镀膜玻璃及高透EVA材料在光伏组件中的应用研究.docx

第 13 届中国光伏大会（ CPVC13）论文集 镀膜玻璃及高透 EVA 材料 在光伏组件中的应用研究 王 慧，徐传明，沈禛珏，何宝华，赵邦桂，何涛，杜军伟，张忠卫(连云港神舟新能源有限公司222100；上海航天汽车机电股份有限公司 200235)摘要：较为系统地分析镀膜玻璃与高透 EVA 封装材料对晶体硅光伏组件在功率增益和可靠性方面的影响。结合封装材料、晶体硅电池等光学匹配设计，以及试验测试数据分析，制备出具有较佳的封装材料光学匹配的晶体硅组件，进一步提升了组件功率。 关键词：晶硅组件；镀膜玻璃；高透 EVA；功率增益1 引言晶体硅电池片被封装成组件后，太阳 光必须要经过玻璃、及封装胶膜乙烯醋酸 乙烯酯（Ethylenevinyl acetate copolymer， EVA） 后才被电池片吸收，因此封装材 料中玻璃及 EVA 透光率高低直接影响了 光伏组件的发电效率。光伏组件中常使用 低铁钢化压花玻璃，相比平板超白玻璃的 90%透光率，通过压花结构的表面陷光可 使太阳光的透过率增加到 92%左右。进一 步提高玻璃的透光率，需在玻璃表面镀减 反射膜，因此玻璃减反膜的设计及制作工 艺对透光率的进一步提高起到了关键影 响。此外，常规 EVA 对于小于 360nm 以 下的太阳光谱短波段是截止的，因此充分 利用 360nm 以下短波段光谱对光伏组件 功率提升具有重要的意义。2 光学匹配性计算与分析2.1 光学损失分析常规光伏组件结构剖面如图 1 所示。光线经过三层介质后到达电池片，这个过 程中光线不可避免的会发生反射、折射以 及被吸收等影响。使用 Fresnel 公式计算（只考虑垂直入射情景），材料反射率 R可由下式表示：(n - n )2R =212(n2 + n1 )式中 n1、n2 分别为不同材料折射率。取空气、玻璃、EVA 、电池片减反膜的 折射率分别为 1.00、1.52、1.48 和 2.2。 根 据相关文献取 Glass 和 EVA 的光吸收率 分别为 1.45% 和 1.79% ，结合电池片栅 线遮挡等参数则可以计算出各项光学损失，如图 1 所示。129第 13 届中国光伏大会（ CPVC13）论文集 图1 组件中在电池片以上部分结构示意(4) 在计算减反膜时忽略消光系数的影响。光线在减反膜表面发生第一次反射， 反射系数为：n2 - n1r =1n + n21光线到达减反膜与玻璃的界面发生反射后再通过图2 晶硅组件各项光学损失比例从图 2 中可以看出，除了电池片方面 的栅线遮挡、电池片减反膜及电池片的反 射外。在组件封装材料方面，玻璃的反射 导致的光线损失最多，光学损失比例约 20%，其次是 EVA 吸收导致的光学损失约9%。因此在组件封装方面，重点考虑减少 玻璃对太阳光反射及 EVA 对太阳光吸收 两方面，来提高组件的输出功率。2.2 玻璃减反膜优化设计n - n= 32r2n + n32定义反射率 R=反射回空气的反射光强/入射光强22R = r1 + r 2 + 2r1 r 2 co s 2d 221+ r1 r2 + 2r1r2 cos 2d其中2 为相邻二级反射光之间的光程差 所引起的相位差, 在垂直入射时：4pn2t=2dlt 为减反膜的厚度，由上式可知，当2=时，即n t = l24图3 光线入射及反射示意图图3为光线经过玻璃减反膜的反射及 透射示意。目前常规光伏用超白压花光伏 玻璃的可见光透过率约为92%，而镀有减 反膜的镀膜玻璃的可见光透过率比常规 玻璃透光率高近3%。对于玻璃减反膜的设计，为简化设计 的复杂性,作以下的基本假定:(1) 忽略玻璃的压花陷光效果； (2)把材料的折射率看作是恒定值,不随波 长变化,即忽略材料的色散效应； (3)只考虑了入射光垂直入射到电池表面的情况；反射系数将有最小值，将上式整合后可得到反射系数的最小值(n 2 - n n)221 3Rmin=2(n+ n n)221 3若 n，则反射系数最小。