減反射鍍膜光伏玻璃的可靠性及失效研究

阿特斯陽光電力科技有限公司光伏測試中心 ■ 張增明 呂瑞瑞 彭麗霞 唐景 傅冬華

一 引言

光伏玻璃作為光伏組件的重要組成，對組件起到抵御外力，阻隔水、風沙等保護作用，要求具有良好的強度和高透光率。一般使用超白壓花鋼化玻璃，要求含鐵量不超過150ppm[1]。目前常用的3.2mm厚的超白壓花鋼化玻璃在可見光范圍內的透過率大于91.5%，約有8%的光因為反射而損失[2]，如果能夠采取措施減少反射損失、增加透光率，將能在一定程度上提高光伏組件的發電效率。有效的手段是利用等厚干涉原理，在玻璃表面鍍上一層減反射膜，從而降低玻璃表面光的反射率，提高透光率。實踐證明，使用減反射鍍膜玻璃可將光伏組件的發電效率提高2.5%，是一種提高光伏組件發電效率廉價而有效的手段。常用的鍍膜方法有磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積、溶膠－凝膠等，磁控濺射和氣相沉積法所用設備昂貴，生產成本高，不適合大面積鍍膜。減反射鍍膜光伏玻璃主要采用溶膠－凝膠法生產[3,4]。該方法生產工藝簡單，設備價格低廉，膜層折光指數可以在1.15～1.45范圍內進行調節[5,6]，非常適合工業生產。目前行業內主要有兩種工藝：一種是先鍍膜后鋼化，即將二氧化硅溶膠涂于玻璃原片表面，經過干燥、固化后進入鋼化爐鋼化，該工藝生產的鍍膜玻璃表面硬度高，但表面易吸水、沾灰塵；另一種是先鋼化后鍍膜，即將玻璃原片先鋼化處理，再將二氧化硅溶膠涂于玻璃表面，經過干燥、固化而成，生產的鍍膜玻璃表面含有少量有機物，有一定的疏水性和防污性能，但該類鍍膜玻璃硬度低、膜層附著力差、易被刮破。

由于減反射鍍膜玻璃在光伏行業的使用時間較短，行業內重點關注其初始透光率，卻沒有對其可靠性進行研究，導致減反射鍍膜玻璃在使用一段時間后出現透光率下降、表面出現彩虹斑紋等現象。如何測試并保證減反射鍍膜玻璃能夠長期經受紫外照射、高溫高濕、空氣污染等環境的作用，持續保持良好的透光率是一個必須研究的課題。筆者依據IEC 61215和61701標準，研究了兩種工藝生產的減反射鍍膜玻璃在長期濕熱、濕凍、紫外、鹽霧環境下的耐老化性能，并對老化過程中出現的問題進行分析，研究了減反射鍍膜玻璃的失效機理，為減反射鍍膜玻璃的選用和測試提供指導。

二 實驗部分

1 主要原材料

兩種先鍍膜后鋼化減反射鍍膜玻璃(A1和A2)和兩種先鋼化后鍍膜減反射鍍膜玻璃(B1和B2)。

2 主要設備和儀器

高低溫交變濕熱環境試驗箱，BTH508F型；鹽霧腐蝕試驗箱，SFT400型；加速環境試驗箱(QUV)；傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)、紫外－可見分光光度計。

3 試驗方法[7, 8]

濕凍老化：依據IEC 61215標準，將4種樣品放入濕凍老化箱中，每隔10個循環取出測透光率。

濕熱老化：依據IEC 61215標準，將4種樣品放入85℃、相對濕度85%的濕熱老化箱中，每隔一段時間取出測透光率。

紫外老化：依據IEC 61215標準，將4種樣品放入紫外老化箱中，每隔一段時間取出測透光率，采用UV340紫外燈，0.89W/(m2·nm)，60℃。

鹽霧老化：依據IEC 61701標準，將4種樣品放入鹽霧老化箱中，每隔一個循環取出測透光率。

4 測試分析

SEM測試：美國FEI Quanta 400 FEG場發射環境掃描電子顯微鏡。

AFM測試：Veeco Dimension 3100原子力顯微鏡。

FT-IR測試：ATR法，NICOLET Is10型傅里葉紅外光譜儀。

透光率測試：依據ISO 9050-2003，測試380～780nm范圍透光率，取4個不同位置透光率的平均值，PerkinElmer Lambda 650。

三 結果與討論

1 樣品的測試分析

4種樣品的透光率如表1所示。

表1 樣品的透光率

A1和B1的透光率較高，A2的透光率最低，這是因為A1和B1膜層孔隙率高(見圖1和圖2)，使膜層的折光指數更接近理想值[9]，增透效果良好，從而提高了透光率。

圖1 SEM照片(10萬倍)

圖2 AFM照片

從SEM和AFM測試結果可以看出，A1和B1樣品膜層表面有明顯的龜裂紋和孔隙，A2和B2樣品膜層孔隙小，尤其是A2樣品膜層很致密、均勻；從SEM測試還可看出，B1樣品表面有明顯的有機物，B2樣品也有少量有機物殘留，這是因為這兩種樣品采用先鋼化后鍍膜工藝，鍍膜層沒有經過700℃的高溫處理，所以膜層殘留有機物，且顆粒松散，表面硬度較低。

