ENGAGE™ PV POE 膠膜對雙面光伏組件長期可靠性的影響

       過去10 年，“平價上網”是光伏行業最關注的話題之一。在光伏全產業鏈的協同努力下，全球范圍內越來越多的光伏市場實現了平價上網，最低電價不斷被刷新。據智新研究院預測，2021 年左右我國光伏市場將實現全面平價，進入“后平價時代”。隨著儲能、輸配電等問題的逐步解決，光伏電力將從之前的“滿足國家新增用電需求” 轉變為“逐步替代化石能源”。更大的市場潛力和更高的投資回報收益率給光伏產品的使用壽命及長期可靠性提出了更高的要求。雖然光伏組件的核心部件是太陽電池，但電池的使用壽命和工作性能受到組件各個組成部分，尤其是光伏組件封裝膠膜 [1] 的制約。

       封裝膠膜作為光伏組件中玻璃、電池和背板之間的粘結材料，其作用主要包括 [2]：1) 在組件生產、存儲、安裝和使用過程中提供結構支撐和定位電池的作用；2) 作為電池和其他元件的物理隔離，保護電池電路不受組件使用環境中不良因素的影響；3) 使電池和玻璃之間達到光耦合，以保證太陽輻射透過率超過90%，并在20～30 年甚至更長的使用過程中，組件的最大光損失不超過5%；4) 保持電池和其他元件間的電絕緣。

       盡管封裝膠膜在整個光伏組件中的成本占比不足10%，但其品質和穩定性將直接影響光伏組件輸出功率的大小和穩定性。功率衰減導致組件使用壽命縮短的原因與封裝膠膜的選擇息息相關，比如膠膜的黃變、脫層，都會對組件的壽命和性能造成影響。

       由于聚乙烯醋酸乙烯酯(EVA) 材料出色的熔體流動性和低加工溫度，經配方流延成膜后具備優異的光學性能和粘結性，以及相對低廉的價格，使其成為過去30 年光伏市場封裝膠膜的首選，市場占有率超過80%[3]。然而，EVA 膠膜作為封裝膠膜也存在很多固有的缺陷，比如，醋酸乙烯酯基團的存在會使EVA 膠膜因紫外光和濕熱氧化引起降解老化，表現為膠膜的黃變及脫層，會嚴重影響組件的光電轉換效率和使用壽命。近些年，隨著光伏電站規模的擴大，業內對于光伏組件的電勢誘導衰減(PID) 現象高度關注，PID 的成因與封裝膠膜的選擇有很大關系。EVA 材料中醋酸乙烯酯基團的親水性和易水解產生乙酸的特點被認為是PID 現象的誘因之一。

       本文主要對聚烯烴彈性體(POE) 膠膜( 下文稱為“普通POE 膠膜”)、EVA 膠膜及基于先進催化劑技術制備的ENGAGE™ PV POE 膠膜的特性，以及采用這3 種膠膜的組件的性能進行了測試與分析。

1 實驗及結果分析

1.1 實驗樣品的制備

       本文中使用的p 型PERC 電池和n 型TopCon電池均為常見的具有代表性的市售產品。EVA膠膜和普通POE膠膜均采用常見膠膜配方，由實驗室擠出流延機制備。將EVA 膠膜、普通POE 膠膜及ENGAGE™ PV POE 膠膜與電池經層壓后制備成組件，用于后續不同測試。

1.2 體積電阻率測試及結果分析

       封裝膠膜的主要功能之一是提供優異的電絕緣性能，減少組件的電流泄漏。國際上很多研究表明，高體積電阻率的封裝膠膜可有效降低組件的PID 現象，提高組件的使用安全性和長期可靠性[4-5]。

       一般認為，光伏組件在使用過程中的實際溫度最高時可超過80 ℃，尤其是在日曬充足或高溫地區。所以，封裝膠膜在高溫下的介電性能應得到充分關注。BERGHOLD J 等[5] 的研究也證實了體積電阻率嚴重依賴溫度和濕度，特別是溫度。當組件的工作溫度提高到60 ℃以上時，封裝膠膜的體積電阻率會大幅降低。因此，需要在相同的工作溫度下比較不同材料的體積電阻率。

1.2.1 體積電阻率測試

       測試方法參考ASTM D257 標準， 使用Keithley 6517B 高電阻測試儀( 搭配8009 測試箱，8009 測試箱可放置在烘箱中) 測試膠膜在25、60 ˚C 時的體積電阻率，使用ZC36 型超高電阻測試儀( 搭配型號為YG87-2 的溫控箱) 測試膠膜在85 ˚C 時的體積電阻率。測試在1000 V 外加電壓下進行，設備給出漏電流數據，加壓10min 后讀數，并根據式(1) 換算成體積電阻率ρ。

