張銀環(huán)，姜 倩，唐蘭蘭

(青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽能電力分公司，陜西西安 710100)

光伏建筑一體化作為零能耗建筑及綠色建筑的重要發(fā)展方向之一，光伏輕質(zhì)柔性組件在保證高效率的同時(shí)，具備與建筑高度融合、安裝更為靈活的特性，因此在建筑一體化場(chǎng)景應(yīng)用中，輕質(zhì)柔性組件將各種優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)的淋漓盡致。但目前市場(chǎng)上柔性組件類型較多，尤其在前板材料的選擇和搭配設(shè)計(jì)上大多采取多層結(jié)合方式，不僅增加生產(chǎn)工藝流程和生產(chǎn)成本，同時(shí)也增加產(chǎn)品可靠性脫層風(fēng)險(xiǎn)等問題。在此背景下，柔性形態(tài)終端產(chǎn)品不斷推陳出新，產(chǎn)品柔性形態(tài)趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)一體透明前板材料（以下簡(jiǎn)稱一體板），但還缺乏規(guī)?；膶?shí)際考證，因此亟需對(duì)一體板作為前板材料應(yīng)用在柔性組件上的可靠性進(jìn)行分析與研究。

柔性光伏組件是一種無玻璃的產(chǎn)品，前板材料普遍采用雙面含氟材料以保護(hù)太陽能電池組件，柔性一體板是一種雙面含氟有機(jī)高分子聚合物材料，其結(jié)構(gòu)與涂覆+復(fù)合型透明背板相同，它與常規(guī)含氟型透明背板的區(qū)別在于支撐層為加厚PET，厚度可達(dá)500μm以上，能起到良好的支撐和耐候作用，柔性一體板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 柔性一體板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of flexible one-piece panel

1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文主要以柔性一體板作為分析材料，研究柔性一體板與常規(guī)雙面含氟涂覆型透明背板的雙層粘合結(jié)構(gòu)板（以下簡(jiǎn)稱疊加結(jié)構(gòu)板）的關(guān)鍵性能差異，同時(shí)對(duì)兩種柔性組件前板材料搭配IBC電池封裝方案進(jìn)行對(duì)比分析，探討柔性一體板材料封裝的可行性及兩種封裝方案下的優(yōu)劣特點(diǎn)，并進(jìn)一步研究搭配不同膠膜類型對(duì)光伏組件產(chǎn)品封裝的可靠性影響。

2 關(guān)鍵材料性能分析

光伏組件應(yīng)用于戶外，組件需要承受長(zhǎng)期的風(fēng)吹、日曬、雨淋等氣候環(huán)境影響，前板作為光伏組件的關(guān)鍵封裝材料，對(duì)光伏組件性能和使用壽命具有重要影響，前板應(yīng)具備良好的透光率和抗紫外等耐候特性外，還需提供一定的機(jī)械強(qiáng)度，如抗冰雹沖擊等特殊環(huán)境下的能力。

2.1 初始透光率

在光伏組件中，前板材料的選擇對(duì)組件的性能和效率有著重要的影響，前板材料需要具備較高的透光率，以增加光伏組件的發(fā)電量，前板材料的透光率越高，進(jìn)入組件內(nèi)部的光線越多，組件發(fā)電的效率越高。根據(jù)圖2所示，柔性一體板的透光率為85.27%，疊加結(jié)構(gòu)板透光率為81.52%，一體板透光率相比疊加結(jié)構(gòu)板的透光率高3.75%。

圖2 兩種封裝材料的初始透光率Fig.2 Initial light transmittance of two encapsulation materials

2.2 紫外阻隔性

太陽光中的紫外線對(duì)材料的破壞性不言而喻，紫外阻隔率表征了材料的抗紫外能力，它是影響材料作為空氣面的最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，紫外阻隔率越高,說明材料抵御太陽光中的紫外線越強(qiáng)。通常紫外阻隔率是采用紫外光度計(jì)測(cè)定材料在紫外波長(zhǎng)280～400 nm的波段下的透光率計(jì)算而來，柔性一體板與疊加結(jié)構(gòu)板兩種封裝材料的紫外阻隔率如圖3所示。

