魏超，唐梓彭，馮一銘（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

光伏組件背板性能檢測技術(shù)及應(yīng)用分析

魏超，唐梓彭，馮一銘
（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

背板是光伏組件的關(guān)鍵封裝材料，保護(hù)組件內(nèi)部電池片免受環(huán)境中水汽、紫外線、風(fēng)沙等的侵蝕。對光伏組件背板材料的性能檢測項(xiàng)目進(jìn)行了梳理，并結(jié)合實(shí)際檢測案例，探究工程應(yīng)用上，光伏組件質(zhì)量檢測的有效方式及性能評價方法。

光伏組件背板材料；性能檢測；案例分析

0 引言

由于晶體硅材料的自身特性，晶體硅光伏電池組件在戶外運(yùn)行中存在多樣化的故障表現(xiàn)。其中，電勢誘導(dǎo)衰減（P otential I n d uce d D e g ra d ation，PI D）現(xiàn)象是導(dǎo)致組件功率衰減乃至失效的重要故障形式。PI D現(xiàn)象的產(chǎn)生，與晶體硅電池片表面的導(dǎo)電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體污染有關(guān)[1]，而這些帶導(dǎo)電性離子的污染物質(zhì)主要是通過環(huán)境中水汽逐漸侵入組件內(nèi)部，最終導(dǎo)致電池片功率衰減，而環(huán)境中水汽侵入組件內(nèi)部的過程多由組件背板開始。

晶體硅光伏組件背板以有機(jī)材料為主，由于有機(jī)材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)上存在孔隙，導(dǎo)致在潮濕條件下，水汽可不斷侵入組件內(nèi)部。另外，有機(jī)材料易受侵蝕而老化，失去保護(hù)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力，導(dǎo)致組件功率衰減。為增強(qiáng)光伏組件背板耐候性、防透水性，多采用在普通有機(jī)基材兩面復(fù)合含氟塑料薄膜的形式，常見的有T P T（雙面聚氟乙烯P V F薄膜，美國杜邦公司專利，以下稱T膜）、K P K（雙面聚偏二氟乙烯P V D F薄膜，法國Ar k ema公司專利，以下稱K膜）兩類。另外，也有采用如氟碳涂料、高分子柔性背板等技術(shù)[2]。

當(dāng)前，國內(nèi)不少光伏電站均出現(xiàn)了組件PI D現(xiàn)象、背板水解破壞、起包開裂等故障或質(zhì)量問題，其肇因均是背板材料生產(chǎn)質(zhì)量、耐候性能不合格。因此，亟需開發(fā)應(yīng)用于工程方向的組件背板材料檢測技術(shù)，預(yù)防與減少此類組件故障與質(zhì)量問題的發(fā)生。

1 光伏組件背板檢測技術(shù)調(diào)研

1.1 檢測項(xiàng)目

光伏組件長期在戶外運(yùn)行，面臨著多樣化的環(huán)境因素影響，為避免組件性能異?；蛩p，對光伏組件背板的耐候性、力學(xué)性能、透水性、絕緣性等均有較高要求。一般來說，產(chǎn)業(yè)內(nèi)對背板材料的物理與化學(xué)性能檢測包括剝離強(qiáng)度測試、水汽透過率測試、熱收縮率測試、絕緣測試、擊穿電壓測試、最大系統(tǒng)電壓測試、耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環(huán)測試等[3]。

在工程應(yīng)用領(lǐng)域，一方面，工程技術(shù)人員所關(guān)注的多為背板材料物質(zhì)是否達(dá)標(biāo)、材料強(qiáng)度是否合格、材料是否有明顯質(zhì)變等，需要一種快速確定的檢測手段。另一方面，耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環(huán)測試等機(jī)理性檢測項(xiàng)目操作困難，檢測條件苛刻，檢測設(shè)備昂貴，且檢測周期長，不易開展。以濕熱老化測試為例，需在材料溫度或組件溫度為85±2℃、相對濕度85%± 5%的濕熱老化測試設(shè)備中，開展時間超過2500h的持續(xù)實(shí)驗(yàn)[4]。經(jīng)過濕熱老化測試后，背板材料的物質(zhì)通常會產(chǎn)生不同程度的變化，其紅外譜線吸收峰會有相應(yīng)變化[5]，從而通過檢測判斷背板材料耐候性是否達(dá)到技術(shù)要求。