       式中，V 為外加電壓，V；A 為電極接觸面積，cm2；I 為漏電流，A；t 為膠膜厚度，cm。

1.2.2 體積電阻率測試結果分析

       圖1 為不同封裝膠膜分別在25、60 和85 ℃時的體積電阻率數據。

       由圖1 可知，ENGAGE™ PV POE 膠膜的體積電阻率比普通POE 膠膜和EVA 膠膜高1～2 個數量級，這主要是源于其獨特的催化劑技術、產品設計和生產工藝。而且隨著工作溫度的升高，EVA 膠膜的體積電阻率迅速下降，在85℃時已接近1013 Ω•cm，而ENGAGE™ PV POE膠膜的體積電阻率還保持在1015 Ω•cm 以上。BERGHOLD J 等[5] 認為， 體積電阻率在1015Ω•cm 以上的封裝材料才能有效抗PID。

1.3 水汽透過率測試及結果分析

       封裝膠膜作為保護電池和其他元件的物理隔離，需要保護電池電路不受水汽的影響。水汽對于光伏組件的危害性不僅是對金屬部件的腐蝕，其還可以通過水解反應引發聚合物封裝材料的降解，比如EVA 材料水解產生的乙酸會對電池表面的金屬電極產生進一步的腐蝕。

       不同封裝膠膜的水汽透過率是由膠膜本身結構決定的。圖2 為POE 材料和EVA 材料的分子結構式，POE 為乙烯和α- 烯烴共聚物，屬于非極性材料，不能和水分子形成氫鍵，也就不能像EVA 等含極性基團( 醋酸乙烯酯基團) 的材料一樣吸附水汽。

       從本質上來說，水汽透過是水分子的擴散過程，在水蒸氣高濃度一側，水蒸氣先是吸附并溶解于聚合物薄膜表面上，然后穿過表面在聚合物內部進行擴散；當水蒸氣達到對側( 低濃度側)時會被解吸，進入周圍的環境中。

1.3.1 水汽透過率測試

       水汽透過率的測試采用紅外法( 設備型號為Moncon Permatran-W3/33)，表1 為具體的測試條件。

1.3.2 水汽透過率測試結果分析

       表2 為ENGAGE™ PV POE 膠膜和EVA 膠膜的水汽透過率測試數據。

       由表2 可知，ENGAGE™ PV POE 膠膜的水汽透過率僅為EVA 膠膜的約1/10，極大地降低了組件被水汽滲入及腐蝕的可能性。

1.4 加速老化測試及結果分析

       EVA 膠膜的降解途徑除了水分參與的水解過程之外，在太陽光照或熱的作用下，在醋酸乙烯酯鏈段發生的Norrish type I & II & III 反應可以產生分子鏈斷裂及生成多種副產物。其中的氣體副產物如一氧化碳、二氧化碳和甲烷，停留在組件內會造成膠膜產生氣泡或脫層，進而影響組件的長期可靠性。Norrish type II & III反應產生的乙酸、乙醛和多烯會引起EVA 膠膜的黃變，進而降低組件的發電效率[6]。相比之下，由于POE 材料無極性基團，分子結構中所含叔碳原子也相對較少，因而具有優異的耐熱老化和抗紫外線性能。

1.4.1 加速老化測試

       使用紫外濕熱加速老化試驗箱( 型號：NOVTEC UV plus) 來觀察膠膜的黃變趨勢，其中，濕熱條件(DH) 為85 ℃、85%RH，紫外(UVA+UVB) 總輻照度為150 W/m2。測試所用組件的結構為玻璃/ 膠膜/ 玻璃。

       參考ASTM E313 標準，使用HunterLab 測色儀測量膠膜的黃度指數(YI)。

1.4.2 加速老化測試結果分析

       對使用相同配方的普通POE 膠膜和EVA 膠膜在紫外濕熱加速老化試驗箱中的黃變趨勢進行觀測，發現在UV 輻照量超過100 kWh/m2 和DH達到700 h 左右時，EVA 膠膜樣品變黃，而且隨著老化時間的延長，黃變越來越明顯；而普通POE膠膜在2000 h后依然未變色。具體如圖3所示。圖4 為普通POE 膠膜和EVA 膠膜在加速老化后的黃度指數變化趨勢，由圖4 可知，普通POE 膠膜在加速老化后，其黃度指數變化較小，且一直穩定在較低數值；而EVA 膠膜隨著加速老化時間的延長，其黃度指數逐漸攀升；上述趨勢與圖3 所示一致。由此可知，采用普通POE 膠膜可以顯著提高組件的可靠性，使得組件擁有更長的生命周期。

1.5 電勢誘導衰減(PID) 測試與電致發光(EL)圖像及結果分析

       光伏組件PID 現象的形成原因非常復雜，受很多因素影響，比如電池減反射層、封裝材料、組件結構和系統架構等，甚至同類型的組件在不同的使用環境中表現出的衰減程度也是不同的。近年來，已有大量研究論證了封裝膠膜對組件抗PID 的重要性 [4,7]。

