復合材料在光伏組件中的應用開發案例

全世界都在大力開發可再生能源。太陽能是典型的可再生能源之一。即插即用的太陽能電池已被消費者廣泛使用。

據國外一份市場調研報告稱，2022年全球太陽能電池板 （也叫光伏組件或光伏板） 市場價值為1523億美元（另一報告稱為1577億美元），預計到2032年達到3304億美元，從2023年到2032年的復合年增率為8.1%。在2022年的全球光伏組件市場中，亞太地區占有最大份額，為54.31%。其中中國貢獻最大。

傳統的光伏組件由玻璃、薄膜、電池片、背板、邊框等構件組成。當今，復合材料已成為降低光伏組件成本，提高其效率的重要材料。據報道，復合材料可以減輕光伏組件重量達40%，提高效率很多倍，在規模應用情況下，還能大量降低成本。

以下是這方面的幾個研發案例。

聚氨酯復合材料光伏邊框

由跨國公司科思創（Covestro）及其合作伙伴聯合開發的聚氨酯（PU）復合材料光伏邊框為光伏組件提供了一種新的材料選擇。PU拉擠復合材料與PU水性涂層的集成解決方案為光伏組件制造商提供了超越鋁合金的新材料。

邊框作為光伏組件的輔助材料起著至關重要的作用。其功能包括保護玻璃邊緣、增強密封性能、提高整體機械強度和方便光伏組件的運輸和安裝。邊框的性能直接影響光伏組件的使用壽命（其在戶外的目標使用壽命約為25年）。科思創多年來一直在為可再生能源行業開發創新的聚合物解決方案。為了滿足太陽能行業降低成本和提高效率的需求，科思創推出了聚氨酯復合材料邊框，它由玻璃纖維增強Baydur?聚氨酯樹脂通過拉擠工藝制成。PU復合材料邊框不僅滿足嚴格的力學性能和耐久性要求，而且降低了整體成本。

卓越的材料性能

科思創及其合作伙伴開發的聚氨酯復合材料光伏邊框展示了優異的材料性能。作為一種非金屬材料，聚氨酯復合材料邊框與傳統的鋁金屬邊框相比，還降低了光伏組件制造商的整體價格，提高了能源效率。

科思創的聚氨酯復合材料具有優異的力學性能。其軸向拉伸強度是典型鋁合金的7倍以上。它還具有很強的耐鹽霧腐蝕性和耐化學腐蝕性。這些性能對于邊框認證測試至關重要。采用科思創PU復合材料邊框密封的光伏組件已通過IEC 61701-201太陽能光伏組件鹽霧腐蝕測試和IEC 62716：2013氨腐蝕測試。對于安裝在高濕度環境（例如海上和沿海地區） 中的太陽能電池板，為了確保所需的使用壽命，這些防腐蝕特性更加重要。

鋁合金邊框的理想替代品

PU復合材料的體積電阻率可達1×1014Ω·cm。如果太陽能光伏組件使用非金屬邊框封裝，則可大大降低形成泄漏電路的可能性，有助于減少潛在誘發退化（PID）的發生。PID效應的危害導致功率衰減和發電量下降。因此，減少PID效應可以提高太陽能電池板的發電效率。

水性PU涂層的長效保護

科思創為其PU復合材料邊框研發了雙組分水性聚氨酯涂層技術，以保護多年暴露在戶外環境中的光伏邊框。配方中的主要粘結劑是Bayhydrol A和Bayhydur系列產品。與傳統的溶劑型涂料相比，這種新的解決方案可減少約90%的揮發性有機化合物排放。同時，由于與PU復合材料基材的附著力強、耐磨性好、耐候性強，這種涂料有望具有長期耐用性，節省重新涂覆成本。這種新的涂料溶液也表現出了很高的勞動生產率——噴涂后，它會快速干燥并形成一層薄的表面膜，從而可以快速施工。

獲得認證

德國萊茵TüV是全球公認的第三方獨立評估機構。采用科思創PU復合材料邊框的光伏組件已于2021年獲得萊茵TüV認證，表明這種新材料可以滿足可再生能源行業的嚴格要求，同時為光伏行業的發展提供低碳排放和高質量的解決方案。另據2023年6月27日消息，在中國上海舉辦的第16屆國際光伏發電與智慧能源大會暨展覽會上，科思創獲得了德國TüV SüD公司（一家主要的光伏和智慧能源產品認證和測試機構）關于聚氨酯用于復合材料光伏邊框的認證。

（來源：Covestro）

用聚合物膜取代玻璃，用復合材料夾芯板取代鋁背板

美國Armageddon Energy公司是研發太陽能電池板（光伏板）的廠商。其最初的目標是為消費者提供一個易于安裝且具有更好外觀和更小整體尺寸的光伏系統。

傳統的光伏板上使用浮法玻璃，因為浮法玻璃具有剛性、良好的防潮性能和良好的透光性能。這種玻璃通常涂有涂料來降低反射率和防止臟污，因而比窗玻璃更貴。在某些情況下，玻璃還經過回火（鋼化），因而更增加了成本。盡管這種級別的玻璃不太容易破碎，但它們增加了重量，這對屋頂安裝來說是一個挑戰。而且隨著時間的推移，它們可能會變得渾濁，從而降低能源效率。