結(jié)合工程應(yīng)用的需求與檢測原理，從外觀表象、物質(zhì)特性以及運(yùn)行后的物性變化等三個方面來進(jìn)行背板性能的檢測最為合適:

（1）外觀與物理特性檢測:檢查背板是否存在劃傷、起包、剝離、開裂等現(xiàn)象，直觀判斷背板狀態(tài)。也包括背板厚度、層間粘結(jié)力、表面光澤度等物理性檢測。現(xiàn)階段，多數(shù)工程項(xiàng)目在光伏組件的技術(shù)協(xié)議中會對背板材料的厚度做一定要求，但對其他方面則未做考慮。

（2）紅外光譜檢測:判斷光伏組件背板材料的物質(zhì)特性。主要用于判定組件背板材料是否含氟或物質(zhì)特性是否符合要求。當(dāng)組件長期運(yùn)行后，也可用于檢測組件背板材料是否發(fā)生嚴(yán)重質(zhì)變，判斷其失效與否。目前，優(yōu)質(zhì)背板材料一般以T膜、K膜為主，通?？捎门c標(biāo)準(zhǔn)材料對比的方式，檢測樣品材料的紅外譜線是否與標(biāo)準(zhǔn)材料的譜線相符或接近。

（3）黃變程度檢測:判斷光伏組件在長期運(yùn)行后，背板材料的黃變老化程度，結(jié)合外觀檢查與紅外光譜檢測，分析材料是否失效。一般采用同組樣品對比的方式，可于工程現(xiàn)場直接開展。

1.2 檢測技術(shù)調(diào)研

背板材料的檢測方法是物理檢測與化學(xué)檢驗(yàn)的綜合方法，在工程應(yīng)用上往往難以做到實(shí)驗(yàn)室級別的細(xì)致分析，因此檢測技術(shù)應(yīng)以快速、準(zhǔn)確為原則。

（1）背板外觀檢測的方式以目視為主，老化、水解或破壞的背板表像明顯，可以快速識別，在此不做過多闡述。

（2）背板材料物理特性檢測需使用測厚儀、切片機(jī)、拉力測試儀乃至顯微設(shè)備等。通常需將樣品裁剪與層間分裂，并在顯微設(shè)備下做觀察。檢測原理簡單，但程序較為復(fù)雜，更適于作為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢測項(xiàng)目。

（3）背板材料光澤程度檢測可使用材料光澤度儀檢測。光澤度是在一組幾何規(guī)定條件下對材料表面反射光的能力進(jìn)行評價的物理量，具有方向選擇的反射性質(zhì)。光澤度儀器的測量部件由發(fā)射器和接受器組成，發(fā)射器由白熾光源和一組透鏡組成，按一定要求產(chǎn)生入射光束。接受器由透鏡和光敏元件組成，用于接受從樣品表面反射回來的錐體光束。對于檢測樣品，儀器通過判斷反射光束的角度，并與國際參照標(biāo)準(zhǔn)對比，得到被檢樣品的表面光澤度數(shù)值。

在檢測中，光澤度檢測主要用于檢測樣品材料表面光澤度與標(biāo)準(zhǔn)材料的差別，用于材料對比，而光澤度值本身與背板材料的性能無必然關(guān)聯(lián)。

（4）背板材料的紅外光譜檢測主要采用傅里葉紅外光譜測試儀。其工作原理是接收物質(zhì)發(fā)出的特性紅外光，通過一系列光學(xué)部件處理，將物質(zhì)發(fā)出的紅外光分裂為兩束，并認(rèn)為產(chǎn)生光程差，導(dǎo)致光束間產(chǎn)生干涉，再對干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換，從而獲得物質(zhì)特性的紅外光譜，再開展對比研究。

