光伏封裝材料對組件性能的影響分析

上?？颠_(dá)化工新材料股份有限公司 ■ 楊若峰 紀(jì)洋 孫會玲

0 引言

用于光伏組件封裝的不同特性的材料，在組件封裝中起著關(guān)鍵作用，其對組件的性能影響非常大，尤其是對組件的功率衰減、發(fā)電效率、發(fā)電量、使用壽命等性能的影響。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)廠商對這些材料的創(chuàng)新性研究從未停止和間斷過。

近幾年對于新型封裝材料的研究和應(yīng)用，為光伏組件性能提升、效率提高、發(fā)電量增加起到了巨大作用。例如，減反增透鍍膜玻璃可使透光率提高2.5%～3%,甚至6%，可提高同等面積電池板的發(fā)電功率；高透光率的內(nèi)封裝材料代替EVA可增加2%～3%的發(fā)電量，并延緩功率衰減，濕熱老化時間大大延長；高性能的丁基密封膠(PIB)用于邊緣密封可提高組件的抗?jié)衤╇娦阅?，同樣延緩組件的功率衰減，延長濕熱老化時間等。

光伏組件的封裝材料可分為外部封裝材料(如玻璃背板或TPT背板、鋁邊框、邊緣密封膠等)和內(nèi)部封裝材料(如EVA膠膜、PVB膠膜、PIB層壓密封膠等)?；诮鼛啄暝谘邪l(fā)國產(chǎn)PIB密封封裝材料過程中，對國內(nèi)外此類材料的研發(fā)進(jìn)程、應(yīng)用范圍、發(fā)展趨勢、問題對比等方面的了解和掌握，本文結(jié)合光伏組件封裝材料相關(guān)的性能測試、老化測試等數(shù)據(jù)，分析邊緣密封膠、層壓密封膠等封裝材料和其他不同封裝方式的材料對組件的性能影響。

1 光伏組件封裝結(jié)構(gòu)及部分封裝材料性能

1.1 晶體硅組件與非晶硅薄膜組件的封裝密封結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)主流的仍是晶體硅單玻鋁邊框組件。封裝材料主要為超白玻璃+EVA(或PVB膜)+TPT(或TPE)背板+硅膠(或PE泡棉雙面膠帶)+鋁邊框，如圖1所示。國內(nèi)多數(shù)仍采用硅膠的，雙面膠帶用量開始增加；國外有的國家用雙面膠帶多，有的國家用PIB熱熔膠或PIB膠帶多。國外晶體硅無框雙玻組件(不帶鋁邊框)+PIB層壓膠帶開始出現(xiàn)，如圖1a所示，國內(nèi)有廠家在做，但量產(chǎn)較少，主要看市場訂單。

圖1 晶體硅組件封裝結(jié)構(gòu)及封裝材料

圖2 非晶硅薄膜組件封裝結(jié)構(gòu)及封裝材料

薄膜組件中，前幾年國內(nèi)引進(jìn)或自有技術(shù)生產(chǎn)的非晶硅薄膜組件廠家有十多家，大多采用雙玻+EVA(或PVB)層壓，無其他密封，也有廠家采用如圖2所示的外邊緣涂膠輔助密封方式。這些廠家現(xiàn)基本都已停產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)晶體硅組件。

后期引進(jìn)的非晶硅薄膜技術(shù)、目前仍然堅(jiān)持在產(chǎn)的幾家廠家，對PIB的作用有所認(rèn)識，開始采用雙玻+EVA+PIB丁基層壓密封膠帶的封裝結(jié)構(gòu)(參考圖3a)。這樣的方式主要受到國外較熱門的高效CIGS和CdTe組件對濕氣密封要求更高的封裝材料的影響。最近引進(jìn)的歐瑞康薄膜技術(shù)生產(chǎn)線，也將PIB層壓密封標(biāo)配在其產(chǎn)線中，該封裝方式在可靠性上到底如何？對國內(nèi)其他組件的生產(chǎn)是否有借鑒意義？通過部分封裝材料密封性能的對比，進(jìn)一步分析PIB密封封裝材料對組件的影響。

圖3 無框組件及有框組件密封結(jié)構(gòu)

1.2 不同封裝材料的濕氣透過率數(shù)量級范圍

用于光伏組件的部分材料的濕氣透過率數(shù)量級范圍見表1。由表1可知，不同材料間濕氣透過率高低相差10倍、100倍，甚至1000倍。為了說明不同封裝方式和封裝材料對組件的影響，有必要介紹針對組件和封裝材料的老化測試項(xiàng)目及表征數(shù)據(jù)。

