性金屬離子（鈉鈣等）的析出，從而產(chǎn)生保護效應(yīng)［4］。由此可見，雙層SiO2減反射膜較單層SiO2減反射膜具有更好的耐水汽侵蝕性能，鍍膜的綜合耐候性能得以明顯提高。

圖4 腐蝕后測試單層/雙層SiO2減反射膜的表面掃描電鏡照片

圖5 腐蝕后測試單層/雙層SiO2減反射膜的斷面掃描電鏡照片

2.3 單層/雙層SiO2減反射膜相關(guān)組件的光伏效應(yīng)

圖6顯示了使用不同光伏玻璃裝備的相應(yīng)組件的外部量子效應(yīng)。

圖6 使用不同光伏玻璃裝備的相應(yīng)光伏組件的外部量子效應(yīng)

由圖6可以看出，不論是單層SiO2減反射膜還是雙層SiO2減反射膜在波長＜600 nm和波長＞700 nm時均表現(xiàn)出比原片更高的外部量子效應(yīng)。而且雙層SiO2減反射膜在波長＜460 nm和波長＞940 nm時，比單層SiO2減反射膜也表現(xiàn)出更高的外部量子效應(yīng)。這也與對應(yīng)的減反射膜蓋板玻璃的透過率數(shù)據(jù)是一致的。組件的光伏效應(yīng)結(jié)果表明，使用雙層SiO2減反射鍍膜玻璃封裝的光伏組件，可以有效提高其發(fā)電功率?，F(xiàn)在新型電池如HJT組件，對于長波長的光學(xué)利用效率更高，因此可以合理預(yù)測，雙層SiO2減反射鍍膜玻璃封裝光伏組件的功率提高效應(yīng)在未來會更加顯著。

3 結(jié)論

使用輥涂工藝成功制備了單層SiO2光伏減反射膜和由不同厚度和折光率SiO2層組成的雙層SiO2光伏減反射膜樣品。對制備得到的單層/雙層SiO2減反射鍍膜的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和組裝的相關(guān)組件的光伏性能進行了對比研究。在制備的兩層SiO2膜厚分別為75 nm和127 nm時，雙層SiO2減反射鍍膜光伏玻璃在波長380～1100 nm范圍的平均透過率為94.33%（AM 1.5平均），其光學(xué)性能明顯高于單層鍍膜。同時雙層鍍膜玻璃的耐候性能也有顯著提高，組裝的對應(yīng)組件也表現(xiàn)出了較高的外部量子效率。雙層SiO2減反射鍍膜光伏玻璃的綜合性能要優(yōu)于單層SiO2減反射鍍膜光伏玻璃。