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光伏用TCO玻璃:特性指标与太阳电池密切相关

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于薄膜太阳电池的飞速发展,使目前光伏用TCO玻璃在市场上变得非常紧俏。光伏TCO玻璃的特性指标与太阳电池的输出特性密切相关,对透光率、厚度、导电能力等指标都要求苛刻,生产技术门槛较高,前几年TCO玻璃工艺主要掌握在国外公司手中,目前,国内企业已突破技术难关。低铁超白类 应用最广的太阳玻璃是低铁含量、高透光率玻璃,俗称超白玻璃,又称高透明玻璃、无色玻璃、低铁玻璃。

光伏用TCO玻璃:特性指标与太阳电池密切相关

光伏玻璃主要是指用于太阳能光伏发电和太阳能光热组件的封装或面板玻璃。用于太阳能光伏发电组件的光伏玻璃又分为晶体硅太阳电池组件用和薄膜太阳电池组件用两类,前者主要是使用超白压延玻璃,而后者主要是使用超白浮法玻璃。薄膜太阳电池组件是用两块玻璃将电池夹在一起的,有面板玻璃与底玻璃之分,两者的要求是不一样的。直接接受阳光照射的是面板玻璃,面板玻璃也称为衬底、基体、基板、盖板,薄膜太阳电池是直接做在面板玻璃上的,做好后再压上一块玻璃作底,两块玻璃之间涂上胶,经过热压,使两块玻璃牢固粘接,将电池封住,空气不能进入。面板玻璃直接接受太阳光的照射和进入,太阳电池能接收多少太阳光,第一道关就取决于面板玻璃。

1.薄膜太阳电池面板玻璃的要求

1)对太阳光的透过率要高,吸收率、反射率要低。

2)有较高的机械强度及硬度,能经受得起风压、积雪、冰雹热应力、小石子等外力的侵袭。

3)在雨水和弱酸弱碱环境中,对有害气体有一定的耐腐蚀性能。

4)长期暴露在大气和阳光下,性能不会发生严重衰退。

5)膨胀系统与相结合材料匹配。

最早用的太阳玻璃是普通的窗玻璃、钠玻璃、硼硅玻璃(耐温600℃)、钠钙玻璃、钢化玻璃等,随着技术的进步,人们发现这些玻璃做底玻璃是可以的,做面板玻璃就不能适合要求了,因其在透过率、吸收率、反射率方面不能满足电池组件高效率的要求。

2.太阳玻璃的分类

太阳玻璃分为三种类型:厚度类、镀膜类及低铁超白类。

(1)厚度类 厚度类的厚度范围一般有三种:

1)普通薄板玻璃厚2~7.5mm用于各种太阳电池的衬底。

2)超薄平板玻璃厚0.1~1.5mm,用于太阳能发电反射的玻璃镜、太阳电池的玻璃盖板(罩)以及电子工业的平面显示器基板等。

3)无碱极超薄玻璃厚度≤0.1mm,用于太空太阳电池玻璃罩(玻璃盖玻片),也是电子工业各种平面显示器用基片。

(2)镀膜类 镀膜类主要是指TCO玻璃(Transparent Conductive Oxide Glass,透明导电氧化物薄膜玻璃)。TCO玻璃是在平板玻璃表面通过物理化学镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜。物理法就是在玻璃成形中,通过喷涂工艺,直接在玻璃表面在线镀膜,物理法与化学法相比,其生产成本大幅降低,产品质量稳定。TCO玻璃被用作太阳能薄膜电池的前电极,同时起面板作用。由于薄膜太阳电池的飞速发展,使目前光伏用TCO玻璃在市场上变得非常紧俏。随着国内BIPV的推广,非晶硅技术和CIGS技术的进一步成熟,国内薄膜太阳电池将面临新一轮的高速发展时期,TCO玻璃的国内市场空间也相当可观。

光伏TCO玻璃的特性指标与太阳电池的输出特性密切相关,对透光率、厚度、导电能力等指标都要求苛刻,生产技术门槛较高,前几年TCO玻璃工艺主要掌握在国外公司手中,目前,国内企业已突破技术难关。

(3)低铁超白类 应用最广的太阳玻璃是低铁含量、高透光率玻璃,俗称超白玻璃,又称高透明玻璃、无色玻璃、低铁玻璃。薄膜面板光伏玻璃是在超白玻璃上镀TCO膜。超白玻璃是玻璃产品中最高档的品种,透光率高达92%以上,作为太阳能光热、光电转换系统的面板,可以提高光电转换效率。

