低反射率镀膜光伏玻璃与背接触太阳电池匹配性

杨增英  赵邦桂  王琪  郭强强  魏云  杨振英   付生军  任文辉   李得银

摘要：太阳能作为清洁能源的主要来源之一，不断受到关注和发展。然而，要实现光伏系统的最佳性能，各个封装材料之间的匹配性至关重要。本文主要聚焦于低反射率镀膜光伏玻璃与背接触太阳电池的匹配性，从低反射率镀膜光伏玻璃的特性光学特性、热管理、稳定性三个角度分析其在应用过程中与太阳电池的匹配性，旨在为光伏系统效率提升提供建设性指导。

关键词：镀膜光伏玻璃；背接触太阳电池；匹配性

前言：太阳能电力已成为清洁能源领域的重要组成部分，并在全球范围内得到广泛应用[1]。然而，要实现太阳能光伏系统的最佳性能，各个组件之间的匹配性至关重要。其中，太阳电池和其覆盖层的匹配性对于系统效率和可靠性具有重要影响[2、3]。

太阳电池的关键任务是将太阳光转化为电能，但在这个过程中会发生一定程度的反射损失，其中一部分能量未被充分利用。背接触太阳电池作为光电转换效率最高的几种太阳电池之一，已经成为科研院所和厂商研究的热点，其主要特点为：将正负电极全部置于电池背面，正面没有电极遮挡光线，减少了遮光损失，且电池封装后组件更加美观。有效提高了电池的短路电流，具有更高的转换效率和填充因子[4]。低反射率镀膜光伏玻璃是一种最新技术，旨在降低光的反射损失，从而提高太阳电池的光吸收效率。这种玻璃通过特殊的光学涂层和多层设计，能够最大程度地减少反射，从而提高能量转换效率[5、6]。

1 低反射率镀膜光伏玻璃的原理及特点

低反射率镀膜光伏玻璃的主要特点是降低了光的反射率。通过对玻璃原片粗糙度的光学设计和多层薄膜涂层镀膜工艺，可以将光的反射最小化，使更多的太阳能光线能够穿透并被光伏电池吸收，提高了能源转换效率[7]。低反射膜光伏玻璃表面结构如图1所示。

 

低反射膜玻璃  常规反射膜玻璃 

图1 低反射膜光伏玻璃

降低光伏玻璃反射率的主要原理为通过向光面刻蚀或压延工艺形成原片表面特殊的微观形貌，宏观表现为粗糙度的差异。其可减少侧入射光的直反射光量，而且将反射光分散到每个规则形貌结构的花纹上，从而提升入玻璃的射光量。区别的差异性决定镀膜工艺的变化。低反射膜光伏玻璃的原理如图2所示。

常规形貌

低反射形貌

图2 低反射膜光伏玻璃的原理

镀膜工艺通常使用抗反射涂层，可以降低光的反射，一般为多层设计，通过涂层厚度的设计使其具有特定的光学性质，减少反射率的同时不损害光线的透过性，这有助于最大程度地利用太阳能光谱中的有用能量。并且材质通常经过特殊处理，以提高其耐候性，使得它能够在各种气候条件下长期使用，不易受到紫外线辐射、湿气和温度变化的影响。这一特点使其成为提高太阳能光伏组件性能和效率的重要途径，有助于更有效地捕获太阳光并将其转化为可用的电能[6、8]。

另一方面，低反射率镀膜光伏玻璃通常具有热管理功能，这种类型的玻璃通常能够选择性地传递可见光并反射或吸收红外辐射，使得光伏电池在光谱范围内表现出更高的吸收效率，并且有助于控制光伏组件的温度。这可以降低电池的温度，提高性能并延长寿命[9]。

2 低反射率镀膜光伏玻璃与太阳电池的匹配性

2.1 光学特性的匹配性

低反射率镀膜光伏玻璃的主要光学特性之一是其能够降低光的反射率，通过精密的光学设计和多层薄膜涂层，最大化透明性，确保光线能够尽可能地透过，在不降低光通量的情况下，确保太阳电池表面尽可能地受到光照，减少光的散射和反射，从而使更多的太阳光线能够穿透并到达太阳电池表面，减少因反射损而降低的光伏电池效率[10]。

