2020年中国光伏技术发展报告—— 晶体硅太阳电池研究进展(11)

中国可再生能源学会光伏专业委员会

(中国可再生能源学会，北京 100190)

背板内层的失效模式主要是不耐UV辐照；背板中间层的失效原因主要是不耐水解和UV辐照，导致背板开裂及分层；背板外层的失效模式主要是不耐UV辐照、湿热，导致背板粉化、开裂。背板开裂代表其绝缘性能失效，易引发漏电、电弧、火灾等安全事故，甚至造成人员与财产损失；此外，背板开裂也会增大背板的水汽透过率，导致光伏组件内部电路被腐蚀，若长久使用此种背板，光伏组件将丧失发电性能，其内部电路也会因氧化严重而被破坏，光伏组件寿命就此终止。

背板发生脱层现象与其内层和EVA之间的粘结力有关，此现象发生后会在EVA和背板之间形成一个新的空气层，在EVA/空气界面反射率会增加；另外，脱层会导致湿气聚集在脱层区域，从而进一步扩大脱层区域，加速水、氧的进入和积累，导致醋酸的生成，最终发生金属栅线氧化、腐蚀等现象。背板的内层开裂一般是因胶粘剂易水解老化导致的。背板材料间的复合工艺不一，由于光伏组件长期在户外受湿热、温度等综合因素的影响，背板粘结层的胶粘剂易发生水解，从而导致氟膜与PET基板发生层间剥离，这会导致湿气聚集在开裂区域；同时，开裂区域也会成为湿气快速进入光伏组件的通道，造成背面金属栅线的腐蚀失效。传统观念认为，黄变现象的发生与背板的内层和外层抗UV辐照特性相关，紫外光的照射导致背板层的分子组成部分被破坏，背板的整体性能下降；同时，背板的反射率降低，影响了光伏组件的整体功率输出。从性能方面来看，背板外层主要起到耐候(紫外，温、湿度，冷、热应力，化学品腐蚀，风沙磨损等)和方便接线盒与边框粘结的作用。总体来看，背板材料的选择需充分考虑项目地的沙尘、湿度、光照、温度和盐雾等不同自然环境因素的影响，同时其还受成本、市场和技术等多种因素的限制，单一的背板类型很难满足上述所有环境应用条件，因此针对应用区域的气候条件差异来选择背板，更有助于保证光伏组件的稳定运行及可靠性。比如，沙漠地区的地面温度最高可达60～80 ℃，昼夜温差可达50 ℃，紫外线辐照量大，25年的辐照量可达275 kWh/m2，风沙大且气候干燥，因此该区域应用的背板需具备更好的散热性、耐紫外光辐照性、耐风沙磨损性和耐温差性，而通用的标准背板测得的耐紫外辐照量为150 kWh/m2，并不能满足沙漠地区的要求，在选择时应加大背板的耐紫外及相关测试；热带潮湿地区如东南沿海区域，夏季温度较高、全年降雨充分、湿度大、盐雾侵蚀概率高，此区域应用的背板应满足更低的水汽透过率、更好的耐水解性和耐盐雾性能，在选择时应加大背板材料的水汽阻隔性能、耐湿热性能和耐盐雾能力的测试；高寒地区的年均气温低、冬季漫长、最低温度可达-50 ℃、降雪量大，此区域应用的背板应具有更好的耐湿冻性能，在选择时应加大这方面性能的测试。另外，根据背板用途的不同，其应用的区域也不同。比如，高耐候型背板主要应用于高紫外线地区，如中国西部沙漠、高原等太阳辐射量较大的区域；高阻隔型背板主要应用于水上光伏电站或潮湿海洋地区，如东南沿海地区；高透光型背板主要应用于农光互补型光伏电站，可增加农作物吸收的太阳光；彩色背板主要应用于对环境协调性要求严格的分布式光伏电站；高散热型背板主要应用于家庭屋顶光伏电站，防止因背板受热而引起的组件热斑问题；CTM(电池转化组件)增益型背板和电性能增益型背板主要应用于想提高光伏组件发电效率的电站领域，主要原理是通过提高对太阳光的利用率和降低组件发热量来实现发电量增益。

