太阳能光伏用玻璃耐久性能检测技术的研究

吴国祥，陶虹强，王志伟，朱晓明，周利满，吴建中

太阳能光伏用玻璃耐久性能检测技术的研究

吴国祥1，3，陶虹强2，王志伟1，朱晓明1，周利满1，3，吴建中1，3

（1.嘉兴市产品质量检验检测院，浙江嘉兴314000；2.福莱特玻璃集团股份有限公司，浙江嘉兴314000；3.嘉兴市方圆公正检验行，浙江嘉兴314000）

光伏发电是全球可再生能源利用的重要组成部分，光伏玻璃是太阳能电池的关键部件，由于其在露天环境下使用，工作环境相当恶劣。目前现有的太阳能光伏用玻璃耐久性能要求及检测方法不够全面，只对单项指标进行考核，没有针对其实际经受的高温、高湿、盐雾环境、紫外辐射等组合环境情况进行综合评价。通过对太阳能光伏用镀膜玻璃的部分耐久性能指标（湿热-盐雾组合性能、湿热-紫外组合性能、湿冻-盐雾组合性能、湿冻-紫外组合性能、耐磨性能）的研究及探索，完善耐久性能要求及检测方法，并对不同的使用地区、环境分别规定相应的要求，为企业产品的工艺设计、质量改进和标准制定打下基础。

太阳能光伏用镀膜玻璃；耐久性能；检测方法

0　引言

在世界能源日益短缺、全球气候变暖、生态环境不断恶化的背景下，可再生能源的利用是全球能资源发展战略的必然，丰富的太阳能是重要的能源，光伏发电是今后可再生能源利用的重要途径之一。

我国政府十分重视可再生能源的利用，对能源发展思路提出了：在太阳能等可再生能源技术取得突破并实现规模化应用，前沿技术包括重点研究太阳能电池相关材料及其关键技术。国家工业和信息化部在太阳能光伏产业“十二五”发展规划中提出：发展太阳能光伏产业是我国保障能源供应、建设低碳社会、推动经济结构调整、培育战略性新兴产业的重要方向。

太阳能电池的关键部件光伏玻璃的作用是利用其高透射率为太阳能电池片提供光能，并保护电池组件不受损伤、防止氧化、免受水汽的侵蚀、并提高太阳能组件的抗冲击性能。但普通的低铁超白光伏玻璃的太阳光有效透射比为92%左右，近8%的阳光由于玻璃反射而损失。为提高太阳光的有效透射比，国内外光伏玻璃科研单位和制造商开发了减反射镀膜玻璃，可提高太阳光有效透射比2%左右，提高了太阳能电池的发电效率。

由于太阳能光伏组件工作环境恶劣，长时间在露天使用，光伏玻璃要经受反复的高温、高湿、酸雨、盐雾、冰雹、日光曝晒、沙尘、冷热冲击等环境的影响，又会在清洗、维护时受到机械刮擦等，都会导致镀膜玻璃膜层的损伤，从而影响太阳光有效透射比。因此，对太阳能光伏用镀膜玻璃的耐久性能检测技术进行研究非常必要。

1　太阳能光伏镀膜玻璃工艺及主要失效形式和影响因素

常用的镀膜方法有：磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶等；膜层中SiO2含量≥99.9%，还含有微量的有机物和无机物。

目前光伏镀膜玻璃均采用先镀膜后钢化工艺，即在玻璃原片表面涂上SiO2溶胶，经干燥、固化后进行钢化。

镀层的主要失效形式：太阳能光伏组件在使用后，会出现发电效率下降，对玻璃而言主要是太阳光有效透射比出现衰减，镀膜表面出现脱落、剥离、起皱、斑纹等缺陷［1］。

太阳能光伏组件在使用中，高温、高湿、紫外线会对玻璃镀膜层造成破坏，空气中水分和二氧化碳共同作用也会破坏玻璃镀膜层的结构以及镀膜层和玻璃的结合，海边空气中钠离子对玻璃镀膜层的加速破坏、沙尘对玻璃镀膜层的损坏等。具体可分为以下6个主要因素：

