2020年中國光伏技術發展報告
—— 晶體硅太陽電池研究進展(11)

中國可再生能源學會光伏專業委員會

(中國可再生能源學會，北京 100190)

背板內層的失效模式主要是不耐UV輻照；背板中間層的失效原因主要是不耐水解和UV輻照，導致背板開裂及分層；背板外層的失效模式主要是不耐UV輻照、濕熱，導致背板粉化、開裂。背板開裂代表其絕緣性能失效，易引發漏電、電弧、火災等安全事故，甚至造成人員與財產損失；此外，背板開裂也會增大背板的水汽透過率，導致光伏組件內部電路被腐蝕，若長久使用此種背板，光伏組件將喪失發電性能，其內部電路也會因氧化嚴重而被破壞，光伏組件壽命就此終止。

背板發生脫層現象與其內層和EVA之間的粘結力有關，此現象發生后會在EVA和背板之間形成一個新的空氣層，在EVA/空氣界面反射率會增加；另外，脫層會導致濕氣聚集在脫層區域，從而進一步擴大脫層區域，加速水、氧的進入和積累，導致醋酸的生成，最終發生金屬柵線氧化、腐蝕等現象。背板的內層開裂一般是因膠粘劑易水解老化導致的。背板材料間的復合工藝不一，由于光伏組件長期在戶外受濕熱、溫度等綜合因素的影響，背板粘結層的膠粘劑易發生水解，從而導致氟膜與PET基板發生層間剝離，這會導致濕氣聚集在開裂區域；同時，開裂區域也會成為濕氣快速進入光伏組件的通道，造成背面金屬柵線的腐蝕失效。傳統觀念認為，黃變現象的發生與背板的內層和外層抗UV輻照特性相關，紫外光的照射導致背板層的分子組成部分被破壞，背板的整體性能下降；同時，背板的反射率降低，影響了光伏組件的整體功率輸出。從性能方面來看，背板外層主要起到耐候(紫外，溫、濕度，冷、熱應力，化學品腐蝕，風沙磨損等)和方便接線盒與邊框粘結的作用?？傮w來看，背板材料的選擇需充分考慮項目地的沙塵、濕度、光照、溫度和鹽霧等不同自然環境因素的影響，同時其還受成本、市場和技術等多種因素的限制，單一的背板類型很難滿足上述所有環境應用條件，因此針對應用區域的氣候條件差異來選擇背板，更有助于保證光伏組件的穩定運行及可靠性。比如，沙漠地區的地面溫度最高可達60～80 ℃，晝夜溫差可達50 ℃，紫外線輻照量大，25年的輻照量可達275 kWh/m2，風沙大且氣候干燥，因此該區域應用的背板需具備更好的散熱性、耐紫外光輻照性、耐風沙磨損性和耐溫差性，而通用的標準背板測得的耐紫外輻照量為150 kWh/m2，并不能滿足沙漠地區的要求，在選擇時應加大背板的耐紫外及相關測試；熱帶潮濕地區如東南沿海區域，夏季溫度較高、全年降雨充分、濕度大、鹽霧侵蝕概率高，此區域應用的背板應滿足更低的水汽透過率、更好的耐水解性和耐鹽霧性能，在選擇時應加大背板材料的水汽阻隔性能、耐濕熱性能和耐鹽霧能力的測試；高寒地區的年均氣溫低、冬季漫長、最低溫度可達-50 ℃、降雪量大，此區域應用的背板應具有更好的耐濕凍性能，在選擇時應加大這方面性能的測試。另外，根據背板用途的不同，其應用的區域也不同。比如，高耐候型背板主要應用于高紫外線地區，如中國西部沙漠、高原等太陽輻射量較大的區域；高阻隔型背板主要應用于水上光伏電站或潮濕海洋地區，如東南沿海地區；高透光型背板主要應用于農光互補型光伏電站，可增加農作物吸收的太陽光；彩色背板主要應用于對環境協調性要求嚴格的分布式光伏電站；高散熱型背板主要應用于家庭屋頂光伏電站，防止因背板受熱而引起的組件熱斑問題；CTM(電池轉化組件)增益型背板和電性能增益型背板主要應用于想提高光伏組件發電效率的電站領域，主要原理是通過提高對太陽光的利用率和降低組件發熱量來實現發電量增益。