8.4.6 材料和工艺的技术发展趋势

背板起着保护组件内部免受湿气、高温、酸腐蚀和其他恶劣条件冲击的作用。双玻光伏组件的增加将使聚合物背板的市场增长率有所放缓，而且根据2018年国际光伏技术路线图(ITRPV 2018)的预测，到2028年，约60%的光伏组件生产将基于玻璃背板技术。

ITRPV 2018的数据显示，Tedlar-Polyester-Tedlar(TPT)在2017年占据了全球市场的最大份额，但杜邦和其他几家背板制造商对此数据存在争议。虽然ITRPV 2018预测，在可预见的未来TPT仍将是主流的背板技术，但业界的声音一致认为，需要新的技术来满足预期的光伏成本降低的需求。为此，多家公司推出了新的工艺和材料组合，并有望在这个竞争激烈的市场中获得一定的市场份额。IHS Markit预测，随着新材料的渗透，如新的氟化物和非氟化物背板产品，基于Tedlar的背板的市场份额将略有下降。

正是在技术进步和成本下降的需求下，出现了据称具有优异水汽阻隔、良好醋酸渗透性和较高反射率的新工艺和新材料。在这些新材料中，聚烯烃(PO) 引起了广泛的关注，ITRPV 2018预测，在2028年其将占据20%以上的市场份额，而2017年这一比例不足3%。荷兰帝斯曼公司开发的APO背板采用了具有优异水汽阻隔性能的PO材料作为基材，搭配抗UV性能优异的PA12，使用共挤工艺一体成型，这种背板不但具有优异的耐候性能，而且消除了传统工艺带来的层间剥离的风险。Isovoltaic Solinex公司也推出了共挤聚丙烯背板，名为“ICOSolar CPO 3G”。PO因具有很强的水汽阻隔性能和很高的乙酸渗透性，引起了光伏组件制造商的广泛兴趣。然而，对于其他背板材料，制造商仍在不断创新，其中一些材料具有可多年使用的优势，且性能有数据支持，因为在光伏制造业中，风险规避是一个关键问题。

PET在光伏电站应用中也会出现变黄和开裂现象。AGFA公司一直在对这种材料进行创新，比如在对PET进行挤压成膜时采用其专利涂覆技术在PET的表面进行改性，从而将背板的所有功能集中到1个单层膜中，也就是单层背板。

苏州赛伍公司针对PET在耐UV辐照、水汽、风沙、化学物等方面侵蚀性较差的缺点，开发了一种由聚合物制作的背板中间层—— α膜来取代PET中间层。该膜是由PO树脂、聚酯树脂和无机填料组成，希望通过较薄的背板实现较低的水汽透过率。

此外，各个背板制造商也致力于提高其产品质量。普遍关注的是增加在面向EVA面背板的反射率，在这个界面，一部分光从前表面入射在背板上再反射回玻璃上，然后又反射回太阳电池表面，完成整个内反射过程，增加了光的吸收。这种光管理的提高可使光伏组件功率增加0.5%。另外，目前也出现了要求背板可支撑1500 V光伏系统电压的要求。随着双面太阳电池技术在太阳电池制造业中的增长，背板制造商不得不进入到有竞争力的透明背板产品中。一些公司已有透明背板产品，比如杜邦、福斯特、中来新材、回天、Krempel等公司。然而，这种双面光伏组件的份额非常小，且变化速度也非常快，现在光伏组件制造商貌似更愿意为其双面技术采用双玻方案。

