光伏組件背板性能檢測技術及應用分析

魏超，唐梓彭，馮一銘（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

光伏組件背板性能檢測技術及應用分析

魏超，唐梓彭，馮一銘
（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

背板是光伏組件的關鍵封裝材料，保護組件內部電池片免受環(huán)境中水汽、紫外線、風沙等的侵蝕。對光伏組件背板材料的性能檢測項目進行了梳理，并結合實際檢測案例，探究工程應用上，光伏組件質量檢測的有效方式及性能評價方法。

光伏組件背板材料；性能檢測；案例分析

0 引言

由于晶體硅材料的自身特性，晶體硅光伏電池組件在戶外運行中存在多樣化的故障表現(xiàn)。其中，電勢誘導衰減（P otential I n d uce d D e g ra d ation，PI D）現(xiàn)象是導致組件功率衰減乃至失效的重要故障形式。PI D現(xiàn)象的產生，與晶體硅電池片表面的導電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體污染有關[1]，而這些帶導電性離子的污染物質主要是通過環(huán)境中水汽逐漸侵入組件內部，最終導致電池片功率衰減，而環(huán)境中水汽侵入組件內部的過程多由組件背板開始。

晶體硅光伏組件背板以有機材料為主，由于有機材料的物質結構上存在孔隙，導致在潮濕條件下，水汽可不斷侵入組件內部。另外，有機材料易受侵蝕而老化，失去保護組件內部結構的能力，導致組件功率衰減。為增強光伏組件背板耐候性、防透水性，多采用在普通有機基材兩面復合含氟塑料薄膜的形式，常見的有T P T（雙面聚氟乙烯P V F薄膜，美國杜邦公司專利，以下稱T膜）、K P K（雙面聚偏二氟乙烯P V D F薄膜，法國Ar k ema公司專利，以下稱K膜）兩類。另外，也有采用如氟碳涂料、高分子柔性背板等技術[2]。

當前，國內不少光伏電站均出現(xiàn)了組件PI D現(xiàn)象、背板水解破壞、起包開裂等故障或質量問題，其肇因均是背板材料生產質量、耐候性能不合格。因此，亟需開發(fā)應用于工程方向的組件背板材料檢測技術，預防與減少此類組件故障與質量問題的發(fā)生。

1 光伏組件背板檢測技術調研

1.1 檢測項目

光伏組件長期在戶外運行，面臨著多樣化的環(huán)境因素影響，為避免組件性能異?；蛩p，對光伏組件背板的耐候性、力學性能、透水性、絕緣性等均有較高要求。一般來說，產業(yè)內對背板材料的物理與化學性能檢測包括剝離強度測試、水汽透過率測試、熱收縮率測試、絕緣測試、擊穿電壓測試、最大系統(tǒng)電壓測試、耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環(huán)測試等[3]。

在工程應用領域，一方面，工程技術人員所關注的多為背板材料物質是否達標、材料強度是否合格、材料是否有明顯質變等，需要一種快速確定的檢測手段。另一方面，耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環(huán)測試等機理性檢測項目操作困難，檢測條件苛刻，檢測設備昂貴，且檢測周期長，不易開展。以濕熱老化測試為例，需在材料溫度或組件溫度為85±2℃、相對濕度85%± 5%的濕熱老化測試設備中，開展時間超過2500h的持續(xù)實驗[4]。經過濕熱老化測試后，背板材料的物質通常會產生不同程度的變化，其紅外譜線吸收峰會有相應變化[5]，從而通過檢測判斷背板材料耐候性是否達到技術要求。

結合工程應用的需求與檢測原理，從外觀表象、物質特性以及運行后的物性變化等三個方面來進行背板性能的檢測最為合適:

（1）外觀與物理特性檢測:檢查背板是否存在劃傷、起包、剝離、開裂等現(xiàn)象，直觀判斷背板狀態(tài)。也包括背板厚度、層間粘結力、表面光澤度等物理性檢測?，F(xiàn)階段，多數(shù)工程項目在光伏組件的技術協(xié)議中會對背板材料的厚度做一定要求，但對其他方面則未做考慮。

（2）紅外光譜檢測:判斷光伏組件背板材料的物質特性。主要用于判定組件背板材料是否含氟或物質特性是否符合要求。當組件長期運行后，也可用于檢測組件背板材料是否發(fā)生嚴重質變，判斷其失效與否。目前，優(yōu)質背板材料一般以T膜、K膜為主，通?？捎门c標準材料對比的方式，檢測樣品材料的紅外譜線是否與標準材料的譜線相符或接近。

（3）黃變程度檢測:判斷光伏組件在長期運行后，背板材料的黃變老化程度，結合外觀檢查與紅外光譜檢測，分析材料是否失效。一般采用同組樣品對比的方式，可于工程現(xiàn)場直接開展。

