高反射白色釉料的应用概述*

赵田贵 徐和良 黄 骏 章 杰

(江苏拜富科技股份有限公司 江苏 宜兴 214221)

前言

太阳能电池是一种具有光电转换特性的半导体器件，它直接将太阳辐射能转换成直流电，是光伏发电的最基本单元。单体太阳能电池不能直接作为电源使用，作为电源必须将若干单体太阳能电池串、并联连接和严密封装成组件[1]。太阳能电池组件(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分，其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。作为光伏组件背面的“防护墙”，背板是光伏组件的重要组成部分，不仅能起到封装的作用，同时还要保证光伏组件内部电池不受到环境的影响，确保光伏组件25年的使用寿命。传统晶体硅太阳能组件的背板有一定的透水率，透过背板的水汽会使EVA树脂很快分解析出醋酸，从而导致组件内部发生电化学腐蚀，进而增加了出现PID衰减和蜗牛纹发生的概率。为解决这一问题，近年来一些光伏玻璃企业开始研究开发双玻光伏组件，即由两片玻璃(前板玻璃、背板玻璃)和太阳能电池片组成复合层，电池片之间由导线串、并联汇集到引线端所形成的光伏电池组件，其发展应用迅速，特别适用于气候环境比较苛刻的应用场合，尤其是海边、水边和较高湿度地区的光伏电站[2]。为有效提升组件效率，现有技术除使用白色的封装材料(如EVA和POE)之外，还采取在背板玻璃上涂覆白色高反射釉料的措施，这样电池组件的效率可以提高3%～6%，进而可大大降低发生PID衰减的可能性。

1 高反射白色釉料的简介

1.1 什么叫高反射白色釉料

高反射白色釉料是指对可见光具有高反射率的一种玻璃釉料，主要有玻璃熔剂、功能增白粉和调墨油3大部分组成：。将3种物料通过一定的搅拌、研磨、均化而成的产品，在行业中也称玻璃油墨，制备成品的高反射白色釉料(见图1)。

1.2 高反射白色釉料的应用

图1 高反射白色釉料

高反射白色釉料通过丝网印刷在光伏玻璃上，然后通过固化炉(180～220 ℃)将调墨油中有机溶剂挥发，再通过钢化炉(680～720 ℃，90～140 s)钢化，牢牢的附着在玻璃表面上。图2为光伏背板玻璃。白色图案为高反射白色釉料通过丝印钢化后的膜层。

图2 光伏背板玻璃

图3 单块光伏电池组件

图3为单块光伏电池组件。其蓝色部分为电池片，白色部分为高反射白色釉料膜层。图4为太阳能发电基站。由多块电池组件拼接而成。

图4 太阳能发电基站

1.3 高反射白色釉料提高光伏组件发电功率的原理

晶体硅太阳电池组件是由玻璃、EVA、电池片、背板、边框等材料组成，按照玻璃—EVA—电池片—EVA—背板玻璃的顺序封装成“三明治”结构，其结构示意图如图5所示。

图5 电池组件结构示意图

图6 双玻光学示意图

大部分入射光线从前板和背板玻璃照射到电池片上，一小部分从电池片的夹缝中投射到背板玻璃上，如背板玻璃无任何涂层，则光线直接穿透背板玻璃，造成光线的流失。在背板玻璃上涂覆一层高反射白色釉料涂层，则会将从前板穿透的部分光线重新反射到电池片上，从而充分利用光能，电池组件的效率可以提高3%～6%，双玻光学示意图，如图6所示。

2 高反射白色釉料的制备

2.1 玻璃熔剂

玻璃熔剂是釉料重要的部分，主要是由多种无机非金属矿物和化工原料等，按一定比例通过转炉或池窑燃烧、均匀熔融，然后通过水淬冷工艺，研磨成精细粉末。玻璃熔剂对玻璃颜料的耐烤烧温度、耐腐蚀性能、光泽度等有重要影响。高反射白色釉料中玻璃熔剂要求环保无铅，其体系为R2O-ZnO-B2O3-SiO2多元复合体系。其主要作用是釉料经过钢化后形成一层膜层，将功能增白粉粘附在玻璃表面，并具有一定的附着力。玻璃熔剂熔融温度的高低，影响着功能增白粉的添加含量以及附着力，其膨胀系数影响到钢化后背板玻璃的抗冲击性能。

