膜層結構對光伏鍍膜玻璃的影響研究

收稿日期：2023-04-06

基金項目：江蘇省市場監督管理局科技計劃項目基金（KJ2022025）；無錫市檢驗檢測認證研究院院級課題（2023JYKJ014）

通信作者：黃艷萍（1987—），女，碩士、高級工程師，主要從事光伏行業原輔材料的檢測與研究，以及掃描電子顯微鏡的應用與分析方面的工作。18961779374@189.cn

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230406.01 文章編號：1003-0417（2024）04-41-08

摘 要：為更好地分析和評估膜層結構對光伏鍍膜玻璃的影響，對采用不同厚度、不同膜層結構的光伏鍍膜玻璃的光學性能、膜層鉛筆硬度、膜層微觀結構進行了對比，分析了不同類型環境老化試驗對光伏鍍膜玻璃性能的影響，并研究了不同膜層結構對光伏鍍膜玻璃性能的影響機理。研究結果表明：在光伏玻璃表面鍍減反射膜能有效提升其光學性能，在380～1100 nm波段，相較于3.2 mm光伏玻璃原片，3.2 mm單層和雙層鍍膜玻璃的平均太陽光有效透射比增益分別為2.27%和2.50%；光伏鍍膜玻璃的光學性能受膜層結構、膜層厚度及膜層孔隙率的影響，單層鍍膜及雙層鍍膜表層膜孔隙率均約為49%，雙層鍍膜底層膜的孔隙率約為12%；雙層鍍膜玻璃的膜層鉛筆硬度比單層鍍膜玻璃的低，主要是因為表層膜的Si—O—Si網絡結構建立在底層膜的網絡結構上，表層膜與底層膜之間的結合力低于網絡結構與玻璃基體之間的結合力；雙層鍍膜玻璃由于有1層致密底層膜，能有效阻隔水汽及污染物與玻璃基體發生反應，使其具有更好的耐環境老化性能。

關鍵詞：光伏組件；光伏鍍膜玻璃；雙層鍍膜；膜層結構；太陽光有效透射比

中圖分類號：TQ171.1+2/TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

光伏發電是中國大力發展的新能源利用形式之一，近年來其裝機容量迅速增加。晶體硅光伏組件作為目前光伏市場最主流的光伏產品，對其進行降本增效成為光伏產業的研究重點。光伏玻璃是晶體硅光伏組件的重要組成部分之一，其在提供機械強度的同時，還保護太陽電池不受外界環境破壞。光伏玻璃需要有較高的透光性能[1]，透光性能不僅對光伏組件輸出功率有重要影響，還有助于降低光伏組件成本。有研究表明，光伏玻璃的透光率僅提高1%就能有效降低光伏組件的成本效益比，從而縮短并網光伏電站的成本回收期[2]。目前，光伏市場上未鍍膜的超白光伏玻璃（下文簡稱為“光伏玻璃原片”）的太陽光有效透射比在91.5%～92.0%之間[3]。在光伏玻璃原片表面涂鍍1層或多層納米級厚度的減反射膜可制備出光伏鍍膜玻璃，其可有效減少太陽光的反射，增加透光率，其太陽光有效透射比可提升至93.5%～94.0%。

廣泛使用的減反射膜采用的是多孔納米二氧化硅結構，此類膜層的光學效果與孔隙率直接相關，在一定范圍內，膜層的孔隙率越高，其減反增透效應越明顯。然而，孔隙率的提高也會導致膜層的強度、耐候性變差[4]。控制光伏鍍膜玻璃的鍍膜工藝和參數，調節膜層厚度及孔隙率成為提高光伏鍍膜玻璃透光率的關鍵。

目前市場上主流的單面晶體硅光伏組件和雙面雙玻晶體硅光伏組件的正面光伏鍍膜玻璃厚度分別為3.2和2.0 mm。因此，本文針對厚度分別為3.2和2.0 mm的光伏玻璃原片、單層鍍膜的光伏鍍膜玻璃（下文簡稱為“單層鍍膜玻璃”）和雙層鍍膜的光伏鍍膜玻璃（下文簡稱為“雙層鍍膜玻璃”）的初始狀態進行光學性能、膜層鉛筆硬度、膜層微觀結構測試；然后對比不同類型環境老化試驗后各種光伏玻璃的外觀及太陽光有效透射比衰減率，并分析不同膜層結構對光伏鍍膜玻璃各項性能的影響。

