以塑代玻，透明光伏背板的性能提升之路

近幾年來(lái)，隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，雙面光伏組件成為當(dāng)下高效光伏組件封裝的主流方式之一。雙面光伏組件的正面和背面均能發(fā)電，較常規(guī)的單面組件，其發(fā)電量更多。

? ? ? ?雙面光伏組件

根據(jù)國(guó)際光伏技術(shù)路線圖(ITRPV2018)的預(yù)測(cè)，到2027年底，雙面組件將占據(jù)超過(guò)40%的市場(chǎng)份額。

? ? ? ?國(guó)際光伏技術(shù)路線圖(ITRPV2018)對(duì)單雙面組件市場(chǎng)預(yù)測(cè)圖

雙面組件背面透光材料的選擇主要為玻璃和透明背板。

盡管各光伏企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到透明背板的諸多好處，但市場(chǎng)上一直沒(méi)很好的透明背板產(chǎn)品，主要是由于技術(shù)水平的限制。透明背板由于材料特性和使用方面的要求，具有超高的透光率，將會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)光中的紫外線可以穿透整個(gè)背板，對(duì)背板的內(nèi)層材料造成破壞。因此，研發(fā)一款既具有高透明性，又具備優(yōu)良耐候性及具有紫外截止功能的透明背板對(duì)于光伏行業(yè)具有重要的意義。

透明背板中可見光透過(guò)率和耐紫外性能兩個(gè)性能指標(biāo)對(duì)電池組件的發(fā)電量和使用壽命起到了關(guān)鍵性作用。

1.透光率高

為提高透光率，光伏玻璃通過(guò)降低鐵含量、浮法壓花、表面鍍減反射膜、降低厚度等方式，目前光伏玻璃GB/T30984.1-2015《太陽(yáng)能用玻璃第1部分：超白壓花玻璃》中，用于前板的3.2mm的非鍍膜玻璃透光率要求≥91.5%，鍍膜玻璃透光率要求≥93%；用于雙玻的2mm非鍍膜玻璃，可見光透過(guò)率也要≥91.5%。

PET高分子材料由于表面特性和材料特性對(duì)光線存在反射和吸收，可見光透過(guò)率很難做到＞90%。

為減少光在界面處的損失，一般可通過(guò)改變反射光的相位或者介質(zhì)的折射率來(lái)達(dá)到。其中一種是干涉型堆棧式薄膜，這類薄膜利用光和物質(zhì)的相互作用，在薄膜頂部與底部的反射產(chǎn)生相消干涉來(lái)達(dá)到減反射的目的。

另外還可以通過(guò)改變空氣與基板之間薄膜在垂直高度上不同折射率分布來(lái)達(dá)到反射效果，利用這種原理的減反射膜稱為各向異性減反射膜，又稱折射率漸變減反射膜。因此，可以通過(guò)不同折射率材料的組合搭配，開發(fā)出具有高透光率的透明背板，可見光透光率達(dá)到93%以上，實(shí)現(xiàn)雙面組件較高的雙面率。

2.耐紫外性能

目前的高分子類型的光伏背板分為多種結(jié)構(gòu)，由于PET具有優(yōu)良的機(jī)械性能、電氣絕緣性能、水汽阻隔性能，是光伏背板優(yōu)選的骨架材料。為滿足戶外長(zhǎng)期使用的需求，一般都在PET兩側(cè)通過(guò)涂覆或者復(fù)合一層氟材料來(lái)保護(hù)PET。

戶外長(zhǎng)期使用環(huán)境中，高低溫冷熱沖擊、氧氣、紫外等條件是造成PET老化降解的主要因素，GB/T31034-2014《晶體硅太陽(yáng)電池組件用絕緣背板》中也設(shè)計(jì)了恒定濕熱、熱循環(huán)、濕凍循環(huán)、紫外照射等評(píng)估光伏背板長(zhǎng)期可靠性的實(shí)驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T31034-2014要求背板在經(jīng)過(guò)60kWh/m2輻照量以后，表面無(wú)粉化、開裂、黃變值＜3。為滿足耐紫外的性能需求，傳統(tǒng)的白色背板，其中都含有金紅石型鈦白粉，能夠起到良好的隔絕紫外線的作用，并具有長(zhǎng)期可靠性。但是常規(guī)的鈦白粉也具有極佳的遮蓋能力，可見光無(wú)法透過(guò)，不適于應(yīng)用在透明背板產(chǎn)品中。

常見的有機(jī)紫外吸收劑，比如二苯甲酮類、水楊酸酯類、苯并三唑類、三嗪類等，在紫外線的長(zhǎng)期照射下會(huì)失效，長(zhǎng)期可靠性不佳。因此，亟待發(fā)展一種長(zhǎng)期可靠的紫外屏蔽材料。

