柔性光伏组件用一体透明前板材料的可靠性分析

张银环，姜 倩，唐兰兰

(青海黄河上游水电开发有限责任公司西安太阳能电力分公司，陕西西安 710100)

光伏建筑一体化作为零能耗建筑及绿色建筑的重要发展方向之一，光伏轻质柔性组件在保证高效率的同时，具备与建筑高度融合、安装更为灵活的特性，因此在建筑一体化场景应用中，轻质柔性组件将各种优势展现的淋漓尽致。但目前市场上柔性组件类型较多，尤其在前板材料的选择和搭配设计上大多采取多层结合方式，不仅增加生产工艺流程和生产成本，同时也增加产品可靠性脱层风险等问题。在此背景下，柔性形态终端产品不断推陈出新，产品柔性形态趋势是实现一体透明前板材料（以下简称一体板），但还缺乏规模化的实际考证，因此亟需对一体板作为前板材料应用在柔性组件上的可靠性进行分析与研究。

柔性光伏组件是一种无玻璃的产品，前板材料普遍采用双面含氟材料以保护太阳能电池组件，柔性一体板是一种双面含氟有机高分子聚合物材料，其结构与涂覆+复合型透明背板相同，它与常规含氟型透明背板的区别在于支撑层为加厚PET，厚度可达500μm以上，能起到良好的支撑和耐候作用，柔性一体板的结构示意图如图1所示。

图1 柔性一体板结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of flexible one-piece panel

1 实验样品

本文主要以柔性一体板作为分析材料，研究柔性一体板与常规双面含氟涂覆型透明背板的双层粘合结构板（以下简称叠加结构板）的关键性能差异，同时对两种柔性组件前板材料搭配IBC电池封装方案进行对比分析，探讨柔性一体板材料封装的可行性及两种封装方案下的优劣特点，并进一步研究搭配不同胶膜类型对光伏组件产品封装的可靠性影响。

2 关键材料性能分析

光伏组件应用于户外，组件需要承受长期的风吹、日晒、雨淋等气候环境影响，前板作为光伏组件的关键封装材料，对光伏组件性能和使用寿命具有重要影响，前板应具备良好的透光率和抗紫外等耐候特性外，还需提供一定的机械强度，如抗冰雹冲击等特殊环境下的能力。

2.1 初始透光率

在光伏组件中，前板材料的选择对组件的性能和效率有着重要的影响，前板材料需要具备较高的透光率，以增加光伏组件的发电量，前板材料的透光率越高，进入组件内部的光线越多，组件发电的效率越高。根据图2所示，柔性一体板的透光率为85.27%，叠加结构板透光率为81.52%，一体板透光率相比叠加结构板的透光率高3.75%。

图2 两种封装材料的初始透光率Fig.2 Initial light transmittance of two encapsulation materials

2.2 紫外阻隔性

太阳光中的紫外线对材料的破坏性不言而喻，紫外阻隔率表征了材料的抗紫外能力，它是影响材料作为空气面的最关键技术指标之一，紫外阻隔率越高,说明材料抵御太阳光中的紫外线越强。通常紫外阻隔率是采用紫外光度计测定材料在紫外波长280～400 nm的波段下的透光率计算而来，柔性一体板与叠加结构板两种封装材料的紫外阻隔率如图3所示。

图3 两种封装材料的紫外阻隔率Fig.3 UV blocking ratio of two encapsulation materials

由图3可以看出，通过对两种封装前板材料的紫外阻隔率测试，叠加结构板的紫外阻隔率稍加优于一体板。在柔性光伏组件使用的前板材料中，组成结构中除了氟材料外，含有中间支撑层材料，其紫外阻隔率大小主要取决于氟材料的厚度，氟材料厚度的增加能降低其紫外透过率，增加紫外阻隔性[1]。叠加结构板由于是多层含氟背板粘合而成，含氟厚度理论上高于一体板材料，因此也验证了叠层结构板的紫外阻隔性较高的原因。

2.3 水气阻隔性

众所周知，目前市场上的HJT、钙钛矿、IBC等光伏新型电池对水气较为敏感,使用高分子聚合物材料封装的防水性能至关重要，水气阻隔特性对保护太阳能电池有着关键作用。当盖板材料阻隔水气的性能不良，空气中的湿气在叠加高温条件下，将使更多的水气透过盖板材料表面渗透进入组件内部，影响胶膜的粘结性能并导致电池片被氧化风险。采用红外法对比了常温、高温下两种封装前板材料的水气透过率，试验条件温度分别为38℃和60℃，湿度均为90%，结果如图4所示。

