光伏玻璃用自清洁减反膜的研究现状与前景展望

光伏玻璃用自清洁减反膜的研究现状与前景展望
福莱特玻璃集团股份有限公司赵晓非 陈全桂

随着世界传统能源供应短缺的危机日益严重， 太阳能作为”取之不尽、用之不竭＂的清洁、可再生能源愈发得到重视，太阳能的开发与利用具有巨大的发展空间和潜力”。 太阳能电池就是利用太阳能的光电转化效应将太阳能转化为电能，目前市场上常用的以多晶硅太阳能电池为主 ，硅材料制备的太阳能电池效率理论上限约为30% , 目前实际效率 17%- 20%。如果能够提高太阳能电池及其组件的光利用率，则 可以提高太阳能电池组件的发电 量。太阳能光伏组件技术中，最重要的决定因素为
光电组件中的晶硅技术，其次为保护光电组件中 的光伏玻璃。由于晶硅尤法长时间暴露于外界环境中，光伏玻璃是目前保护晶硅且自身透光率较 高的最佳材料之一。因此，光伏玻璃的光学特性是晶硅技术外一大重要变因。而且保持和提高光伏玻璃的光学特性远 比开发更高转换率的晶 硅来得容易，成本低得多。所以开发并生产出透光率更 高的光伏玻璃，无 论组件厂商还是在终端市场上的需求都是非常迫切的。开发透光率更高的光伏玻璃目前有 2 个主要方向。一个方向是提高光伏玻璃本身的透光性做努力，但是由于现有的超白玻璃的透光率(380-1100 nm波长）巳经在91.60% 以上， 提高的空间已经不大； 第二方向就是在光伏玻璃基片上增加一层减反增透膜的做法，该 方法简单有效， 能提高光伏玻璃可见光透光率达到93.50% 以上。

1 自清洁踱膜技术的研究现状
目前国内外光伏玻璃的减反射锁膜技术发展巳

经趋于成熟，减反射锁膜玻璃已经深受光伏组件厂 商青麟但是在组件的生产和使用过程中，仍存在 诸多不足，需 要通过新技术改进解决。光伏组件安装在电站以后， 光伏玻璃减反射膜层完全暴露在户外条件下，现代工业与城市建设的发展导致空气和 水等环境污染，在潮湿环境中和静电作用下，粉尘 等污染源很容易在膜层表面附着，当膜层表面被污 染时，削弱了光伏组件的发电效率，同时也使光伏 组件存在着稳定性差、使用寿命短的间题，传统的 方法是采用表面活性剂清洗，不仅加重环境污染， 而且需要反复进行，耗费大量的人力、财力和物力。 由于现用减反射锁膜所用 主体材料均为 Si0 2, Si02 薄膜的表面能较高，很容易吸附环境中的灰尘等悬 浮物，常常是使用过一段时间后，Si0 2 薄膜的折射率会升高， 透光率则会降低。因此， 在光伏电池用盖板玻璃表面锁制一层自洁防护层，在雨水的冲刷 下能保持其表面的洁净度而长久保持光玻璃表面较 高的透光率就具有非常重要的 意义。
目前光伏玻璃基片上膜层应该同时拥有以下四
个特征： 心具 有增透的作用； ＠具 有自洁的作用 ；
＠具 有牢固的附着力；也具 有好的耐候性能。然而 目前的锁膜液都很难做到同时拥有以上四个特征 。因此，如何将减反射锁膜技术和自清洁锁膜技术巧 妙结合， 成为一个研究热点，制备具有自清洁特 性并 且高效率的减反射膜成为技术发展的需要。
世界上发达国家均有知名企业在专门从事自 清洁锁膜玻 璃的研究开发和制作工作， 如英国的Pilkington Activ 公司， H本TOTO公司， 美国PPG公

司， 德国GEA 公 司、VTA 公 司、UIC 公 司等， 我国也有许多高校、科研单位致力于这方 面的研究。日本是最早开发应用自清洁玻璃的国家之一，除 H本外，英国、美国的玻璃加工制造商也在加快研制、开发、推广应用的步伐，英国皮尔金顿玻璃公司巳走在前列，并将推广应用，目前英国皮尔金顿公司、美国PPG公司都已推出自清洁玻璃的上市产品。
目前自清洁锁膜技术蜇产化比较成熟的工艺是磁控溅射法和溶胶凝胶法。由于目前光伏玻璃用减反射锁膜技术采用的均为溶胶凝胶法，因此自清洁锁膜技术也只能考虑溶胶凝胶法。