表1 用于光伏組件的部分材料的濕氣透過率數(shù)量級范圍 /g·(m2·d)-1

1.3 封裝材料的部分老化測試項(xiàng)目

1.3.1 濕熱試驗(yàn)

目的：測量太陽電池抵抗?jié)駳忾L期滲透的影響能力。

試驗(yàn)條件：85±2 ℃/85±5%/1000 h(依據(jù)IEC 61215[1]和 IEC 61646[2])，即 DH1000 h；俗稱“雙八五”試驗(yàn)。

1.3.2 熱循環(huán)試驗(yàn)

目的：確認(rèn)太陽電池模塊對于溫度的重復(fù)變化所產(chǎn)生的熱不均勻性、疲勞及其他應(yīng)力的抵抗能力。

試驗(yàn)條件：-40±2 ℃～85±2 ℃；最高和最低溫度之間溫度變化的速率不超過100 ℃/h；在每個極端溫度下，應(yīng)保持穩(wěn)定至少10 min；一次循環(huán)時間不超過6 h；如圖4所示。依據(jù)IEC 61215和IEC 61646，分別有50次和200次循環(huán)，通常做200次，即TC200。

圖4 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)

1.3.3 濕冷凍試驗(yàn)

目的：評估太陽電池在高溫和高濕下隨后轉(zhuǎn)換到零下低溫的抵抗能力，但該試驗(yàn)并不是冷熱沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：85 ℃/85±5%(20 h)～-40 ℃(0.5～4 h)，如圖5所示，連續(xù)10個循環(huán)[1-2]。

圖5 濕冷凍試驗(yàn)

對于密封材料和組件系統(tǒng)來說，上述3項(xiàng)比較難通過的是組件整體的DH1000 h試驗(yàn)。而濕凍試驗(yàn)由于10次循環(huán)的條件并不苛刻，大部分組件的老化試驗(yàn)相對易通過，所以平時老化測試時，一般只做前面DH1000 h和TC200老化試驗(yàn)2項(xiàng)。

經(jīng)過大量的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，只要DH1000 h或1500 h、2000 h能通過，TC200基本也沒有問題，因此，對于一種材料的初步檢驗(yàn)，通常先做DH1000 h，沒有問題后再根據(jù)情況確定是否做TC200等。

1.3.4 紫外老化試驗(yàn)

紫外輻照量參數(shù)：波長為280～385 nm的紫外光，強(qiáng)度不超過250 W/m2，使樣品所受的總輻照量不少于15 kWh/m2。其中，280～320 nm波長的輻射至少為5 kWh/m2。

要求：所測樣品不黃變、不發(fā)脆、不龜裂等。

1.3.5 自主確定的更快模擬老化試驗(yàn)

一些組件廠商為了加快老化測試頻率，采用更高的老化條件，縮短試驗(yàn)時間。例如Hast 48 h：121 ℃，高溫高壓蒸煮48 h，或采用常壓沸水水煮200 h等。

1.4 老化試驗(yàn)前后的測試數(shù)據(jù)對比

上述前3項(xiàng)或第5項(xiàng)老化試驗(yàn)前后，對于整體組件系統(tǒng)來說，主要通過如下幾個測試數(shù)據(jù)做對比。

1.4.1 絕緣耐壓試驗(yàn)

目的：測定組件電流體和邊框(外界)的絕緣性能是否足夠好，測試結(jié)果滿足規(guī)定數(shù)值。對于面積小于0.1 m2的組件絕緣電阻不小于400 MΩ；對于面積大于0.1 m2的組件，測試絕緣電阻的阻值應(yīng)不小于40 MΩ/m2除以組件面積后所得的數(shù)值。測試時使用500 V或最大系統(tǒng)電壓的最高值。

1.4.2 濕漏電流試驗(yàn)

目的：評估太陽能模塊在濕操作條件下的絕緣性，且驗(yàn)證由雨、霧、露水或融化雪水所產(chǎn)生的濕氣，不會進(jìn)入模塊電路的帶電部分，否則可能會造成腐蝕、接地失效或安全上的危險(xiǎn)。測試結(jié)果滿足規(guī)定數(shù)值。

1.4.3 功率衰減

測量短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)的最大電流和最大電壓，所測最大功率在老化前后衰減不超過5%。定量測試項(xiàng)目見表2。

表2 老化方式及測試數(shù)據(jù)