8.4.6 材料和工藝的技術發展趨勢

背板起著保護組件內部免受濕氣、高溫、酸腐蝕和其他惡劣條件沖擊的作用。雙玻光伏組件的增加將使聚合物背板的市場增長率有所放緩，而且根據2018年國際光伏技術路線圖(ITRPV 2018)的預測，到2028年，約60%的光伏組件生產將基于玻璃背板技術。

ITRPV 2018的數據顯示，Tedlar-Polyester-Tedlar(TPT)在2017年占據了全球市場的最大份額，但杜邦和其他幾家背板制造商對此數據存在爭議。雖然ITRPV 2018預測，在可預見的未來TPT仍將是主流的背板技術，但業界的聲音一致認為，需要新的技術來滿足預期的光伏成本降低的需求。為此，多家公司推出了新的工藝和材料組合，并有望在這個競爭激烈的市場中獲得一定的市場份額。IHS Markit預測，隨著新材料的滲透，如新的氟化物和非氟化物背板產品，基于Tedlar的背板的市場份額將略有下降。

正是在技術進步和成本下降的需求下，出現了據稱具有優異水汽阻隔、良好醋酸滲透性和較高反射率的新工藝和新材料。在這些新材料中，聚烯烴(PO) 引起了廣泛的關注，ITRPV 2018預測，在2028年其將占據20%以上的市場份額，而2017年這一比例不足3%。荷蘭帝斯曼公司開發的APO背板采用了具有優異水汽阻隔性能的PO材料作為基材，搭配抗UV性能優異的PA12，使用共擠工藝一體成型，這種背板不但具有優異的耐候性能，而且消除了傳統工藝帶來的層間剝離的風險。Isovoltaic Solinex公司也推出了共擠聚丙烯背板，名為“ICOSolar CPO 3G”。PO因具有很強的水汽阻隔性能和很高的乙酸滲透性，引起了光伏組件制造商的廣泛興趣。然而，對于其他背板材料，制造商仍在不斷創新，其中一些材料具有可多年使用的優勢，且性能有數據支持，因為在光伏制造業中，風險規避是一個關鍵問題。

PET在光伏電站應用中也會出現變黃和開裂現象。AGFA公司一直在對這種材料進行創新，比如在對PET進行擠壓成膜時采用其專利涂覆技術在PET的表面進行改性，從而將背板的所有功能集中到1個單層膜中，也就是單層背板。

蘇州賽伍公司針對PET在耐UV輻照、水汽、風沙、化學物等方面侵蝕性較差的缺點，開發了一種由聚合物制作的背板中間層—— α膜來取代PET中間層。該膜是由PO樹脂、聚酯樹脂和無機填料組成，希望通過較薄的背板實現較低的水汽透過率。

此外，各個背板制造商也致力于提高其產品質量。普遍關注的是增加在面向EVA面背板的反射率，在這個界面，一部分光從前表面入射在背板上再反射回玻璃上，然后又反射回太陽電池表面，完成整個內反射過程，增加了光的吸收。這種光管理的提高可使光伏組件功率增加0.5%。另外，目前也出現了要求背板可支撐1500 V光伏系統電壓的要求。隨著雙面太陽電池技術在太陽電池制造業中的增長，背板制造商不得不進入到有競爭力的透明背板產品中。一些公司已有透明背板產品，比如杜邦、福斯特、中來新材、回天、Krempel等公司。然而，這種雙面光伏組件的份額非常小，且變化速度也非?？?，現在光伏組件制造商貌似更愿意為其雙面技術采用雙玻方案。

