低色差鍍膜玻璃技術(shù)應(yīng)用研究

廖航

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0 引言

在“雙碳”目標的背景下，光伏領(lǐng)域相關(guān)政策不斷出臺助力，光伏行業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展。光伏建筑一體化（BIPV）以可有效減少傳統(tǒng)建筑在生產(chǎn)、使用過程中的能耗，同時降低碳排放等優(yōu)點成為了光伏行業(yè)的新熱點。不同于以發(fā)電效率為首要考量的地面電站，BIPV用戶最先關(guān)注到光伏組件能否與建筑屋頂和立面契合，組件顏色是否均勻一致、柔和美觀，即行業(yè)內(nèi)所稱的美學(xué)（或全黑、深邃）組件。組件端通過選用黑色的背板、匯流條和邊框?qū)M件進行一體化純黑設(shè)計。組件色度和色差主要與電池片和光伏玻璃的色度和色差相關(guān)，上游的光伏玻璃廠商針對性開發(fā)了低色差鍍膜玻璃和無色鍍膜玻璃產(chǎn)品，無色鍍膜玻璃以工藝窗口寬、成品率高的優(yōu)勢在美學(xué)組件方案中占有一席之地。低色差玻璃則以高透光率、色彩柔和，并且可與電池片色度匹配的優(yōu)勢成為了美學(xué)組件用面板玻璃的首選。但由于低色差鍍膜技術(shù)門檻較高，在生產(chǎn)過程中還存在一系列的問題，會有約20%的非低色差產(chǎn)品伴生，成為低色差產(chǎn)品生產(chǎn)、應(yīng)用的障礙。這就需要光伏玻璃廠商對低色差鍍膜技術(shù)的外觀設(shè)計原理進行深度分析、對鍍膜工藝進行針對改進、對檢測手段進行有效優(yōu)化。

1 低色差鍍膜的外觀設(shè)計

1.1 低色差鍍膜技術(shù)原理分析

人眼所感知的顏色有透射色和反射色，這取決于玻璃表面對入射光產(chǎn)生的選擇性透射或者反射的結(jié)果。由于光伏蓋板玻璃的壓花面與組件結(jié)合封裝，人們觀察的即是玻璃鍍膜面的反射色，即380～780 nm可見光波段反射光。國際照明委員會（CIE）1976年公布了Lab色彩模式，明度通道L、顏色通道a（色彩：綠→灰→紅）、顏色通道b（色彩：黃→灰→藍），根據(jù)大多數(shù)人對顏色敏感度，顏色通道對應(yīng)的肉眼感知程度如圖1所示。

圖1 色度肉眼視覺圖

光伏蓋板玻璃原片本無色，因涂覆減反射薄膜而產(chǎn)生了顏色，由于減反射膜厚薄不均而產(chǎn)生色差。單層鍍膜玻璃、雙層鍍膜玻璃因各波段反射光強不一，玻璃表面均存在不同的反射顏色以及不同程度的色差。

顏色設(shè)計原理：光伏蓋板玻璃經(jīng)過涂覆單層減反射膜可使某個特定波長l的光反射為0，相近波長的反射光有不同程度減弱。膜層需設(shè)計反射曲線波谷（即透射曲線波峰）在550～650 nm范圍來與電池片EQE曲線匹配，膜層折射率1.34，玻璃基體折射率1.54，根據(jù)菲涅爾定律計算此時膜層厚度應(yīng)為101～119 nm，結(jié)合折射率計算光路反推得出兩束藍光波段反射光處于干涉加強相位，減反射膜面呈深藍色。

低色差鍍膜則是建立在雙層鍍膜的基礎(chǔ)上，設(shè)計n1＝1.34，n2＝1.44，ng＝1.54，通過控制雙層膜厚，調(diào)整各界面反射光的路徑，在不影響反射光譜與電池片光譜的匹配性的前提下調(diào)節(jié)藍光波段反射光rb與rc的相位角，使之經(jīng)相位疊加后不與ra形成干涉加強，從而達到削弱反射藍光的目的，如圖2所示。

圖2 低色差鍍膜入射光路徑

雙層膜厚薄調(diào)整，反射光譜會紅藍移。底層膜與a值成負相關(guān)，底層膜由薄到厚，a值由正值向負值移動，反之同理；表層膜與b值成負相關(guān)，即表層由薄到厚，b值的負值不斷減小。當(dāng)然a、b值并非單一受底層或表層影響，還與底層和表層相對厚度有關(guān)。反射光譜的移動同時伴隨曲線的變化，在通過調(diào)節(jié)底層和表層膜厚控制色度的同時控制反射曲線更為平緩，因鍍膜不均帶來的色差影響就越小，這就為鍍膜工藝的改進提供了有利條件，如圖3所示。