2 老化試驗

(1)高溫、高濕環境對減反射鍍膜玻璃的影響

各減反射鍍膜玻璃濕凍、濕熱和熱循環試驗結果如表2～表4所示。

表2 濕凍老化對透光率的影響

表3 濕熱老化對透光率的影響

表4 熱循環老化對透光率的影響

從表2～表4可看出，經過濕凍老化10個循環后，A2的透光率無明顯下降，其他減反射鍍膜玻璃的透光率均有明顯下降，且出現輕微的白斑，20個循環后，所有減反射鍍膜玻璃的表面均出現嚴重的彩虹紋，透光率比非鍍膜玻璃還低；濕熱老化1500h后，A2樣品透光率無明顯下降，其他樣品均出現嚴重彩虹紋，透光率低于非鍍膜玻璃；熱循環老化200個循環后，各樣品透光率雖有一定的下降，但仍高于非鍍膜玻璃，表面無明顯變化。

SEM測試表明，老化后出現彩虹紋的減反射鍍膜玻璃的膜層已經開裂、破損，有凝膠物質析出，如圖3所示；紅外測試表明，老化后的膜層在1636cm?1處出現Si－OH特征吸收峰[3,10]，大量羥基的產生會導致多孔的SiO2膜層收縮、塌陷[11]，如圖4所示。

圖3 彩虹紋膜層的SEM照片

圖4 彩虹紋鍍膜玻璃FT-IR譜圖

單純的熱老化對減反射鍍膜玻璃影響較小，而具有高溫、高濕環境的濕熱和濕凍老化對減反射鍍膜玻璃的影響較大，減反射鍍膜玻璃長時間處于這樣的環境會出現嚴重的彩虹紋，透光率大大下降。這是因為減反射鍍膜光伏玻璃是一種鈉鈣玻璃，該類玻璃處于高溫、高濕環境下會水解，生成硅酸凝膠和氫氧化鈉，生成的硅酸凝膠附著在玻璃表面影響透光性，生成的氫氧化鈉會長時間滯留于膜層內部，進一步腐蝕二氧化硅膜層，導致膜層破裂、透光率急劇下降，表面出現明顯的彩虹斑紋。反應過程如圖5所示。

圖5 硅酸鈉玻璃的水解機理

A2樣品因為膜層很致密，有利于阻隔水汽，從而降低了玻璃的水解，所以耐濕熱性能較其他樣品高，即提高了膜層的致密性，有利于提高減反射鍍膜玻璃的耐高溫、高濕性能。

(2)鹽霧環境對減反射鍍膜玻璃的影響

從表5可以看出，經過一個循環老化后，B1樣品就出現明顯的彩虹紋，透光率只有87.56%；3個循環后，B2樣品的透光率也下降1.21%，A1和A2樣品透光率下降較少，說明鹽霧老化對先鋼化后鍍膜的樣品有較大影響。SEM測試(見圖6a)表明，鹽霧老化后，B1的膜層已破裂、脫落，FT-IR測試(見圖7)表明膜層2925cm?1和2852cm?1處的甲基、亞甲基特征吸收峰已消失，說明鹽霧導致膜層有機物分解，造成膜層開裂、脫落。

表5 鹽霧老化對透光率的影響

圖6 SEM照片

(3)紫外輻照環境

從表6紫外老化實驗結果可以看出，紫外輻照對B1樣品影響較大，200h后膜層表面就出現彩虹紋，透光率下降1.39%，500h后彩虹紋變得更嚴重，透光率已經低于非鍍膜玻璃。SEM測試(見圖6b)表明，膜層已經開裂、脫落，FT-IR(見圖7)測試表明，紫外輻照500h后，2925cm?1和2852cm?1處的甲基、亞甲基特征吸收峰已經消失，這是因為紫外光的照射導致膜層中有機物氧化、分解[12]，進而破壞膜層，所以先鋼化后鍍膜的減反射鍍膜玻璃耐紫外性能較差，使用時有很大的風險。

表6 紫外老化對透光率的影響

圖7 B1樣品鹽霧和紫外老化前后的FT-IR譜圖

四 結果與討論

減反射鍍膜玻璃長時間處于高溫、高濕環境會導致玻璃中硅酸鈉水解，析出硅酸凝膠和氫氧化鈉，進而出現彩虹紋，透光率快速下降，所以使用減反射鍍膜玻璃的光伏組件應避免在高溫、高濕環境下長時間使用。提高膜層的致密性，有利于提高減反射鍍膜玻璃耐濕熱、鹽霧的可靠性；先鋼化后鍍膜的減反射鍍膜玻璃表面含有較多的有機物，鹽霧和紫外輻照會使有機物分解，進而導致膜層開裂、脫落，玻璃表面出現彩虹紋，透光率大大下降，所以光伏組件不宜選用先鋼化后鍍膜工藝制作的減反射鍍膜玻璃。

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