1" 實驗準備

1.1" 實驗樣品

本實驗樣品共6種光伏玻璃，選取某主流玻璃廠家生產的厚度分別為3.2和2.0 mm的光伏玻璃原片、單層鍍膜玻璃、雙層鍍膜玻璃，且同一厚度的光伏玻璃所使用的玻璃原片均為同批次產品。

1.2" 性能表征

1.2.1" 光伏玻璃的太陽光有效透射比

光伏玻璃的太陽光有效透射比的測試儀器采用北京奧博泰科技有限公司生產的型號為GST3的氣浮臺式光譜透射比測量系統，其修正系數為0.983，測試波段為380～1100 nm。3.2 mm光伏玻璃原片按照GB/T 30984.1—2015《太陽能用玻璃第1部分：超白壓花玻璃》的要求進行測試，3.2 mm單層、雙層鍍膜玻璃按照JC/T 2170—2013《太陽能光伏組件用減反射膜玻璃》的要求進行測試。2.0 mm光伏玻璃原片，單層、雙層鍍膜玻璃均按照SJ/T 11571—2016《光伏組件用超薄玻璃》的要求進行測試。

1.2.2" 膜層的鉛筆硬度

對單層和雙層鍍膜玻璃膜層的鉛筆硬度進行測試時，采用型號為3086的硬度計，測試所用鉛筆為中華鉛筆，測試過程按照JC/T 2170—2013的要求進行。

1.2.3" 膜層的微觀形貌及厚度

膜層的微觀形貌及厚度采用蔡司Sigma系列場發射掃描電子顯微鏡測試，測試過程按照GB/T 20307—2006《納米級長度的掃描電鏡測量方法通則》的要求進行。

2 實驗結果與討論

2.1" 初始性能

分別測上述6種光伏玻璃試初始狀態時的太陽光有效透射比、4種光伏鍍膜玻璃的膜層鉛筆硬度及膜層微觀形貌。每種光伏玻璃選擇3塊玻璃進行測試，測試結果取其平均值。

2.1.1" 太陽光有效透射比

3種3.2 mm光伏玻璃的太陽光有效透射比圖譜如圖1所示。

圖1" 3種3.2 mm光伏玻璃的太陽光有效透射比圖譜

Fig. 1" Effective solar transmittance spectra of three types of PV glass with thickness of 3.2 mm

3種2.0 mm光伏玻璃的太陽光有效透射比圖譜如圖2所示。

圖2" 3種2.0 mm光伏玻璃的太陽光有效透射比圖譜

Fig. 2" Effective solar transmittance spectra of three" types of PV glass with thickness of 2.0 mm

結合圖1、圖2可以發現：相較于光伏玻璃原片，光伏鍍膜玻璃的太陽光有效透射比在380～1100 nm波段內明顯增加，且雙層鍍膜玻璃的太陽光有效透射比比單層鍍膜玻璃的增益更大；尤其在長波段（650～1100 nm），雙層鍍膜玻璃的透光性能更佳。

對6種光伏玻璃在380～1100 nm波段的平均太陽光有效透射比進行計算，結果如表1所示。

表1" 在380～1100 nm波段，6種光伏玻璃的

平均太陽光有效透射比計算結果

Table 1" Calculation results of average effective solar transmittance for six types of PV glass In the

wavelength range of 380～1100 nm

光伏玻璃類別 平均太陽光有效透射比/%

3.2 mm光伏玻璃原片 91.84

3.2 mm單層鍍膜玻璃 94.11

3.2 mm雙層鍍膜玻璃 94.34

2.0 mm光伏玻璃原片 91.96

2.0 mm單層鍍膜玻璃 94.13

2.0 mm雙層鍍膜玻璃 94.38

結合表1可發現：1）相較于3.2 mm光伏玻璃原片，3.2 mm單層、雙層鍍膜玻璃的平均太陽光有效透射比增益分別為2.27%和2.50%；2）相較于2.0 mm光伏玻璃原片，2.0 mm單層、雙層鍍膜玻璃的平均太陽光有效透射比增益分別為2.17%和2.42%。

