近幾年來，隨著光伏行業的快速發展，雙面光伏組件成為當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電，較常規的單面組件，其發電量更多。

 

根據國際光伏技術路線圖(ITRPV2018)的預測，到2027年底，雙面組件將占據超過40%的市場份額。

 

       

 

國際光伏技術路線圖(ITRPV2018)對單雙面組件市場預測圖

 

雙面組件背面透光材料的選擇主要為玻璃和透明背板。

 

傳統玻璃背板，即雙玻組件，不僅存在工藝難度大、良品率低等工藝制程問題，而且還存在重量重、難安裝、破損率高等應用方面的問題。歐洲勞動法規要求，單人單次搬重不能超過25kg，目前采用雙玻封裝的大功率組件遠超過25kg。

 

盡管各光伏企業已經意識到透明背板的諸多好處，但市場上一直沒很好的透明背板產品，主要是由于技術水平的限制。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，將會導致太陽光中的紫外線可以穿透整個背板，對背板的內層材料造成破壞。因此，研發一款既具有高透明性，又具備優良耐候性及具有紫外截止功能的透明背板對于光伏行業具有重要的意義。

 

透明背板的關鍵性能指標

 

透明背板中可見光透過率和耐紫外性能兩個性能指標對電池組件的發電量和使用壽命起到了關鍵性作用。

 

1.透光率高

 

為提高透光率，光伏玻璃通過降低鐵含量、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，可見光透過率也要≥91.5%。

 

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

 

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

 

另外還可以通過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達到反射效果，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，可以通過不同折射率材料的組合搭配，開發出具有高透光率的透明背板，可見光透光率達到93%以上，實現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構，由于PET具有優良的機械性能、電氣絕緣性能、水汽阻隔性能，是光伏背板優選的骨架材料。為滿足戶外長期使用的需求，一般都在PET兩側通過涂覆或者復合一層氟材料來保護PET。

 

戶外長期使用環境中，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《晶體硅太陽電池組件用絕緣背板》中也設計了恒定濕熱、熱循環、濕凍循環、紫外照射等評估光伏背板長期可靠性的實驗方法及標準。

 

GB/T31034-2014要求背板在經過60kWh/m2輻照量以后，表面無粉化、開裂、黃變值＜3。為滿足耐紫外的性能需求，傳統的白色背板，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，并具有長期可靠性。但是常規的鈦白粉也具有極佳的遮蓋能力，可見光無法透過，不適于應用在透明背板產品中。

 

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

 

3.功率增益

 

在研發耐候性透明背板的同時，研究人員發現在雙面發電光伏組件電池片間隙的漏光區域涂上具有高反射率的白色涂層，能使原本會直接穿過電池片間隙而浪費掉的太陽光進行二次利用，使雙面發電光伏組件的平均功率提升，這對于光伏組件來說至少提高一個檔位。透明網格背板透光示意圖和反射示意圖如圖所示。

 

       

 

常規透明背板光路示意圖

 

       

 

透明網格背板光路示意圖

 

透明網格背板材料性能研究與實驗

 

耐紫外納米雜化材料

 

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

 

制備透明納米材料的方法是：使用鋅前驅體、鈦前驅體合成納米級別透明的氧化鋅、氧化鈦。使用超分散技術使其更好地分散在有機溶液中，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，稀土金屬具有光轉換功能，可以將部分的紫外光轉換為可見光，近紅外光；稀土金屬表面的配合物帶有多種特殊的官能團，可以與氟碳樹脂進行橋聯，形成有機無機納米雜化結構。

 

傳統背板耐紫外材料選用有機紫外吸收劑，具有光學不穩定性，使用納米材料代替有機的紫外吸收劑，將具絕佳的耐候性能。當然使用空心的二氧化鈦也是很好的方法。

 

下圖為合成的有機無機納米雜化材料的透射光譜圖，可以發現，在紫外波段，360nm以下的波長范圍能很好地紫外吸收，可見光波段400~780nm范圍透過率可達94%以上。

 

       

 

納米材料的透射光譜圖

 

2. 高透光膜層組合

 

