2020年光伏建筑一体化（BIPV）实现2.3GW的全球装机容量。光伏建筑一体化是光伏组件技术与建筑技术的结合集成，两者结合后构成一个不可分割的建筑构件，替代部分建筑材料。
BIPV适合大部分建筑，如屋顶、幕墙、天棚等都可以安装。其中，“光伏瓦”引起了人们的广泛关注，光伏瓦能与屋顶陶制瓦片相媲美，可替代陶瓦作建筑材料使用。光伏瓦又分为平瓦和曲瓦，美国特斯拉近期发布了新型第三代HIT光伏平瓦。
从组件制备角度来看，平瓦类组件类似于常规光伏组件，但曲瓦制备难度就增加很多，可以弯曲的组件在业内称为柔性组件，早期的柔性组件大都采用薄膜类太阳电池。有文献提出一种柔性屋面光伏瓦，是将柔性薄膜电池组件粘接在玻纤增强聚合物水泥砂浆片材上，这类采用薄膜电池制成的柔性组件效率较低且可靠性较差。
柔性组件采用晶体硅半片电池或50~150μm厚的电池，封装材料采用有机透明薄膜上板和聚合物背板来实现，这类组件还处于研发阶段，在市场上很难买到产品；曲瓦若要满足建筑要求，表面最好采用刚性封装材料，为了满足发电量、长期可靠性和成本的要求，晶体硅柔性电池是最佳选择。
曲瓦的另一个优点是曲面增大了表面积，但投影面积小，在屋顶这样的有限面积下，可以增加安装量，单位发电量比常规组件高。通过四点测试法测试电池机械性能发现130μm电池比180μm电池有更好的柔韧性，根据超薄晶体硅电池的这一特点，结合中国传统瓦片造型，设计一款柔性晶体硅光伏瓦，并制造出晶体硅柔性光伏瓦产品。
据瑞士著名BIPV技术中心（SUPSI）预测，未来5年BIPV组件发展趋势是PV移动房屋、覆膜和图案化PV幕墙、彩色玻璃PV幕墙和柔性组件。未来，光伏瓦技术可以拓展到不同形状、不同尺寸和不同色彩的个性化柔性组件系列产品。
光伏瓦由上盖板曲面玻璃+光伏粘结层+电池片+光伏粘结层+下盖板曲面玻璃组成。电池采用130μm的柔性晶体硅太阳电池，上盖板玻璃采用超白浮法钢化玻璃，下盖板玻璃采用普通浮法钢化玻璃，光伏粘结层使用PVB材料。
光伏瓦制备流程如图1所示，包括备料、焊接、敷设、封装、测试等流程，与常规光伏组件不同，针对光伏瓦的封装，增加了固化炉加气压釜工艺。
图1 光伏瓦工艺流程
其中固化工艺是将敷设好的光伏瓦半成品放在固化炉中抽真空至1Pa，温度在100~200℃放置1~3h，产品成品率控制在99%以上。
制备光伏瓦过程中，出现气泡是较常见并难以解决的问题，出现气泡后会产生玻璃与电池片的脱层，导致光伏瓦的绝缘、防水出现问题，通过气压釜可加强粘接强度、排除光伏瓦内部气泡，减少脱层、开胶等质量问题，气压釜工艺是80~200℃、压力0.1~1.0MPa，时间1~3h。
通过小球冲击试验得到适合用于光伏瓦的曲面钢化玻璃厚度和光伏瓦的抗冲击强度，测试时使用金属架将曲面钢化玻璃和光伏瓦水平均匀撑起，撑起时金属架与玻璃之间放置橡胶垫（硬度约为邵尔A50），防止局部受力，使用质量为1040g的钢球放在垂直高度1000mm的试样上方，使其自由落下对玻璃或光伏瓦成品进行冲击；通过EL测试光伏瓦是否有隐裂；通过I-V测试得到曲面功率，通过初始光衰和发电量测试评价光伏瓦的使用性能。
130μm电池与180μm电池的性能对比如图2所示，130μm电池的短路电流密度为37.64mA/cm2，开路电压为631.6mV，填充因子为79.13%，电池转换效率为18.81%。180μm电池的开路电压为630.8mV，短路电流密度为37.94mA/cm2，填充因子为79.72，电池转换效率为19.08%。
图2a为两种电池厚度的电性能I-V曲线，可看出，130μm电池和180μm电池的电性能基本持平，130μm电池的开路电压比180μm电池的开路电压高0.8mV，短路电流低0.3mA/cm2，两者与理论模拟结果一致；130μm电池的填充因子比180μm电池的填充因子略低，与理论模拟结果不符，说明本文的工艺并未优化到理论水平，还有优化空间。
