減反射鍍膜光伏玻璃的可靠性及失效研究

阿特斯陽(yáng)光電力科技有限公司光伏測(cè)試中心 ■ 張?jiān)雒?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(duì)組件起到抵御外力，阻隔水、風(fēng)沙等保護(hù)作用，要求具有良好的強(qiáng)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(guò)150ppm[1]。目前常用的3.2mm厚的超白壓花鋼化玻璃在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透過(guò)率大于91.5%，約有8%的光因?yàn)榉瓷涠鴵p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(fā)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(shí)踐證明，使用減反射鍍膜玻璃可將光伏組件的發(fā)電效率提高2.5%，是一種提高光伏組件發(fā)電效率廉價(jià)而有效的手段。常用的鍍膜方法有磁控濺射、化學(xué)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(shè)備昂貴，生產(chǎn)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(chǎn)[3,4]。該方法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格低廉，膜層折光指數(shù)可以在1.15～1.45范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)[5,6]，非常適合工業(yè)生產(chǎn)。目前行業(yè)內(nèi)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(jīng)過(guò)干燥、固化后進(jìn)入鋼化爐鋼化，該工藝生產(chǎn)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(jīng)過(guò)干燥、固化而成，生產(chǎn)的鍍膜玻璃表面含有少量有機(jī)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(yè)的使用時(shí)間較短，行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注其初始透光率，卻沒(méi)有對(duì)其可靠性進(jìn)行研究，導(dǎo)致減反射鍍膜玻璃在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)透光率下降、表面出現(xiàn)彩虹斑紋等現(xiàn)象。如何測(cè)試并保證減反射鍍膜玻璃能夠長(zhǎng)期經(jīng)受紫外照射、高溫高濕、空氣污染等環(huán)境的作用，持續(xù)保持良好的透光率是一個(gè)必須研究的課題。筆者依據(jù)IEC 61215和61701標(biāo)準(zhǔn)，研究了兩種工藝生產(chǎn)的減反射鍍膜玻璃在長(zhǎng)期濕熱、濕凍、紫外、鹽霧環(huán)境下的耐老化性能，并對(duì)老化過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，研究了減反射鍍膜玻璃的失效機(jī)理，為減反射鍍膜玻璃的選用和測(cè)試提供指導(dǎo)。

二 實(shí)驗(yàn)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(shè)備和儀器

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

3 試驗(yàn)方法[7, 8]

濕凍老化：依據(jù)IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)，將4種樣品放入濕凍老化箱中，每隔10個(gè)循環(huán)取出測(cè)透光率。

濕熱老化：依據(jù)IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)，將4種樣品放入85℃、相對(duì)濕度85%的濕熱老化箱中，每隔一段時(shí)間取出測(cè)透光率。

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

鹽霧老化：依據(jù)IEC 61701標(biāo)準(zhǔn)，將4種樣品放入鹽霧老化箱中，每隔一個(gè)循環(huán)取出測(cè)透光率。

4 測(cè)試分析

SEM測(cè)試：美國(guó)FEI Quanta 400 FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡。

AFM測(cè)試：Veeco Dimension 3100原子力顯微鏡。

FT-IR測(cè)試：ATR法，NICOLET Is10型傅里葉紅外光譜儀。

透光率測(cè)試：依據(jù)ISO 9050-2003，測(cè)試380～780nm范圍透光率，取4個(gè)不同位置透光率的平均值，PerkinElmer Lambda 650。

三 結(jié)果與討論

1 樣品的測(cè)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?yàn)锳1和B1膜層孔隙率高(見(jiàn)圖1和圖2)，使膜層的折光指數(shù)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(wàn)倍)

圖2 AFM照片

從SEM和AFM測(cè)試結(jié)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(cè)試還可看出，B1樣品表面有明顯的有機(jī)物，B2樣品也有少量有機(jī)物殘留，這是因?yàn)檫@兩種樣品采用先鋼化后鍍膜工藝，鍍膜層沒(méi)有經(jīng)過(guò)700℃的高溫處理，所以膜層殘留有機(jī)物，且顆粒松散，表面硬度較低。