2自清洁踱膜技术
2.1自清洁技术路线
所谓自清洁功能，是指普通玻璃在经过特殊的 物理或化学方法处理后，其表面产生独特的物理化 学特性，从 而使玻璃不再通过传统的人工擦洗方法而在自然雨水的冲刷下达到清沽 一新的状态。
自清洁锁膜技术根据原理和表面性质不同可分为两大类：亲水型自清沽锁膜技术和疏水型自清沽锁膜技术。
2.1.1亲水型自清洁 锁膜技木
通过对普通玻璃表面涂锁纳米半导体材料（主要是采用二氧化钦），使 玻璃的一个或两个表面，在太阳光激发下，具 有降解附着在其表面的有机污染物的能力。同时， 经过处理的表面还具有亲水性 ， 使得附着在其表面的无机灰尘能很容易被清洗掉。
其自洁的过程是：
CD散有机污渍： 通过“光催化“过程， 自清洁膜层和自然阳光中的紫外线发生反应，使其上有机 污渍松散分裂。
＠ 冲洗掉灰尘 ： 当雨水落到玻璃上时，由于自清洁玻璃具有“亲水性” ，雨 水不会聚集在一处而是扩散到整个表面， 然后冲洗带走灰尘。
2.1.1.1常温固化自清洁锁膜技术
目前主流技术是将二氧化钦纳米粒子，通过一定的方式添加到有机胶粘剂中，然后将添加了纳米二氧化钦粒子的有机胶粘剂溶液涂覆到玻 璃表面

制备出自洁净玻璃，使用 的有机胶粘剂一般为硅树脂。该方法是在常温下锁膜，既可以在平板玻璃上 锁膜，也 可以在曲 面玻璃上锁膜 。由于是直接在有机胶粘剂中添加纳米二氧化钦粒子， 因此该方法生产制备的自洁净玻璃光催化活 性较高 。但是由千纳米二氧化钦粒子的光催化活 性，其对有机胶粘剂是否有降解作用目前还不十分清楚，若二氧化钦纳米 粒子对有机胶粘剂具有降解作用，就会使自洁净玻 璃容易老化，从 而玻璃失去自洁净功能。
2.1.1.2高温固化（钢化）自清洁锁膜技术
目前主流技术是将二氧化钦纳米粒子或者二氧化钦溶胶，通过一定的方式分散或者溶解在有机溶剂中，配制成溶胶溶液，将其涂覆到玻璃表面，经高温固化（钢化 ）制备出自沽净玻璃 。该方法目前已经广泛应用于实际生产中，国内外知名企业均有较成熟的技术。
2.2.2疏水型 自 清洁锁膜技木
荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角 ，导 致水滴极易滚落。水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象， 在自清沽过程中起到了一个至关重要的作用： 水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘，从而达到自清沽的效果，超疏水表面的自清洁原理是基于
“荷叶效应”。
超疏水自清洁涂层虽已有工业化应用，但是超疏水性能的稳定性和持久性还有待提高，特别是耐水压冲击性能还有待研究，以防止经暴雨冲刷后破坏表面结构（如将微尘嵌人微纳坑内），降低超疏水性能。另外，现有的超疏水涂层功能比较单一， 如果能在其中掺杂其他功能性粒子，则 可大大扩大超疏水涂层的应用范围。
表面能和粗糙度是制备疏水表面的关键因素。微小的水滴沉积在疏水表面时，就会形成一个类似球体的形状， 减小了固体和水滴之间的 接触面积。水滴沉积在超疏水表面时，可以得到高的接触角。 若膜层的表面能比污染物的低，污染物就很难稳 定附着在漆膜表面， 这是目前巳被认可的耐沾污机
理， 据此开发的自清洁涂料很多 。根据具有低表面能特性的物质来源，可将其分为以下几类 ：
2.2.2.1有机硅超疏水涂层
有机硅价格低廉 ，应用广泛。市场中大都采用改性有机硅或硅溶胶来合成疏水涂层。有机硅氧炾 中Si— 0 键键长较长，键角大，易 于内旋转，分子成螺旋状，甲基向外排列并绕Si— 0 键旋转， 表面能很低，具 有良好的疏水性。
2.2.2.2有机抓超疏水涂层
有机氯是目前报道的表面能最低的物质。不同含瓶基团表面能排序为— CH2 > — CH 3 > — CF2 >
— CF2H> — CF30 — CF3 基团的表面能低至6.7 mJ/m气具有六方密堆积的规则排列，显著降低了涂膜的 表面自由能，其光滑平面对水的最大接触角可达
120°’ 具 有明显的疏水性。
2.2.2.3娠硅超疏水涂层
娠和硅都具有良好的低表面能，将二者的优异 性能与经济性相结合考虑， 是超疏水涂膜发展的一个方向。在聚硅氧皖中引入F原子，制备出颠代炾 基硅皖，可进一步降低其表面能，在具有疏水性的同时，还能提高疏油 性，显示出超强的双疏特性。
3自清洁减反射踱膜技术研究现状
在自清洁减反膜的研究工作中，众多优秀科研工作者做出了卓越的贡献并取得了一定的成就。
2008年，Yonghao Xiu 等人采用电子束蒸发技术和表面刻蚀技术，通过控制沉积膜的厚度、刻蚀 速率和刻蚀时间，制备出一种具有微纳米级粗糙结构并且表现出疏水特性的表面，表面接触角可达
167.7°’ 具 有很好的自清洁效果，并 且发现具有良好的减反性。2012 年， Q.H.Mu , Y.G.Li , H.Z.Wang 等人采用水热法制备出的Ti02 纳米棒结构薄膜， 在玻璃基底上覆盖的 垂直导向Ti仇纳米棒具 有很好的减反性和亲 水性。蔡金光和齐利民等利用温和的溶液相体系中在基底上长成一定厚度的二氧化钦纳 米棒阵列结构，在较宽波段均表现出优异的减反性 能，并具有显著的自清洁功能。
2013年，Z.Geng, J.H.He, L.Q.Xu 等人采用叠层

