2020年光伏建筑一體化（BIPV）實(shí)現(xiàn)2.3GW的全球裝機(jī)容量。光伏建筑一體化是光伏組件技術(shù)與建筑技術(shù)的結(jié)合集成，兩者結(jié)合后構(gòu)成一個(gè)不可分割的建筑構(gòu)件，替代部分建筑材料。
BIPV適合大部分建筑，如屋頂、幕墻、天棚等都可以安裝。其中，“光伏瓦”引起了人們的廣泛關(guān)注，光伏瓦能與屋頂陶制瓦片相媲美，可替代陶瓦作建筑材料使用。光伏瓦又分為平瓦和曲瓦，美國(guó)特斯拉近期發(fā)布了新型第三代HIT光伏平瓦。
從組件制備角度來(lái)看，平瓦類組件類似于常規(guī)光伏組件，但曲瓦制備難度就增加很多，可以彎曲的組件在業(yè)內(nèi)稱為柔性組件，早期的柔性組件大都采用薄膜類太陽(yáng)電池。有文獻(xiàn)提出一種柔性屋面光伏瓦，是將柔性薄膜電池組件粘接在玻纖增強(qiáng)聚合物水泥砂漿片材上，這類采用薄膜電池制成的柔性組件效率較低且可靠性較差。
柔性組件采用晶體硅半片電池或50~150μm厚的電池，封裝材料采用有機(jī)透明薄膜上板和聚合物背板來(lái)實(shí)現(xiàn)，這類組件還處于研發(fā)階段，在市場(chǎng)上很難買到產(chǎn)品；曲瓦若要滿足建筑要求，表面最好采用剛性封裝材料，為了滿足發(fā)電量、長(zhǎng)期可靠性和成本的要求，晶體硅柔性電池是最佳選擇。
曲瓦的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是曲面增大了表面積，但投影面積小，在屋頂這樣的有限面積下，可以增加安裝量，單位發(fā)電量比常規(guī)組件高。通過(guò)四點(diǎn)測(cè)試法測(cè)試電池機(jī)械性能發(fā)現(xiàn)130μm電池比180μm電池有更好的柔韌性，根據(jù)超薄晶體硅電池的這一特點(diǎn)，結(jié)合中國(guó)傳統(tǒng)瓦片造型，設(shè)計(jì)一款柔性晶體硅光伏瓦，并制造出晶體硅柔性光伏瓦產(chǎn)品。
據(jù)瑞士著名BIPV技術(shù)中心（SUPSI）預(yù)測(cè)，未來(lái)5年BIPV組件發(fā)展趨勢(shì)是PV移動(dòng)房屋、覆膜和圖案化PV幕墻、彩色玻璃PV幕墻和柔性組件。未來(lái)，光伏瓦技術(shù)可以拓展到不同形狀、不同尺寸和不同色彩的個(gè)性化柔性組件系列產(chǎn)品。
光伏瓦由上蓋板曲面玻璃+光伏粘結(jié)層+電池片+光伏粘結(jié)層+下蓋板曲面玻璃組成。電池采用130μm的柔性晶體硅太陽(yáng)電池，上蓋板玻璃采用超白浮法鋼化玻璃，下蓋板玻璃采用普通浮法鋼化玻璃，光伏粘結(jié)層使用PVB材料。
光伏瓦制備流程如圖1所示，包括備料、焊接、敷設(shè)、封裝、測(cè)試等流程，與常規(guī)光伏組件不同，針對(duì)光伏瓦的封裝，增加了固化爐加氣壓釜工藝。
圖1 光伏瓦工藝流程
其中固化工藝是將敷設(shè)好的光伏瓦半成品放在固化爐中抽真空至1Pa，溫度在100~200℃放置1~3h，產(chǎn)品成品率控制在99%以上。
制備光伏瓦過(guò)程中，出現(xiàn)氣泡是較常見(jiàn)并難以解決的問(wèn)題，出現(xiàn)氣泡后會(huì)產(chǎn)生玻璃與電池片的脫層，導(dǎo)致光伏瓦的絕緣、防水出現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)氣壓釜可加強(qiáng)粘接強(qiáng)度、排除光伏瓦內(nèi)部氣泡，減少脫層、開(kāi)膠等質(zhì)量問(wèn)題，氣壓釜工藝是80~200℃、壓力0.1~1.0MPa，時(shí)間1~3h。