（5）背板材料黃變程度檢測旨在對背板材料的白度值在較長時間跨度內(nèi)，受環(huán)境各類因素影響下的變化情況進(jìn)行檢測。可采用色差儀開展檢測。色差儀主要檢測物質(zhì)材料的明度L、色調(diào)a以及彩度b。ΔL表示明度的差異，當(dāng)ΔL為正時表明其較樣品而言偏白，當(dāng)ΔL為負(fù)時，表明其較樣品而言較黑；Δa表示色調(diào)的差異，當(dāng)Δa為正時表明其偏紅，當(dāng)Δa為負(fù)時表明其偏綠；Δb表示彩度的差異，當(dāng)Δb為正時表明其偏黃，當(dāng)Δb為負(fù)時表明其偏藍(lán)。色差儀向使用人員反饋檢測樣品的L、a、b值差異，從而表征材料的性質(zhì)變化。

對組件背板材料，一般以白度為判別依據(jù)，即不考慮外界污跡的情況下，材料無性質(zhì)改變的背板，ΔL應(yīng)接近于1，而Δb應(yīng)接近于0，表示背板未老化變黃。

2 檢測案例分析

選擇了國內(nèi)某品牌背板樣品進(jìn)行了檢測分析，主要包括厚度測量、表面光澤度測量、拉伸試驗(yàn)、材料分析、紅外光譜檢測等。檢測結(jié)果與Are k ma公司的P V D F氟膜（以下稱標(biāo)準(zhǔn)K膜）進(jìn)行了對比。

（1）使用光澤度儀對樣品切片表面的光澤度進(jìn)行測量，設(shè)定測試儀入射光的角度為60°，共取三份切片各測量一次。從測試結(jié)果來看，樣品外層膜光澤度較低，平均測量光澤度值為25.5，偏向啞光，與標(biāo)準(zhǔn)K膜表面光澤度值59.4相差較大。見表1。

表1 樣品光澤度測試結(jié)果

圖1 樣品截面顯微圖像

（2）使用切片機(jī)將背板樣品切片邊緣切齊平整后，在光學(xué)顯微鏡下觀察其截面，并用光學(xué)顯微鏡量測標(biāo)示出樣品的各層厚度，從截面分析看出，樣品結(jié)構(gòu)類似K P E，即單面氟膜結(jié)構(gòu)。背板總厚度350μm，基材P E T層厚度255μm，外層K膜厚度22μm，內(nèi)層熱塑性E膜厚度60μm，而層間膠水厚度僅為4-6μm。圖1為樣品截面的顯微圖像。

（3）厚度測量完成后，使用拉力測試儀進(jìn)行背板層間剝離強(qiáng)度測試。先將背板樣品切片裁切為3個寬度為10mm小條，再用美工刀將外層膜和中間層P E T初步分離，將剝離開來的外層膜一端固定在拉力測試儀的上端，將剩下背板部分用雙面膠粘貼在鋼板上，再將貼有背板的鋼板固定在拉力測試儀的下端（保證其按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行180°剝離），設(shè)定好拉力測試儀的相關(guān)參數(shù)，拉伸速度為100mm/min，拉伸距離為50mm。依次測試記錄3個小條樣品的剝離強(qiáng)度值，得到三個樣品的層間剝離力分別為4.92N/cm，4.9N/cm，4.96N/cm，均大于4N/10mm的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。見表2。

表2 樣品剝離強(qiáng)度測試結(jié)果

圖2 樣品剝離強(qiáng)度測量圖像

（4）使用D S C測試儀對背板樣品進(jìn)行D S C差示掃描分析（熔點(diǎn)測量），并使用顯微鏡對表面進(jìn)行放大觀察，將測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)K膜進(jìn)行比對。從外觀來看，樣品外層膜偏向采用流延法制備，與標(biāo)準(zhǔn)K膜產(chǎn)品采用的吹塑法制品存在明顯差異，在500倍放大倍數(shù)下，樣品外層膜與標(biāo)準(zhǔn)K膜產(chǎn)品存在明顯差異。將背板樣品表面用酒精進(jìn)行擦拭干凈后，先放入烘箱干燥（條件: 100℃，30min）,再用電子天平稱取10m g，放入D S C儀器的鋁坩堝中進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，樣品外層膜的熔點(diǎn)約為166.7℃，與P V D F材質(zhì)的熔點(diǎn)167.0℃較為接近。圖3為樣品表層顯微觀察圖像，圖4為樣品D S C差示量熱掃描分析圖像。

