光伏太阳能减反射镀膜玻璃的制备

夏善慧 陈汉舟 王怡馨 李恭昌

（中建材（合肥）新能源有限公司 合肥 230088）

0 引言

光伏玻璃作为太阳能电池表面的保护层，是光伏组件的重要辅材之一［1,2］，但是由于玻璃表面会反射一部分太阳光，导致电池的发电功率下降。在玻璃表面涂镀一层减反射膜是目前应用最广泛的一种有效降低太阳光在光伏玻璃表面反射的手段，能够提高到达硅晶电池表面的光通量，从而提高太阳能的利用率。目前SiO2减反射镀膜液的制备主要采用溶胶-凝胶法工艺，由于其设备要求低、工艺简单、成本低、便于大面积生产等优点［3,4］，被广泛应用。溶胶-凝胶法分为酸催化和碱催化，碱催化条件下，SiO2粒子内部和粒子之间存在大量的空隙，折射率低，膜层具有较高的透过率，但是粒子是通过无序的堆积形式存在于玻璃表面，环境中的水分极易进入玻璃表面，导致薄膜的光学性能下降［5,6］。为了提高薄膜的稳定性，主要采用酸性催化来合成SiO2薄膜。Kreiter R.［7］采用不同交联基团的硅氧烷调节孔径大小，制备有机-无机杂化SiO2薄膜用于气体分离［8］，但研究仅限于分离膜。

本文以正硅酸乙酯为主要原材料，通过酸催化进行水解缩合反应，同时引入不同长度桥联基团的硅氧烷来调节涂层中的孔径大小。氨基树脂作为交联剂，与SiO2粒子交联形成一种网状结构［9,10］，这种三维立体网状结构提高了粒子之间、粒子与玻璃基底的交联密度，因此减反射膜层具备优良的硬度和光学性能。为了提高膜层的稳定性，引入柔软的长链硅氧烷二乙氧基二甲基硅烷，调节膜层的脆性。制得的SiO2减反射涂层具有较好的透过率、硬度和稳定性。

1 实验

1.1 原料

正硅酸乙酯（AR28%，国药集团化学试剂有限公司）、异丙醇（AR）、浓硝酸（AR，国药集团化学试剂有限公司）、乙酸（AR，国药集团化学试剂有限公司）、去离子水（自制）、甲基三乙氧基硅烷（工业级，湖南金锦乐有限公司）、g-（2,3-环氧丙氧） 丙基三甲氧基硅烷（KH560）（工业级，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）（工业级，南京向前化工有限公司）、二乙氧基二甲基硅烷（工业级，北京市津同乐泰化工产品有限公司）、流平剂、氨基树脂（工业级，上海翁开尔有限公司）。

1.2 SiO2溶胶的制备

按摩尔比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，在搅拌状态下加入酸水混合物［摩尔比n（异丙醇）∶n（硝酸）∶n（乙酸）∶n（H2O）＝1∶0.012∶0.004∶1.6］，2 min内加完，继续在80 ℃下反应12 h，降至室温后再加入混合液［摩尔比n（二乙氧基二甲基硅烷）/n（正硅酸乙酯）＝1.2、摩尔比n（KH560）/n（正硅酸乙酯）＝0.02和摩尔比n（KH570）/n（正硅酸乙酯）＝0.01］，混匀后加入2%的氨基树脂，搅拌均匀后40 ℃静置熟化3 d。用异丙醇稀释上述溶液至固含量为3%，然后加入2‰的流平剂，即得到无色透明的纳米SiO2溶胶。

1.3 SiO2减反射镀膜玻璃的制备

在恒温恒湿洁净镀膜房中，使用Cefla镀膜机采用辊涂法在300 mm×300 mm×3.2 mm的太阳能光伏原片玻璃表面进行涂覆。原片玻璃的透过率为91.6%。在镀膜过程中，异丙醇与镀膜液的补给量按比例（6～8）∶（8～10），胶辊高度设为3.20 mm，压料辊高度设为3.12～3.15 mm，主传动速度设为7.6～10.0 m/min，胶辊速度设为10.0～11.5 m/min，定量辊速度设为10.0～11.5 m/min，固化炉温度设为80～150 ℃。镀膜固化后进入钢化炉钢化，按照常规钢化工艺在680～720 ℃钢化4～8 min，然后经清洗机清洗、烘干，得到涂有SiO2减反射膜的光伏镀膜钢化玻璃。

