盧 博，左 燕，郭永剛，李媛媛

(青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽能電力分公司，陜西西安 710199)

單晶硅電池組件目前仍然是主流技術(shù)，但不論是晶硅、薄膜、鈣鈦礦電池組件都對封裝材料提出了更高的質(zhì)量要求。本文從玻璃、背板、前板三方面分別總結(jié)了不同材料對組件性能和可靠性的影響和失效機理。

1 鍍膜玻璃

玻璃是光伏組件中最重要的光伏材料之一，其在空氣/玻璃界面的反射損耗約為4%[1]。為了更進一步提高玻璃的透光性，通常會在其表面覆蓋一層減反射薄膜(anti-reflection coating，ARC)，從而提高組件的功率和效率。其機理是：太陽光在不同材料界面間會形成不同的反射光，反射光之間會存在干涉，形成新的光波。由于光的波動性，有一定概率疊加抵消，從而反射光被削弱，透射光增強[2]。減反射膜在起到增透作用的同時，有些膜層同時具備超疏水和自清潔的功能。Jung Woo 等使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為玻璃基板上的增透層，發(fā)現(xiàn)在350～800 nm 波段內(nèi)，PDMS 薄膜疊合在玻璃襯底上表現(xiàn)出疏水性，水接觸角(θCA)約120°，太陽光平均透射率(SWT)為94.2%，均顯著高于玻璃襯底的水接觸角(θCA) 36°和太陽光平均透射率90.3%(圖1)。采用PDMS 薄膜改性的玻璃基板上制備的有機太陽電池，取得的功率轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency，PCE)為6.19%，短路電流密度Jsc為19.74 mA/cm2，相比于普通玻璃襯底制備的有機太陽電池的PCE(5.16%)和Jsc(17.25 mA/cm2)有明顯提高[3]。

圖1 λ為350～800 nm 時，玻璃基片和IMN PDMS(P380)/玻璃的太陽光平均透射率(SWT)與入射角θ的關(guān)系(對應(yīng)樣品計算得出的SWT與θ關(guān)系如插圖所示[3])

Kang 等[4]受荷葉微觀形貌啟發(fā)制備的具有分層金字塔陣列形貌的鈣鈦礦太陽電池具有更強的自清潔特性和防水性。Kang 等在CH3NH3PbI3鈣鈦礦太陽電池上使用PDMS 薄膜，由于減反射效應(yīng)，其功率轉(zhuǎn)換效率PCE 從13.12% 提高到14.01%。此外，鈣鈦礦太陽電池上的PDMS 薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水特性，使鈣鈦礦太陽電池具有防水性能。應(yīng)用在玻璃上的減反射材料還有二氧化硅等。通過溶膠-凝膠法形成的硅基減反射膜具有足夠高的孔隙率和理想厚度，被認(rèn)為是一種低成本提高組件PCE 的方法[5]。除了光學(xué)性能外，太陽能玻璃上減反射膜的戶外耐久性，如機械、濕度和化學(xué)穩(wěn)定性等，對減反射膜在光伏組件中的實際應(yīng)用也十分重要[6]。

為了同時實現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)性能和戶外耐久性，人們開發(fā)了各種硅基減反射膜。在孔隙結(jié)構(gòu)方面，減反射膜主要有開孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)兩種[7]。這些材料表面的潤濕性通常是親水的或疏水的。除了優(yōu)良的光學(xué)性能和耐久性外，灰塵和污染物的積累造成的影響更值得被關(guān)注?；覊m會降低玻璃透光率和光伏組件功率。這種污染現(xiàn)象比較復(fù)雜，受濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、粉塵性質(zhì)、光伏組件傾斜角度等多因素的影響?；覊m等污染物的粘附，也是限制減反射薄膜使用的一個主要缺點。Hachicha 等[8]通過一組室內(nèi)和室外實驗，研究了在阿拉伯聯(lián)合酋長國當(dāng)?shù)貧夂驐l件下灰塵對光伏系統(tǒng)性能的影響。他們觀察到，由于光伏組件上的灰塵顆粒尺寸較小(約為1.61～38.40 μm)，易于沉降，從而導(dǎo)致光伏組件性能下降。光伏組件的傾斜角度同樣也影響到塵土積累，隨著傾斜角度增大，受重力影響，有助于玻璃表面的除灰。此外，沙塵的積累程度受當(dāng)?shù)貧夂驐l件影響較大。

