黃艷萍，黃文浩

(國(guó)家太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇無(wú)錫 214028)

近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源領(lǐng)域重要的分支蓬勃發(fā)展，裝機(jī)量持續(xù)上升[1]，如何快速有效地評(píng)價(jià)光伏產(chǎn)品的性能也成為光伏產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)和難題之一。光伏玻璃是光伏組件的關(guān)鍵原材料之一，其作用為保護(hù)電池組件不受外界環(huán)境因素破壞，隔絕空氣和水汽，同時(shí)提供一定的機(jī)械強(qiáng)度，并且具有較高的透光性能[2-5]，尤其是透光性能對(duì)組件功率有重要影響。為增加光伏組件的發(fā)電效率，提高光伏玻璃的透光性能是最簡(jiǎn)單、也是最便捷有效的方法之一[3-5]。目前市場(chǎng)上使用的光伏玻璃均為鍍膜玻璃，主要是利用光的干涉原理在超白浮法玻璃原片上鍍一層或多層膜，膜層的主要成分為多孔二氧化硅，鍍膜后的光伏玻璃在太陽(yáng)光有效波段內(nèi)其透光率能有2%～3%的增加[2-6]。

目前，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)供應(yīng)商及用戶常通過兩個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61215-2：2021和IEC 61730-2：2016）來(lái)評(píng)價(jià)光伏組件產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用過程中的安全性[7-8]。但常規(guī)序列老化試驗(yàn)均為單一應(yīng)力，與實(shí)際的光伏組件產(chǎn)品使用環(huán)境不符[9]。有研究表明，采用復(fù)合加速老化試驗(yàn)方法，能有效地復(fù)現(xiàn)不同典型戶外使用環(huán)境條件，試驗(yàn)結(jié)果能夠較好地反映光伏產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在戶外實(shí)際工作條件下的耐候性和可靠性[10-11]。這一研究領(lǐng)域已成為行業(yè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[4-5]。

為更好地能在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)和評(píng)價(jià)光伏鍍膜玻璃在不同典型戶外使用環(huán)境下的性能，本研究采用PCT加速老化試驗(yàn)、紫外濕熱試驗(yàn)、紫外濕凍試驗(yàn)和紫外熱循環(huán)試驗(yàn)，用以模擬光伏鍍膜玻璃產(chǎn)品在不同戶外實(shí)際環(huán)境條件下的使用過程，并對(duì)比不同老化環(huán)境下產(chǎn)品性能變化情況，分析不同使用條件下鍍膜玻璃的老化和失效機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果可為不同戶外使用條件下的光伏產(chǎn)品選型提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

選取某主流玻璃廠家生產(chǎn)的2.0mm厚度雙層鍍膜玻璃，每個(gè)項(xiàng)目平行測(cè)試3片樣品。

1.2 復(fù)合環(huán)境老化測(cè)試

1.2.1 高溫高壓蒸煮（PCT48）試驗(yàn)

PCT老化試驗(yàn)參照GB/T 41203-2021進(jìn)行取3片鍍膜玻璃樣品進(jìn)行初始太陽(yáng)光有效透射比測(cè)試，編號(hào)為4#～6#，測(cè)試后進(jìn)行高溫高壓蒸煮試驗(yàn)（PCT48），濕度為99%～100%，溫度為121±2 ℃，高溫高壓蒸煮時(shí)長(zhǎng)為48h。

1.2.2 紫外濕熱（UV+DH）試驗(yàn)

UV+DH試驗(yàn)條件參照GB/T 41203-2021[12]進(jìn)行取3片鍍膜玻璃樣品先進(jìn)行初始太陽(yáng)光有效透射比測(cè)試，編號(hào)為7#～9#，將樣品放入紫外濕熱老化試驗(yàn)箱內(nèi)，輻照面為鍍膜面；試驗(yàn)樣品溫度為85±2 ℃，相對(duì)濕度為85%±2%，試驗(yàn)時(shí)間200h；光譜分布為280～400 nm（UVB 280～320 nm，UVA 320～400 nm），輻照強(qiáng)度150W/m2，UVB占UV（A+B）能量的3%～10%，紫外試驗(yàn)選取的累計(jì)輻照量為30kWh/m2。