说服制造商和投资者相信未经证实的背板材料或新结构并非易事，特别是考虑到更长PPA和终身保修的趋势越来越明显。因此，背板制造商现在更专注于测试标准，希望为客户提供一套令人信服的产品性能数据。在背板测试方面，IEC标准是针对不同的光伏组件均采用标准的测试方法，包括UV、湿热和热循环测试，但是由于真实的户外环境中是多个应力同时发生，因此单一的应力因素不能模拟真实的室外老化机制，对于很多材料而言，需要施加多个应力因素去触发老化机制。杜邦公司和中聚公司各自设计了一种新的加速测试流程(即“组件加速序列老化测试”)来进行光伏组件的加速系列测试。这套测试方法是模拟真实环境，结合并重复多次老化应力，如紫外、湿热、水汽和热循环，以匹配在光伏发电现场中可遇到的所有类型的气候条件或所有不同应用状况中观察到的老化现象。

为了能够模拟背板在光伏电站中的老化情况，杜邦公司已开始采用组件加速序列老化测试，并宣称与传统测试方法相比，该种测试能更准确地预测光伏组件材料的长期性能，其预测结果与在现场观察到的情况大部分一致。

中聚公司在杜邦公司的组件加速序列老化测试的基础上加大了紫外、水汽及湿冻测试，以确保背板在高温、高湿、高紫外等极端环境中的安全使用。

8.5 封装材料(EVA/POE)

晶体硅光伏组件使用的密封材料主要是乙烯-醋酸乙烯脂共聚物(EVA)，但从2019年开始，随着双面PERC太阳电池的增加及双玻光伏组件的出现，发现使用带铝边框的双玻PERC光伏组件的背面会出现PID衰减，这要求封装材料的阻水性能需要进一步加强，因此阻水性能更强的POE胶膜开始受到市场的重视。

EVA的性能对光伏组件的使用寿命及发电特性的影响较大。EVA树脂是一种热塑性高分子材料，为线性分子结构的高聚物，耐热性差、易延展而弹性差、抗蠕变性差，易产生热胀冷缩，导致太阳电池碎裂。乙烯和醋酸乙烯脂这2个单体分子的化学键合使聚合分子具有2个单体分子的混合特性，例如乙烯单体的聚合分子链会结晶形成脆性的塑料，而当这种乙烯与醋酸乙烯脂共聚合时，会降低聚合物的结晶性，通过不同的化学配比可改变共聚物的各种特性以适合实际应用，这些特性包括玻璃态转化温度、熔点、延展性等。

典型的EVA组分中，醋酸乙烯脂的质量分数在2%～40%之间，醋酸乙烯脂的含量越低，EVA会越硬越脆。光伏行业应用的EVA中，醋酸乙烯脂的质量分数为33%。

EVA是一种热熔性塑料，一旦温度达到其熔点后就变会成流体。在上世纪70年代晚期太阳电池行业寻找封装材料时，当时的EVA的熔点为70 ℃，而此温度属于太阳电池的应用温度范围，因此无法被行业所接受。此外，聚合物的结晶特性降低了其透光性，研究人员开始尝试在其中加入过氧化物添加剂，在工艺过程中，这种过氧化物添加剂可以使聚合物发生胶联形成三维结构的分子，一旦胶联发生，在后续的使用过程中就会阻止聚合物分子的再结晶。但不幸的是，这种胶联剂是后续使用中(因此也是可靠性测试中)导致EVA化学不稳定性的原因。如杜邦公司的一款EVA材料Elvax150中采用Lupersol 101,2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷作为交联剂，在低的紫外辐照和热循环测试后EVA发生了黄变，并且在热循环测试后光伏组件还会产生气泡。这2种情况都与Lupersol 101的不稳定性有关，有证据显示，Lupersol 101在退火过程中会产生乙烯和乙烷气体。如今Lupersol 101已从绝大多数的商用EVA中去除，以更稳定的过氧化物添加剂取代。