通過(guò)小球沖擊試驗(yàn)得到適合用于光伏瓦的曲面鋼化玻璃厚度和光伏瓦的抗沖擊強(qiáng)度，測(cè)試時(shí)使用金屬架將曲面鋼化玻璃和光伏瓦水平均勻撐起，撐起時(shí)金屬架與玻璃之間放置橡膠墊（硬度約為邵爾A50），防止局部受力，使用質(zhì)量為1040g的鋼球放在垂直高度1000mm的試樣上方，使其自由落下對(duì)玻璃或光伏瓦成品進(jìn)行沖擊；通過(guò)EL測(cè)試光伏瓦是否有隱裂；通過(guò)I-V測(cè)試得到曲面功率，通過(guò)初始光衰和發(fā)電量測(cè)試評(píng)價(jià)光伏瓦的使用性能。
130μm電池與180μm電池的性能對(duì)比如圖2所示，130μm電池的短路電流密度為37.64mA/cm2，開(kāi)路電壓為631.6mV，填充因子為79.13%，電池轉(zhuǎn)換效率為18.81%。180μm電池的開(kāi)路電壓為630.8mV，短路電流密度為37.94mA/cm2，填充因子為79.72，電池轉(zhuǎn)換效率為19.08%。
圖2a為兩種電池厚度的電性能I-V曲線，可看出，130μm電池和180μm電池的電性能基本持平，130μm電池的開(kāi)路電壓比180μm電池的開(kāi)路電壓高0.8mV，短路電流低0.3mA/cm2，兩者與理論模擬結(jié)果一致；130μm電池的填充因子比180μm電池的填充因子略低，與理論模擬結(jié)果不符，說(shuō)明本文的工藝并未優(yōu)化到理論水平，還有優(yōu)化空間。
從圖2b可看出，在600nm以上，130μm電池的光譜響應(yīng)比180μm的略低，也是硅片厚度的減少影響了電池的長(zhǎng)波響應(yīng)，表現(xiàn)為電池的效率低0.27%。
設(shè)計(jì)思路是以唐宋時(shí)期經(jīng)典的小青瓦為造型基礎(chǔ)，瓦片尺寸為400mm×586mm，弧高27mm，每塊瓦可以排布6片晶體硅電池片。
曲瓦的表面呈現(xiàn)弧度，增大了表面積，但投影面積小，在屋頂這樣有限面積下，可以增加安裝量，單位發(fā)電量比常規(guī)組件高。本文設(shè)計(jì)的曲瓦面積為0.232m2，投影面積為0.229m2，與平面組件相比，單位面積可以多放5.1%的電池片。
如圖3所示，在生產(chǎn)過(guò)程中，PVB和玻璃會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而粘接在一起，PVB是由PVA的側(cè)基OH與丁醛反應(yīng)產(chǎn)生而成，制成同時(shí)擁有羥基與醛基的聚乙烯醇縮丁醛。但并非所有PVOH的側(cè)基OH都會(huì)與丁醛反應(yīng)，因此尚存留有未反應(yīng)的側(cè)基OH，也會(huì)如同PVOH般進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)。PVB中的羥基與玻璃中氧原子形成牢固穩(wěn)定的氫鍵，牢牢粘接到一起，在兩者沒(méi)有產(chǎn)生粘接力的位置就會(huì)出現(xiàn)氣泡。
避免氣泡產(chǎn)生的關(guān)鍵在于溫度，本文通過(guò)一系列的試驗(yàn)，計(jì)算出兩者之間的關(guān)系，如圖4所示。溫度低于140℃時(shí)，PVB膠片未完全融化，氣泡會(huì)大量存在，因此氣泡較多；溫度高于200℃時(shí)，PVB膠片融化較快，導(dǎo)致光伏瓦內(nèi)部的氣體未能及時(shí)排除，因此氣泡也會(huì)過(guò)多。
