优胜劣汰!以塑代玻，透明光伏背板的性能提升之路
发布日期：2022/10/28
近几年来，随着光伏行业的快速发展，双面光伏组件成为当下高效光伏组件封装的主流方式之一。双面光伏组件的正面和背面均能发电，较常规的单面组件，其发电量更多。
根据国际光伏技术路线图(ITRPV2018)的预测，到2027年底，双面组件将占据超过40%的市场份额。
图片国际光伏技术路线图(ITRPV2018)对单双面组件市场预测图
双面组件背面透光材料的选择主要为玻璃和透明背板。
传统玻璃背板，即双玻组件，不仅存在工艺难度大、良品率低等工艺制程问题，而且还存在重量重、难安装、破损率高等应用方面的问题。欧洲劳动法规要求，单人单次搬重不能超过25kg，目前采用双玻封装的大功率组件远超过25kg。
尽管各光伏企业已经意识到透明背板的诸多好处，但市场上一直没很好的透明背板产品，主要是由于技术水平的限制。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，将会导致太阳光中的紫外线可以穿透整个背板，对背板的内层材料造成破坏。因此，研发一款既具有高透明性，又具备优良耐候性及具有紫外截止功能的透明背板对于光伏行业具有重要的意义。
透明背板的关键性能指标
透明背板中可见光透过率和耐紫外性能两个性能指标对电池组件的发电量和使用寿命起到了关键性作用。
1.透光率高
为提高透光率，光伏玻璃通过降低铁含量、浮法压花、表面镀减反射膜、降低厚度等方式，目前光伏玻璃GB/T30984.1-2015《太阳能用玻璃第1部分：超白压花玻璃》中，用于前板的3.2mm的非镀膜玻璃透光率要求≥91.5%，镀膜玻璃透光率要求≥93%；用于双玻的2mm非镀膜玻璃，可见光透过率也要≥91.5%。
PET高分子材料由于表面特性和材料特性对光线存在反射和吸收，可见光透过率很难做到＞90%。
为减少光在界面处的损失，一般可通过改变反射光的相位或者介质的折射率来达到。其中一种是干涉型堆栈式薄膜，这类薄膜利用光和物质的相互作用，在薄膜顶部与底部的反射产生相消干涉来达到减反射的目的。
另外还可以通过改变空气与基板之间薄膜在垂直高度上不同折射率分布来达到反射效果，利用这种原理的减反射膜称为各向异性减反射膜，又称折射率渐变减反射膜。因此，可以通过不同折射率材料的组合搭配，开发出具有高透光率的透明背板，可见光透光率达到93%以上，实现双面组件较高的双面率。
2.耐紫外性能
目前的高分子类型的光伏背板分为多种结构，由于PET具有优良的机械性能、电气绝缘性能、水汽阻隔性能，是光伏背板优选的骨架材料。为满足户外长期使用的需求，一般都在PET两侧通过涂覆或者复合一层氟材料来保护PET。
户外长期使用环境中，高低温冷热冲击、氧气、紫外等条件是造成PET老化降解的主要因素，GB/T31034-2014《晶体硅太阳电池组件用绝缘背板》中也设计了恒定湿热、热循环、湿冻循环、紫外照射等评估光伏背板长期可靠性的实验方法及标准。
GB/T31034-2014要求背板在经过60kWh/m2辐照量以后，表面无粉化、开裂、黄变值＜3。为满足耐紫外的性能需求，传统的白色背板，其中都含有金红石型钛白粉，能够起到良好的隔绝紫外线的作用，并具有长期可靠性。但是常规的钛白粉也具有极佳的遮盖能力，可见光无法透过，不适于应用在透明背板产品中。
常见的有机紫外吸收剂，比如二苯甲酮类、水杨酸酯类、苯并三唑类、三嗪类等，在紫外线的长期照射下会失效，长期可靠性不佳。因此，亟待发展一种长期可靠的紫外屏蔽材料。
3.功率增益
在研发耐候性透明背板的同时，研究人员发现在双面发电光伏组件电池片间隙的漏光区域涂上具有高反射率的白色涂层，能使原本会直接穿过电池片间隙而浪费掉的太阳光进行二次利用，使双面发电光伏组件的平均功率提升，这对于光伏组件来说至少提高一个档位。透明网格背板透光示意图和反射示意图如图所示。
常规透明背板光路示意图
图片透明网格背板光路示意图
透明网格背板材料性能研究与实验
1 耐紫外纳米杂化材料
如果将TiO2、ZnO材料做到纳米级别，材料在具有紫外屏蔽功能的同时可具有高度的透明性。
制备透明纳米材料的方法是：使用锌前驱体、钛前驱体合成纳米级别透明的氧化锌、氧化钛。使用超分散技术使其更好地分散在有机溶液中，并做表面修饰；之后在超分散纳米粒子表面包裹一层稀土金属配合物，稀土金属具有光转换功能，可以将部分的紫外光转换为可见光，近红外光；稀土金属表面的配合物带有多种特殊的官能团，可以与氟碳树脂进行桥联，形成有机无机纳米杂化结构。
传统背板耐紫外材料选用有机紫外吸收剂，具有光学不稳定性，使用纳米材料代替有机的紫外吸收剂，将具绝佳的耐候性能。当然使用空心的二氧化钛也是很好的方法。
下图为合成的有机无机纳米杂化材料的透射光谱图，可以发现，在紫外波段，360nm以下的波长范围能很好地紫外吸收，可见光波段400~780nm范围透过率可达94%以上。
图片纳米材料的透射光谱图
