光伏组件玻璃表面的新型SSG增透型自清洁纳米膜层技术

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摘要

本文重点介绍应用于光伏组件玻璃表面的新型SSG增透型自清洁膜层作用原理和技术特点。

关键词：增透、自清洁、SSG、纳米膜层、增发电量

1、引言

在光伏电站的运行过程中，电站的发电量往往会受到很多因素的影响，其中组件表面的清洁程度会严重影响组件的输出效率，如灰尘遮挡会降低组件发电量，局部灰尘遮挡则会导致热斑效应，更严重时可能导致组件失效。为了提高电站的发电量，电站不仅要使用电池组件光电转换率高的组件，还应避免其他因素带来的组件功率损失。因此，为了避免组件表面灰尘的影响，按期清洗组件成了电站运维中的一份重要工作。然而，对于一个几十兆瓦甚至几百兆瓦的大型光伏电站来说，组件数量达到数万甚至数十万块，这时，清洗工作非常繁重，且需要一定的成本。于是，为了降低电站的运维成本、提高电站的发电收益，越来越多为实现光伏组件自清洁能力的产品应运而生。在光伏组件玻璃表面覆盖一层SSG自清洁材料，能够使灰尘不能在组件表面沉积和黏着，从而达到组件自清洁的效果。

2、SSG膜层构成

SSG材料是一种功能性水基溶液，主要组分为无机氧化物和二氧化钛。在玻璃表面喷涂SSG，可不经过热处理快速形成无机纳米结构的膜层。膜层主要由二氧化钛粒子（TiO2）及一些化学连接键构成，这些化学键能在基材表面与二氧化钛粒子之间生成一种特殊的金属氧化物连接桥（M-O-M），使二氧化钛的纳米粒子在常温的条件下通过喷涂的方式在光伏组件玻璃表面形成一层厚度约为150 nm的无色透明自清洁防护膜，膜层能够保持25年使用效果。该膜层不但能增加玻璃的透光率，提高组件的发电效率，还能使光伏组件玻璃表面拥有超亲水能力和自清洁能力，消除灰尘和有机污渍对组件的影响，将有助于提升光伏组件的发电量。在瞬时和长期增发机制的共同影响下，发电量提升幅度3-5%。（3-5%的发电量提升比例数据统计方法见附件1）

目前，应用SSG纳米膜层技术的高能组件技术已非常成熟，且获得行业广泛认可。其常温固化特点决定其施用方式灵活，可直接利用专业设备喷涂于建成电站现场组件上，也可在组件和玻璃产线上直接进行喷涂。在增发性能试验、耐候性试验、第三方测试认证和户外实证过程中，均表现优异。

3、SSG膜层性能和技术特点

3.1 概述

SSG能够在至少25年内为电站带来的发电量提升幅度为3-5%，主要是基于其提升组件转换效率（瞬时提升）和防止沙尘、污染物附着的自清洁能力（长期提升）。其中，组件转换效率提高能为组件贡献1-2%的增发比例，自清洁能力能够为组件贡献2-3%的增发比例。具体原理如下：

3.2提升组件转换效率

SSG提升组件转换效率主要依靠两种机制。首先，是增加组件超白压花玻璃透光率。主要是由于SSG喷涂于组件表面后，以纳米粒子混合物形式和玻璃化学结合，能够大幅降低玻璃表面粗糙度，减少漫反射作用对透光率的影响。目前，基底（玻璃）在制备过程中，随工艺条件的不同，玻璃表面的粗糙度也不相同，一般为200～300nm，使用SSG纳米材料喷涂后，粗糙度能够减小至40-60nm，从而减少漫反射影响，增加透光率。喷涂后表面改善情况见图1。

图1 喷涂纳米膜层后玻璃表面改善情况

以往的自洁玻璃往往使得玻璃的透射率大大降低（降低幅度达10％左右），而喷涂SSG的自清洁玻璃却能够使得透射率提高1-2%。增透测试结果见图2。

图2 喷涂SSG后透光率上升情况

另外，二氧化钛在纳米尺寸具有光致发光和上转换（UC gain）、下转换（DC gain）光特性可以有效提高光利用率，使电池转换效率增加。这是由于硅太阳电池的光谱响应主要在300-1100nm之间，且主要集中于可见光范围内，而太阳光谱实际上是分布在一个较宽范围内，且长波（红外）和短波（紫外）部分占比分别接近5%和50%。因此，为了更好的匹配光伏电池的光谱响应曲线，SSG利用其中改性二氧化钛成分，使材料膜层在应用于组件表面后，产生光致发光和上转换（UC gain）、下转换（DC gain）发光效应，即分别将红外波段能量和紫外光波段的能量转化为可见光波段能量（PL谱线显示SSG膜层在280nm左右有强烈吸收峰），以增加有效光通量，提高电池的光电转化效率。光谱分布及光致发光情况见图3。

图3 光谱分布和光致发光情况

在以上两种机制共同作用下，在组件厂经过超过100次的组件喷涂前后功率对比测试可知，SSG膜层为光伏组件贡献约1.3%-2%的瞬时发电量提升效果，且获得南德TUV认证。