1.2.3 紫外濕凍（UV+HF）試驗(yàn)

取3片鍍膜玻璃樣品進(jìn)行初始太陽(yáng)光有效透射比測(cè)試，編號(hào)為10#～12#，再將樣品放入紫外濕凍老化試驗(yàn)箱內(nèi)，輻照面為鍍膜面；光譜分布為280～400 nm（UVB 280～320 nm，UVA 320～400 nm），輻照強(qiáng)度150W/m2，UVB占UV（A+B）能量的3%～10%，溫度控制范圍：-40～85 ℃，濕度控制范圍：30%RH～85%RH，試驗(yàn)開始時(shí)立即開啟紫外燈光源，正常運(yùn)行至-20℃，關(guān)閉光源。當(dāng)循環(huán)試驗(yàn)溫度升至0℃，打開光源，如此循環(huán)10次。紫外總輻照量為30kWh/m2。

1.2.4 紫外熱循環(huán)（UV+TC）試驗(yàn)

取3片鍍膜玻璃樣品進(jìn)行太陽(yáng)光有效透射比測(cè)試，編號(hào)為13#～15#，將樣品放入紫外熱循環(huán)老化試驗(yàn)箱內(nèi)，輻照面為鍍膜面；光譜分布為280～400 nm（UVB 280～320 nm，UVA 320～400 nm），輻 照 強(qiáng) 度150W/m2，UVB占UV（A+B）能量的3%～10%，溫度在85℃和-40℃之間循環(huán)，試驗(yàn)時(shí)間200h。

1.3 性能表征

老化試驗(yàn)結(jié)束后取出樣品，靜置24h后用清水清洗，干燥后恒溫24h進(jìn)行表征測(cè)試。目測(cè)試驗(yàn)后樣品的外觀，測(cè)試太陽(yáng)光有效透射比、鉛筆硬度，觀察膜層微觀形貌，并計(jì)算太陽(yáng)光有效透射比衰減值。

1.3.1 太陽(yáng)光有效透射比

太陽(yáng)光有效透射比項(xiàng)目測(cè)試儀器為氣浮臺(tái)式光譜透射比測(cè)量系統(tǒng)，生產(chǎn)廠家為北京奧博泰，規(guī)格型號(hào)為GST3，修正系數(shù)為0.983，測(cè)試波段為380～1100 nm。測(cè)試過程按照SJ/T 11571-2016[13]中要求進(jìn)行。

1.3.2 鉛筆硬度

鉛筆硬度采用硬度計(jì)測(cè)試，規(guī)格型號(hào)為3086，測(cè)試所用鉛筆為中華鉛筆，測(cè)試過程按照J(rèn)C/T 2170-2013[14]進(jìn)行。

1.3.3 微觀形貌及厚度

膜層微觀形貌及厚度采用掃描電子顯微鏡測(cè)試，規(guī)格型號(hào)為蔡司SIGMA場(chǎng)發(fā)射式掃描電鏡，測(cè)試過程按照GB/T 20307-2006[15]進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始性能

對(duì)未經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)的初始樣品性能進(jìn)行測(cè)試，編號(hào)為1#～3#，其初始太陽(yáng)光有效透射比、鉛筆硬度、附著力如表1所示。從表1中結(jié)果可見，3片試樣的太陽(yáng)光有效透射比分別為94.35%、94.40%、94.39%，鉛筆硬度為3H，附著力為0級(jí)，該產(chǎn)品的這三項(xiàng)性能指標(biāo)均符合現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，對(duì)其表面膜層的微觀形貌進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖1 所示。從圖中可以看出，鍍膜玻璃樣品膜層表面平整光滑，可見均勻分布的點(diǎn)狀凹陷結(jié)構(gòu)，且有少量膜孔；橫截面呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，膜孔基本呈多層堆疊均勻分布，膜孔呈橢圓形，尺寸約50nm，其中單層膜厚約為135nm，且雙層膜中底層膜致密度高，與玻璃基底結(jié)合均勻，無(wú)明顯界限。

圖1 試驗(yàn)前鍍膜玻璃樣品膜層微觀形貌Fig.1 Microstructure of coated glass sample before test

表1 初始性能 太陽(yáng)光有效透射比 鉛筆硬度及附著力Table 1 Initial properties (effective solar transmittance, pencil hardness and adhesion )