2. 高透光膜层组合
当一束光从一种介质照射到另一种介质时，由于两种介质折射率的差异，会发生光的吸收、反射、透射。减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，从而可以提升某一波长或者波段内的光学性能。通过不同折光指数膜层的组合、树脂的种类、膜层厚度等，缩小不同介质的折射率的差距，提高了可见光透过率。
图片不同透明膜及组合物的透光率
如图所示，实验比较了玻璃(A)、PET(B)、FFC透明背板(C)、PET和EVA组合件(D)、PET和POE组合件(E)、FFC和EVA组合件(F)、FFC和POE组合件(G)的透光率。在波长范围400~780nm的可见光范围内，与压花玻璃的透光率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%。单独的PET及PET的组合件透光率均低于89%，FFC透明背板和EVA组合件透光率略高于玻璃。
透明背板的可靠性分析是行业的研究重点。为了进一步验证透明背板的可靠性，对背板进行各种老化测试，具体数据见表1。
表1 压花玻璃与透明FFC背板的初期及老化的透光率
通过加速高温高湿(DH)老化(85℃、85%RH饱和蒸汽)测试、紫外(UV)500kWh/m2老化测试，紫外(UV)和高温高湿(DH)120kWh/m2同步测试手段，对透明FFC背板进行了性能比较。数据可以看出，透明背板经过DH3000h，UV-500kWh/m2和紫外湿热120kWh/m2，可见波段的透过率出现了不同程度的衰减，但可见光波段的透率仍然大于90%。透明背板，紫外截止能力尤为重要，紫外波段的初期及老化数据见下图。
图片透明背板材料不同阶段透光率曲线
在波长范围280~360nm初期紫外透过率只有0.03%，经过湿热老化3000h后变为0.08%，紫外老化500kWh/m2紫外透过为0.11%，紫外湿热试验120kwh/m2为0.13%。说明此透明背板具有很高的耐候性，经过长期老化后紫外透过率的阻隔率仍然在99.8%以上。可以对组件内层进行很好的保护。
3. 高反射涂料
研究表明，采用金红石型二氧化钛作为涂层，其太阳热反射能力与填料的光学性质、形貌和粒径有密切的关系。理论研究表明，金红石型二氧化钛的粒径和反射成一定的关系，粒径分布在0.2~1.25μm之间，二氧化钛对太阳光的热反射性能就越好。
对于混合涂层来说，其反射性能由填料的粒径分布和其在树脂中的分散状态有关。因此，可以通过调节二氧化钛的粒径和对其进行表面修饰使其在树脂中分散的更好以便制备出最佳的反射涂料。实验制备的反射涂料的反射率如下图所示。
图片反射涂料的反射光谱图
可以看出，其涂层厚度10μm可见光反射率可以达到75%以上。当涂层厚度达到20μm时可以达到85%以上的反射率。
透明背板可靠性研究
双面组件的发电量与电池组件的功率有直接关系，为了比较透明背板与网格背板的光伏组件的功率效果，制成20块双面透明背板与网格背板，并对其功率做了测试，具体数据如表2所示。
表2 透明背板与网格背板的功率比较
对比两组数据可知，透明双面组件平均功率为295.3W，网格组件的平均功率是300.7W，平均增益5.4W。当然每块组件功率增益略有不同，这可能是组件自身、背板的反射率、自然条件等微小差异造成的。
比较发电量的差异，结果显示，透明网格背板日均发电量为11.19kwh，透明背板日均发电量为11.06kwh，发电量平均增益1.2%。
从实际应用来看，透明背板作为组件背面封装材料，应具有与光伏组件25年使用寿命甚至更长的使用寿命。因此，在实证案例中，对组件应用于各种环境和地域气候中，并保持透明背板具有良好的耐老化性能，还要能保护组件内层胶膜和太阳电池，以保障组件的正常发电。
2019年6月到2020年1月，选择不同的实验地点做户外验证试验，分别位于海南琼海市、新疆吐鲁番、西藏拉萨。具体的经纬度、海拔高度、安装高度、组件安装高度及地面类型等信息见表3。
表3不同地点的实证案例的信息
实验选取吐鲁番、拉萨六个月，琼海12个月的透明网格组件的性能进行比较，包括网格背板在涂层厚度、力学性能、击穿电压、透光率等。
如下图a所示，空气面厚度20μm，内层厚度10μm，三个地点均没有明显变化；图b中，各种力学性能、拉伸强度、断裂伸长率与初期一致；图c中击穿电压为18~19kV，变化不大；图d中，六个月后各地点的透光率没有变化。这是一个长期实验验证，数据还在持续观测中。
图片透明背板在不同地区 6 个月的性能指标测试结果
双面组件户外曝晒满一年后，抽取了海南琼海市双面组件测试其正、背面电性能。正面组件最大衰减1.21%，最小衰减0.30%。组件正面功率衰减主要集中在0.58%~1.02%，平均正面衰减功率为0.87%。背面使用透明网格背板，衰减主要集中在0.36%~0.67%，平均背面功率衰减0.44%，表现出优异的可靠性。
来源：全球光伏
