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摘 要：本文按照光伏系統(tǒng)組件中對玻璃的不同性能要求和所起的作用，將光伏玻璃分為了封裝蓋板玻璃、透明導(dǎo)電玻璃和聚光組件玻璃三大類。進而系統(tǒng)闡述了不同種類的光伏玻璃所適用的電池類型及其應(yīng)用特性。
關(guān)鍵字：光伏玻璃 太陽能電池 分類
1 引言
2010年5月16日新聞聯(lián)播節(jié)目頭條播出的“轉(zhuǎn)方式 調(diào)結(jié)構(gòu)：追風(fēng)逐日—我國新能源開發(fā)提速”的報道中介紹了我國新能源開發(fā)的狀況：“從1993年起，我國開始進口石油，到去年進口超過了一半；煤炭也在去年變成了凈進口，進口量超過了1億噸，目前全世界近一半的煤炭被我國消費了，導(dǎo)致我國溫室氣體排放居高不下。為減輕壓力，國家今年實施了修訂后的新能源法，而此前，發(fā)改委、財政部等部門從稅收減免到財政補貼，先后出臺了11項支持措施。新能源步伐由此提速，七個千萬千瓦級風(fēng)電基地加緊施工，光伏的目標(biāo)是10年翻100倍。國家電網(wǎng)也在計劃架設(shè)兩縱兩橫的空中高速。加速開發(fā)新能源帶給我們的是，到2020年風(fēng)光電加水電核電可達到2萬億千瓦時，新能源占總能源消費的比重將達到15％，可為我國節(jié)省標(biāo)煤6億噸，減少二氧化碳排放15億噸。” 中國光伏產(chǎn)業(yè)在世界光伏市場的拉動下近幾年發(fā)展迅速。2007年，中國電池產(chǎn)量達到1088MW，占世界總量的 29％，躍居世界首位。2008年，中國電池產(chǎn)量超過2600MW，仍為世界首位。2009年的中國光伏市場經(jīng)歷了從停產(chǎn)、復(fù)產(chǎn)、再到擴產(chǎn)的過程，忙得不亦樂乎。盡管市場一度受到金融危機的影響，但從第二季度開始，隨著歐美光伏市場的回暖，各大公司的發(fā)貨量也隨之增加。外加德國政策補貼的下調(diào)預(yù)期，使得2009年第四季度較之往年更加熱鬧了起來。此外，再加上中國在去年出臺的多項利好政策，國內(nèi)的幾大光伏企業(yè)紛紛擴產(chǎn)。2009年的電池產(chǎn)量超過4000MW，約占世界總量的40％，仍然雄居世界首位。
能源緊缺問題已經(jīng)對世界經(jīng)濟的發(fā)展造成了很大的困難。清潔能源技術(shù)得到了強有力的重視與發(fā)展。太陽能電池的飛速增長為玻璃行業(yè)帶來了一個擁有良好前景的市場需求，在普通玻璃市場競爭激烈，利潤率下滑的情況下，多家玻璃廠商已經(jīng)投入大量資金生產(chǎn)和研發(fā)不同種類的、性能優(yōu)異的光伏玻璃產(chǎn)品，以期規(guī)避普通浮法玻璃的殘酷競爭。目前，光伏玻璃已經(jīng)成為太陽能電池的重要構(gòu)件，并且太陽能電池的技術(shù)改良也對光伏玻璃提出了更多和更高的技術(shù)質(zhì)量要求。
2 光伏玻璃的定義和分類
在光伏太陽能電池組件所使用的玻璃中，一種是通過透光、聚光、散射、導(dǎo)電等性能參與到光生伏特過程中的玻璃；另一種是僅起到支撐作用的背板玻璃。嚴格來說，僅僅是前者才能稱得上是光伏玻璃。因此，光伏玻璃的定義應(yīng)該是：直接用于太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)組件，起到傳遞和控制光線，或者具有導(dǎo)出電流作用的玻璃產(chǎn)品。
根據(jù)這一定義，并且按照光伏系統(tǒng)組件中對玻璃的不同性能要求和所起的作用，可將目前主流的光伏玻璃分成三大類：
封裝蓋板玻璃——在組件中起到封裝保護、固定支撐和透光散射作用的玻璃。主要包括：超白壓延玻璃，增透鍍膜玻璃，超白浮法玻璃。
透明導(dǎo)電玻璃——同時具有透光和傳輸電流作用的玻璃。主要包括：ITO鍍膜玻璃，F(xiàn)TO鍍膜玻璃，氧化鋅基摻雜鋁或硼鍍膜玻璃。
聚光組件玻璃——通過反射或折射匯聚光線到光伏電池上的玻璃。主要包括：菲涅耳透鏡，平面反光鏡，拋物面反光鏡等。
3 用于晶體硅電池的封裝蓋板玻璃
