夏煒

（江西彩虹光伏有限公司 上饒 334000）

0 引言

光伏玻璃作為太陽能電池組件的重要組成部分之一［1］，其主要作用是：①將光伏組件中的核心部件——晶硅片封裝保護(hù)起來［2］；②將太陽光最大限度地透射到電池硅片上，通過電池硅片將光能轉(zhuǎn)化為電能。為了提高太陽能電池組件的發(fā)電效率，光伏壓花玻璃生產(chǎn)廠家主要采用低鐵料方、玻璃表面鍍膜［3－4］和改變玻璃壓花面花型等手段來提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)化效率。目前在光伏玻璃花型研究方面，國(guó)內(nèi)外許多廠家和研究機(jī)構(gòu)做了大量的嘗試工作。本文主要是通過對(duì)光伏玻璃壓花面花型種類的模擬研究，形成技術(shù)儲(chǔ)備，以提高光伏壓花玻璃產(chǎn)品的品位。

1 太陽能電池工作原理

太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面“P－N結(jié)”半導(dǎo)體?！癙－N結(jié)”實(shí)際就是將P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體交界面區(qū)域形成一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”特殊薄層，當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體時(shí)，光子所提供的能量會(huì)在半導(dǎo)體中激發(fā)出電子－空穴對(duì)，電子與空穴受到內(nèi)建電場(chǎng)的影響，空穴沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，電子向相反方向移動(dòng)，當(dāng)用導(dǎo)線將太陽能電池與負(fù)載連接在一起形成回路時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流流過負(fù)載。太陽能電池的基本工作原理見圖1。

圖1 太陽能電池基本工作原理示意圖

2 光伏玻璃的選擇

太陽能電池組件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。為了提高太陽能電池組件的光電轉(zhuǎn)化效率，一方面通過低鐵料方和玻璃表面鍍膜等工藝，最大限度地提高光伏玻璃的透光率；另一方面是采用壓花玻璃，通過壓花面花紋對(duì)光線的折射，使光線形成許多聚光束照射到晶硅電池片上，增加了晶硅電池片對(duì)太陽光的有效響應(yīng)，提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率［5］。

圖2 太陽能電池組件結(jié)構(gòu)示意圖

3 光伏玻璃花型種類

目前國(guó)內(nèi)超白壓延光伏玻璃壓花面的花紋形狀有正六角、長(zhǎng)六角、正四角和菱形角等，絕大多數(shù)光伏玻璃生產(chǎn)廠家采用正六角花型，單位長(zhǎng)度花紋目數(shù)1260目/m，是目前國(guó)內(nèi)光伏玻璃采用的主流花型，只有個(gè)別廠家采用長(zhǎng)六角（如：南玻）、正四角（如：原蘇州旭硝子）和菱形角（如：南玻）等花型，還有少數(shù)僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段的聚光光伏玻璃，其花型類似于凸透鏡，沒有商業(yè)化普及應(yīng)用。

正六角、長(zhǎng)六角、正四角、菱形角以及凸鏡聚光類等花型形狀及不同花型的光伏壓花玻璃模擬造型示意圖見圖3～圖7。

圖3 正六角花紋光伏玻璃

圖4 長(zhǎng)六角花紋光伏玻璃

圖5 正四角花紋光伏玻璃

圖6 菱形角花紋光伏玻璃

圖7 條形凸鏡花型光伏玻璃

4 不同花紋模擬研究

4.1 玻璃板下表面花紋模擬研究

4.1.1 板下花紋對(duì)光線聚光性能模擬研究

為了便于分析說明，取單目正六角花紋玻璃且光束從玻璃上表面垂直射入進(jìn)行分析，見圖8和圖9。

圖8 單目正六角花紋玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 單目正六角花紋面對(duì)光線折射示意圖

根據(jù)折射定律：入射介質(zhì)折射率（n1）與入射角（i）正弦之積等于折射介質(zhì)折射率（n2）與折射角（t）正弦之積。關(guān)系式為：

對(duì)于玻璃與空氣的界面，空氣的折射率＝1，玻璃的折射率≈1.52。

當(dāng)單束光從光伏玻璃上表面垂直射入時(shí)，由于入射角i1＝0，根據(jù)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，其余幾乎都豎直射到玻璃壓花面的花紋面上，又由于玻璃的折射率大于空氣的折射率，所以光線在花紋界面折射后，折射角t2＞入射角i2，經(jīng)花紋面折射后，光線向花紋頂點(diǎn)傾斜，當(dāng)光束從單目花紋整個(gè)上表面入射時(shí)，由于光束在花紋面經(jīng)過折射后均向花紋頂點(diǎn)傾斜，所以光線經(jīng)折射后形成聚光束，見圖10。

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圖10 光束從單目花紋上表面入射，折射后聚光示意圖

4.1.2 板下花紋形狀對(duì)光線聚光形狀影響的模擬研究

取單目正四角花紋玻璃且光束從玻璃上表面垂直射入進(jìn)行分析，見圖11和圖12。

圖11 單目正四角花紋

圖12 光線經(jīng)單目正四角花紋折射后聚光束形狀示意圖

由圖12可以看出，垂直入射光線經(jīng)過單目正四角花紋玻璃折射后，聚光束形狀為縮小的正方形，同樣，垂直入射光線經(jīng)過單目正六角、長(zhǎng)六角或菱形角花紋玻璃折射后，聚光束形狀分別為縮小的正六邊形、縮小的長(zhǎng)六邊形或縮小的菱形。