1.4 性能测试

1.4.1 透过率的测试

透过率采用气浮台式光谱透射比测量系统Filmeasure2100，在380～1100 nm波长范围内对上述SiO2减反射膜钢化玻璃进行测试。

1.4.2 微观结构的测试

利用扫描电子显微镜测量减反射涂层厚度及断面结构。

1.4.3 湿热性能测试

在恒温恒湿箱中温度85 ℃湿度85%保持1000 h，测试膜层的透过率衰减情况。

1.4.4 硬度测试

采用铅笔硬度仪测量玻璃表面减反射涂层的铅笔硬度。

2 结果与讨论

2.1 透过率

对SiO2减反射镀膜玻璃与空白基底玻璃在380～1100 nm波长范围内的透过率进行比较，透过率曲线如图1所示。

图1 膜层透过率曲线

从图1中可以看出，镀膜玻璃的透过率最高可达94.52%，积分平均透过率94.27%，空白玻璃的积分平均透过率91.6%。可以发现，镀膜玻璃在整个波段均具有较高的透过率，平均透过率增益高达2.6%。

2.2 SEM表征

SiO2减反射镀膜玻璃的表面和断面扫描电镜图见图2。

图2 镀膜玻璃的表面和断面SEM图

由图2可见，膜层表面致密平整，粒子粒径约20 nm，颗粒之间紧密，膜层与玻璃表面紧密结合。SiO2溶胶体系的酸性水解，使得聚合产物以线型为主，配合聚硅氧烷、交联剂与粒子、玻璃基层之间形成的桥架网络连接，构成了如图2所示的致密结构，使得膜层在其耐磨性、耐候性和化学稳定性方面具有极大的优势，使用寿命长，应用范围更广。

2.3 铅笔硬度

镀膜玻璃的膜层硬度是影响产品应用范围的重要因素之一，按照GB/T 6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》来检测膜层的硬度，图3为显微镜下铅笔硬度为4H的试验结果，符合4H的硬度。这个结果得益于添加的氨基树脂与二氧化硅粒子交联形成的三维立体网状结构，提高了粒子之间、粒子与玻璃基底的交联密度，从而使膜层具有良好硬度。

图3 镀膜玻璃铅笔硬度

2.4 湿热性能

鉴于减反射光伏玻璃的户外应用环境，良好的耐水性和耐热性能可以减少环境对膜层的侵蚀，维持长时间的减反效果。将镀膜玻璃放在温度85 ℃、湿度85%的试验箱中保持1000 h，湿热试验后的膜面如图4所示。

图4 镀膜玻璃湿热试验后的膜面

从图4中可以看出，镀膜玻璃的涂层无剥落，玻璃表面无明显变化。另外还考察了湿热试验前后膜层的透过率变化，结果显示透过率衰减只有0.52%～0.61%，符合行业标准。由此可见，减反射涂层具有优异的耐候性，验证了膜层中的Si-O立体网络结构的稳定性，涂层表面和内部粒子之间结构致密，可阻止空气中的水分进入玻璃表面，提高其使用寿命。

3 结论

通过正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷和二乙氧基二甲基硅烷（1∶1.17∶0.28），在酸性条件下进行水解缩合反应，合成SiO2粒子，添加KH-560、KH570等助剂对粒子进行修饰，用2%的氨基树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）调节膜层硬度和柔性。得到的SiO2溶胶具有较好的光学性能，平均透过率（380～1100 nm）增益高达2.6%，具有较高硬度4H，兼具优异的耐候性。本文采用溶胶-凝胶法制备了SiO2减反射镀膜玻璃，经过性能测试，SiO2减反射涂层具有较好的透过率、硬度和稳定性，可应用于光伏太阳能电池，提高太阳能利用率。