董天鵬 王將 俞長(zhǎng)慶 呂華博
（江西彩虹光伏有限公司 上饒 334000）
摘 要：使用彩虹雙層鍍膜液在光伏玻璃基板上，利用輥涂工藝成功制備了由不同厚度和折光率二氧化硅層構(gòu)成的雙層減反射薄膜。通過對(duì)不同制備參數(shù)下得到的雙層SiO2減反射薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和組裝的組件光伏性能進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明：在制備的底層和表層SiO2膜厚分別為75 nm和127 nm時(shí)，減反射鍍膜玻璃樣品在波長(zhǎng)380～1100 nm范圍的平均透過率為94.33%（AM 1.5平均），封裝的光伏組件也表現(xiàn)出了更高的外量子效率和組件功率。
關(guān)鍵詞：雙層SiO 減反射薄膜；輥涂；微結(jié)構(gòu)；透過率；外量子效率
0 引言
太陽能取之不盡，用之不竭，以其不必長(zhǎng)距離輸送、無噪聲、無污染等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)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(chǎng)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(duì)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(shí)現(xiàn)寬域范圍內(nèi)理想的減反射效果，而三層減反射膜會(huì)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(jià)格使得雙層 SiO2減反射薄膜在光伏市場(chǎng)中更有優(yōu)勢(shì)。
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(shí)現(xiàn)了雙層SiO2減反射膜的制備，進(jìn)行了光學(xué)性能測(cè)試。
1 實(shí)驗(yàn)
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(jī)；氣浮臺(tái)式光譜透射比測(cè)量系統(tǒng)（ 奧博泰Filmeasure2100）；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡；PCT加速老化試驗(yàn)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(jī)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(hào)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)鍍膜過程中，鍍膜液與異丙醇的補(bǔ)給量按比例2∶1，主傳動(dòng)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(jìn)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(jī)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(cè)試
透過率測(cè)試采用奧博泰Filmeasure2100氣浮臺(tái)式光譜透射比測(cè)量系統(tǒng)，在380～1100 nm波長(zhǎng) 范圍內(nèi)對(duì)減反射鍍膜鋼化玻璃樣品進(jìn)行測(cè)試。
微觀形貌結(jié)構(gòu)的測(cè)試?yán)脠?chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)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(cè)試是在PCT加速老化實(shí)驗(yàn)箱中，在溫度121℃±0.5 ℃，相對(duì)濕度99%～100% 下保持48 h，測(cè)試膜層的腐蝕對(duì)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(jī)的膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)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。
圖1 不同工藝制備的光伏玻璃的透過率曲線
表1 不同光伏玻璃的透過率
由表1可知，由于原片玻璃表面對(duì)太陽光的反射以及內(nèi)部離子對(duì)太陽光的吸收，透過率只有91.66%；使 用彩虹CH202B鍍液制備的單層SiO2減反射膜光伏玻璃能有效減少玻璃表面對(duì)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(jī)膠輥轉(zhuǎn)速均為 12 m/s時(shí)樣品的透過率最高，達(dá)到了94.33%，與原片玻璃相比，透過率增益達(dá)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127nm和75nm。對(duì)制備的SiO2減反射膜的微結(jié)構(gòu)進(jìn)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。
（a）單層 （b）雙層
圖2 單層/雙層SiO2減反射膜表面掃描電鏡照片
（a）單層 （b）雙層
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50nm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118nm，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127nm，底層較為致密薄膜的厚度為75nm，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(duì)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(shí)現(xiàn)了透過率2.67%的增益。
光伏鍍膜玻璃由于要在戶外長(zhǎng)期使用，因此，耐候性能表現(xiàn)對(duì)于光伏鍍膜玻璃的綜合性能和長(zhǎng)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(duì)光伏玻璃本體起到隔絕水汽入侵的保護(hù)作用。因此，還對(duì)制備的鍍有SiO2減反射膜的光伏玻璃樣品進(jìn)行了耐候性能的測(cè)試和對(duì)比。
單層和雙層SiO2減反射膜經(jīng)過PCT加速老化測(cè)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(cè)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(cè)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?yàn)殡p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(hù)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。
（a）單層 （b）雙層
圖4 腐蝕后測(cè)試單層/雙層SiO2減反射膜的表面掃描電鏡照片
（a）單層 （b）雙層
圖5 腐蝕后測(cè)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(zhǎng)＜600nm和波長(zhǎng)＞ 700nm時(shí)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(zhǎng)＜460nm和波長(zhǎng)＞ 940nm時(shí)，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(duì)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(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)的光學(xué)利用效率更 高，因此可以合理預(yù)測(cè)，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(huì)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(duì)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(jìn)行了對(duì)比研究。在制備的兩層 SiO2膜厚分別為75nm和127nm時(shí)，雙層SiO2減反射鍍膜光伏玻璃在波長(zhǎng)380～1100nm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(shí)雙層鍍膜玻璃的耐候性能也有顯著提高，組裝的對(duì)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。
參考文獻(xiàn)
［1］周冬蘭,周鵬,廖丹.光伏組件封裝材料的研究進(jìn)展[J]. 化工新型材料,2020,48（07）: 15-18.DOI:10.19817/j.cnki.Issn1006-3536. 2020.07.004.
［2］Ballif, C. Dicker, J, Borchert D, et al. Solar glass with industrial porous SiO2 antire-flection coating: measurements of photovoltaic module properties improvement and modelling of yearly energy yield gain[J]. Solar energy materials and solar cells, 2004, 82（3）: 331-344.
［ 3］ Hou, GuoJiao, Iván García, Ignacio Rey-Stolle. Highlow refractive index stacks for broadband antireflection coatings for multijunction solar cells[J]. Solar Energy, 2021, 217（3）: 29-39.
［ 4］ Law, Adam M., et al. Combined Anti-soiling and Antireflection Coatings for Solar Modules[C]. 2021 IEEE 48th Photovoltaic Specialists Conference（PVSC）. IEEE, 2021.
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