2.2 高溫高壓蒸煮試驗(yàn)（PCT 48）

試驗(yàn)后樣品外觀、太陽(yáng)光有效透射比衰減見表2。3片樣品太陽(yáng)光有效透射比衰減分別為0.64%、0.55%、0.71%，膜層無(wú)明顯脫落、剝離、起皺現(xiàn)象。試驗(yàn)后樣品膜層微觀形貌如圖2所示。

圖2 PCT試驗(yàn)后鍍膜玻璃樣品膜層微觀形貌Fig.2 Microstructure of coated glass sample after PCT48 test

表2 PCT48試驗(yàn)后性能Table 2 Performance after PCT48

從圖2可以看出，膜層表面出現(xiàn)大面積溶解脫落，膜層內(nèi)部的膜孔裸露；橫截面不平整，有絮狀顆粒物附著，膜孔變形，且膜層破損嚴(yán)重，局部玻璃基體位置出現(xiàn)縱向孔洞。選取膜層相對(duì)平整的位置測(cè)量其膜層厚度，約為90nm。

2.3 紫外濕熱試驗(yàn)

試驗(yàn)后樣品外觀、太陽(yáng)光有效透射比衰減見表3。3片樣品太陽(yáng)光有效透射比衰減分別為0.21%、0.11%、0.21%，膜層無(wú)明顯脫落、剝離、起皺現(xiàn)象。試驗(yàn)后樣品膜層微觀形貌如圖3所示。從圖中可以看出，膜層表面出現(xiàn)膜層破損和剝落，破損位置露出底層膜孔；橫截面稍有不平整，膜層基本完整，膜層厚度約為100nm。

圖3 紫外濕熱試驗(yàn)后鍍膜玻璃樣品膜層微觀形貌Fig.3 Microstructure of coated glass sample after UV+DH test

表3 紫外濕熱試驗(yàn)后性能Table 3 Performance after UV+DH test

2.4 紫外濕凍試驗(yàn)

試驗(yàn)后樣品外觀、太陽(yáng)光有效透射比衰減見表4。3片樣品太陽(yáng)光有效透射比衰減分別為0.32%、0.44%、0.33%，膜層無(wú)明顯脫落、剝離、起皺現(xiàn)象。試驗(yàn)后樣品膜層微觀形貌如圖4所示。從圖中可以看出，膜層表面出現(xiàn)膜層破損和剝落，破損位置露出底層膜孔。橫截面稍有不平整，膜層基本完整，膜層厚度約為95nm。

圖4 紫外濕凍試驗(yàn)后鍍膜玻璃樣品膜層微觀形貌Fig.4 Microstructure of coated glass sample after UV+HF test

表4 紫外濕凍試驗(yàn)后性能Table 4 Performance after UV+HF test

2.5 紫外熱循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)后樣品外觀、太陽(yáng)光有效透射比衰減見表5。3片樣品太陽(yáng)光有效透射比衰減分別為0.23%、0.32%、0.22%，膜層無(wú)明顯脫落、剝離、起皺現(xiàn)象。試驗(yàn)后樣品膜層微觀形貌如圖5所示。從圖中可以看出，膜層表面平整光滑，可見均勻分布的點(diǎn)狀凹陷結(jié)構(gòu)，且有少量膜孔。橫截面稍有不平整，膜層基本完整，但膜孔數(shù)量變少，尺寸變小，膜層厚度約為95nm。

圖5 紫外熱循環(huán)試驗(yàn)后鍍膜玻璃樣品膜層微觀形貌Fig.5 Microstructure of coated glass sample after UV+TC test

表5 紫外熱循環(huán)試驗(yàn)后性能Table 5 Performance after UV+TC test

從樣品膜層結(jié)構(gòu)可以看到，在光伏鍍膜玻璃表面鍍減反射膜可以對(duì)玻璃基體起到一定的保護(hù)作用。且雙層鍍膜增加了一層致密底膜，其主要成分也為二氧化硅，對(duì)接觸到的水汽和污染物有更好的阻隔作用。有研究表明[16-18]，傳統(tǒng)玻璃失效主要是由于玻璃原片由Na2SiO3、CaSiO3、MgSiO3等成分構(gòu)成，這些物質(zhì)在水蒸氣侵蝕下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成NaOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2，金屬離子遷移至表面并以堿性物質(zhì)形式析出，而堿性物質(zhì)進(jìn)一步與玻璃反應(yīng)，從而進(jìn)一步加劇玻璃基體的腐蝕和破壞。

