光伏玻璃減反膜質(zhì)量分析

■ 唐金平 李文新 王忠凱

1 光伏玻璃減反膜質(zhì)量現(xiàn)狀

光伏產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展一直牽動(dòng)著社會(huì)的方方面面。2009年，我國(guó)相關(guān)部門(mén)出臺(tái)了實(shí)行初始投資補(bǔ)貼的相關(guān)政策，支持項(xiàng)目補(bǔ)貼力度高達(dá)初始投資的50%，總投資額過(guò)百億。2013年，這種激勵(lì)政策在完成了其拉動(dòng)國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)快速發(fā)展的階段性歷史使命的同時(shí)，也為剛開(kāi)始蹣跚學(xué)步的中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)引入了一些問(wèn)題。

與歐州一直推行的“度電補(bǔ)貼”方式不同，初始投資補(bǔ)貼方式致使國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)商開(kāi)始追求大規(guī)模“裝機(jī)容量”以獲得更多的補(bǔ)貼，而有限的土地和屋頂資源迫使組件制造企業(yè)開(kāi)始想盡方法提高光伏組件初始功率(標(biāo)稱功率)，卻忽略了電站長(zhǎng)期發(fā)電量。在這種不良的氛圍下，各種提升組件初始發(fā)電量的“新技術(shù)”開(kāi)始盛行于行業(yè)內(nèi)，光伏玻璃減反膜就是其中一項(xiàng)。在巨大的利益驅(qū)使下，玻璃廠開(kāi)始推出增加組件透光率的硅基減反膜產(chǎn)品，這些以往常用于建筑行業(yè)和光學(xué)器件領(lǐng)域的產(chǎn)品減反膜層，在引入光伏電站的1～2年內(nèi)，出現(xiàn)了大規(guī)模的質(zhì)量問(wèn)題；本應(yīng)該幫助電站增發(fā)電量的“創(chuàng)新”技術(shù)，卻反而影響了整個(gè)電站的正常、有效運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響了電站的收益水平。

由于光伏玻璃減反膜產(chǎn)品在大規(guī)模推向市場(chǎng)前，未經(jīng)過(guò)充分和有效的論證，減反膜質(zhì)量問(wèn)題首先被大規(guī)模發(fā)現(xiàn)于已建成1～2年的電站項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)第三方檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，在對(duì)國(guó)內(nèi)32個(gè)省市，容量3.3 GW的425個(gè)包括大型地面電站和分布式光伏電站在內(nèi)的所用設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，光伏組件主要存在熱斑、隱裂、功率衰減等問(wèn)題；其中甘肅某10 MW光伏電站，抽檢發(fā)現(xiàn)高達(dá)58%的光伏組件出現(xiàn)功率明顯衰減。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，所有電站項(xiàng)目中，約有1/3的電站組件發(fā)電功率衰減是由減反膜層的老化、脫落、霉變等問(wèn)題引起的。

例如，檢查某西部電站運(yùn)行1年后，功率衰減超過(guò)3%，鍍膜玻璃表面出現(xiàn)均勻且無(wú)法消除的發(fā)污現(xiàn)象，分析主要原因?yàn)椴ＡП砻鍭R膜受砂塵侵蝕發(fā)污使得入射太陽(yáng)光散射，從而導(dǎo)致透過(guò)率降低造成組件功率衰減。

檢查某東部沿海新建電站，安裝半年后達(dá)不到合同規(guī)定要求。其中，鍍膜玻璃表面在特定部位出現(xiàn)膜層不均勻，且出現(xiàn)無(wú)法消除的白色沉積物，主要原因?yàn)殄兡げＡг馐芩治g后使得玻璃基板的水解產(chǎn)物滲透和腐蝕膜層，以致膜層發(fā)污、表面出現(xiàn)白色沉積物。

在這當(dāng)中，即使是由國(guó)內(nèi)大型發(fā)電集團(tuán)作為開(kāi)發(fā)商、國(guó)際排名前10的組件企業(yè)作為制造商的“標(biāo)桿”電站項(xiàng)目，仍發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的減反膜問(wèn)題。