說服制造商和投資者相信未經證實的背板材料或新結構并非易事，特別是考慮到更長PPA和終身保修的趨勢越來越明顯。因此，背板制造商現在更專注于測試標準，希望為客戶提供一套令人信服的產品性能數據。在背板測試方面，IEC標準是針對不同的光伏組件均采用標準的測試方法，包括UV、濕熱和熱循環測試，但是由于真實的戶外環境中是多個應力同時發生，因此單一的應力因素不能模擬真實的室外老化機制，對于很多材料而言，需要施加多個應力因素去觸發老化機制。杜邦公司和中聚公司各自設計了一種新的加速測試流程(即“組件加速序列老化測試”)來進行光伏組件的加速系列測試。這套測試方法是模擬真實環境，結合并重復多次老化應力，如紫外、濕熱、水汽和熱循環，以匹配在光伏發電現場中可遇到的所有類型的氣候條件或所有不同應用狀況中觀察到的老化現象。

為了能夠模擬背板在光伏電站中的老化情況，杜邦公司已開始采用組件加速序列老化測試，并宣稱與傳統測試方法相比，該種測試能更準確地預測光伏組件材料的長期性能，其預測結果與在現場觀察到的情況大部分一致。

中聚公司在杜邦公司的組件加速序列老化測試的基礎上加大了紫外、水汽及濕凍測試，以確保背板在高溫、高濕、高紫外等極端環境中的安全使用。

8.5 封裝材料(EVA/POE)

晶體硅光伏組件使用的密封材料主要是乙烯-醋酸乙烯脂共聚物(EVA)，但從2019年開始，隨著雙面PERC太陽電池的增加及雙玻光伏組件的出現，發現使用帶鋁邊框的雙玻PERC光伏組件的背面會出現PID衰減，這要求封裝材料的阻水性能需要進一步加強，因此阻水性能更強的POE膠膜開始受到市場的重視。

EVA的性能對光伏組件的使用壽命及發電特性的影響較大。EVA樹脂是一種熱塑性高分子材料，為線性分子結構的高聚物，耐熱性差、易延展而彈性差、抗蠕變性差，易產生熱脹冷縮，導致太陽電池碎裂。乙烯和醋酸乙烯脂這2個單體分子的化學鍵合使聚合分子具有2個單體分子的混合特性，例如乙烯單體的聚合分子鏈會結晶形成脆性的塑料，而當這種乙烯與醋酸乙烯脂共聚合時，會降低聚合物的結晶性，通過不同的化學配比可改變共聚物的各種特性以適合實際應用，這些特性包括玻璃態轉化溫度、熔點、延展性等。

典型的EVA組分中，醋酸乙烯脂的質量分數在2%～40%之間，醋酸乙烯脂的含量越低，EVA會越硬越脆。光伏行業應用的EVA中，醋酸乙烯脂的質量分數為33%。

EVA是一種熱熔性塑料，一旦溫度達到其熔點后就變會成流體。在上世紀70年代晚期太陽電池行業尋找封裝材料時，當時的EVA的熔點為70 ℃，而此溫度屬于太陽電池的應用溫度范圍，因此無法被行業所接受。此外，聚合物的結晶特性降低了其透光性，研究人員開始嘗試在其中加入過氧化物添加劑，在工藝過程中，這種過氧化物添加劑可以使聚合物發生膠聯形成三維結構的分子，一旦膠聯發生，在后續的使用過程中就會阻止聚合物分子的再結晶。但不幸的是，這種膠聯劑是后續使用中(因此也是可靠性測試中)導致EVA化學不穩定性的原因。如杜邦公司的一款EVA材料Elvax150中采用Lupersol 101,2,5-二甲基-2,5-雙(過氧化叔丁基)己烷作為交聯劑，在低的紫外輻照和熱循環測試后EVA發生了黃變，并且在熱循環測試后光伏組件還會產生氣泡。這2種情況都與Lupersol 101的不穩定性有關，有證據顯示，Lupersol 101在退火過程中會產生乙烯和乙烷氣體。如今Lupersol 101已從絕大多數的商用EVA中去除，以更穩定的過氧化物添加劑取代。

