光伏组件轻量化发展与研究进展

光伏行业朝着大硅片、大组件尺寸发展已是明显趋势，新型轻质柔性组件具有较低的单位质量，相比于单玻组件，双玻组件更适合应用于载荷有限的彩钢瓦等屋面场景，然而现有轻质柔性组件的可靠性和寿命等相关性能指标仍有待研究和提高。

轻质组件封装技术发展现状

 

在近 1０年来，光伏发电成为了全球最受欢迎的可再生能源之一。伴随着环境、政策、经济、技术的影响，光伏产业呈指数级增长，晶体硅太阳能光伏技术成为了市场主导，并继续进行着技术迭代和更新。

为了提高光伏发电的经济性，降低电站度电成本和降低对支架系统的荷载，光伏组件经历了从厚边框的单玻组件到双玻组件，再到使用高分子材料代替玻璃封装的轻质组件，实现轻量化和可弯曲的特性，使得光伏组件突破了传统组件无法应用于轻质屋顶的限制，进一步扩大了应用领域。

但随着封装材料的改变，组件的轻量化的发展趋势，组件本身的可靠性、寿命以及发电量都有待进一步验证和改善。

单玻组件、双玻组件、新型轻质柔性组件的特性和可靠性

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单玻光伏组件

单玻光伏组件主要由光伏电池、光伏玻璃、胶膜、背板、铝边框等封装材料组成。

在组件结构中，背板起到了电绝缘、机械支撑、耐候、增加光反射等多种作用，背板材料包括白色、黑色及透明背板，耐候涂层技术多样（如PVF、PVDF等）。

透明背板组件相比于白背板或黑背板组件发电量具有明显优势，进入组件背面的太阳光主要来自于地面的散射光，其次是直接进入背面的漫反射光。

并且在透明背板组件的基础上通过在电池片间隙位涂覆含氟的网格图形，形成透明网格背板，以此增加入射光的反射，来提高进入电池表面的光通量，增加太阳光利用率，提高组件发电量。

作者团队通过实验测试对比了透明背板组件一级双面玻璃组件的可靠性能以及其发电量。

得出结论：

• 透明背板组件在湿热测试（DH1000h、DH2000h）中功率衰减为2.3%~4%，低于双玻组件，但满足IEC61215标准（衰减<5%）。
  

• 透明背板在双面增益测试中表现优异，发电量显著高于传统背板，但长期使用后反射率会下降。

双玻组件采用前后两层玻璃封装，取代传统背板。具有极低的水汽透过率，耐候性和力学性能优异，寿命长、可靠性高的优势，适合集中式和分布式电站。

双玻组件因为自重大，搬运安装困难，对屋顶载荷和支架强度有着较高的要求，所以有着较高的材料和人工成本。

近年来，双玻组件也在朝着轻质化的方向发展，目前主要以厚度不大于２ｍｍ 的光伏玻璃搭配涂釉网格来进行封装，甚至有研究者使用无框双玻组件来减轻质量和降低PID衰减的发生。

作者通过实验验证了双玻组件的PID对比单玻组件，具有更低的水汽透过率，减少了对内部构件的腐蚀，有较好的机械性能。

但由于使用EVA胶膜在长期使用的过程中，降解产生的醋酸无法及时释放，身在高温差的条件下，对比单玻组件有更大的内应力，发生开裂的机率更大。

因此，双玻组件因 PID衰减的问题也通过抗 PID 的POE胶膜和电池端的优化有了较好的解决。

实验结论如下：

• 在湿热测试（DH3000h）中衰减仅为3%，热循环测试（TC600）中衰减为2.63%~3.21%，表现与单玻组件相当。

• 无框双玻组件在PID测试中功率保持率超过90%，但背面衰减较高，可能与玻璃中Na+析出有关。

即用聚合物等透明前板替代玻璃作为封装材料，以满足在承载有限的屋顶安装光伏组件，并且无玻璃的封装结构，使组件具有了一定的柔韧性。

因此机械稳定性和耐候性是轻质柔性组件设计的重要考量因素，即如何在降低质量的同时，保证组件的可靠性和避免电池片的隐裂。

1.ＰＭＦ 用来替换单玻组件中的前板玻璃。

Ｌｉ 等 通过多层共挤的方式制备了具有一定带宽和紫外波段选择性反射的 ＰＣ／Ｐ ｍｍＡ 多层聚合物薄膜（ ＰＭＦ） 用来替换单玻组件中的前板玻璃。

制备了转换效率为 20.27％的轻质组件，组件单位质量为 １.57kg/m２， 与同样面积的单玻组件相比减重85％，并验证了其满足长期户外使用的耐紫外性能。

2.复合夹层背板和聚合物前板构成

Martins 等开发了一种轻量化组件，由复合夹层背板和聚合物前板构成，组件单位质量为6kg/m2。具有机械稳定性优异，电气性能可靠，轻量化优势显著的优势。

• 在热循环和湿热环境下，复合夹层结构的弯曲刚度损失仅为 1% 和 3%。

• 经过 DH1000h 湿热老化测试后，组件的功率衰减仅为 3%。

• 单位质量仅 6 kg/m²，远低于传统单玻（约11 kg/m²）和双玻组件（16~19 kg/m²），适用于承重受限的屋顶场景。

3.多层含氟前板、ETFE＋复合玻璃纤维两种前板结构封装成轻质柔性组件

实验结论：

• 多层含氟前板组件在紫外老化测试中功率衰减为1.98%，外观良好；ETFE+复合玻璃纤维组件衰减为4.89%，且明显发黄。

• 湿热测试（DH1000h）中，多层含氟前板组件衰减为2.36%，ETFE+复合玻璃纤维组件为4.03%，前者表现更优。

图6b所示，多层含氟背板组件功率衰减为 2.36％，ETFE＋复合玻纤组件功率衰减为 4.03％。 

因为湿热条件下，复合玻纤降解后产生黄变，所以 ETFE＋ 复合玻纤组件的功率衰减较大。

采用两种封装方案各制作了60片电池轻质组件，对比平均电性能参数，ETFE＋复合玻纤封装的组件，相比多层含氟透明前板封装的组件功率低约 4.2Ｗ，是由 ETFE＋复合玻纤的结构整体透光率相比于含氟前板较低导致。

• 轻量化趋势：通过减少玻璃厚度、采用聚合物材料，组件质量显著降低，轻质柔性组件比单玻组件减重85%。

• 可靠性提升：

  • 双玻组件在湿热和热循环测试中表现优异，验证了其长期可靠性。

  • 轻质柔性组件中，含氟材料在耐紫外和湿热性能上优于ETFE+复合玻璃纤维。

• 未来方向：需进一步研究轻质柔性组件的长期耐候性和寿命，以推动其在分布式市场的应用。

来源：材料导报《光伏组件轻量化发展与研究进展》2024，Ｖｏ1.38，Ｎｏ．Ｚ１ ｗｗｗ．ｍａｔｅｒ⁃ｒｅｐ．ｃｏｍ