2015年，中國太陽能光伏發電累計并網容量達到4158萬千瓦，超越德國成為世界光伏第一應用大國。幅員遼闊的中國成為理想的光伏電站建設地，但中國氣候類型多樣，包括大面積的嚴苛氣候類型如荒漠、高原和熱帶等，這些地區不同的氣候條件對光伏電站的建設及發電系統形成很大挑戰。
 

組件是光伏發電系統重要的組成設備之一，其質量決定電站的長期發電量。現階段，人們主要通過實驗室檢測來了解組件和材料的性能，但測試設備難以模擬戶外各種復雜氣候條件以提出更恰當的檢測標準。在諸多不足的背景下，最具代表性和參考意義的性能數據只能通過檢測光伏組件在戶外使用下的實際性能獲得。
 

2011年，杜邦光伏解決方案啟動了一項全球性的戶外光伏組件研究項目，涵蓋不同地區及氣候范圍，重點研究組件可靠性及其它影響組件完整性的問題。2011-2014年，該研究共涵蓋全球60多個光伏發電裝置，項目規模從1kW至20MW，累計規模達200MW以上。
 

所有研究組件中41%存在外觀失效，詳細失效分類可見圖1。其中，24%的失效來自于電池，包括熱斑(通過紅外成像儀識別)、連接處的燒痕和裂痕(通過蝸牛紋識別)。背板失效比占到9%，是組件除電池以外失效比例最高的部件。背板作為保護層，其耐久性不足導致的電池性能降低和功率衰減增加則會直接損害投資收益。同時，背板關系到組件的絕緣和耐久性，因此掌握組件在國內各類型氣候下運行和材料失效情況，將最大程度地降低組件在不同惡劣環境下所帶來的發電損失。

實驗室檢測主要側重對太陽能組件材料的化學和物理變化的分析，而戶外電站檢測主要側重視覺失效統計。隨著太陽能產業的重心從“設計制造”階段轉移至系統的運營和維護，功率輸出、安全性能和外觀失效日益成為決定光伏系統價值的關鍵性標識。根據研究顯示，所有確認的失效都涉及到光伏組件四大主要零部件中的一個或多個：前板、封裝材料、電池/連接電路和背板(見表1)。

為了對不同典型氣候類型和使用年限的組件做深入調查和研究，國內光伏行業專家和杜邦公司專業技術人員走訪了12個省份，檢測了20多個光伏系統和電站、累計約210MW的光伏組件。研究發現，不同氣候地區光伏組件的衰減和材料老化有一定差異和規律，尤其對于擁有亞熱、熱帶和溫帶等不同氣候類型，及荒漠干旱、高原、沿海等多個地理特征的中國而言(如表2)，其影響更加明顯。
 

青海、新疆、內蒙古和寧夏等西、北部地區，是近年國內光伏電站建設集中地，這些地區光照資源充足，土地價格低廉，方便集中管理。但該地區氣候環境嚴苛，具體表現為干旱少雨，年太陽輻照量超過5500MJ/m2，冬夏及晝夜溫差較大，且部分地區地表沙化嚴重。
 

對于耐候性差的背板如聚酯(PET)和單層聚偏氟乙烯(PVDF)背板，變色發黃是一種常見的外觀失效。在歐洲、北美和日本等地區多種氣候類型下(包括溫和氣候)都報道過大量的相關失效案例。在我國也有很多此類背板發黃的案例。

圖2是寧夏使用4年的組件，使用的是單層PVDF背板(PVDF薄膜/聚酯PET/粘接E層)，背板內層顯著黃變，超過50%的同類型組件和背板存在類似問題。背板變色發黃是一種常見的外觀失效，根據現場IV測試結果顯示：黃變組件的平均功率衰減為11%左右，顯著高于戶外使用4年組件功率衰減不超過5%的要求。

還有些在西部風沙活動頻繁地區使用的光伏組件，因其背板材料耐磨性差，厚度低，涂層被風沙磨損，背板內層PET很快直接曝露于苛刻大氣環境中，在使用不到兩年時間里即加速老化失效，如圖3。

西藏是中國太陽輻射能最多的地方，陽光直射比例大，年際變化小，大部分地區年日照時間達3100～3400小時。以拉薩地區為例，年太陽輻照劑量達7600MJ/m2，組件正面年紫外輻照劑量超過100kWh/m2。該地區組件的典型外觀失效主要表現為封裝材料變色、柵線變色、背板黃變脆化和剝落。圖4是在西藏使用9年的組件，該組件使用的背板材料由空氣面向內依次為：白色聚酯PET/透明聚酯PET/粘接E層。該組件背板內層嚴重發黃，在電池片間隙位置，由于背板內外兩層都受到紫外照射，背板外層白色聚酯PET層幾乎全部剝落。

海南是我國典型的熱帶濕熱氣候地區，年平均氣溫22~27℃，年平均濕度超過80%。濕熱氣候地區具有高溫、高濕和強紫外等環境特點，對組件中的電池柵線、焊帶、EVA、背板等材料有顯著影響，在海南使用的光伏組件普遍存在電池柵線和焊帶腐蝕、封裝材料變色等問題(如圖5)，該電站由多個4塊組件的獨立系統組成，其系統無一例外存在電池片、銀柵線和焊帶腐蝕問題，戶外功率測試設備已測不出電流和組件剩余功率。

另外，從電池片間隙可看到，封裝材料EVA黃變嚴重;部分區域還存在電池片和封裝材料脫層現象，在接線盒部位由于水汽通過背面玻璃打孔處導致封裝材料嚴重脫層。這些雙玻組件使用鋁邊框封邊，仍不能阻止水汽進入組件及封裝材料的老化和電池部件的腐蝕。
 

沿海地區尤其是在近海和易積水的灘涂地區，空氣濕度較大，年均超過70%。水汽和鹽霧腐蝕是主要的環境老化因素。圖6(a)是在江蘇沿海某地運行4年的光伏組件典型失效照片。

經過長期的侵蝕，鋁邊框和硅膠密封部分失效，導致水汽進入組件。圖6(b)和圖6(c)是PVDF背板內層起泡和脫層，據隨機片區抽樣統計，起泡脫層組件比例約為6.2%。根據現場IV測試結果顯示，有PVDF背板脫層組件的功率衰減達到11%～14.7%。
 

不同氣候類型的環境老化應力水平和種類不同，組件材料失效出現的時間和類型有差異也有類似規律。背板作為光伏組件的關鍵封裝材料，對組件的耐久性、性能和使用壽命具有重要影響。多項研究表明，基于特能®(Tedlar®)PVF薄膜的背板在各種氣候環境都得到了廣泛的25年甚至30年實績驗證;而一些其它背板材料在戶外短期內即出現了明顯的老化或失效現象，有些還導致了組件功率加速衰減和安全隱患。
 

光伏系統的長期可靠性和性能很大一部分取決于其使用的材料。基于度電成本(LCOE)的最優系統價值的實現是依靠組件按預期運營，從而提供穩定功率輸出和較長的使用壽命。專家建議，在項目開始階段明確使用經長期戶外實績驗證的高質量材料，有助于確保光伏組件于整個系統使用周期內的使用壽命和發電性能，幫助降低終端用戶的發電成本，從而實現甚至超出項目預期的財務回報。