因此，近年來具備防塵特性的保護膜被廣泛研究。防塵膜又叫AS 保護膜(anti-soling coating，ASC)，也叫防污膜，廣泛使用在光伏玻璃表面。當(dāng)然，減弱灰塵等污染物對光伏玻璃表面影響的方法有很多，如自然過程中的降水和大風(fēng)，機械或機電設(shè)備的使用，如清掃機器人和表面功能化等方法。Mooutinho 等[9]研究了光伏玻璃表面粗糙度對粉塵顆粒與光伏玻璃附著力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著表面粗糙度增加，顆粒附著力逐漸減小，這是因為粉塵顆粒與玻璃表面接觸面積減小，也就是接觸角逐漸變大。

在防塵膜中，大多數(shù)薄膜或涂層只有抗污作用，沒有起到增加光伏玻璃透光度的效果，然而，一些學(xué)者將抗污效果和減反射的增透作用結(jié)合起來研究。L?bmann 等[10]首先指出了親水多孔的SiO2涂層在干旱地區(qū)不僅具有增透性，而且具有抗污性。SiO2涂層在干燥條件下的抗污性能，源于SiO2表面形成的水薄膜的電導(dǎo)率抑制了表面靜電效應(yīng)，阻止了靜電電荷的局部化[11]。這是因為由于多孔的SiO2涂層含有許多羥基(-OH)，可以在表面吸附水，因此形成了一層水膜。為了進一步研究SiO2減反射膜的除污過程，Goossens 等[12]提出了一種風(fēng)洞實驗方案，研究干燥條件下SiO2減反射膜在粉塵沉積和除塵過程中的抗污效果。他們的工作表明，在低風(fēng)速，0°傾角條件下，SiO2減反射膜不影響粉塵的沉降，但對干式除塵有顯著影響，與未使用減反射膜的表面相比，干式除塵開始于較低的風(fēng)速，并可以更快地清潔表面，使用涂層的表面具有更高的透光率。隨著玻璃板被灰塵污染得越來越嚴(yán)重，涂層的作用逐漸降低，透光率越來越小。粉塵的堆積主要影響可見光波段長波部分的透射率。短波部分也會受到影響，但強度較低，如圖2 所示。

圖2 ARC、ASC、未鍍膜表面上的累積除塵曲線圖[12]

Zhang 等[13]研究了在沿海城市氣候條件下，不同的硅基減反射膜的表面形貌和化學(xué)特性對防塵性能的影響，分別制備了中空SiO2納米顆粒減反射膜(HSN)，SiO2納米顆粒減反射膜(SSN)，甲基基團改性的親水性HSN(CH3-HSN)和含氟基團改性的疏水性HSN(F-HSN)4 種樣品。由表1 可以看出，4 種減反射膜透光率均大于玻璃基體，說明均可以實現(xiàn)增透的作用。隨著6 個月的戶外實證，環(huán)境因素的影響，從ΔT1-6/ΔTpv(%)看出，HSN 的值最低為1.60，說明HSN 膜具有長期抗污防塵的能力，SSN 和CH3-HSN 比玻璃1.90 略高，防污能力與玻璃相當(dāng)，F(xiàn)-HSN 值為4.50 明顯高于玻璃，說明無長期防塵作用。此外通過對4 種減反射膜粗糙度的表征，HSN ARC 比SSN ARC表面粗糙度更大，具有更好的抗污性能。在4 種減反射膜和未鍍膜玻璃中，疏水的F-HSN 抗污性能最差，是因為污染物與其表面的附著力最大，同時也因為室外的樣品組件傾角不足以通過雨水去除污染物。

表1 樣品與玻璃基體測試數(shù)據(jù) %

Miguel 等[14]在不同玻璃表面進行了減反射、疏水涂層、減反射/防塵處理，并制備了異質(zhì)結(jié)組件。通過控制不同的環(huán)境溫度和樣品溫度來實現(xiàn)對相對濕度(relative humidity，RH)的控制，從而模擬不同的自然環(huán)境，分別模擬了RH=20%(晴天)、RH=80%(夜晚結(jié)束時結(jié)露)、RH=40%(相對干燥的陰天)的環(huán)境。結(jié)果表明：當(dāng)達到露點時，玻璃表面上的露珠，會形成類似的水通道，此時通過分光光度計測量玻璃的透光率，與短路電流Isc的降低沒有很好的線性關(guān)系。當(dāng)灰塵累計到1～2 g/m2時，組件中電流損耗從5%升到7%，電流損耗同時也受玻璃表面露珠形成的水通道影響。經(jīng)過減反射/防塵處理的玻璃表面，在不同自然環(huán)境和灰塵影響下，在可見光波段其透過率均表現(xiàn)最好。

