光伏太陽能減反射鍍膜玻璃的制備

夏善慧 陳漢舟 王怡馨 李恭昌

（中建材（合肥）新能源有限公司 合肥 230088）

0 引言

光伏玻璃作為太陽能電池表面的保護(hù)層，是光伏組件的重要輔材之一［1,2］，但是由于玻璃表面會反射一部分太陽光，導(dǎo)致電池的發(fā)電功率下降。在玻璃表面涂鍍一層減反射膜是目前應(yīng)用最廣泛的一種有效降低太陽光在光伏玻璃表面反射的手段，能夠提高到達(dá)硅晶電池表面的光通量，從而提高太陽能的利用率。目前SiO2減反射鍍膜液的制備主要采用溶膠-凝膠法工藝，由于其設(shè)備要求低、工藝簡單、成本低、便于大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)［3,4］，被廣泛應(yīng)用。溶膠-凝膠法分為酸催化和堿催化，堿催化條件下，SiO2粒子內(nèi)部和粒子之間存在大量的空隙，折射率低，膜層具有較高的透過率，但是粒子是通過無序的堆積形式存在于玻璃表面，環(huán)境中的水分極易進(jìn)入玻璃表面，導(dǎo)致薄膜的光學(xué)性能下降［5,6］。為了提高薄膜的穩(wěn)定性，主要采用酸性催化來合成SiO2薄膜。Kreiter R.［7］采用不同交聯(lián)基團(tuán)的硅氧烷調(diào)節(jié)孔徑大小，制備有機(jī)-無機(jī)雜化SiO2薄膜用于氣體分離［8］，但研究僅限于分離膜。

本文以正硅酸乙酯為主要原材料，通過酸催化進(jìn)行水解縮合反應(yīng)，同時(shí)引入不同長度橋聯(lián)基團(tuán)的硅氧烷來調(diào)節(jié)涂層中的孔徑大小。氨基樹脂作為交聯(lián)劑，與SiO2粒子交聯(lián)形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［9,10］，這種三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了粒子之間、粒子與玻璃基底的交聯(lián)密度，因此減反射膜層具備優(yōu)良的硬度和光學(xué)性能。為了提高膜層的穩(wěn)定性，引入柔軟的長鏈硅氧烷二乙氧基二甲基硅烷，調(diào)節(jié)膜層的脆性。制得的SiO2減反射涂層具有較好的透過率、硬度和穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

正硅酸乙酯（AR28%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、異丙醇（AR）、濃硝酸（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、乙酸（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、去離子水（自制）、甲基三乙氧基硅烷（工業(yè)級，湖南金錦樂有限公司）、g-（2,3-環(huán)氧丙氧） 丙基三甲氧基硅烷（KH560）（工業(yè)級，南京向前化工有限公司）、g-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）（工業(yè)級，南京向前化工有限公司）、二乙氧基二甲基硅烷（工業(yè)級，北京市津同樂泰化工產(chǎn)品有限公司）、流平劑、氨基樹脂（工業(yè)級，上海翁開爾有限公司）。

1.2 SiO2溶膠的制備

按摩爾比n（正硅酸乙酯）∶n（甲基三乙氧基硅烷）∶n（二乙氧基二甲基硅烷）＝1∶1.17∶0.28加入容器中，在攪拌狀態(tài)下加入酸水混合物［摩爾比n（異丙醇）∶n（硝酸）∶n（乙酸）∶n（H2O）＝1∶0.012∶0.004∶1.6］，2 min內(nèi)加完，繼續(xù)在80 ℃下反應(yīng)12 h，降至室溫后再加入混合液［摩爾比n（二乙氧基二甲基硅烷）/n（正硅酸乙酯）＝1.2、摩爾比n（KH560）/n（正硅酸乙酯）＝0.02和摩爾比n（KH570）/n（正硅酸乙酯）＝0.01］，混勻后加入2%的氨基樹脂，攪拌均勻后40 ℃靜置熟化3 d。用異丙醇稀釋上述溶液至固含量為3%，然后加入2‰的流平劑，即得到無色透明的納米SiO2溶膠。

1.3 SiO2減反射鍍膜玻璃的制備

在恒溫恒濕潔凈鍍膜房中，使用Cefla鍍膜機(jī)采用輥涂法在300 mm×300 mm×3.2 mm的太陽能光伏原片玻璃表面進(jìn)行涂覆。原片玻璃的透過率為91.6%。在鍍膜過程中，異丙醇與鍍膜液的補(bǔ)給量按比例（6～8）∶（8～10），膠輥高度設(shè)為3.20 mm，壓料輥高度設(shè)為3.12～3.15 mm，主傳動(dòng)速度設(shè)為7.6～10.0 m/min，膠輥速度設(shè)為10.0～11.5 m/min，定量輥速度設(shè)為10.0～11.5 m/min，固化爐溫度設(shè)為80～150 ℃。鍍膜固化后進(jìn)入鋼化爐鋼化，按照常規(guī)鋼化工藝在680～720 ℃鋼化4～8 min，然后經(jīng)清洗機(jī)清洗、烘干，得到涂有SiO2減反射膜的光伏鍍膜鋼化玻璃。

