一種光伏背板壽命推算的研究

呂瑞瑞，張增明，彭麗霞，傅冬華

(阿特斯陽光電力科技有限公司測試中心，江蘇 常熟 215562)

一種光伏背板壽命推算的研究

呂瑞瑞，張增明，彭麗霞，傅冬華

(阿特斯陽光電力科技有限公司測試中心，江蘇 常熟 215562)

本文針對含PET結構的背板進行了一系列的熱氧老化試驗，研究了不同老化溫度下背板斷裂伸長率與老化時間的關系，根據(jù)Arrhenius方程推算出背板的使用壽命，為其他結構背板使用壽命的推算提供參考。

PET，背板，熱氧老化，Arrhenius方程，壽命推算

光伏背板是一種應用于晶體硅光伏組件的高分子復合薄膜，是組件的保護材料，用于支撐和固定電池片。背板的使用壽命對組件使用的長期性及可靠性起著至關重要的作用。因此對背板使用壽命的研究具有重要意義。

眾所周知，晶體硅光伏組件發(fā)電是基于太陽光與半導體材料的作用而形成的光生伏特效應，直接把太陽能轉換為電能。由于晶體硅對光的吸收率較低，在太陽電池工作時，未能轉換為電能的太陽能就變?yōu)闊崮?，使光伏組件的溫度上升。為了降低溫度，避免太陽電池的效率下降，必須將熱量有效地導出，而背板則是組件最重要也是最有效的散熱途徑。組件的電池溫度隨太陽輻照度和環(huán)境溫度的上升而上升，在太陽輻照度1000W/m2、環(huán)境溫度約25℃時，組件的溫度可達65～70℃之間。Zhiyong Xia等人假定組件戶外曝曬過程中有30%的時間組件溫度達到65℃，他們得出結論，背板中PET雙85試驗1000h相當于其在溫度65℃、相對濕度85%的戶外條件下使用19年，而且組件溫度每下降1℃其壽命將提高3～5年［1］。所以，若要保證光伏組件25年的使用壽命，除了要保證背板具有較好的耐水解性能外，還要求背板具有較高的耐熱氧老化能力。

光伏背板典型結構為 TPT、TPE、KPK、KPE、APA、純PET、AAA等。背板的材質決定了組件的使用壽命。目前，大多數(shù)光伏組件企業(yè)采用的背板是用PET作為支撐體。背板的T(聚氟乙烯薄膜)或K(聚偏氟乙烯薄膜)層，由于F－C鍵鍵能高，其耐老化性能較好。而PET由于本身結構的問題，易發(fā)生熱降解、熱氧化降解和水解等老化降解，成為背板的薄弱點。背板的老化通常表現(xiàn)為背板分層、起皺、發(fā)黃、變脆等，其中，背板變脆是其使用過程中較為常見的問題，究其原因，是由于PET變脆，性能上則表現(xiàn)在背板斷裂伸長率的降低。本文針對含PET結構的背板進行了一系列的熱氧老化試驗，以斷裂伸長率為特性指標，研究了不同老化溫度下背板斷裂伸長率與老化時間的關系，根據(jù)Arrhenius方程推算出背板的使用壽命。

1 實驗

1.1 試驗材料

KPE結構背板(PVDF+PET+LE)

1.2 試驗設備

電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏試驗設備有限公司;CP－25沖片機，江都市精科試驗機械廠;WDW－1型微機控制電子萬能試驗機，上海華龍測試儀器有限公司。

1.3 老化條件

按GB/T7141－2008，在電熱恒溫鼓風干燥箱中進行熱氧加速老化實驗，熱空氣的溫度分別為110℃、130℃、150℃、160℃ 和 170℃。溫度達到設定值時將試樣放入箱中老化并開始計時，每隔一定的時間，將樣品取出。將樣品在試驗室條件下狀態(tài)調節(jié)24h。

1.4 性能測試

樣品狀態(tài)調節(jié)后，按GB/T 1040－2006用沖片機將樣品沖切為5型試樣，在試驗機上測試試樣的拉伸性能，得到背板的斷裂伸長率。

2 結果與討論

2.1 背板熱氧老化斷裂伸長率隨時間的變化規(guī)律

塑料在老化過程中，依據(jù)GB/T7142－2002《塑料長期熱暴露后時間－濕度極限的測定》，性能變化指標P與老化時間t的關系滿足方程P=Ae－kt，其中A為常數(shù)，k為與溫度有關的性能變化速率常數(shù)。將上式轉換為:

式中:P為斷裂伸長率保持率，即任一時間的斷裂伸長率與老化前斷裂伸長率比值。

由各時間點測得的背板斷裂伸長率計算得到各點的斷裂伸長率保持率P，繪制每個溫度條件下lnP與老化時間t間的關系曲線，見圖1。

圖1 斷裂伸長率保持率的lnP與老化時間t關系曲線Fig.1 Curves of lnP vs.Ageing time t

由圖 1可以看出，在 110℃、130℃、150℃、160℃、170℃的熱空氣中老化時，背板的斷裂伸長率保持率的對數(shù)lnP與老化時間t成線性關系，滿足式(1)，以此判定上述假設成立，即該背板的斷裂伸長率保持率P與老化時間t呈指數(shù)關系，滿足方程P=Ae－kt。將以上得到的各老化時間點的lnP與t的線性方程列于表1。

