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光伏玻璃成分设计中的光谱特性与铁含量控制标准探讨

已有 3616 次阅读 2019-8-22 22:48 |个人分类:玻璃生产控制|系统分类:论文交流


摘要:

光伏玻璃是用于光伏发电组件的高透过率玻璃,为了提高光电转换效率,需要尽可能提高此玻璃的透过率。晶硅电池半导体层的吸收范围集中在380nm-1100nm,从可见光范围扩展到了近红外波段,因此在进行相应的成分设计时,必须考虑着色剂对其光谱特性尤其是近红外波段的影响。本文主要探讨如何满足JC/T 2001-2009《太阳电池用玻璃》标准中的透过率要求以及该标准中Fe2O3含量要求的合理性,并给出通过优化玻璃组成,降低玻璃折射率减少玻璃反射率以提高透过率和放宽Fe2O3含量控制以降低成本的方法。

该方法同样适合于对光谱特性有相应要求的其它光电玻璃,如汽车风挡玻璃、显示以及盖板玻璃等。

关键词:光伏玻璃,光谱,铁含量

 

Discussion on spectral characteristics and control standard of iron content in composition design of photo-voltaic glass

Zebin Wang

(Xiamen SmartData Software Co.,Ltd.)

Abstract:Photo-voltaic glass is a kind of high transmittance glass used in photovoltaic power modules. In order to improve the photoelectric conversion efficiency, it is necessary to improve the transmittance of this glass as much as possible. The absorption range of semiconductor layer of silicon cell is concentrated in 380nm-1100 nm, which extends from visible light to near-infrared band. Therefore, the influence of colorants on the spectral characteristics, especially near-infrared band, must be considered when designing the glass composition. This paper mainly discusses how to meet the transmittance requirement of JC/T 2001-2009 "Glass for Solar Cell module" standard and the rationality of the requirement of Fe2O3 content in the standard, and gives the method to reduce the cost by reducing the glass refractive index and reducing the glass reflectivity to improve the transmittance and relax the Fe2O3 content control.

This method is also suitable for other photoelectric glasses, such as windshield glass, display glass and cover glass, which have corresponding requirements for spectral characteristics.

Keywords: Photo-voltaic glass, spectrum, iron content

 

1. 引言

光伏玻璃是用于光伏发电组件的高透过率玻璃,为了提高光电转换效率,需要尽可能提高此玻璃的透过率。单晶硅、多晶硅电池半导体层的光谱吸收范围集中在380nm-1100nm,有些薄膜太阳能电池也扩展到了近红外波段,因此在进行相应的玻璃成分设计时,必须计算铁含量对光谱特性尤其是近红外波段的影响。

为了确保标准科学合理,在满足标准规范的前提下,本文对相关标准要求进行分析,给出相关数据以及相应措施,设计出合理且具有综合成本优势的光伏玻璃成分。

 

2. 太阳光的能量分布与光伏电池量子效率

太阳光的能量主要集中在可见光与近红外区域,光伏电池的量子转换效率随转换材料以及工艺不同而呈现不同,如图1-2所示[1][2]

wps164B.tmp.jpg 

1  太阳光能量分布[1]

wps164C.tmp.jpg 

2  太阳光能量分布与光伏电池量子效率曲线[2]

 

从上面曲线可以看出,对光伏玻璃的光谱特性有相应的要求,除了可见光部分需要高透过外,近红外部分尽可能具有高的透过率,尤其在1100nm以内,这样传递到光伏电池上的能量就会更多,发电效率也就更高。因此,我们在做光伏玻璃的成分设计时,一定要考虑到光伏电池的量子效率特性,使光伏玻璃的光谱特性与之相适应。

 

3. 标准及探讨

3.1. 《太阳电池用玻璃》标准JC/T 2001-2009

国家工业和信息化部于2009124日首次发布了《太阳电池用玻璃》标准JC/T 2001-2009,并于201061日实施。该标准对光伏玻璃的光学性能和铁含量都提出了如下具体要求:

5.4:可见光透射比

太阳电池用玻璃折合3mm标准厚度可见光透射比应≥91.5%

5.5:太阳光直接透射比

300nm-2500nm光谱范围内,太阳电池用玻璃折合3mm标准厚度的太阳光直接透射比应≥91%

5.6:铁含量

太阳电池用玻璃铁含量(Fe2O3)应不高于0.015%

 