（5）采用傅立葉紅外光譜儀，對樣品的外層進(jìn)行紅外圖譜掃描。先將樣品進(jìn)行清潔干燥（條件:100℃，30min），再將樣品放入測試平臺測試紅外譜圖，并與標(biāo)準(zhǔn)K膜進(jìn)行紅外圖譜比對，如圖5所示，其中上端第一條譜線為樣品譜線，第二條為標(biāo)準(zhǔn)K膜譜線，其余為其他的參考樣品譜線。樣品與標(biāo)準(zhǔn)K膜的紅外圖譜有一定程度的相似性，樣品外層膜屬P V D F膜（K膜）范疇，但在性能上可能與標(biāo)準(zhǔn)K膜存在差距。

（6）因樣品直接取自成品組件，且尚未經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，故背板的水汽透過率測試、濕熱測試和黃變等檢測項(xiàng)目在此未涉及。

圖3 樣品表層顯微觀察圖像a）樣品外層膜b）Ar k ema氟膜

圖4 樣品D S C差示量熱掃描分析圖像

圖5 樣品紅外圖譜掃描

3 結(jié)語

在技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過檢測手段，對國內(nèi)某品牌光伏組件背板材料開展了分析研究。通過關(guān)鍵項(xiàng)目的檢測，確認(rèn)背板樣品確定為K P E結(jié)構(gòu)，非雙面氟膜結(jié)構(gòu)，樣品外層氟膜為P V D F形式，但與Ar k ema公司的標(biāo)準(zhǔn)K型氟膜存在差別。另外，樣品層間膠水厚度較薄，易導(dǎo)致運(yùn)行中的老化后脫。

如檢測案例中的背板樣品，其部分性能指標(biāo)存在不足，可能在運(yùn)行過程中出現(xiàn)背板失效的風(fēng)險，并引起組件功率衰減等問題。因此產(chǎn)生的成本投入、電量損失等將對電站的整體效益產(chǎn)生不利影響。

在工程應(yīng)用中，引入光伏組件背板檢測技術(shù)，能夠預(yù)防采用了缺陷或不達(dá)標(biāo)背板材料的組件流入電站，并在組件持續(xù)運(yùn)行的全生命周期內(nèi)開展周期化檢測，及時診斷背板狀態(tài)，避免問題組件長期影響光伏陣列的正常發(fā)電。同時，將光伏組件背板性能的檢測納入到組件質(zhì)量管理體系中，能夠更好的規(guī)范生產(chǎn)商的生產(chǎn)行為，有利于提高光伏組件產(chǎn)品性能水平，完善光伏產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量監(jiān)督體系。

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[5]張曉東，劉鑫，馮江濤，等.光伏組件背板的濕熱老化行為研究[J].太陽能，2012，（9）:29-31.

Performance Test Technology for Photovoltaic Backsheet Materials and Its Application Analysis

WEI Chao，TANG Zi-peng，F(xiàn)ENG Yi-ming
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Ph oto v oltaic b ac k sh eet i s an enca ps ulatin g material f or ph oto v oltaic mo d ule s.B ac k sh eet s p rotect ph oto v oltaic cell s f rom t h e h arm o f t h e en v ironment，s uc h a s t h e moi s ture，t h e ultra v iolet ray or t h e w in d.A f ter s ummari z in g common te s t item s f or ph oto v oltaic b ac k sh eet material s.T h i s p a p er in v e s ti g ate d an e ff ecti v e w ay o f p er f ormance te s t an d e v aluatin g met h o d f or ph oto v oltaic b ac k sh eet material s in en g ineerin g a pp lication.B a s in g on t h e re s ult s o f in v e s ti g ation，an actual ca s e analy s i s w a s p re s ente d.

ph oto v oltaic b ac k sh eet material s；p er f ormance te s t；ca s e analy s i s

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.009

TM615

B

2095-3429（2017）03-0033-04

2017-04-01

修回日期：2017-06-12

魏超（1985-），男，湖北人，博士，中級工程師，主要從事新能源工程技術(shù)研究、光伏及風(fēng)電質(zhì)量監(jiān)督及性能檢測等工作。