EVA中也含有紫外稳定剂以提高其室外寿命。Pern及其合作者发现紫外吸收剂的缺乏与EVA着色有关，若缺乏Cyassorb UV531(一种UV吸收剂)和Tinuvin770(一种UV稳定剂)，EVA会发生黄变；若完全去除紫外稳定剂，黄色会变成褐色[37-38]。大量的研究认为，着色与在EVA联状分子中形成的着色基团有关，而着色与链状烯烃有关，这种链状烯烃可描述为沿聚合分子骨架生成的烯链(C=C)[39]。受阻胺(含量0.1%～0.2%)和苯酚亚磷酸脂(含量0.1%～0.2%)作为光稳定剂，其功能就是分解交联剂的自由基团，以达到光稳定的作用[40]。

关于EVA黄变对光伏组件性能是否存在影响众说纷纭，但在高温及太阳辐射最强的地区黄变的可能性很大。盖板玻璃对紫外线的透过有直接影响，掺入铈会明显降低UV-B(280～320 nm)段的紫外光透过率，这对EVA黄变有明显的降低作用。除黄变之外，紫外辐照对EVA的力学特性也有影响。经过一种环境试验(60 ℃，60%相对湿度，2.5×UV suns)100 h后不掺铈玻璃封装的EVA的切应力从10 MPa降至3 MPa，而掺铈玻璃的则要1000 h后才能达到这个水平。

为了有效电绝缘并很好地密封光伏组件内部的电学部件，要使周围环境中浸入的潮气降到最低水平。由于内部电学部件的腐蚀是由水汽与EVA合成醋酸所致，因此衬底及背板的水汽透过率应降至最低。

在EVA胶膜方面，国内外封装材料主要生产商纷纷以抗PID或抗蜗牛纹作为各自产品的卖点。同时，具有高反射效果的白色EVA胶膜逐渐成熟，不少公司推出了具有不同特色的高反射胶膜方案，并获得了市场的初步认可。

韩国SKC公司推出了多款新型EVA封装材料，包括超快层压EVA、高透紫EVA、高阻紫EVA、高透光EVA、高反光EVA、白色EVA。该公司推出的新型封装材料POE膜具有如下更优异的特性：1)非常好的与玻璃和TPT粘结的特性(>100 N/cm)；2)低水汽透过率，水汽透过率小于4.0 g/(m2•d)，而常规EVA的为30 g(/m2•d)；3)非常好的组件长期可靠性；4)高抗PID特性(ρ>1016Ω•cm)，常规EVA的为1015Ω•cm量级；5)不产生酸性物质。

目前，国内外众多厂家已开始在太阳电池的前后封装时采用不同的组合来提高光伏组件的STM，比如高透光EVA(电池前)/低透光EVA(电池后)，高透紫EVA(电池前)/低透紫EVA(电池后 )。

此外，为提高光伏组件CTM，一些材料公司开发出了具有特种散射光的EVA。在SNEC展会上，日本东洋铝公司开发出了前反射EVA(FRS)和背反射EVA(HRS)。FRS可使太阳电池前表面金属电极上的反射光在EVA与前玻璃界面被再次反射回来；而HRS会使透射到前、后EVA界面上的光反射回前玻璃的表面，以便再反射回来。

2018年出现了双面PERC太阳电池，这种电池在背表面也使用了栅线结构，因此有部分Al2O3/SiNx膜未被Al金属电极覆盖。实验中发现，这种双面太阳电池在制备成带有边框的双玻光伏组件后，会发生组件背表面PID失效的问题。其机理是在外加正电压的驱动下，背板玻璃上的Na+会透过封装材料(EVA)进入背钝化膜，在Al2O3膜与硅之间累积，从而减弱背表面负电荷的场钝化效果，导致钝化损失。为了阻断Na+在封装胶膜中的传输，需要使封装胶膜具有更好的阻水性和电绝缘特性。试验结果发现，传统的EVA已无法达到该效果，因此，研究人员提出使用新型的封装材料POE来取代EVA。

