宋伟杰 光伏玻璃减反射膜

2012-4-9
多孔SiO2减反射膜—— 玻璃表面可见光宽光谱减反射膜
制备低折射率多孔SiO2膜是可见光宽光谱减反射的有效手段。
化学刻蚀法 溶胶凝胶法
化学刻蚀法存在问题：
表面亲水性，难以通过常规改性方法提高特性 刻蚀速度慢，产能低；专利壁垒
参考文献： 1. US 4019884 2. Appl. Opt. 25 (1986) 1481
SiO2薄膜膜基结合力的研究
通过向普通硅溶胶中加入硅烷偶联剂等粘结剂，获得了具有高膜基结合力的SiO2薄膜。
减反射膜（普通硅溶胶）表面形貌
减反射膜（有机无机杂化硅溶胶）表面形貌
2012-4-9
膜基结合力和光学性能测试
普通SiO2薄膜 透明胶带撕拉 干棉布擦拭20次 酒精棉擦拭20次
100
具有高膜基结合力的SiO2薄膜 薄膜未脱落 无明显划痕 无明显划痕



化学腐蚀法

现有技术远远跟不上光伏组件的产能需求，在薄膜综合性能上尚需提高。
2012-4-9
光伏玻璃减反射膜综合性能要求
光学性能
94 92
宽光谱高效减反射
300 nm 2. Te=
3.
Tpv=
2500 nm
T( )S

2500 nm 300 nm
S
S
氧化钛溶胶和薄膜性能分析
二氧化钛溶胶平均粒径10 nm。 TiO2薄膜的折射率约1.92。
2012-4-9
非规整SiO2/TiO2双层减反射膜的研究
100 98 96
SiO2/TiO2 双层膜
Transmittance /%
SiO2单层膜
94 92 90
glass
88 86 84 82 80 300
2012-4-9
Wavelength /nm
入射角优化
镀膜玻璃
Tph /%
未镀膜玻璃
涂覆了具有高膜基结合力的单层氧化硅减反膜的光伏玻璃在0-70 °入射角 内均具有减反射效果。
2012-4-9
疏水效果的研究
通过对SiO2薄膜表面进行氟硅烷气氛修饰，获得了具有较好疏水效果的减反射膜。
密闭容器
气氛修饰前:约10º
2012-4-9
规整SiO2/TiO2双层减反射膜的研究
Te(%) Glass S5 91.67 92.68 Tpv(%) 91.73 94.36 Tph(%) 91.79 94.99
S6
S7 S8
92.88
93.57 92.60
94.42
95.27 94.49
95.20
95.91 95.32
S9
2012-4-9
晶体硅光伏组件技术标准
IEC 61215: 地面用晶体硅光伏组件—设计鉴定和定型 IEC 61730: 光伏组件安全鉴定
2012-4-9
典型光伏玻璃测试标准
Item Testing standard UV-exposure: No change Damp heat test: < 1.5 % T loss Thermal cycling test: : < 1% T loss < 1% T loss Less than 1% T loss No peer off Ref IEC 61215/EN1096-2 IEC 61215 IEC 61215 IEC 61215 EN1096-2 IEC61701 EN1096-2 ASTM3359 Results Aging test 25 years warranty
T( )η( )S
Wavelength /nm
1.0