2.2 功能增白粉

市场上通常使用钛白粉作主要原料，钛白粉的折射率最高，其颜料性能指标也较好，所以钛白粉是用量最多的白色色剂。二氧化钛按结晶形态可分为板钛型、锐钛型和金红石型。板钛型很不稳定，温度高于650 ℃时就会直接转化为金红石型，无实际的工业价值，目前工业上实际应用的只有锐钛型和金红石型钛白粉。而锐钛型晶体结构不如金红石型致密，折射率低于金红石型，因而其遮盖力和消色力比金红石型低20%～30%，耐久性也远不如金红石型[3]。金红石型钛白粉制备方法有氯化法和硫酸法，其中氯化法的钛白粉耐候性高于硫酸法。太阳能光伏组件在环境恶劣的情况下，需保证25年的有限期，所以一般选择耐候性更好的氯化法金红石钛白粉[4]。

由于二氧化钛本身具有很强的光化学活性，在阳光特别是紫外线照射下，易发生失活、黄变、粉化等现象，影响了其使用性能。如果在其表面包覆一层无机物和有机物后，犹如形成了一道屏障，不仅能克服上述缺点，而且能提高产品的应用性能，改善其分散性和表面活性，提高抗粉化性、保色性、耐侯性和光化学稳定性。功能增白色粉中还会加入其他合成的粉料，使其白度更高，同时增加稳定性。

2.3 水性调墨油

调墨油由高分子树脂和溶剂组成；助剂包含润湿分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂和固化剂等。在市场上高分子树脂主要是水溶性的丙烯酸树脂或醇酸树脂，其水溶性溶剂为二丙二醇、二乙二醇、三丙二醇和丁醚等。从作用上看，高分子树脂主要是作为载体，在印刷时承载油墨体系于玻璃上，提供附着力，调墨油决定了丝网印刷性能以及和无机粉料的相互适应性，但也会影响油墨的储存性能。

3 高反射白色釉料的主要性能指标

3.1 反射率

物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比，称为反射率。不同物体的反射率也是不同，这主要取决于物体本身的性质(表面状况)，以及入射电磁波的波长和入射角度。光伏玻璃所针对的是可见光的反射率，其波长范围在380～780 nm。光反射有2种类型，一种为镜面反射，另一种为漫反射。光伏玻璃行业所采用的是包含镜面反射的SCI数据，和不包含镜面反射的SCE数据。行业类采用的测量仪器一般是柯尼卡美能达测色仪(CM-2500d、 CM-2600d)，如图7所示。

图7 反射率测试图

影响反射率的因素较多，主要有以下几点：

(1)功能增白粉的种类。不同的白色剂，其折射率不同，导致白度有高低。折射率越高，白度越高，反射率越高。

(2)功能增白粉的含量。其含量越高，反射率越高。其中取决于玻璃熔剂的熔融温度，玻璃熔剂熔融温度越低，颜料中加入的功能增白粉越多，反射率越高；玻璃熔剂熔融温度越高，则反之。

(3)釉料中固含量。调墨油所占釉料中比例越少，则无机粉料比例越高，反射率越高。

(4)釉料在印刷过程中膜层越厚，反射率越高；膜层越薄，反射率越低。一般湿膜层厚度在15～30 μm，通常取决于丝印的工艺参数，包括釉料的粘稠度、印刷速度、刮刀硬度与压力和网间距等。

(5)钢化温度和时间。通常钢化温度过高或时间过长，反射率越低；钢化温度过低或时间过短，反射率越低。这主要是钢化温度过高或时间过长，其膜层烧结的较透，相应光线透过的较多，导致反射率降低。

