表面納米微蝕高透光太陽能電池蓋板玻璃

表面納米微蝕高透光太陽能電池蓋板玻璃

項目簡介太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置，故又稱“光伏電池”。以材料劃分，目前主要有晶硅電池、非晶硅薄膜電池、硫化鎘電池、砷化鎵電池、銅銦硒電池等幾大類。其中以單晶硅、多晶硅電池最為成熟，產(chǎn)業(yè)化程度最高。無論哪種太陽能電池，太陽能電池蓋板玻璃（以下簡稱蓋板玻璃）都是不可缺少的關(guān)鍵功能部件。其性能要求主要有以下幾方面：一、 作為電池迎光面采光玻璃，它的日光透過率與電池光電轉(zhuǎn)化率成正比，要求蓋板玻璃盡量減少日光在玻璃表面的反射和在玻璃內(nèi)部的吸收，以最大限度提高太陽光的透過率（或透射比）。二、作為電池最外層封裝玻璃，使用時將長期暴露在大自然環(huán)境中，能否長期抵御雨、雪、紫外線、微生物和大氣中各種有害氣體（如so2、酸霧等）的侵蝕，以及冰雹、冷熱交替、風(fēng)蝕對其造成的破壞，以保護(hù)電池內(nèi)層電池元件長期正常的工作，就成為蓋板玻璃重要的功能，即對其耐候性能和抗沖擊破壞強(qiáng)度都有很高的技術(shù)要求。按目前國際標(biāo)準(zhǔn)，其耐候性指標(biāo)為：太陽能電池使用25年后，其光電轉(zhuǎn)化率衰減小于15%，抗沖擊破壞性能指標(biāo)為：能承受1040g鋼球在1000mm高度自由落體沖擊而不破裂。三、 在大氣環(huán)境中，蓋板玻璃表面容易受到大氣中粉塵、有機(jī)物、霜霧、雨雪污染和微生物霉變致使陽光透過率和光電轉(zhuǎn)化率大幅度下降，因此，太陽能電池板使用時必須定期清洗和維護(hù)。這就要求蓋板玻璃易于清洗，最好有一定的自潔凈功能，以減少清洗頻率和維護(hù)成本。目前，國際上一致認(rèn)可和普遍采用的是厚度為3.2mm超白布紋（絨面）玻璃作為太陽能電池的蓋板玻璃，即所謂的“光伏玻璃”。這種玻璃以高純度石英砂為原料，主要采用壓延法工藝技術(shù)，并通過特制壓花輥在超白玻璃表面壓制特制的金字塔形花紋而制成。玻璃中極低的Fe2O3含量（W150ppm）明顯減少了玻璃對日光的吸收，使3mm厚超白玻璃在380?780mm波長范圍內(nèi)可見光透過率達(dá)到91.5?92%（3mm厚普通浮法玻璃可見光透過率一般為88~89%），加上特殊花紋的漫反射，大大降低光線反射率，使光線從各個角度照射情況下具有太陽能的高透率，從而保證光伏電池的光電轉(zhuǎn)化率，達(dá)到設(shè)計要求的水平。同時這種玻璃的耐候性以及鋼化后的抗沖擊破壞性能均能滿足太陽能電池的使用要求。這種玻璃蓋板的缺點在于（1）其光線透過率V92%，并不理想。（2）表面金字塔型花紋在自然環(huán)境中容易積塵積污，使用時清洗周期短維護(hù)成本較高。（3）高純度石英砂全球資源相對貧乏，使其價格為普通玻璃的3~5倍。盡管如此，迄今全球80%以上的太陽能電池仍采用這種玻璃。