Huang 等[15]制備了不同潤濕性的透明涂層：超親水性、親水性、疏水性和超疏水性，通過實驗研究了其抗污防塵效果。通過粉塵沉積密度、透光率、光伏效率等指標(biāo)，表征了不同潤濕性涂層的防塵性能。親水性、疏水性和超疏水性透明涂層均具有良好的防塵抗污性能，超親水涂層主要受高表面能影響，表面粗糙度對抵抗粘附效果的貢獻較小，防塵效果較低。對于使用不同潤濕性的涂層，與未處理的玻璃基板相比，效率損失由1.5%～6.5%減少到1%～3%，其中使用超疏水涂層的光伏組件效率降低最小。這再次表明疏水性和親水性涂層均可以作為防塵膜，且超疏水涂層在使用過程中退化為疏水性，甚至是親水性時，仍有一定的抗污能力，提高了超疏水涂層的使用壽命，并且擴大了涂層的使用范圍。

此外，除了光伏中常用的增透膜和防塵膜外，在一些特殊應(yīng)用場景，如機場等對眩光有嚴(yán)格要求的光伏應(yīng)用場景，需要用到防眩光玻璃，以免對起飛或降落的飛機駕駛安全造成影響。在光伏建筑一體化中(BIPV)，同樣需要使用防眩光涂層，如LOW-E 膜或其他彩色裝飾涂層來達到光伏與建筑的匹配融合。近年來，這已經(jīng)引起了更多人的研究興趣[16-17]。

2 背板

光伏組件的背面通常由聚合物背板覆蓋，以提供電氣絕緣和環(huán)境保護。光伏背板通常由多層結(jié)構(gòu)(主要是三層)組成，每一層都有一個特定功能：與封裝膠膜接觸的層需要提供持久的粘附性和與膠膜的化學(xué)兼容性，并對通過玻璃和封裝膠膜的直接太陽照射保持穩(wěn)定，通常使用含氟聚合物、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)等材料；中心或核心層通常較厚，并提供整個背板材料所需的機械和電氣性能，通常使用聚對苯二甲酸乙酯(PET)，少數(shù)背板類型使用聚酰胺或聚烯烴作為核心層；外層由于為其他層提供了保護，并直接暴露在環(huán)境中，包括間接紫外線(從地面反射，取決于地面的反射率)，因此需要使用高可靠性和穩(wěn)定性的材料，通常由氟碳樹脂(PEVE)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚氟乙烯(PVF)制成，非氟聚合物的外層替代品包括PET、聚酰胺和聚烯烴等材料，但在環(huán)境穩(wěn)定性方面還需要進一步研究來提高性價比[18]。

這些層通常是通過添加粘合劑粘合在一起的。只有少數(shù)材料組合可以共擠成多層背板。由于每個背板層在戶外時都暴露在一組不同的應(yīng)力下，它們各自的性能影響整個背板的性能，最后影響整個光伏組件的性能。由于背板結(jié)構(gòu)和材料配方的不同，背板材料的降解機制和耐久性也有所不同。在戶外使用時背板最常見的降解和失效方式是黃變、粉化、分層開裂、燒蝕和鼓包，如圖3 所示[19]。

圖3 背板退化和失效表現(xiàn)：黃變(左)、開裂(中)、分層(右)[19]

為了降低光伏系統(tǒng)成本，增加光伏組件的使用壽命和更多的發(fā)電量，光伏背板的可靠性至關(guān)重要?？茖W(xué)家們對背板的降解和失效原因進行了分析，對提高背板和組件的可靠性和壽命提供了更多參考。造成黃變的原因主要是由于組件在工作運行中，光致氧化分解，化學(xué)降解過程中產(chǎn)生一種名為生色團的副產(chǎn)物，呈現(xiàn)黃色的外觀。白色染料如TiO2和BaSO4常被添加到聚合物配方中，因為它們的光吸收性能可以增加背板的抗紫外性能。然而，空氣側(cè)聚合物表面的降解會導(dǎo)致這些染料積累，從而導(dǎo)致光澤喪失和呈白堊狀外觀。盡管背板發(fā)黃和粉化與組件性能損失沒有直接聯(lián)系，但它們的出現(xiàn)表明了聚合物結(jié)構(gòu)發(fā)生了化學(xué)和形態(tài)變化，是更嚴(yán)重的降解形式(如脆化、開裂和分層)的早期表現(xiàn)[20-21]。