當一束光從一種介質照射到另一種介質時，由于兩種介質折射率的差異，會發生光的吸收、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或者波段內的光學性能。通過不同折光指數膜層的組合、樹脂的種類、膜層厚度等，縮小不同介質的折射率的差距，提高了可見光透過率。

 

       

 

不同透明膜及組合物的透光率

 

如圖所示，實驗比較了玻璃(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。在波長范圍400~780nm的可見光范圍內，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%。單獨的PET及PET的組合件透光率均低于89%，FFC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的研究重點。為了進一步驗證透明背板的可靠性，對背板進行各種老化測試，具體數據見表1。

 

表1 壓花玻璃與透明FFC背板的初期及老化的透光率

 

         

 

通過加速高溫高濕(DH)老化(85℃、85%RH飽和蒸汽)測試、紫外(UV)500kWh/m2老化測試，紫外(UV)和高溫高濕(DH)120kWh/m2同步測試手段，對透明FFC背板進行了性能比較。數據可以看出，透明背板經過DH3000h，UV-500kWh/m2和紫外濕熱120kWh/m2，可見波段的透過率出現了不同程度的衰減，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據見下圖。

 

       

透明背板材料不同階段透光率曲線

 

在波長范圍280~360nm初期紫外透過率只有0.03%，經過濕熱老化3000h后變為0.08%，紫外老化500kWh/m2紫外透過為0.11%，紫外濕熱試驗120kwh/m2為0.13%。說明此透明背板具有很高的耐候性，經過長期老化后紫外透過率的阻隔率仍然在99.8%以上?？梢詫M件內層進行很好的保護。

 

3. 高反射涂料

 

研究表明，采用金紅石型二氧化鈦作為涂層，其太陽熱反射能力與填料的光學性質、形貌和粒徑有密切的關系。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系，粒徑分布在0.2~1.25μm之間，二氧化鈦對太陽光的熱反射性能就越好。

 

對于混合涂層來說，其反射性能由填料的粒徑分布和其在樹脂中的分散狀態有關。因此，可以通過調節二氧化鈦的粒徑和對其進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。實驗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到75%以上。當涂層厚度達到20μm時可以達到85%以上的反射率。

 

透明背板可靠性研究

 

雙面組件的發電量與電池組件的功率有直接關系，為了比較透明背板與網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格背板，并對其功率做了測試，具體數據如表2所示。

 

表2 透明背板與網格背板的功率比較

 

             

 

對比兩組數據可知，透明雙面組件平均功率為295.3W，網格組件的平均功率是300.7W，平均增益5.4W。當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。

 

比較發電量的差異，結果顯示，透明網格背板日均發電量為11.19kwh，透明背板日均發電量為11.06kwh，發電量平均增益1.2%。

 

從實際應用來看，透明背板作為組件背面封裝材料，應具有與光伏組件25年使用壽命甚至更長的使用壽命。因此，在實證案例中，對組件應用于各種環境和地域氣候中，并保持透明背板具有良好的耐老化性能，還要能保護組件內層膠膜和太陽電池，以保障組件的正常發電。

 

2019年6月到2020年1月，選擇不同的實驗地點做戶外驗證試驗，分別位于海南瓊海市、新疆吐魯番、西藏拉薩。具體的經緯度、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不同地點的實證案例的信息

 

             

 

實驗選取吐魯番、拉薩六個月，瓊海12個月的透明網格組件的性能進行比較，包括網格背板在涂層厚度、力學性能、擊穿電壓、透光率等。

 

如下圖a所示，空氣面厚度20μm，內層厚度10μm，三個地點均沒有明顯變化；圖b中，各種力學性能、拉伸強度、斷裂伸長率與初期一致；圖c中擊穿電壓為18~19kV，變化不大；圖d中，六個月后各地點的透光率沒有變化。這是一個長期實驗驗證，數據還在持續觀測中。

 

               

 

       

 

透明背板在不同地區 6 個月的性能指標測試結果

 

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%，表現出優異的可靠性。

 

綜上實驗可知，戶外暴曬一年后，組件的光學性能、力學性能、電學性能與出廠時性能相當。

 

功率增益型透明網格背板，具有極佳的耐候性能、較高的透光率、功率增益的結構特點、更加輕質等特點，在組件大尺寸、雙面化的發展趨勢中，一定能夠得到更多的市場應用和認可。