圖1 南部某光伏電站項(xiàng)目出現(xiàn)大規(guī)模減反膜霉變白斑

圖2 某光伏電站項(xiàng)目出現(xiàn)的組件邊緣膜層分解脫落

國(guó)際上，國(guó)際電工委員會(huì)下的TC82工作組早于2011年開(kāi)始發(fā)布IEC 61853光伏組件性能測(cè)試及能量等級(jí)系列標(biāo)準(zhǔn)。歐美開(kāi)發(fā)商已使用此系列標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果取代IEC 60904-1和IEC 61215中的最大功率測(cè)試結(jié)果來(lái)衡量組件的發(fā)電性能，即使用發(fā)電量評(píng)價(jià)取代最大功率(標(biāo)稱功率)評(píng)價(jià)方法作為采購(gòu)依據(jù)。

在我國(guó)，隨著項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)愈加豐富，開(kāi)發(fā)商們也逐步向歐美靠攏。如今，在光伏上網(wǎng)電價(jià)落定之后，補(bǔ)貼方式從初投資補(bǔ)貼向度電補(bǔ)貼方式的轉(zhuǎn)變，使得光伏電站的發(fā)電量越來(lái)越受到重視。開(kāi)發(fā)商越來(lái)越重視光伏組件的能量效率與長(zhǎng)期的發(fā)電量收益，從本質(zhì)上追求電池片轉(zhuǎn)化效率的提升，從整體上追求電池組件的整體質(zhì)量。這與國(guó)家能源局要求的通過(guò)科技提升光伏組件效率、降低光伏電站建設(shè)成本趨向一致，因此，越來(lái)越多的業(yè)主開(kāi)始反思組件質(zhì)量及工藝問(wèn)題之一——減反射膜的實(shí)際作用與質(zhì)量問(wèn)題。

中電建、三峽、中電投等開(kāi)發(fā)商，紛紛在其企業(yè)技術(shù)規(guī)范和招標(biāo)技術(shù)要求中提出禁止使用硅基減反膜的技術(shù)要求。

然而，今年國(guó)家能源局等三部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)先進(jìn)光伏技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的意見(jiàn)》，提出實(shí)施“領(lǐng)跑者”計(jì)劃，要求光伏行業(yè)“領(lǐng)跑者”先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到單晶硅光伏電池組件轉(zhuǎn)換效率17%以上，多晶硅光伏電池組件轉(zhuǎn)換效率16.5%以上。雖然此項(xiàng)舉措在一定程度上有利于促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，但“計(jì)劃”一出，卻也令本已逐漸偃旗息鼓的SiO2減反膜層制造業(yè)又鉆了空子。因?yàn)橛?jì)劃內(nèi)項(xiàng)目需要達(dá)到組件轉(zhuǎn)換效率要求，在真正靠電池效率達(dá)到指標(biāo)要求的優(yōu)秀組件制造商供貨壓力大、各種高效組件供不應(yīng)求的情況下，開(kāi)發(fā)商不得不被迫接受使用硅基減反膜的組件產(chǎn)品，這非常不利于行業(yè)的健康發(fā)展。

2 SiO2減反膜出現(xiàn)如此多質(zhì)量問(wèn)題的原因

目前，常用的3.2 mm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。減反射膜可通過(guò)相消干涉，減少光伏組件玻璃表面的反射光，從而增加透光量，提高光伏組件的發(fā)電量。為了達(dá)到可見(jiàn)光寬光譜減反射目的，目前光伏玻璃上使用的減反膜絕大部分是以SiO2為主要成分的單層膜。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%，進(jìn)而可提高晶體硅光伏電池組件轉(zhuǎn)換效率。

光伏減反膜鋼化玻璃在行業(yè)內(nèi)一直存在兩種工藝：一種是先鋼化后鍍膜，即將玻璃原片先鋼化處理，再將SiO2溶膠涂于玻璃表面，經(jīng)過(guò)干燥、固化而成；另一種是先鍍膜后鋼化，即將SiO2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。

使用先鋼化后鍍膜工藝，玻璃表面含有少量有機(jī)物，有一定的疏水性和防污性能；但鍍膜硬度低、膜層附著力差、易被刮擦，性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

