光伏压花玻璃花型模拟研究

夏炜

（江西彩虹光伏有限公司 上饶 334000）

0 引言

光伏玻璃作为太阳能电池组件的重要组成部分之一［1］，其主要作用是：①将光伏组件中的核心部件——晶硅片封装保护起来［2］；②将太阳光最大限度地透射到电池硅片上，通过电池硅片将光能转化为电能。为了提高太阳能电池组件的发电效率，光伏压花玻璃生产厂家主要采用低铁料方、玻璃表面镀膜［3－4］和改变玻璃压花面花型等手段来提高光伏组件的光电转化效率。目前在光伏玻璃花型研究方面，国内外许多厂家和研究机构做了大量的尝试工作。本文主要是通过对光伏玻璃压花面花型种类的模拟研究，形成技术储备，以提高光伏压花玻璃产品的品位。

1 太阳能电池工作原理

太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面“P－N结”半导体。“P－N结”实际就是将P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体交界面区域形成一个由N指向P的“内电场”特殊薄层，当太阳光照射到半导体时，光子所提供的能量会在半导体中激发出电子－空穴对，电子与空穴受到内建电场的影响，空穴沿电场方向移动，电子向相反方向移动，当用导线将太阳能电池与负载连接在一起形成回路时，就会产生电流流过负载。太阳能电池的基本工作原理见图1。

图1 太阳能电池基本工作原理示意图

2 光伏玻璃的选择

太阳能电池组件结构示意图见图2。为了提高太阳能电池组件的光电转化效率，一方面通过低铁料方和玻璃表面镀膜等工艺，最大限度地提高光伏玻璃的透光率；另一方面是采用压花玻璃，通过压花面花纹对光线的折射，使光线形成许多聚光束照射到晶硅电池片上，增加了晶硅电池片对太阳光的有效响应，提高光伏电池的光电转化效率［5］。

图2 太阳能电池组件结构示意图

3 光伏玻璃花型种类

目前国内超白压延光伏玻璃压花面的花纹形状有正六角、长六角、正四角和菱形角等，绝大多数光伏玻璃生产厂家采用正六角花型，单位长度花纹目数1260目/m，是目前国内光伏玻璃采用的主流花型，只有个别厂家采用长六角（如：南玻）、正四角（如：原苏州旭硝子）和菱形角（如：南玻）等花型，还有少数仅停留在实验室研究阶段的聚光光伏玻璃，其花型类似于凸透镜，没有商业化普及应用。

正六角、长六角、正四角、菱形角以及凸镜聚光类等花型形状及不同花型的光伏压花玻璃模拟造型示意图见图3～图7。

图3 正六角花纹光伏玻璃

图4 长六角花纹光伏玻璃

图5 正四角花纹光伏玻璃

图6 菱形角花纹光伏玻璃

图7 条形凸镜花型光伏玻璃

4 不同花纹模拟研究

4.1 玻璃板下表面花纹模拟研究

4.1.1 板下花纹对光线聚光性能模拟研究

为了便于分析说明，取单目正六角花纹玻璃且光束从玻璃上表面垂直射入进行分析，见图8和图9。

图8 单目正六角花纹玻璃结构示意图

图9 单目正六角花纹面对光线折射示意图

根据折射定律：入射介质折射率（n1）与入射角（i）正弦之积等于折射介质折射率（n2）与折射角（t）正弦之积。关系式为：

对于玻璃与空气的界面，空气的折射率＝1，玻璃的折射率≈1.52。

当单束光从光伏玻璃上表面垂直射入时，由于入射角i1＝0，根据折射定律可知折射角t1＝0，所以光束在玻璃上表面除了垂直反射一部分外，其余几乎都竖直射到玻璃压花面的花纹面上，又由于玻璃的折射率大于空气的折射率，所以光线在花纹界面折射后，折射角t2＞入射角i2，经花纹面折射后，光线向花纹顶点倾斜，当光束从单目花纹整个上表面入射时，由于光束在花纹面经过折射后均向花纹顶点倾斜，所以光线经折射后形成聚光束，见图10。

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图10 光束从单目花纹上表面入射，折射后聚光示意图

4.1.2 板下花纹形状对光线聚光形状影响的模拟研究

取单目正四角花纹玻璃且光束从玻璃上表面垂直射入进行分析，见图11和图12。

图11 单目正四角花纹

图12 光线经单目正四角花纹折射后聚光束形状示意图

由图12可以看出，垂直入射光线经过单目正四角花纹玻璃折射后，聚光束形状为缩小的正方形，同样，垂直入射光线经过单目正六角、长六角或菱形角花纹玻璃折射后，聚光束形状分别为缩小的正六边形、缩小的长六边形或缩小的菱形。