圖3 鍍膜產(chǎn)品反射曲線

表1將色度空間與大體對應(yīng)的反射光波段進行了關(guān)聯(lián)，可更直觀地反映肉眼觀察不同產(chǎn)品的色度與各波段反射率的關(guān)系和區(qū)別。

表1 色度值與波段反射率對應(yīng)關(guān)系

1.2 低色差鍍膜技術(shù)的原理驗證

低色差鍍膜玻璃的色度可與電池片調(diào)節(jié)地更契合，同時具備顏色均勻性明顯高于常規(guī)單層和雙層鍍膜的潛力。2019年公司與某一線組件商合作率先開展了美學(xué)組件的研發(fā)，對低色差鍍膜玻璃進行了大量攻關(guān)工作，產(chǎn)品均勻性、工藝穩(wěn)定性得到大幅提升。雙方進行了一系列的玻璃與電池片的色度匹配實驗。通過制作不同b值的玻璃樣品與各色度電池片制成組件后放置于室外，在不同天氣、不同角度下進行觀察，確定了低色差玻璃最佳的色度區(qū)間，成為該組件商的主力產(chǎn)品之一，受到歐美客戶一致好評。不同組件商的電池片顏色不盡相同，都可以根據(jù)電池片色度對玻璃的色度進行針對性調(diào)整，如純黑電池片，玻璃b值控制在-1以內(nèi)；輕微藍色電池片，玻璃b值控制在-2以內(nèi)；淡藍電池片，玻璃b值控制在-2.8以內(nèi)；甚至對于有藍邊色差的電池片，玻璃b值控制在-3左右，可以起到很好的遮蓋效果。

2 低色差鍍膜工藝改進

不同于常規(guī)單層鍍膜或雙層鍍膜產(chǎn)品僅以透光率增益高低作為優(yōu)劣指標，低色差鍍膜產(chǎn)品同時要對b值范圍嚴格控制，對色差標準嚴格要求。通過顏色設(shè)計減弱了鍍膜玻璃的藍紫色反射光，即將b值調(diào)整至接近0的區(qū)間，使得玻璃與電池片和建筑外觀更為契合，同時也在一定程度上將反射曲線調(diào)整地更為平整，降低了因膜厚波動帶來的顏色變化。但目前的鍍膜工藝仍難達到BIPV用戶對外觀均勻性的要求，即目前的輥涂鍍膜工藝的涂覆均勻性、穩(wěn)定性都難以達到低色差產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，主要體現(xiàn)為組件內(nèi)板面兩邊藍中間紅。

同批次組件間的色差大問題，主要由玻璃單片色差和片間色差水平低造成，分析原因主要有兩個方面：①生產(chǎn)方面：鍍膜液濃度波動使得工藝穩(wěn)定性不佳，需要頻繁調(diào)整；鍍膜輥、定量輥上的鍍膜液濃度分布不均，以致板面膜厚中間薄兩邊厚。②檢測方面：沒有有效和及時的檢測手段，用肉眼辨別低色差鍍膜的色差難度較大，用色差測試設(shè)備測試發(fā)現(xiàn)不合格后再通知工藝調(diào)整的方式時效性差，且不一定準確。在深究低色差鍍膜的光學(xué)原理后，還需進一步改進鍍膜工藝。

2.1 單片色差的工藝改進

（1）降低鍍膜膠輥上藥液的橫向濃度差

低色差鍍膜產(chǎn)品的鍍膜液使用異丙醇作為溶劑，在特定的鍍膜環(huán)境下鍍膜液通過蠕動泵從藥液桶向鍍膜輥和定量輥上供液，由于鍍膜液鋪展面積大，異丙醇揮發(fā)速度快，鍍膜輥和定量輥使用傳統(tǒng)的中間供液方式會形成中部鍍膜液濃度低，兩端鍍膜液濃度高，從而造成板面鍍膜不均。通過改進為從鍍膜輥和定量輥對立的兩端進行對沖式供液，可抵消異丙醇揮發(fā)帶來的鍍膜液濃度差。

（2）改進鍍膜后的濕膜流平方式

玻璃在經(jīng)鍍膜后固化前需要使用風(fēng)扇在表面吹風(fēng)以加速濕膜流平，以往鍍膜時單側(cè)風(fēng)扇吹風(fēng)的方式會將玻璃上的鍍膜液吹往一側(cè)，使得板面膜層一側(cè)薄一側(cè)厚從而形成色差。通過單側(cè)風(fēng)扇吹風(fēng)改為在皮帶上架設(shè)風(fēng)幕機均勻吹風(fēng)，可有效解決由此帶來的色差問題。

