新型輕質(zhì)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(fā)有限責(zé)任公司西安太陽(yáng)能電力分公司，陜西西安 710100）

1 背景

隨著“雙碳”目標(biāo)的確定及整縣推進(jìn)的開展，分布式屋頂光伏席卷中國(guó)，尤以第三方投資模式的工廠屋頂光伏電站裝機(jī)量最大。而在東部發(fā)達(dá)地區(qū)，由于土地資源有限，無(wú)法提供空曠場(chǎng)地安裝集中式光伏發(fā)電組件，在此背景下，在分布式電站中，傳統(tǒng)的玻璃封裝組件一直為首選，但是傳統(tǒng)玻璃封裝組件導(dǎo)致樓宇屋頂承壓過(guò)重，支架安裝破壞原有房屋結(jié)構(gòu)，這些痼疾多年來(lái)也一直阻礙著分布式光伏的進(jìn)一步推廣。所謂輕質(zhì)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(tǒng)。對(duì)于輕質(zhì)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(shù)的發(fā)展及封裝材料的改進(jìn)，新型高效的晶體硅輕質(zhì)柔性組件也開始慢慢步入市場(chǎng)。

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(yīng)用，采用兩種封裝方案制作輕質(zhì)柔性組件，對(duì)兩種封裝方案進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 IBC 電池結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖Fig.1 Structure diagram and physical diagram of IBC cell

2 研究?jī)?nèi)容

晶體硅輕質(zhì)柔性組件的工藝難點(diǎn)主要在于前板柔性封裝材料的選用及生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制，以滿足輕質(zhì)、柔性及低隱裂的需求。目前替代玻璃制作輕質(zhì)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?yàn)楣夥M件主要應(yīng)用在戶外，紫外線等對(duì)封裝膠膜及電池片有損害，需要使用材料加以保護(hù)，由于氟元素的電負(fù)性最大，原子半徑很小且形成的C-F 鍵短，鍵能大，F(xiàn) 原子和全氟基團(tuán)對(duì)主鏈起保護(hù)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(yōu)點(diǎn)［2］，可以滿足光伏組件戶用應(yīng)用條件。高分子材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 含氟高分子材料的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(zhì)柔性組件時(shí)，由于其厚度較薄，一般需要搭配玻纖復(fù)合材料作為襯底［3］；一種是采用含氟透明前板，由強(qiáng)化PET 芯材和含氟薄膜構(gòu)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(duì)比

2.1.1 兩種封裝材料初始透光率對(duì)比

根據(jù)圖3 透光率測(cè)試結(jié)果，含氟透明前板的透光率為85.16%，ETFE+ 復(fù)合材料的透光率為80.09%。ETFE+ 復(fù)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(duì)比

由于輕質(zhì)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(guī)組件用玻璃要低，所以其抗紫外性能是主要評(píng)價(jià)之一。采用溫度60℃，波長(zhǎng)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(fù)合材料及含氟透明前板，進(jìn)行以下對(duì)比測(cè)試分析。

2.1.2.1 表面黃變程度

經(jīng)測(cè)試（如圖4 所示），ETFE+ 復(fù)合材料經(jīng)過(guò)紫外老化測(cè)試后發(fā)黃嚴(yán)重，經(jīng)對(duì)樣品分析，主要是復(fù)合材料發(fā)生黃變，由于復(fù)合材料的主要成份為玻纖預(yù)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(dǎo)致下層的玻纖預(yù)浸布發(fā)黃，300kWh/m2測(cè)試后黃變指數(shù)ΔYI 為6，發(fā)黃現(xiàn)象嚴(yán)重。含氟透明背板在經(jīng)過(guò)300kWh/m2測(cè)試后表現(xiàn)較好，黃變指數(shù)ΔYI 在3 以內(nèi)。