圖3 兩種封裝材料的紫外阻隔率Fig.3 UV blocking ratio of two encapsulation materials

由圖3可以看出，通過對(duì)兩種封裝前板材料的紫外阻隔率測(cè)試，疊加結(jié)構(gòu)板的紫外阻隔率稍加優(yōu)于一體板。在柔性光伏組件使用的前板材料中，組成結(jié)構(gòu)中除了氟材料外，含有中間支撐層材料，其紫外阻隔率大小主要取決于氟材料的厚度，氟材料厚度的增加能降低其紫外透過率，增加紫外阻隔性[1]。疊加結(jié)構(gòu)板由于是多層含氟背板粘合而成，含氟厚度理論上高于一體板材料，因此也驗(yàn)證了疊層結(jié)構(gòu)板的紫外阻隔性較高的原因。

2.3 水氣阻隔性

眾所周知，目前市場(chǎng)上的HJT、鈣鈦礦、IBC等光伏新型電池對(duì)水氣較為敏感,使用高分子聚合物材料封裝的防水性能至關(guān)重要，水氣阻隔特性對(duì)保護(hù)太陽能電池有著關(guān)鍵作用。當(dāng)蓋板材料阻隔水氣的性能不良，空氣中的濕氣在疊加高溫條件下，將使更多的水氣透過蓋板材料表面滲透進(jìn)入組件內(nèi)部，影響膠膜的粘結(jié)性能并導(dǎo)致電池片被氧化風(fēng)險(xiǎn)。采用紅外法對(duì)比了常溫、高溫下兩種封裝前板材料的水氣透過率，試驗(yàn)條件溫度分別為38℃和60℃，濕度均為90%，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下兩種封裝前板材料的水氣透過率Fig.4 Water vapor transmission rate of two packaging front panel materials at different temperatures

結(jié)果表明，兩種封裝前板材料的水氣透過率在常溫下差異不明顯，在高溫下均有上升，疊加結(jié)構(gòu)板水氣阻隔能力優(yōu)于一體板，除材料厚度是影響因素外，這是由于溫度對(duì)塑料薄膜的分子結(jié)構(gòu)有影響，溫度升高使樹脂的結(jié)晶度和定向度降低、分子間距拉大、密度降低，從而使塑料薄膜材料的阻隔性能降低。

2.4 耐熱特性

隨著全球氣候的變暖，光伏組件的安裝范圍擴(kuò)大，極端高溫的氣候條件可能隨時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)，隨著組件功率的不斷提高，組件的熱斑溫度也隨之增高，基于以上，作為有機(jī)高分子透明前板材料的耐溫性是必須考慮的可靠性風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

將兩種封裝前板材料裁切為5cm×5cm大小樣品各6個(gè)，分別在150～200 ℃的溫度下，烘烤各5h，烘烤前后樣品的外觀如圖5所示。

圖5 兩種封裝材料的耐溫對(duì)比Fig.5 Comparison of the temperature resistance of two encapsulation materials

實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，一方面，疊加結(jié)構(gòu)板材料的黃變比一體板高，從疊加結(jié)構(gòu)板分析，這一現(xiàn)象主要與疊加結(jié)構(gòu)板自身材料和粘合層有關(guān)。圖6對(duì)比了疊加結(jié)構(gòu)板與不含粘合層的單層板耐熱能力，實(shí)驗(yàn)表明單層板材料在高溫下的黃變并不明顯，由此說明產(chǎn)生的黃變主要由粘合層引發(fā)，在多層粘合結(jié)構(gòu)中材料發(fā)黃程度取決于黃變大的材料。另一方面，一體板材料彎曲度大，在溫度190℃時(shí)出現(xiàn)表面復(fù)合結(jié)構(gòu)層氟材料卷曲現(xiàn)象，說明高溫條件下一體板材料自身脫層的風(fēng)險(xiǎn)高。

圖6 疊加結(jié)構(gòu)板與單層板的耐溫對(duì)比Fig.6 Comparison of temperature resistance of laminated structural panels and single-layer panels

2.5 耐老化能力

不同氣候地區(qū)光伏組件的衰減和材料老化有一定差異和規(guī)律，尤其對(duì)于亞熱、熱帶和溫帶等不同氣候類型，及荒漠干旱、高原、沿海等多個(gè)地理特征的地區(qū)而言，影響更加明顯，在眾多環(huán)境因素中，對(duì)有機(jī)高分子材料的老化有重要影響的因素為溫度、濕度和紫外光照。

