高反射白色釉料的應(yīng)用概述*

趙田貴 徐和良 黃 駿 章 杰

(江蘇拜富科技股份有限公司 江蘇 宜興 214221)

前言

太陽能電池是一種具有光電轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體器件，它直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成直流電，是光伏發(fā)電的最基本單元。單體太陽能電池不能直接作為電源使用，作為電源必須將若干單體太陽能電池串、并聯(lián)連接和嚴(yán)密封裝成組件[1]。太陽能電池組件(也叫太陽能電池板)是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。作為光伏組件背面的“防護(hù)墻”，背板是光伏組件的重要組成部分，不僅能起到封裝的作用，同時還要保證光伏組件內(nèi)部電池不受到環(huán)境的影響，確保光伏組件25年的使用壽命。傳統(tǒng)晶體硅太陽能組件的背板有一定的透水率，透過背板的水汽會使EVA樹脂很快分解析出醋酸，從而導(dǎo)致組件內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)腐蝕，進(jìn)而增加了出現(xiàn)PID衰減和蝸牛紋發(fā)生的概率。為解決這一問題，近年來一些光伏玻璃企業(yè)開始研究開發(fā)雙玻光伏組件，即由兩片玻璃(前板玻璃、背板玻璃)和太陽能電池片組成復(fù)合層，電池片之間由導(dǎo)線串、并聯(lián)匯集到引線端所形成的光伏電池組件，其發(fā)展應(yīng)用迅速，特別適用于氣候環(huán)境比較苛刻的應(yīng)用場合，尤其是海邊、水邊和較高濕度地區(qū)的光伏電站[2]。為有效提升組件效率，現(xiàn)有技術(shù)除使用白色的封裝材料(如EVA和POE)之外，還采取在背板玻璃上涂覆白色高反射釉料的措施，這樣電池組件的效率可以提高3%～6%，進(jìn)而可大大降低發(fā)生PID衰減的可能性。

1 高反射白色釉料的簡介

1.1 什么叫高反射白色釉料

高反射白色釉料是指對可見光具有高反射率的一種玻璃釉料，主要有玻璃熔劑、功能增白粉和調(diào)墨油3大部分組成：。將3種物料通過一定的攪拌、研磨、均化而成的產(chǎn)品，在行業(yè)中也稱玻璃油墨，制備成品的高反射白色釉料(見圖1)。

1.2 高反射白色釉料的應(yīng)用

圖1 高反射白色釉料

高反射白色釉料通過絲網(wǎng)印刷在光伏玻璃上，然后通過固化爐(180～220 ℃)將調(diào)墨油中有機(jī)溶劑揮發(fā)，再通過鋼化爐(680～720 ℃，90～140 s)鋼化，牢牢的附著在玻璃表面上。圖2為光伏背板玻璃。白色圖案為高反射白色釉料通過絲印鋼化后的膜層。

圖2 光伏背板玻璃

圖3 單塊光伏電池組件

圖3為單塊光伏電池組件。其藍(lán)色部分為電池片，白色部分為高反射白色釉料膜層。圖4為太陽能發(fā)電基站。由多塊電池組件拼接而成。

圖4 太陽能發(fā)電基站

1.3 高反射白色釉料提高光伏組件發(fā)電功率的原理

晶體硅太陽電池組件是由玻璃、EVA、電池片、背板、邊框等材料組成，按照玻璃—EVA—電池片—EVA—背板玻璃的順序封裝成“三明治”結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 電池組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 雙玻光學(xué)示意圖

大部分入射光線從前板和背板玻璃照射到電池片上，一小部分從電池片的夾縫中投射到背板玻璃上，如背板玻璃無任何涂層，則光線直接穿透背板玻璃，造成光線的流失。在背板玻璃上涂覆一層高反射白色釉料涂層，則會將從前板穿透的部分光線重新反射到電池片上，從而充分利用光能，電池組件的效率可以提高3%～6%，雙玻光學(xué)示意圖，如圖6所示。

2 高反射白色釉料的制備

2.1 玻璃熔劑

玻璃熔劑是釉料重要的部分，主要是由多種無機(jī)非金屬礦物和化工原料等，按一定比例通過轉(zhuǎn)爐或池窯燃燒、均勻熔融，然后通過水淬冷工藝，研磨成精細(xì)粉末。玻璃熔劑對玻璃顏料的耐烤燒溫度、耐腐蝕性能、光澤度等有重要影響。高反射白色釉料中玻璃熔劑要求環(huán)保無鉛，其體系為R2O-ZnO-B2O3-SiO2多元復(fù)合體系。其主要作用是釉料經(jīng)過鋼化后形成一層膜層，將功能增白粉粘附在玻璃表面，并具有一定的附著力。玻璃熔劑熔融溫度的高低，影響著功能增白粉的添加含量以及附著力，其膨脹系數(shù)影響到鋼化后背板玻璃的抗沖擊性能。