晶體硅（多晶硅、單晶硅）電池陽光入射面所用的蓋板玻璃，目前使用超白壓延玻璃、增透鍍膜玻璃、超白浮法玻璃。主流產(chǎn)品超白壓延玻璃的一面以不同程度的朦朧紋面（絨面）處理減少光的反射，提高光線透過率；另一面用金字塔形的花型極大地增強了玻璃與EVA的膠聯(lián)牢固度。其3.2mm玻璃太陽光透過率達到91％以上。增透鍍膜玻璃也稱AR光伏玻璃，是在高透超白玻璃表面鍍上一層增透膜，能有效降低玻璃表面反射比，提高透射比，從而提升組件的轉(zhuǎn)換效率。超白浮法玻璃由于具有很高的透光率，不僅能用于蓋板玻璃，而且更多地用于聚光銀鏡的原片和離線導(dǎo)電鍍膜沉積的基板。
對于晶體硅電池來說，蓋板玻璃的絨面陷光結(jié)構(gòu)是提高效能的重要因素之一。當(dāng)太陽光入射到太陽能電池組件上的普通玻璃后，大有4％左右光波被玻璃的上表面反射了。降低玻璃上表面的反射率可提高太陽能電池組件的轉(zhuǎn)換效率。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由絨面玻璃制備的太陽能電池組件在直射的日光下，可提高1％左右的的轉(zhuǎn)換效率。并且當(dāng)日光斜射的條件下，由絨面玻璃制備的太陽能電池組件可提高轉(zhuǎn)換效率3％左右。由于斜射日光的時間比直射日光的時間長得多，因此，實際使用時這是一個非?？捎^的提高。
4 用于薄膜電池的導(dǎo)電膜玻璃
薄膜電池顧名思義就是用很薄的半導(dǎo)體薄膜制備成太陽能電池，其用硅量極少，更容易降低成本，同時它既是一種高效能源產(chǎn)品，又是一種新型建筑材料，更容易與建筑一體化完美結(jié)合。目前已經(jīng)能進行產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有3種：硅基薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池（CIGS）、碲化鎘薄膜太陽能電池（CdTe）。
薄膜太陽能電池雖然早已出現(xiàn)，但由于光電轉(zhuǎn)換效率低、衰減率（光致衰退率）較高等問題，前些年未引起業(yè)界的足夠關(guān)注，市場占有率很低。隨著其技術(shù)的不斷進步，光電轉(zhuǎn)換效率得到迅速提高，現(xiàn)在比以前約提升了30％-40％，雖然仍然與晶體硅電池相比有很大差距，但其用料少、工藝簡單、能耗低，成本有一定優(yōu)勢，越來越被業(yè)界所接受。因此近年來薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)得到較快發(fā)展，薄膜太陽電池已成為國際光伏市場發(fā)展的新趨勢和新熱點。
由于薄膜電池的生產(chǎn)過程和光電響應(yīng)特性不同，所需要的玻璃背板和前面板也各不相同。下面對幾種主要的薄膜電池分別加以論述。
4.1 非晶硅薄膜電池
非晶硅電池一般采用PECVD等離子增強型化學(xué)氣相沉積方法使高純硅烷等氣體分解沉積而成的。由于沉積分解溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積薄膜，易于大面積化生產(chǎn)，成本較低。在玻璃襯底上制備的非晶硅基太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)為：Glass/TCO/p-a-Si/i-a-Si/n-a-S/Al/Glass。
對于硅薄膜太陽電池來說，陷光結(jié)構(gòu)的作用對器件性能尤為重要。a-Si:H 的光學(xué)帶寬為117eV 左右，其吸收系數(shù)在短波方向較高。如果在單一光程通過的情況下，沒有幾個微米厚度的薄膜，入射光不會被完全吸收。為了縮短薄膜生產(chǎn)時間降低成本，必須加入陷光結(jié)構(gòu)。另外，對于a-Si:H太陽電池加入陷光結(jié)構(gòu)，可以進一步減薄吸收層厚度，減少光致衰減效應(yīng)。有利于提高光穩(wěn)定性，并且吸收層材料(Si本征層) 的光學(xué)吸收可以通過增加太陽輻射的光程得以提高。因此，非晶硅電池接受太陽光的前電極面玻璃不但要具有良好的導(dǎo)電性之外，還要具有合適的光散射能力，和玻璃上的TCO膜要具有霧度。