3.功率增益

在研發(fā)耐候性透明背板的同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)在雙面發(fā)電光伏組件電池片間隙的漏光區(qū)域涂上具有高反射率的白色涂層，能使原本會(huì)直接穿過(guò)電池片間隙而浪費(fèi)掉的太陽(yáng)光進(jìn)行二次利用，使雙面發(fā)電光伏組件的平均功率提升，這對(duì)于光伏組件來(lái)說(shuō)至少提高一個(gè)檔位。透明網(wǎng)格背板透光示意圖和反射示意圖如圖所示。

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常規(guī)透明背板光路示意圖

? ? ? ?透明網(wǎng)格背板光路示意圖

1. 耐紫外納米雜化材料

如果將TiO2、ZnO材料做到納米級(jí)別，材料在具有紫外屏蔽功能的同時(shí)可具有高度的透明性。

制備透明納米材料的方法是：使用鋅前驅(qū)體、鈦前驅(qū)體合成納米級(jí)別透明的氧化鋅、氧化鈦。使用超分散技術(shù)使其更好地分散在有機(jī)溶液中，并做表面修飾；之后在超分散納米粒子表面包裹一層稀土金屬配合物，稀土金屬具有光轉(zhuǎn)換功能，可以將部分的紫外光轉(zhuǎn)換為可見光，近紅外光；稀土金屬表面的配合物帶有多種特殊的官能團(tuán)，可以與氟碳樹脂進(jìn)行橋聯(lián)，形成有機(jī)無(wú)機(jī)納米雜化結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)背板耐紫外材料選用有機(jī)紫外吸收劑，具有光學(xué)不穩(wěn)定性，使用納米材料代替有機(jī)的紫外吸收劑，將具絕佳的耐候性能。當(dāng)然使用空心的二氧化鈦也是很好的方法。

下圖為合成的有機(jī)無(wú)機(jī)納米雜化材料的透射光譜圖，可以發(fā)現(xiàn)，在紫外波段，360nm以下的波長(zhǎng)范圍能很好地紫外吸收，可見光波段400~780nm范圍透過(guò)率可達(dá)94%以上。

? ? ? ?納米材料的透射光譜圖

2. 高透光膜層組合

當(dāng)一束光從一種介質(zhì)照射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于兩種介質(zhì)折射率的差異，會(huì)發(fā)生光的吸收、反射、透射。減反增透薄膜可以有效降低光在基底表面的反射，增加光的透射，從而可以提升某一波長(zhǎng)或者波段內(nèi)的光學(xué)性能。通過(guò)不同折光指數(shù)膜層的組合、樹脂的種類、膜層厚度等，縮小不同介質(zhì)的折射率的差距，提高了可見光透過(guò)率。

? ? ? ?不同透明膜及組合物的透光率

如圖所示，實(shí)驗(yàn)比較了玻璃(A)、PET(B)、FFC透明背板(C)、PET和EVA組合件(D)、PET和POE組合件(E)、FFC和EVA組合件(F)、FFC和POE組合件(G)的透光率。在波長(zhǎng)范圍400~780nm的可見光范圍內(nèi)，與壓花玻璃的透光率90.7%的透光率相比，透明FFC背板的93.7%的透光率，至少提高了2%。單獨(dú)的PET及PET的組合件透光率均低于89%，F(xiàn)FC透明背板和EVA組合件透光率略高于玻璃。

透明背板的可靠性分析是行業(yè)的研究重點(diǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證透明背板的可靠性，對(duì)背板進(jìn)行各種老化測(cè)試，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓花玻璃與透明FFC背板的初期及老化的透光率

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通過(guò)加速高溫高濕(DH)老化(85℃、85%RH飽和蒸汽)測(cè)試、紫外(UV)500kWh/m2老化測(cè)試，紫外(UV)和高溫高濕(DH)120kWh/m2同步測(cè)試手段，對(duì)透明FFC背板進(jìn)行了性能比較。數(shù)據(jù)可以看出，透明背板經(jīng)過(guò)DH3000h，UV-500kWh/m2和紫外濕熱120kWh/m2，可見波段的透過(guò)率出現(xiàn)了不同程度的衰減，但可見光波段的透率仍然大于90%。透明背板，紫外截止能力尤為重要，紫外波段的初期及老化數(shù)據(jù)見下圖。

? ? ? ?透明背板材料不同階段透光率曲線

在波長(zhǎng)范圍280~360nm初期紫外透過(guò)率只有0.03%，經(jīng)過(guò)濕熱老化3000h后變?yōu)?.08%，紫外老化500kWh/m2紫外透過(guò)為0.11%，紫外濕熱試驗(yàn)120kwh/m2為0.13%。說(shuō)明此透明背板具有很高的耐候性，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后紫外透過(guò)率的阻隔率仍然在99.8%以上?？梢詫?duì)組件內(nèi)層進(jìn)行很好的保護(hù)。