3.2 附着力

高反射白色釉料通过印刷、钢化处理后粘附在玻璃上，两者接触部分的相互吸引力叫附着力。通常使用百格刀(见图8(a))测试其等级程度，压着刀头划过测试样品，刀头刮起表面膜层(至底材)，再做90°角交叉切割，形成十字形的交叉方格状；在用专用胶带粘贴在划痕处，以稳定的速度(0.5～1.0 s)撕掉，观察其脱落情况。共分为5个等级，切口的边缘完全光滑，格子边缘没有任何剥落，ISO等级：0(见图8(b))。在切口的相交处有小片剥落，划格区内实际破损不超过5% ，ISO等级：1；切口的边缘和/或相交处有被剥落，其面积大于5%，但不到15%，ISO等级：2；沿切口边缘有部分剥落或整大片剥落，或者部分格子被整片剥落。被剥落的面积超过15%，但不到35%，ISO等级：3；切口边缘大片剥落/或者一些方格部分部分或全部剥落，其面积大于划格区的35%，但不超过65%，ISO等级：4；超过上一等级为ISO等级：5；光伏行业内要求钢化后釉料附着力从之前的2级逐步提高到0～1级，主要是由于玻璃在运输过程中，相互摩擦引起釉料膜层的脱落，以及光伏组件安装过程中以免引起的脱落。

图8 附着力测试图

3.3 铅笔硬度

高反射白色釉料的附着力性能和铅笔硬度比较相似，通常其附着力越好，铅笔硬度越好，反之则差。按工业标准，铅笔笔芯的硬度分为13级。从最硬的6H逐级递减经5H、4H、3H、2H、 H，再经软硬适中的HB，然后从B、2B到最软的6B。光伏行业中要求釉料膜层硬度在3H及以上。

3.4 抗冲击性能

高反射白色釉料涂敷在背板玻璃上，通过钢化后，测试其抗冲击性能。将1 040 g钢球从一定的高度自由落体冲击在非釉面玻璃上，高度在600 mm以上不破碎为合格。抗冲击强度主要是超白玻璃与釉料的膨胀系数的差值有关，两者相差越近，其产生的应力越小，抗冲击强度越好；两者相差越大，产生的应力越大，故而施加较小的外力，就会导致镀釉玻璃破碎，抗冲击强度就差。超白玻璃的膨胀系数在8.6×10-6/℃，釉料膨胀系数在(8.3～8.9)×10-6/℃较为合适。由于光伏玻璃钢化是物理钢化，通过一定的风压急冷玻璃，从而达到增强玻璃的强度，所以钢化工艺对玻璃抗冲击性能影响较大。

3.5 耐紫外性能

将试样经受波长在280～385 nm范围的紫外辐射为60 k·Wh·m-2，观察釉料膜层是否发生变化，以及反射率衰减率。釉料的耐紫外性能主要和玻璃熔剂体系以及功能增白粉中钛白粉耐候性有关，氯化法金红石耐候较好，而硫酸法金红石耐候性较差。

3.6 PID性能

电位诱发衰减PID(Potential Induced Degrandation)现象是指在高温高湿的情况下，高电压流经过太阳能电池单元便会导致输出功率下降的现象。其测试条件是组装完好的组件放在温度80 ℃、湿度80%、电压正负1 500 V，测试时间196 h、300 h后，再检测组件发电功率的衰减率小于5%为合格。影响电池组件PID衰减主要是釉料的电导率，其电导率越低，组件PID衰减越小；电导率越大，则反之。

4 高反射白色釉料在丝印应用中出现的问题

由于光伏玻璃尺寸较大，一般长宽厚为2 000 mm×1 000 mm×2 mm(见图9)，所以导致高反射釉料在丝网印刷过程中出现较多的缺陷，会直接影响成品的合格率，丝印缺陷引起的次品占总次品率比较大。 玻璃丝网印刷故障产生的原因是多方面的，涉及丝印网版、刮板、油墨、设备、材料以及操作技术等诸多因素。丝印故障的产生，有单一方面原因，但更多的则是各种原因的交叉影响结果。这是操作者在判定故障原因，采取相应对策时要特别注意的方面。

