光伏玻璃材料的研究進(jìn)展

玻璃是光伏組件中最重要的光伏材料之一，其在空氣/玻璃界面的反射損耗約為4%。

為了更進(jìn)一步提高玻璃的透光性，通常會(huì)在其表面覆蓋一層減反射薄膜(ARC)，從而提高組件的功率和效率。

其機(jī)理是：太陽(yáng)光在不同材料界面間會(huì)形成不同的反射光，反射光之間會(huì)存在干涉，形成新的光波。由于光的波動(dòng)性，有一定概率疊加抵消，從而反射光被削弱，透射光增強(qiáng)。減反射膜在起到增透作用的同時(shí)，有些膜層同時(shí)具備超疏水和自清潔的功能。

使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為玻璃基板上的增透層，可發(fā)現(xiàn)在350~800nm波段內(nèi)，PDMS薄膜疊合在玻璃襯底上表現(xiàn)出疏水性，水接觸角(qCA)約120°，太陽(yáng)光平均透射率(SWT)為94.2%，均顯著高于玻璃襯底的水接觸角(qCA)36°和太陽(yáng)光平均透射率90.3%(圖1)。

圖1 為350~800nm時(shí)，玻璃基片和IMNPDMS(P380)/玻璃的太陽(yáng)光平均透射率(SWT)與入射角q的關(guān)系(對(duì)應(yīng)樣品計(jì)算得出的SWT與q關(guān)系如插圖所示)

采用PDMS薄膜改性的玻璃基板上制備的有機(jī)太陽(yáng)電池，取得的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)為6.19%，短路電流密度Jsc為19.74mA/cm2，相比于普通玻璃襯底制備的有機(jī)太陽(yáng)電池的PCE(5.16%)和Jsc(17.25mA/cm2)有明顯提高。

受荷葉微觀形貌啟發(fā)制備的具有分層金字塔陣列形貌的鈣鈦礦太陽(yáng)電池具有更強(qiáng)的自清潔特性和防水性。

在CH3NH3PbI3鈣鈦礦太陽(yáng)電池上使用PDMS薄膜，由于減反射效應(yīng)，其功率轉(zhuǎn)換效率PCE從13.12%提高到14.01%。

此外，鈣鈦礦太陽(yáng)電池上的PDMS薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水特性，使鈣鈦礦太陽(yáng)電池具有防水性能。應(yīng)用在玻璃上的減反射材料還有二氧化硅等。

通過(guò)溶膠-凝膠法形成的硅基減反射膜具有足夠高的孔隙率和理想厚度，被認(rèn)為是一種低成本提高組件PCE的方法。

除了光學(xué)性能外，太陽(yáng)能玻璃上減反射膜的戶外耐久性，如機(jī)械、濕度和化學(xué)穩(wěn)定性等，對(duì)減反射膜在光伏組件中的實(shí)際應(yīng)用也十分重要。

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)性能和戶外耐久性，人們開(kāi)發(fā)了各種硅基減反射膜。在孔隙結(jié)構(gòu)方面，減反射膜主要有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)兩種。

這些材料表面的潤(rùn)濕性通常是親水的或疏水的。除了優(yōu)良的光學(xué)性能和耐久性外，灰塵和污染物的積累造成的影響更值得被關(guān)注。灰塵會(huì)降低玻璃透光率和光伏組件功率。

這種污染現(xiàn)象比較復(fù)雜，受濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、粉塵性質(zhì)、光伏組件傾斜角度等多因素的影響?；覊m等污染物的粘附，也是限制減反射薄膜使用的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

通過(guò)一組室內(nèi)和室外實(shí)驗(yàn)，研究了在阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)當(dāng)?shù)貧夂驐l件下灰塵對(duì)光伏系統(tǒng)性能的影響。

可觀察到，由于光伏組件上的灰塵顆粒尺寸較小(約為1.61~38.40μm)，易于沉降，從而導(dǎo)致光伏組件性能下降。

光伏組件的傾斜角度同樣也影響到塵土積累，隨著傾斜角度增大，受重力影響，有助于玻璃表面的除灰。此外，沙塵的積累程度受當(dāng)?shù)貧夂驐l件影響較大。

因此，近年來(lái)具備防塵特性的保護(hù)膜被廣泛研究。防塵膜又叫AS保護(hù)膜(ASC)，也叫防污膜，廣泛使用在光伏玻璃表面。

當(dāng)然，減弱灰塵等污染物對(duì)光伏玻璃表面影響的方法有很多，如自然過(guò)程中的降水和大風(fēng)，機(jī)械或機(jī)電設(shè)備的使用，如清掃機(jī)器人和表面功能化等方法。

研究光伏玻璃表面粗糙度對(duì)粉塵顆粒與光伏玻璃附著力的關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)隨著表面粗糙度增加，顆粒附著力逐漸減小，這是因?yàn)榉蹓m顆粒與玻璃表面接觸面積減小，也就是接觸角逐漸變大。

在防塵膜中，大多數(shù)薄膜或涂層只有抗污作用，沒(méi)有起到增加光伏玻璃透光度的效果，然而，一些學(xué)者將抗污效果和減反射的增透作用結(jié)合起來(lái)研究。

研究指出親水多孔的SiO2涂層在干旱地區(qū)不僅具有增透性，而且具有抗污性。

SiO2涂層在干燥條件下的抗污性能，源于SiO2表面形成的水薄膜的電導(dǎo)率抑制了表面靜電效應(yīng)，阻止了靜電電荷的局部化。

這是因?yàn)橛捎诙嗫椎腟iO2涂層含有許多羥基(-OH)，可以在表面吸附水，因此形成了一層水膜。

為了進(jìn)一步研究SiO2減反射膜的除污過(guò)程，有研究提出了一種風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方案，研究干燥條件下SiO2減反射膜在粉塵沉積和除塵過(guò)程中的抗污效果。