超白玻璃产品主要应用于太阳电池、电子产品、高档建筑的内外装修、高档轿车玻璃、高档园艺建筑、高档玻璃家具、各种仿水晶制品等行业。

3.超白玻璃概况

超白玻璃要求含铁量低。铁是在玻璃制造过程中,由原料本身、耐火材料或金属材质的生产设备等引入的,不可能完全避免。太阳玻璃的硅质原料中含铁量(Fe2O3)一般在(140~150)×10-4%,是作为杂质存在的。铁杂质的存在,一方面使玻璃着色,另一方面增大玻璃的吸热率,也就降低了玻璃的透光率。目前,太阳电池玻璃的铁含量在0.008%~0.02%之间。

超白玻璃的生产工艺主要有浮法和压延法两种,分别称为低铁超白浮法玻璃及低铁超白压延玻璃,生产工艺不同导致两种玻璃的用途不同。低铁超白浮法玻璃反射率较高,要经过一定的处理才能达到面板玻璃的要求。超白压延玻璃是晶硅电池所用的盖板玻璃,其铁含量较普通浮法玻璃低很多,阳光透射率可达90%~92%。因此,低铁超白浮法玻璃作面板玻璃成本略高,有条件应当选用低铁超白压延玻璃作为面板玻璃。(www.xing528.com)

超白玻璃处于太阳电池产业链上游,世界上最早采用透明平板玻璃作衬底应用于太阳电池的是德国,当初德国科技人员将这种板状的太阳电池作为窗玻璃安装在建筑物上,它可将摄取的电能直接供住户使用,多余的电能输入电网。这种最初的太阳电池玻璃的开发利用,不久被美国、日本及欧洲一些工业发达国家所重视,他们迅速研发,加快了太阳低铁、超白太阳玻璃的应用步伐。

生产低铁太阳玻璃最早由美国福特公司玻璃厂研制成功。该公司生产低铁太阳玻璃的工艺措施是:

1)在配合料中完全去除(确保玻璃颜色一致的)红粉(即Fe2O3)。

2)选择含铁量低的硅质原料,从源头上降低铁的含量。

3)减少或除去外界掺入的机械铁,因这些外来铁是通过称量和混合过程而进入窑炉熔制的。

4)在配合料中尽量少用还原剂,而利用氧化剂,因此公司为了制取低铁的太阳玻璃,在配合料中去除煤粉(还原剂),稍增加一些芒硝用量,并相应降低纯碱用量。从原料的制备起控制含铁量,一般要求原料中的Fe2O3不超过0.015%,为了避免原料成分的波动,从原料品位、粒度、水分、仓储、运输等各个环节制定质量控制目标。

美国福特公司玻璃厂采用上述工艺措施利用浮法玻璃熔窑拉制生产了90000m2高透过率的低铁浮法玻璃,用于Pasto(巴斯脱)的10MW太阳能电站,成功获得高的效率。该公司所生产的90000m2低铁太阳能浮法玻璃,厚度约为3mm,光透过率为89.3%。

如今,美国PPG公司已可生产透过率高达92%以上的低铁太阳能用浮法玻璃。该公司技术人员采取一系列切实有效的工艺措施,使玻璃原料中的Fe2O3含量低于英国皮尔金顿公司含量,现今PPG生产的低铁浮法玻璃Fe2O3含量仅为0.0063%,玻璃白透。法国圣戈班集团是超白玻璃的主要生产商,占有世界浮法玻璃六成以上的市场,以Saint-GobainGlass Vision系统著称;其他如英国的皮尔金顿、日本的旭硝子、比利时的Glaverbel也生产质量优异的低铁超白太阳玻璃。

4.我国太阳玻璃产业概况

(1)产能全球第一 随着近几年太阳电池行业的高速发展,我国已连续多年成为全球最大的光伏组件生产国,2010年为8GW左右,超过全球总产量的50%。2011年国内晶硅电池产量达到10GW,薄膜电池产量达到2GW,预计2014年全球薄膜电池产量将达到9.5GW。太阳电池行业的发展带动了我国太阳玻璃市场的极大增长。太阳玻璃由于科技含量高,生产难度大,因此价格不菲,是普通玻璃的5~10倍,但是成本只不过是普通玻璃2~3倍,具有较高的附加值。2006年以前,我国光伏玻璃的市场主要被国外几大玻璃公司垄断,形成了高额的垄断利润。