2.5.1 抗?jié)駸崮芰?/p>

濕熱老化是評(píng)價(jià)高分子材料在高溫、高濕環(huán)境下耐老化性能的有效方法，通常采取PCT加速老化試驗(yàn)箱，試驗(yàn)方法是將樣品放置在溫度121℃、濕度為100%的環(huán)境中，分別進(jìn)行24、48、72 h老化試驗(yàn)，老化后對(duì)比性能和形貌，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 濕熱老化后兩種封裝材料透光率衰減和黃變指數(shù)Fig.7 Light transmittance decay and yellowing index of two packaging materials after damp heat aging

圖8 兩種材料濕熱老化后形貌Fig.8 Shape of the two materials after hygrothermal aging

經(jīng)測(cè)試，濕熱老化后兩種封裝材料的透光率衰減和黃變均隨老化時(shí)間增大。一體板的性能衰減較疊加結(jié)構(gòu)板的更低。在PCT 48h后疊加結(jié)構(gòu)板中間出現(xiàn)類似氣泡現(xiàn)象，通過顯微鏡觀測(cè)表面有凹陷，可能原因?yàn)榀B加結(jié)構(gòu)板由多層材料組成，水氣富集界面中導(dǎo)致材料降解破裂，由此表明一體板抗?jié)駸崂匣芰?yōu)于疊加結(jié)構(gòu)材料。

2.5.2 抗紫外能力

眾所周知，紫外線具有較短的波長(zhǎng)和較高的能量，對(duì)高分子材料具有很強(qiáng)的破壞性，柔性組件正面一般采用有機(jī)背板或復(fù)合材料封裝，這些材料在戶外的老化通常是在紫外線、溫度共同作用下發(fā)生，因此在選擇封裝材料時(shí)紫外老化測(cè)試是必不可少的一項(xiàng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)，材料溫度范圍控制在60±5 ℃，紫外波長(zhǎng)范圍為280～400 nm，分別以UV 80、140、200、260、320 kWh/m2的輻照劑量照射兩種封裝材料的空氣面。

2.5.2.1 紫外老化后透光率

作為組件正面材料要求具有良好的透光率，根據(jù)圖9所示，隨著UV輻照劑量的增大，兩種封裝材料的透光率變化并不明顯，但仍為一體板的透光率優(yōu)于疊加結(jié)構(gòu)板。

圖9 兩種封裝材料紫外老化后透光率對(duì)比Fig 9 Comparison of the light transmission of the two encapsulation materials after UV aging

2.5.2.2 紫外老化后黃變

高分子材料在老化過程中通常會(huì)伴隨顏色的改變，色差的變化可在一定程度上反映材料的老化狀況，其主要是通過材料的黃變指標(biāo)進(jìn)行衡量，黃變?cè)酱蟛牧系睦匣矫黠@。圖10顯示了兩種封裝材料在持續(xù)至UV輻照劑量320kWh/m2后的黃變變化良好，ΔYI值均在3以內(nèi)。

圖10 兩種封裝材料紫外老化后黃變對(duì)比Fig.10 Comparison of the yellowing of two packaging materials after UV aging

通過以上測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著紫外劑量的增加，在經(jīng)過UV 320kWh/m2的紫外輻照下，兩種含氟柔性光伏組件用前板封裝材料均具有良好抗紫外性能，黃變?chǔ)I＜3，表明材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)老化未有明顯變化。含氟聚合物之所以具有不同于其他材料的特殊性能，是因?yàn)榉拥囊?，在有機(jī)化合物中所含的氟原子越多，C-F鍵的鍵長(zhǎng)越短，鍵能越大，對(duì)于在戶外使用的有機(jī)化合物，當(dāng)其吸收了一個(gè)能量大于其化學(xué)鍵鍵能的光子時(shí)，便可以造成斷鍵，從而使化合物遭到破壞。含氟背板材料中含有C-F鍵是有機(jī)化合物共價(jià)鍵中鍵能最大的，C-F鍵能是485kJ/mol，紫外光UVA和UVB波段為280～400 nm，280nm的波長(zhǎng)的能量為427.4kJ/mol，所以在可見光到紫外光范圍內(nèi)造成C-F鍵破壞的可能性極小，這也是含氟化合物具有優(yōu)異的耐候性的原因[2]。

3 兩種封裝材料組件性能分析

3.1 功率分析

分別采用柔性一體板和疊加結(jié)構(gòu)板制備相同的柔性組件，使用光伏組件功率測(cè)試儀測(cè)試組件功率，對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 兩種封裝材料的組件功率對(duì)比Table 1 Comparison of module power of two encapsulation materials