2 老化試驗(yàn)

(1)高溫、高濕環(huán)境對(duì)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(huán)試驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。

表2 濕凍老化對(duì)透光率的影響

表3 濕熱老化對(duì)透光率的影響

表4 熱循環(huán)老化對(duì)透光率的影響

從表2～表4可看出，經(jīng)過(guò)濕凍老化10個(gè)循環(huán)后，A2的透光率無(wú)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(xiàn)輕微的白斑，20個(gè)循環(huán)后，所有減反射鍍膜玻璃的表面均出現(xiàn)嚴(yán)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(wú)明顯下降，其他樣品均出現(xiàn)嚴(yán)重彩虹紋，透光率低于非鍍膜玻璃；熱循環(huán)老化200個(gè)循環(huán)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(wú)明顯變化。

SEM測(cè)試表明，老化后出現(xiàn)彩虹紋的減反射鍍膜玻璃的膜層已經(jīng)開(kāi)裂、破損，有凝膠物質(zhì)析出，如圖3所示；紅外測(cè)試表明，老化后的膜層在1636cm?1處出現(xiàn)Si－OH特征吸收峰[3,10]，大量羥基的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)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(duì)減反射鍍膜玻璃影響較小，而具有高溫、高濕環(huán)境的濕熱和濕凍老化對(duì)減反射鍍膜玻璃的影響較大，減反射鍍膜玻璃長(zhǎng)時(shí)間處于這樣的環(huán)境會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的彩虹紋，透光率大大下降。這是因?yàn)闇p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(huán)境下會(huì)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(huì)長(zhǎng)時(shí)間滯留于膜層內(nèi)部，進(jìn)一步腐蝕二氧化硅膜層，導(dǎo)致膜層破裂、透光率急劇下降，表面出現(xiàn)明顯的彩虹斑紋。反應(yīng)過(guò)程如圖5所示。

圖5 硅酸鈉玻璃的水解機(jī)理

A2樣品因?yàn)槟雍苤旅?，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(huán)境對(duì)減反射鍍膜玻璃的影響

從表5可以看出，經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)老化后，B1樣品就出現(xiàn)明顯的彩虹紋，透光率只有87.56%；3個(gè)循環(huán)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(shuō)明鹽霧老化對(duì)先鋼化后鍍膜的樣品有較大影響。SEM測(cè)試(見(jiàn)圖6a)表明，鹽霧老化后，B1的膜層已破裂、脫落，F(xiàn)T-IR測(cè)試(見(jiàn)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(shuō)明鹽霧導(dǎo)致膜層有機(jī)物分解，造成膜層開(kāi)裂、脫落。

表5 鹽霧老化對(duì)透光率的影響

圖6 SEM照片

(3)紫外輻照環(huán)境

從表6紫外老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，紫外輻照對(duì)B1樣品影響較大，200h后膜層表面就出現(xiàn)彩虹紋，透光率下降1.39%，500h后彩虹紋變得更嚴(yán)重，透光率已經(jīng)低于非鍍膜玻璃。SEM測(cè)試(見(jiàn)圖6b)表明，膜層已經(jīng)開(kāi)裂、脫落，F(xiàn)T-IR(見(jiàn)圖7)測(cè)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(jīng)消失，這是因?yàn)樽贤夤獾恼丈鋵?dǎo)致膜層中有機(jī)物氧化、分解[12]，進(jìn)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(shí)有很大的風(fēng)險(xiǎn)。

表6 紫外老化對(duì)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(jié)果與討論

減反射鍍膜玻璃長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高濕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致玻璃中硅酸鈉水解，析出硅酸凝膠和氫氧化鈉，進(jìn)而出現(xiàn)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(yīng)避免在高溫、高濕環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)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(jī)物，鹽霧和紫外輻照會(huì)使有機(jī)物分解，進(jìn)而導(dǎo)致膜層開(kāi)裂、脫落，玻璃表面出現(xiàn)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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