南德TUV报告编号：No.70.406.15.189.01，测试结果：喷涂SSG后，组件平均功率提高1.39%。

3.3 超强亲水性

喷涂了SSG的玻璃表面，在光的照射下，水滴的亲水角会下降30°，呈现出超强亲水性。亲水角示意图见图4。在重力作用下，更易带走大片的污染物。这样用更少的清水或雨水就可以将玻璃表面的灰尘、沙土清除。

图4 亲水角示意图

（左侧为喷涂前，右侧为喷涂后超亲水表面）

在紫外光照射下，二氧化钛价带电子被激发到导带，在表面生成电子空穴对，电子与Ti4+反应，空穴则与表面桥氧反应，使表面氧虚空，从而近处的Ti4+转向Ti3+，Ti3+适于游离水吸附。此时，空气中的水解离子吸附在氧空位中，成为化学吸附水（表面形成羟基），化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理水吸附层，即在Ti3+缺陷周围形成高度亲水的微区（Ti-OH），而表面剩余区域仍保持疏水性，这样在TiO2表面构成了分布均匀的纳米尺寸分离的亲水微区，类似于二维的毛细管现象。由于水滴的尺寸远远大于亲水微区的面积，故宏观上TiO2表面表现出亲水特性，从而侵润表面；停止紫外光照射。化学吸附的羟基被空气中的氧取代，重又回到疏水状态，在停止光照后，其表面超亲水性可维持数小时到一周左右，随后慢慢恢复到照前的疏水状态，再用紫外光照，又表现为亲水。

3.4 抗静电能力

喷涂SSG材料后，玻璃基板在微观上变的更为平整，灰尘颗粒相对粘附面积减少，更容易滑落下来。

同时，纳米二氧化钛半导体在光照射下电子和空穴分离，具有一定导电性，配合抗静电剂成分，具有抗静电吸附能力。可以从源头上最大限度的阻止灰尘在玻璃表面的附着，阻止玻璃变脏，变被动为主动，是真正意义上的自洁玻璃。防尘效果见图6。

图5 SSG喷涂后的防尘效果

3.5 分解有机物（防城市污染）

在光照下，纳米二氧化钛可与空气中的水汽和氧气发生化学反应，生成强氧化能力的-OH高活性基团。在不消耗纳米材料自身的情况下，可以引发绝大多数有机化合物分子发生氧化反应，生成CO2和H2O。分解有机物体现在分解玻璃表面的鸟粪、工业污染废气、汽车尾气等。分解鸟粪效果见图7 。

图6 SSG分解鸟粪效果，上面红色区域为喷涂组件

这是因为纳米二氧化钛的带隙能约为3.2eV , 相当于约387. 5nm 光子的能量。当受到波长小于387. 5 nm 的紫外光的照射时 ，价层电子会被激发到导带 ，而产生具有很强活性的电子-空穴对 :

这些电子-空穴对迁移到表面后，可以参加氧化还原反应，加快光降解反应。这些反应包括：所产生的电子-空穴可将吸附在二氧化钛颗粒表面的羟基和水分子氧化为OH-自由基：

缔合在四价钛离子表面的OH-自由基为强氧化剂，能够氧化相邻的有机物，也可以扩散到液相中氧化有机物。许多有机物也可被空穴所氧化。吸附在二氧化钛表面的氧气可以通过捕获电子，形成过氧负离子而阻止电子与空穴的复合，继而提高其氧化反应活性：

过氧化氢能够单独与过氧离子作用或捕获电子而产生羟基自由基：

图7 TiO2分解有机物原理图

中国建筑材料研究总院（CTC）根据JC/T2168标准对SSG膜层进行了光解能力测试。测试结果为：光解指数为38nmol/L/min。处于国内领先水平。

4、喷涂作业

SSG施工范围广泛，采用常温环境下，由专业人员使用专业喷涂设备进行喷涂作业。SSG喷涂在玻璃表面后，自动与玻璃基板键合，使之永久、牢固的“长”在组件玻璃表面。

喷涂过程无毒、无害、无污染。

现有两种喷涂方式：光伏组件厂喷涂和光伏电站现场喷涂。

图8 组件厂喷涂作业

图9 电站现场喷涂作业

公司推行ISO9001国际质量认证管理体系，建立了完善的标准化工艺流程和专业的施工队伍。对每一次施工作业都进行专门的调研、施工方案设计、培训和总结。

图10 专业施工

5、结论

SSG具备增加光电转换效率和卓越的防尘能力，能够至少在25年时间内为光伏组件和电站带来显著的增发效果（3%-5%）。同时，SSG常温喷涂工艺灵活可靠，产品可方便使用于现场电站和组件厂，有效解决运维难问题，提高光伏电站收益。

附件一：SSG增发电量数据统计和分析方法

在进行SSG纳米应用效果比对过程中，为了保证增发比例计算得当，运用统计学方法对方阵进行选择和增发比例分析。

首先，在电站改造项目中，选择方位、容量、环境条件、所用设备的型号和品牌均完全一致的几个候选方阵，收集候选方阵n天的历史数据，以日发电量为最小单位，依据拉伊达准则剔除粗大误差后，根据统计结果选择发电量比例稳定，即比例标准差最优的两个或多个方阵作为实验组（喷涂SSG）和对比组（不喷涂SSG）。同时根据两组长期比例关系

以某电站项目部分数据为例（原始数据见下页），  

即本例中喷涂SSG后，统计20天发电量增发比例为4.02%。

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