η( )S
0.8
0.6
Quantum efficiency
Rel. Intensity
太阳光
0.8
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0 300
600
900
Βιβλιοθήκη Baidu
1200
1500
1800
2100
2400
Wavelength /nm
光伏玻璃
不同粒径硅溶胶制备的薄膜减反射性能
Te Glass 20 nm 35 nm 50 nm 100 nm 91.67% 96.47% 95.10% 94.29% 92.94% Tpv 91.73% 97.33% 95.58% 94.69% 93.19% Tph 91.79% 97.84% 95.80% 94.87% 93.34%
2012-4-9
规整SiO2/TiO2双层减反射膜的研究
100 96
S7
100 96
Transmittance /%
S5 S6
Transmittance /%
92 88 84 80 76 72 300
92 88 84
S10 S8 S9
80 76 72
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
Transmittance /%
V形膜 W形膜
92
88
光伏玻璃
84
80 300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
Wavelength /nm
λ/4—λ/4 膜系（V形膜）：d1= λ/4, d2= λ/4 ，工作波段较窄 λ/4—λ/2 膜系（W形膜）：d1= λ/4, d2= λ/2 ，工作波段较宽
加入粘结剂后，薄膜的膜基结合力 明显提高，多次擦拭后，透过率没有 明显改变。
薄膜脱落 很多划痕，部分脱落 薄膜完全擦去
擦拭后
擦拭前
96
Transmittance /%
92
glass
88
84
80 300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
峰值透过率为95.8%，平均透过率 Tph为94.99%，与普通SiO2薄膜相比 有所降低。
2012-4-9
双层减反射膜的模拟研究
垂直入射条件下 非规整膜系 规整膜系
最佳薄膜厚度(n1=1.4, n2=1.74)： 非规整膜系 ： d1=125 nm; d2=23 nm。 规 整 膜 系：d1=106 nm; d2=169 nm。
2012-4-9
规整和非规整双层减反射膜模拟结果
100 98 96
电池片
0.0 300
600
900
1200
Wavelength /nm
2012-4-9
我们的主要前期工作
单层减反射膜的研究
单层减反射膜的模拟研究 硅溶胶粒径和形貌对多孔SiO2减反射薄膜 减反射效果影响的研究 SiO2薄膜的膜基结合力和疏水性能研究
双层减反射膜的研究
双层减反射膜的模拟研究
光伏和太阳能玻璃
太阳能玻璃为光伏组件提供：


光伏玻璃 EVA 电池片 TPT
机械支撑 封装保护 太阳光透过
~ 6×106 m2 太阳能玻璃 (16%转换效率晶体硅组件) ~ 10×106 m2 太阳能玻璃 (10%效率薄膜组件) 随组件产量提高需求增长 玻璃工业中最快速的增长点
1 GWp 光伏组件需要:
镀膜玻璃
铜网
F AS溶液
气氛修饰后:118.5º
2012-4-9
单层减反射膜
剩余反射率较高 对硅太阳能电池有害的长波波段透过率较高
解决方法
可调节的参数更多 双层减反射膜 可以在宽光谱范围内高效减反射 降低长波波段的透过率
2012-4-9
双层减反射膜的模拟研究
100
低折射率层
96
高折射率层
2012-4-9
不同粒径硅溶胶制备的薄膜减反射性能
Particle size n Tph 20 nm 1.23 97.84% 35 nm 1.30 95.80% 50 nm 1.33 94.87% 100 nm 1.36 93.34%
a：小粒径硅溶胶成膜示意图 b：大粒径硅溶胶成膜示意图
2012-4-9
通过光伏玻璃表面减反射技术有望进 一步提升晶体硅光伏组件功率瓦值。
2012-4-9
光伏玻璃减反射膜综合特性要求
光学特性 可见光宽光谱高效减反射（膜厚，折射率精确控制） 材料特性 耐老化特性
紫外辐照 高温高湿 热循环 耐腐蚀
高硬度 高膜基结合力 自清洁特性 制备工艺特性 廉价，高产能
1200 nm 300 nm
Transmittance /%
1200 nm 300 nm
90
T( )S
88
1. 光伏玻璃峰值透过率
600 900 1200 1500 1800 2100 2400