為此，Armageddon首先決定取代玻璃。這一目標通過使用一種薄的、透明的乙烯-四氟乙烯（ETFE）聚合物膜而實現（ETFE膜來自美國杜邦性能材料公司，商標為Tefzel）。這成為了Armageddon的1.0款光伏板（商名為SolarClover），這是行業第一塊符合太陽能行業UL1703標準的薄膜覆蓋光伏板。

據介紹，使用 ETFE膜取代玻璃而制成的首款光伏板的重量非常輕，一個孩子用一只手就能提起，而且設計獨特。

自設計首款光伏板之后，該公司繼續創新，決定淘汰鋁，以降低電擊風險，降低成本，并生產出比第一塊光伏板更安全、更堅固、甚至更輕的復合材料密集型光伏板。

為達此目的，該公司咨詢了其長期合作伙伴杜邦公司。杜邦向Armageddon介紹了比利時EconCore公司。這是一家蜂窩芯制造商，它采用高產量的連續生產過程通過熱成型、分切和折疊工序，從一卷熱塑性片材在線制成蜂窩板。

EconCore的ThermHex品牌熱塑性蜂窩板用杜邦的Zytel聚酰胺樹脂膜制成，板的蒙皮采用杜邦的Vizilon熱塑性復合材料（連續玻璃纖維增強聚酰胺片材）。研發小組確定，這種蜂窩板能夠形成一種堅固和剛性的板材，用來取代1.0款光伏板中所用的鋁背板。杜邦公司項目經理Janet Sawgle說，使用Vizilon蒙皮的EconCore ThermHex夾芯板重量最小，強度和剛度高，具有足夠的耐熱性，可以承受高溫（制造過程中高達150 ℃）以及在烈日下屋頂面臨的長期應力。

據相關人士說，蜂窩板很容易操作，可以按所需的形狀進行機加工，而不會產生玻璃纖維粉塵。它們能滿足耐氣候老化30年的要求和在惡劣的戶外環境中快速安裝和順應環境的要求。

有了新背板之后，按照光伏板的典型制造方法進行組裝：把高效率單晶太陽能電池片層合到復合材料背板上；使用保護膜（通常是乙烯-醋酸乙烯酯，簡稱 EVA）來保護電池；使用前述透明ETFE膜作為光伏板的正面，提供所需功能。

據介紹，如果需要更高強度或更輕重量的EconCore/Vizilon背板，還可指定Vizilon蒙皮中含有更多的玻璃纖維，或者使用碳纖維代替玻璃纖維。

組裝形成的光伏板成為該公司的2.0款光伏板。

新的輕質和可持續性光伏板

在2023 JEC World展會上，比利時EconCore公司與荷蘭太陽能電池板（光伏板）生產商Solarge公司聯合推出了一種輕質的、可完全循環利用的光伏板，該產品可減輕屋頂安裝的光伏板重量達65%。

自2018年初以來，EconCore和Solarge一直在密切合作開發新一代光伏板，利用輕質蜂窩材料取代重的玻璃來減輕重量。其結果是用一種完全可回收的新產品取代了更傳統的非持續性材料。新的光伏板面積略大于2.66 m2、重量14.5 kg，而舊的玻璃型光伏板重量超過28 kg。

這兩家公司使用復合材料、蜂窩結構和一種聚合物正面來取代傳統光伏板中所用的玻璃。蜂窩具有極好的力學性能，在給定的重量或密度下非常堅固和剛硬。原用玻璃板還需要鋁邊框，而使用蜂窩結構時則不需要此邊框，從而更加減輕重量。

剛性和抗沖擊性都是光伏板所需的重要特性，因為彎曲和沖擊作用（例如冰雹）可能導致破裂或效率降低。蜂窩板可以以不同的方式應付這些應力。

新的Solarge光伏板能夠提高對紫外線輻射的抵抗力，并且具有比玻璃板更好的導熱性。光伏板的效率隨溫度的升高而降低，而蜂窩提供了更有效的控制溫度的方法。

當今使用的光伏板很難回收，而EconCore最近開發了一種由回收材料制成的蜂窩芯。還有一種可能的方案是使用單一材料制造光伏板，其中只有太陽能電池片及其熱塑性保護膜是不同的材料，這使得光伏板更易回收利用。

這一研發成果建立在Solarge傳統的可持續發展實力之上：

? 超低碳足跡：比傳統光伏組件低25%。

? 減少提供力學性能所需的材料資源。

? 100%可回收利用。

? 消除PFAS等有毒物質。

EconCore的首席運營官Tomasz Czarnecki說：“光伏板更輕、更便宜、更高效率意味著有更多的建筑物能夠被用來進行太陽能發電，每個受承重限制的屋頂都能夠容納更多的光伏板。這些光伏板是可持續的，這在應對氣候變化的斗爭中具有巨大潛力?！?/p>

Solarge的首席文化官Huib van den Heuvel補充說；“我們看到世界各地輕型太陽能電池板在商業和工業建筑部門以及農業部門的應用潛力巨大。與玻璃型太陽能電池板相比，這種復合材料產品的生產非常容易規?；??！?/p>