作者｜Haidan Gong等

  組件壽命|不同類型的光伏背板在溫暖潮濕的環(huán)境中為組件提供不同程度的保護(hù)。無(wú)錫尚德光伏中心Haidan Gong、Yiwei Guo和Minge Gao為了更好地了解熱帶條件下不同背板材料的性能，詳細(xì)介紹了其目前的研究成果。

  乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）聚合物背板作為*常用的包裝材料，已成為保證組件性能的重要組成部分，以保護(hù)組件免受外部環(huán)境的侵蝕。雖然已經(jīng)固化了，但當(dāng)EVA當(dāng)暴露在高溫和潮濕的環(huán)境中時(shí)，仍會(huì)發(fā)生水解，從而形成乙酸。

  其他文獻(xiàn)[1，2]還研究了濕熱條件下組件的故障機(jī)制。醋酸與氧化鉛反應(yīng)產(chǎn)生醋酸鉛，導(dǎo)致組件功率下降。大多數(shù)聚合物背板不能完全阻止水進(jìn)入組件。

  因此，在高濕度環(huán)境下，背板的水蒸氣滲透率（WVTR）對(duì)組件的功率退化有重要影響。過(guò)去，有兩種不同的觀點(diǎn)。一種是低WVTR背板，盡量防止水進(jìn)入，抑制EVA水解反應(yīng)。

  另一種方法是使用可呼吸的背板，這意味著水很容易進(jìn)入背板，醋酸氣體也很容易從組件中釋放出來(lái)。

  目前，熱帶地區(qū)背板WVTR選擇沒(méi)有明確的結(jié)論。大部分研究都集中在背板本身的使用壽命上，很少關(guān)注背板的阻水性能對(duì)組件使用壽命的影響。

  本文從三個(gè)方面進(jìn)行了探討：采用不同的方式WVTR背板的組件性能不同VA含量的EVA濕熱加速老化與高濕度環(huán)境應(yīng)用的關(guān)系。

  實(shí)驗(yàn)部分

  玻璃(背板1)、KPO（背板2）、CPC（背板3）和PPf(背板4)。硅基光伏組件由四種不同背板材料制成，工藝相同。

  此外，還生產(chǎn)了一背板的特殊組件作為參考。IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，首先對(duì)組件進(jìn)行初始穩(wěn)定，然后將組件暴露在外85℃環(huán)境溫度和85%的相對(duì)濕度。組件的電氣性能每1000小時(shí)一次。

  這里有兩種不同VA含量(28%和32%)EVA。VA含量是用NaOH化學(xué)滴定法測(cè)定。此外，還使用化學(xué)滴定法。ther ** l Fisher Nicolet-iS50裝置測(cè)量FTIR光譜。

  結(jié)果與討論

  使用不同WVTR背板的組件性能

  外部環(huán)境因素，如水和氧，通常可以穿透背板進(jìn)入組件，如圖1所示。如前所述，組件中的水會(huì)導(dǎo)致電池腐蝕。因此，背板的濕度性能對(duì)組件的可靠性和壽命有重要影響。

  圖1：水和氧滲透到組件內(nèi)部

  在這里，5組件是在相同的條件下生產(chǎn)的(如表1所示)。A～D有四種不同的組WVTR的背板，E無(wú)背板的特殊組件，即水蒸氣完全進(jìn)入背板，醋酸氣體也容易從組件中釋放。

  表一：使用不同WVTR背板的組件

  經(jīng)過(guò)4000小時(shí)的濕熱老化，組件功率損失如圖2所示。顯然，隨著濕熱時(shí)間的增加，不同背板的組件顯示出不同的功率。

  在潮濕的環(huán)境中，DH 4000h后，背板WVTR范圍為0-4.0g/m2.d（A組*d組)組件的功率衰減WVTR增加呈線性增加(如圖3所示)。

  完全阻水的部件(背板A）由于這些部件防止醋酸對(duì)電池的腐蝕，顯示出微小的功率損失。濕熱老化后EL圖也顯示在表二上。電池和焊帶的腐蝕影響功率衰減。

  有趣的是，沒(méi)有背板的組件（E組)顯示3000小時(shí)低功率退化DH電池或焊帶腐蝕后幾乎沒(méi)有觀察到。4000h之后，這些部件出現(xiàn)了較大的功率退化和明顯的電池和焊帶腐蝕。

