光伏辅材之TCO玻璃简析.docxVIP

一、概述

TCO玻璃即透明导电氧化物镀膜（TransparentConductiveOxides）玻璃，是平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀地镀上一层透明的导电氧化物薄膜。TCO镀膜导电玻璃主要应用于第二带光伏电池碲化镉薄膜电池及第三代光伏电池钙钛矿电池，由于非晶硅薄膜太阳能电池的半导体层几乎没有横向导电性能，必须使用TCO玻璃作为前电级来有效地收集电池电流，所以TCO是钙钛矿电池不可或缺的组成部分。TCO玻璃作为钙钛矿电池的前电级、窗口材料和支撑材料，主要功能为：让大部分太阳光进入吸收层，实现光电转换；利用其导电性作为前电极，收集电池电流；为电池多层膜材料结构提供物理上的机械支撑。TCO玻璃按照导电氧化物的不同主要分为ITO（氧化铟锡）、FTO（掺氟SnO2）、AZO（掺杂铝ZnO）三种；按照镀膜工艺与原片生产是否同步，可分为在线镀膜和离线镀膜工艺，在线镀膜主要应用CVD工艺（化学气相沉积法），离线镀膜主要应用PVD工艺（磁控溅射法）。钙钛矿电池对TCO玻璃的功能需求决定其性能要求，主要性能指标如下：

1.光谱透光

一般要求TCO玻璃的光谱透过率在80%以上，而且因为光伏电池的光谱响应波长范围为400-1200nm，所以要求TCO玻璃具备全光谱透光性，在可响应波段内光透得越多能量转化效率越高。

2.导电率

一般要求方块电阻小于12Ω.cm3，方块电阻越低电阻损失越小，导电性能就越好。

3.雾度

即光线散射能力，一般要求雾度值在11-15%。与普通行业用镀膜玻璃要求膜层雾度越小越好不同，光伏电池需要TCO玻璃具有一定的绒面结构，使光以不同角度散射，增大光在太阳能电池中的光程，从而提高电池的光电转化效率。TCO玻璃的绒面陷光结构的形成，主要有两种方法：一种是溶胶凝胶法、化学气相沉积法等在线镀膜工艺直接镀制带有微观粗糙度的膜层，粗糙度可以通过参数调控（主要是FTO玻璃）；二是离线镀膜工艺镀制膜层后进一步采用酸碱腐蚀法、激光加工法等方法制绒（ITO、AZO玻璃）。

4.耐候性和耐久性

薄膜太阳能电池寿命一般在20年以上，这也要求TCO玻璃有不低于此年限的使用期。

5.均匀性

膜层的性能均匀性主要包括光谱投射率和方块电阻的均匀性，是保障电池输出电压、电流平衡稳定的基本要求。除了钙钛矿外，建筑光伏一体化（BIPV）是薄膜太阳能电池的重要使用场景，对TCO玻璃的表观均匀性（大面积颜色、膜层均匀性等）提出更高的要求，如不得有干涉条纹、膜层云朵等缺陷，如何提高大面积均匀性也是目前TCO玻璃的主要性能瓶颈之一。

6.低成本

光伏产品的最终竞争力评价以单位发电量的综合成本衡量，而CTO玻璃是薄膜电池原材料成本的主要部分（1/3），薄膜电池为了提高竞争力对TCO玻璃有降本增效要求。

二、工艺性能

1.工艺

目前，我国TCO玻璃处于起步阶段，产品生产常用工艺为在线镀膜CVD法，一般选用FTO作为膜层材料。在线镀膜系统复杂，工艺优化和控制难点主要体现在：一是生产良率，产品性能本身存在相互制约关系，膜层性能指标受多项因素影响，同时精准调控多变量才能实现性能最优解；二是生产效率，在保障生产效率前提下较难提高反应气体利用率与膜层均匀性。在线化学气相沉积法（CVD）镀膜一般是在浮法产线锡槽冷端或退火窑前端安装镀膜设备，以连续生产的高温（400~700℃）、洁净、快速拉引的玻璃带为载体，通过原料气体（前驱体）在高温玻璃表面发生化学反应合成镀膜膜层，再经过退火冷却形成质地坚硬的膜层。

在线CVD镀膜优势在于：①物化稳定性好，耐久性耐候性好，热加工性好，高温成膜，膜层原子与玻璃基板形成牢固共价键，黏合为玻璃的一部分，膜层牢固耐用（被称为“硬膜”玻璃），物化性能稳定，使用寿命更长。②镀膜能耗低，直接利用浮法玻璃新鲜洁净的表面和高温环境；③不需要二次加工的搬运、传输、清洗、抽真空等工序，工序步骤较少，节省物理空间和人力成本；

在线CVD镀膜劣势在于：①灵活性较差，直接与连续生产的原片端衔接，镀膜工艺受浮法工艺条件限制，产品种类不如离线镀膜丰富，例如膜层至少要耐400℃以上高温，镀膜原料多选用金属氧化物、半导体材料，并且生产过程中参数无法随时调整；②工艺控制和优化难度大，玻璃带传输速度快，镀膜面积大。TCO膜层性能相互制约，膜层性能相互制约，工艺优化难度较大。例如TCO玻璃透过率、导电性对氧空位、掺杂的要求相互矛盾，二者最优性能不可兼得；又如雾度提高有时会大幅降低透光率，虽然雾度和透过率没有直接对应关系，但雾度提高常常是建立在薄膜膜层增厚而引起表面粗糙度增加的前提下的，而薄膜厚度增厚影响可见光透过率。

2.性能

作为钙钛矿、碲化镉的关键部件，TCO玻璃性能优劣直接影响薄膜太阳能电池光电转化效率以及在BIPV上的应用效果。浮法产线高温环境限制下，TCO玻璃三种薄