近年來，背板開裂是一個日益頻發(fā)的問題。開裂會損害電氣絕緣，引起接地故障、漏電、濕絕緣電阻降低等安全問題。它還打開了新的通道，使水氣和其他化學(xué)物質(zhì)滲透到組件中，從而促進組件其他部分的降解。風(fēng)化后，聚合物分子量降低，結(jié)晶度增加，導(dǎo)致脆化[22-23]。因此，研究清楚電池片間距和金屬化柵線處的背板開裂原因至關(guān)重要。在電池側(cè)和空氣側(cè)均可觀察到裂紋，裂紋擴展模式可能因材料處理和自然暴露條件而異[24]。由于粘合力和層壓工藝差，或天氣引起的降解，在背板/封裝膠膜界面以及背板本身層間可能會發(fā)生分層或鼓包[25]。如果分層發(fā)生在組件邊緣或接線盒附近，可能會導(dǎo)致電流泄漏或接線盒脫落，直接影響組件性能和安全。如果在背板中心發(fā)生分層，則會提高熱阻，導(dǎo)致該區(qū)域電池的工作溫度升高，并成為水凝結(jié)點[26]。

3 前板

聚合物板有時作為正面蓋板封裝材料被用來代替玻璃。近年來，前板材料正在被越來越多地使用，特別是應(yīng)用在輕質(zhì)組件的封裝結(jié)構(gòu)中[27]。前板材料與背板類似，但它們沒有添加用于增強光吸收的礦物顏料，因為它們必須具有高透明度。相反，前板材料使用的是穩(wěn)定的化學(xué)添加劑，包括紫外吸收劑等。透明前板除了要有良好的透光度和抗紫外性能外，還需要提供一定的機械強度，抗風(fēng)、抗冰雹沖擊等耐候性和其他封裝材料相匹配的熱膨脹系數(shù)。典型的前板材料有ETFE、氟碳樹脂、PVF、PVDF 等。前板的失效模式與背板基本相似，但與背板不同的是，變色和分層因為降低了透光率，所以會直接導(dǎo)致光學(xué)損失，從而影響組件功率。

目前，應(yīng)用在輕質(zhì)組件上的前板結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種是氟碳樹脂/PET 復(fù)合的透明前板，其結(jié)構(gòu)和性能類似于背板；另一種是采用ETFE/玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。機械穩(wěn)定性是輕量化光伏設(shè)計的挑戰(zhàn)之一：一方面，用來替代玻璃的薄聚合物前板(front sheet，F(xiàn)S)并不能完全保護太陽電池免受沖擊的影響；另一方面，由于沒有玻璃，組件剛度和機械穩(wěn)定性降低，可能不足以承受較大的機械應(yīng)力。因此，太陽電池破裂和發(fā)電量的減小是難以避免的，正如文獻[15]所述。優(yōu)化組件材料，降低電池破裂傾向，是輕量化光伏應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，如屋頂安裝、光伏建筑一體化(BIPV)，或車輛集成光伏。近年來，研究者們通過替換玻璃來獲得輕量化的光伏組件，例如聚合物襯底等輕質(zhì)材料或替換組件的背部邊框結(jié)構(gòu)[28]。Kajisa 等[28]提出了一種符合IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的輕型光伏組件。然而，該解決方案的目標(biāo)是安裝在標(biāo)準(zhǔn)屋頂上，而不是直接集成到建筑表面(屋頂或立面)。因此，在設(shè)計過程中，對美學(xué)問題的關(guān)注并不多。