图4 不同温度下两种封装前板材料的水气透过率Fig.4 Water vapor transmission rate of two packaging front panel materials at different temperatures

结果表明，两种封装前板材料的水气透过率在常温下差异不明显，在高温下均有上升，叠加结构板水气阻隔能力优于一体板，除材料厚度是影响因素外，这是由于温度对塑料薄膜的分子结构有影响，温度升高使树脂的结晶度和定向度降低、分子间距拉大、密度降低，从而使塑料薄膜材料的阻隔性能降低。

2.4 耐热特性

随着全球气候的变暖，光伏组件的安装范围扩大，极端高温的气候条件可能随时出现，同时，随着组件功率的不断提高，组件的热斑温度也随之增高，基于以上，作为有机高分子透明前板材料的耐温性是必须考虑的可靠性风险点。

将两种封装前板材料裁切为5cm×5cm大小样品各6个，分别在150～200 ℃的温度下，烘烤各5h，烘烤前后样品的外观如图5所示。

图5 两种封装材料的耐温对比Fig.5 Comparison of the temperature resistance of two encapsulation materials

实验表明，随着温度的升高，一方面，叠加结构板材料的黄变比一体板高，从叠加结构板分析，这一现象主要与叠加结构板自身材料和粘合层有关。图6对比了叠加结构板与不含粘合层的单层板耐热能力，实验表明单层板材料在高温下的黄变并不明显，由此说明产生的黄变主要由粘合层引发，在多层粘合结构中材料发黄程度取决于黄变大的材料。另一方面，一体板材料弯曲度大，在温度190℃时出现表面复合结构层氟材料卷曲现象，说明高温条件下一体板材料自身脱层的风险高。

图6 叠加结构板与单层板的耐温对比Fig.6 Comparison of temperature resistance of laminated structural panels and single-layer panels

2.5 耐老化能力

不同气候地区光伏组件的衰减和材料老化有一定差异和规律，尤其对于亚热、热带和温带等不同气候类型，及荒漠干旱、高原、沿海等多个地理特征的地区而言，影响更加明显，在众多环境因素中，对有机高分子材料的老化有重要影响的因素为温度、湿度和紫外光照。

2.5.1 抗湿热能力

湿热老化是评价高分子材料在高温、高湿环境下耐老化性能的有效方法，通常采取PCT加速老化试验箱，试验方法是将样品放置在温度121℃、湿度为100%的环境中，分别进行24、48、72 h老化试验，老化后对比性能和形貌，结果如图7和图8所示。

图7 湿热老化后两种封装材料透光率衰减和黄变指数Fig.7 Light transmittance decay and yellowing index of two packaging materials after damp heat aging

图8 两种材料湿热老化后形貌Fig.8 Shape of the two materials after hygrothermal aging

经测试，湿热老化后两种封装材料的透光率衰减和黄变均随老化时间增大。一体板的性能衰减较叠加结构板的更低。在PCT 48h后叠加结构板中间出现类似气泡现象，通过显微镜观测表面有凹陷，可能原因为叠加结构板由多层材料组成，水气富集界面中导致材料降解破裂，由此表明一体板抗湿热老化能力优于叠加结构材料。

2.5.2 抗紫外能力

众所周知，紫外线具有较短的波长和较高的能量，对高分子材料具有很强的破坏性，柔性组件正面一般采用有机背板或复合材料封装，这些材料在户外的老化通常是在紫外线、温度共同作用下发生，因此在选择封装材料时紫外老化测试是必不可少的一项测试。实验时，材料温度范围控制在60±5 ℃，紫外波长范围为280～400 nm，分别以UV 80、140、200、260、320 kWh/m²的辐照剂量照射两种封装材料的空气面。

2.5.2.1 紫外老化后透光率

作为组件正面材料要求具有良好的透光率，根据图9所示，随着UV辐照剂量的增大，两种封装材料的透光率变化并不明显，但仍为一体板的透光率优于叠加结构板。

图9 两种封装材料紫外老化后透光率对比Fig 9 Comparison of the light transmission of the two encapsulation materials after UV aging

2.5.2.2 紫外老化后黄变

高分子材料在老化过程中通常会伴随颜色的改变，色差的变化可在一定程度上反映材料的老化状况，其主要是通过材料的黄变指标进行衡量，黄变越大材料的老化越明显。图10显示了两种封装材料在持续至UV辐照剂量320kWh/m²后的黄变变化良好，ΔYI值均在3以内。

图10 两种封装材料紫外老化后黄变对比Fig.10 Comparison of the yellowing of two packaging materials after UV aging