EVA中也含有紫外穩定劑以提高其室外壽命。Pern及其合作者發現紫外吸收劑的缺乏與EVA著色有關，若缺乏Cyassorb UV531(一種UV吸收劑)和Tinuvin770(一種UV穩定劑)，EVA會發生黃變；若完全去除紫外穩定劑，黃色會變成褐色[37-38]。大量的研究認為，著色與在EVA聯狀分子中形成的著色基團有關，而著色與鏈狀烯烴有關，這種鏈狀烯烴可描述為沿聚合分子骨架生成的烯鏈(C=C)[39]。受阻胺(含量0.1%～0.2%)和苯酚亞磷酸脂(含量0.1%～0.2%)作為光穩定劑，其功能就是分解交聯劑的自由基團，以達到光穩定的作用[40]。

關于EVA黃變對光伏組件性能是否存在影響眾說紛紜，但在高溫及太陽輻射最強的地區黃變的可能性很大。蓋板玻璃對紫外線的透過有直接影響，摻入鈰會明顯降低UV-B(280～320 nm)段的紫外光透過率，這對EVA黃變有明顯的降低作用。除黃變之外，紫外輻照對EVA的力學特性也有影響。經過一種環境試驗(60 ℃，60%相對濕度，2.5×UV suns)100 h后不摻鈰玻璃封裝的EVA的切應力從10 MPa降至3 MPa，而摻鈰玻璃的則要1000 h后才能達到這個水平。

為了有效電絕緣并很好地密封光伏組件內部的電學部件，要使周圍環境中浸入的潮氣降到最低水平。由于內部電學部件的腐蝕是由水汽與EVA合成醋酸所致，因此襯底及背板的水汽透過率應降至最低。

在EVA膠膜方面，國內外封裝材料主要生產商紛紛以抗PID或抗蝸牛紋作為各自產品的賣點。同時，具有高反射效果的白色EVA膠膜逐漸成熟，不少公司推出了具有不同特色的高反射膠膜方案，并獲得了市場的初步認可。

韓國SKC公司推出了多款新型EVA封裝材料，包括超快層壓EVA、高透紫EVA、高阻紫EVA、高透光EVA、高反光EVA、白色EVA。該公司推出的新型封裝材料POE膜具有如下更優異的特性：1)非常好的與玻璃和TPT粘結的特性(>100 N/cm)；2)低水汽透過率，水汽透過率小于4.0 g/(m2?d)，而常規EVA的為30 g(/m2?d)；3)非常好的組件長期可靠性；4)高抗PID特性(ρ>1016Ω?cm)，常規EVA的為1015Ω?cm量級；5)不產生酸性物質。

目前，國內外眾多廠家已開始在太陽電池的前后封裝時采用不同的組合來提高光伏組件的STM，比如高透光EVA(電池前)/低透光EVA(電池后)，高透紫EVA(電池前)/低透紫EVA(電池后 )。

此外，為提高光伏組件CTM，一些材料公司開發出了具有特種散射光的EVA。在SNEC展會上，日本東洋鋁公司開發出了前反射EVA(FRS)和背反射EVA(HRS)。FRS可使太陽電池前表面金屬電極上的反射光在EVA與前玻璃界面被再次反射回來；而HRS會使透射到前、后EVA界面上的光反射回前玻璃的表面，以便再反射回來。

2018年出現了雙面PERC太陽電池，這種電池在背表面也使用了柵線結構，因此有部分Al2O3/SiNx膜未被Al金屬電極覆蓋。實驗中發現，這種雙面太陽電池在制備成帶有邊框的雙玻光伏組件后，會發生組件背表面PID失效的問題。其機理是在外加正電壓的驅動下，背板玻璃上的Na+會透過封裝材料(EVA)進入背鈍化膜，在Al2O3膜與硅之間累積，從而減弱背表面負電荷的場鈍化效果，導致鈍化損失。為了阻斷Na+在封裝膠膜中的傳輸，需要使封裝膠膜具有更好的阻水性和電絕緣特性。試驗結果發現，傳統的EVA已無法達到該效果，因此，研究人員提出使用新型的封裝材料POE來取代EVA。

