高穿透、高硬度太陽能模組玻璃

 

刊登日期:2015/9/5
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太陽光伏電力已逐漸成為重要的永續能源方案之一,若說最內側的元件結構設計及材料品質決定了電力輸出的最佳值,在模組最外側的模組玻璃即扮演了延續此最佳輸出電力的守護者,前瞻的模組玻璃不但需保護元件不受環境氣候之侵害,同時也能幫助更多太陽光進入元件,而進一步提升光電流,本文即以光學及機械強度之角度切入,介紹太陽能模組玻璃之需求及設計概況。
 
抗反射模組玻璃之重要性
市場對光電轉換效率的要求愈來愈高,而傳統的Turnkey技術雖然因製程成熟而有製造成本較低的優勢,但產出電池的光電轉換效率侷限在約17~19%。圖二是國際半導體產業協會於2013年發表的ITRPV(2013年),其中預估未來的太陽光電模組玻璃穿透率趨勢圖,提到未來模組玻璃擁有抗反射處理將為趨勢,並預期到2024年,世界太陽光電模組玻璃市場的需求目標,穿透率需由93.5%提升至95.5%,較現有產品增加2%。

不過,現階段國內對於相關產業在2013年以後的技術佈局,目前在市場上還看不出具體的研究方向。太陽能模組高穿透抗反射玻璃技術是在太陽能產業中非常重要的環節,然而台灣業界並沒有相關的技術,多需仰賴進口設備與材料。模組玻璃的穿透率對於光電轉換效率具有舉足輕重的影響,一般而言,單位時間內元件能利用的太陽光通量愈多,意味著能轉換的電能也愈多。

 


圖五、300~1,200 nm波長下,短路電流以及各種光學損失之光通量對波長之光譜

抗反射玻璃之原理
當光在第一種介質中行進遇到第二種介質時,將有機會發生入射、反射、折射以及散射等現象,降低反射率的原理即為利用光學折射率的調變與匹配,以減少光線在玻璃基材上的反射而增加入射光的比例。為達成折射率調變,技術上主要可分為材料設計以及結構設計等兩種方式,包括薄膜漸變折射係數的控制、各種奈米級織化結構以及多孔隙薄膜的設計。
 
蛾眼結構抗反射層
模擬蛾眼效應所做出之奈米結構,即稱為蛾眼結構。所謂的「蛾眼效應」,於 1962年由 C. G. Bernhard等人首度提出,當材料表面微結構尺度小於光波長時,材料表面的折射率會沿著深度方向呈連續變化,可使一般因折射係數急遽改變而造成反射的現象減弱。相關製程近年不斷有研究單位提出發表,新加坡大學在 2011年發表了利用鎳奈米粒子當作奈米級遮罩,再使用乾式蝕刻將玻璃表面蝕刻出奈米柱狀結構,藉以增加光的利用率,結果顯示此奈米級織化結構可增加光穿透率約 2~3%,雖然此法可有效降低反射率,但具有奈米粒子粒徑分布不易控制、真空設備之製程成本高昂以及製程複雜度高等問題。

低反射高硬度抗反射膜層
上述之各種降低反射率之技術如單層膜、多層膜以及蛾眼結構等,雖皆能有效降低反射率,但在太陽能模組玻璃之應用端皆各自面臨不同之挑戰。考慮製程簡易且容易降低成本之需求,單層膜抗反射層在太陽能模組玻璃製造上具有較佳之潛力,目前以MgF2薄膜最受重視,MgF2薄膜是一種優良的光學材料,具有極低之折射係數(1.38)。在玻璃上具有極佳的光穿透率,另外其薄膜光吸收係數小、機械性質強、化學穩定性佳以及良好附著力及膜材硬度佳等特性,相當適合運用在太陽電池模組玻璃上,作為抗反射層材料。
 
目前應用於太陽光電模組玻璃大多以低鐵壓花玻璃為主,如圖廿所示,佔整個太陽光電模組玻璃的九成以上,其透光度普遍規範為>91%,為使MgF2薄膜不論在PV模組使用的大面積壓花玻璃上或是平滑的玻璃表面上均可得到均勻的薄膜,工研院材化所團隊建立低溫(<250˚C)噴塗與材料合成技術,以非真空噴塗方式達到媲美真空物理氣相沉積之MgF2薄膜,擁有高穿透率、高硬度並且形成緻密、平整之薄膜,提升抗反射模組玻璃之長時間功效……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖廿、太陽光電模組壓花玻璃

作者:魏松煙、孫文檠、游勝閔/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」345期,更多資料請見下方附檔。


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