目前，非晶硅薄膜電池所使用的前電極玻璃為SnO2:F類型的TCO玻璃，即通常所說的FTO玻璃。使用APCVD技術(shù)生產(chǎn)的FTO玻璃具有可大面積、大批量生產(chǎn)，TCO膜層性能穩(wěn)定，透光率、霧度、方塊電阻與非晶硅電池匹配等優(yōu)點，是目前市場上的主流產(chǎn)品。
4.2 非晶/微晶復(fù)合疊層電池
非晶硅/微晶硅疊層薄膜太陽能電池是一種雙節(jié)電池。由一節(jié)非晶硅和一節(jié)微晶硅電池組成。其中非晶硅節(jié)是硅烷（SiH4）通過等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)在透明導(dǎo)電玻璃上沉積一層非晶硅薄膜。微晶硅層是在此非晶硅層的基礎(chǔ)上通過硅烷（SiH4）的等離子體化學(xué)氣相沉積形成，是一種含有非晶組織及晶粒、晶界的混合結(jié)構(gòu)，即微晶硅(μc-Si)結(jié)構(gòu)疊層。兩層使用的材料都是硅烷，兩層疊加就制成了非晶硅/微晶硅疊層薄膜太陽能電池。
非晶硅層僅對可見光有吸收作用，而微晶硅層對波長較長的紅外線部分有很好的吸收作用，而且?guī)缀醪话l(fā)生衰減，這種疊層技術(shù)可以實現(xiàn)很好的轉(zhuǎn)換效率并明顯降低衰減率。因此，這種非晶硅與微晶硅疊層的基本結(jié)構(gòu)將成為未來硅薄膜電池的主流發(fā)展趨勢。
由于非晶/微晶疊層電池的光譜響應(yīng)范圍擴展到了更多的紅外光譜部分，所以，要求前電極玻璃的光譜透過范圍比非晶硅單層電池要寬廣很多。同時，鍍制微晶硅的過程使TCO玻璃更長時間暴露在氫等離子體的還原氣氛下，普通的FTO玻璃將會出現(xiàn)性能衰減現(xiàn)象。而氧化鋅基的TCO玻璃能克服這些問題，從而得到了飛速的發(fā)展。
氧化鋅基薄膜的研究進展迅速，材料性能已可與 ITO 相比擬，結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦型。其中鋁摻雜的氧化鋅ZnO∶Al（AZO）薄膜研究較為廣泛，它的突出優(yōu)勢是原料易得，制造成本低廉，無毒，易于實現(xiàn)摻雜，且在等離子體中穩(wěn)定性好。制備AZO薄膜的方法有多種，最常用、經(jīng)濟、效果好的方法是濺射法。濺射成型的AZO玻璃需要經(jīng)過濕法酸蝕刻過程制絨，形成所需要的霧度。
另一種商業(yè)化生產(chǎn)的氧化鋅基的TCO是由Oerlikon公司生產(chǎn)的ZnO:B的TCO玻璃，其使用的是低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)LPCVD，在沉積過程中直接形成霧度。產(chǎn)品具有良好的光學(xué)性能，在3.2mm低鐵超白玻璃上鍍制TCO層后的太陽光譜（400-1100nm）透過率達到了85％，與非晶/微晶復(fù)合電池的匹配很好。
4.3 碲化鎘薄膜電池
由于CdTe具有直接帶隙結(jié)構(gòu)，對于波長小于吸收限的光具有較大的吸收系數(shù)，僅1μm厚的 CdTe就可吸收能量大于CdTe禁帶寬度的99％的入射光，從而降低了對擴散長度的要求， CdTe薄膜太陽電池通常以CdS／CdTe異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)。人們預(yù)計其理論轉(zhuǎn)換效率可達 27％，這些特點使CdTe成為制備高效太陽電池的最佳材料。
由于此類電池的吸收層吸收光線能力很強，其接受陽光的前電極玻璃不需要使用光散射能力，也就是不需要霧度，重點要求光線透過能力。因此可以使用ITO玻璃作為前電極。同時，碲化鎘電池多數(shù)制作工藝中要求TCO玻璃處于高溫狀態(tài)下，所以要求TCO玻璃膜層經(jīng)高溫處理后膜層的導(dǎo)電性能不衰減或少衰減。在線APCVD方式生產(chǎn)的FTO玻璃能夠良好地適應(yīng)這一需求。
4.4 銅銦鎵硒薄膜
銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池具有生產(chǎn)成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等顯著特點，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽電池之首，接近于晶體硅太陽電池，而成本只是它的三分之一，被稱為下一代非常有前途的新型薄膜太陽電池，是近幾年研究開發(fā)的熱點。典型結(jié)構(gòu)最底層為基材，通常使用的材料為玻璃或是具有可撓性的金屬箔或一些高分子材料，基材上濺鍍一層鉬背電極，向上是CIGS光吸收層，再往上是CdS ，此層也兼具緩沖層的功能，幫助電子有效傳導(dǎo)，再往上有一層n型 i-ZnO 層，再濺鍍上AZnO 作為透明導(dǎo)電層窗口，此窗口層除了作為上電極之外，還會讓陽光順利通過此層到達CIGS光吸收層；最后鍍上金屬導(dǎo)線，即構(gòu)成一個銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。
從此類電池的典型結(jié)構(gòu)可知，其接收陽光面的玻璃不需要TCO玻璃，僅需要超白玻璃作為保護用的封裝蓋板。而背光面的玻璃襯底是鍍鉬的導(dǎo)電玻璃，也不需要TCO玻璃。
5 聚光光伏玻璃
聚光光伏發(fā)電技術(shù)是用比較便宜的聚光器來部分代替昂貴的太陽電池，以減少給定功率所需的電池面積來降低成本，系統(tǒng)中太陽能電池的費用只占系統(tǒng)總費用的一小部分 ，所以可以采用工藝先進、效率更高而價格較貴的電池來提高整個系統(tǒng)的性能。同時，通過聚光器而使較大面積的陽光匯聚在一個較小的范圍內(nèi)，并將太陽能電池置于光斑或光帶上，以增加光強，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，可以獲得更多的電能輸出。聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)由聚光太陽能接收器、聚光鏡、太陽跟蹤機構(gòu)組成。聚光器依光學(xué)原理可分為折射聚光器、反射聚光器和熒光聚光器等。
5.1 透鏡型聚光玻璃
在聚光技術(shù)中，折射透鏡主要使用菲涅耳透鏡，這種透鏡具有質(zhì)量輕、厚度薄的特點，更適合大面積使用。菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) 多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，這種設(shè)計可大大地降低凸透鏡的幾何高度（厚度），透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰。
目前，光伏系統(tǒng)中的菲涅耳透鏡一種是由光學(xué)有機玻璃（PMMA）壓制而成。另一種是在超白玻璃上復(fù)合一層硅膠，在硅膠上壓制螺紋制成菲涅耳透鏡，且玻璃可以鋼化，這種透鏡具有機械強度高、抗腐蝕、耐老化等特點，并且光學(xué)效率大于85％。
5.2 反射型聚光玻璃鏡
在聚光光伏中，玻璃反射鏡有平面型、拋物面型和碟型。要求具有重量輕，反光率高，適合機械清洗，能長時間耐風(fēng)沙等惡劣環(huán)境考驗，能禁受冰雹沖擊等特性。常用超白玻璃銀鏡加背保護層制成，對太陽光的反射率要達到90％以上，并且至少應(yīng)穩(wěn)定15年以上。
6 光伏玻璃的發(fā)展
當(dāng)前，光伏玻璃所面臨的機遇不言而喻，但所面臨的挑戰(zhàn)也是很大的。例如，晶體硅行業(yè)正在努力降低成本，有的實驗室技術(shù)能降低近70％。如能實現(xiàn)，將對薄膜電池所使用TCO玻璃是一個挑戰(zhàn)。另外，柔性薄膜電池發(fā)展迅速，使用范圍廣泛，也會對玻璃基材造成較大的沖擊。因此，產(chǎn)業(yè)鏈的上下游企業(yè)有必要形成供需企業(yè)聯(lián)合，協(xié)作創(chuàng)造效益的局面。中國已經(jīng)成為世界上最大的玻璃生產(chǎn)國和光伏電池生產(chǎn)國。因此，在光伏玻璃生產(chǎn)企業(yè)與光伏電池生產(chǎn)企業(yè)之間，應(yīng)著力創(chuàng)造一條技術(shù)溝通的紐帶，電池企業(yè)提出玻璃的技術(shù)需求，玻璃企業(yè)進行技術(shù)攻關(guān)，再由前者進行測試反饋，充分發(fā)揮各自不同的優(yōu)勢，從而提高企業(yè)的核心競爭力和整個行業(yè)的科技創(chuàng)新水平。