（3）提高原片的平整度

鍍膜液通過膠輥與玻璃擠壓刮擦轉(zhuǎn)移到玻璃絨面，當(dāng)玻璃本身平整度不佳會使得擠壓時壓力不均，從而造成鍍膜厚度不均，原片平整度的提升需要對原片的成形退火工藝進行優(yōu)化。

2.2 片間色差的工藝改進

光伏玻璃深加工產(chǎn)線一般為三條鍍膜線配一臺鋼化爐，同產(chǎn)線的各鍍膜線的片間色差與鍍膜液濃度差異關(guān)系最大，造成鍍膜液濃度差異的主要原因在于鍍膜液在各自的鍍膜系統(tǒng)中的揮發(fā)速率不一致。雖然鍍膜機處于同一環(huán)境中，但仍有如氣流不同、經(jīng)預(yù)熱后的玻璃溫度不同等因素造成鍍膜藥液揮發(fā)速率差異，從而出現(xiàn)同產(chǎn)線的鍍膜線間的產(chǎn)品色差。另一方面，即便是同條鍍膜線，在長時間的生產(chǎn)中受環(huán)境溫濕度及玻璃溫度不斷波動、氣流變化等各種因素影響，異丙醇的揮發(fā)與補給、藥液的帶走與補充難以維持平衡，從而造成鍍膜液濃度隨時間不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致同條鍍膜線的產(chǎn)品膜厚也在隨之發(fā)生變化。

改進方案：目前產(chǎn)線各鍍膜線采用分開供液方式，供液桶藥液量較少（一般為10 kg）。當(dāng)生產(chǎn)中受到各種因素的影響造成藥液供給失衡時，供液桶內(nèi)藥液濃度迅速發(fā)生變化。通過更換大供液桶集中向各條鍍膜線集中供液，在提升集中供液藥液量、減緩藥液濃度波動的同時，消除了鍍膜線間鍍膜液的濃度差異。另一方面，由以往的使用蠕動泵分別對各鍍膜線供液改為使用隔膜泵集中向三條鍍膜線供液，并增加穩(wěn)壓器保證鍍膜液持續(xù)穩(wěn)定供給。

2.3 調(diào)整超白壓延玻璃原片的色度值

國標要求超白壓延玻璃原片鐵含量≤150×10-6，鐵離子含量會影響原片的透光率，價態(tài)會影響原片的成色，二價鐵占比多的原片呈淡青色至淡藍色，三價鐵占比多的原片呈白色至淡黃色。根據(jù)經(jīng)驗，青藍色的原片經(jīng)低色差鍍膜后一體性更高，白至淡黃色原片經(jīng)低色差鍍膜則有一種膜層浮于表面的割裂感，觀感不及前者?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)退火工段的氧化還原氣氛來調(diào)節(jié)鐵離子價態(tài)的占比，從而生產(chǎn)出目標色度的原片。

2.4 其它工藝調(diào)整

低色差鍍膜技術(shù)建立在常規(guī)雙層鍍膜技術(shù)之上。兩者產(chǎn)品的膜層結(jié)構(gòu)雖僅有幾十納米的厚度差，但工藝要求的不同使得低色差鍍膜玻璃在生產(chǎn)中存在一系列問題，如表2所示。

表2 低色差鍍膜VS常規(guī)雙層鍍膜工藝差異

雙層鍍膜工藝需要在完成底層鍍膜進入表層鍍膜前將底層膜烘干并冷卻至適合鍍膜的溫度（＜35 ℃），否則不但會因為雙層粘連造成成品玻璃板面色差大，還會影響表層液性能，造成鍍膜房的環(huán)境溫度難以控制。由于低色差鍍膜的底層膜厚較厚，需提高烘干溫度以將膜層烘干，玻璃的出爐溫度高出常規(guī)雙層鍍膜工藝10 ℃以上，加大了進行表層鍍膜前完成冷卻的難度?？赏ㄟ^適當(dāng)加長底層與表層鍍膜房之間冷卻段距離、在冷卻段加裝風(fēng)扇或水冷設(shè)備等方式對玻璃進行加速降溫，同時需要防止膜層吸潮。

2.5 工藝改進后的效果

通過對光學(xué)原理的深度分析并運用、對鍍膜工藝的一系列改進，公司低色差鍍膜產(chǎn)品的外觀質(zhì)量有了極大改善，成品率也得到了明顯提升。針對電池片色度制作的不同色度低色差鍍膜玻璃樣品與某一線組件商合作制成美學(xué)組件后，其反饋組件外觀極佳。

然而不同于在樣品制作過程中可慢慢仔細觀察對比，大規(guī)模、快節(jié)奏的生產(chǎn)需要有快速有效的檢測手段?，F(xiàn)今還沒有一套適用于低色差鍍膜玻璃外觀檢測的方法，在質(zhì)檢檢測時存在準確性差、效率低的問題。

