复合材料在光伏组件中的应用开发案例

全世界都在大力开发可再生能源。太阳能是典型的可再生能源之一。即插即用的太阳能电池已被消费者广泛使用。

据国外一份市场调研报告称，2022年全球太阳能电池板 （也叫光伏组件或光伏板） 市场价值为1523亿美元（另一报告称为1577亿美元），预计到2032年达到3304亿美元，从2023年到2032年的复合年增率为8.1%。在2022年的全球光伏组件市场中，亚太地区占有最大份额，为54.31%。其中中国贡献最大。

传统的光伏组件由玻璃、薄膜、电池片、背板、边框等构件组成。当今，复合材料已成为降低光伏组件成本，提高其效率的重要材料。据报道，复合材料可以减轻光伏组件重量达40%，提高效率很多倍，在规模应用情况下，还能大量降低成本。

以下是这方面的几个研发案例。

聚氨酯复合材料光伏边框

由跨国公司科思创（Covestro）及其合作伙伴联合开发的聚氨酯（PU）复合材料光伏边框为光伏组件提供了一种新的材料选择。PU拉挤复合材料与PU水性涂层的集成解决方案为光伏组件制造商提供了超越铝合金的新材料。

边框作为光伏组件的辅助材料起着至关重要的作用。其功能包括保护玻璃边缘、增强密封性能、提高整体机械强度和方便光伏组件的运输和安装。边框的性能直接影响光伏组件的使用寿命（其在户外的目标使用寿命约为25年）。科思创多年来一直在为可再生能源行业开发创新的聚合物解决方案。为了满足太阳能行业降低成本和提高效率的需求，科思创推出了聚氨酯复合材料边框，它由玻璃纤维增强Baydur®聚氨酯树脂通过拉挤工艺制成。PU复合材料边框不仅满足严格的力学性能和耐久性要求，而且降低了整体成本。

卓越的材料性能

科思创及其合作伙伴开发的聚氨酯复合材料光伏边框展示了优异的材料性能。作为一种非金属材料，聚氨酯复合材料边框与传统的铝金属边框相比，还降低了光伏组件制造商的整体价格，提高了能源效率。

科思创的聚氨酯复合材料具有优异的力学性能。其轴向拉伸强度是典型铝合金的7倍以上。它还具有很强的耐盐雾腐蚀性和耐化学腐蚀性。这些性能对于边框认证测试至关重要。采用科思创PU复合材料边框密封的光伏组件已通过IEC 61701-201太阳能光伏组件盐雾腐蚀测试和IEC 62716：2013氨腐蚀测试。对于安装在高湿度环境（例如海上和沿海地区） 中的太阳能电池板，为了确保所需的使用寿命，这些防腐蚀特性更加重要。

铝合金边框的理想替代品

PU复合材料的体积电阻率可达1×1014Ω·cm。如果太阳能光伏组件使用非金属边框封装，则可大大降低形成泄漏电路的可能性，有助于减少潜在诱发退化（PID）的发生。PID效应的危害导致功率衰减和发电量下降。因此，减少PID效应可以提高太阳能电池板的发电效率。

水性PU涂层的长效保护

科思创为其PU复合材料边框研发了双组分水性聚氨酯涂层技术，以保护多年暴露在户外环境中的光伏边框。配方中的主要粘结剂是Bayhydrol A和Bayhydur系列产品。与传统的溶剂型涂料相比，这种新的解决方案可减少约90%的挥发性有机化合物排放。同时，由于与PU复合材料基材的附着力强、耐磨性好、耐候性强，这种涂料有望具有长期耐用性，节省重新涂覆成本。这种新的涂料溶液也表现出了很高的劳动生产率——喷涂后，它会快速干燥并形成一层薄的表面膜，从而可以快速施工。

获得认证

德国莱茵TÜV是全球公认的第三方独立评估机构。采用科思创PU复合材料边框的光伏组件已于2021年获得莱茵TÜV认证，表明这种新材料可以满足可再生能源行业的严格要求，同时为光伏行业的发展提供低碳排放和高质量的解决方案。另据2023年6月27日消息，在中国上海举办的第16届国际光伏发电与智慧能源大会暨展览会上，科思创获得了德国TÜV SÜD公司（一家主要的光伏和智慧能源产品认证和测试机构）关于聚氨酯用于复合材料光伏边框的认证。

（来源：Covestro）

用聚合物膜取代玻璃，用复合材料夹芯板取代铝背板

美国Armageddon Energy公司是研发太阳能电池板（光伏板）的厂商。其最初的目标是为消费者提供一个易于安装且具有更好外观和更小整体尺寸的光伏系统。

传统的光伏板上使用浮法玻璃，因为浮法玻璃具有刚性、良好的防潮性能和良好的透光性能。这种玻璃通常涂有涂料来降低反射率和防止脏污，因而比窗玻璃更贵。在某些情况下，玻璃还经过回火（钢化），因而更增加了成本。尽管这种级别的玻璃不太容易破碎，但它们增加了重量，这对屋顶安装来说是一个挑战。而且随着时间的推移，它们可能会变得浑浊，从而降低能源效率。

