光伏玻璃材料的研究進展

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%。

為了更進一步提高玻璃的透光性，通常會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。

其機理是：太陽光在不同材料界面間會形成不同的反射光，反射光之間會存在干涉，形成新的光波。由于光的波動性，有一定概率疊加抵消，從而反射光被削弱，透射光增強。減反射膜在起到增透作用的同時，有些膜層同時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°和太陽光平均透射率90.3%(圖1)。

圖1 為350~800nm時，玻璃基片和IMNPDMS(P380)/玻璃的太陽光平均透射率(SWT)與入射角q的關(guān)系(對應(yīng)樣品計算得出的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太陽電池，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太陽電池的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電池具有更強的自清潔特性和防水性。

在CH3NH3PbI3鈣鈦礦太陽電池上使用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，太陽能玻璃上減反射膜的戶外耐久性，如機械、濕度和化學(xué)穩(wěn)定性等，對減反射膜在光伏組件中的實際應(yīng)用也十分重要。

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

這些材料表面的潤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主要缺點。

通過一組室內(nèi)和室外實驗，研究了在阿拉伯聯(lián)合酋長國當(dāng)?shù)貧夂驐l件下灰塵對光伏系統(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，近年來具備防塵特性的保護膜被廣泛研究。防塵膜又叫AS保護膜(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光伏玻璃表面影響的方法有很多，如自然過程中的降水和大風(fēng)，機械或機電設(shè)備的使用，如清掃機器人和表面功能化等方法。

研究光伏玻璃表面粗糙度對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，這是因為粉塵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。

這是因為由于多孔的SiO2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。

為了進一步研究SiO2減反射膜的除污過程，有研究提出了一種風(fēng)洞實驗方案，研究干燥條件下SiO2減反射膜在粉塵沉積和除塵過程中的抗污效果。

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越嚴(yán)重，涂層的作用逐漸降低，透光率越來越小。粉塵的堆積主要影響可見光波段長波部分的透射率。短波部分也會受到影響，但強度較低，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)，甲基基團改性的親水性HSN(CH3-HSN)和含氟基團改性的疏水性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，說明均可以實現(xiàn)增透的作用。

隨著6個月的戶外實證，環(huán)境因素的影響，從?T1-6/?Tpv(%)看出，HSN的值最低為1.60說明HSN膜具有長期抗污防塵的能力，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，說明無長期防塵作用。

此外通過對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，是因為污染物與其表面的附著力最大，同時也因為室外的樣品組件傾角不足以通過雨水去除污染物。

在不同玻璃表面進行了減反射、疏水涂層、減反射/防塵處理，并制備了異質(zhì)結(jié)組件。通過控制不同的環(huán)境溫度和樣品溫度來實現(xiàn)對相對濕度(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)束時結(jié)露)、RH=40%(相對干燥的陰天)的環(huán)境。

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

制備不同潤濕性的透明涂層：超親水性、親水性、疏水性和超疏水性，通過實驗研究了其抗污防塵效果。

通過粉塵沉積密度、透光率、光伏效率等指標(biāo)，表征了不同潤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，表面粗糙度對抵抗粘附效果的貢獻較小，防塵效果較低。

對于使用不同潤濕性的涂層，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程中退化為疏水性，甚至是親水性時，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)用場景，如機場等對眩光有嚴(yán)格要求的光伏應(yīng)用場景，需要用到防眩光玻璃，以免對起飛或降落的飛機駕駛安全造成影響。

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達到光伏與建筑的匹配融合。近年來，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、防眩光薄膜等對光伏組件帶來的影響和收益，以及不同氣候條件下，疏水性和親水性等功能化對玻璃和組件的影響。

來源：光伏組件蓋板封裝材料的研究進展

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