所以对=n n21 2于减反射膜需满足以下两式：l04n2t =n2 =n1n2根据地面太阳光光谱和晶硅组件的 光谱响应范围，中心波长取值600nm，空 气和玻璃的折射率 n1和 n2分别取值为1和30第 13 届中国光伏大会（ CPVC13）论文集 1.52。带入上式，计算可得：t=121.7nm n2=1.23对晶体硅太阳电池减反射膜进行计算机仿真模拟，减反膜的折射率在1.23时， 得出反射率 R 与波长 的关系曲线，如图 3所示。模拟最小反射的膜厚为122nm，与 结果计算结果一致。图5 一种玻璃及一种 EVA 的透光率3 不同膜厚镀膜玻璃与高透EVA 通过选用不同厂家、不同规格的镀膜玻璃，制备了如表 1 所示的晶硅组件样品。表1不同类型镀膜玻璃试验玻璃厂家玻璃类型/膜厚组件数量A A A BB B B CDEA1 A2 A3B1（膜薄）B2（标准) B3（膜厚） B4(非镀膜) CDE3333333333图4 模拟减反膜反射率与波长的关系曲线2.3 透紫外EVA功率增益分析由于 EVA 的紫外不稳定性，紫外线长 时间的照射可造成 EVA 胶膜或者背板的 老化、龟裂、变黄，继而降低其透光率，因此引起EVA 中会添加抗紫外剂，这样就会EVA 在短波段的透过率降低。在组件受光面使用透紫外 EVA，电池片背面使用紫外截止 EVA 可以在满足组件应用可 靠性的基础上，有效增加光线的利用率。 使用 N 型电池片、无短波段截止 EVA 的 组件功率损失可以比有短波段截止 EVA 的组件功率损失降低0.75%左右2。图 5 中描述了一种光伏玻璃，一种 EVA 的透光率谱与 AM1.5光谱的比较。从 图中可以看出，EVA 透过率决定了太阳电 池组件短波处透射率。在 AM1.5条件下， EVA 使得约3%的可用光未被太阳电池有 效吸收与利用3，这部分可给组件带来1mA/cm2的电流密度损失4。镀膜玻璃组件常规太阳模拟器进行测试，该仪器光源光谱范围为 380nm-1100nm。测试结果如表 2 所示。 D、A3、B2、B3 三家厂商的镀膜玻璃组件相对于非镀膜玻璃组件的功率增 益在 2.5%-2.7% 之间，封装损失在 0.1%-0.4%之间，其它镀膜玻璃组件相对 常规玻璃组件的功率增益则在 1.4%-2.0% 之间，封装损失在 0.8%-1.5%之间。常规太阳模拟器无法验证高透 EVA 对光伏组件功率增益的影响，需使用具有 短波 400nm 以下波段的光源进行测试。从上述组件中选择对功率增益效果较明显31第 13 届中国光伏大会（ CPVC13）论文集 的 D、A3、B2 和 B3 四种类型的镀膜玻璃组件进行户外测试，辐照度波动范围在 846 W/m2-873W/m2 之间，并且使用热红外 成像仪进行温度监控，保证测试组件的温度误差在 1以内。测试结果如表 3 所示。璃组件的增益为 0.5%，该数值与理论增益功率一致。4 结论通过镀膜玻璃减反膜设计和试验分 析了镀膜玻璃及透紫外 EVA 对光伏组件 功率的影响。确定了较佳的玻璃减反膜 厚，使电池片的封装损失较低，并且验证 了对组件的功率增益，通过玻璃减反膜 厚、透紫外 EVA 两方面的改进，提高了 组件的输出效率。表2镀膜玻璃组件室内测试结果功率（W）比 B4功率增加玻璃类型封装损失B4(非镀膜) D A3B2(标准)B3(膜厚)A2 E C A1B1（膜薄）246.6802.85%253.37253.34252.95252.86251.76250.93250.84250.68250.092.71%2.70%2.54%2.51%2.06%1.72%1.69%1.62%1.38%0.17%0.18%0.33%0.37%0.80%1.13%1.17%1.23%1.46%参考文献1K.R.Mcintosh,J.N.Cotsell,J.S. Cumpston, et al, An optical comparison ofsiliconeandEVAencapsulantsfor AtheconventionalsiliconPVmodules:ray-tracking study C.Proceedings of34thIEEEPhotovoltaicspecialistconference, 2009, 544-549.2 赵华利. EVA 对电池组件封装功率损 失影响的研究J. 