光伏玻璃用自清潔減反膜的研究現(xiàn)狀與前景展望
福萊特玻璃集團(tuán)股份有限公司趙曉非 陳全桂

隨著世界傳統(tǒng)能源供應(yīng)短缺的危機(jī)日益嚴(yán)重， 太陽(yáng)能作為”取之不盡、用之不竭＂的清潔、可再生能源愈發(fā)得到重視，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用具有巨大的發(fā)展空間和潛力”。 太陽(yáng)能電池就是利用太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，目前市場(chǎng)上常用的以多晶硅太陽(yáng)能電池為主 ，硅材料制備的太陽(yáng)能電池效率理論上限約為30% , 目前實(shí)際效率 17%- 20%。如果能夠提高太陽(yáng)能電池及其組件的光利用率，則 可以提高太陽(yáng)能電池組件的發(fā)電 量。太陽(yáng)能光伏組件技術(shù)中，最重要的決定因素為
光電組件中的晶硅技術(shù)，其次為保護(hù)光電組件中 的光伏玻璃。由于晶硅尤法長(zhǎng)時(shí)間暴露于外界環(huán)境中，光伏玻璃是目前保護(hù)晶硅且自身透光率較 高的最佳材料之一。因此，光伏玻璃的光學(xué)特性是晶硅技術(shù)外一大重要變因。而且保持和提高光伏玻璃的光學(xué)特性遠(yuǎn) 比開(kāi)發(fā)更高轉(zhuǎn)換率的晶 硅來(lái)得容易，成本低得多。所以開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出透光率更 高的光伏玻璃，無(wú) 論組件廠商還是在終端市場(chǎng)上的需求都是非常迫切的。開(kāi)發(fā)透光率更高的光伏玻璃目前有 2 個(gè)主要方向。一個(gè)方向是提高光伏玻璃本身的透光性做努力，但是由于現(xiàn)有的超白玻璃的透光率(380-1100 nm波長(zhǎng)）巳經(jīng)在91.60% 以上， 提高的空間已經(jīng)不大； 第二方向就是在光伏玻璃基片上增加一層減反增透膜的做法，該 方法簡(jiǎn)單有效， 能提高光伏玻璃可見(jiàn)光透光率達(dá)到93.50% 以上。

1 自清潔踱膜技術(shù)的研究現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)外光伏玻璃的減反射鎖膜技術(shù)發(fā)展巳

經(jīng)趨于成熟，減反射鎖膜玻璃已經(jīng)深受光伏組件廠 商青麟但是在組件的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，仍存在 諸多不足，需 要通過(guò)新技術(shù)改進(jìn)解決。光伏組件安裝在電站以后， 光伏玻璃減反射膜層完全暴露在戶外條件下，現(xiàn)代工業(yè)與城市建設(shè)的發(fā)展導(dǎo)致空氣和 水等環(huán)境污染，在潮濕環(huán)境中和靜電作用下，粉塵 等污染源很容易在膜層表面附著，當(dāng)膜層表面被污 染時(shí)，削弱了光伏組件的發(fā)電效率，同時(shí)也使光伏 組件存在著穩(wěn)定性差、使用壽命短的間題，傳統(tǒng)的 方法是采用表面活性劑清洗，不僅加重環(huán)境污染， 而且需要反復(fù)進(jìn)行，耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力。 由于現(xiàn)用減反射鎖膜所用 主體材料均為 Si0 2, Si02 薄膜的表面能較高，很容易吸附環(huán)境中的灰塵等懸 浮物，常常是使用過(guò)一段時(shí)間后，Si0 2 薄膜的折射率會(huì)升高， 透光率則會(huì)降低。因此， 在光伏電池用蓋板玻璃表面鎖制一層自潔防護(hù)層，在雨水的沖刷 下能保持其表面的潔凈度而長(zhǎng)久保持光玻璃表面較 高的透光率就具有非常重要的 意義。
目前光伏玻璃基片上膜層應(yīng)該同時(shí)擁有以下四
個(gè)特征： 心具 有增透的作用； ＠具 有自潔的作用 ；
＠具 有牢固的附著力；也具 有好的耐候性能。然而 目前的鎖膜液都很難做到同時(shí)擁有以上四個(gè)特征 。因此，如何將減反射鎖膜技術(shù)和自清潔鎖膜技術(shù)巧 妙結(jié)合， 成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，制備具有自清潔特 性并 且高效率的減反射膜成為技術(shù)發(fā)展的需要。
世界上發(fā)達(dá)國(guó)家均有知名企業(yè)在專門(mén)從事自 清潔鎖膜玻 璃的研究開(kāi)發(fā)和制作工作， 如英國(guó)的Pilkington Activ 公司， H本TOTO公司， 美國(guó)PPG公