3.2. 标准探讨

(1)透射比波长范围

是否可以比照大量使用的光伏电池的量子效率波长范围来作要求,比如:对晶硅太阳能电池可要求380nm-1100nm内的透过率,对薄膜类太阳能电池可在可见光(380nm-780nm)范围内作要求,而太阳光(300nm-2500nm)由于红外波段部分超出光伏电池的量子效率波长范围可以完全不作要求,以便于在满足光伏电池模组要求同时,降低光谱测量仪器的要求以降低测量成本,提高实际可操作性。

(2)铁含量

标准6.6指定的测试方法标准GB/T 1347钠钙硅玻璃化学分析方法,而标准第21.1条给出的Fe2O3的分析结果允许的重复性误差0.01%,如图3所示,是否能够确保测量0.015%以内的Fe2O3含量。

wps165D.tmp.jpg 

3  GB/T 1347标准分析误差要求

 

如果要考察铁含量,是否应该增加测试FeO的含量,因为FeO对近红外的影响远比Fe2O3大。

本文作者认为只要确保光谱透过率符合要求且尽可能高,以确保光电转换效率不受损或者少受损,铁含量的控制无须纳入标准的,否则按照在满足光谱透过率要求的同时不满足铁含量的要求,则意味产品质量不合格。

 

4. 提高透过率的途径

一谈起提高透过率,首先想到的是尽可能使用含铁量低的石英砂,并改善原料加工设备和环境以避免带入更多的铁,保证玻璃高白(高透过),而事实上铁含量的降低究竟对提高透过率的的贡献有多大、降低铁含量的成本代价又是多少,含铁量低的石英砂的供应量又是否能够满足光伏玻璃大规模生产的需要呢?

系统分析一下影响光伏玻璃透过率的因素,无非就是降低对光的吸收能力和减少玻璃对光的反射能力,我们不难得出提高透过率的几个途径

1. 降低铁以及其它影响玻璃颜色的杂质含量,以降低对光的吸收能力;

2. 改善玻璃表面形貌,对压花玻璃,通过使用优化后的花纹形状,减少玻璃对光的反射能力,以提高玻璃的透过率;

3. 对玻璃表面镀减反膜,减少玻璃的反射能力,提高透过率;

4. 降低玻璃的折射率,从根本上降低玻璃的反射能力,以提高透过率玻璃折射率越高,对光的反射能力越强,导致透过玻璃的光就会越少,透过率也就越低,因此我们可以透过对玻璃组成进行优化设计,降低玻璃的折射率来减少反射率以提高透过率。

上述方法12是行业目前通常的做法,受资源和使用成本限制,尤其是低铁石英砂,由于其使用量高达70%以上,对玻璃原料成本影响巨大;方法3由于投资和使用成本以及寿命等原因,不太适合普通应用场景下的光伏玻璃,方法4是本文重点讨论的方法,且方法4的使用可以大量放宽方法1对铁含量的要求。

 

4.1. 铁含量的影响

由于铁的氧化物在自然界存在Fe+2Fe+3多价态,在玻璃中同样如此。玻璃中可能同时存在这2种价态,其含量的多少与熔制玻璃的气氛有关,不同用途的玻璃需要进行不同的工艺控制,以调节铁的价态及其含量占比。

目前国内常见的压花超白光伏玻璃的折射率约1.52,厚度3.2mm,铁含量控制在120ppm-150ppm0.012%-0.015%)左右下面通过使用商业软件CGES(颜色玻璃工程师系统),计算在色温为6500K的光源D6500(类似太阳光)下,340nm-1000nm波长范围内光谱透过率[3],分别讨论Fe+2Fe+3对光伏玻璃的影响程度。

(1)Fe+2FeO含量的影响

FeO对光的吸收能力远远大于Fe2O3,从540nm开始以近乎100%的速度急剧上升,直到1000nm,见图4[3]

wps165E.tmp.jpg 

4  Fe+3Fe+2吸收曲线[3]

我们来看看在其含量对透过率的影响数据,以折射率1.52150ppmFe2O3为例,FeO含量分别为10ppm50ppm100ppm的影响程度,见图5

wps165F.tmp.jpg 

5  FeO340nm-1000nm光谱透过率的影响[4]

5中绿色条是FeO0Fe2O3150ppm时的光谱透过率,相应的透过率曲线见图6

 

wps166F.tmp.png 

6 Fe2O3150ppmFeO0时的光谱透过率[4]

从图5可以看出,随着FeO含量从10ppm50ppm100ppm变化时,玻璃的透过率逐步下降。当Fe2O3150ppmFeO含量为100ppm,其340nm-1000nm光谱透过率曲线见图7。从图7的透过率曲线可以看出,FeO含量达到100ppm时,光谱透过率540nm开始急剧下降,玻璃的透过率在近红外波段下降厉害。