1.4 性能測試

1.4.1 透過率的測試

透過率采用氣浮臺式光譜透射比測量系統(tǒng)Filmeasure2100，在380～1100 nm波長范圍內(nèi)對上述SiO2減反射膜鋼化玻璃進(jìn)行測試。

1.4.2 微觀結(jié)構(gòu)的測試

利用掃描電子顯微鏡測量減反射涂層厚度及斷面結(jié)構(gòu)。

1.4.3 濕熱性能測試

在恒溫恒濕箱中溫度85 ℃濕度85%保持1000 h，測試膜層的透過率衰減情況。

1.4.4 硬度測試

采用鉛筆硬度儀測量玻璃表面減反射涂層的鉛筆硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 透過率

對SiO2減反射鍍膜玻璃與空白基底玻璃在380～1100 nm波長范圍內(nèi)的透過率進(jìn)行比較，透過率曲線如圖1所示。

圖1 膜層透過率曲線

從圖1中可以看出，鍍膜玻璃的透過率最高可達(dá)94.52%，積分平均透過率94.27%，空白玻璃的積分平均透過率91.6%?？梢园l(fā)現(xiàn)，鍍膜玻璃在整個(gè)波段均具有較高的透過率，平均透過率增益高達(dá)2.6%。

2.2 SEM表征

SiO2減反射鍍膜玻璃的表面和斷面掃描電鏡圖見圖2。

圖2 鍍膜玻璃的表面和斷面SEM圖

由圖2可見，膜層表面致密平整，粒子粒徑約20 nm，顆粒之間緊密，膜層與玻璃表面緊密結(jié)合。SiO2溶膠體系的酸性水解，使得聚合產(chǎn)物以線型為主，配合聚硅氧烷、交聯(lián)劑與粒子、玻璃基層之間形成的橋架網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成了如圖2所示的致密結(jié)構(gòu)，使得膜層在其耐磨性、耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性方面具有極大的優(yōu)勢，使用壽命長，應(yīng)用范圍更廣。

2.3 鉛筆硬度

鍍膜玻璃的膜層硬度是影響產(chǎn)品應(yīng)用范圍的重要因素之一，按照GB/T 6739—2006《色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》來檢測膜層的硬度，圖3為顯微鏡下鉛筆硬度為4H的試驗(yàn)結(jié)果，符合4H的硬度。這個(gè)結(jié)果得益于添加的氨基樹脂與二氧化硅粒子交聯(lián)形成的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了粒子之間、粒子與玻璃基底的交聯(lián)密度，從而使膜層具有良好硬度。

圖3 鍍膜玻璃鉛筆硬度

2.4 濕熱性能

鑒于減反射光伏玻璃的戶外應(yīng)用環(huán)境，良好的耐水性和耐熱性能可以減少環(huán)境對膜層的侵蝕，維持長時(shí)間的減反效果。將鍍膜玻璃放在溫度85 ℃、濕度85%的試驗(yàn)箱中保持1000 h，濕熱試驗(yàn)后的膜面如圖4所示。

圖4 鍍膜玻璃濕熱試驗(yàn)后的膜面

從圖4中可以看出，鍍膜玻璃的涂層無剝落，玻璃表面無明顯變化。另外還考察了濕熱試驗(yàn)前后膜層的透過率變化，結(jié)果顯示透過率衰減只有0.52%～0.61%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，減反射涂層具有優(yōu)異的耐候性，驗(yàn)證了膜層中的Si-O立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，涂層表面和內(nèi)部粒子之間結(jié)構(gòu)致密，可阻止空氣中的水分進(jìn)入玻璃表面，提高其使用壽命。

3 結(jié)論

通過正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷和二乙氧基二甲基硅烷（1∶1.17∶0.28），在酸性條件下進(jìn)行水解縮合反應(yīng)，合成SiO2粒子，添加KH-560、KH570等助劑對粒子進(jìn)行修飾，用2%的氨基樹脂和二乙氧基二甲基硅烷（n（二乙氧基二甲基硅烷）/n（正硅酸乙酯）＝1.2）調(diào)節(jié)膜層硬度和柔性。得到的SiO2溶膠具有較好的光學(xué)性能，平均透過率（380～1100 nm）增益高達(dá)2.6%，具有較高硬度4H，兼具優(yōu)異的耐候性。本文采用溶膠-凝膠法制備了SiO2減反射鍍膜玻璃，經(jīng)過性能測試，SiO2減反射涂層具有較好的透過率、硬度和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于光伏太陽能電池，提高太陽能利用率。