然而，近年來，隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)以30%以上的速度發(fā)展，光伏玻璃需求量同步增長，據(jù)預(yù)測，2011年國際光伏玻璃年需求量12785萬m2,我國2010年需求量為2500萬m2，國內(nèi)各大玻璃生產(chǎn)企業(yè)，如深南玻、青島金晶股份、廣東信義、安彩集團(tuán)、彩虹集團(tuán)、上海耀皮等多家上市公司，紛紛投巨資從國外引進(jìn)技術(shù)和超白布紋玻璃生產(chǎn)線，以打破這種“光伏玻璃”長期依賴進(jìn)口的格局，實現(xiàn)國產(chǎn)化。但國外一些學(xué)者已經(jīng)提出，全球貯量十分有限的高純度石英砂礦資源，無法長期滿足迅速發(fā)展的太陽能電池對這種“光伏玻璃”的愈來愈大的需求。因此，以普通玻璃為基材制備的新型光伏蓋板玻璃近年來成為光伏電池研究的熱點領(lǐng)域。當(dāng)一束光射在玻璃上時，一部分光線將被反射掉，一部分光線將被玻璃吸收，剩下的光才透過玻璃。普通的建筑和民用玻璃因其日光透過率低3mm厚玻璃透過率為89%），而基本不能做蓋板玻璃。但在普通玻璃表面復(fù)合特殊減反增透膜后即可顯著減少光線的反射，大幅度提高玻璃的光透過率，制得所謂的減反增透玻璃（AR—coating玻璃）。這種AR玻璃的可見光透過率最高可達(dá)98%。目前，制備AR玻璃主要有兩種方法：1、 物理氣相沉積（PVD）鍍膜技術(shù)根據(jù)減反射光學(xué)膜層制備原理，采用PVD技術(shù)（如磁控濺射、蒸鍍等）在玻璃表面交替沉積不同光學(xué)厚度的高中低折射率化合物多層膜系。常用的膜料有MgF2（n=1.38）、SiO2（n=1.45）、Al2O3（n=1.62）、Y2O3（n=1.8）、ZrO2（n=1.9）、TiO2（n=1.9?2.0）等。減反增透效果較好的膜系大多在10層以上。有的多達(dá)20層。以3mmK-9玻璃為基比，這種技術(shù)制備AR玻璃，可見光透過率最高可達(dá)98%，缺點在于：（1）設(shè)備投資大，耗材成膜料價格昂貴，利用率低（一般在25%以下），能耗大，膜系層數(shù)多，生產(chǎn)效率低，使其價格居高不下。（2）膜化學(xué)成分復(fù)雜，膜層長期耐候性不易保證。因此，國內(nèi)外太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)很少大規(guī)模采用這種AR玻璃作蓋板玻璃。2、 溶膠一凝膠（sol-gel）涂膜技術(shù)采用sol-gel涂膜技術(shù)，以3mm厚K-9玻璃為基片涂布，在玻璃表面形成網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的SiO2納米粒子減反增透涂層，其可見光通過率最高可達(dá)到97%。其化學(xué)原理為：以硅膠乙酯或硅酸甲酯為起始原料，輔以表面活性劑，以95%乙醇為溶劑，在催化劑作用下，合

