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陶氏化学张文馨:封装材料对组件寿命至关重要

光伏原材料及辅料  来源:北极星太阳能光伏网    2020/8/9 12:02:09  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:“虽然整个封装胶膜在组件里面的整个占比5%左右,但是它的整个生命周期还是非常重要的。”在第十四届SNEC全球光伏大会上,陶氏化学张文馨作了主题“聚烯烃弹性体POE封装膜助力高效组件长期可靠性”的演讲。

以下为发言实录:

我是陶氏聚烯烃弹性体部门,专门负责光伏技术,我叫张文馨。我的报告分这几个方面,首先看封装胶膜的选择对组件使用寿命的影响,性能方面不同的对封装胶膜的选择,不同的测试数据和对比,还有介绍一下陶氏研发中心PV、POE的产品,最后介绍一下PV实验室。

虽然全世界很多国家已经非常接近平价上网,但是持续降低度电成本还是主要的主题。除了降本和增效之外,提高整个光伏系统的稳定性,提高组件的寿命也是非常重要的渠道。今天我们的报告也是围绕这个方面做一下探讨。

封装胶膜的选择对组件使用寿命的影响,

这在整个光伏组件生命周期图里面有很多有可能的失效模式,我特别标出来红色的在中期和长期的失效模式,以及后期对封装胶膜严重的时候会有脱层的现象,这些都跟封装胶膜、封装材料息息相关。虽然整个封装胶膜在组件里面的整个占比5%左右,但是它的整个生命周期还是非常重要的。

封装胶膜哪些性能可以影响组件的寿命,首先是阻水率和耐受性,这两种和胶膜本身的分子结构相关。常见的EVA胶膜,EVA材料是非常吸水的,在湿热的条件下会水解产生乙酸,乙酸会对表面的基础造成腐蚀,这个EVA材料在高温下会发生断裂,产生一负产物,比如气体的负产物,像一氧化碳或者甲烷,这些都是将来会引起整个封装胶膜颜色的变化,严重的时候负产物会造成胶膜起块和脱层。

POE材料和EVA不同,它的分子结构决定了它本身是非急性的结构,没办法和水分子之间形成亲近,它是疏水材料,而且它本身的分子结构也比较饱和,也非常耐老化和热老化。这是一个对比图,POE材料经过72个小时老化之后依然没有表现明显的变化,功率显示相应也是非常非常低。EVA胶膜边缘明显的发黑,表示它还是角膜里面一些湿气的影响造成它带来腐蚀比较严重,已经超过了20%的功率损失。

目前双面高效组件封装模式主要有两种,一种是用双玻的封装,或者有边框,或者没有边框。另外一种玻璃背板的封装,即使用双面封装,也不能完全阻止湿气对组件内部的侵蚀,特别在浸水的场景或者高温高湿的情况下不能使用。如果把后面的玻璃换成透明背板,它的水透会更加严重,这种结构对于我们所使用的封装胶膜的耐水性要求会更高。包括我们现在使用很多高效的电池片,PERC的双面,它更容易被腐蚀,包括下一代的异质结电池、钙钛矿电池,这些电池的结构对湿气非常敏感,对阻水性提出了更高的要求。我们从数据对比上也可以看到,用陶氏engagePV胶膜的水气透过率只有EVA胶膜的不到十分之一,这也保证了整个组件在使用周期之内比较好的对水分的保护。

通过两组加速老化的测试试验,也同样说明了选择不同的封装胶膜对整个组件的寿命影响是比较大的。左边这组是采用湿热和紫外老化的联用来研究胶膜的黄变。我们采用双玻中间加了胶膜的结构,放在高温高湿和紫外联用箱里面,通过在不同的时段把样品取出进行裸眼的观测,以及对它进行黄度的测试,都可以看到不同的趋势。看第三组的时候,基本上在UV照射量超过了100KW/h,DH老化接近700个小时的时候,就能看到EVA和POE明显的区别,EVA已经明显肉眼可见的发黄,POE基本上没有什么变化。而且随着时间延长,EVA的黄变是越来越明显的,从黄度指数上也可以看到,从120kWh时就开始黄度指数飙升。但是POE在整个的测试周期内,超过2000小时都没有明显的黄度变化,这印证了我们刚才说的本身黄变、降解度是由分子结构决定的。

右边对不同胶膜封装的组件,它的功率情况进行了对比,红色是采用EVA封装,蓝色是用POE封装,趋势和左边是一样的,随着时间的延长,EVA延长的组件功率一直在衰减,衰减20%,POE的功率率先一直保持在非常领先的区间之内。

刚才我们讨论了阻水性、耐厚性,对于POE材料来说是它的通性。陶氏化学针对光伏应用,对于阻隔材料特殊的电性能的要求,通过先进的催化剂技术和生产工艺,对于我们研发出来的engagePV这个系列的产品,相比于一般的POE材料有比较高的一到两个数量级的电阻率,所以它比一般的POE材料提供了更好的电绝缘性,这个电绝缘性就能有效的帮助光伏的组件PID的衰减,提高它的安全性。