表1 斷裂伸長率的lnP與老化時間t線性方程Table1 Linear equations of lnP vs.Ageing time t for Elongation at Break

從表1中數(shù)據(jù)可以看出A與溫度無線性關系，且每個溫度點的A值都接近于1，這時我們將A取1［2］，式(1)轉換為:

2.2 壽命推算

Arrhenius方程是在高分子領域內用以表示老化速率與溫度的關系方程［3］，所以背板的斷裂伸長率變化速率常數(shù)k與老化溫度T之間的關系服從Arrhenius方程:

式中:k—與溫度有關的性能變化速率常數(shù)，同式

(1)中k;

k0—頻率因子，d－1;

E—表觀活化能，J·mol－1;

R—氣體常數(shù)，J·K－1·mol－1。

對Arrhenius方程兩邊同時取自然對數(shù)得到方程:

式(4)表明，背板斷裂伸長率變化速率常數(shù)的對數(shù)值lnk與老化絕對溫度的倒數(shù)成線性關系。將熱氧老化各溫度T、1/T及k、lnk列于表2。

表2 不同老化溫度下的lnkTable 2 The lnk in different ageingt temperature

利用表2建立lnk與1/T的關系曲線，見圖2。線性方程為:

式中，R2=98.07%。由式(5)可以求得某一溫度下的lnk。

圖2 lnk與1/T關系曲線Fig.2 Curves of lnk vs.1/T

ASTM D 3042［4］和 GB 9344［5］中都提到，塑料性能保持率降至50%時判定為失效。本文以背板斷裂伸長率保持率下降至50%時作為預測壽命的臨界值，即P=0.5。我們由式(5)得到某一溫度下的lnk，進而得到背板的斷裂伸長率變化速率常數(shù)k，將k代入(2)式即可推得背板在該溫度下的使用壽命。背板在各溫度下的使用壽命列于表3。

表3 不同老化溫度下的背板使用壽命Table 3 The lifetime of backsheet in different ageingt temperature

由表3可以看出，以斷裂伸長率為壽命推斷評價指標，以斷裂伸長率保持率下降至50%時的值作為預測壽命的臨界值。本文研究的PET結構背板在65℃(不考慮濕度對背板壽命的影響)條件下的使用壽命為20.3年。

2.3 影響試驗結果的因素

不同的老化性能指標，得到的Arrhenius方程可能不一樣，最終推出的老化壽命也會有差異，因此選擇最佳的性能評價指標是十分必要的。另外，試驗環(huán)境也是影響壽命推算結果的一個重要因素?？紤]背板的實際使用環(huán)境，背板在戶外使用時，受到光、熱、濕氣等的共同影響，這些因素共同作用，可進一步加速背板的老化，縮短背板的使用壽命。本文采用熱空氣法加速背板的老化，此條件實際上排除了光和濕氣的影響，由此得到的壽命值與背板的實際使用壽命存在著一定的誤差。綜上，本文為背板的壽命推算提供參考，但并不反映背板的起初使用壽命。

3 試驗結論

(1)本文研究的PET結構背板的斷裂伸長率保持率的對數(shù)lnP與老化時間t成線性關系，其斷裂伸長率保持率隨老化時間的延長呈指數(shù)下降。

(2)推算出背板在65℃(不考慮濕度對背板壽命的影響)條件下的使用壽命為20.3年。要獲得更加準確的壽命推算結果，還應當考慮溫度以外其他因素的影響，開展多種因素的環(huán)境箱老化及戶外老化的測試，提高推算的準確度。

(3)本文為其他結構的背板壽命推算提供參考。

［1］Zhiyong Xia，John H Wohlgemuth and Daniel W Cunningham.A Lifetime Prediction of PV Encapsulant and Backsheet via Time Temperature Superposition Principle.Photovoltaic Specialists Conference(PVSC)，2009 34th IEEE.

［2］GJB 92.2－1986，熱空氣老化法測定硫化橡膠儲存性能導則 第二部分 統(tǒng)計方法，［S］.

［3］ASTM D 3042《Standard Practice for Heat Aging of Plastics Without Load，［S］.

［4］GB 9344塑料氙燈光源曝露試驗方法，［S］.

［5］李蘭艷，李光吉，李超，王志.尼龍6在熱氧老化中的性能與結構變化［M］.塑料科技，2009.

A Lifetime Prediction of Photovoltaic Backsheet

LV Rui-rui，ZHANG Zeng-ming，PENG Li-xia，F(xiàn)U Dong-hua
(Canadian Solar Inc.Photovoltaic Test Laboratary，Changshu 215562，Jiangshu，China)

Thermo-oxidative aging of PET backsheet in different temperature was carried out in this paper.The mechanical properties of elongation at break of the backsheet via aging time were investigated.Based on Arrhenius equation，the lifetime of the backsheet was predicated.This research provides a method of lifetime prediction for other backsheets.

PET，backsheet，thermo-oxidative aging，Arrhenius equation，lifetime prediction

TQ 21

2011－12－15

book=110,ebook=110