3 低色差鍍膜產(chǎn)品的檢測優(yōu)化

低色差鍍膜玻璃色度值的檢測即是使用色差儀測試玻璃絨面反射光。其中色度值L（明暗程度）與透光率負相關(guān)，由于透光率為使用奧博泰光譜透射比測量系統(tǒng)測試的常規(guī)檢測項，且數(shù)據(jù)控制穩(wěn)定，故低色差鍍膜玻璃的檢測一般不對L值作要求。低色差鍍膜玻璃色度值a（紅綠程度）在即便膜厚波動較大時，基本在（-0.5，+0.5）的肉眼幾乎不可感知的范圍內(nèi)波動，故而此項也一般不作要求，可針對個別對顏色極為敏感的客戶提供產(chǎn)品時進行測試。

單層鍍膜玻璃的色度值b（黃藍程度）為-5左右，雙層鍍膜的b值為-4左右，低色差鍍膜玻璃的b值為（-3，0），橫跨了明顯可見至不可見整個范圍，b值主要受膜厚波動影響，是低色差鍍膜玻璃的主要檢測項。

參考建筑幕墻玻璃色差測試方法：以中心測量點為基準，其余4點與該點進行反射色的比較測量，測得4個色差值（DEab*），其中的最大值即為該片試樣的色差，建議低色差玻璃色差采用7點測試，同時記錄這7個點的b值，且對測試位置需要嚴格要求（圖4、圖5）。不同于常規(guī)的尺寸、顆粒度等測試項目，色度和色差的測試還需要玻璃端與組件端對雙方的色差測試系統(tǒng)包括色差儀、測試環(huán)境、測試人員等進行對標。

圖4 建筑幕墻玻璃色差測試位置

圖5 低色差玻璃色度測試位置

然而即便雙方對玻璃和電池片進行了色度匹配試驗，即已確定所需玻璃色度b值范圍，由于b值受玻璃表面溫度影響且二者呈現(xiàn)的不是線性關(guān)系，玻璃端進行檢測時需要將產(chǎn)品冷卻至固定溫度，檢測效率低。玻璃端可設(shè)計一些更為直觀、快速的檢測方法，如入水檢測或刷漆檢測。入水檢測方法：使用一個盛有適量水的大水槽，水槽鋪有黑色絨布，將玻璃絨面朝上放置于絨布上，使用一定光強的日光燈觀察外觀表現(xiàn)；刷漆檢測方法：將黑色油漆刷于玻璃壓花面，放置于室外光線下觀察外觀表現(xiàn)。

低色差鍍膜玻璃較為繁瑣的檢測手段給生產(chǎn)帶來了不能及時有效判定的問題，目前人工檢測頻率高、效率低，也給質(zhì)檢員帶來了較大的工作強度。在成品下片時由于不能及時判定，當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)色度或色差不合格的產(chǎn)品時，不得不將整包成品判為非低色差產(chǎn)品，進一步降低了低色差產(chǎn)品的成品率。這就需要光伏玻璃廠商改進生產(chǎn)工藝、降低膜厚波動，將b值全部穩(wěn)定在低色差標準區(qū)間，或進一步開發(fā)快速有效的色度和色差在線檢測系統(tǒng)。

4 結(jié)語

在光伏全產(chǎn)業(yè)鏈陷入嚴重內(nèi)卷、同質(zhì)化競爭激烈的今天，用于BIPV的低色差（全黑、深邃）組件給光伏行業(yè)帶來的新的發(fā)展方向，使光伏行業(yè)開始從一味追求發(fā)電效率的大型地面電站走進同時追求顏值的千家萬戶。低色差鍍膜玻璃作為具有高附加值的新產(chǎn)品給光伏玻璃廠商注入了新的活力，同時也給傳統(tǒng)的輥涂鍍膜工藝帶來了新的挑戰(zhàn)，光伏玻璃廠商經(jīng)歷了普鋼玻璃、單鍍玻璃、雙鍍玻璃的發(fā)展歷程，每一次都是重大技術(shù)變更。隨著低色差鍍膜玻璃的出現(xiàn)，光伏玻璃廠商開始設(shè)計鍍膜外觀，精細化控制輥涂工藝，拓展新的檢測方式思路，做到鍍膜技術(shù)各環(huán)節(jié)的全面提高，產(chǎn)品日益優(yōu)而美，為助力建筑光伏一體化，早日實現(xiàn)雙碳目標添磚加瓦。這些技術(shù)和經(jīng)驗也同樣可應(yīng)用于其它常規(guī)鍍膜產(chǎn)品，使光伏玻璃行業(yè)的產(chǎn)品外觀品質(zhì)均得到提升。