POE是聚烯烃弹性体，陶氏化学公司推出了其采用POE材料的ENGAGETMPV产品。通过实验验证，POE膜比传统EVA膜在阻水特性、电阻率方面都有很大的提升。在阻水特性方面，双玻光伏组件在经过38 ℃和100 RH处理之后，使用POE膜的光伏组件的水汽透过率为3.3 g/(m2•d)，而使用传统EVA膜的光伏组件的水汽透过率则为34 g/(m2•d)；在电阻率方面，POE膜比EVA膜要高2～3个数量级。陶氏化学公司使用POE膜的双玻光伏组件的PID实验明显优于全部使用传统EVA膜的光伏组件。

杭州福斯特公司设计的双玻PERC光伏组件正表面使用EVA、背表面使用POE，既保证了正表面的高透光性，又保证了背表面有足够的抗PID特性，但必须使POE与EVA具有相近的层压特性，因此该公司推出的TE4POE具有与常规EVA膜近似的交联特性。此外，福斯特公司也验证了其POE膜具有比EVA膜更好的玻璃粘接特性。

尽管PERC太阳电池在2019年的市场份额为70%，但双玻光伏组件的市场份额较低，因此2019年仍是EVA膜占据市场的90%，POE膜只占7%，而其他用在特殊光伏组件中的封装材料PVB(聚乙烯醇缩丁醛)和TPU(热塑聚氨脂)的总市场份额仅占3%。2018年中国光伏组件封装材料的市场份额中，仍是福斯特占据最大的市场份额(50%)，海优威公司以15%位列第2。

9 结语

2019年是中国光伏产业技术更新非常快的一年，PERC太阳电池占据了70%的市场份额，而多晶硅BSF太阳电池的市场份额仅占30%，已面临市场淘汰。p型单晶硅片和PERC太阳电池的产能出现了巨幅扩张，且PERC太阳电池的价格经历了大幅下降，目前该太阳电池的产线平均光电转换效率在22%～22.5%之间。

当PERC太阳电池技术刚成为主流技术时，新的更高效的太阳电池技术——TOPCon太阳电池技术和HJT太阳电池技术就已经等在后面了。TOPCon太阳电池技术与PERC太阳电池产线的兼容性很高，但工艺相对复杂，效率和成本也更高，竞争性要看太阳电池技术的性价比，目前TOPCon太阳电池技术在性价比方面还不具有竞争力。而HJT太阳电池在产线设备方面与PERC太阳电池不兼容，但其光电转换效率具有一定优势，并且2019年已经找到了进一步提升效率的明确技术路线，预计2020年其可将产线平均光电转换效率提升至24%，而这是PERC和TOPCon太阳电池很难做到的。目前，降低成本是HJT太阳电池技术的主要问题。

考虑到技术兼容性，拥有PERC太阳电池生产线的企业更偏好接受TOPCon太阳电池技术，因为这样可以延续其已有生产线的寿命；而从其他行业新进入光伏制造业的企业则更偏好建设HJT太阳电池生产线。而且由于HJT太阳电池具有对于传统p型同质结太阳电池来说颠覆性的技术特点，使投资者更看好HJT太阳电池技术的发展。

光伏组件制造端的技术进步是渐进的，2019年主要是消化PERC太阳电池升级时产生的各种问题，且光伏组件生产技术的国产化替代已全面完成，全自动化、全智能化的光伏组件生产技术正在迅速普及。

大硅片的使用可以降低太阳电池的制造成本，但并不会提升电池的光电转换效率，因此在一定范围内增大尺寸是可以的。现有生产线所能兼容的硅片尺寸范围的上限是166 mm，210 mm的大硅片则需要产业链上各个环节的设备、工艺都重新开发，成本巨大，挑战也非常大。另外，过于繁杂的太阳电池尺寸体系并不利于光伏发电系统终端的应用，因此光伏产业需要统一太阳电池的尺寸规格。与其说尺寸问题是一种技术问题，不如说这是一种行业标准问题，也是一种行业生态问题。