为此，Armageddon首先决定取代玻璃。这一目标通过使用一种薄的、透明的乙烯-四氟乙烯（ETFE）聚合物膜而实现（ETFE膜来自美国杜邦性能材料公司，商标为Tefzel）。这成为了Armageddon的1.0款光伏板（商名为SolarClover），这是行业第一块符合太阳能行业UL1703标准的薄膜覆盖光伏板。

据介绍，使用 ETFE膜取代玻璃而制成的首款光伏板的重量非常轻，一个孩子用一只手就能提起，而且设计独特。

自设计首款光伏板之后，该公司继续创新，决定淘汰铝，以降低电击风险，降低成本，并生产出比第一块光伏板更安全、更坚固、甚至更轻的复合材料密集型光伏板。

为达此目的，该公司咨询了其长期合作伙伴杜邦公司。杜邦向Armageddon介绍了比利时EconCore公司。这是一家蜂窝芯制造商，它采用高产量的连续生产过程通过热成型、分切和折叠工序，从一卷热塑性片材在线制成蜂窝板。

EconCore的ThermHex品牌热塑性蜂窝板用杜邦的Zytel聚酰胺树脂膜制成，板的蒙皮采用杜邦的Vizilon热塑性复合材料（连续玻璃纤维增强聚酰胺片材）。研发小组确定，这种蜂窝板能够形成一种坚固和刚性的板材，用来取代1.0款光伏板中所用的铝背板。杜邦公司项目经理Janet Sawgle说，使用Vizilon蒙皮的EconCore ThermHex夹芯板重量最小，强度和刚度高，具有足够的耐热性，可以承受高温（制造过程中高达150 ℃）以及在烈日下屋顶面临的长期应力。

据相关人士说，蜂窝板很容易操作，可以按所需的形状进行机加工，而不会产生玻璃纤维粉尘。它们能满足耐气候老化30年的要求和在恶劣的户外环境中快速安装和顺应环境的要求。

有了新背板之后，按照光伏板的典型制造方法进行组装：把高效率单晶太阳能电池片层合到复合材料背板上；使用保护膜（通常是乙烯-醋酸乙烯酯，简称 EVA）来保护电池；使用前述透明ETFE膜作为光伏板的正面，提供所需功能。

据介绍，如果需要更高强度或更轻重量的EconCore/Vizilon背板，还可指定Vizilon蒙皮中含有更多的玻璃纤维，或者使用碳纤维代替玻璃纤维。

组装形成的光伏板成为该公司的2.0款光伏板。

新的轻质和可持续性光伏板

在2023 JEC World展会上，比利时EconCore公司与荷兰太阳能电池板（光伏板）生产商Solarge公司联合推出了一种轻质的、可完全循环利用的光伏板，该产品可减轻屋顶安装的光伏板重量达65%。

自2018年初以来，EconCore和Solarge一直在密切合作开发新一代光伏板，利用轻质蜂窝材料取代重的玻璃来减轻重量。其结果是用一种完全可回收的新产品取代了更传统的非持续性材料。新的光伏板面积略大于2.66 m2、重量14.5 kg，而旧的玻璃型光伏板重量超过28 kg。

这两家公司使用复合材料、蜂窝结构和一种聚合物正面来取代传统光伏板中所用的玻璃。蜂窝具有极好的力学性能，在给定的重量或密度下非常坚固和刚硬。原用玻璃板还需要铝边框，而使用蜂窝结构时则不需要此边框，从而更加减轻重量。

刚性和抗冲击性都是光伏板所需的重要特性，因为弯曲和冲击作用（例如冰雹）可能导致破裂或效率降低。蜂窝板可以以不同的方式应付这些应力。

新的Solarge光伏板能够提高对紫外线辐射的抵抗力，并且具有比玻璃板更好的导热性。光伏板的效率随温度的升高而降低，而蜂窝提供了更有效的控制温度的方法。

当今使用的光伏板很难回收，而EconCore最近开发了一种由回收材料制成的蜂窝芯。还有一种可能的方案是使用单一材料制造光伏板，其中只有太阳能电池片及其热塑性保护膜是不同的材料，这使得光伏板更易回收利用。

这一研发成果建立在Solarge传统的可持续发展实力之上：

• 超低碳足迹：比传统光伏组件低25%。

• 减少提供力学性能所需的材料资源。

• 100%可回收利用。

• 消除PFAS等有毒物质。

EconCore的首席运营官Tomasz Czarnecki说：“光伏板更轻、更便宜、更高效率意味着有更多的建筑物能够被用来进行太阳能发电，每个受承重限制的屋顶都能够容纳更多的光伏板。这些光伏板是可持续的，这在应对气候变化的斗争中具有巨大潜力。”

Solarge的首席文化官Huib van den Heuvel补充说；“我们看到世界各地轻型太阳能电池板在商业和工业建筑部门以及农业部门的应用潜力巨大。与玻璃型太阳能电池板相比，这种复合材料产品的生产非常容易规模化。”