  對(duì)于沒(méi)有背板的組件，在DH的前3000小時(shí)，EVA水解反應(yīng)主要發(fā)生在組件背面，醋酸氣體也容易從組件中釋放。DH*后1000小時(shí)，水蒸氣滲入電池，進(jìn)入組件前側(cè)EVA水解反應(yīng)不可避免，乙酸氣體不易通過(guò)電池釋放。

  圖二：DH實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，不同背板組件的功率衰減

  圖3:功率衰減 vs. 背板的WVTR

  表2：使用不同背板的組件DH后的EL圖

  不同VA含量EVA對(duì)組件性能的影響

  VA含量也有影響EVA質(zhì)量的關(guān)鍵值。此外，酯基會(huì)在潮濕的環(huán)境中水解。在組件中使用28%和32%VA含量的EVA，在潮濕們?cè)诔睗癍h(huán)境中的性能。如圖4所示，在DH 2000h之后，使用量高VA含量EVA該組件具有更高的功率退化和更嚴(yán)重的電池和焊帶腐蝕。圖5中，VA高含量組件在濕熱后表現(xiàn)出更多的電池腐蝕。結(jié)果對(duì)應(yīng)于圖4中的功率衰減結(jié)果。

  圖四：DH過(guò)后使用不同EVA組件功率衰減

  圖五：DH以后使用不同EVA的組件EL成像圖

  濕熱加速老化與高濕度應(yīng)用環(huán)境的關(guān)系

  溫度、濕度和光照是影響組件可靠性和使用壽命的三個(gè)主要因素。

  為了預(yù)測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命，我們使用了幾種加速老化模型，其中***的是Arrhenius模型。在高濕度環(huán)境中，溫度和濕度是組件老化的主要因素。結(jié)合溫濕度因素，Hallberg-Peck模型[3]通常用于預(yù)測(cè)高濕度環(huán)境中的老化過(guò)程。Hallberg-Peck模型方程如下：

  T_u-1/T_t))………eq1

  AF：加速因子

  Ea：故障模式的激活能

  K：玻爾茲曼常數(shù)

  Tu：**溫度

  Tt：試驗(yàn)時(shí)的**溫度

  RHu：使用時(shí)的相對(duì)濕度

  RHt：試驗(yàn)時(shí)的相對(duì)濕度

  超過(guò)壽命=預(yù)期壽命/AF…eq2

  在Hallberg-Peck在模型中，超過(guò)壽命的時(shí)間與應(yīng)用領(lǐng)域的溫度和濕度以及組件故障模式的激活能量有關(guān)。組件故障激活能量是模型的關(guān)鍵參數(shù)，通常是經(jīng)驗(yàn)值。故障模式的激活能量通過(guò)以下三個(gè)實(shí)例計(jì)算。

  案例1:2012年3月在東南亞安裝的部件；平均環(huán)境溫度28.2℃，平均相對(duì)濕度61.8%。

  如圖6所示，運(yùn)行僅8年后，整個(gè)光伏電站PR理論上接近25年的退化水平較高。AAA在級(jí)脈沖太陽(yáng)模擬器下，從光伏電站取四個(gè)組件測(cè)量輸出功率。

  結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，使用BS-WVTR 1.5 VA33 EVA8年后封裝組件平均功耗下降率為28.5%，使用BS-WVTR1.5 VA28平均功耗下降率為20%。

  結(jié)果見(jiàn)表4。2000小時(shí)濕熱加速老化與東南亞熱帶環(huán)境8年運(yùn)行密切相關(guān)。濕熱試驗(yàn)2000h后，BS-WVTR 1.5 VA33 EVA封裝組件的平均功率退化率為26%，BS-WVTR 1.5 VA28封裝組件的平均功率退化率為16%。

  圖6：安裝在東南亞的組件的實(shí)際情況PR衰退結(jié)果

  表3：東南亞光伏電站的組件

  在AAA水平脈沖太陽(yáng)能模擬器下的輸出功率

  表4：倉(cāng)庫(kù)光伏組件

  在AAA水平脈沖太陽(yáng)能模擬器下的輸出功率

  DH 2000h后電致發(fā)光（EL）組件與東南亞光伏電站老化8年EL類似(圖7)。另外，傅里葉改變紅外光譜。（FTIR）濕熱試驗(yàn)后安裝在東南亞光伏電站的亞光伏電站的部件和部件的失效機(jī)制(圖8)。