POE是聚烯烴彈性體，陶氏化學公司推出了其采用POE材料的ENGAGETMPV產品。通過實驗驗證，POE膜比傳統EVA膜在阻水特性、電阻率方面都有很大的提升。在阻水特性方面，雙玻光伏組件在經過38 ℃和100 RH處理之后，使用POE膜的光伏組件的水汽透過率為3.3 g/(m2?d)，而使用傳統EVA膜的光伏組件的水汽透過率則為34 g/(m2?d)；在電阻率方面，POE膜比EVA膜要高2～3個數量級。陶氏化學公司使用POE膜的雙玻光伏組件的PID實驗明顯優于全部使用傳統EVA膜的光伏組件。

杭州福斯特公司設計的雙玻PERC光伏組件正表面使用EVA、背表面使用POE，既保證了正表面的高透光性，又保證了背表面有足夠的抗PID特性，但必須使POE與EVA具有相近的層壓特性，因此該公司推出的TE4POE具有與常規EVA膜近似的交聯特性。此外，福斯特公司也驗證了其POE膜具有比EVA膜更好的玻璃粘接特性。

盡管PERC太陽電池在2019年的市場份額為70%，但雙玻光伏組件的市場份額較低，因此2019年仍是EVA膜占據市場的90%，POE膜只占7%，而其他用在特殊光伏組件中的封裝材料PVB(聚乙烯醇縮丁醛)和TPU(熱塑聚氨脂)的總市場份額僅占3%。2018年中國光伏組件封裝材料的市場份額中，仍是福斯特占據最大的市場份額(50%)，海優威公司以15%位列第2。

9 結語

2019年是中國光伏產業技術更新非常快的一年，PERC太陽電池占據了70%的市場份額，而多晶硅BSF太陽電池的市場份額僅占30%，已面臨市場淘汰。p型單晶硅片和PERC太陽電池的產能出現了巨幅擴張，且PERC太陽電池的價格經歷了大幅下降，目前該太陽電池的產線平均光電轉換效率在22%～22.5%之間。

當PERC太陽電池技術剛成為主流技術時，新的更高效的太陽電池技術——TOPCon太陽電池技術和HJT太陽電池技術就已經等在后面了。TOPCon太陽電池技術與PERC太陽電池產線的兼容性很高，但工藝相對復雜，效率和成本也更高，競爭性要看太陽電池技術的性價比，目前TOPCon太陽電池技術在性價比方面還不具有競爭力。而HJT太陽電池在產線設備方面與PERC太陽電池不兼容，但其光電轉換效率具有一定優勢，并且2019年已經找到了進一步提升效率的明確技術路線，預計2020年其可將產線平均光電轉換效率提升至24%，而這是PERC和TOPCon太陽電池很難做到的。目前，降低成本是HJT太陽電池技術的主要問題。

考慮到技術兼容性，擁有PERC太陽電池生產線的企業更偏好接受TOPCon太陽電池技術，因為這樣可以延續其已有生產線的壽命；而從其他行業新進入光伏制造業的企業則更偏好建設HJT太陽電池生產線。而且由于HJT太陽電池具有對于傳統p型同質結太陽電池來說顛覆性的技術特點，使投資者更看好HJT太陽電池技術的發展。

光伏組件制造端的技術進步是漸進的，2019年主要是消化PERC太陽電池升級時產生的各種問題，且光伏組件生產技術的國產化替代已全面完成，全自動化、全智能化的光伏組件生產技術正在迅速普及。

大硅片的使用可以降低太陽電池的制造成本，但并不會提升電池的光電轉換效率，因此在一定范圍內增大尺寸是可以的?，F有生產線所能兼容的硅片尺寸范圍的上限是166 mm，210 mm的大硅片則需要產業鏈上各個環節的設備、工藝都重新開發，成本巨大，挑戰也非常大。另外，過于繁雜的太陽電池尺寸體系并不利于光伏發電系統終端的應用，因此光伏產業需要統一太陽電池的尺寸規格。與其說尺寸問題是一種技術問題，不如說這是一種行業標準問題，也是一種行業生態問題。