2.1.2" 膜層的鉛筆硬度

對4種光伏鍍膜玻璃膜層的鉛筆硬度進行測試，結果如表2所示。

表2" 4種光伏鍍膜玻璃膜層的鉛筆硬度測試結果

Table 2" Test results of film pencil hardness of four

types of PV coated glass

光伏鍍膜玻璃類別 膜層鉛筆硬度

3.2 mm單層鍍膜玻璃 4H

3.2 mm雙層鍍膜玻璃 3H

2.0 mm單層鍍膜玻璃 4H

2.0 mm雙層鍍膜玻璃 3H

從表2可以看出：單層鍍膜玻璃膜層的鉛筆硬度比雙層鍍膜玻璃膜層的高。

有研究表明[5-6]：鍍膜過程主要為鍍膜液的水解和縮聚過程，其反應過程主要包括3個步驟，分別如下。

1）鍍膜液水解成羥基化產物及相應的醇，反應式可表示為：

（C2H5O）3Si-OC2H5+4H2O→Si（OH）4+4C2H5OH

（1）

2）鍍膜液內部縮合反應生成膠體狀的混合物，該階段Si—O—Si鍵已形成，反應式可表示為：

Si（OH）4+Si（OH）4→Si（OH）3-O-Si（OH）3+H2O

（2）

Si（OH）4+（C2H5O）3Si-OC2H5→Si（OH）3-O-Si（C2H5O）3+ C2H5OH" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

3）低聚物之間發生聚合反應形成三維網絡結構，反應式可表示為：

m（Si-O-Si）→（-Si-O-Si-）m" " " " " " " " " " " " " " "（4）

強化后的Si—O—Si網絡結構相互支撐，結構之間為化學鍵結合，從而使膜層具有一定的強度和硬度。與單層鍍膜相比，雙層鍍膜中表層膜層的網絡結構建立在底層膜之上，即建立在網絡結構之上，因此表層膜與底層膜之間的結合力會低于網絡結構與玻璃基底之間的結合力。綜上可知，雙層鍍膜玻璃膜層的鉛筆硬度相對較低，該分析結果與測試結果相吻合。

2.1.3" 膜層微觀形貌及厚度

對4種光伏鍍膜玻璃的膜層厚度進行測試，結果如表3所示。

表3" 4種光伏鍍膜玻璃的膜層厚度測試結果

Table 3 Test results of film thickness for four types of

PV coated glass

光伏鍍膜玻璃類別 膜層厚度/nm

3.2 mm單層鍍膜玻璃 105

3.2 mm雙層鍍膜玻璃 190

2.0 mm單層鍍膜玻璃 125

2.0 mm雙層鍍膜玻璃 200

利用掃描電子顯微鏡對4種光伏鍍膜玻璃膜層的表面及橫截面微觀形貌進行測試，結果如圖3所示。

從圖3可以看出：

1） 3.2 mm單層和雙層鍍膜玻璃膜層的表面均很平滑，有均勻分布的點狀凹陷結構，且有少

a. 3.2 mm單層鍍膜玻璃膜層表面微觀形貌

b. 3.2 mm單層鍍膜玻璃膜層橫截面微觀形貌

c. 3.2 mm雙層鍍膜玻璃膜層表面微觀形貌

d. 3.2 mm雙層鍍膜玻璃膜層橫截面微觀形貌

e. 2.0 mm單層鍍膜玻璃膜層表面微觀形貌

f. 2.0 mm單層鍍膜玻璃膜層橫截面微觀形貌

g. 2.0 mm雙層鍍膜玻璃膜層表面微觀形貌

h. 2.0 mm雙層鍍膜玻璃膜層橫截面微觀形貌

圖3" 4種光伏鍍膜玻璃膜層的表面及橫截面微觀形貌

Fig. 3" Microscopic morphology of surface and cross-sectional of four types of PV coated glass films

量孔隙；膜層橫截面呈多孔結構，孔隙基本以兩層堆疊的形式均勻分布，孔隙呈橢圓形，直徑約為50 nm；雙層鍍膜中底層膜的致密度好，與玻璃基底結合均勻。

2） 2.0 mm單層和雙層鍍膜玻璃膜層的表面有明顯的堆垛結構，且有少量孔隙；膜層橫截面呈多孔結構，孔隙以多層堆疊的形式分布，孔隙也為橢圓形，直徑比3.2 mm單層和雙層鍍膜玻璃膜層的略小；雙層鍍膜中底層膜的致密度好，與玻璃基底結合均勻。