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

2.1.2.2 機(jī)械性能變化

經(jīng)測(cè)試（如圖5 所示），ETFE+ 復(fù)合材料由于采用玻纖預(yù)浸布作為基底，強(qiáng)度較高，初始拉伸強(qiáng)度己達(dá)到500MPa，經(jīng)過(guò)300kWh/m2紫外老化測(cè)試后機(jī)械性能仍能保持在400 MPa 以上。含氟透明前板相比ETFE+ 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度較低，初始拉伸強(qiáng)度為180MPa，經(jīng)過(guò)300kWh/m2紫外老化測(cè)試后拉伸強(qiáng)度為140MPa。

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

2.1.2.3 水汽透過(guò)率變化

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

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

2.1.2.4 微觀結(jié)構(gòu)變化

采用掃描電鏡對(duì)ETFE+復(fù)合材料、含氟透明前板兩種材料經(jīng)300kWh/m2老化后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7 所示。經(jīng)觀察，含氟透明前板的斷面緊密平整，ETFE+ 復(fù)合材料的斷面出現(xiàn)分層，可能由于紫外老化后復(fù)合材料中的玻纖出現(xiàn)斷裂造成［4］。

圖7 兩種封裝材料紫外老化后微觀結(jié)構(gòu)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(duì)比

分別采用ETFE+ 復(fù)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(zhì)柔性組件，在輻照度1000W/m2、溫度25℃、AM 1.5 的測(cè)試條件下［5］，使用功率測(cè)試儀測(cè)試功率數(shù)據(jù)，對(duì)比其表1 功率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，ETFE+ 復(fù)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(duì)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(duì)比

分別采用ETFE+復(fù)合材料、含氟透明前板兩種封裝工藝制備2 塊輕質(zhì)柔性組件，按照400mm 曲率半徑保持48h 后測(cè)試，兩種材料均無(wú)新增缺陷，抗彎曲強(qiáng)度基本一致，測(cè)試結(jié)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(fù)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(duì)比

2.4.1 小層壓件對(duì)比

分別采用ETFE+復(fù)合材料、含氟透明前板制作小層壓件，放置于濕熱老化實(shí)驗(yàn)箱及紫外老化實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行測(cè)試，分別進(jìn)行96h 濕熱老化測(cè)試和60kWh/m2紫外老化測(cè)試，結(jié)果如圖10 所示。結(jié)果表明，ETFE+ 復(fù)合材料制作的組件在濕熱老化測(cè)試及紫外后均出現(xiàn)了發(fā)黃現(xiàn)象。

圖10 兩種材料老化測(cè)試后圖片F(xiàn)ig. 10 Pictures of two materials after aging test

2.4.2 組件對(duì)比

分別采用ETFE+復(fù)合材料、含氟透明前板制作2 塊60片版型輕質(zhì)柔性組件進(jìn)行濕熱老化測(cè)試及紫外老化測(cè)試。

2.4.2.1 濕熱老化測(cè)試

測(cè)試條件為溫度85℃、濕度85%，測(cè)試1000h［6］。由圖11 看出，經(jīng)測(cè)試ETFE+復(fù)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(fù)合材料衰減大主要原因?yàn)闈駸崂匣瘻y(cè)試后組件表面發(fā)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(cè)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(cè)試

采用溫度60℃，波長(zhǎng)范圍為280～400 nm 的紫外老化環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱，分別對(duì)兩種封裝方案制作的組件進(jìn)行輻照量120kWh/m2的測(cè)試，由圖12 看出，經(jīng)測(cè)試ETFE+復(fù)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(fù)合材料測(cè)試后出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象。

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

3 結(jié)論

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

（2）使用ETFE 封裝時(shí)由于添加了襯底復(fù)合材料，復(fù)合材料主要成份為玻纖預(yù)浸布，容易在濕熱老化測(cè)試及紫外老化測(cè)試后出現(xiàn)發(fā)黃的現(xiàn)象，所以應(yīng)用于戶外存在發(fā)黃的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）使用含氟透明前板制作的輕質(zhì)柔性組件在耐老化性能方面表現(xiàn)更優(yōu)異。