他們的工作表明，在低風(fēng)速，0°傾角條件下，SiO2減反射膜不影響粉塵的沉降，但對(duì)干式除塵有顯著影響，與未使用減反射膜的表面相比，干式除塵開(kāi)始于較低的風(fēng)速，并可以更快地清潔表面，使用涂層的表面具有更高的透光率。

隨著玻璃板被灰塵污染得越來(lái)越嚴(yán)重，涂層的作用逐漸降低，透光率越來(lái)越小。粉塵的堆積主要影響可見(jiàn)光波段長(zhǎng)波部分的透射率。短波部分也會(huì)受到影響，但強(qiáng)度較低，如圖2所示。

圖2 ARC、ASC、未鍍膜表面上的累積除塵曲線圖

有研究顯示在沿海城市氣候條件下，不同的硅基減反射膜的表面形貌和化學(xué)特性對(duì)防塵性能的影響，分別制備了中空SiO2納米顆粒減反射膜(HSN)，SiO2納米顆粒減反射膜(SSN)，甲基基團(tuán)改性的親水性HSN(CH3-HSN)和含氟基團(tuán)改性的疏水性HSN(F-HSN)4種樣品。

由表1可以看出，4種減反射膜透光率均大于玻璃基體，說(shuō)明均可以實(shí)現(xiàn)增透的作用。

隨著6個(gè)月的戶外實(shí)證，環(huán)境因素的影響，從?T1-6/?Tpv(%)看出，HSN的值最低為1.60說(shuō)明HSN膜具有長(zhǎng)期抗污防塵的能力，SSN和CH3-HSN比玻璃1.90略高，防污能力與玻璃相當(dāng)，F(xiàn)-HSN值為4.50明顯高于玻璃，說(shuō)明無(wú)長(zhǎng)期防塵作用。

此外通過(guò)對(duì)4種減反射膜粗糙度的表征，HSNARC比SSNARC表面粗糙度更大，具有更好的抗污性能。在4種減反射膜和未鍍膜玻璃中，疏水的F-HSN抗污性能最差，是因?yàn)槲廴疚锱c其表面的附著力最大，同時(shí)也因?yàn)槭彝獾臉悠方M件傾角不足以通過(guò)雨水去除污染物。

在不同玻璃表面進(jìn)行了減反射、疏水涂層、減反射/防塵處理，并制備了異質(zhì)結(jié)組件。通過(guò)控制不同的環(huán)境溫度和樣品溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)濕度(RH)的控制，從而模擬不同的自然環(huán)境，分別模擬了RH=20%(晴天)、RH=80%(夜晚結(jié)束時(shí)結(jié)露)、RH=40%(相對(duì)干燥的陰天)的環(huán)境。

結(jié)果表明：當(dāng)達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，玻璃表面上的露珠，會(huì)形成類似的水通道，此時(shí)通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)量玻璃的透光率，與短路電流Isc的降低沒(méi)有很好的線性關(guān)系。當(dāng)灰塵累計(jì)到1~2g/m2時(shí)，組件中電流損耗從5%升到7%，電流損耗同時(shí)也受玻璃表面露珠形成的水通道影響。經(jīng)過(guò)減反射/防塵處理的玻璃表面，在不同自然環(huán)境和灰塵影響下，在可見(jiàn)光波段其透過(guò)率均表現(xiàn)最好。

制備不同潤(rùn)濕性的透明涂層：超親水性、親水性、疏水性和超疏水性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了其抗污防塵效果。

通過(guò)粉塵沉積密度、透光率、光伏效率等指標(biāo)，表征了不同潤(rùn)濕性涂層的防塵性能。親水性、疏水性和超疏水性透明涂層均具有良好的防塵抗污性能，超親水涂層主要受高表面能影響，表面粗糙度對(duì)抵抗粘附效果的貢獻(xiàn)較小，防塵效果較低。

對(duì)于使用不同潤(rùn)濕性的涂層，與未處理的玻璃基板相比，效率損失由1.5%~6.5%減少到1%~3%，其中使用超疏水涂層的光伏組件效率降低最小。

這再次表明疏水性和親水性涂層均可以作為防塵膜，且超疏水涂層在使用過(guò)程中退化為疏水性，甚至是親水性時(shí)，仍有一定的抗污能力，提高了超疏水涂層的使用壽命，并且擴(kuò)大了涂層的使用范圍。

此外，除了光伏中常用的增透膜和防塵膜外，在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，如機(jī)場(chǎng)等對(duì)眩光有嚴(yán)格要求的光伏應(yīng)用場(chǎng)景，需要用到防眩光玻璃，以免對(duì)起飛或降落的飛機(jī)駕駛安全造成影響。

在光伏建筑一體化中(BIPV)，同樣需要使用防眩光涂層，如LOW-E膜或其他彩色裝飾涂層來(lái)達(dá)到光伏與建筑的匹配融合。近年來(lái)，這已經(jīng)引起了更多人的研究興趣。

本文總結(jié)了：玻璃表面不同減反射膜或增透膜、防塵膜、防眩光薄膜等對(duì)光伏組件帶來(lái)的影響和收益，以及不同氣候條件下，疏水性和親水性等功能化對(duì)玻璃和組件的影響。

來(lái)源：光伏組件蓋板封裝材料的研究進(jìn)展

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