（1）高温、高湿：由于光伏玻璃是一种钠钙玻璃，在高温、高湿下会水解，生成氢氧化钠和硅酸凝胶，氢氧化钠会腐蚀镀膜层，使膜层损坏；硅酸凝胶附在玻璃表面，二者都会使太阳光有效透射比下降，表面出现斑纹等缺陷。

（2）盐雾环境：盐雾会导致镀膜层有机物分解，造成膜层开裂、脱落［1］。

（3）紫外辐照：紫外光辐照会导致镀膜层有机物氧化、分解，破坏膜层。

（4）湿冻环境：湿冻环境同样有高温、高湿；而且水分子会透过膜层到达玻璃基底，在低温下结冰、并在高温下膨胀损坏镀膜层。

（5）沙尘环境：玻璃在高风沙环境要承受一定强度的吹尘、吹砂、降尘冲击，造成镀膜层损伤。

（6）其它：玻璃在生产、运输、组件安装调试过程中受到的摩擦以及在清洗、维护时受到机械刮擦，都会导致膜层的损伤，使太阳光有效透射比下降。

2　国内外研究现状和发展趋势

国际电工委员会于1993年发布IEC 61215—1993《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》，2005年发布IEC 61215—2005《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》，该标准规定了光伏组件的性能指标及其试验方法。

GB/T 9535—1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》等效采用IEC61215—1993，国家工业和信息化部于2009年发布JC/T 2001—2009《太阳电池用玻璃》，2013年发布JC/ T 2170—2013《太阳能光伏组件用减反射膜玻璃》，规定了光学性能、耐洗刷性能、耐酸性能、耐中性盐雾性能、耐热循环性能、耐湿冻性能、耐湿热性能、耐紫外性能、耐砂尘性能，抗冲击性能、霰弹袋冲击性能、耐热冲击性能等指标及试验方法。JC/T 2170—2013虽规定了太阳能光伏组件用减反射膜玻璃的部分耐久性要求和试验方法，规范了太阳能光伏组件用减反射膜玻璃的生产和质量控制，但该标准仅对单项指标进行考核评价，没有对其使用过程中经受的组合环境进行综合考核评价。

3　国内目前的控制要求及方法

（1）耐洗刷性能。JC/T 2170—2013规定了产品经400次往复循环的洗刷试验后的太阳光有效透射比的衰减以及外观变化情况。

（2）耐酸性能。JC/T 2170—2013规定了产品经受一定强度的酸性环境试验后的太阳光有效透射比的衰减以及其外观变化情况。

（3）耐中性盐雾性能。JC/T 2170—2013规定了产品经受一定强度的中性盐雾环境后的太阳光有效透射比的衰减以及其外观变化情况。

（4）耐热循环性能。JC/T 2170—2013规定了产品承受由于温度重复变化而引起的太阳光有效透射比的衰减以及其外观变化情况。

（5）耐湿冻性能。JC/T 2170—2013规定了产品经受高温、高湿及低温冷冻后太阳光有效透射比的衰减以及其外观变化情况。

（6）耐湿热性能。JC/T 2170—2013规定了产品承受1000 h的湿热试验后的太阳光有效透射比的衰减以及其外观变化情况。

（7）耐紫外性能。JC/T 2170—2013规定了产品承受一定强度的紫外线照射后太阳光有效透射比的衰减以及其外观变化情况。

（8）耐砂尘性能。JC/T2170—2013规定产品经一定强度的吹尘、吹砂、降尘后太阳光有效透射比的衰减及外观变化情况。

4　现有控制措施存在的问题

IEC61215—2005规定了室外曝露试验、紫外预处理试验、热循环试验、湿-冻试验、湿-热试验、冰雹试验等项目的要求及试验方法，但其针对的是光伏组件的耐候性，没有涉及光伏玻璃的耐久性能。

JC/T 2170—2013对镀膜玻璃部分耐久性能进行了单项考核，没有针对镀膜玻璃在使用过程中承受的多种恶劣环境进行综合考核评价；也未涉及光伏镀膜玻璃在生产、运输中及在光伏组件安装调试时对镀膜玻璃可能造成的损伤。