E.Planes 等[29]通過紅外和拉曼分析研究了輕質(zhì)組件在溫度、濕度和紫外線輻照等綜合條件下的老化過程。在80 ℃/85%RH下加速老化2 000 h 后，對ETFE/EVA/PET/EVA/PET多層聚合物封裝系統(tǒng)的化學(xué)降解性能進行了表征。通過紅外光譜和拉曼光譜可以更好地相互印證和觀察EVA 中醋酸乙烯酯的含量、苯基和礦物成分，此外還可以清晰地表征聚合物結(jié)構(gòu)的層數(shù)。在加速老化測試后，第四層的PET 出現(xiàn)了明顯降解和厚度上的不均勻，但并不影響整體結(jié)構(gòu)對紫外光的吸收性能。

Ana C.Martins 等[30]基于單晶硅光伏組件設(shè)計了一種具有剛性、輕量化、抗冰雹沖擊和機械負(fù)載的輕質(zhì)組件，并改善了其美觀度。在意外掉落時組件不會損壞，減少了安裝過程中的風(fēng)險。如圖4 所示，其前蓋板選用ETFE 聚合物，通過復(fù)合背板為整個組件提供了剛性支撐。研究表明其制備的輕質(zhì)組件能抵抗冰雹和2 400 Pa 的機械載荷。輕質(zhì)組件的單位質(zhì)量為6 kg/m2，雙玻組件單位質(zhì)量為14～20 kg/m2，減重57%～70%；單玻組件單位質(zhì)量為12～16 kg/m2，減重50%～62.5%。復(fù)合背板的剛度對抗冰雹性能有較大的影響，低剛度背板受冰雹沖擊損傷更小。這種效應(yīng)是由于沖擊在整個結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的能量被分散。具有高儲能模量的前板可以減輕冰雹造成的損害。當(dāng)選擇模量為350～450 MPa 的前板時，將確保冰雹不會對太陽電池造成裂紋。前板的高剛度有助于消散冰雹對組件表面的沖擊能和冰球開裂。通過四點彎曲實驗和靜態(tài)機械載荷測試的相關(guān)計算，作者建立了復(fù)合背板剛度的閾值，小于該閾值時，電池片檢測到裂紋。當(dāng)閾值為17.4 GPa時，復(fù)合背板可以使輕質(zhì)組件抵抗2 400 Pa 的靜態(tài)負(fù)載，且功率損耗小于1%。此外，通過安裝模塊將組件背面固定，可使組件所受機械應(yīng)力減少80%。

圖4 應(yīng)用于BIPV的輕量化光伏組件結(jié)構(gòu)圖[30]

Lisco 等采用ETFE 作為前板，采用玻璃纖維增強樹脂(GFRP)代替后板材料，使用不同的封裝膠膜如EVA、POE、熱塑性塑料等，制備了輕質(zhì)組件，通過對光學(xué)、電性能、力學(xué)性能進行對比，探究最佳的封裝膠膜。通過冰雹測試，前板最優(yōu)的封裝結(jié)構(gòu)為采用TPO 和POE 雙層膠膜，使用不同粘彈性的熱塑性彈性體組合，為輕質(zhì)柔性組件提供了最佳的機械完整性、穩(wěn)定性和彈性，這種配置不僅有助于減輕冰雹沖擊效應(yīng)，還具有良好的耐候性。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了光伏組件蓋板材料及其可靠性和降解機理的最新研究進展。目前最常見的技術(shù)仍然是單晶硅，但是不論是晶硅、薄膜、鈣鈦礦電池組件都對封裝材料提出了更高的質(zhì)量要求。本文從玻璃、背板、前板三方面分別總結(jié)了：玻璃表面不同減反射膜或增透膜、防塵膜、防眩光薄膜等對光伏組件帶來的影響和收益，以及不同氣候條件下，疏水性和親水性等功能化對玻璃和組件的影響；闡述了目前背板材料在戶外長期工作下的降解表現(xiàn)和失效機理，對背板材料使用壽命的提高和性能改善提供了參考；對近年來熱門的輕質(zhì)組件和不同材料替代前蓋板玻璃所表現(xiàn)出的可靠性與耐候性進行了綜述。在今后，隨著廠家對光伏材料的經(jīng)濟性和功能性提出更高要求，各種新材料頻繁推出，不同封裝層材料對光伏組件發(fā)電量的增益和可靠性、耐候性評估仍然具有挑戰(zhàn)性，太陽能汽車、光伏建筑一體化等市場的進一步擴大，對光伏組件的封裝結(jié)構(gòu)和兼容性更會提出新的要求和標(biāo)準(zhǔn)。