單晶硅電池組件目前仍然是主流技術(shù)，但不論是晶硅、薄膜、鈣鈦礦電池組件都對封裝材料提出了更高的質(zhì)量要求。

聚合物板有時作為正面蓋板封裝材料被用來代替玻璃。近年來，前板材料正在被越來越多地使用，特別是應(yīng)用在輕質(zhì)組件的封裝結(jié)構(gòu)中。

前板材料與背板類似，但它們沒有添加用于增強(qiáng)光吸收的礦物顏料，因為它們必須具有高透明度。相反，前板材料使用的是穩(wěn)定的化學(xué)添加劑，包括紫外吸收劑等。

復(fù)合透明前板除了要有良好的透光度和抗紫外性能外，還需要提供一定的機(jī)械強(qiáng)度，抗風(fēng)、抗冰雹沖擊等耐候性和其他封裝材料相匹配的熱膨脹系數(shù)。典型的前板材料有ETFE、氟碳樹脂、PVF、PVDF等。

ETFE

前板的失效模式與背板基本相似，但與背板不同的是，變色和分層因為降低了透光率，所以會直接導(dǎo)致光學(xué)損失，從而影響組件功率。

目前，應(yīng)用在輕質(zhì)組件上的前板結(jié)構(gòu)主要有兩種：

一種是氟碳樹脂/PET復(fù)合的透明前板，其結(jié)構(gòu)和性能類似于背板；

另一種是采用ETFE/玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。

PET復(fù)合的透明前板

機(jī)械穩(wěn)定性是輕量化光伏設(shè)計的挑戰(zhàn)之一：

一方面，用來替代玻璃的薄聚合物前板(FS)并不能完全保護(hù)太陽電池免受沖擊的影響；另一方面，由于沒有玻璃，組件剛度和機(jī)械穩(wěn)定性降低，可能不足以承受較大的機(jī)械應(yīng)力。

因此，太陽電池破裂和發(fā)電量的減小是難以避免的。優(yōu)化組件材料，降低電池破裂傾向，是輕量化光伏應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，如屋頂安裝、光伏建筑一體化(BIPV)，或車輛集成光伏。

近年來，研究者們通過替換玻璃來獲得輕量化的光伏組件，例如聚合物襯底等輕質(zhì)材料或替換組件的背部邊框結(jié)構(gòu)。

有研究提出一種符合IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的輕型光伏組件。然而，該解決方案的目標(biāo)是安裝在標(biāo)準(zhǔn)屋頂上，而不是直接集成到建筑表面(屋頂或立面)。因此，在設(shè)計過程中，對美學(xué)問題的關(guān)注并不多。

通過紅外和拉曼分析研究了輕質(zhì)組件在溫度、濕度和紫外線輻照等綜合條件下的老化過程。在80℃/85%RH下加速老化2000h后，對ETFE/EVA/PET/EVA/PET多層聚合物封裝系統(tǒng)的化學(xué)降解性能進(jìn)行了表征。

通過紅外光譜和拉曼光譜可以更好地相互印證和觀察EVA中醋酸乙烯酯的含量、苯基和礦物成分，此外還可以清晰地表征聚合物結(jié)構(gòu)的層數(shù)。

在加速老化測試后，第四層的PET出現(xiàn)了明顯降解和厚度上的不均勻，但并不影響整體結(jié)構(gòu)對紫外光的吸收性能。

有研究基于單晶硅光伏組件設(shè)計了一種具有剛性、輕量化、抗冰雹沖擊和機(jī)械負(fù)載的輕質(zhì)組件，并改善了其美觀度。在意外掉落時組件不會損壞，減少了安裝過程中的風(fēng)險。

如下圖所示，其前蓋板選用ETFE聚合物，通過復(fù)合背板為整個組件提供了剛性支撐。研究表明其制備的輕質(zhì)組件能抵抗冰雹和2400Pa的機(jī)械載荷。

    應(yīng)用于BIPV的輕量化光伏組件結(jié)構(gòu)圖

輕質(zhì)組件的單位質(zhì)量為6kg/m2，雙玻組件單位質(zhì)量為14~20kg/m2，減重57%~70%；單玻組件單位質(zhì)量為12~16kg/m2，減重50%~62.5%。復(fù)合背板的剛度對抗冰雹性能有較大的影響，低剛度背板受冰雹沖擊損傷更小。

這種效應(yīng)是由于沖擊在整個結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的能量被分散。具有高儲能模量的前板可以減輕冰雹造成的損害。

當(dāng)選擇模量為350~450MPa的前板時，將確保冰雹不會對太陽電池造成裂紋。前板的高剛度有助于消散冰雹對組件表面的沖擊能和冰球開裂。

通過四點(diǎn)彎曲實驗和靜態(tài)機(jī)械載荷測試的相關(guān)計算，建立復(fù)合背板剛度的閾值，小于該閾值時，電池片檢測到裂紋。

當(dāng)閾值為17.4GPa時，復(fù)合背板可以使輕質(zhì)組件抵抗2400Pa的靜態(tài)負(fù)載，且功率損耗小于1%。此外，通過安裝模塊將組件背面固定，可使組件所受機(jī)械應(yīng)力減少80%。

采用ETFE作為前板，采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂(GFRP)代替后板材料，使用不同的封裝膠膜如EVA、POE、熱塑性塑料等，制備了輕質(zhì)組件，通過對光學(xué)、電性能、力學(xué)性能進(jìn)行對比，探究佳的封裝膠膜。

通過冰雹測試，前板優(yōu)的封裝結(jié)構(gòu)為采用TPO和POE雙層膠膜，使用不同粘彈性的熱塑性彈性體組合，為輕質(zhì)柔性組件提供了佳的機(jī)械完整性、穩(wěn)定性和彈性，這種配置不僅有助于減輕冰雹沖擊效應(yīng)，還具有良好的耐候性。

本文從前板對近年來熱門的輕質(zhì)組件和不同材料替代前蓋板玻璃所表現(xiàn)出的可靠性與耐候性進(jìn)行了綜述。

在今后，隨著廠家對光伏材料的經(jīng)濟(jì)性和功能性提出更高要求，各種新材料頻繁推出，不同封裝層材料對光伏組件發(fā)電量的增益和可靠性、耐候性評估仍然具有挑戰(zhàn)性，太陽能汽車、光伏建筑一體化等市場的進(jìn)一步擴(kuò)大，對光伏組件的封裝結(jié)構(gòu)和兼容性更會提出新的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

來源：光伏組件蓋板封裝材料的研究進(jìn)展

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