5　太阳能光伏用玻璃耐久性能的探索

由于太阳能光伏玻璃在使用过程中要经过反复的湿热-盐雾、湿热-紫外、湿冻-盐雾、湿冻-紫外、沙尘等循环考验，并且其在生产、运输、组件安装调试过程会受到摩擦。因此，本研究挑选了国内广泛使用的具有代表性的4种太阳能光伏镀膜玻璃，分别以国产A、国产B、进口A、进口B标记。在以上环境条件下进行组合试验并进行分析；每种产品、每种试验方案均制成尺寸为300 mm×300 mm的试样各3块。

6　试验与分析

6.1湿热-盐雾组合试验

6.1.1试验目的

由于太阳能光伏组件要经受湿热-盐雾的循环考验，因此对镀膜玻璃经受湿热试验后再进行盐雾试验以考核其太阳光有效透射比及外观的变化。本项目采用2种试验方案进行。

表1　湿热-盐雾组合试验太阳光有效透射比（方案1）

6.1.2方案1试验方法及试验结果分析

测试试验前镀膜玻璃的太阳光有效透射比τ1，将样品经1000 h的湿热试验（温度85℃、相对湿度85%），再进行96 h中性盐雾试验（温度35℃、5%NaCl溶液），测试试验后太阳光有效透射比τ2，结果见表1。试验后试样的表面质量见图1。

由表1和图1可知，镀膜玻璃经湿热-盐雾组合（96 h）试验后，样品的太阳光有效透射比有较大衰减，并且有国产A和进口B2种样品的镀层出现了明显脱落、剥离现象。主要原因是：长期的湿热环境下破坏了镀膜层和玻璃的结合，使膜层损坏并引起玻璃自身的钠析出，生成氢氧化钠损伤膜层；加上后续盐雾导致镀膜层有机物分解，同样损伤镀膜层，造成膜层开裂、脱落，导致太阳光有效透射比衰减。

6.1.3方案2试验方法及试验结果分析

测试试验前镀膜玻璃的太阳光有效透射比τ1，将样品经1000 h的湿热试验（温度85℃、相对湿度85%），再进行500 h中性盐雾试验（温度35℃、5%NaCl溶液），测试试验后太阳光有效透射比τ2，结果见表2。试验后试样的表面质量见图2。

图1　方案1湿热-盐雾组合试验后试样的表面质量

表2　方案2湿热-盐雾试验太阳光有效透射比

图2　方案2湿热-盐雾组合试验后试样的表面质量

由表2和图2可知，镀膜玻璃经湿热-盐雾组合（500 h）试验后，试样的太阳光有效透射比衰减明显比湿热-盐雾组合（96 h）大，并且4种样品的镀层均出现了明显脱落、剥离现象，主要原因是：长时间盐雾试验使镀膜层有机物分解严重，造成膜层严重开裂、脱落，导致太阳光有效透射比大幅下降。

6.2湿热-紫外组合试验

6.2.1试验目的

由于太阳能光伏组件要经受湿热-紫外的循环考验，因此方案1将镀膜玻璃经受湿热试验后再进行紫外试验；方案2将镀膜玻璃在湿热环境下同时进行紫外试验，分别考核其太阳光有效透射比及外观的变化。

6.2.2方案1试验方法及试验结果

测试试验前样品的太阳光有效透射比τ1，经1000 h的湿热试验（温度85℃、相对湿度85%）后，再经受波长为280～385 nm的紫外辐射15 kW·h/m2（其中波长为280～320 nm的紫外辐射≥5 kW·h/m2，试验温度60℃），测试试验后的太阳光有效透射比τ2，结果见表3。试验后试样的表面质量见图3。

表3　方案1湿热-紫外组合试验太阳光有效透射比

图3　方案1湿热-紫外组合试验后的表面质量

由表3和图3可知，试样经湿热-紫外组合试验后，太阳光有效透射比有一定程度的衰减，有3种样品镀层出现了明显的剥离、斑纹现象。主要原因是：长期的湿热环境下破坏了镀膜层和玻璃的结合，并引起玻璃自身的钠析出，生成氢氧化钠损伤膜层；加上湿热试验后的紫外光辐照会导致镀膜层有机物氧化、分解，破坏膜层，导致太阳光有效透射比衰减。

