復合環境老化對光伏鍍膜玻璃膜層的影響研究*

黃艷萍，黃文浩

(國家太陽能光伏產品質量檢驗檢測中心，江蘇無錫 214028)

近年來，光伏產業作為新能源領域重要的分支蓬勃發展，裝機量持續上升[1]，如何快速有效地評價光伏產品的性能也成為光伏產品檢測領域的重點和難題之一。光伏玻璃是光伏組件的關鍵原材料之一，其作用為保護電池組件不受外界環境因素破壞，隔絕空氣和水汽，同時提供一定的機械強度，并且具有較高的透光性能[2-5]，尤其是透光性能對組件功率有重要影響。為增加光伏組件的發電效率，提高光伏玻璃的透光性能是最簡單、也是最便捷有效的方法之一[3-5]。目前市場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光有效波段內其透光率能有2%～3%的增加[2-6]。

目前，產業鏈各環節供應商及用戶常通過兩個測試標準（IEC 61215-2：2021和IEC 61730-2：2016）來評價光伏組件產品在長期使用過程中的安全性[7-8]。但常規序列老化試驗均為單一應力，與實際的光伏組件產品使用環境不符[9]。有研究表明，采用復合加速老化試驗方法，能有效地復現不同典型戶外使用環境條件，試驗結果能夠較好地反映光伏產品長時間在戶外實際工作條件下的耐候性和可靠性[10-11]。這一研究領域已成為行業研究熱點和難點[4-5]。

為更好地能在短時間內檢測和評價光伏鍍膜玻璃在不同典型戶外使用環境下的性能，本研究采用PCT加速老化試驗、紫外濕熱試驗、紫外濕凍試驗和紫外熱循環試驗，用以模擬光伏鍍膜玻璃產品在不同戶外實際環境條件下的使用過程，并對比不同老化環境下產品性能變化情況，分析不同使用條件下鍍膜玻璃的老化和失效機理。試驗結果可為不同戶外使用條件下的光伏產品選型提供參考和依據。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

選取某主流玻璃廠家生產的2.0mm厚度雙層鍍膜玻璃，每個項目平行測試3片樣品。

1.2 復合環境老化測試

1.2.1 高溫高壓蒸煮（PCT48）試驗

PCT老化試驗參照GB/T 41203-2021進行取3片鍍膜玻璃樣品進行初始太陽光有效透射比測試，編號為4#～6#，測試后進行高溫高壓蒸煮試驗（PCT48），濕度為99%～100%，溫度為121±2 ℃，高溫高壓蒸煮時長為48h。

1.2.2 紫外濕熱（UV+DH）試驗

UV+DH試驗條件參照GB/T 41203-2021[12]進行取3片鍍膜玻璃樣品先進行初始太陽光有效透射比測試，編號為7#～9#，將樣品放入紫外濕熱老化試驗箱內，輻照面為鍍膜面；試驗樣品溫度為85±2 ℃，相對濕度為85%±2%，試驗時間200h；光譜分布為280～400 nm（UVB 280～320 nm，UVA 320～400 nm），輻照強度150W/m2，UVB占UV（A+B）能量的3%～10%，紫外試驗選取的累計輻照量為30kWh/m2。

1.2.3 紫外濕凍（UV+HF）試驗

取3片鍍膜玻璃樣品進行初始太陽光有效透射比測試，編號為10#～12#，再將樣品放入紫外濕凍老化試驗箱內，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，試驗開始時立即開啟紫外燈光源，正常運行至-20℃，關閉光源。當循環試驗溫度升至0℃，打開光源，如此循環10次。紫外總輻照量為30kWh/m2。

1.2.4 紫外熱循環（UV+TC）試驗

取3片鍍膜玻璃樣品進行太陽光有效透射比測試，編號為13#～15#，將樣品放入紫外熱循環老化試驗箱內，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 度150W/m2，UVB占UV（A+B）能量的3%～10%，溫度在85℃和-40℃之間循環，試驗時間200h。

1.3 性能表征

老化試驗結束后取出樣品，靜置24h后用清水清洗，干燥后恒溫24h進行表征測試。目測試驗后樣品的外觀，測試太陽光有效透射比、鉛筆硬度，觀察膜層微觀形貌，并計算太陽光有效透射比衰減值。

1.3.1 太陽光有效透射比

太陽光有效透射比項目測試儀器為氣浮臺式光譜透射比測量系統，生產廠家為北京奧博泰，規格型號為GST3，修正系數為0.983，測試波段為380～1100 nm。測試過程按照SJ/T 11571-2016[13]中要求進行。

1.3.2 鉛筆硬度

鉛筆硬度采用硬度計測試，規格型號為3086，測試所用鉛筆為中華鉛筆，測試過程按照JC/T 2170-2013[14]進行。

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試，規格型號為蔡司SIGMA場發射式掃描電鏡，測試過程按照GB/T 20307-2006[15]進行。