1.2 檢測技術調研

背板材料的檢測方法是物理檢測與化學檢驗的綜合方法，在工程應用上往往難以做到實驗室級別的細致分析，因此檢測技術應以快速、準確為原則。

（1）背板外觀檢測的方式以目視為主，老化、水解或破壞的背板表像明顯，可以快速識別，在此不做過多闡述。

（2）背板材料物理特性檢測需使用測厚儀、切片機、拉力測試儀乃至顯微設備等。通常需將樣品裁剪與層間分裂，并在顯微設備下做觀察。檢測原理簡單，但程序較為復雜，更適于作為實驗室內檢測項目。

（3）背板材料光澤程度檢測可使用材料光澤度儀檢測。光澤度是在一組幾何規(guī)定條件下對材料表面反射光的能力進行評價的物理量，具有方向選擇的反射性質。光澤度儀器的測量部件由發(fā)射器和接受器組成，發(fā)射器由白熾光源和一組透鏡組成，按一定要求產生入射光束。接受器由透鏡和光敏元件組成，用于接受從樣品表面反射回來的錐體光束。對于檢測樣品，儀器通過判斷反射光束的角度，并與國際參照標準對比，得到被檢樣品的表面光澤度數(shù)值。

在檢測中，光澤度檢測主要用于檢測樣品材料表面光澤度與標準材料的差別，用于材料對比，而光澤度值本身與背板材料的性能無必然關聯(lián)。

（4）背板材料的紅外光譜檢測主要采用傅里葉紅外光譜測試儀。其工作原理是接收物質發(fā)出的特性紅外光，通過一系列光學部件處理，將物質發(fā)出的紅外光分裂為兩束，并認為產生光程差，導致光束間產生干涉，再對干涉后的紅外光進行傅里葉變換，從而獲得物質特性的紅外光譜，再開展對比研究。

（5）背板材料黃變程度檢測旨在對背板材料的白度值在較長時間跨度內，受環(huán)境各類因素影響下的變化情況進行檢測?？刹捎蒙顑x開展檢測。色差儀主要檢測物質材料的明度L、色調a以及彩度b。ΔL表示明度的差異，當ΔL為正時表明其較樣品而言偏白，當ΔL為負時，表明其較樣品而言較黑；Δa表示色調的差異，當Δa為正時表明其偏紅，當Δa為負時表明其偏綠；Δb表示彩度的差異，當Δb為正時表明其偏黃，當Δb為負時表明其偏藍。色差儀向使用人員反饋檢測樣品的L、a、b值差異，從而表征材料的性質變化。

對組件背板材料，一般以白度為判別依據，即不考慮外界污跡的情況下，材料無性質改變的背板，ΔL應接近于1，而Δb應接近于0，表示背板未老化變黃。

2 檢測案例分析

選擇了國內某品牌背板樣品進行了檢測分析，主要包括厚度測量、表面光澤度測量、拉伸試驗、材料分析、紅外光譜檢測等。檢測結果與Are k ma公司的P V D F氟膜（以下稱標準K膜）進行了對比。

（1）使用光澤度儀對樣品切片表面的光澤度進行測量，設定測試儀入射光的角度為60°，共取三份切片各測量一次。從測試結果來看，樣品外層膜光澤度較低，平均測量光澤度值為25.5，偏向啞光，與標準K膜表面光澤度值59.4相差較大。見表1。

表1 樣品光澤度測試結果

圖1 樣品截面顯微圖像

（2）使用切片機將背板樣品切片邊緣切齊平整后，在光學顯微鏡下觀察其截面，并用光學顯微鏡量測標示出樣品的各層厚度，從截面分析看出，樣品結構類似K P E，即單面氟膜結構。背板總厚度350μm，基材P E T層厚度255μm，外層K膜厚度22μm，內層熱塑性E膜厚度60μm，而層間膠水厚度僅為4-6μm。圖1為樣品截面的顯微圖像。

（3）厚度測量完成后，使用拉力測試儀進行背板層間剝離強度測試。先將背板樣品切片裁切為3個寬度為10mm小條，再用美工刀將外層膜和中間層P E T初步分離，將剝離開來的外層膜一端固定在拉力測試儀的上端，將剩下背板部分用雙面膠粘貼在鋼板上，再將貼有背板的鋼板固定在拉力測試儀的下端（保證其按標準要求進行180°剝離），設定好拉力測試儀的相關參數(shù)，拉伸速度為100mm/min，拉伸距離為50mm。依次測試記錄3個小條樣品的剝離強度值，得到三個樣品的層間剝離力分別為4.92N/cm，4.9N/cm，4.96N/cm，均大于4N/10mm的檢驗標準。見表2。