6.2.3方案2试验方法及试验结果分析

测量试验前样品的太阳光有效透射比τ1，在湿热环境下（温度85℃、相对湿度85%），经受波长为280～385 nm的紫外辐射15 kW·h/m2（其中波长为280～320 nm的紫外辐射≥5 kW·h/m2，试验温度60℃），测量样品试验后的太阳光有效透射比τ2，试验数据见表4，试验后试样的表面质量见图4。

表4　方案2湿热-紫外组合试验太阳光有效透射比

图4　方案2湿热-紫外组合试验后试样的表面质量

由表4和图4可知，方案2（湿热和紫外试验同时进行）的太阳光有效透射比衰减值明显比方案1（先进行湿热试验后再进行紫外试验）大，并且4种样品镀层均出现了明显的剥离、斑纹现象。主要原因是：在高温、高湿下玻璃会水解，生成的氢氧化钠腐蚀镀膜层，生成的硅酸凝胶附在玻璃表面，同时紫外线对镀膜中物质的部分离子键有较大的破坏，影响镀膜层和玻璃的结合力，且紫外辐照又会导致镀膜层有机物氧化、分解，使膜层损坏，2种因素同时作用加剧了膜层的损伤，导致太阳光有效透射比衰减值增大。

6.3湿冻-盐雾组合试验

由于太阳能光伏组件要经受湿冻-盐雾的循环考验，因此将镀膜玻璃通过湿冻试验后再进行盐雾试验考核其太阳光有效透射比及外观的变化。

测试试验前样品的太阳光有效透射比τ1，经10次湿冻试验（温度85℃、相对湿度85%、历时20 h，然后将温度降至-40℃、历时0.5h），再进行96h中性盐雾试验（温度35℃、5%NaCl溶液），测试样品的太阳光有效透射比τ2，结果见表5。试验后试样的表面质量见图5。

表5　湿冻-盐雾组合试验太阳光有效透射比

图5　湿冻-盐雾组合试验后试样的表面质量

由表5和图5可知，镀膜玻璃经湿冻-盐雾组合试验后，样品的太阳光有效透射比有较大的衰减，并且4种样品镀层均出现了不同程度的损伤，其中2种样品出现了明显脱落、剥离现象，主要原因是：在高温、高湿环境下，水分子会透过镀膜层到达膜层与玻璃的结合面，在低温下结冰破坏膜层，并在高温下膨胀损坏镀膜层。

6.4湿冻-紫外组合试验

由于太阳能光伏组件要经受湿冻-紫外的循环考验，因此对镀膜玻璃经受湿冻试验后再进行紫外试验，考核其太阳光有效透射比及外观的变化。

测试试验前样品的太阳光有效透射比τ1，经10次湿冻试验（温度85℃、相对湿度85%、历时20 h，然后将温度降至-40℃、历时0.5h），再经受波长为280～385nm的紫外辐射15 kW·h/ m2（其中波长为280～320 nm的紫外辐射≥5 kW·h/m2，试验温度60℃），测试样品的太阳光有效透射比τ2，结果见表6。试验后试样的表面质量见图6。

表6　湿冻-紫外组合试验太阳光有效透射比

图6　湿冻紫外组合试验后试样的表面质量

由表6和图6可知，镀膜玻璃经湿冻-紫外组合试验后，太阳光有效透射比均有了一定程度的衰减，并且有2种样品镀层出现了明显剥离、起皱现象。

6.5耐磨试验

由于太阳能光伏玻璃在其生产、运输、组件安装调试过程中会受到摩擦，以及在高风沙环境使用时受到的沙尘破坏；但由于耐砂尘试验相当复杂，因此采用简易的耐磨试验考核其太阳光有效透射比及外观的变化。