司， 德國(guó)GEA 公 司、VTA 公 司、UIC 公 司等， 我國(guó)也有許多高校、科研單位致力于這方 面的研究。日本是最早開(kāi)發(fā)應(yīng)用自清潔玻璃的國(guó)家之一，除 H本外，英國(guó)、美國(guó)的玻璃加工制造商也在加快研制、開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用的步伐，英國(guó)皮爾金頓玻璃公司巳走在前列，并將推廣應(yīng)用，目前英國(guó)皮爾金頓公司、美國(guó)PPG公司都已推出自清潔玻璃的上市產(chǎn)品。
目前自清潔鎖膜技術(shù)蜇產(chǎn)化比較成熟的工藝是磁控濺射法和溶膠凝膠法。由于目前光伏玻璃用減反射鎖膜技術(shù)采用的均為溶膠凝膠法，因此自清潔鎖膜技術(shù)也只能考慮溶膠凝膠法。

2自清潔踱膜技術(shù)
2.1自清潔技術(shù)路線
所謂自清潔功能，是指普通玻璃在經(jīng)過(guò)特殊的 物理或化學(xué)方法處理后，其表面產(chǎn)生獨(dú)特的物理化 學(xué)特性，從 而使玻璃不再通過(guò)傳統(tǒng)的人工擦洗方法而在自然雨水的沖刷下達(dá)到清沽 一新的狀態(tài)。
自清潔鎖膜技術(shù)根據(jù)原理和表面性質(zhì)不同可分為兩大類：親水型自清沽鎖膜技術(shù)和疏水型自清沽鎖膜技術(shù)。
2.1.1親水型自清潔 鎖膜技木
通過(guò)對(duì)普通玻璃表面涂鎖納米半導(dǎo)體材料（主要是采用二氧化欽），使 玻璃的一個(gè)或兩個(gè)表面，在太陽(yáng)光激發(fā)下，具 有降解附著在其表面的有機(jī)污染物的能力。同時(shí)， 經(jīng)過(guò)處理的表面還具有親水性 ， 使得附著在其表面的無(wú)機(jī)灰塵能很容易被清洗掉。
其自潔的過(guò)程是：
CD散有機(jī)污漬： 通過(guò)“光催化“過(guò)程， 自清潔膜層和自然陽(yáng)光中的紫外線發(fā)生反應(yīng)，使其上有機(jī) 污漬松散分裂。
＠ 沖洗掉灰塵 ： 當(dāng)雨水落到玻璃上時(shí)，由于自清潔玻璃具有“親水性” ，雨 水不會(huì)聚集在一處而是擴(kuò)散到整個(gè)表面， 然后沖洗帶走灰塵。
2.1.1.1常溫固化自清潔鎖膜技術(shù)
目前主流技術(shù)是將二氧化欽納米粒子，通過(guò)一定的方式添加到有機(jī)膠粘劑中，然后將添加了納米二氧化欽粒子的有機(jī)膠粘劑溶液涂覆到玻 璃表面