另外，低反射率镀膜光伏玻璃镀膜的多层结构，使其具有特定的光学特性，可以实现对不同波长范围的反射率的最小化，这使得太阳电池能够更高效的吸收特定波长的太阳能，从而提高光电转换效率[3]。同时这些涂层也能够选择性地透过太阳光谱中的特定波长范围，使得低反射率镀膜光伏玻璃的光谱特性曲线与太阳电池的光谱响应曲线相匹配，使电池能够更有效地吸收可用的太阳能，从而提高光伏组件的发电性能。

2.2 实验部分

2.2.1实验材料与设备

背接触太阳电池（M6）、双面接触TopCon太阳电池（M6）、低反射率镀膜光伏玻璃（1721*1033*3.2mm）、常规镀膜光伏玻璃（1721*1033*3.2mm）、电池量子效率测试仪（PVE 300-IVT）、双层仪（AvaSpec-Mini2048CL）、气浮台式压花玻璃光谱透射比测量仪AOPTEK Filmeasure2100、I-V测试仪（Pasan）、热成像检测仪。

2.2.1 电池量子效应曲线测试

使用电池量子效率测试仪（PVE300-IVT）在同一测试条件下对背接触太阳电池及双面接触太阳电池样品进行测试，反射曲线如图3所示。

图3两类电池反射效率曲线

数据表明，在可见光范围以外，背接触太阳电池对光的反射曲线较常规双面接触TopCon电池片高。

2.2.2玻璃反射曲线测试

实验测试常规镀膜光伏玻璃样品为目前市面流行常规供货双镀无色玻璃样品，粗糙度范围0.6-0.8μm，镀膜厚度（底涂80±20nm、面涂110±20nm），透光率平均94.14%，低反射率镀膜光伏玻璃样品为实验制备响应可见光范围以外背接触太阳电池最优样品，粗糙度范围1.0-2.0μm，镀膜厚度（底涂110±20nm、面涂80±20nm），透光率平均93.98%，使用双层仪在同一测试条件下分别进行测试，反射曲线如图4所示。

低反射率镀膜钢化玻璃        常规反射率镀膜钢化玻璃

图4低反射率镀膜光伏玻璃、常规镀膜玻璃反射曲线

数据表明，在可见光范围以下，常规镀膜玻璃对光的反射曲线较低反射率镀膜光伏玻璃高。

2.2.3组件封装功率测试

在同一封装条件下（同效率背接触太阳电池、胶膜、互联条、背板、接线盒）在同一产线对两种玻璃分别进行批量生产，同一测试标准进行EL及I-V测试，功率验证数据如表1所示。

类别	Voc（V）	Isc（A）	Mpp（W）	Vpm（V）	Ipm（A）	FF（%）	CTM(%)	组件数量（块）
低反射镀膜玻璃	45.95	11.87	429.19	38.37	11.19	78.69	3.18%	1000块
常规反射镀膜玻璃	45.92	11.78	426.35	38.34	11.12	78.8	3.82%	1000块
差值	0.03	0.09	2.84	0.03	0.07	-0.11	-0.64%	/

表一、两种玻璃封装背接触组件功率验证数据

两种反射率镀膜钢化玻璃封装背接触电池组件电性能对比数据数据表明，使用低反射镀膜玻璃，组件封装损为3.18%，比常规反射镀膜玻璃制作的组件封装损失低0.64%（功率增益2.84W）。

分析低反射镀膜玻璃透光率为93.98%，低于常规反射镀膜玻璃透光率94.14%，高透光率镀膜玻璃在封装背接触电池片组件时没有体现出功率优势，因此电池片需匹配玻璃的光学特性来提升组件的功率。光伏组件的短路电流可通过光伏组件的短路电流密度乘以太阳电池的面积计算得到，而玻璃的透光率会直接影响光伏组件的短路电流密度，最终会影响光伏组件的光电转换效率。但低反射镀膜光伏玻璃封装后的短路电流增大与背接触电池在短波方向的透射吻合度较高，故低反射低透光率镀膜玻璃封装后的组件功率反而提升。