测试试验前样品的太阳光有效透射比τ1，用硬度为HS56±2的塑料橡皮，制成表面光洁、尺寸为10 mm×10 mm的方形磨头，受检玻璃所受的压强为0.196 N/mm2（配重后磨头总质量为2000 g），试验行程≥50 mm。试验步骤为：磨头在受检玻璃测试面（镀膜面）运动，来回1次为1个循环，共25个循环；取出受检样品，分别用去离子水和无水乙醇冲洗干净，并放置于100℃烘箱中0.5 h，冷却至室温后测试磨耗区域的太阳光有效透射比τ2，结果见表7。试验后试样的表面质量见图7。

表7　耐磨试验太阳光有效透射比

图7　耐磨试验后试样的表面质量

由表7和图7可知，镀膜玻璃经耐磨试验后，太阳光有效透射比均有了一定程度的衰减，并且4种样品的镀层磨损均较严重；主要原因是：镀膜层的结构比较疏松，膜层中SiO2纳米球间、膜层与玻璃基体间的结合较差；造成的主要因素与镀膜液的配方有关。

7　结语

（1）通过对太阳能光伏镀膜玻璃在实际使用中经受高温、高湿、盐雾环境、紫外辐射、沙尘、维护保养等影响因素的分析，确定了相关耐久性能项目（湿热-盐雾组合性能、湿热-紫外组合性能、湿冻-盐雾组合性能、湿冻-紫外组合性能、耐磨性能），并进行了试验，试验后其太阳光有效透射比均有较大程度的衰减，并对膜层造成损伤。

（2）根据产品使用的环境，可分别规定玻璃在不同的使用环境或地区应具备的耐久性能指标，严寒地区注重湿冻-紫外组合性能，热带地区注重湿热-紫外组合性能，海洋地区注重湿热-盐雾组合性能、湿冻-盐雾组合性能等，沙尘地区注重耐磨性能等。这样有利于产品在生产工艺和配方设计上的调整，以保证太阳能光伏组件在设计使用期间的发电效率。

（3）规定产品经湿热-盐雾组合、湿热-紫外组合、湿冻-盐雾组合、湿冻-紫外组合试验后太阳光有效透射比的平均值衰减应≤1.2%，耐磨试验后太阳光有效透射比的平均值衰减应≤1.0%，且膜层无明显脱落、剥离、起皱现象。这样能避免光伏镀膜玻璃在使用一段时间后太阳光有效透射比衰减明显的情况，也可帮助生产企业在产品设计、工艺配方、生产中加以控制，提高太阳能光伏镀膜玻璃的品质，促进光伏玻璃行业健康发展。

［1］张增明，吕瑞瑞，彭丽霞，等.减反射镀膜光伏玻璃的可靠性及失效研究［J］.太阳能，2012（13）：25－29.

Study on glass durability detection technology for solar photovoltaic

WU Guoxiang1，3，TAO Hongqiang2，WANG Zhiwei1，ZHU Xiaoming1，ZHOU Liman1，3，WU Jianzhong1，3
（1.Jiaxing Product Quality Inspection and Testing Institute，Jiaxing 314000，Zhejiang，China；2.Flat Glass Group Co.Ltd.，Jiaxing 314000，Zhejiang，China；3.Jiaxing Fangyuan Equity Inspection Station，Jiaxing 314000，Zhejiang，China）

Photovoltaic power generation is an important component of the global renewable energy utilization，photovoltaic glass is the key components of solar cells，because of its use in an open environment，working environment is harsh.Currently existing photovoltaic glass durability performance requirements and test methods are not comprehensive enough，only single index is assessed，there are no comprehensive evaluation according to the practical experience of high temperature，high humidity，salt spray environment，ultraviolet radiation and other environmental combination.Through the research and exploration of the solar photovoltaic parts durability index of coated glass（hot and damp-salt mist performance combination，hot and damp-ultraviolet performance combination，wet frozen-salt mist performance combination，wet frozen-ultraviolet performance combination，wear-resisting performance），improve the durability performance requirements and test methods，and the environment of different areas using the corresponding requirements prescribed respectively，develop and lay the foundation for process design，product quality improvement and standard.

coated glass for solar photovoltaic，durability，detection method

TU832.1+7

A

1001-702X（2015）12-0027-06

浙江省2013年质量技术监督科研计划项目（20130268）

2015-05-12

吴国祥，男，1967年生，浙江嘉兴人，高级工程师。