制備出自潔凈玻璃，使用 的有機(jī)膠粘劑一般為硅樹(shù)脂。該方法是在常溫下鎖膜，既可以在平板玻璃上 鎖膜，也 可以在曲 面玻璃上鎖膜 。由于是直接在有機(jī)膠粘劑中添加納米二氧化欽粒子， 因此該方法生產(chǎn)制備的自潔凈玻璃光催化活 性較高 。但是由千納米二氧化欽粒子的光催化活 性，其對(duì)有機(jī)膠粘劑是否有降解作用目前還不十分清楚，若二氧化欽納米 粒子對(duì)有機(jī)膠粘劑具有降解作用，就會(huì)使自潔凈玻 璃容易老化，從 而玻璃失去自潔凈功能。
2.1.1.2高溫固化（鋼化）自清潔鎖膜技術(shù)
目前主流技術(shù)是將二氧化欽納米粒子或者二氧化欽溶膠，通過(guò)一定的方式分散或者溶解在有機(jī)溶劑中，配制成溶膠溶液，將其涂覆到玻璃表面，經(jīng)高溫固化（鋼化 ）制備出自沽凈玻璃 。該方法目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)均有較成熟的技術(shù)。
2.2.2疏水型 自 清潔鎖膜技木
荷葉表面具有微米級(jí)的乳突，乳突上有納米級(jí)的蠟晶物質(zhì)，這種微納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)可以大幅度提高水滴在其上的接觸角 ，導(dǎo) 致水滴極易滾落。水滴在超疏水表面上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象， 在自清沽過(guò)程中起到了一個(gè)至關(guān)重要的作用： 水滴在表面滾動(dòng)時(shí)會(huì)帶走表面的污染物或灰塵，從而達(dá)到自清沽的效果，超疏水表面的自清潔原理是基于
“荷葉效應(yīng)”。
超疏水自清潔涂層雖已有工業(yè)化應(yīng)用，但是超疏水性能的穩(wěn)定性和持久性還有待提高，特別是耐水壓沖擊性能還有待研究，以防止經(jīng)暴雨沖刷后破壞表面結(jié)構(gòu)（如將微塵嵌人微納坑內(nèi)），降低超疏水性能。另外，現(xiàn)有的超疏水涂層功能比較單一， 如果能在其中摻雜其他功能性粒子，則 可大大擴(kuò)大超疏水涂層的應(yīng)用范圍。
表面能和粗糙度是制備疏水表面的關(guān)鍵因素。微小的水滴沉積在疏水表面時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)類似球體的形狀， 減小了固體和水滴之間的 接觸面積。水滴沉積在超疏水表面時(shí)，可以得到高的接觸角。 若膜層的表面能比污染物的低，污染物就很難穩(wěn) 定附著在漆膜表面， 這是目前巳被認(rèn)可的耐沾污機(jī)
理， 據(jù)此開(kāi)發(fā)的自清潔涂料很多 。根據(jù)具有低表面能特性的物質(zhì)來(lái)源，可將其分為以下幾類 ：
2.2.2.1有機(jī)硅超疏水涂層
有機(jī)硅價(jià)格低廉 ，應(yīng)用廣泛。市場(chǎng)中大都采用改性有機(jī)硅或硅溶膠來(lái)合成疏水涂層。有機(jī)硅氧炾 中Si— 0 鍵鍵長(zhǎng)較長(zhǎng)，鍵角大，易 于內(nèi)旋轉(zhuǎn)，分子成螺旋狀，甲基向外排列并繞Si— 0 鍵旋轉(zhuǎn)， 表面能很低，具 有良好的疏水性。
2.2.2.2有機(jī)抓超疏水涂層
有機(jī)氯是目前報(bào)道的表面能最低的物質(zhì)。不同含瓶基團(tuán)表面能排序?yàn)椤?CH2 > — CH 3 > — CF2 >
— CF2H> — CF30 — CF3 基團(tuán)的表面能低至6.7 mJ/m氣具有六方密堆積的規(guī)則排列，顯著降低了涂膜的 表面自由能，其光滑平面對(duì)水的最大接觸角可達(dá)
120°’ 具 有明顯的疏水性。
2.2.2.3娠硅超疏水涂層
娠和硅都具有良好的低表面能，將二者的優(yōu)異 性能與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合考慮， 是超疏水涂膜發(fā)展的一個(gè)方向。在聚硅氧皖中引入F原子，制備出顛代炾 基硅皖，可進(jìn)一步降低其表面能，在具有疏水性的同時(shí)，還能提高疏油 性，顯示出超強(qiáng)的雙疏特性。
3自清潔減反射踱膜技術(shù)研究現(xiàn)狀
在自清潔減反膜的研究工作中，眾多優(yōu)秀科研工作者做出了卓越的貢獻(xiàn)并取得了一定的成就。
2008年，Yonghao Xiu 等人采用電子束蒸發(fā)技術(shù)和表面刻蝕技術(shù)，通過(guò)控制沉積膜的厚度、刻蝕 速率和刻蝕時(shí)間，制備出一種具有微納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)并且表現(xiàn)出疏水特性的表面，表面接觸角可達(dá)
167.7°’ 具 有很好的自清潔效果，并 且發(fā)現(xiàn)具有良好的減反性。2012 年， Q.H.Mu , Y.G.Li , H.Z.Wang 等人采用水熱法制備出的Ti02 納米棒結(jié)構(gòu)薄膜， 在玻璃基底上覆蓋的 垂直導(dǎo)向Ti仇納米棒具 有很好的減反性和親 水性。蔡金光和齊利民等利用溫和的溶液相體系中在基底上長(zhǎng)成一定厚度的二氧化欽納 米棒陣列結(jié)構(gòu)，在較寬波段均表現(xiàn)出優(yōu)異的減反性 能，并具有顯著的自清潔功能。
2013年，Z.Geng, J.H.He, L.Q.Xu 等人采用疊層