2.3 热管理的匹配性

光伏组件的工作温度可以通过减少红外辐射的进入来得到有效控制[8]。低反射率镀膜光伏玻璃能够选择性地传递可见光，并反射或吸收红外辐射，这有助于控制太阳电池的温度，从而降低光伏组件内部的温度梯度，确保整个组件在相对均匀的温度下工作。这意味着组件各个部分之间的温差较小，降低了热应力和热损失，提高太阳电池的效率和性能。此外，低反射率镀膜玻璃还可以提供一种可控制的温度环境，特别是在高温或极端气候条件下，有助于确保光伏组件在适宜的工作温度下运行，提高性能和可靠性。

实验使用低反射率镀膜光伏玻璃与常规镀膜玻璃封装背接触太阳电池，在同时间同纬度实测的热成像下图5。

 

低反射率镀膜钢化玻璃组件         常规反射率镀膜钢化玻璃组件

图5两种玻璃封装组件热成像图

数据表明，低反射率镀膜光伏玻璃在户外发电工作温度相较常规镀膜玻璃工作红外温度低，即低反射率镀膜光伏玻璃具有热管理的特性是低反射率镀膜光伏玻璃主要的特点。这有助于降低电池的工作温度，减少热应力和热损失，提高性能和可靠性。

2.4 稳定性的匹配性

低反射率镀膜光伏玻璃与太阳电池的匹配性在稳定性方面也具有重要意义，其稳定性的匹配性应包括以下几个方面：

1）抗腐蚀性： 低反射率镀膜光伏玻璃通常具有抗腐蚀性，能够抵抗大气中的湿气、雨水、酸雨等对玻璃表面的侵蚀。这有助于保持光伏系统的长期性能，并延长太阳电池和组件的寿命。

2）UV稳定性： 这种类型的玻璃通常经过特殊处理，以提高其抵抗紫外线（UV）辐射的能力。UV稳定性是确保玻璃覆盖层在太阳能系统中长期使用时不会变脆或老化的关键因素。

3）机械强度：稳定性匹配性还包括玻璃的机械强度。低反射率镀膜光伏玻璃通常具有足够的机械强度，能够承受风、雨、冰雹和其他外部冲击，确保太阳电池组件在恶劣天气条件下保持稳定性。

4）光衰减：一些低反射率镀膜光伏玻璃设计可以减少长期暴露在太阳光下引起的光衰减。这有助于保持光伏组件的性能，确保其在多年的使用中保持高效率。

5）环境适应性：低反射率镀膜光伏玻璃通常能够适应各种环境条件，包括高温、低温、高湿度、低湿度等。这种环境适应性有助于确保光伏组件在不同气候和地理条件下都能保持稳定性。

3.结论

本文从低反射率镀膜光伏玻璃的特点出发，做了如下研究：

1、研究了低反射率镀膜光伏玻璃的光学、热管理、稳定性特性。

2、在实验条件下对背接触太阳电池（M6）、双面接触TopCon太阳电池（M6）进行电池量子效应曲线探究。结果表明：在可见光范围以外，背接触太阳电池对光的反射曲线较常规双面接触TopCon电池片高。

3、设计并制备了低反射率镀膜光伏玻璃及常规镀膜玻璃样品。并对两种玻璃的反射曲线进行研究。结果表明：在可见光范围以下，常规镀膜玻璃对光的反射曲线较低反射率镀膜光伏玻璃高。证明了背接触太阳电池与低反射率镀膜光伏玻璃的光学匹配性。

4、对同种背接触电池以实验制得的低反射率镀膜光伏玻璃及常规镀膜玻璃进行进行封装，对比组件功率。结果表明：使用低反射率镀膜光伏玻璃的组件功率比常规镀膜玻璃功率高。

5、研究同时间、同纬度条件下组件热成像情况。结果表明：低反射率镀膜光伏玻璃组件在户外发电工作温度相较常规镀膜玻璃工作红外温度低，对低反射率镀膜光伏玻璃的热管理及稳定性的特性做了证明。

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