光在不同介質中傳播時會發生折射與反射，其反射率R[7]可表示為：

R=" na–nb" 2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

na+nb

式中：na、nb分別為光在兩種不同介質中的折射率，當這兩種介質的折射率相近時，光的反射率就會減小。

雙層鍍膜玻璃的入射光線路示意圖[8]如圖4所示。圖中：n1為第1層膜的折射率；n2為第2層膜的折射率；n3為玻璃基底的折射率；R01為第1層膜與空氣之間界面的反射率；R12為第2層膜與第1層膜之間界面的反射率；R23為玻璃基底與第2層膜之間界面的反射率。

圖4" 雙層鍍膜玻璃的入射光線路示意圖[8]

Fig. 4" Schematic diagram of incident light path of

double-layer coated glass[8]

對于整個雙層鍍膜玻璃的反射率Rs，其與不同膜層間界面的反射率之間存在以下關系：

Rs=R01+R12+R23" " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " "（6）

通過分析式（6）可以發現，可通過調整每層膜層的反射率來使雙層鍍膜玻璃的反射率達到最小。

然而，雙層鍍膜玻璃的反射率除受各膜層的折射率影響外，還與膜層孔隙率相關，根據有效介質理論，某層膜的折射率與該層膜的孔隙率p之間存在以下關系[9]：

np2=（n2–1）（1–p）+1" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（7）

式中：n為完全無孔減反射膜的折射率；np為添加孔隙后減反射膜的折射率。

目前玻璃基底的折射率約為1.5；雙層鍍膜玻璃底層膜的折射率約為1.45，表層膜的折射率約為1.28。根據式（7）可計算得到，單層鍍膜玻璃及雙層鍍膜玻璃表層膜的孔隙率均約為49%，雙層鍍膜玻璃底層膜的孔隙率約為12%。由此可見，膜層的孔隙率越大，該膜層的折射率越小。而膜層的孔隙率大小與其機械強度密切相關，膜層的孔隙率越小，其機械強度越大。

2.2" 耐環境老化性能

光伏組件的使用年限長，一般設計壽命為25年及以上，這就需要光伏組件不僅具備良好的出廠性能，更需具備優良的耐環境老化性能。為分析不同類型光伏鍍膜玻璃的耐環境老化性能，對4種光伏鍍膜玻璃進行環境老化試驗，試驗條件和步驟按照JC/T 2170—2013中相關要求執行。不同類型環境老化試驗的試驗條件如表4所示。

試驗后觀察4種光伏鍍膜玻璃的外觀，測試光伏鍍膜玻璃的太陽光有效透射比，并計算環境老化試驗后4種光伏鍍膜玻璃的太陽光有效透射比的衰減率，計算結果如表5所示。

從表5可以看出：

1） DH1000、PCT48后光伏鍍膜玻璃的太陽光有效透射比衰減率較大，這是因為溫度和濕度對光伏鍍膜玻璃膜層性能有較大影響，尤其是在高溫和高濕條件同時存在的情況下，膜層性能衰減尤為明顯。

2）對于相同厚度的光伏鍍膜玻璃而言，除UV15、耐洗刷400次試驗外，單層鍍膜玻璃的太陽光有效透射比衰減率大于雙層鍍膜玻璃的太陽光有效透射比衰減率；且2.0 mm單層和雙層鍍膜玻璃在大部分耐環境老化試驗后的太陽光有效透射比衰減率比3.2 mm光伏鍍膜玻璃的大；

3） TC200和UV15后光伏鍍膜玻璃的太陽光有效透射比衰減率較小，這是因為單一的溫度及紫外輻照條件對光伏鍍膜玻璃性能的影響較小；

4）雖然耐鹽霧及耐洗刷試驗也會對光伏鍍膜玻璃性能產生一定的影響，但對于相同厚度的光伏鍍膜玻璃而言，試驗后的衰減率變化程度較小。

環境老化試驗后，4種光伏鍍膜玻璃的膜層表面外觀均無明顯變化。但觀察這幾種光伏鍍膜玻璃的膜層結構可以發現，與傳統球形顆粒堆積的開孔結構相比，單層和雙層鍍膜玻璃的膜層表面均形成了1層封閉的膜面，最外層為閉孔結構，僅有少量膜孔。這樣的封閉結構對膜層及玻璃基底能起到一定的保護作用。但對于雙層鍍膜玻璃而言，由于其增加了1層致密的二氧化硅底層膜，使其對水汽和污染物有更好的阻隔作用。