對于封裝材料本身，首先自身要能保證在老化試驗(yàn)后性能保持率滿足要求，或者粘接強(qiáng)度的保持率滿足要求，然后才與組件系統(tǒng)一起進(jìn)行上述的老化測試，考查其對組件性能的影響。

2 不同封裝方式和密封材料對組件的影響

國內(nèi)非晶硅薄膜組件廠商在前幾年產(chǎn)品下線進(jìn)行TüV認(rèn)證時，曾經(jīng)有不少廠家模仿采用了外邊四周硅膠密封的方式。然而認(rèn)證測試的結(jié)果是DH1000 h不通過，不得不費(fèi)盡周折重復(fù)送檢測試。由表1可知，由于硅膠的濕氣透過率很高，在對濕氣敏感的薄膜組件中，它幾乎起不到任何密封作用。對于晶體硅組件而言，由于兩層EVA膜將電池硅片包在里面，而且電池片距離四周邊緣通常有12～15 mm，邊緣密封要求不如薄膜組件敏感。因此，晶硅組件四周的硅膠更多起到將組件與鋁邊框粘接的作用。

組件四周有無密封、用什么樣的密封材料，以前人們更多關(guān)注組件能否通過DH1000 h的測試。其實(shí)，由于人們對光伏組件系統(tǒng)已經(jīng)都按照25年的壽命來考量，有些組件廠商或材料供應(yīng)商也在考查DH1500 h、DH2000 h、DH3000 h，甚至DH4000 h后的表現(xiàn)或結(jié)果。

表1中材料濕氣透過率性能最好的是PIB密封膠。下面將分別針對非晶硅薄膜組件外部采用PIB丁基熱熔膠密封、內(nèi)部PIB層壓密封、晶體硅無框組件外部采用PIB密封的測試數(shù)據(jù)，來分析光伏組件不同封裝材料和封裝方式的性能差異。

2.1 非晶硅薄膜組件(EVA層壓封裝、無其他密封)+外邊緣采用PIB丁基熱熔膠后續(xù)密封的對比試驗(yàn)

從一批有問題的無其他密封的常規(guī)組件中隨機(jī)抽取24個組件。首先由廠家測試并記錄其絕緣電阻，然后分A、B、C 共3組進(jìn)行后續(xù)PIB施膠密封試驗(yàn)和測試，密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中：A組測試組件尺寸為1.245 m×0.635 m，測試電壓DC500 V；絕緣電阻和濕漏電流全部浸泡水中。C組測試組件中，編號8，即組件號100111-A1C1的表面約有一道15 cm長的裂紋，用PIB密封膠涂在裂紋上做了密封處理。3組非晶硅薄膜電池組件PIB密封前后數(shù)據(jù)分別見表3～5。

由表3可知，施膠密封后濕漏電流全部符合IEC 61646小于10 μA的規(guī)定。平均絕緣電阻從施膠密封前的17.7 MΩ提高到了55.2 MΩ，提高了211.9%；濕漏電流則從平均30.8 μA降低為7.5 μA，降幅為 75.6%。

由表4可知，密封前絕緣電阻超標(biāo)的組件，密封后效果明顯，濕漏電流符合IEC 61646小于10 μA的規(guī)定；對于絕緣電阻和漏電流原本合格的組件，密封前后并無明顯變化。

表3 A組非晶硅薄膜電池組件外緣PIB密封前后數(shù)據(jù)對比

表4 B組非晶硅薄膜電池組件PIB密封前后數(shù)據(jù)對比

表5 C組非晶硅薄膜電池組件PIB密封前后數(shù)據(jù)對比

由表5可知，密封后濕漏電流全部符合IEC 61646小于10 μA的規(guī)定。平均絕緣電阻從密封前的10.125 MΩ提高到了40.72 MΩ，提高了302%；而濕漏電流則從平均42.2 μA降低為8.25 μA，降幅為80.5%；個別電阻很低的組件施膠密封時，受到機(jī)器施膠質(zhì)量的影響，不能一次性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(濕漏電流仍大于10 μA)，但經(jīng)返工施膠密封后仍可達(dá)到密封效果(漏電流符合IEC 61646小于10 μA的標(biāo)準(zhǔn))，說明密封性能與施膠質(zhì)量有關(guān)。

2.2 EVA+PIB材料內(nèi)部層壓密封與純PVB封裝方式的DH1000 h老化對比

圖6 雙玻組件EVA+PIB層壓密封結(jié)構(gòu)