2.2 功能增白粉

市場上通常使用鈦白粉作主要原料，鈦白粉的折射率最高，其顏料性能指標(biāo)也較好，所以鈦白粉是用量最多的白色色劑。二氧化鈦按結(jié)晶形態(tài)可分為板鈦型、銳鈦型和金紅石型。板鈦型很不穩(wěn)定，溫度高于650 ℃時就會直接轉(zhuǎn)化為金紅石型，無實際的工業(yè)價值，目前工業(yè)上實際應(yīng)用的只有銳鈦型和金紅石型鈦白粉。而銳鈦型晶體結(jié)構(gòu)不如金紅石型致密，折射率低于金紅石型，因而其遮蓋力和消色力比金紅石型低20%～30%，耐久性也遠(yuǎn)不如金紅石型[3]。金紅石型鈦白粉制備方法有氯化法和硫酸法，其中氯化法的鈦白粉耐候性高于硫酸法。太陽能光伏組件在環(huán)境惡劣的情況下，需保證25年的有限期，所以一般選擇耐候性更好的氯化法金紅石鈦白粉[4]。

由于二氧化鈦本身具有很強(qiáng)的光化學(xué)活性，在陽光特別是紫外線照射下，易發(fā)生失活、黃變、粉化等現(xiàn)象，影響了其使用性能。如果在其表面包覆一層無機(jī)物和有機(jī)物后，猶如形成了一道屏障，不僅能克服上述缺點，而且能提高產(chǎn)品的應(yīng)用性能，改善其分散性和表面活性，提高抗粉化性、保色性、耐侯性和光化學(xué)穩(wěn)定性。功能增白色粉中還會加入其他合成的粉料，使其白度更高，同時增加穩(wěn)定性。

2.3 水性調(diào)墨油

調(diào)墨油由高分子樹脂和溶劑組成；助劑包含潤濕分散劑、消泡劑、流平劑、增稠劑和固化劑等。在市場上高分子樹脂主要是水溶性的丙烯酸樹脂或醇酸樹脂，其水溶性溶劑為二丙二醇、二乙二醇、三丙二醇和丁醚等。從作用上看，高分子樹脂主要是作為載體，在印刷時承載油墨體系于玻璃上，提供附著力，調(diào)墨油決定了絲網(wǎng)印刷性能以及和無機(jī)粉料的相互適應(yīng)性，但也會影響油墨的儲存性能。

3 高反射白色釉料的主要性能指標(biāo)

3.1 反射率

物體反射的輻射能量占總輻射能量的百分比，稱為反射率。不同物體的反射率也是不同，這主要取決于物體本身的性質(zhì)(表面狀況)，以及入射電磁波的波長和入射角度。光伏玻璃所針對的是可見光的反射率，其波長范圍在380～780 nm。光反射有2種類型，一種為鏡面反射，另一種為漫反射。光伏玻璃行業(yè)所采用的是包含鏡面反射的SCI數(shù)據(jù)，和不包含鏡面反射的SCE數(shù)據(jù)。行業(yè)類采用的測量儀器一般是柯尼卡美能達(dá)測色儀(CM-2500d、 CM-2600d)，如圖7所示。

圖7 反射率測試圖

影響反射率的因素較多，主要有以下幾點：

(1)功能增白粉的種類。不同的白色劑，其折射率不同，導(dǎo)致白度有高低。折射率越高，白度越高，反射率越高。

(2)功能增白粉的含量。其含量越高，反射率越高。其中取決于玻璃熔劑的熔融溫度，玻璃熔劑熔融溫度越低，顏料中加入的功能增白粉越多，反射率越高；玻璃熔劑熔融溫度越高，則反之。

(3)釉料中固含量。調(diào)墨油所占釉料中比例越少，則無機(jī)粉料比例越高，反射率越高。

(4)釉料在印刷過程中膜層越厚，反射率越高；膜層越薄，反射率越低。一般濕膜層厚度在15～30 μm，通常取決于絲印的工藝參數(shù)，包括釉料的粘稠度、印刷速度、刮刀硬度與壓力和網(wǎng)間距等。

(5)鋼化溫度和時間。通常鋼化溫度過高或時間過長，反射率越低；鋼化溫度過低或時間過短，反射率越低。這主要是鋼化溫度過高或時間過長，其膜層燒結(jié)的較透，相應(yīng)光線透過的較多，導(dǎo)致反射率降低。