       在封裝膠膜的各種物性中，體積電阻率被認為是和PID 現象最相關的參數。在同樣電勢差下，高體積電阻率帶來較低漏電流，可降低電池表面的分壓，從而減緩PID 的發生。此外，封裝材料水汽透過率也是評估PID 敏感性的重要指標。眾所周知，水汽滲入會加速光伏組件PID的進程[5,8]。低水汽透過率的封裝膠膜可以為電池提供更好的防潮保護，有利于降低PID 的風險，這對于高濕度使用環境中的組件尤為重要。

1.5.1 PID 測試條件及設備

       PID 測試的流程參考IEC 62804-1 和IEC60904 標準。將組件邊緣包裹鋁膠帶，并在85 ℃和85%RH 環境箱中加負偏壓1000 V 或1500 V，測試時間為96 h。使用型號為SOLAR AD-EQ22的高分辨率相機拍攝組件加壓測試前后的照片，采用型號為Burger PS8/PSS8 的太陽模擬器測試組件功率。

1.5.2 PID 測試結果分析及EL 圖像情況

       圖5 為采用不同封裝膠膜的p 型雙玻光伏組件在同樣條件( 負偏壓1000 V、85 ℃、85%RH)下老化96 h 后的功率衰減情況。由圖5 可知，采用ENGAGE™ PV POE 膠膜的雙玻光伏組件的抗PID 性能優異，這主要得益于該膠膜的高體積電阻率和低水汽透過率。

       圖6 為上述采用不同封裝膠膜的3 種雙玻光伏組件PID 測試前、后相應的EL 圖像。

       由圖6 可知，采用ENGAGE™ PV POE 膠膜的雙玻光伏組件老化前、后的EL 圖像基本沒有變化，這是因為其老化前、后的功率衰減非常有限。而采用普通POE 膠膜和EVA 膠膜的雙玻光伏組件的EL 圖像顯著變暗，尤其是組件背面，這是因為這2 種組件的功率衰減明顯。

       雙面光伏組件的背面除了采用主流的玻璃外，近年來市場上也出現了輕量化的聚合物透明背板。與玻璃相比，透明背板被認為是“可呼吸”的材料，其可有效釋放濕氣和因EVA 膠膜降解而產生的乙酸，因此可以降低組件的PID。圖7為p 型PERC 電池和n 型TopCon 電池分別搭配不同封裝膠膜，組件背面均采用透明背板的雙面光伏組件在負壓1000 V、85 ℃、85%RH 的條件下老化96 h 后，組件正面和背面的功率衰減情況。圖中可以看出，不管搭配p 型電池還是n 型電池，即使采用透明背板，EVA 膠膜依然不能滿足雙面光伏組件的抗PID 要求。

       對雙面光伏組件采用p 型PERC 電池，組件正面、背面分別采用不同封裝膠膜時的抗PID 性能進行了研究，如圖8 所示。

       由圖8 可知，雙面均采用ENGAGE™ PVPOE 膠膜的雙面光伏組件的抗PID 優勢明顯；而只有正面采用EVA 膠膜的雙面光伏組件的功率衰減程度比雙面均采用ENGAGE™ PV POE 膠膜的雙面光伏組件明顯變大。究其原因，雖然只有正面封裝采用了EVA 膠膜，但水汽的滲入及EVA 降解帶來的腐蝕性副產物在濃度差的驅動下可以沿2 層膠膜的界面擴散到電池的背面。因此這種混搭的封裝方式只是通過降低EVA 膠膜使用量達到了減緩功率衰減的目的，但并不能改變EVA 本身固有的促進PID 增長的因素，長遠來看，并未達到抗PID 的目的。在實際使用中，碰到質量較差的電池或相對惡劣的使用環境，仍然會給光伏發電系統帶來巨大影響。

2 結論

       本文針對封裝膠膜影響組件長期可靠性的各種性能進行了分析，并對比研究了EVA 膠膜、普通POE 膠膜及ENGAGE™ PV POE 膠膜的特性，以及采用不同封裝膠膜的雙面光伏組件的抗PID 性能，結論如下：

       1)ENGAGE™ PV POE 膠膜的體積電阻率比普通 POE 膠膜和 EVA 膠膜高1～2 個數量級；EVA 膠膜的體積電阻率對溫度敏感性高，而ENGAGE™ PV POE 膠膜的體積電阻率在85 ℃時仍保持在1015 Ω•cm 以上。

       2) 加速老化試驗顯示，在UV 輻照量100 kWh/m2 和濕熱達到700 h 左右，EVA 膠膜肉眼可以觀察到變黃，而普通POE 膠膜在2000h 后依然未變色。

       3) 使用ENGAGE™ PV POE 膠膜的雙面光伏組件( 雙玻和透明背板) 表現出了優異的抗PID 性能。

       4) 采用EVA 膠膜和ENGAGE™ PV POE 膠膜搭配封裝雙面光伏組件會導致組件抗PID 性能降低，對組件長期可靠性不利。

陶氏化學( 中國) 投資有限公司

張文馨，李宇巖，仰云峰，孫亞斌，Habersberger Brian

來源：《太陽能》雜志2020年第7期(總第315期)