  結(jié)果表明，這些組件有類似的故障機(jī)制。醋酸鉛可以在前面EVA檢測(cè)到。一般認(rèn)為水蒸氣會(huì)滲入組件，導(dǎo)致EVA水解。由此產(chǎn)生的醋酸與焊帶和電池中的氧化鉛發(fā)生反應(yīng)。醋酸鉛會(huì)增加電阻，使電池變暗。

  不同的是，在戶外運(yùn)行失敗的件背板EVA上檢測(cè)不到醋酸鉛和峰值EVA但濕熱試驗(yàn)后，組件背板EVA醋酸鉛和EVA水解峰。

  結(jié)果表明，由于組件內(nèi)外的水蒸氣濃度在白天和晚上不同，水蒸氣可以進(jìn)入組件，也可以擴(kuò)散到組件外。當(dāng)水蒸氣穿透電池并進(jìn)入組件前部，不易通過(guò)電池?cái)U(kuò)散時(shí)，它就會(huì)在前面EVA水解反應(yīng)發(fā)生在中間。然而，在整個(gè)室內(nèi)老化試驗(yàn)中，水蒸氣在組件內(nèi)外達(dá)到平衡。因此，背部EVA水解反應(yīng)是不可避免的。

  功率衰減值，EL圖像和FTIR分析表明，室內(nèi)2000小時(shí)濕熱試驗(yàn)相當(dāng)于泰國(guó)8年的運(yùn)行時(shí)間。因此，根據(jù)eq2，AF是35.04。

  圖7:左，在高濕度地區(qū)工作8年的組件；

  右，DH2,000小時(shí)后的組件；

  圖8:來(lái)自電站現(xiàn)場(chǎng)和DH后的組件的EVA FTIR光譜

  2:2012年安裝熱帶島嶼A上部組件；平均環(huán)境溫度26.9度，平均相對(duì)濕度78.5%。

  如圖9所示，經(jīng)過(guò)六年的運(yùn)行，電能實(shí)際產(chǎn)量損失為21.9%。圖十所示EL電池腐蝕也可以在圖像中觀察到。這些組件使用BS WVTR 1.5 VA33 EVA和BS WVTR 1.5 A VA28 EVA封裝。

  根據(jù)表5，2000小時(shí)濕熱加速老化A在島嶼環(huán)境中運(yùn)行6年有很好的相關(guān)性。因此，根據(jù)eq2，AF是26.28。

  圖9:安裝在A島組件實(shí)際PR衰減

  圖十：安裝在A 島6年后的組件

  表5:安裝在島上A的組件

  在AAA水平脈沖太陽(yáng)能模擬器下的輸出功率

  案例3:2013年安裝熱帶島嶼B上部組件；平均環(huán)境溫度為27.2℃，平均相對(duì)濕度為81.7%。

  如表6所示，僅運(yùn)行四年后，電能的實(shí)際產(chǎn)量就出現(xiàn)了17.6損失%。圖十一所示EL電池腐蝕也可以在圖像中觀察到。這些這些組件BS WVTR 1.5和VA28 EVA封裝。

  根據(jù)表四，在B在島嶼環(huán)境中，2000小時(shí)濕熱加速老化與4年的運(yùn)行密切相關(guān)。因此，根據(jù)eq2，AF是17.52。

  表六:來(lái)自島嶼B組件實(shí)際輸出能量

  圖11:熱帶島嶼B運(yùn)行4年后的組件

  根據(jù)這三種實(shí)際情況，我們可以計(jì)算熱帶地區(qū)失效模式的失效激活能量（Ea），相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。Ea值在0.425到0.482之間。在此基礎(chǔ)上，使用模型和Hallberg-Peck在不同的溫度和濕度條件下，模型計(jì)算了不同的室內(nèi)濕熱試驗(yàn)時(shí)間。

  表7:熱帶地區(qū)失效激活能

  結(jié)論

  本文主要研究背板的高濕度環(huán)境WVTR對(duì)組件性能的影響。理論模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)期濕熱加速老化可以模擬高濕度場(chǎng)環(huán)境下組件的老化規(guī)律。Hallberg-Peck該模型計(jì)算了不同溫度和相對(duì)濕度地區(qū)的激活能。

  另外，結(jié)果顯示，在0-4.0g/m2.d在潮濕的環(huán)境中，使用背板WVTR部件的功率隨背板衰減WVTR線性增加。*后，比較了28%和32%VA內(nèi)容下的組件性能。結(jié)果表明，高VA含量的EVA會(huì)導(dǎo)致高功率退化和電池腐蝕。

  作者團(tuán)隊(duì)

  Haidan Gong、Yiwei Guo、Minge Gao。

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