1200 nm 300 nm
86
84 300
4. Tph = 300 nm
1.0
1200 nm
2012-4-9
双层减反射膜的模拟研究
W形膜
98 96 94 92
Tph Tpv Te
T /%
90 88 86 84 82 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
2.0
2.1
2.2
Refractive index
低折射率层为折射率约1.4的具有高膜基结合力的SiO2薄膜。 高折射率层折射率在1.65~1.95时，双层减反射膜的减反射效果(Tph)均比较明显。
2012-4-9
现有产业化大面积玻璃减反膜技术
溶胶凝胶法
德国Merck公司：提拉法 日本Sumimoto公司：旋涂法 工艺设备复杂昂贵，受环境影 响大 需要多次提拉退火才能达到所 需厚度 技术保密和专利技术封锁 产能低（目前最大规模生产线5 万m2/年） 丹麦SunArc公司 腐蚀速率慢，产能低 表面亲水，多孔SiO2表面吸湿， 不稳定
S10 S11
92.91
93.04 92.08
95.02
94.60 94.08
95.47
95.13 94.51
S12
S13
92.49
93.26
93.97
94.65
94.13
94.83
2012-4-9
入射角优化
镀膜玻璃
Tph /%
未镀膜玻璃
涂覆了规整SiO2/TiO2双层减反射膜的超白玻璃在0-60º 入射角内均具有很好 的减反射效果。
Transmittance /%
94 92 90 88 86 84 82 80 400
A
B C
A：折射率约1.4的单层减反射膜
B ：非规整双层减反射膜
C ：规整双层减反射膜
800
1200
1600
2000
2400
Wavelength /nm
2012-4-9
SiO2/TiO2双层减反射膜的制备流程
2012-4-9
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
Wavelength /nm
100 96
Wavelength /nm
Transmittance /%
92 88 84 80 76 72 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400
S11 S12 S13
Wavelength /nm
正交试验计划表
TiO2-2
TiO2-3
TiO2-4
SiO2-1
SiO2-2 SiO2-3
S5
S6 S7
S8
S9 S10
S11
S12 S13 SiO2-1 SiO2-2 SiO2-3
薄膜厚度
d (nm) 100 121 108 TiO2-2 TiO2-3 TiO2-4
d (nm) 150 165 174
不同粒径硅溶胶制备的薄膜减反射性能
100 98 96
A B
100 nm
Transmittance /%
94 92 90 88 86 84 82 80 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400
glass D C
Wavelength /nm
垂直入射条件下，不同粒径硅溶胶提拉得到的SiO2薄膜的透过率 2012-4-9
Te(%) Glass SiO2单层膜 91.33 94.13
Tpv(%) 91.33 94.39
Tph(%) 91.37 94.52
SiO2/TiO2双层膜
600 900
94.20
1200
94.60
1500 1800
95.82
2100 2400
Wavelength /nm
2012-4-9
规整SiO2/TiO2双层减反射膜的研究
太阳能玻璃市场

2012-4-9
光伏组件用太阳能玻璃
低铁压花玻璃
用于晶体硅组件 价格较低 透光性略好
低铁浮法玻璃
用于薄膜电池组件 制作过程复杂 方便薄膜沉积
2012-4-9
光伏玻璃和减反射膜技术
晶体硅光伏组件的封装玻璃： 超白光伏玻璃 高可见光透过率（>91%） 折射率：1.52，单面反射率～ 4% 太阳能光伏组件应用面临的问题： 提高转换效率；降低成本
SiO2/TiO2双层减反射膜减反射性能的研究
2012-4-9
单层减反射膜的模拟结果
减反射膜的减反射性能主要取决于薄膜的折射率和厚度。
最佳膜系参数： n=1.23 d=123 nm Tph=98.79%
垂直入射条件下，单层减反射膜平均透过率Tph随薄膜厚度和折射率的变化关系 2012-4-9
SiO2单层减反射膜制备工艺
2012-4-9
粒径可控的硅溶胶的制备
通过调节反应起始物的摩尔浓度，控制硅溶胶的颗粒粒径。
20 nm
35 nm
50 nm
100 nm
随着粒径的变大，硅溶胶由淡蓝色变成乳白色。
2012-4-9
粒径可控的硅溶胶的制备
a b
a： 20 nm b： 35 nm c： 50 nm d：100 nm
c
d
2012-4-9
光伏玻璃表面的 宽光谱减反射膜技术及其应用
宋伟杰
2012-4-9
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences
报告大纲
研究背景及应用前景 单层SiO2减反射膜技术 双层SiO2/TiO2减反射膜技术 减反射膜技术标准 总结与展望