表6 不同封裝方式老化前后功率參數(shù)變化情況

圖7 不同封裝方式的組件DH1000 h老化后功率衰減

將標(biāo)準(zhǔn)薄膜組件裁割成多個同面積的小組件，分別進(jìn)行EVA+PIB層壓和純PVB層壓，進(jìn)行不同封裝方式的老化對比(DH1000 h)。密封結(jié)構(gòu)如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6和圖7。結(jié)果表明，老化后功率衰減有明顯差異，且老化時間越長差異越大。

2.3 EVA+PIB材料層壓密封與純PVB封裝方式的組件TC200老化前后對比

不同封裝方式的組件TC200老化前后功率參數(shù)，以及TC200老化后功率衰減百分比見表7～8。

表7 不同封裝方式TC200老化前后功率參數(shù)

表8 TC200老化后功率衰減百分比

由表7～8可知，EVA+PIB密封的組件TC200老化試驗(yàn)幾乎沒影響，而PVB封裝的組件對功率衰減影響較大。

2.4 晶體硅無邊框組件采用PIB密封

常規(guī)晶硅組件均帶邊框密封，因市場有無框組件的需求，但又擔(dān)心其性能。為了驗(yàn)證這種無框組件是否滿足要求，將無邊框的晶硅組件利用PIB丁基熱熔膠進(jìn)行了邊緣密封，如圖8所示。

圖8 晶體硅無邊框組件密封結(jié)構(gòu)

選取的組件參數(shù)為24片單晶，長×寬為755 mm×535 mm，面積為0.404 m2，功率為50 W。為了測試結(jié)果的權(quán)威性，所有的測試和老化均由國家光伏質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成，DH1000 h老化前后的數(shù)據(jù)見表9～表10。

送檢的多組PIB無框密封組件經(jīng)DH1000 h老化后，所有參數(shù)均合格，干、濕絕緣電阻遠(yuǎn)大于規(guī)定值，尤其功率參數(shù)無一衰減，出乎意料。

表9 DH1000 h老化前后最大功率點(diǎn)的確定

表10 DH1000 h老化前后干態(tài)絕緣電阻及濕漏電試驗(yàn)濕態(tài)絕緣電阻測定

3 PIB密封材料配方差異對組件性能的影響

PIB材料具有穩(wěn)定的化學(xué)性能和優(yōu)異的密封性能，分子量從幾十萬到數(shù)百萬不等，該類材料在很多要求苛刻的密封環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。但材料的不同配方設(shè)計(jì)性能差別很大，自身濕氣透過率也會有很大差別。特別是應(yīng)用到光伏組件中時，還要兼顧與其他材料的工藝相容性能，層壓后的表觀和老化后的表觀，以及對組件濕氣的隔絕密封性能。圖9為兩個不同配方的PIB密封材料與EVA封裝成的組件在沸水水煮200 h后的功率衰減曲線。

圖9 EVA+PIB同類材料(不同配方)封裝的組件樣品水煮200 h后的功率衰減曲線

由圖9可知，不同的配方設(shè)計(jì)對組件的密封性能有明顯差異。所以，非晶硅薄膜組件所用的PIB密封材料在其自身的濕氣透過率為0.1～0.7 g/(m2·d)范圍內(nèi)時能滿足密封的要求，CIGS和CdTe組件對濕氣透過率的要求會更加苛刻。配合其他封裝材料和工藝，大于0.1 g/(m2·d)的濕氣透過率也可能會滿足其要求，但國外某CIGS公司的要求卻是該數(shù)值的1/10。

4 結(jié)論

對于光伏組件來說，技術(shù)的先進(jìn)性、轉(zhuǎn)化效率的高低固然十分重要，但是，封裝材料的性能對其功率衰減的影響和使用壽命也很關(guān)鍵。

正如某知名組件廠商所做試驗(yàn)表明的那樣，一個常規(guī)組件在DH1000 h老化時，大部分都能滿足性能要求。當(dāng)DH1500 h或2000 h時，短板的問題往往出現(xiàn)在組件的邊緣。但如果一個組件使用EVA+PIB的封裝方式對其四周進(jìn)行密封后，短板往往不再是在邊緣，而是出現(xiàn)在接線盒的位置。例如，當(dāng)DH3000 h，甚至4000 h的老化后，接線盒本體材料會發(fā)生失效或破壞，即接線盒變成了影響更長運(yùn)行的問題短板。當(dāng)然，里面的EVA在自然環(huán)境的紫外老化中失效的可能和概率也很大。

[1] GB/T 9535-1998 (IEC 61215), 地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型[S].

[2] GB/T 18911-2002 (IEC 61646:1996),地面用薄膜光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型[S].