戶外光伏組件背板外層材料的老化研究

孟慶法，田茜茜，潘 勝

(國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心，無錫 214028)

0 引言

近年來，我國光伏發電裝機容量增長迅速，根據中國光伏行業協會(CPIA)的統計，截至2019年底，我國累計光伏發電裝機容量已超過200 GW。光伏組件是光伏發電系統的重要組成部分，其長期在戶外實際運行過程中會產生許多問題，包括腐蝕、水汽侵蝕、材料脫層、功率衰減及零部件老化等[1-2]。針對實際安裝運行的光伏組件的衰減及老化問題的研究很多，比如文獻[3-5]，有的研究是基于大規模商業光伏電站，有的研究是基于小型光伏發電項目，均是對光伏組件電性能參數(如功率)的衰減進行了測試分析。

上述戶外光伏組件的老化、衰減研究主要是針對光伏組件電性能參數的衰減，涉及背板材料的老化多以定性描述為主(如黃變、開裂、粉化等)[4]，個別研究涉及了玻璃透光率、背板水蒸汽透過率的定量分析[5]，但對背板各層材料尤其是外層材料老化的定量分析很少。這主要是因為背板已被封裝成光伏組件，許多評估手段所需樣品的制備難度較大，如背板的力學性能(拉伸強度、斷裂伸長率)評估需要特定長度和寬度的矩形或啞鈴型樣條，從光伏組件上制取樣條時施加的外力有可能對樣品造成破壞，從而會改變測試結果。背板材料在光、熱、氧氣、水等環境作用下會產生由結構和性能變化導致的老化[6-7]，其耐磨性等會下降[8]。本文對戶外運行約6年的光伏組件背板外層材料進行了測試分析，通過外層材料的厚度、耐磨性(落砂試驗)、反射率、光澤度及表面微觀形貌來評估戶外運行光伏組件背板外層材料的老化程度，這些數據與結果可在今后光伏組件運維、修復、回收等方面提供有意義的參考。

1 實驗準備

1.1 實驗樣品

本次戶外光伏組件背板外層材料老化測試使用的實驗樣品為我國西北地區某光伏電站(已運行約6年)中拆回的光伏組件。該光伏組件的具體參數情況如表1所示，實物照片如圖1所示。

表1 實驗用光伏組件的銘牌參數Table 1 Nameplate parameters of experimental PV module

圖1 實驗用光伏組件的照片Fig. 1 Photo of experimental PV module

1.2 實驗方法

將光伏組件背板外層材料劃分為3個不同的分析測試區域，即太陽電池中心區域、太陽電池邊緣區域及光伏組件邊緣區域。分別通過外層材料的厚度、反射率(波長范圍380～1100 nm)、光澤度、耐磨性，以及材料的表面微觀形貌等參數對戶外光伏組件背板外層材料的老化程度進行分析測試。

1.3 實驗儀器

使用德國卡爾蔡司集團生產的SIGMA場發射式掃描電鏡測試光伏組件背板外層材料的厚度及其表面微觀形貌。使用美國賽默飛世爾科技公司生產的Lambda 1050紫外-可見-近紅外分光光度計測試光伏組件背板外層材料的反射率(波長范圍380～1100 nm)。參照GB/T 9754-2007《不含金屬顏料的色漆漆膜的鏡面光澤的測定》，使用標格達精密儀器(廣州)有限公司生產的BGD 516智能三角度光澤儀進行光伏組件背板外層材料的光澤度測試。參照GB/T 23988-2008《涂料耐磨性測定 落砂法》，以表層破壞處露出直徑為4 mm底材的用砂量來表征耐磨性，使用國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心自制的落砂耐磨試驗機進行光伏組件背板外層材料的耐磨性測試；使用的標準砂中粒徑大于0.65 mm的砂子占總砂量的2.5%(質量分數，下同)，粒徑為0.40～0.65(不含0.40) mm的砂子占總砂量的40.4%，粒徑為0.25～0.40 mm的砂子占總砂量的55.1%，粒徑小于0.25 mm的砂子占總砂量的2.0%。

2 實驗結果

2.1 光伏組件背板外層材料的定量測試結果

針對太陽電池中心區域、太陽電池邊緣區域及光伏組件邊緣區域這3個已劃分好的光伏組件背板外層材料的測試區域進行測試，不同測試區域的光伏組件背板外層材料的定量測試結果如表2所示。

表2 不同測試區域的光伏組件背板外層材料的定量測試結果Table 2 Quantitative test results of outer layer material of PV module backsheet in different test areas

從表1的測試結果可知，光伏組件邊緣區域的背板外層材料的厚度最大(即厚度損失最小)、反射率最大、光澤度最大且耐磨性最好，說明此區域的背板外層材料的老化程度最輕；太陽電池中心區域的反射率最小、光澤度最小、耐磨性最差，說明此區域的背板外層材料的老化程度最嚴重。

2.2 背板外層材料的表面微觀形貌

針對光伏組件的太陽電池中心區域、太陽電池邊緣區域及光伏組件邊緣區域進行背板外層材料表面的微觀形貌分析，結果如圖2所示。

圖2 不同測試區域的光伏組件背板外層材料的表面微觀形貌Fig. 2 Surface micromorphology of outer layer material of PV module backsheet in different test areas

從圖2可以看出，太陽電池中心區域和太陽電池邊緣區域的背板外層材料表面均出現了一定程度的粉化現象，且有填充物露出，尤其是太陽電池中心區域的背板外層材料表面較為明顯；這也是太陽電池中心區域的背板外層材料的反射率、光澤度及耐磨性結果偏低的原因。而光伏組件邊緣區域的背板外層材料表面未出現粉化現象，填充物仍與材料融為一體。

上述結果表明，與太陽電池中心區域或太陽電池邊緣區域相比，光伏組件邊緣區域的背板外層材料的老化程度最低，這也與表2的測試結果一致。

2.3 綜合分析

綜合上述分析結果可知，光伏組件背板外層材料呈現出非均勻性老化現象，3個區域的背板外層材料的老化程度不同，其中光伏組件邊緣區域的背板外層材料的老化程度最低。這一結果可能與光伏組件邊緣區域的背板外層材料受到邊框遮擋有關，亦可能與太陽電池中心區域的工作溫度較高有關，還可能與背板不同區域所接收的總太陽輻照量(紫外線劑量)不同有關。

3 結論

本文對在戶外運行約6年的光伏組件背板外層材料的老化情況進行了研究分析。結果顯示，光伏組件背板外層材料呈現非均勻性老化現象，不同區域的背板外層材料的老化程度不同。光伏組件邊緣區域的背板外層材料的老化程度最輕，太陽電池中心區域的背板外層材料的老化程度最嚴重。本研究結果可為戶外光伏電站中光伏組件的后期運維、修復、回收等提供有意義的參考。