户外光伏组件背板外层材料的老化研究

孟庆法，田茜茜，潘 胜

(国家太阳能光伏产品质量监督检验中心，无锡 214028)

0 引言

近年来，我国光伏发电装机容量增长迅速，根据中国光伏行业协会(CPIA)的统计，截至2019年底，我国累计光伏发电装机容量已超过200 GW。光伏组件是光伏发电系统的重要组成部分，其长期在户外实际运行过程中会产生许多问题，包括腐蚀、水汽侵蚀、材料脱层、功率衰减及零部件老化等[1-2]。针对实际安装运行的光伏组件的衰减及老化问题的研究很多，比如文献[3-5]，有的研究是基于大规模商业光伏电站，有的研究是基于小型光伏发电项目，均是对光伏组件电性能参数(如功率)的衰减进行了测试分析。

上述户外光伏组件的老化、衰减研究主要是针对光伏组件电性能参数的衰减，涉及背板材料的老化多以定性描述为主(如黄变、开裂、粉化等)[4]，个别研究涉及了玻璃透光率、背板水蒸汽透过率的定量分析[5]，但对背板各层材料尤其是外层材料老化的定量分析很少。这主要是因为背板已被封装成光伏组件，许多评估手段所需样品的制备难度较大，如背板的力学性能(拉伸强度、断裂伸长率)评估需要特定长度和宽度的矩形或哑铃型样条，从光伏组件上制取样条时施加的外力有可能对样品造成破坏，从而会改变测试结果。背板材料在光、热、氧气、水等环境作用下会产生由结构和性能变化导致的老化[6-7]，其耐磨性等会下降[8]。本文对户外运行约6年的光伏组件背板外层材料进行了测试分析，通过外层材料的厚度、耐磨性(落砂试验)、反射率、光泽度及表面微观形貌来评估户外运行光伏组件背板外层材料的老化程度，这些数据与结果可在今后光伏组件运维、修复、回收等方面提供有意义的参考。

1 实验准备

1.1 实验样品

本次户外光伏组件背板外层材料老化测试使用的实验样品为我国西北地区某光伏电站(已运行约6年)中拆回的光伏组件。该光伏组件的具体参数情况如表1所示，实物照片如图1所示。

表1 实验用光伏组件的铭牌参数Table 1 Nameplate parameters of experimental PV module

图1 实验用光伏组件的照片Fig. 1 Photo of experimental PV module

1.2 实验方法

将光伏组件背板外层材料划分为3个不同的分析测试区域，即太阳电池中心区域、太阳电池边缘区域及光伏组件边缘区域。分别通过外层材料的厚度、反射率(波长范围380～1100 nm)、光泽度、耐磨性，以及材料的表面微观形貌等参数对户外光伏组件背板外层材料的老化程度进行分析测试。

1.3 实验仪器

使用德国卡尔蔡司集团生产的SIGMA场发射式扫描电镜测试光伏组件背板外层材料的厚度及其表面微观形貌。使用美国赛默飞世尔科技公司生产的Lambda 1050紫外-可见-近红外分光光度计测试光伏组件背板外层材料的反射率(波长范围380～1100 nm)。参照GB/T 9754-2007《不含金属颜料的色漆漆膜的镜面光泽的测定》，使用标格达精密仪器(广州)有限公司生产的BGD 516智能三角度光泽仪进行光伏组件背板外层材料的光泽度测试。参照GB/T 23988-2008《涂料耐磨性测定 落砂法》，以表层破坏处露出直径为4 mm底材的用砂量来表征耐磨性，使用国家太阳能光伏产品质量监督检验中心自制的落砂耐磨试验机进行光伏组件背板外层材料的耐磨性测试；使用的标准砂中粒径大于0.65 mm的砂子占总砂量的2.5%(质量分数，下同)，粒径为0.40～0.65(不含0.40) mm的砂子占总砂量的40.4%，粒径为0.25～0.40 mm的砂子占总砂量的55.1%，粒径小于0.25 mm的砂子占总砂量的2.0%。

2 实验结果

2.1 光伏组件背板外层材料的定量测试结果

针对太阳电池中心区域、太阳电池边缘区域及光伏组件边缘区域这3个已划分好的光伏组件背板外层材料的测试区域进行测试，不同测试区域的光伏组件背板外层材料的定量测试结果如表2所示。

表2 不同测试区域的光伏组件背板外层材料的定量测试结果Table 2 Quantitative test results of outer layer material of PV module backsheet in different test areas

从表1的测试结果可知，光伏组件边缘区域的背板外层材料的厚度最大(即厚度损失最小)、反射率最大、光泽度最大且耐磨性最好，说明此区域的背板外层材料的老化程度最轻；太阳电池中心区域的反射率最小、光泽度最小、耐磨性最差，说明此区域的背板外层材料的老化程度最严重。

2.2 背板外层材料的表面微观形貌

针对光伏组件的太阳电池中心区域、太阳电池边缘区域及光伏组件边缘区域进行背板外层材料表面的微观形貌分析，结果如图2所示。

图2 不同测试区域的光伏组件背板外层材料的表面微观形貌Fig. 2 Surface micromorphology of outer layer material of PV module backsheet in different test areas

从图2可以看出，太阳电池中心区域和太阳电池边缘区域的背板外层材料表面均出现了一定程度的粉化现象，且有填充物露出，尤其是太阳电池中心区域的背板外层材料表面较为明显；这也是太阳电池中心区域的背板外层材料的反射率、光泽度及耐磨性结果偏低的原因。而光伏组件边缘区域的背板外层材料表面未出现粉化现象，填充物仍与材料融为一体。

上述结果表明，与太阳电池中心区域或太阳电池边缘区域相比，光伏组件边缘区域的背板外层材料的老化程度最低，这也与表2的测试结果一致。

2.3 综合分析

综合上述分析结果可知，光伏组件背板外层材料呈现出非均匀性老化现象，3个区域的背板外层材料的老化程度不同，其中光伏组件边缘区域的背板外层材料的老化程度最低。这一结果可能与光伏组件边缘区域的背板外层材料受到边框遮挡有关，亦可能与太阳电池中心区域的工作温度较高有关，还可能与背板不同区域所接收的总太阳辐照量(紫外线剂量)不同有关。

3 结论

本文对在户外运行约6年的光伏组件背板外层材料的老化情况进行了研究分析。结果显示，光伏组件背板外层材料呈现非均匀性老化现象，不同区域的背板外层材料的老化程度不同。光伏组件边缘区域的背板外层材料的老化程度最轻，太阳电池中心区域的背板外层材料的老化程度最严重。本研究结果可为户外光伏电站中光伏组件的后期运维、修复、回收等提供有意义的参考。