通過測(cè)試，一體板封裝組件比疊加結(jié)構(gòu)前板封裝的組件功率高7.68W，主要原因與一體板材料具有更高的透光率密切相關(guān)。

3.2 組件抗老化能力

目前組件的封裝主要以EVA、POE膠膜為主，為了驗(yàn)證兩種膠膜搭配不同結(jié)構(gòu)柔性前板的可靠性，采用疊加結(jié)構(gòu)板、一體板制備層壓件，分別以雙EVA、雙POE、前EVA+后POE、前POE+后EVA混搭方式與兩種封裝前板材料搭配，進(jìn)行HAST 24h、HAST 48h和HAST 72h濕熱老化試驗(yàn)，試驗(yàn)前后層壓件的EL圖如圖11和圖12所示。

圖11 疊加結(jié)構(gòu)板搭配不同膠膜濕熱老化后EL圖Fig.11 EL diagram of stacked structural panels with different adhesive films after hygrothermal aging

圖12 一體板搭配不同膠膜濕熱老化后EL圖Fig.12 EL diagram of one-piece board with different adhesive films after damp heat aging

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種封裝材料采用雙EVA搭配濕熱后的EL圖變化最為明顯，均有局部發(fā)黑現(xiàn)象，主要原因是EVA的透水率大，降低了對(duì)電池片的保護(hù)，最優(yōu)搭配為雙POE。柔性組件是一種無玻璃的組件，為保證柔性組件的可靠性，目前選擇膠膜封裝仍以POE更為可靠。

3.3 組件抗沖擊能力

冰雹天氣作為自然災(zāi)害的一種，其發(fā)生的頻率較高，多集中在春夏季，據(jù)了解中國是冰雹災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家之一，為了充分考量柔性組件抵御極端氣候下應(yīng)力的承受能力，分別采用兩種封裝材料制備相同的2塊組件，按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61215使用直徑25mm冰球，以23m/s的速度沖擊組件表面[3]，測(cè)試組件功率,結(jié)果如圖13所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種封裝材料組件的功率衰減表現(xiàn)均較低，都可滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61215對(duì)功率衰減的要求。

圖13 兩種封裝材料組件冰雹后的功率衰減Fig.13 Power attenuation of two packaging material components after hail

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)柔性一體板材料和目前市場(chǎng)上使用的疊加結(jié)構(gòu)板，從關(guān)鍵性能進(jìn)行分析并搭配IBC電池制備層壓件、組件對(duì)其可靠性評(píng)估，形成如下結(jié)論。

（1）柔性一體板相比疊加結(jié)構(gòu)板在透光率和耐老化性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，對(duì)組件的功率輸出和可靠性更高。在耐機(jī)械沖擊受力方面，一體板與疊加結(jié)構(gòu)板制備的組件功率衰減均較低，滿足IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)要求。在耐熱方面，疊加結(jié)構(gòu)板受熱后的平整度高但黃變較大，主要與中間粘合層有關(guān)，柔性一體板因復(fù)合結(jié)構(gòu)特性高溫下易出現(xiàn)表層材料卷曲，整體彎曲度大。

（2）柔性一體板與疊加結(jié)構(gòu)板常溫下的水氣透過率差異不大，高溫下兩種前板封裝材料水氣透過率均有增大，但水氣透過率可控，疊加結(jié)構(gòu)板的阻水能力稍加優(yōu)于柔性一體板。

（3）從兩種封裝材料搭配不同的膠膜應(yīng)用效果看，在濕熱條件下，兩種封裝材料制備的層壓件采用雙EVA封裝均會(huì)出現(xiàn)電池片局部發(fā)黑現(xiàn)象，產(chǎn)品出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更高，其主要原因與EVA水透大直接相關(guān)，最優(yōu)搭配以雙POE表現(xiàn)明顯，為保證柔性組件可靠性，建議以雙POE封裝為主。

綜上，涂覆+復(fù)合型柔性一體板材料的優(yōu)勢(shì)明顯，目前最大的可靠性風(fēng)險(xiǎn)在于表層材料受熱后卷曲脫層，為規(guī)避表面缺陷問題可在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，如設(shè)計(jì)涂覆結(jié)構(gòu)一體板材料并搭配雙POE膠膜，以達(dá)到組件更高可靠性。