為進(jìn)一步分析環(huán)境試驗(yàn)對(duì)鍍膜玻璃的破壞機(jī)理，采用EDS能譜對(duì)不同條件下的鍍膜玻璃膜層進(jìn)行成分分析。主要進(jìn)行金屬元素含量的橫向比較，故采用無(wú)標(biāo)樣檢測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果不能作為元素的絕對(duì)含量，但同一測(cè)試條件下相同元素含量的多少可以進(jìn)行比較。不同樣品膜層表面金屬元素成分分析結(jié)果見表6。

表6 不同樣品膜層表面成分分析Table 6 Surface composition analysis of different samples

從表6數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，經(jīng)過不同環(huán)境老化試驗(yàn)后的膜層中金屬元素的含量發(fā)生了變化，且主要以Na元素的變化為主。鍍膜玻璃在PCT試驗(yàn)、紫外濕熱試驗(yàn)、紫外濕凍試驗(yàn)過程中，會(huì)接觸一定的水汽，水汽會(huì)通過膜層中的孔隙進(jìn)入并與玻璃基體發(fā)生反應(yīng)，生成游離的金屬離子，游離的金屬離子在電場(chǎng)的作用下向外產(chǎn)生定向遷移，從而破壞膜層中的Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堵塞膜層中的孔隙。其中游離的金屬離子主要為Na+，金屬離子富集在膜層表面，形成絮狀物，導(dǎo)致膜層表面平整度下降，且結(jié)構(gòu)變得更加疏松，與膜層的結(jié)合力下降。在環(huán)境試驗(yàn)結(jié)束后，鍍膜玻璃樣品表面經(jīng)過清洗，在清洗過程中金屬離子會(huì)脫落，并進(jìn)一步在水中溶解，故試驗(yàn)后樣品表面金屬元素（主要是Na+）含量降低了。且濕度增加、溫度升高會(huì)進(jìn)一步加劇腐蝕反應(yīng)的速度，故鍍膜玻璃在PCT加速老化試驗(yàn)、紫外濕熱試驗(yàn)、紫外濕凍試驗(yàn)后膜層出現(xiàn)了不同程度的破損，且光學(xué)性能衰減明顯。在沒有明顯水汽參與反應(yīng)的紫外熱循環(huán)試驗(yàn)中，樣品膜層表面沒有出現(xiàn)破損和剝落。同時(shí)，膜層整體表面Na元素含量稍有升高，推測(cè)是有少量的Na+定向遷移至表面造成的，但沒有水汽條件，遷移的量較小。但膜層孔隙率的減少和減薄對(duì)鍍膜玻璃樣品的光學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié)論

（1）復(fù)合環(huán)境老化試驗(yàn)對(duì)光伏鍍膜玻璃產(chǎn)品性能存在較大影響。PCT48、紫外濕熱、紫外濕凍試驗(yàn)之后，鍍膜玻璃的光學(xué)性能有明顯下降，且膜層結(jié)構(gòu)均有破損。紫外熱循環(huán)試驗(yàn)后膜層比較完整，光學(xué)性能變化較小。

（2）復(fù)合環(huán)境老化試驗(yàn)后膜層的性能變化主要和環(huán)境中的水汽有關(guān)，且環(huán)境中溫度和濕度越高，性能下降越明顯。膜層破壞主要是由于水汽進(jìn)入基體反應(yīng)并生成游離金屬離子，造成膜孔堵塞和膜層破壞。

（3）在不同的實(shí)際戶外應(yīng)用環(huán)境下，可調(diào)節(jié)膜層的結(jié)構(gòu)和厚度，提升鍍膜玻璃產(chǎn)品的耐環(huán)境老化性能，從而提升光伏組件產(chǎn)品的戶外使用壽命和性能。在產(chǎn)品選型時(shí)可根據(jù)實(shí)際戶外使用環(huán)境選擇不同特性的光伏鍍膜玻璃產(chǎn)品。