从半导体的物理角度来看,根据报道体物理的理论,这个材料的电阻率由本身内部的载流子的浓度,包括载流子的种类和迁移速度来决定的。在这个决定因素里面,它的迁移度和浓度都是和温度相关系数。我们在讨论一种材料它的电阻率,或者比较不同材料的电阻率的时候一定要确定它的温度,对于光伏的产品来说它在实际使用中不是处在常温的环境下,是在比较高温的情况下,而且在集中的情况下可能温度达到8、90度。我们应该更关注作为封装材料它在高温下的性能。

比较使用不同的封装材料在不同温度下的对比,最上面是陶氏POE的电阻曲线,中间是普通的POE材料,下面是灰色的EVA材料,它比其他材料高于1到2个数量级,随着维度的上升,EVA材料超过60下降的非常明显,POE材料在80度仍保持在10的16次方的高电阻率。因此我们也可以看到,基本上只有POE经过特殊的射体,在不同温度下都能满足对光伏绝缘性的要求。

不同的测试数据和对比

下面通过几组的PID测试实验来看刚才讲的性能对PID有什么影响。EVA材料封装的图像经过老化之后非常的灰暗,功率损失也很明显。但是我们采用engagePV系列的产品,没有变化,功率损失也是非常非常低。为了更好的研究PID机理性的问题,我们也观察了整个PID的进程,把逐渐在长期老化不同阶段PID的表现如实的记录下来,灰色的是EVA胶膜封装,蓝色的是普通的POE封装,红色的是用陶氏的engagePV封装。我们看到测试第一个点是2分钟的时候还好,到测试开始,组件整个老化的过程中,在加速老化相邻待了10分钟的时候。我们看背面,因为对于PERC来讲背面更加敏感,背面EVA的曲线在10分钟明显衰减,超过了10%。如果把EVA换成普通的POE,确实能够延缓PID的整个进程和曲线,随着它的老化过程超过两个小时之后,就算使用普通POE封装的组件,功率损失也会飙升现在。只有采用光伏专用的engagePV一系列的胶膜,才会在测试周期中是非常优PID的表现。

看一下透明背板的组件怎么样,透明背板是这两年的新材料,被认为是可呼吸的材料,本身透明背板可以允许一些湿气和胶膜负产物的溢出,被认为是可以减缓PID的发生。我们分别进行了封装,不管是搭配P型还是N型电池,就算你采用可呼吸的背板,采用EVA的材料还是明显的功率衰减,没办法满足光伏的要求。只有采用engagePV胶膜,才能在透明背板的组件上达到优异的性能。

刚才的封装模式我们也对于EVA和POE搭配使用进行封装组件PID的表现进行研究,第一组两边都采用了EVA,第二组采用了POE,双面EVA的还是功率损失比较高,POE的损失比较低。最后是第三组,只是把第二组的正面,我们认为对PID不太敏感的PERC电池正面换成了EVA材料,仍然带来了包括正面、背面功率损失的上升,这个我们认为虽然只是把正面的POE材料换成EVA,但是整个带来水亲的渗透包括EVA的负产物,在浓度差的情况下可以渗透到背面的,还是可以造成背面损失的,还是会对整个光伏系统造成比较大的风险。所以我们才说作为整个价值链的决策者,如果你想要100%的安心,还是推荐使用100%的POE,特别是100%的陶氏光伏级别的POE。

关于陶氏PV实验室

陶氏作为聚烯烃弹性体的发明者,目前也是全球最大的聚烯烃弹性体的供应商。我们在三个大洲都有工厂,可以服务全球不的客户,主要客户在中国,我们在本地也建了非常完善的生产和技术服务、市场开发。这边列了在光伏应用上主要的产品,在座有些胶膜的生产商也比较熟悉这个产品了,特别是8660和8669是目前比较常用的,一个是低熔脂和高熔脂的。

总结,我们认为陶氏PV可以帮助提高组件抗PID的性能延长组件使用寿命,降低度电成本,提高太阳能投资回报。目前EngagePV POE已经成功封装超过40GW组件,也成为了各大封装胶膜厂最佳的选择。

上海套研发中心PV实验室,也是全球第二大的,仅次于总部。PV实验室属于应用研发的一部分,经过几年不断的搭建和完善,目前已经具备了整个从材料端,从最开始的数值到各项性能的测试,后端把它变成组件,组件进行各种老化的测试,完整的工具我们已经具备了,结合到陶氏本身是强大的材料测试的能力,过去几年也为很多客户提供了帮助。希望在座有机会可以到张江陶氏实验室参观指导。(发言为北极星太阳能光伏网根据速记整理,未经本人审核)

投稿联系:陈女士 13693626116   QQ: 1831213786
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