技术( LBL ) 在玻璃基底上制备出由纳米颗粒、空心纳米微球和纳米片组成的具有宽波长减反射和超双疏的薄膜。
虽然科学研究者们已经采取了各种各样的手段 来构建具有自清洁性能的减反膜，但是居多的研究 知识局限于实验室的研究阶段，并不适合大规模的 生产，因此，对于实际的生产应用仍然存有极大的 机遇和挑战。首先，机械性差。具有自清洁性能的减 反膜在日常的使用过程中，极容易因为手指的触摸、风沙的侵蚀、雨水的反复冲刷、有机污染物的吸附 等因素造成薄膜的微观细微结构的损伤，甚至使薄 膜脱落失去自清沽和减反增透的特性；其次，成本 高， 规模小。现今报道的具有自清洁特 性的制备工艺大多都涉及了复杂的工艺过程、较为严苛的制备 环境、昂贵的试剂和设备等，成本较高，并且只适用于较小的基底或者特定的基底材料，规模较小。
根据技术路线不同， 可分为以下 4 类：
(1 ) 高温钢化处理的超亲水自清沽减反射锁膜玻璃
将锐钦矿晶型的纳米二氧化钦的粉体分散到稀 释好的减反射锁膜溶液中（或者直接添加外购或自 制的钦溶胶）。摸索配方和比例，力求找到一种合适 的方法， 制备出满足要求的超亲水自清洁锁膜材料。该方法为一次性锁膜钢化，工艺相对比较简单，但是 增透效果和膜面硬度都受到一定制约，同时自清洁 效果也不是特别明显（因为二氧化钦的含蜇较低）。
( 2 ) 两次锁膜处理的超亲水自清洁减反射锁膜玻璃
在现有减反射锁膜玻璃表面再锁制 一层超亲水自清洁锁膜层（常温和高温固化膜层均可），使得玻璃同时具备超亲水自清洁和高效减反射功能 。该方法为两次锻膜，工艺相对比较复杂，但是增透效果和自清洁效果能够有效结合。
( 3 ) 中低温固化处理的超疏水自清洁减反射锁膜玻璃
引入有机硅、有机氮、航硅树脂等超疏水材料， 同时调整减反射锁膜溶液配方，经中低温固化处理后得到超疏水自清洁减反射锻膜玻璃，该方法制备
的膜层存在的最大问题就是有机材料的耐紫外老化 性能不足。另外， 氮树脂、颌碳树脂、氮硅树脂等材料很难添加到现用锁膜溶液中（兼容性问题 ）。
( 4 ) 两次锁膜处理的超疏水自清沽减反射锁膜玻璃
在现有减反射锁膜玻璃表面再锁制一层超疏水自清洁锁膜层，使得玻璃同时具备超疏水自清沽和高效减反射功能。该方法为两次锁膜 ，工 艺相对比较复杂，但是增透效果和自清洁效果能够有效结合。
伏电站的发展具有重大的意义，由于目前自清洁 减反射锁膜技术大多尚停留在实验室阶段，还有 很多的难题需要去攻克解决。我们需 要综合科研院所、光伏玻璃厂商、光伏组件生产商、光伏电站运营商的力 量，共同来研究和应用该技术，避免因为单个研究单位知识信息闭塞导致的研究进度缓 慢问题。
自清洁减反射锁膜技术的前景是美好的，玻璃 自清洁减反射锁膜技术能避免光伏锁膜玻璃在使用 一段时间后太阳光有效透射比降低明显的情况，提 高太阳能光伏锁膜玻璃的品质，促进光伏锁玻璃行
4自清洁减反射踱膜技术前景展望业加快发展，期待能为太阳能光伏事业提供大的推
光伏玻璃用自清洁减反射锁膜对于太阳能光动力，能早H实现光伏发电平价上网的目标。