科技风, 2012（1）, 80. 3 B.Ketola，K.R.Melntosh，A.Norris，表3镀膜玻璃组件户外测试结果类型DA3B2B3普通 EVA（W） 普通 EVA(W)普通 EVA平均值(W) 高透EVA(W)高透 EVA增益(%)160.18158.93156.71157.75M.K.Tomalia.SilieonesforPhotovoltaic159.28159.26159.1159.47eneapsulationC. Proceedings of the 23rdEuropeanPhotovoltaicSolarEnergy159.73159.09157.9158.61Conference, 2008, 2969-29734 K.R.Melntosh，B.S.Richards. Increased mc-Si module effcienecy using fluorescent159.7159.92160.95159.4organicdyes:aray-tracingstudyC.-0.02%0.52%1.93%0.50%ProceedingsoftheIEEE4thWorldConferenceonPhotovoltaicEnergy由表 3 可以看出，高透 EVA 组件相对于普通 EVA 组件有较明显的功率增益， B2 镀膜玻璃增益最大为 1.9%，D 镀膜玻璃没有明显的功率增益，A3 和 B3 镀膜玻Conversion, 2006, 2108-2109.邮箱：32第 13 届中国光伏大会（ CPVC13）论文集 镀膜玻璃失效机理分析 杨连丽，沈 坚，唐应堂(常熟阿特斯阳光电力有限公司，)摘要： 通过分析镀膜玻璃老化前后成分及微观结构，寻找室内老化测试产生的彩虹斑纹和白斑机理。结果表明，镀膜玻璃在老化试验以后，先出现彩虹斑后形成白斑。通过 EDX 成份分析发现白斑和彩虹斑区域 Na 离子以及 Ca 离子的含量偏多，说明析出的 Na 和 Ca 的碳酸盐会腐蚀 AR 膜层表面。关键词：白斑；彩虹斑；镀膜玻璃；SEM1 引言镀膜玻璃因透明，高可见光透光率， 高硬度，耐磨等优异性能被广泛应用在太 阳能组件上，确保组件在室外条件下抵抗 恶劣环境，达到保护电池片，EVA，焊带 等不受侵蚀的目的，同时提升光伏组件发 电功率。有学者预言镀膜玻璃在未来很长 一段时期内还不可能有更好的材料来代 替，因此，研究镀膜玻璃在实际户外条件 下抵抗环境的能力有重大的意义。依据 IEC61215 和 IEC61730 标准，本 文将几种类型镀膜玻璃置于各种室内老 化测试条件下测试。对老化前后的镀膜玻 璃进行微观和成分的分析与表征，希望找 出镀膜玻璃在室内老化测试条件下的失 效原因和失效机理，为镀膜玻璃的使用提 供参考。1.1 实验原理和实验过程1.1.1 实验原理玻璃表层的 Na2SiO3/K2SiO3 容易水解 产生的 Na+/K+游离在玻璃表面。Na+/K+部分透过减反射膜层孔隙吸附在镀膜玻璃表面，并且在高温高湿条件下与水反应 进行离子交换，生成产物 NaOH/KOH。生 成的 NaOH/KOH 在水汽作用下溶于 AR 表面的 SiO2 生成硅酸盐。硅酸盐在高温高 湿条件下又水解生成产物 NaOH/ KOH 与 SiO2 溶胶，分离出来的 SiO2 生成硅氧凝 胶，在玻璃表面形成保护性薄膜，它阻止 了进一步的侵蚀作用。水解形成的苛性 钠，与空气中的二氧化碳作用生成碳酸 钠，聚集在玻璃表面，构成表面膜中的可 溶性盐。由于它的强吸湿性，吸收水分而 潮解，最后形成碱液小滴。当周围的温度、 湿度改变时，这些小滴的浓度也随之变 化。