表2 樣品剝離強度測試結果

圖2 樣品剝離強度測量圖像

（4）使用D S C測試儀對背板樣品進行D S C差示掃描分析（熔點測量），并使用顯微鏡對表面進行放大觀察，將測量結果與標準K膜進行比對。從外觀來看，樣品外層膜偏向采用流延法制備，與標準K膜產品采用的吹塑法制品存在明顯差異，在500倍放大倍數(shù)下，樣品外層膜與標準K膜產品存在明顯差異。將背板樣品表面用酒精進行擦拭干凈后，先放入烘箱干燥（條件: 100℃，30min）,再用電子天平稱取10m g，放入D S C儀器的鋁坩堝中進行測試。測試結果表明，樣品外層膜的熔點約為166.7℃，與P V D F材質的熔點167.0℃較為接近。圖3為樣品表層顯微觀察圖像，圖4為樣品D S C差示量熱掃描分析圖像。

（5）采用傅立葉紅外光譜儀，對樣品的外層進行紅外圖譜掃描。先將樣品進行清潔干燥（條件:100℃，30min），再將樣品放入測試平臺測試紅外譜圖，并與標準K膜進行紅外圖譜比對，如圖5所示，其中上端第一條譜線為樣品譜線，第二條為標準K膜譜線，其余為其他的參考樣品譜線。樣品與標準K膜的紅外圖譜有一定程度的相似性，樣品外層膜屬P V D F膜（K膜）范疇，但在性能上可能與標準K膜存在差距。

（6）因樣品直接取自成品組件，且尚未經過實際運行，故背板的水汽透過率測試、濕熱測試和黃變等檢測項目在此未涉及。

圖3 樣品表層顯微觀察圖像a）樣品外層膜b）Ar k ema氟膜

圖4 樣品D S C差示量熱掃描分析圖像

圖5 樣品紅外圖譜掃描

3 結語

在技術調研的基礎上，通過檢測手段，對國內某品牌光伏組件背板材料開展了分析研究。通過關鍵項目的檢測，確認背板樣品確定為K P E結構，非雙面氟膜結構，樣品外層氟膜為P V D F形式，但與Ar k ema公司的標準K型氟膜存在差別。另外，樣品層間膠水厚度較薄，易導致運行中的老化后脫。

如檢測案例中的背板樣品，其部分性能指標存在不足，可能在運行過程中出現(xiàn)背板失效的風險，并引起組件功率衰減等問題。因此產生的成本投入、電量損失等將對電站的整體效益產生不利影響。

在工程應用中，引入光伏組件背板檢測技術，能夠預防采用了缺陷或不達標背板材料的組件流入電站，并在組件持續(xù)運行的全生命周期內開展周期化檢測，及時診斷背板狀態(tài)，避免問題組件長期影響光伏陣列的正常發(fā)電。同時，將光伏組件背板性能的檢測納入到組件質量管理體系中，能夠更好的規(guī)范生產商的生產行為，有利于提高光伏組件產品性能水平，完善光伏產業(yè)的質量監(jiān)督體系。

[1]孫仲剛，于波，劉克銘，等.光伏組件PI D效應及解決方案論析[J].河北工業(yè)科技，2016，33（2）:151-157.

[2]夏文進，章博，張育政，等.從光伏背板技術發(fā)展路線談氟碳涂料技術發(fā)展[J].涂料工業(yè)，2016，46（4）:82-87.

[3]張傳吉，戴建民，成三弟，等.光伏電池背板綜述[J].浙江化工，2012，43（2）:18-20.

[4]I E C 61215-2005,Cry s talline s ilicon terre s trial ph oto v oltaic(P V)mo dule s-D e s i g n quali f ication an d ty p e a pp ro v al[S].

[5]張曉東，劉鑫，馮江濤，等.光伏組件背板的濕熱老化行為研究[J].太陽能，2012，（9）:29-31.

Performance Test Technology for Photovoltaic Backsheet Materials and Its Application Analysis

WEI Chao，TANG Zi-peng，F(xiàn)ENG Yi-ming
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Ph oto v oltaic b ac k sh eet i s an enca ps ulatin g material f or ph oto v oltaic mo d ule s.B ac k sh eet s p rotect ph oto v oltaic cell s f rom t h e h arm o f t h e en v ironment，s uc h a s t h e moi s ture，t h e ultra v iolet ray or t h e w in d.A f ter s ummari z in g common te s t item s f or ph oto v oltaic b ac k sh eet material s.T h i s p a p er in v e s ti g ate d an e ff ecti v e w ay o f p er f ormance te s t an d e v aluatin g met h o d f or ph oto v oltaic b ac k sh eet material s in en g ineerin g a pp lication.B a s in g on t h e re s ult s o f in v e s ti g ation，an actual ca s e analy s i s w a s p re s ente d.

ph oto v oltaic b ac k sh eet material s；p er f ormance te s t；ca s e analy s i s

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.009

TM615

B

2095-3429（2017）03-0033-04

2017-04-01

修回日期：2017-06-12

魏超（1985-），男，湖北人，博士，中級工程師，主要從事新能源工程技術研究、光伏及風電質量監(jiān)督及性能檢測等工作。