3.2 附著力

高反射白色釉料通過印刷、鋼化處理后粘附在玻璃上，兩者接觸部分的相互吸引力叫附著力。通常使用百格刀(見圖8(a))測試其等級程度，壓著刀頭劃過測試樣品，刀頭刮起表面膜層(至底材)，再做90°角交叉切割，形成十字形的交叉方格狀；在用專用膠帶粘貼在劃痕處，以穩(wěn)定的速度(0.5～1.0 s)撕掉，觀察其脫落情況。共分為5個等級，切口的邊緣完全光滑，格子邊緣沒有任何剝落，ISO等級：0(見圖8(b))。在切口的相交處有小片剝落，劃格區(qū)內(nèi)實際破損不超過5% ，ISO等級：1；切口的邊緣和/或相交處有被剝落，其面積大于5%，但不到15%，ISO等級：2；沿切口邊緣有部分剝落或整大片剝落，或者部分格子被整片剝落。被剝落的面積超過15%，但不到35%，ISO等級：3；切口邊緣大片剝落/或者一些方格部分部分或全部剝落，其面積大于劃格區(qū)的35%，但不超過65%，ISO等級：4；超過上一等級為ISO等級：5；光伏行業(yè)內(nèi)要求鋼化后釉料附著力從之前的2級逐步提高到0～1級，主要是由于玻璃在運(yùn)輸過程中，相互摩擦引起釉料膜層的脫落，以及光伏組件安裝過程中以免引起的脫落。

圖8 附著力測試圖

3.3 鉛筆硬度

高反射白色釉料的附著力性能和鉛筆硬度比較相似，通常其附著力越好，鉛筆硬度越好，反之則差。按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鉛筆筆芯的硬度分為13級。從最硬的6H逐級遞減經(jīng)5H、4H、3H、2H、 H，再經(jīng)軟硬適中的HB，然后從B、2B到最軟的6B。光伏行業(yè)中要求釉料膜層硬度在3H及以上。

3.4 抗沖擊性能

高反射白色釉料涂敷在背板玻璃上，通過鋼化后，測試其抗沖擊性能。將1 040 g鋼球從一定的高度自由落體沖擊在非釉面玻璃上，高度在600 mm以上不破碎為合格。抗沖擊強(qiáng)度主要是超白玻璃與釉料的膨脹系數(shù)的差值有關(guān)，兩者相差越近，其產(chǎn)生的應(yīng)力越小，抗沖擊強(qiáng)度越好；兩者相差越大，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，故而施加較小的外力，就會導(dǎo)致鍍釉玻璃破碎，抗沖擊強(qiáng)度就差。超白玻璃的膨脹系數(shù)在8.6×10-6/℃，釉料膨脹系數(shù)在(8.3～8.9)×10-6/℃較為合適。由于光伏玻璃鋼化是物理鋼化，通過一定的風(fēng)壓急冷玻璃，從而達(dá)到增強(qiáng)玻璃的強(qiáng)度，所以鋼化工藝對玻璃抗沖擊性能影響較大。

3.5 耐紫外性能

將試樣經(jīng)受波長在280～385 nm范圍的紫外輻射為60 k·Wh·m-2，觀察釉料膜層是否發(fā)生變化，以及反射率衰減率。釉料的耐紫外性能主要和玻璃熔劑體系以及功能增白粉中鈦白粉耐候性有關(guān)，氯化法金紅石耐候較好，而硫酸法金紅石耐候性較差。

3.6 PID性能

電位誘發(fā)衰減PID(Potential Induced Degrandation)現(xiàn)象是指在高溫高濕的情況下，高電壓流經(jīng)過太陽能電池單元便會導(dǎo)致輸出功率下降的現(xiàn)象。其測試條件是組裝完好的組件放在溫度80 ℃、濕度80%、電壓正負(fù)1 500 V，測試時間196 h、300 h后，再檢測組件發(fā)電功率的衰減率小于5%為合格。影響電池組件PID衰減主要是釉料的電導(dǎo)率，其電導(dǎo)率越低，組件PID衰減越小；電導(dǎo)率越大，則反之。

4 高反射白色釉料在絲印應(yīng)用中出現(xiàn)的問題

由于光伏玻璃尺寸較大，一般長寬厚為2 000 mm×1 000 mm×2 mm(見圖9)，所以導(dǎo)致高反射釉料在絲網(wǎng)印刷過程中出現(xiàn)較多的缺陷，會直接影響成品的合格率，絲印缺陷引起的次品占總次品率比較大。 玻璃絲網(wǎng)印刷故障產(chǎn)生的原因是多方面的，涉及絲印網(wǎng)版、刮板、油墨、設(shè)備、材料以及操作技術(shù)等諸多因素。絲印故障的產(chǎn)生，有單一方面原因，但更多的則是各種原因的交叉影響結(jié)果。這是操作者在判定故障原因，采取相應(yīng)對策時要特別注意的方面。