4.1.3 板下花紋目數(shù)對(duì)透光率影響的定性研究

花紋目數(shù)是指單位長(zhǎng)度花紋的目數(shù)，正六角花紋目數(shù)一般為1260目/m。經(jīng)過分析研究，一般花紋目數(shù)增多，聚光束增多，但由于光線在花紋面上入射角增大，導(dǎo)致光線在花紋面總的反射損失增加，一般情況下，在其它條件相同情況下，花紋目數(shù)增多，玻璃板透光率有減小的趨勢(shì)。所以，花紋目數(shù)不能太多，也不能太少。花紋目數(shù)太多時(shí)，雖然增加了聚光束，但總體透光率減小，不能有效提高電池硅片的光電轉(zhuǎn)化效率；產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)使用了一對(duì)高透型花紋輥，但由于花紋目數(shù)增加，結(jié)果透光率沒有增加，反而降低；花紋目數(shù)太少時(shí)，雖然總體透光率增加，但由于聚光束減小，也不能有效提高電池硅片的光電轉(zhuǎn)化效率。經(jīng)過與光伏電池組件廠家試驗(yàn)及驗(yàn)證，目前，國(guó)內(nèi)正六角花紋目數(shù)基本認(rèn)可1260目/m。

4.1.4 板下花紋深度對(duì)透光率影響的研究

在其它條件相同情況下，一般花紋深度減小，玻璃板透光率有增大趨勢(shì)。以正六角花紋為例說明，見圖13。

圖13 單目正六角花紋面對(duì)光線折射示意圖

如圖13所示，光伏壓花玻璃上表面為絨面1，下表面為壓花面2，取單目正六角花紋玻璃且光束從玻璃上表面垂直射入進(jìn)行分析。

當(dāng)一束光從光伏玻璃上表面垂直射入時(shí)，由于入射角i1＝0，根據(jù)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，其余幾乎都豎直射到玻璃壓花面的花紋面上，當(dāng)正六角花紋深度由0.06～0.08 mm變?yōu)?.02～0.04 mm時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，在玻璃正六角壓花面上光線入射角i2由27°左右（正六角不同剖面稍有差異）改變至8°左右，根據(jù)折射定律可以計(jì)算出在正六角壓花面上光線折射角t2由44°左右改變至11°左右。

根據(jù)菲涅耳（Fresnel）公式可以推導(dǎo)出，玻璃表面反射率（R）取決于材料的入射角（i）和折射角（t），關(guān)系如下：

由式（2）可以理論計(jì)算出當(dāng)正六角花紋深度由0.06～0.08 mm改變?yōu)?.02～0.04 mm時(shí)，在玻璃壓花面上光的反射率減小幅度約0.3%，透光率相應(yīng)增大約0.3%，經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，透光率增大幅度為0.3%～0.5%水平。

4.2 玻璃板上表面條形凸鏡等花紋模擬研究

4.2.1 板上條形凸鏡花紋對(duì)光線聚光性能模擬研究

取單目條形凸鏡花紋玻璃且光束從玻璃上表面垂直射入進(jìn)行分析，見圖14、圖15、圖16。根據(jù)圖15、圖16模擬分析，當(dāng)光束垂直從單目條形凸鏡花紋上表面入射時(shí)，光束經(jīng)過條形凸鏡面折射后形成聚光束。

圖14 單目條形花紋玻璃示意圖

圖15 單目條形凸鏡花紋對(duì)光線折射示意圖

圖16 光束從單目花紋上表面入射，折射后聚光示意圖

4.2.2 板上條形凸鏡花紋對(duì)透光率影響定性研究

由圖15可以看出，光束垂直入射到條形凸鏡面時(shí)，光線在上表面和下表面反射光線的反射角都比較偏大（相對(duì)于板下正六角等花型），光線的反射損失相對(duì)比較大，所以，凸鏡類花型雖然聚光性比較好，但總體透光率偏低，這可能是目前凸鏡類花紋光伏玻璃沒有商業(yè)化普及應(yīng)用的原因。

5 結(jié)論

（1）在光伏壓花玻璃中，花紋本身不增透，花紋的主要作用是聚光作用。

（2）在光伏壓花玻璃中，板上凸鏡類花紋透光率相對(duì)偏小，目前沒有商業(yè)化普及應(yīng)用。

（3）在光伏壓花玻璃中，板下花紋應(yīng)用是主流，目前國(guó)內(nèi)主要使用的是正六角花紋，同時(shí)還有部分使用長(zhǎng)六角、正四角和菱形角等花紋。

（4）在光伏壓花玻璃中，花紋目數(shù)（板下）增加，聚光束也相應(yīng)增加，但透光率有總體減小趨勢(shì)，不利于光伏組件光電轉(zhuǎn)化效率的提高；花紋目數(shù)（板下）減少，透光率有總體增加趨勢(shì)，但由于聚光束減少，也不利于光伏組件光電轉(zhuǎn)化效率的提高。目前，國(guó)內(nèi)正六角花紋目數(shù)基本認(rèn)可1260目/m。

（5）在光伏壓花玻璃中，在花紋目數(shù)不變情況下，使用淺花紋，既兼顧了花紋對(duì)太陽光的聚光作用，同時(shí)也兼顧了玻璃板對(duì)太陽光的透光率，能有效提高光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)化效率，具有推廣價(jià)值。