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，導致電池的發電功率下降。在玻璃表面涂鍍一層減反射膜是目前應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，由于其設備要求低、工藝簡單、成本低、便于大面積生產等優點［3,4］，被廣泛應用。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，環境中的水分極易進入玻璃表面，導致薄膜的光學性能下降［5,6］。為了提高薄膜的穩定性，主要采用酸性催化來合成SiO2薄膜。Kreiter R.［7］采用不同交聯基團的硅氧烷調節孔徑大小，制備有機-無機雜化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，通過酸催化進行水解縮合反應，同時引入不同長度橋聯基團的硅氧烷來調節涂層中的孔徑大小。氨基樹脂作為交聯劑，與SiO2粒子交聯形成一種網狀結構［9,10］，這種三維立體網狀結構提高了粒子之間、粒子與玻璃基底的交聯密度，因此減反射膜層具備優良的硬度和光學性能。為了提高膜層的穩定性，引入柔軟的長鏈硅氧烷二乙氧基二甲基硅烷，調節膜層的脆性。制得的SiO2減反射涂層具有較好的透過率、硬度和穩定性。

1 實驗

1.1 原料

正硅酸乙酯（AR28%，國藥集團化學試劑有限公司）、異丙醇（AR）、濃硝酸（AR，國藥集團化學試劑有限公司）、乙酸（AR，國藥集團化學試劑有限公司）、去離子水（自制）、甲基三乙氧基硅烷（工業級，湖南金錦樂有限公司）、g-（2,3-環氧丙氧） 丙基三甲氧基硅烷（KH560）（工業級，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）（工業級，南京向前化工有限公司）、二乙氧基二甲基硅烷（工業級，北京市津同樂泰化工產品有限公司）、流平劑、氨基樹脂（工業級，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內加完，繼續在80 ℃下反應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給量按比例（6～8）∶（8～10），膠輥高度設為3.20 mm，壓料輥高度設為3.12～3.15 mm，主傳動速度設為7.6～10.0 m/min，膠輥速度設為10.0～11.5 m/min，定量輥速度設為10.0～11.5 m/min，固化爐溫度設為80～150 ℃。鍍膜固化后進入鋼化爐鋼化，按照常規鋼化工藝在680～720 ℃鋼化4～8 min，然后經清洗機清洗、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Filmeasure2100，在380～1100 nm波長范圍內對上述SiO2減反射膜鋼化玻璃進行測試。

1.4.2 微觀結構的測試

利用掃描電子顯微鏡測量減反射涂層厚度及斷面結構。

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波長范圍內的透過率進行比較，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%。可以發現，鍍膜玻璃在整個波段均具有較高的透過率，平均透過率增益高達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合。SiO2溶膠體系的酸性水解，使得聚合產物以線型為主，配合聚硅氧烷、交聯劑與粒子、玻璃基層之間形成的橋架網絡連接，構成了如圖2所示的致密結構，使得膜層在其耐磨性、耐候性和化學穩定性方面具有極大的優勢，使用壽命長，應用范圍更廣。

2.3 鉛筆硬度

鍍膜玻璃的膜層硬度是影響產品應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的試驗結果，符合4H的硬度。這個結果得益于添加的氨基樹脂與二氧化硅粒子交聯形成的三維立體網狀結構，提高了粒子之間、粒子與玻璃基底的交聯密度，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用環境，良好的耐水性和耐熱性能可以減少環境對膜層的侵蝕，維持長時間的減反效果。將鍍膜玻璃放在溫度85 ℃、濕度85%的試驗箱中保持1000 h，濕熱試驗后的膜面如圖4所示。

圖4 鍍膜玻璃濕熱試驗后的膜面

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前后膜層的透過率變化，結果顯示透過率衰減只有0.52%～0.61%，符合行業標準。由此可見，減反射涂層具有優異的耐候性，驗證了膜層中的Si-O立體網絡結構的穩定性，涂層表面和內部粒子之間結構致密，可阻止空氣中的水分進入玻璃表面，提高其使用壽命。

3 結論

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），在酸性條件下進行水解縮合反應，合成SiO2粒子，添加KH-560、KH570等助劑對粒子進行修飾，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）調節膜層硬度和柔性。得到的SiO2溶膠具有較好的光學性能，平均透過率（380～1100 nm）增益高達2.6%，具有較高硬度4H，兼具優異的耐候性。本文采用溶膠-凝膠法制備了SiO2減反射鍍膜玻璃，經過性能測試，SiO2減反射涂層具有較好的透過率、硬度和穩定性，可應用于光伏太陽能電池，提高太陽能利用率。