3. 高反射涂料

研究表明，采用金紅石型二氧化鈦?zhàn)鳛橥繉?，其太?yáng)熱反射能力與填料的光學(xué)性質(zhì)、形貌和粒徑有密切的關(guān)系。理論研究表明，金紅石型二氧化鈦的粒徑和反射成一定的關(guān)系，粒徑分布在0.2~1.25μm之間，二氧化鈦對(duì)太陽(yáng)光的熱反射性能就越好。

對(duì)于混合涂層來(lái)說(shuō)，其反射性能由填料的粒徑分布和其在樹脂中的分散狀態(tài)有關(guān)。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)二氧化鈦的粒徑和對(duì)其進(jìn)行表面修飾使其在樹脂中分散的更好以便制備出最佳的反射涂料。實(shí)驗(yàn)制備的反射涂料的反射率如下圖所示。

? ? ? ?反射涂料的反射光譜圖

可以看出，其涂層厚度10μm可見光反射率可以達(dá)到75%以上。當(dāng)涂層厚度達(dá)到20μm時(shí)可以達(dá)到85%以上的反射率。

雙面組件的發(fā)電量與電池組件的功率有直接關(guān)系，為了比較透明背板與網(wǎng)格背板的光伏組件的功率效果，制成20塊雙面透明背板與網(wǎng)格背板，并對(duì)其功率做了測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 透明背板與網(wǎng)格背板的功率比較

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對(duì)比兩組數(shù)據(jù)可知，透明雙面組件平均功率為295.3W，網(wǎng)格組件的平均功率是300.7W，平均增益5.4W。當(dāng)然每塊組件功率增益略有不同，這可能是組件自身、背板的反射率、自然條件等微小差異造成的。

比較發(fā)電量的差異，結(jié)果顯示，透明網(wǎng)格背板日均發(fā)電量為11.19kwh，透明背板日均發(fā)電量為11.06kwh，發(fā)電量平均增益1.2%。

從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，透明背板作為組件背面封裝材料，應(yīng)具有與光伏組件25年使用壽命甚至更長(zhǎng)的使用壽命。因此，在實(shí)證案例中，對(duì)組件應(yīng)用于各種環(huán)境和地域氣候中，并保持透明背板具有良好的耐老化性能，還要能保護(hù)組件內(nèi)層膠膜和太陽(yáng)電池，以保障組件的正常發(fā)電。

2019年6月到2020年1月，選擇不同的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)做戶外驗(yàn)證試驗(yàn)，分別位于海南瓊海市、新疆吐魯番、西藏拉薩。具體的經(jīng)緯度、海拔高度、安裝高度、組件安裝高度及地面類型等信息見表3。

表3不同地點(diǎn)的實(shí)證案例的信息

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實(shí)驗(yàn)選取吐魯番、拉薩六個(gè)月，瓊海12個(gè)月的透明網(wǎng)格組件的性能進(jìn)行比較，包括網(wǎng)格背板在涂層厚度、力學(xué)性能、擊穿電壓、透光率等。

如下圖a所示，空氣面厚度20μm，內(nèi)層厚度10μm，三個(gè)地點(diǎn)均沒(méi)有明顯變化；圖b中，各種力學(xué)性能、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率與初期一致；圖c中擊穿電壓為18~19kV，變化不大；圖d中，六個(gè)月后各地點(diǎn)的透光率沒(méi)有變化。這是一個(gè)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)還在持續(xù)觀測(cè)中。

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? ? ? ?透明背板在不同地區(qū) 6 個(gè)月的性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

雙面組件戶外曝曬滿一年后，抽取了海南瓊海市雙面組件測(cè)試其正、背面電性能。正面組件最大衰減1.21%，最小衰減0.30%。組件正面功率衰減主要集中在0.58%~1.02%，平均正面衰減功率為0.87%。背面使用透明網(wǎng)格背板，衰減主要集中在0.36%~0.67%，平均背面功率衰減0.44%，表現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性。

綜上實(shí)驗(yàn)可知，戶外暴曬一年后，組件的光學(xué)性能、力學(xué)性能、電學(xué)性能與出廠時(shí)性能相當(dāng)。

功率增益型透明網(wǎng)格背板，具有極佳的耐候性能、較高的透光率、功率增益的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、更加輕質(zhì)等特點(diǎn)，在組件大尺寸、雙面化的發(fā)展趨勢(shì)中，一定能夠得到更多的市場(chǎng)應(yīng)用和認(rèn)可。

參考資料：透明背板在雙面光伏組件的應(yīng)用研究，蘇州中來(lái)光伏新材料等

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：以塑代玻，透明光伏背板的性能提升之路