董天鵬 王將 俞長慶 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成的雙層減反射薄膜。通過對不同制備參數下得到的雙層SiO2減反射薄膜的微觀結構、光學性質和組裝的組件光伏性能進行對比研究，結果表明：在制備的底層和表層SiO2膜厚分別為75 nm和127 nm時，減反射鍍膜玻璃樣品在波長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出了更高的外量子效率和組件功率。
關鍵詞：雙層SiO 減反射薄膜；輥涂；微結構；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換效率不僅成本高，而且存在技術瓶頸，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，很難實現寬域范圍內理想的減反射效果，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，成功實現了雙層SiO2減反射膜的制備，進行了光學性能測試。
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節(jié)膠輥轉動速度來控制所得的薄膜厚度，以保證滿足光學 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量，因此可以調節(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，主傳動速度設為12 m/min，膠輥速度設為12.5～13.5 m/min，固化爐溫度設為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 范圍內對減反射鍍膜鋼化玻璃樣品進行測試。
微觀形貌結構的測試利用場發(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構形貌。
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 結果與討論
2.1 雙層SiO2減反射膜的透過率增益
通過調節(jié)雙層SiO2減反射膜制備過程中鍍膜機的膠輥轉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節(jié)鍍膜的整體光學性能，從而調節(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；具體數據見表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太陽光的反射以及內部離子對太陽光的吸收，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%。雙層鍍膜的光學增益明顯。
2.2 雙層SiO2減反射膜的微觀結構
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。對制備的SiO2減反射膜的微結構進行表征，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。
（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構基本相似，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，頂層薄膜的微結構與單層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構和折光率，實現了透過率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減反射膜經過 PCT加速老化測試后膜層表面和內部均有損壞，薄膜表面粗糙不平且厚度不均；雙層SiO2減反射膜經過PCT加速老化測試后膜層表面和內部的微結構基本保持不變。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，從而產生保護效應［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減反射膜相關組件的光伏效應
圖6顯示了使用不同光伏玻璃裝備的相應組件的外部量子效應。
圖6使用不同光伏玻璃裝備的相應光伏組件的外部量子效應
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＜600nm和波長＞ 700nm時均表現出比原片更高的外部量子效應。 而且雙層SiO2減反射膜在波長＜460nm和波長＞ 940nm時，比單層SiO2減反射膜也表現出更高的外部量子效應。這也與對應的減反射膜蓋板玻璃的透過率數據是一致的。組件的光伏效應結果表明，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在新型電池如HJT組件，對于長波長的光學利用效率更 高，因此可以合理預測，雙層SiO2減反射鍍膜玻 璃封裝光伏組件的功率提高效應在未來會更加顯著。
3 結論
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構、光學性質和組裝的相關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75nm和127nm時，雙層SiO2減反射鍍膜光伏玻璃在波長380～1100nm范圍的平均透過率為94.33%（AM 1.5平均），其光學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，組裝的對應組件也表現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
［1］周冬蘭,周鵬,廖丹.光伏組件封裝材料的研究進展[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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