技術(shù)( LBL ) 在玻璃基底上制備出由納米顆粒、空心納米微球和納米片組成的具有寬波長(zhǎng)減反射和超雙疏的薄膜。
雖然科學(xué)研究者們已經(jīng)采取了各種各樣的手段 來(lái)構(gòu)建具有自清潔性能的減反膜，但是居多的研究 知識(shí)局限于實(shí)驗(yàn)室的研究階段，并不適合大規(guī)模的 生產(chǎn)，因此，對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用仍然存有極大的 機(jī)遇和挑戰(zhàn)。首先，機(jī)械性差。具有自清潔性能的減 反膜在日常的使用過(guò)程中，極容易因?yàn)槭种傅挠|摸、風(fēng)沙的侵蝕、雨水的反復(fù)沖刷、有機(jī)污染物的吸附 等因素造成薄膜的微觀細(xì)微結(jié)構(gòu)的損傷，甚至使薄 膜脫落失去自清沽和減反增透的特性；其次，成本 高， 規(guī)模小?，F(xiàn)今報(bào)道的具有自清潔特 性的制備工藝大多都涉及了復(fù)雜的工藝過(guò)程、較為嚴(yán)苛的制備 環(huán)境、昂貴的試劑和設(shè)備等，成本較高，并且只適用于較小的基底或者特定的基底材料，規(guī)模較小。
根據(jù)技術(shù)路線不同， 可分為以下 4 類：
(1 ) 高溫鋼化處理的超親水自清沽減反射鎖膜玻璃
將銳欽礦晶型的納米二氧化欽的粉體分散到稀 釋好的減反射鎖膜溶液中（或者直接添加外購(gòu)或自 制的欽溶膠）。摸索配方和比例，力求找到一種合適 的方法， 制備出滿足要求的超親水自清潔鎖膜材料。該方法為一次性鎖膜鋼化，工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是 增透效果和膜面硬度都受到一定制約，同時(shí)自清潔 效果也不是特別明顯（因?yàn)槎趸瘹J的含蜇較低）。
( 2 ) 兩次鎖膜處理的超親水自清潔減反射鎖膜玻璃
在現(xiàn)有減反射鎖膜玻璃表面再鎖制 一層超親水自清潔鎖膜層（常溫和高溫固化膜層均可），使得玻璃同時(shí)具備超親水自清潔和高效減反射功能 。該方法為兩次鍛膜，工藝相對(duì)比較復(fù)雜，但是增透效果和自清潔效果能夠有效結(jié)合。
( 3 ) 中低溫固化處理的超疏水自清潔減反射鎖膜玻璃
引入有機(jī)硅、有機(jī)氮、航硅樹(shù)脂等超疏水材料， 同時(shí)調(diào)整減反射鎖膜溶液配方，經(jīng)中低溫固化處理后得到超疏水自清潔減反射鍛膜玻璃，該方法制備
的膜層存在的最大問(wèn)題就是有機(jī)材料的耐紫外老化 性能不足。另外， 氮樹(shù)脂、頜碳樹(shù)脂、氮硅樹(shù)脂等材料很難添加到現(xiàn)用鎖膜溶液中（兼容性問(wèn)題 ）。
( 4 ) 兩次鎖膜處理的超疏水自清沽減反射鎖膜玻璃
在現(xiàn)有減反射鎖膜玻璃表面再鎖制一層超疏水自清潔鎖膜層，使得玻璃同時(shí)具備超疏水自清沽和高效減反射功能。該方法為兩次鎖膜 ，工 藝相對(duì)比較復(fù)雜，但是增透效果和自清潔效果能夠有效結(jié)合。
伏電站的發(fā)展具有重大的意義，由于目前自清潔 減反射鎖膜技術(shù)大多尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還有 很多的難題需要去攻克解決。我們需 要綜合科研院所、光伏玻璃廠商、光伏組件生產(chǎn)商、光伏電站運(yùn)營(yíng)商的力 量，共同來(lái)研究和應(yīng)用該技術(shù)，避免因?yàn)閱蝹€(gè)研究單位知識(shí)信息閉塞導(dǎo)致的研究進(jìn)度緩 慢問(wèn)題。
自清潔減反射鎖膜技術(shù)的前景是美好的，玻璃 自清潔減反射鎖膜技術(shù)能避免光伏鎖膜玻璃在使用 一段時(shí)間后太陽(yáng)光有效透射比降低明顯的情況，提 高太陽(yáng)能光伏鎖膜玻璃的品質(zhì)，促進(jìn)光伏鎖玻璃行
4自清潔減反射踱膜技術(shù)前景展望業(yè)加快發(fā)展，期待能為太陽(yáng)能光伏事業(yè)提供大的推
光伏玻璃用自清潔減反射鎖膜對(duì)于太陽(yáng)能光動(dòng)力，能早H實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的目標(biāo)。