4.1.3 板下花纹目数对透光率影响的定性研究

花纹目数是指单位长度花纹的目数，正六角花纹目数一般为1260目/m。经过分析研究，一般花纹目数增多，聚光束增多，但由于光线在花纹面上入射角增大，导致光线在花纹面总的反射损失增加，一般情况下，在其它条件相同情况下，花纹目数增多，玻璃板透光率有减小的趋势。所以，花纹目数不能太多，也不能太少。花纹目数太多时，虽然增加了聚光束，但总体透光率减小，不能有效提高电池硅片的光电转化效率；产线实验使用了一对高透型花纹辊，但由于花纹目数增加，结果透光率没有增加，反而降低；花纹目数太少时，虽然总体透光率增加，但由于聚光束减小，也不能有效提高电池硅片的光电转化效率。经过与光伏电池组件厂家试验及验证，目前，国内正六角花纹目数基本认可1260目/m。

4.1.4 板下花纹深度对透光率影响的研究

在其它条件相同情况下，一般花纹深度减小，玻璃板透光率有增大趋势。以正六角花纹为例说明，见图13。

图13 单目正六角花纹面对光线折射示意图

如图13所示，光伏压花玻璃上表面为绒面1，下表面为压花面2，取单目正六角花纹玻璃且光束从玻璃上表面垂直射入进行分析。

当一束光从光伏玻璃上表面垂直射入时，由于入射角i1＝0，根据折射定律可知折射角t1＝0，所以光束在玻璃上表面除了垂直反射一部分外，其余几乎都竖直射到玻璃压花面的花纹面上，当正六角花纹深度由0.06～0.08 mm变为0.02～0.04 mm时，经过计算，在玻璃正六角压花面上光线入射角i2由27°左右（正六角不同剖面稍有差异）改变至8°左右，根据折射定律可以计算出在正六角压花面上光线折射角t2由44°左右改变至11°左右。

根据菲涅耳（Fresnel）公式可以推导出，玻璃表面反射率（R）取决于材料的入射角（i）和折射角（t），关系如下：

由式（2）可以理论计算出当正六角花纹深度由0.06～0.08 mm改变为0.02～0.04 mm时，在玻璃压花面上光的反射率减小幅度约0.3%，透光率相应增大约0.3%，经过实际测量，透光率增大幅度为0.3%～0.5%水平。

4.2 玻璃板上表面条形凸镜等花纹模拟研究

4.2.1 板上条形凸镜花纹对光线聚光性能模拟研究

取单目条形凸镜花纹玻璃且光束从玻璃上表面垂直射入进行分析，见图14、图15、图16。根据图15、图16模拟分析，当光束垂直从单目条形凸镜花纹上表面入射时，光束经过条形凸镜面折射后形成聚光束。

图14 单目条形花纹玻璃示意图

图15 单目条形凸镜花纹对光线折射示意图

图16 光束从单目花纹上表面入射，折射后聚光示意图

4.2.2 板上条形凸镜花纹对透光率影响定性研究

由图15可以看出，光束垂直入射到条形凸镜面时，光线在上表面和下表面反射光线的反射角都比较偏大（相对于板下正六角等花型），光线的反射损失相对比较大，所以，凸镜类花型虽然聚光性比较好，但总体透光率偏低，这可能是目前凸镜类花纹光伏玻璃没有商业化普及应用的原因。

5 结论

（1）在光伏压花玻璃中，花纹本身不增透，花纹的主要作用是聚光作用。

（2）在光伏压花玻璃中，板上凸镜类花纹透光率相对偏小，目前没有商业化普及应用。

（3）在光伏压花玻璃中，板下花纹应用是主流，目前国内主要使用的是正六角花纹，同时还有部分使用长六角、正四角和菱形角等花纹。

（4）在光伏压花玻璃中，花纹目数（板下）增加，聚光束也相应增加，但透光率有总体减小趋势，不利于光伏组件光电转化效率的提高；花纹目数（板下）减少，透光率有总体增加趋势，但由于聚光束减少，也不利于光伏组件光电转化效率的提高。目前，国内正六角花纹目数基本认可1260目/m。

（5）在光伏压花玻璃中，在花纹目数不变情况下，使用浅花纹，既兼顾了花纹对太阳光的聚光作用，同时也兼顾了玻璃板对太阳光的透光率，能有效提高光伏电池组件的光电转化效率，具有推广价值。