高溫高濕環(huán)境下光伏組件封裝材料的選型
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網(wǎng)絡(luò)
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發(fā)布日期： 2021.07.19
眾所周知，光伏組件的應(yīng)用環(huán)境多種多樣，如熱帶高濕環(huán)境、沿海環(huán)境、沙漠干旱、溫和環(huán)境等。不同的環(huán)境應(yīng)力對(duì)光伏組件的耐候性能的影響是有明顯差異的。目前傳統(tǒng)的商業(yè)化光伏組件是三明治結(jié)構(gòu)，玻璃/EVA/電池/ EVA/背板，其封裝材料（玻璃、背板、EVA）作為光伏組件上的一道屏障，可以有效的保護(hù)內(nèi)部的光伏電池不受外界環(huán)境的影響，從而確保其在不同應(yīng)用環(huán)境下的長(zhǎng)期可靠性。那么如何在這么多不同環(huán)境下保證光伏組件長(zhǎng)達(dá)25年的長(zhǎng)期可靠性，封裝材料的選型就變得至關(guān)重要的。玻璃是無(wú)機(jī)材料，在戶外各種環(huán)境下都相對(duì)穩(wěn)定，具有優(yōu)異的長(zhǎng)期耐候性，因此本文主要探討EVA、背板這類容易受氣候影響的高分子封裝材料在沿?；蚴菬釒Ц邼癍h(huán)境下的選型。在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們需要先搞清楚下面幾個(gè)問(wèn)題。
1、室內(nèi)環(huán)境測(cè)試能否模擬戶外的環(huán)境
通常我們用室內(nèi)的雙85高溫高濕測(cè)試（85℃，85%R.H.，1000hrs）來(lái)模擬戶外沿?；蚴菬釒Ц邼癍h(huán)境，但是一直存在這樣一些疑慮和爭(zhēng)議：
a) 85℃，85%R.H.的雙85測(cè)試環(huán)境真的能代表戶外沿?；蚴菬釒Ц邼癍h(huán)境嗎？其失效機(jī)理是否會(huì)存在差異？
b)
85℃，85%R.H.，1000hrs的測(cè)試能否戶外代表25年？
目前這兩個(gè)問(wèn)題都有了一些結(jié)論。我們先來(lái)看一下戶外的2個(gè)應(yīng)用實(shí)例。
圖1是安裝在熱帶地區(qū)運(yùn)行了8年的組件的EL圖，該地區(qū)氣候高濕，安裝地離海邊不到500米。2010年安裝，2018年測(cè)試EL發(fā)現(xiàn)電池從焊帶開始出現(xiàn)大量的腐蝕發(fā)黑現(xiàn)象，嚴(yán)重的部分整個(gè)電池發(fā)黑，與銘牌功率比，功率衰減13.8%。
圖1 熱帶靠海地區(qū)運(yùn)行8年后的組件EL圖
圖2是安裝在亞熱帶地區(qū)運(yùn)行了8年的組件的EL圖，該地區(qū)夏季高濕，冬季溫和濕潤(rùn)，離海不到500米。2010年安裝，2018年測(cè)試EL發(fā)現(xiàn)電池焊帶開始出現(xiàn)大量的腐蝕發(fā)黑現(xiàn)象，與銘牌功率比，功率衰減5.6%。
圖2 亞熱帶靠海地區(qū)運(yùn)行8年的組件EL圖
那么，室內(nèi)的高溫高濕環(huán)境下，組件如何表現(xiàn)呢？我們拿同樣10年生產(chǎn)的組件去做測(cè)試，分別在1000小時(shí)，1250小時(shí)，1500小時(shí)，2000小時(shí)后測(cè)試功率和EL，如下圖所示，我們?cè)诟邷馗邼竦臏y(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了戶外相似的失效過(guò)程。隨著高溫高濕的進(jìn)行，電池片從焊帶開始腐蝕并逐步加劇，與銘牌功率比，功率出現(xiàn)明顯的下降。
根據(jù)室內(nèi)和室外的數(shù)據(jù)分析，我們可以得出如下結(jié)論：
a) 85℃，85%R.H.的測(cè)試環(huán)境可以有效的模擬戶外沿?；蚴菬釒Ц邼癍h(huán)境。其失效機(jī)理基本相似。
b) 85℃，85%R.H.，1000小時(shí)的測(cè)試不能代表組件25年的使用壽命，室內(nèi)1500小時(shí)的測(cè)試僅能代表亞熱帶地區(qū)靠海安裝的組件室外運(yùn)行8年，室內(nèi)2000小時(shí)的測(cè)試僅能代表熱帶地區(qū)靠海安裝的組件室外運(yùn)行不到8年的時(shí)間。
2、高溫高濕環(huán)境下的失效機(jī)理
業(yè)內(nèi)一直有這樣兩種聲音，一種是水汽的侵入使得EVA水解產(chǎn)生醋酸是導(dǎo)致組件高溫高濕環(huán)境下失效的原因，因此需要使用低水透的背板；另一種是水汽進(jìn)入組件內(nèi)部后使得EVA水解后產(chǎn)生醋酸沒(méi)有辦法跑出去進(jìn)而腐蝕電池，導(dǎo)致組件高溫高濕環(huán)境下的失效，因此需要使用透水率高的可呼吸的背板。這兩種聲音都有一定的道理，其中對(duì)于高溫高濕環(huán)境下組件的失效是由于EVA水解產(chǎn)生的醋酸腐蝕電池片導(dǎo)致，這一點(diǎn)是一致認(rèn)同的。那么到底該選擇高水透的背板還是低水透的背板，讓我們來(lái)看以下的數(shù)據(jù)。