 

wps1670.tmp.png 

7 Fe2O3150ppmFeO100ppm时的光谱透过率

因此,我们在光伏玻璃的熔制生产过程中,一定要有针对性地加强工艺控制,控制FeO的含量接近0,以确保玻璃具有高的光谱透过率性能(该工艺控制方法不在本文的讨论范围)

(2)降低Fe2O3含量和降低玻璃折射率的效果对比

为便于分析对比,现分析3种折射率(1.521.511.50)3Fe2O3含量(1000ppm500ppm100ppm),如表1所示。

1 Fe2O3含量和折射率矩阵表

 

 

 


Fe2O3(ppm)

折射率

1000

500

100

1.5200

91.3786

91.6048

91.7863

1.5100

91.6160

91.8428

92.0248

1.5000

91.8522

92.0795

92.2620

 

作图对比如下:

wps1681.tmp.jpg 

8 Fe2O3含量对透过率的影响

 

wps1682.tmp.jpg 

9:折射率对透过率的影响

2Fe2O3调整量对透过率的贡献值

 


Fe2O3调整量

Fe2O3调整量

折射率

1000ppm降到500ppm

500ppm降到100ppm

1.5200

0.2261

0.1815

1.5100

0.2267

0.1820

1.5000

0.2273

0.1825

 

wps1692.tmp.jpg 

10 Fe2O3含量降低对透过率的贡献值

3:折射率的变化对透过率的贡献值


Fe2O3(ppm)

折射率调整量

1000

500

100

1.52降到1.51

0.2374

0.2380

0.2384

1.51降到1.50

0.2362

0.2367

0.2372

 

wps1693.tmp.jpg 

11 折射率的降低对透过率的贡献值

从上述数据可以看出,折射率降低0.01对透过率的贡献高于Fe2O3降低500ppm的贡献。

限于篇幅,相应的详细计算数据本文未附,需要的可联系作者索取。

 

5. 结论

5.1. 由于光伏发电其能源来源于太阳光,且光伏电池转换材料的量子效率也有其自身的光谱特点,因此光伏玻璃要有与之相适应的光谱特性,在设计该玻璃组成时,需要考虑该组成所形成玻璃的光谱特性,使其满足光伏发电要求。作为标准,建议重点保证380nm-1000nm的光谱透过率。

5.2. 在保证光谱透过率特性的前提下,可以对铁含量不作具体要求;如果要明确要求,希望增加2价铁即FeO的含量控制。

5.3. 在光伏玻璃的实际量产中,严格控制熔炼气氛确保玻璃处于氧化气氛,降低甚至杜绝FeO的含量。

5.4. 为降低玻璃原料成本,减少高纯石英砂的使用量,降低对原料铁含量的要求,可调整优化玻璃的组成设计,以降低玻璃折射率,快速提高玻璃透过率。在满足透过率标准要求的前提下,可以成倍放宽Fe2O3含量要求;折射率降低到1.5时,Fe2O3的含量可以放宽到1000ppm且透过率仍然比折射率1.52Fe2O3含量100ppm下高。

5.5. 对于其它有着光谱以及颜色要求的玻璃,如汽车风挡、保温隔热、显示等玻璃的组成设计,也可以使用该方法去做相应的设计。

 

本文仅从光伏玻璃的光谱特性和铁含量方面对标准以及组成设计进行探讨,以期能够得到关于玻璃组成设计方面的更多讨论,提高我国材料科学水平,不当之处敬请同行提出以作进一步探讨。

 

参考文献

[1].美国测试和材料学会(ASTM)

[2].王文静.太阳电池及应用.化学工业出版社.2013.

[3].袁怡松 吴柏诚 罗红旗.颜色玻璃.轻工业出版社.1976.

[4].厦门灵捷软件有限公司.颜色玻璃工程师系统(CGES).2018.




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