光伏組件抗PID，EVA膠膜的改性很重要
光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)因其對(duì)環(huán)境的低影響而成為有前途的系統(tǒng)之一。盡管長(zhǎng)期以來(lái)光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)條件下非常可靠,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(wèn)題中,光伏組件的電勢(shì)誘導(dǎo)衰減效應(yīng)(PID)會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)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(yáng)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。
太陽(yáng)能封裝材料(EVA)常見的封裝膠有環(huán)氧樹脂膠、有機(jī)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(duì)光伏組件而言,PVB、TPO價(jià)格較高,因此EVA是目前應(yīng)用廣泛的封裝材料,約占封裝材料市場(chǎng)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(huì)由于變色(黃變、褐變)而導(dǎo)致光學(xué)解耦,隨之而來(lái)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(jìn)而誘發(fā)PID效應(yīng)。
為阻止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。
成分 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) (%w/w,相對(duì)EVA樹脂) | 常用物質(zhì) |
交聯(lián)劑 | 0.05~10 | 1,1-雙(叔丁基過(guò)氧基)-3,3,5-三甲基環(huán)己烷、2,5-二甲基-2,5-雙(過(guò)氧化叔丁基)己烷、過(guò)氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯、過(guò)氧化-2-乙基己基碳酸叔戊酯 |
助交聯(lián)劑 | 0.05~3 | 三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、鄰苯二甲酸二烯丙酯 |
硅烷偶聯(lián)劑 | 0.05~3 | 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧乙氧基)硅烷 |
紫外光吸收劑 | 0.2~0.35 | 二苯甲酮、雙(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯、聚丁二酸(4-羥基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯 |
抗氧劑 | 0~0.2 | 2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、硫代二丙酸雙十八酯、亞磷酸酯 |
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?jī)r(jià)值。在EVA基料中加入其他材料可以阻止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(shí)減少醋酸的生成,并增加對(duì)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(qiáng)化EVA膠膜但納米材料的加入會(huì)使得封裝膠膜的透明度降低,對(duì)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(guò)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(jī)械強(qiáng)度更高,在縮短組件層壓時(shí)間的同時(shí),能夠保持膠膜較大的粘接性能,防止氣體和水汽進(jìn)入,提供防腐蝕保護(hù)。lEVA封裝膠膜降低離子遷移率研究進(jìn)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(duì)膠膜進(jìn)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(gè)粘結(jié)層(基質(zhì)為EVA)和阻隔層依次間隔復(fù)合而成,通過(guò)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(qiáng)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(guò)率,以達(dá)到阻水、阻氧的目的。阻止Na+遷移,降低離子遷移率可有效提高封裝膠膜抗PID性能。萬(wàn)豐研究中報(bào)道:加入氫氧化鎂作為酸吸收劑可吸收EVA老化時(shí)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(guò)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?zhǔn)翘兼湣⒅ф満腥舾闪u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(lái)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(guò)減弱水解反應(yīng)提高EVA封裝膠膜的交聯(lián)密度,阻止EVA封裝膠膜表面離子遷移以及玻璃表面離子的聚集,從而阻止組件的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(jì)效益,是很好的綠色能源之一。在能源緊張的時(shí)代背景下,光伏發(fā)電仍有無(wú)限發(fā)展前景。本文對(duì)光伏組件PID效應(yīng)的產(chǎn)生原因及解決辦法進(jìn)行綜述,并針對(duì)光伏組件EVA封裝膠膜抗PID改性的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。針對(duì)Na+遷移誘發(fā)晶硅組件PID效應(yīng)的機(jī)制,EVA封裝膠膜抗PID改性主要包含兩個(gè)層面:阻止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(guò)添加改性助劑制備抗PID的EVA封裝膠膜仍具有研究?jī)r(jià)值和研究前景。