二氧化硅成出溶膠膠液，涂布后的膠液層在一定成膜工藝條件下醇解聚合形成網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)二氧化硅納米微粒減反增透膜層。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)于玻璃表面。其制備過程如圖1所示。弁面活1生劑€si-osi、、水解縮合聚合+H20仮嬉物）-弁面活1生劑€si-osi、、水解縮合聚合+H20仮嬉物）-H20（副產(chǎn)物〕OO

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83888氣確—9-t^KI-一、-—9&$1---圖1sol-gel法制備AR玻璃的工藝過程該技術(shù)與PVD鍍膜技術(shù)相比，原料成本相對較低，設(shè)備投資相對較小，但是工藝過程為敏感的化學(xué)過程,制備的溶膠必須經(jīng)過3?7天的陳化，才能進(jìn)行涂膜,有效涂膜期為2?3天，過了有效涂膜期，溶膠即報廢。即使在涂布過程中，溶膠的化學(xué)成分和粘度隨時間變化而變化，從而很難保證膜層結(jié)構(gòu)和膜層厚度的均勻，最終導(dǎo)致產(chǎn)品不同批次、同批次，甚至于同一塊玻璃不同部位性能均一性和重復(fù)性較差，減反增透效果不穩(wěn)定。另外，這種網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)二氧化硅納米粒子減反增透膜層，在燒結(jié)過程中與玻璃表面形成少量Si-0-Si化合鍵，在長時間雨水浸蝕后，會逐漸水解破壞，而導(dǎo)致膜層剝落。再加之，這種AR玻璃價格仍然很高，從而限制了其在蓋板玻璃上大面積推廣應(yīng)用。本公司與四川大學(xué)緊密合作，經(jīng)過3年的潛心研究，終于開發(fā)出一種能大幅度減少玻璃表面光反射率，大幅度提高玻璃光線透過率的不同于現(xiàn)有PVD技術(shù)和sol-gel技術(shù)的玻璃減反增透新技術(shù)——玻璃表面納米微蝕減反增透技術(shù)。該技術(shù)首先將特種高效固體蝕刻化合物制備成粒徑在50nm左右的蝕刻水基微乳液，然后采用浸涂工藝技術(shù)，在玻璃的兩面涂布一層極稀的蝕刻微乳液。玻璃表面干燥后，內(nèi)含固體刻蝕化合物的納米微乳液粒子均勻地吸附于玻璃表面。在一定的工藝條件（溫度、時間）下，吸附的乳膠粒子破乳，釋放出固體蝕刻化合物。在吸附點定位對玻璃進(jìn)行化學(xué)刻蝕。而在沒有吸附乳膠粒子的微區(qū)則不發(fā)生化學(xué)

刻蝕，最終在玻璃表面形成一種“蜂窩狀”的納米微孔網(wǎng)狀多孔減反增透膜。其制備原理如圖2所示。玻璃基板玻璃基板圖2玻璃表面納米微蝕技術(shù)工藝過程示意圖根據(jù)減反增透原理，當(dāng)這層納米微孔網(wǎng)狀多孔膜的折光指數(shù)n=（nl*n2）1/2（片=玻璃折光指數(shù)，n2=空氣折光指數(shù)）并達(dá)到理論光學(xué)厚度時其增反減透效果到達(dá)最大值。本項目技術(shù)只需控制蝕刻微乳液的粒子濃度（或固含量）和涂浸時提升速率，就能方便地調(diào)節(jié)該膜層的孔隙率和達(dá)到所需的折光指數(shù)。通過控制蝕刻時間，就可容易地控制蝕刻深度從而控制該膜層的厚度，以達(dá)到所設(shè)計的光學(xué)厚度。最后制得穩(wěn)定、均一的納米微孔網(wǎng)狀多孔減反增透膜。這就從技術(shù)原理上克服了sol-gel法納米粒子網(wǎng)狀多孔膜結(jié)構(gòu)與膜厚度不均勻，減反增透效果不穩(wěn)定的技術(shù)瓶頸。另一方面，本技術(shù)制備的減反增透膜上通過玻璃表面微刻蝕自然得到的，與玻璃基板本身就是一體的，不存在sol-gel法和PVD法膜層與玻璃基板粘接（或燒結(jié)）不牢，或老化膜脫落的問題。再者，蝕刻形成的納米微孔網(wǎng)狀多孔膜其化學(xué)組成與玻璃基板完全一樣，其耐候性完全達(dá)到玻璃本體的耐候性。以普通3.2mm浮法玻璃為基片，采用本技術(shù)制備出的AR玻璃可將基片玻璃（380?780nm范圍）可見光透過率由89.1%提高至96.1%。提高了7.6個百分點。兩者可見光譜測試結(jié)果如圖3所示?？梢娖湓龇礈p透效果十分優(yōu)異。若采用3.2mmK-9玻璃為基片，制備出的AR玻璃的可見光透過率可由91.5%