有研究者對光伏鍍膜玻璃膜層彩虹斑等形式的失效原因進行分析[8]，發現主要原因為玻璃的Na2SiO3、CaSiO3、MgSiO3等成分在水蒸氣侵蝕下會發生化學反應生成NaOH、Ca（OH）2、Mg（OH）2，金屬離子遷移至玻璃表面并以堿性物質形式析出，而堿性物質進一步與玻璃反應，從而進一步加劇玻璃基底的腐蝕和破壞。

光伏鍍膜玻璃在環境老化試驗過程中，會接觸一定的水汽，水汽會通過膜層中的孔隙進入到膜層內部及膜層與玻璃基底之間的界面，并與玻璃基底發生反應，生成游離的金屬離子，游離的金屬離子在電場的作用下向外產生定向遷移，從而破壞膜層中的Si—O—Si網絡結構，堵塞膜層中的孔隙；并且隨著濕度增加和溫度升高會進一步加劇腐蝕反應速度。因此，光伏鍍膜玻璃的性能在HF10、TC200、DH1000、PCT48、耐鹽霧96 h試驗后有所衰減，尤其是在溫度差異大、濕度同時較高的HF10、DH1000、PCT48試驗后，光伏鍍膜玻璃的太陽光有效透射比衰減率較大。與單層鍍膜玻璃相比，雙層鍍膜玻璃的耐環境老化性能更好。

3" 結論

本文針對單層和雙層鍍膜玻璃，對比了其初始狀態時的光學性能、膜層鉛筆硬度、膜層微觀結構，分析了不同類型環境老化試驗對光伏鍍膜玻璃性能的影響，并研究了不同膜層結構對光伏鍍膜玻璃性能影響的機理。得到以下結論：

1） 在光伏玻璃原片表面鍍減反射膜能有效提升其光學性能，在380～1100 nm波段，相較于3.2 mm光伏玻璃原片，3.2 mm單層和雙層鍍膜玻璃的平均太陽光有效透射比增益分別為2.27%和2.50%；

2）光伏鍍膜玻璃光學性能受膜層結構、膜層厚度及膜層孔隙率的影響，單層鍍膜及雙層鍍膜表層膜的孔隙率均約為49%，雙層鍍膜底層膜的孔隙率約為12%；

3）雙層鍍膜玻璃的膜層鉛筆硬度比單層鍍膜玻璃膜層的低，這主要是因為表層膜的Si—O—Si網絡結構建立在底層膜的網絡結構上，表層膜與底層膜之間的結合力低于網絡結構與玻璃基底之間的結合力；

4）雙層鍍膜玻璃由于有1層致密底層膜，能有效阻隔水汽及污染物與玻璃基體發生反應，使其具有更好的耐環境老化性能。

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Research on influence of film structure on

PV coated glass

Huang Yanping，Tian Qianqian，Yuan Ye，Pan Sheng

（Wuxi Institute of Inspection Testing and Certification，National Center of Inspection on Solar Photovoltaic Products Quality，

Wuxi 214028，China）

Abstract：In order to better analyze and evaluate the influence of film structure on PV coated glass，this paper compares the optical properties，film pencil hardness，and film microstructure of PV coated glass with different thicknesses and film structures. The influence of different types of environmental aging tests on the performance of PV coated glass is analyzed，and the mechanism of the influence of different film structures on the performance of PV coated glass is studied. The research results show that coating anti reflective film on the surface of PV glass can effectively improve its optical performance. In the wavelength range of 380～1100 nm，compared to the PV glass with thickness of 3.2 mm，the average effective solar transmittance gain of single-layer and double-layer coated glass with thickness of 3.2 mm is 2.27% and 2.50%，respectively. The optical properties of PV coated glass are influenced by the film structure，film thickness，and film porosity. The porosity of both single-layer and double-layer coating surface films is about 49%，and the porosity of the double-layer coating bottom film is about 12%. The film layer pencil hardness of double-layer coated glass is lower than that of single-layer coated glass，mainly because the Si—O—Si network structure of the surface film is built on top of network structure of the bottom film. The bonding force between the surface film and the bottom film is lower than that between the network structure and the glass substrate. Double-layer coated glass has a dense bottom film，which can effectively block water vapor and pollutants from reacting with the glass substrate，making it have better environmental aging resistance.

Keywords：PV modules；PV coated glass；double-layer coating；film structure；effective solar transmittance