新型輕質柔性光伏組件的制備及其性能研究

郭永剛，李媛媛，左 燕，盧 博，楊增英

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

1 背景

隨著“雙碳”目標的確定及整縣推進的開展，分布式屋頂光伏席卷中國，尤以第三方投資模式的工廠屋頂光伏電站裝機量最大。而在東部發達地區，由于土地資源有限，無法提供空曠場地安裝集中式光伏發電組件，在此背景下，在分布式電站中，傳統的玻璃封裝組件一直為首選，但是傳統玻璃封裝組件導致樓宇屋頂承壓過重，支架安裝破壞原有房屋結構，這些痼疾多年來也一直阻礙著分布式光伏的進一步推廣。所謂輕質柔性組件，是一種重量更輕、厚度更薄且柔韌性更佳的新型組件，可以直接黏貼于輕荷載和曲面屋頂上，不需要支架或者其他安裝系統。對于輕質柔性組件，最早的是由薄膜電池制作的柔性組件，近幾年隨著晶體硅技術的發展及封裝材料的改進，新型高效的晶體硅輕質柔性組件也開始慢慢步入市場。

本文主要基于高效IBC 電池（如圖1 所示），利用其高效、美觀、低衰減等特性［1］，更適合于建筑一體化應用，采用兩種封裝方案制作輕質柔性組件，對兩種封裝方案進行對比分析。

圖1 IBC 電池結構圖與實物圖Fig.1 Structure diagram and physical diagram of IBC cell

2 研究內容

晶體硅輕質柔性組件的工藝難點主要在于前板柔性封裝材料的選用及生產過程中的質量控制，以滿足輕質、柔性及低隱裂的需求。目前替代玻璃制作輕質柔性組件的前板封裝材料一般選用高分子含氟材料，之所以選用高分子含氟材料，是因為光伏組件主要應用在戶外，紫外線等對封裝膠膜及電池片有損害，需要使用材料加以保護，由于氟元素的電負性最大，原子半徑很小且形成的C-F 鍵短，鍵能大，F 原子和全氟基團對主鏈起保護作用，所以含氟高分子材料具有耐熱、耐高溫、抗紫外、耐磨等諸多優點［2］，可以滿足光伏組件戶用應用條件。高分子材料的結構示意圖如圖2 所示。

圖2 含氟高分子材料的結構示意圖Fig.2 Structure diagram of fluorine-containing polymer material

下文主要基于兩種封裝方案進行分析與討論：一種是ETFE（乙烯- 四氟乙烯共聚物），ETFE 膜材的厚度通常在0.05～0.25 mm，隨著厚度的增加, 膜材將更硬更脆,難以加工，在制作輕質柔性組件時，由于其厚度較薄，一般需要搭配玻纖復合材料作為襯底［3］；一種是采用含氟透明前板，由強化PET 芯材和含氟薄膜構成，含氟薄膜一般選用PVDF 薄膜。

2.1 兩種封裝方案材料性能對比

2.1.1 兩種封裝材料初始透光率對比

根據圖3 透光率測試結果，含氟透明前板的透光率為85.16%，ETFE+ 復合材料的透光率為80.09%。ETFE+ 復合材料的透光率相比含氟透明背板的透光率約低5.07%。

圖3 兩種封裝材料透光率Fig. 3 Light transmittance of two packaging materials

2.1.2 兩種封裝材料紫外老化后對比

由于輕質柔性組件前板材料一般選用含氟高分子材料，其抗紫外性能相比常規組件用玻璃要低，所以其抗紫外性能是主要評價之一。采用溫度60℃，波長范圍為280～400 nm，分別以UV 30、60、90、120、150、180、210、240、270、300 kWh/m2的輻照量照射ETFE+ 復合材料及含氟透明前板，進行以下對比測試分析。

2.1.2.1 表面黃變程度

經測試（如圖4 所示），ETFE+ 復合材料經過紫外老化測試后發黃嚴重，經對樣品分析，主要是復合材料發生黃變，由于復合材料的主要成份為玻纖預浸布，雖ETFE 自身具有很好的抗紫外性能，但是其紫外阻隔能力不夠，紫外線穿透ETFE 薄膜導致下層的玻纖預浸布發黃，300kWh/m2測試后黃變指數ΔYI 為6，發黃現象嚴重。含氟透明背板在經過300kWh/m2測試后表現較好，黃變指數ΔYI 在3 以內。

圖4 兩種封裝材料紫外老化后黃變程度對比Fig. 4 Comparison of yellowing degree of two packaging materials after UV aging