通过以上测试发现，随着紫外剂量的增加，在经过UV 320kWh/m²的紫外辐照下，两种含氟柔性光伏组件用前板封装材料均具有良好抗紫外性能，黄变ΔYI＜3，表明材料的内部结构老化未有明显变化。含氟聚合物之所以具有不同于其他材料的特殊性能，是因为氟原子的引入，在有机化合物中所含的氟原子越多，C-F键的键长越短，键能越大，对于在户外使用的有机化合物，当其吸收了一个能量大于其化学键键能的光子时，便可以造成断键，从而使化合物遭到破坏。含氟背板材料中含有C-F键是有机化合物共价键中键能最大的，C-F键能是485kJ/mol，紫外光UVA和UVB波段为280～400 nm，280nm的波长的能量为427.4kJ/mol，所以在可见光到紫外光范围内造成C-F键破坏的可能性极小，这也是含氟化合物具有优异的耐候性的原因[2]。

3 两种封装材料组件性能分析

3.1 功率分析

分别采用柔性一体板和叠加结构板制备相同的柔性组件，使用光伏组件功率测试仪测试组件功率，对比数据见表1。

表1 两种封装材料的组件功率对比Table 1 Comparison of module power of two encapsulation materials

通过测试，一体板封装组件比叠加结构前板封装的组件功率高7.68W，主要原因与一体板材料具有更高的透光率密切相关。

3.2 组件抗老化能力

目前组件的封装主要以EVA、POE胶膜为主，为了验证两种胶膜搭配不同结构柔性前板的可靠性，采用叠加结构板、一体板制备层压件，分别以双EVA、双POE、前EVA+后POE、前POE+后EVA混搭方式与两种封装前板材料搭配，进行HAST 24h、HAST 48h和HAST 72h湿热老化试验，试验前后层压件的EL图如图11和图12所示。

图11 叠加结构板搭配不同胶膜湿热老化后EL图Fig.11 EL diagram of stacked structural panels with different adhesive films after hygrothermal aging

图12 一体板搭配不同胶膜湿热老化后EL图Fig.12 EL diagram of one-piece board with different adhesive films after damp heat aging

通过试验发现，两种封装材料采用双EVA搭配湿热后的EL图变化最为明显，均有局部发黑现象，主要原因是EVA的透水率大，降低了对电池片的保护，最优搭配为双POE。柔性组件是一种无玻璃的组件，为保证柔性组件的可靠性，目前选择胶膜封装仍以POE更为可靠。

3.3 组件抗冲击能力

冰雹天气作为自然灾害的一种，其发生的频率较高，多集中在春夏季，据了解中国是冰雹灾害频繁发生的国家之一，为了充分考量柔性组件抵御极端气候下应力的承受能力，分别采用两种封装材料制备相同的2块组件，按照标准IEC 61215使用直径25mm冰球，以23m/s的速度冲击组件表面[3]，测试组件功率,结果如图13所示。实验结果显示，两种封装材料组件的功率衰减表现均较低，都可满足标准IEC 61215对功率衰减的要求。

图13 两种封装材料组件冰雹后的功率衰减Fig.13 Power attenuation of two packaging material components after hail

4 结论

本文主要针对柔性一体板材料和目前市场上使用的叠加结构板，从关键性能进行分析并搭配IBC电池制备层压件、组件对其可靠性评估，形成如下结论。

（1）柔性一体板相比叠加结构板在透光率和耐老化性能方面表现优异，对组件的功率输出和可靠性更高。在耐机械冲击受力方面，一体板与叠加结构板制备的组件功率衰减均较低，满足IEC 61215标准要求。在耐热方面，叠加结构板受热后的平整度高但黄变较大，主要与中间粘合层有关，柔性一体板因复合结构特性高温下易出现表层材料卷曲，整体弯曲度大。

（2）柔性一体板与叠加结构板常温下的水气透过率差异不大，高温下两种前板封装材料水气透过率均有增大，但水气透过率可控，叠加结构板的阻水能力稍加优于柔性一体板。

（3）从两种封装材料搭配不同的胶膜应用效果看，在湿热条件下，两种封装材料制备的层压件采用双EVA封装均会出现电池片局部发黑现象，产品出现失效的风险会更高，其主要原因与EVA水透大直接相关，最优搭配以双POE表现明显，为保证柔性组件可靠性，建议以双POE封装为主。

综上，涂覆+复合型柔性一体板材料的优势明显，目前最大的可靠性风险在于表层材料受热后卷曲脱层，为规避表面缺陷问题可在结构上优化，如设计涂覆结构一体板材料并搭配双POE胶膜，以达到组件更高可靠性。