光伏瓦強(qiáng)度必須符合建筑的安全要求。分別對(duì)曲面玻璃和光伏瓦的中心（中心點(diǎn)25mm范圍內(nèi)）、曲面最高點(diǎn)、曲面最低點(diǎn)進(jìn)行沖擊測(cè)試，如表1所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)單面3.2mm半鋼化玻璃碎裂，4mm物理和化學(xué)鋼化玻璃正常無(wú)碎裂，隨后制備的雙面3.2mm半鋼化玻璃的光伏瓦無(wú)碎裂，因此，從成本和重量考慮3.2mm鋼化玻璃是可以用來(lái)制備光伏瓦的。
表1 玻璃和光伏瓦抗沖擊試驗(yàn)
EL測(cè)試是給光伏組件通反向電壓，通過(guò)專用相機(jī)拍攝組件圖片，暗色部分可看到隱裂、PID、二極管導(dǎo)通等情況。在制備過(guò)程中，分別測(cè)試了敷設(shè)后和固化封裝后光伏瓦的EL圖，通過(guò)對(duì)比，曲瓦組件在敷設(shè)和封裝中均無(wú)電池片碎裂現(xiàn)象，說(shuō)明此工藝滿足生產(chǎn)要求。
I-V曲線如圖5所示，開(kāi)路電壓為3.79V，短路電流為7.679A，峰值電壓為2.98V，峰值電流為7.259A，峰值功率為21.539W，F(xiàn)F為74.02%。
圖5?I-V曲線
初始光致衰減是光伏瓦在開(kāi)始使用的幾天輸出功率會(huì)大幅下降，隨后功率穩(wěn)定，主要原因是p型（摻硼）晶體硅片中硼氧復(fù)合體降低了少子壽命。根據(jù)《地面用光伏組件—設(shè)計(jì)鑒定和定型》（IEC61215）規(guī)定：測(cè)試光致衰減時(shí)，太陽(yáng)輻照量為60kWh/m2，測(cè)試完成后，光伏組件最大輸出功率衰減應(yīng)不超過(guò)其試驗(yàn)前測(cè)量值的5%。
本文將曲瓦組件在室外試驗(yàn)場(chǎng)自然光照射11天（輻照度測(cè)試儀監(jiān)測(cè)太陽(yáng)總輻照量達(dá)到60kWh/m2）后，得出功率初始光致衰減對(duì)比如圖6所示，功率衰減為2.17%＜5%，滿足IEC61215標(biāo)準(zhǔn)。
為了測(cè)試曲面電池組件的發(fā)電量，選擇20塊組件樣品進(jìn)行并網(wǎng)測(cè)試，光伏瓦的光電轉(zhuǎn)換效率為20%。搭建方式模仿屋頂結(jié)構(gòu)，下方留有導(dǎo)水槽和散熱通道，將組件分上下兩排固定安裝在支架上，傾斜角度為30°，安裝地點(diǎn)保定試驗(yàn)場(chǎng)，組件之間采用微型逆變器連接電網(wǎng)，整套系統(tǒng)運(yùn)行一年測(cè)得發(fā)電量如圖7所示，與常規(guī)組件對(duì)比，發(fā)電量無(wú)減少。
本文根據(jù)傳統(tǒng)瓦片造型，設(shè)計(jì)了一款曲面瓦，通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)選擇符合安全性能的曲面鋼化玻璃，采用固化爐加氣壓釜的生產(chǎn)模式進(jìn)行樣品生產(chǎn)，解決了生產(chǎn)中常見(jiàn)的氣泡問(wèn)題。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行EL測(cè)試、I-V曲線測(cè)試、初始光衰測(cè)試和發(fā)電量測(cè)試，證明曲瓦的生產(chǎn)工藝可行，并能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)，基于柔性晶體硅電池的光伏瓦研究
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（光伏產(chǎn)業(yè)通）：BIPV之“光伏瓦片”：柔性晶體硅光伏電池片的研究