圖9 絲網(wǎng)印刷

4.1 堵版

(1)車間溫度、濕度及油墨性質(zhì)的原因。絲網(wǎng)印刷車間要求保持一定的溫度20 ℃左右和相對濕度50%左右，如果溫度高，相對濕度低，油墨中的揮發(fā)溶劑就會很快地?fù)]發(fā)掉，網(wǎng)上油墨的粘度變高，從而堵住網(wǎng)孔。另一點應(yīng)該注意的是，如果停機(jī)時間過長，也會產(chǎn)生堵版現(xiàn)象。

(2)印刷壓力的原因。印刷過程中壓印力過大，會使刮板彎曲，刮板與絲網(wǎng)印版和承印物不是線接觸，而呈面接觸，這樣每次刮印都不能將油墨刮干凈，而留下殘余油墨，經(jīng)過一定時間便會結(jié)膜造成糊版。

(3)油墨的原因。在絲網(wǎng)印刷油墨中的顏料及其它固體的顆粒較大時，就容易出現(xiàn)堵住網(wǎng)孔的現(xiàn)象[5]。

4.2 鋸齒、毛刺

在玻璃絲網(wǎng)印刷產(chǎn)品中，常出現(xiàn)的問題是印刷墨膜邊緣出現(xiàn)鋸齒狀毛刺(包括殘缺或斷線)。產(chǎn)生毛刺的原因有很多，但是主要原因在于絲網(wǎng)印版本身質(zhì)量問題。

(1)感光膠分辨力不高，致使精細(xì)線條出現(xiàn)斷線或殘缺。

(2)曝光時間不足或曝光時間過長，顯影不充分，絲網(wǎng)印刷圖文邊緣就不整齊，出現(xiàn)鋸齒狀。好的絲網(wǎng)印版，圖文的邊緣應(yīng)該是光滑整齊的。

(3)絲網(wǎng)印版表面感光膠涂布不均勻時，進(jìn)行印刷時，絲網(wǎng)印版與承印物之間仍舊存有間隙，由于油墨懸空滲透，造成印刷墨跡邊緣出現(xiàn)毛刺。

(4)印刷過程中，由于版膜接觸溶劑后發(fā)生膨脹，使得版膜表面出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，印刷時絲網(wǎng)印版與承印物接觸面局部出現(xiàn)間隙，油墨懸空滲透，墨膜就會出現(xiàn)毛刺[6]。

4.3 絲網(wǎng)印刷小技巧

(1)刮刀越銳利，印刷越清晰，不易糊版，墨層厚度越薄；刮刀越鈍，則反之。

(2)網(wǎng)版目數(shù)越大，印刷越清晰，不易產(chǎn)生鋸齒狀，墨層厚度越薄；網(wǎng)版目數(shù)越小，則反之。

(3)如絲網(wǎng)時一條邊存在鋸齒嚴(yán)重或糊邊，而另一條邊正常，有可能是回墨刀壓力過大，需把回墨刀網(wǎng)上抬，壓力減小。

(4)如印刷過快，易造成飛墨，產(chǎn)生缺陷。

(5)刮刀的角度越接近垂直，印刷越清晰，不易糊版，墨層厚度越薄；刮刀傾斜，則反之。

(6)新刮刀需要用磨刀機(jī)打磨，且每隔一段時間刮刀就需要打磨平整。因為刮刀會磨損，變形及凹凸不平，極易出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致成品率降低。

(7)為了更好的控制油墨使用時的粘稠度，建議客戶使用粘度計測量。即在油墨加入稀釋劑，充分?jǐn)嚢韬螅褂谜扯扔嫓y量粘度，盡量使每次正常印刷的油墨，保持一定范圍的粘度和流動性。

5 本公司研制的高白反射釉與市場同類產(chǎn)品的對比

江蘇拜富科技股份有限公司(以下簡稱拜富科技)研制的高白反射釉料與市場同類產(chǎn)品的對比，如表1所示。

表1 拜富科技研制的高白反射釉與市場同類產(chǎn)品的對比

6 總結(jié)

世界各國都將新能源開發(fā)提上國家發(fā)展戰(zhàn)略層面，其中太陽能是一種綠色能源，人們都在想法設(shè)法盡可能地最大化利用太陽能。我國也出臺了一系列政策法規(guī)刺激太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)也進(jìn)入了一個高速的發(fā)展階段。有些企業(yè)為了更加充分地利用太陽能，將光伏玻璃組件由單玻組件升級至雙玻組件，并在電池板玻璃背面涂覆一層白色釉料，該釉料主要具有與玻璃結(jié)合性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、白度高和反射率高等性能。當(dāng)光線進(jìn)入雙玻組件時，使其盡可能的全部反射在電池板上，以達(dá)到提高發(fā)電效能。