2.1.2.2 機械性能變化

經測試（如圖5 所示），ETFE+ 復合材料由于采用玻纖預浸布作為基底，強度較高，初始拉伸強度己達到500MPa，經過300kWh/m2紫外老化測試后機械性能仍能保持在400 MPa 以上。含氟透明前板相比ETFE+ 復合材料拉伸強度較低，初始拉伸強度為180MPa，經過300kWh/m2紫外老化測試后拉伸強度為140MPa。

圖5 兩種封裝材料紫外老化后機械性能對比Fig. 5 Comparison of mechanical properties of two packaging materials after UV aging

2.1.2.3 水汽透過率變化

采用紅外測試法，在溫度(38±2)℃、濕度100% 的條件下測試不同紫外劑量后的水汽透光率，水汽透過率兩種材料差異不明顯，測試數據接近，結果如圖6 所示。

圖6 兩種封裝材料紫外老化后水汽透過率對比Fig. 6 Comparison of water vapor transmittance of two packaging materials after UV aging

2.1.2.4 微觀結構變化

采用掃描電鏡對ETFE+復合材料、含氟透明前板兩種材料經300kWh/m2老化后的微觀結構進行對比，結果如圖7 所示。經觀察，含氟透明前板的斷面緊密平整，ETFE+ 復合材料的斷面出現分層，可能由于紫外老化后復合材料中的玻纖出現斷裂造成［4］。

圖7 兩種封裝材料紫外老化后微觀結構Fig. 7 Microstructure of two kinds of packaging materials after UV aging

2.2 兩種封裝方案組件功率的對比

分別采用ETFE+ 復合材料、含氟透明前板兩種封裝工藝制備2 塊60 片版型輕質柔性組件，在輻照度1000W/m2、溫度25℃、AM 1.5 的測試條件下［5］，使用功率測試儀測試功率數據，對比其表1 功率數據發現，ETFE+ 復合材料封裝的組件相比含氟透明前板封裝的組件功率降低4.2W。

表1 兩種封裝方案組件功率對比Table 1 Component power comparison of two packaging schemes

2.3 兩種封裝方案組件彎曲度的對比

分別采用ETFE+復合材料、含氟透明前板兩種封裝工藝制備2 塊輕質柔性組件，按照400mm 曲率半徑保持48h 后測試，兩種材料均無新增缺陷，抗彎曲強度基本一致，測試結果如圖8、圖9 所示。

圖8 含氟透明前板EL 圖Fig. 8 EL diagram of fluorine-containing transparent front plate

圖9 ETFE+ 復合材料EL 圖Fig. 9 EL diagram of ETFE+composite material

2.4 兩種封裝方案組件耐老化性能的對比

2.4.1 小層壓件對比

分別采用ETFE+復合材料、含氟透明前板制作小層壓件，放置于濕熱老化實驗箱及紫外老化實驗箱中進行測試，分別進行96h 濕熱老化測試和60kWh/m2紫外老化測試，結果如圖10 所示。結果表明，ETFE+ 復合材料制作的組件在濕熱老化測試及紫外后均出現了發黃現象。

圖10 兩種材料老化測試后圖片Fig. 10 Pictures of two materials after aging test

2.4.2 組件對比

分別采用ETFE+復合材料、含氟透明前板制作2 塊60片版型輕質柔性組件進行濕熱老化測試及紫外老化測試。

2.4.2.1 濕熱老化測試

測試條件為溫度85℃、濕度85%，測試1000h［6］。由圖11 看出，經測試ETFE+復合材料功率衰減為4.03%，含氟透明前板功率衰減為2.36%。ETFE+ 復合材料衰減大主要原因為濕熱老化測試后組件表面發黃，透光率降低，造成功率衰減大。

圖11 兩種封裝方案濕熱老化測試功率衰減Fig. 11 Power attenuation of wet heat aging test of two packaging schemes

2.4.2.2 紫外老化測試

采用溫度60℃，波長范圍為280～400 nm 的紫外老化環境實驗箱，分別對兩種封裝方案制作的組件進行輻照量120kWh/m2的測試，由圖12 看出，經測試ETFE+復合材料功率衰減為4.89%，含氟透明前板功率衰減為1.98%，ETFE+復合材料測試后出現發黃現象。

圖12 兩種封裝方案紫外老化測試功率衰減Fig. 12 Power attenuation of two package schemes for UV aging test

3 結論

（1）由ETFE+ 復合材料和含氟透明前板兩種封裝方案制備的輕質柔性組件，在彎曲強度方面表現一致。

（2）使用ETFE 封裝時由于添加了襯底復合材料，復合材料主要成份為玻纖預浸布，容易在濕熱老化測試及紫外老化測試后出現發黃的現象，所以應用于戶外存在發黃的風險。

（3）使用含氟透明前板制作的輕質柔性組件在耐老化性能方面表現更優異。