从图2b可看出，在600nm以上，130μm电池的光谱响应比180μm的略低，也是硅片厚度的减少影响了电池的长波响应，表现为电池的效率低0.27%。
设计思路是以唐宋时期经典的小青瓦为造型基础，瓦片尺寸为400mm×586mm，弧高27mm，每块瓦可以排布6片晶体硅电池片。
曲瓦的表面呈现弧度，增大了表面积，但投影面积小，在屋顶这样有限面积下，可以增加安装量，单位发电量比常规组件高。本文设计的曲瓦面积为0.232m2，投影面积为0.229m2，与平面组件相比，单位面积可以多放5.1%的电池片。
如图3所示，在生产过程中，PVB和玻璃会发生化学反应而粘接在一起，PVB是由PVA的侧基OH与丁醛反应产生而成，制成同时拥有羟基与醛基的聚乙烯醇缩丁醛。但并非所有PVOH的侧基OH都会与丁醛反应，因此尚存留有未反应的侧基OH，也会如同PVOH般进行交联反应。PVB中的羟基与玻璃中氧原子形成牢固稳定的氢键，牢牢粘接到一起，在两者没有产生粘接力的位置就会出现气泡。
避免气泡产生的关键在于温度，本文通过一系列的试验，计算出两者之间的关系，如图4所示。温度低于140℃时，PVB胶片未完全融化，气泡会大量存在，因此气泡较多；温度高于200℃时，PVB胶片融化较快，导致光伏瓦内部的气体未能及时排除，因此气泡也会过多。
光伏瓦强度必须符合建筑的安全要求。分别对曲面玻璃和光伏瓦的中心（中心点25mm范围内）、曲面最高点、曲面最低点进行冲击测试，如表1所示。通过实验可发现单面3.2mm半钢化玻璃碎裂，4mm物理和化学钢化玻璃正常无碎裂，随后制备的双面3.2mm半钢化玻璃的光伏瓦无碎裂，因此，从成本和重量考虑3.2mm钢化玻璃是可以用来制备光伏瓦的。
表1 玻璃和光伏瓦抗冲击试验
EL测试是给光伏组件通反向电压，通过专用相机拍摄组件图片，暗色部分可看到隐裂、PID、二极管导通等情况。在制备过程中，分别测试了敷设后和固化封装后光伏瓦的EL图，通过对比，曲瓦组件在敷设和封装中均无电池片碎裂现象，说明此工艺满足生产要求。
I-V曲线如图5所示，开路电压为3.79V，短路电流为7.679A，峰值电压为2.98V，峰值电流为7.259A，峰值功率为21.539W，FF为74.02%。
图5 I-V曲线
初始光致衰减是光伏瓦在开始使用的几天输出功率会大幅下降，随后功率稳定，主要原因是p型（掺硼）晶体硅片中硼氧复合体降低了少子寿命。根据《地面用光伏组件—设计鉴定和定型》（IEC61215）规定：测试光致衰减时，太阳辐照量为60kWh/m2，测试完成后，光伏组件最大输出功率衰减应不超过其试验前测量值的5%。
本文将曲瓦组件在室外试验场自然光照射11天（辐照度测试仪监测太阳总辐照量达到60kWh/m2）后，得出功率初始光致衰减对比如图6所示，功率衰减为2.17%＜5%，满足IEC61215标准。
为了测试曲面电池组件的发电量，选择20块组件样品进行并网测试，光伏瓦的光电转换效率为20%。搭建方式模仿屋顶结构，下方留有导水槽和散热通道，将组件分上下两排固定安装在支架上，倾斜角度为30°，安装地点保定试验场，组件之间采用微型逆变器连接电网，整套系统运行一年测得发电量如图7所示，与常规组件对比，发电量无减少。
本文根据传统瓦片造型，设计了一款曲面瓦，通过冲击实验选择符合安全性能的曲面钢化玻璃，采用固化炉加气压釜的生产模式进行样品生产，解决了生产中常见的气泡问题。通过对产品进行EL测试、I-V曲线测试、初始光衰测试和发电量测试，证明曲瓦的生产工艺可行，并能实现产业化生产。
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原文始发于微信公众号（光伏产业通）：BIPV之“光伏瓦片”：柔性晶体硅光伏电池片的研究