图9 丝网印刷

4.1 堵版

(1)车间温度、湿度及油墨性质的原因。丝网印刷车间要求保持一定的温度20 ℃左右和相对湿度50%左右，如果温度高，相对湿度低，油墨中的挥发溶剂就会很快地挥发掉，网上油墨的粘度变高，从而堵住网孔。另一点应该注意的是，如果停机时间过长，也会产生堵版现象。

(2)印刷压力的原因。印刷过程中压印力过大，会使刮板弯曲，刮板与丝网印版和承印物不是线接触，而呈面接触，这样每次刮印都不能将油墨刮干净，而留下残余油墨，经过一定时间便会结膜造成糊版。

(3)油墨的原因。在丝网印刷油墨中的颜料及其它固体的颗粒较大时，就容易出现堵住网孔的现象[5]。

4.2 锯齿、毛刺

在玻璃丝网印刷产品中，常出现的问题是印刷墨膜边缘出现锯齿状毛刺(包括残缺或断线)。产生毛刺的原因有很多，但是主要原因在于丝网印版本身质量问题。

(1)感光胶分辨力不高，致使精细线条出现断线或残缺。

(2)曝光时间不足或曝光时间过长，显影不充分，丝网印刷图文边缘就不整齐，出现锯齿状。好的丝网印版，图文的边缘应该是光滑整齐的。

(3)丝网印版表面感光胶涂布不均匀时，进行印刷时，丝网印版与承印物之间仍旧存有间隙，由于油墨悬空渗透，造成印刷墨迹边缘出现毛刺。

(4)印刷过程中，由于版膜接触溶剂后发生膨胀，使得版膜表面出现凹凸不平的现象，印刷时丝网印版与承印物接触面局部出现间隙，油墨悬空渗透，墨膜就会出现毛刺[6]。

4.3 丝网印刷小技巧

(1)刮刀越锐利，印刷越清晰，不易糊版，墨层厚度越薄；刮刀越钝，则反之。

(2)网版目数越大，印刷越清晰，不易产生锯齿状，墨层厚度越薄；网版目数越小，则反之。

(3)如丝网时一条边存在锯齿严重或糊边，而另一条边正常，有可能是回墨刀压力过大，需把回墨刀网上抬，压力减小。

(4)如印刷过快，易造成飞墨，产生缺陷。

(5)刮刀的角度越接近垂直，印刷越清晰，不易糊版，墨层厚度越薄；刮刀倾斜，则反之。

(6)新刮刀需要用磨刀机打磨，且每隔一段时间刮刀就需要打磨平整。因为刮刀会磨损，变形及凹凸不平，极易出现缺陷，导致成品率降低。

(7)为了更好的控制油墨使用时的粘稠度，建议客户使用粘度计测量。即在油墨加入稀释剂，充分搅拌后，使用粘度计测量粘度，尽量使每次正常印刷的油墨，保持一定范围的粘度和流动性。

5 本公司研制的高白反射釉与市场同类产品的对比

江苏拜富科技股份有限公司(以下简称拜富科技)研制的高白反射釉料与市场同类产品的对比，如表1所示。

表1 拜富科技研制的高白反射釉与市场同类产品的对比

6 总结

世界各国都将新能源开发提上国家发展战略层面，其中太阳能是一种绿色能源，人们都在想法设法尽可能地最大化利用太阳能。我国也出台了一系列政策法规刺激太阳能产业的发展，太阳能光伏产业在国内也进入了一个高速的发展阶段。有些企业为了更加充分地利用太阳能，将光伏玻璃组件由单玻组件升级至双玻组件，并在电池板玻璃背面涂覆一层白色釉料，该釉料主要具有与玻璃结合性好、化学稳定性好、白度高和反射率高等性能。当光线进入双玻组件时，使其尽可能的全部反射在电池板上，以达到提高发电效能。