造成這種問(wèn)題的關(guān)鍵原因在于玻璃鋼化和膜層退火熱處理步驟的不匹配。由于光伏鈉鈣玻璃的成分固定，其鋼化曲線比較統(tǒng)一，基本是均勻升溫到約720 ℃，維持幾分鐘后進(jìn)行風(fēng)冷降溫；之后再進(jìn)行鍍膜時(shí)，由于考慮玻璃的退火溫度影響，熱處理溫度只能保持在300 ℃以下，因此造成膜層的不牢固，附著力差。較少數(shù)的企業(yè)采用此種工藝制作減反膜。

表1 SiO2減反膜附著力測(cè)試

針對(duì)先鋼化后鍍膜工藝，為了滿足光伏玻璃制造的產(chǎn)業(yè)化需求，控制成本，所有企業(yè)均采取玻璃的鋼化和膜層熱處理同時(shí)進(jìn)行的方式，即加溫至720 ℃。SiO2膜屬于無(wú)機(jī)膜，溫度越高越有利于其與玻璃基板的結(jié)合，因此這種工藝下制造的膜層相對(duì)具有更好的附著力。但高溫下制造的多孔SiO2材料膜層卻暴露出了表面易吸水、易沾塵的問(wèn)題。

目前使用的光伏玻璃鍍膜方法為溶膠-凝膠法，該方法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格低廉，膜層折射率可在1.15～1.45 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常適合工業(yè)生產(chǎn)。溶膠凝膠法制SiO2膜所用的前驅(qū)物一般為Si的醇鹽[1]，常用到的是正硅酸乙酯(TEOS)和正硅酸甲酯(TMOS)。TEOS性質(zhì)穩(wěn)定，利于存放，最為常用；TEOS的溶膠-凝膠過(guò)程主要基于以下水解縮聚反應(yīng)：

一般情況下，為了達(dá)到相消干涉的折射率條件，需較大SiO2孔隙，膜層孔隙和表現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 SiO2薄膜橫截面的SEM圖片膜層表面結(jié)構(gòu)示意圖

多孔SiO2膜的結(jié)構(gòu)較為疏松，導(dǎo)致膜層的耐磨性和耐劃傷等性能下降。膜層的致密性降低也容易導(dǎo)致膜層表面的孔隙被水分子和其他有機(jī)物污染物小分子填充，不易清潔，且由于這些物質(zhì)與SiO2的折射率不同，影響了后續(xù)使用的透過(guò)性能[2]。由于SiO2顆粒表面具有較高的表面能，膜層受外界環(huán)境特別是濕度影響巨大，在高濕條件下極易吸附水分子，以及粘附空氣中的灰塵、污漬和其他有機(jī)物，我們觀察到的膜層白色霉變現(xiàn)象，即為此原因造成。

通過(guò)精確控制PH值、H2O/Si比、水解溫度和時(shí)間等條件，可控制水解縮聚產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)、膠粒尺寸以及溶膠的穩(wěn)定性，從而得到制備多孔SiO2減反膜所需的溶膠。最近，企業(yè)也在溶膠中添加各種成分以對(duì)膜層進(jìn)行改性。但由于原料成分和配比不同時(shí)，熱處理工藝曲線的差別很大，無(wú)法統(tǒng)一，其工藝曲線不可能與玻璃鋼化曲線完全一致，所以廠家針對(duì)不同類型減反膜鍍膜溶液采用統(tǒng)一的鋼化工藝，會(huì)造成膜層熱處理后很難同時(shí)達(dá)到良好的透光率和可靠性性能要求的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

減反膜使用在光伏玻璃上時(shí)，從原理及生產(chǎn)工藝上就決定了會(huì)存在易老化、脫落、霉變等與生俱來(lái)的問(wèn)題。隨著減反膜被越來(lái)越多的應(yīng)用在光伏組件中，將來(lái)，其對(duì)電站質(zhì)量的影響不可小覷。

[1] 羅伍文， 畢文躍. 用于溶膠-凝膠法的主要原料-金屬醇鹽[J]. 中國(guó)建材科技 ， 1993， (2)： 17 － 23.

[2] Gombert A， Heck M， Kübler V， et al. Results of durability testing of antirefl ective glazing[A]. Glass Processing Days， the 9th International Conference on Architectural and Automotive Glas [C]，Tampere， Finland， 2005.