近年来,我国太阳玻璃生产企业不断创新,打破了国外技术和产品对我国市场的垄断,从根本上满足了我国太阳能产业对超白玻璃的高品质要求和大规模市场需求,极大地提升了我国太阳能光伏组件产品的国际竞争力。太阳玻璃产量每年以40%~60%的速度增长,2010年我国太阳玻璃实际年产能约2500万m2,产能已经跃居世界第一位,世界太阳玻璃制造工厂也已逐步转移到中国,在核心技术层面,我国已与欧、美等发达国家站在同一水平线上。我国生产的很多光伏玻璃还出口到世界各地。例如,台玻福建光伏玻璃有限公司出口量较多,每月出口光伏玻璃超过100个货柜,预计可增至600个货柜。其他光伏玻璃企业也以各种形式加强外贸工作,每年约有35%的产品销往世界各地。由于薄膜电池的转化效率各不相同,以主流的非晶硅为计算依据,折合每平方米的电池标称功率为50W,也就是说,每50W的电池将使用1m2的TCO玻璃。2011年我国光伏玻璃产量1.3亿m2以上(其中,国内0.9亿m2,出口4000万m2)。

我国技术较成熟的厂家有10多家,主要厂商包括浙江福莱特玻璃镜业股份有限公司信义玻璃控股有限公司、中国南玻集团股份有限公司等,其所占市场份额超过一半。国内重要的平板玻璃生产企业都先后进入太阳玻璃领域东莞南玻绿色能源产业园建有我国最大规模的太阳超白玻璃生产线。在太阳电池封装玻璃方面,信义玻璃控股有限公司拥有两条光伏玻璃生产线;上海福莱特玻璃有限公司拥有两条超白压花玻璃生产线。据中国建筑材料联合会统计,2010年我国新增浮法玻璃生产线34条,增加浮法玻璃生产能力1.3亿重量箱,增加生产线数量和生产能力都是历年之最。截至2011年3月,我国光伏玻璃生产线达到41条,年产能约13560万m2,单条生产线的生产能力为250~500t/d。青岛金晶玻璃集团目前已形成年产防眩高透高强光伏玻璃600万m2的能力;彩虹集团投资建设的彩虹光伏玻璃项目,年产3.2mm规格钢化太阳能光伏玻璃502.6万m2。方兴科技集团股份有限公司生产的ITO导电膜玻璃为国家级高新技术产品。

我国完整的太阳能光伏产业链已经形成。以中国南玻集团股份有限公司为例,其完整的太阳能光伏产业链包括7.9万t/年的超白压延玻璃、1500t/年的多晶硅、25MW的太阳能光伏电池,目前超白压延玻璃和太阳能光伏电池都已经投产,2009年多晶硅达产率为30%~40%,产量为500~600t。

光电-建筑一体化的玻璃幕墙已成为当今世界建筑业与太阳能利用相结合的发展大趋势,光电玻璃幕墙正展示出其投资价值与魅力。根据规划,“十二五”期间单位GDP能耗将下降17.3%,“十三五”期间单位GDP能耗将下降16.6%,这给今后光伏玻璃的大规模使用奠定了坚实基础。

(2)标准制定 我国首个太阳能行业标准《太阳电池用玻璃》,已在全国建筑用玻璃标准化技术委员会组织召开的太阳电池玻璃行业标准审查会议上获得通过,标准的内容主要涉及太阳玻璃的术语和定义、材料、技术要求、外观质量、试验方法、检验规则以及包装、标志、运输和贮存等方面的质量要求。标准中所说的材料方面,太阳电池用玻璃可以使用钢化或非钢化的压花玻璃和浮法玻璃。该标准还提出,太阳电池玻璃含铁量不得大于0.015%,可见光透射比大于或等于91.5%,太阳光直接透射比大于或等于91.0%。该标准针对太阳能玻璃用硅砂的低铁特征,首先全面分析了铁在硅砂中的状态,并对太阳玻璃用硅砂的除铁提纯工艺做了较详细的阐述,包括洗矿脱泥、擦洗、重选、磁选、浮选、酸浸等。该行业标准将寻求提升到更高的平台,力争成为国家标准。2011年4月,《太阳能光伏用减反射膜玻璃》行业标准已由中华人民共和国工业和信息化部正式批准立项,2012年6月组织召开了审查会。

(3)存在的问题

1)超白玻璃占薄膜电池组件总成本的20%~30%,太阳能产品价格几年内会降到火电水平,即薄膜电池组件总成本减少2/3,如考虑到玻璃价格保持稳定,这相当于电池总成本中玻璃的因素将增加2倍多,超白玻璃将占薄膜电池总成本的45%~75%,组件生产厂商是难以接受的。

2)国内企业面临产能增长过快、行业竞争加剧、部分技术难关尚未突破等问题,行业的波动性使超高的利润率无法长期延续。

3)国家淘汰玻璃落后产能的力度将进一步加大,淘汰力度可能远远超过前市场预期的700万重量箱,如果浮法玻璃占比提高到90%左右的话,将需要淘汰掉3500万~4000万重量箱的格法玻璃和平拉玻璃产能。

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