光伏組件抗PID，EVA膠膜的改性很重要

光伏太陽能系統(tǒng)因其對環(huán)境的低影響而成為最有前途的系統(tǒng)之一。盡管長期以來光伏太陽能系統(tǒng)在現(xiàn)場條件下非?？煽?/span>,退化率和故障率較低,但仍然容易受到腐蝕和分層等故障的影響。在常見的可靠性問題中,光伏組件的電勢誘導(dǎo)衰減效應(yīng)(PID)會導(dǎo)致現(xiàn)場條件下光伏組件發(fā)生災(zāi)難性故障。PID效應(yīng)被定義為太陽能電池和光伏模塊框架之間施加高電壓而引起的功率退化。晶硅光伏組件的構(gòu)成如下圖所示。     太陽能封裝材料(EVA)常見的封裝膠有環(huán)氧樹脂膠、有機硅膠、紫外線光固化膠以及丙烯酸樹脂膠等。封裝膜有EVA、聚乙烯醇縮丁酸、聚氨酯薄膜及其它封裝膜。

聚乙烯醇縮丁酸封裝膜各類封裝材料因其材料、性能、成本等的不同有各自的應(yīng)用領(lǐng)域。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是光伏組件的第一代密封劑,具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和紫外線穩(wěn)定性。由于生產(chǎn)成本高,PDMS已被更便宜的封裝材料取代,例如EVA、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、熱塑性聚烯烴(TPO)、熱塑性聚氨酯(TPU)、甲基丙烯酸等。EVA封裝膠膜lPID效應(yīng)與EVA封裝膠膜的關(guān)系組件封裝常用封裝材料中,EVA在高熱高濕條件下的性能衰減較顯著,PVB、TPO略好。但對光伏組件而言,PVB、TPO價格較高,因此EVA是目前應(yīng)用最廣泛的封裝材料,約占封裝材料市場的80%。

EVA封裝材料EVA封裝膠膜的穩(wěn)定性受環(huán)境影響較大,特別是紫外線、紅外線輻射和濕度。EVA封裝膠膜老化引起的失效模式歸納為三種:變色、分層和腐蝕。EVA封裝膠膜的老化會由于變色(黃變、褐變)而導(dǎo)致光學(xué)解耦,隨之而來的是功率損失、附著力下降、分層以及由醋酸產(chǎn)生的金屬件腐蝕。EVA封裝膠膜老化脫乙酰反應(yīng)生成醋酸,如下圖所示,從而降低了膜的酸堿度并加快了組件表面腐蝕的速度;老化產(chǎn)生的酸根離子引起玻璃層Na+的遷移,進而誘發(fā)PID效應(yīng)。

為抑制EVA封裝膠膜的老化,適當(dāng)添加抗氧化劑、紫外線吸收劑、交聯(lián)劑等可顯著提高EVA封裝膠膜的耐久性和耐候性。常用EVA封裝膠膜制備配方如下表所示。

但是有研究指出,導(dǎo)致EVA變黃的是部分添加劑而非EVA樹脂本身,因此添加劑的配方仍有研究空間和研究價值。在EVA基料中加入其他材料可以抑制EVA封裝膠膜老化:如在EVA共混物中加入聚烯烴能減緩EVA的降解和黃變,在保持VA單元分離的同時減少醋酸的生成,并增加對300℃以上溫度的耐熱性,但這種封裝材料抗光老化性能比純EVA基料差。

強化EVA膠膜但納米材料的加入會使得封裝膠膜的透明度降低,對光伏組件的發(fā)電效率有極大影響。除材料改性,有專利中還提到了多層共擠封裝膠膜的制備方法。多層共擠封裝膠膜性能明顯優(yōu)于單層膠膜。該膠膜由中間芯層(基質(zhì)為EVA)和上下的皮層構(gòu)成,通過紫外線輻照,選擇性地使芯層發(fā)生預(yù)交聯(lián),皮層不發(fā)生預(yù)交聯(lián),使獲得的膠膜柔軟、透明、粘接性好、耐蠕變、機械強度更高,在縮短組件層壓時間的同時,能夠保持膠膜較大的粘接性能,防止氣體和水汽進入,提供防腐蝕保護。lEVA封裝膠膜降低離子遷移率研究進展高聚物的交聯(lián)結(jié)晶效應(yīng)使得分子結(jié)構(gòu)間的空間致密化,體積電阻率升高。較高的體積電阻率使得封裝膠膜導(dǎo)電性較低,將減少玻璃到電池的Na+遷移,功率衰減較小。為提高封裝膠膜的體積電阻率,可以減少助劑尤其是易解離助劑的添入量。對膠膜進行干燥處理如表面鍍疏水涂層,提高膠膜的交聯(lián)度與結(jié)晶度。

光伏組件結(jié)構(gòu)專利中提及一種抗PID的多層復(fù)合光伏封裝膠膜的制備與應(yīng)用,多層膠膜由多個粘結(jié)層(基質(zhì)為EVA)和阻隔層依次間隔復(fù)合而成,通過在阻隔層添加聚乙二醇酯或醚類、多元醇脂肪酸酯等電荷消散劑,吸收并消除電池片表面富集的電荷,使電荷淬滅,增強膠膜的抗PID性能;阻隔層的基體材料具有較高的體積電阻率和較低的水汽透過率,以達到阻水、阻氧的目的。抑制Na+遷移,降低離子遷移率可有效提高封裝膠膜抗PID性能。萬豐研究中報道:加入氫氧化鎂作為酸吸收劑可吸收EVA老化時產(chǎn)生的醋酸根離子,從而阻止玻璃層金屬離子的遷移,提高EVA封裝膠膜的抗PID性能;加入金屬磷酸鹽等金屬離子捕捉劑和離子交換樹脂,離子捕獲劑可通過離子交換等方式捕捉膠膜中的堿金屬離子以及堿土金屬離子等,而活化的離子交換樹脂可與外界環(huán)境中的金屬離子發(fā)生離子交換,起到吸附、固定金屬離子的作用,有效吸附膠膜中的游離金屬離子,減少玻璃層金屬離子的遷移,提高封裝膠膜抗PID性能;加入主鏈是碳鏈、支鏈含有若干羥基的樹脂作抗PID助劑,如乙烯-乙烯醇系共聚物、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯酯-乙烯醇三元共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯-乙烯醇-馬來酸乙烯醇單酯。

EVA樹脂

這些樹脂的結(jié)構(gòu)與EVA樹脂的水解結(jié)構(gòu)相似,可以通過減弱水解反應(yīng)提高EVA封裝膠膜的交聯(lián)密度,抑制EVA封裝膠膜表面離子遷移以及玻璃表面離子的聚集,從而抑制組件的PID效應(yīng)。小結(jié)光伏發(fā)電具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟效益,是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源之一。在能源緊張的時代背景下,光伏發(fā)電仍有無限發(fā)展前景。本文對光伏組件PID效應(yīng)的產(chǎn)生原因及解決辦法進行綜述,并針對光伏組件EVA封裝膠膜抗PID改性的研究進展進行總結(jié)。針對Na+遷移誘發(fā)晶硅組件PID效應(yīng)的機制,EVA封裝膠膜抗PID改性主要包含兩個層面:抑制EVA老化;降低EVA封裝膠膜內(nèi)部離子遷移率以阻止Na+遷移引發(fā)的PID效應(yīng)。列舉了添加材料及改變應(yīng)用方式的改性方法,以及提高體積電阻率的改性研究及抗PID助劑的應(yīng)用。通過添加改性助劑制備抗PID的EVA封裝膠膜仍具有研究價值和研究前景。