2 結果與討論

2.1 初始性能

對未經環境試驗的初始樣品性能進行測試，編號為1#～3#，其初始太陽光有效透射比、鉛筆硬度、附著力如表1所示。從表1中結果可見，3片試樣的太陽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，該產品的這三項性能指標均符合現有的標準要求。同時，對其表面膜層的微觀形貌進行了觀察，結果如圖1 所示。從圖中可以看出，鍍膜玻璃樣品膜層表面平整光滑，可見均勻分布的點狀凹陷結構，且有少量膜孔；橫截面呈現多孔結構，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，與玻璃基底結合均勻，無明顯界限。

圖1 試驗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（PCT 48）

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

圖2 PCT試驗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試驗后性能Table 2 Performance after PCT48

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

2.3 紫外濕熱試驗

試驗后樣品外觀、太陽光有效透射比衰減見表3。3片樣品太陽光有效透射比衰減分別為0.21%、0.11%、0.21%，膜層無明顯脫落、剝離、起皺現象。試驗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 紫外濕熱試驗后性能Table 3 Performance after UV+DH test

2.4 紫外濕凍試驗

試驗后樣品外觀、太陽光有效透射比衰減見表4。3片樣品太陽光有效透射比衰減分別為0.32%、0.44%、0.33%，膜層無明顯脫落、剝離、起皺現象。試驗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 紫外濕凍試驗后性能Table 4 Performance after UV+HF test

2.5 紫外熱循環試驗

試驗后樣品外觀、太陽光有效透射比衰減見表5。3片樣品太陽光有效透射比衰減分別為0.23%、0.32%、0.22%，膜層無明顯脫落、剝離、起皺現象。試驗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，可見均勻分布的點狀凹陷結構，且有少量膜孔。橫截面稍有不平整，膜層基本完整，但膜孔數量變少，尺寸變小，膜層厚度約為95nm。

圖5 紫外熱循環試驗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 紫外熱循環試驗后性能Table 5 Performance after UV+TC test

從樣品膜層結構可以看到，在光伏鍍膜玻璃表面鍍減反射膜可以對玻璃基體起到一定的保護作用。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]，傳統玻璃失效主要是由于玻璃原片由Na2SiO3、CaSiO3、MgSiO3等成分構成，這些物質在水蒸氣侵蝕下會發生化學反應生成NaOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2，金屬離子遷移至表面并以堿性物質形式析出，而堿性物質進一步與玻璃反應，從而進一步加劇玻璃基體的腐蝕和破壞。

為進一步分析環境試驗對鍍膜玻璃的破壞機理，采用EDS能譜對不同條件下的鍍膜玻璃膜層進行成分分析。主要進行金屬元素含量的橫向比較，故采用無標樣檢測時的數據結果不能作為元素的絕對含量，但同一測試條件下相同元素含量的多少可以進行比較。不同樣品膜層表面金屬元素成分分析結果見表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數據對比可以看出，經過不同環境老化試驗后的膜層中金屬元素的含量發生了變化，且主要以Na元素的變化為主。鍍膜玻璃在PCT試驗、紫外濕熱試驗、紫外濕凍試驗過程中，會接觸一定的水汽，水汽會通過膜層中的孔隙進入并與玻璃基體發生反應，生成游離的金屬離子，游離的金屬離子在電場的作用下向外產生定向遷移，從而破壞膜層中的Si-O-Si網絡結構，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，導致膜層表面平整度下降，且結構變得更加疏松，與膜層的結合力下降。在環境試驗結束后，鍍膜玻璃樣品表面經過清洗，在清洗過程中金屬離子會脫落，并進一步在水中溶解，故試驗后樣品表面金屬元素（主要是Na+）含量降低了。且濕度增加、溫度升高會進一步加劇腐蝕反應的速度，故鍍膜玻璃在PCT加速老化試驗、紫外濕熱試驗、紫外濕凍試驗后膜層出現了不同程度的破損，且光學性能衰減明顯。在沒有明顯水汽參與反應的紫外熱循環試驗中，樣品膜層表面沒有出現破損和剝落。同時，膜層整體表面Na元素含量稍有升高，推測是有少量的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鍍膜玻璃樣品的光學性能產生一定的影響。

3 結論

（1）復合環境老化試驗對光伏鍍膜玻璃產品性能存在較大影響。PCT48、紫外濕熱、紫外濕凍試驗之后，鍍膜玻璃的光學性能有明顯下降，且膜層結構均有破損。紫外熱循環試驗后膜層比較完整，光學性能變化較小。

（2）復合環境老化試驗后膜層的性能變化主要和環境中的水汽有關，且環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入基體反應并生成游離金屬離子，造成膜孔堵塞和膜層破壞。

（3）在不同的實際戶外應用環境下，可調節膜層的結構和厚度，提升鍍膜玻璃產品的耐環境老化性能，從而提升光伏組件產品的戶外使用壽命和性能。在產品選型時可根據實際戶外使用環境選擇不同特性的光伏鍍膜玻璃產品。