2.1高溫高濕環(huán)境下背板透水率對(duì)組件可靠性的影響
我們對(duì)不同透水率背板的組件進(jìn)行了高溫高濕測(cè)試。表1是背板透水率值。透水率1.34g/㎡.day的背板是高阻水的背板，也是目前背板中透水率較小的，市面上未大量使用。透水率2.34g/㎡.day的背板是目前背板中透水率較高的背板，也是目前在廣泛使用的。圖8是高溫高濕后的測(cè)試后功率衰減情況。3000小時(shí)的高溫高濕后，背板透水率在2.34g/㎡.day的兩塊組件具有的功率衰減，圖10的EL顯示電池焊帶開始出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)黑腐蝕的現(xiàn)象。背板透水率在1.34g/㎡.day的兩塊組件功率衰減其次，圖9的EL顯示電池焊帶開始出現(xiàn)輕微的發(fā)黑腐蝕現(xiàn)象。有意思的是完全曝露在水汽中沒(méi)有背板的組件和透水率為0g/㎡.day的雙玻組件及含鋁背板組件功率衰減相當(dāng)，均小于5%。圖11是無(wú)背板組件的EL圖，其中為了粘接接線盒，下排電池覆蓋了背板，被背板覆蓋的區(qū)域的EL顯示電池焊帶附件出現(xiàn)輕微的發(fā)黑腐蝕，而沒(méi)有背板的區(qū)域，電池沒(méi)有異常。
圖8 不同背板透水率的組件高溫高濕環(huán)境下功率衰減情況
表1 組件背板透水率信息
圖9 DH3000前后Sample 5（背板透水率1.34g/㎡.day）的EL圖
圖10 DH3000前后Sample 8（背板透水率2.34g/㎡.day）的EL圖
圖11
DH3000前后Sample 9（無(wú)背板組件）的EL圖
綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：
a)0水透的組件（含量背板，雙玻），由于沒(méi)有水汽的侵入，因而EVA不會(huì)水解產(chǎn)生醋酸，也不會(huì)存在腐蝕電池的現(xiàn)象，可以保證高溫高濕環(huán)境下組件的長(zhǎng)期可靠性；
b)完全透水的背板，雖然EVA會(huì)水解產(chǎn)生醋酸，但是醋酸也全部釋放出去，因而也不會(huì)腐蝕電池，同樣也不會(huì)導(dǎo)致高溫高濕環(huán)境下的功率衰減。但是背板是起絕緣作用的，沒(méi)有背板的組件絕緣會(huì)存在問(wèn)題；
c)高分子材料的背板，在沒(méi)有阻水層存在的情況下，或多或少都會(huì)有水汽滲透，EVA水解不可避免，相對(duì)低水率的背板可以延緩但不能阻止高溫高濕環(huán)境下組件的失效。
d)含鋁的背板雖然可以做到0水透，但是成本較高，加工也較復(fù)雜。可以開發(fā)一款背板即能透水又能透醋酸，這樣可以讓酸性氣體及時(shí)的排出進(jìn)而阻止高溫高濕環(huán)境下組件的失效。
2.2高溫高濕環(huán)境下EVA的VA含量對(duì)組件可靠性的影響
早期EVA的VA含量以VA33為主，為了改善EVA產(chǎn)線的裁切、環(huán)境溫度較高情況下發(fā)粘以及PID和蝸牛紋現(xiàn)象，14年開始行業(yè)內(nèi)EVA的VA含量以VA28為主，那么VA含量對(duì)組件高溫高濕環(huán)境下會(huì)有什么樣的影響呢？
圖12是采用同一家EVA廠家生產(chǎn)的不同含量的EVA搭配同樣的背板和電池做出的組件進(jìn)行高濕高濕測(cè)試的結(jié)果。可以看出，VA33含量的EVA在2000小時(shí)的測(cè)試后，組件功率衰減明顯高于VA28含量的EVA。圖13的EL顯示，電池焊帶附件明顯開始發(fā)黑腐蝕。
圖12 組件采用不同VA含量的EVA封裝后高溫高濕下的功率衰減
圖13 組件采用VA33含量EVA封裝后，DH2000前后的EL圖
由此可見，VA含量的高低對(duì)組件在高溫高濕環(huán)境下的可靠性也有較大的影響。在高溫高濕地區(qū)，應(yīng)選用VA含量較低的EVA封裝。
結(jié)論
綜上所述，在沿?；蚴菬釒Ц邼癍h(huán)境下，對(duì)于封裝材料的選型有以下幾個(gè)方案：
a)采用0水透的背板（含鋁背板，雙玻）可以有效的防止高濕環(huán)境下組件的失效；
b)采用較低水透的背板，搭配低VA含量的EVA，可以延緩組件在高濕環(huán)境下的衰減；
c)需要開發(fā)新型背板，能透水同時(shí)也能使得醋酸及時(shí)釋放，同樣可以有效的防止高濕環(huán)境下組件的失效。
d)雙85測(cè)試可以有效的評(píng)估組件能否在高濕環(huán)境下運(yùn)行25年。
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