如果浓缩的碱液小滴和玻璃长期接触 时，凝胶状硅氧薄膜可在其中部分地被溶 解，而使玻璃表面发生局部侵蚀，形成斑 点。这是钠离子从玻璃本体中迁移出去， 与空气反应生成的白色富碱离子群。通过 SEM 扫描电镜可观察到白色粒子群，这就是我们通常说的镀膜玻璃霉变形成白斑。33第 13 届中国光伏大会（ CPVC13）论文集 镀膜玻璃的彩虹斑主要是减反射膜不同区域厚度不均匀造成光的折射率不同从 而引起的色差；此外通过 SEM 表征发现， 部分彩虹斑区域膜层已经开始开裂 ，通 过 EDX 分析此部分 Ca 离子含量偏多。 1.1.2 实验过程选取出现白斑现象，彩虹斑现象以及 白斑和彩虹斑一体现象三种类型的老化测试后镀膜玻璃，图片如下：析结果如下：图 4 白斑的 SEM 200 倍图 5 正常区域的 SEM1000 倍图 1 镀膜玻璃出现白斑现象图 6 白斑区域 SEM 5000 倍图 2 镀膜玻璃出现彩虹斑现象图 3 镀膜玻璃出现白斑和彩虹斑一体现象上述 3 种类型样品用硬质东西敲碎， 分别取 5*5mm 的碎片样品，保证 3 种类 型样品表面干净无污染，分别对其减反射 膜面做 SEM 扫描电镜测试，测试结果如 下：1.1.1白斑实验分析：将出现白斑样品进行 SEM 分析，分图 7 正常区域的 SEM5000 倍34第 13 届中国光伏大会（ CPVC13）论文集 图 8 白斑与正常区域交界的 SEM1000 倍从图 4- 8 可以看出，白斑区域膜层发 生开裂现象，而正常区域的膜层无开裂。 对上述图片 6 和图片 7 样品进行 EDX 测试，结果如下：Na 和 Ca 离子在玻璃表面形成碳酸盐腐蚀AR 膜层表面形成的。 1.2.2 彩虹斑实验分析：将出现彩虹斑样品进行 SEM 和 EDX分析结果如下：图 9 彩虹斑 SEM 以及 EDX 分析 1白斑区域对应 EDX图 10 彩虹斑 SEM 以及 EDX 分析 2从图 9 和图 10 的 SEM 看出，彩虹斑 区域膜层未开裂，但是相比较图 7 的 EDX，彩虹斑区域 Na，Ca 含量有增加趋 势，将彩虹斑的区域 SEM 区域放大如下 图 11 所示，从图中看出具有明显的高度 差，但是膜层没有开裂：正常区域对应 EDX从 EDX 可以看出，白斑区域的 Na 和 Ca 离子含量较正常区域多，且 C 元素白 斑区域较正常区域明显偏高，说明白斑区 域产生富碱离子群。用酒精泡过的不锈钢刀片刮掉镀膜 玻璃的白斑后，经过 SEM 以及 EDX 分析的结果如下：图 11 彩虹斑区域放大图像1.2.3 白斑和彩虹斑一体的实验分析：刮掉白斑区域对应 EDX从上图分析可以看出：白斑的粉末 中的 Na 离子以及 Ca 离子的含量较正常玻 璃区域的多，而 C 元素白斑区域与正常区 域相当，说明白斑是由玻璃内部析出的35第 13 届中国光伏大会（CPVC13）论文集3 结论镀膜玻璃在室内加速老化测试后，可 能出现彩虹纹和白斑等现象。通过微观分 析，发现白斑区域膜层出现开裂现象，且 该区域 Na 离子及 Ca 离子的含量较正常区 域偏多，说明白斑是由 Na 和 Ca 的碳酸盐 腐蚀 AR 膜层表面形成的；膜玻璃老化实 验后出现彩虹斑区域从 SEM 图上看出表 面不平整，说明膜被腐蚀导致厚度不均； 镀膜玻璃老化实验后出现白斑和彩虹斑 一体现象，通过分析发现其产生机理为先形成彩虹斑再形成白斑。图 12 白斑和彩虹斑一体图 13 白斑和彩虹斑一体从图 12 和图 13 看出白斑和彩虹斑一 体的玻璃膜层明显出现开裂现象。1实验结果以及讨论 从上述白斑现象，彩虹斑现象以及彩虹斑和白斑一体 3 种类型成份和 SEM 分 析，可以推理出镀膜玻璃在老化过程中首 先形成彩虹斑，随着 Na 离子和 Ca 离子进 一步迁移，减反射膜层表面吸收水汽形成 的 NaOH 进一步腐蚀减反射膜层，导致减 反射膜层渐渐开裂，最后膜层完全开裂，形成白斑。具体形成机理如下示意图：参考文献1.镀膜玻璃生产现状以及发展，中国建筑 材料科学院，戴发震2.太阳能电池用