太陽能光伏組件用物料匹配性研究

■ 楊松 沈道軍 羅易 周承軍 王仕鵬 黃緯 黃海燕

(1.浙江正泰新能源開發(fā)有限公司；2.浙江正泰太陽能科技有限公司)

0 引言

近年來隨著光伏市場的快速發(fā)展和現(xiàn)階段光伏組件制造商成本壓力的上升，使人們對(duì)光伏組件所用材料的要求更高，材料更新速度加快?？紤]到光伏組件應(yīng)用環(huán)境的多變性與客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，我們通過實(shí)驗(yàn)與電站失效分析相結(jié)合的方法對(duì)光伏組件用的硅膠(脫肟/脫醇)[1]、EVA、接線盒殼體(PPO/PC)、金屬連接件Cu等材質(zhì)彼此間的匹配性做相關(guān)研究，從而確定其性能。最終希望通過對(duì)不同材料間匹配性的研究為光伏組件所用材料的選型提供參考。

1 失效案例介紹

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，太陽能光伏組件在季風(fēng)氣候東南亞國家電站應(yīng)用后出現(xiàn)不同形態(tài)的失效，具體有：接線盒內(nèi)匯流條腐蝕、接線盒殼體材質(zhì)(PPO/PC)腐蝕或龜裂、二極管引腳產(chǎn)生銅綠、EVA發(fā)生黃變、組件霉變等[2]。圖1為A公司生產(chǎn)的光伏組件在泰國某電站應(yīng)用后出現(xiàn)的失效表現(xiàn)形態(tài)。

圖1 失效案列

2 實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)A公司泰國電站出現(xiàn)的失效形態(tài)，我們根據(jù)光伏組件的電氣原理，選取B硅膠公司生產(chǎn)的脫肟型與脫醇型2種型號(hào)硅膠，將其分別注入5個(gè)等容積的玻璃器皿中(注入等量硅膠)。硅膠注入完畢后立即蓋上玻璃器皿瓶蓋(玻璃器皿應(yīng)預(yù)先將底部放置層壓好的EVA小料、粘貼PPO與PC接線盒殼體2種不同材質(zhì)，且玻璃器皿內(nèi)表面用水潤濕，器皿蓋子上預(yù)先插入連接完成的匯流條及二極管)，將制作完畢的樣品分別使用DC恒流源通入I=9 A的電流、反向施加U=45 V電壓，并分別放置在DH雙85老化測試箱、85 ℃恒溫箱、常溫25 ℃等條件下進(jìn)行測試[3]。

2.1 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)方法及要求的相關(guān)信息見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

表1 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)使用器材有：DC恒流源；萬用表；驗(yàn)電筆；螺絲刀；匯流條8×0.35 mm；脫肟、脫醇型硅膠；二極管12SQ045；接線盒殼體材質(zhì)(PPO/PC)；DH老化檢測儀；恒溫箱。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案制作實(shí)驗(yàn)樣品；

2)按實(shí)驗(yàn)圖連接電路并營造符合條件的測試環(huán)境；

3)打開DC恒流源分別正向通入I=9 A、反向施加U=45 V的電流電壓；

4)DH雙85老化模擬測試1000 h后，跟蹤匯流條及接線盒殼體材質(zhì)(PPO/PC)、EVA、二極管引腳等材質(zhì)的變化；

5)常溫測試樣品每天跟蹤匯流條及接線盒殼體材質(zhì)(PPO/PC)、EVA、二極管引腳等材質(zhì)的變化，共計(jì)監(jiān)測1000 h；

6)樣品85 ℃恒溫箱測試1000 h后，跟蹤匯流條及接線盒殼體材質(zhì)(PPO/PC)、EVA、二極管引腳等材質(zhì)的變化。

3 實(shí)驗(yàn)監(jiān)控及分析

3.1 DH雙85老化測試(實(shí)驗(yàn)組1)

脫肟型硅膠和脫醇型硅膠相關(guān)樣品的DH雙85老化測試結(jié)果分別見圖2和圖3。

圖2 脫肟型硅膠樣品的DH雙85老化測試

圖3 脫醇型硅膠樣品的DH雙85老化測試

由圖2、3可知，采用脫肟型硅膠制作的3組(二極管正偏、反偏、無電勢差)實(shí)驗(yàn)樣品，經(jīng)DH 1000 h測試后接線盒PC材質(zhì)分別出現(xiàn)了不同程度的腐蝕現(xiàn)象。而PPO材質(zhì)、匯流條、EVA(圖4)、二極管均未出現(xiàn)失效。此外，經(jīng)實(shí)驗(yàn)脫醇型硅膠制作的3組(二極管正偏、反偏、無電勢差)實(shí)驗(yàn)樣品，經(jīng)DH 1000 h后接線盒PC、PPO材質(zhì)、匯流條、二極管均未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。層壓后的EVA與脫醇型硅膠較易發(fā)生黃變 (圖 5)。

圖4 脫肟型硅膠測試組

圖5 脫醇型硅膠測試組

3.2 85 ℃恒溫箱測試(實(shí)驗(yàn)組2)

脫肟型硅膠和脫醇型硅膠相關(guān)樣品在85 ℃恒溫箱測試的結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，采用脫醇型硅膠(樣品H)的實(shí)驗(yàn)組件表現(xiàn)出EVA、硅膠嚴(yán)重黃變，但PPO、PC材質(zhì)、匯流條、二極管均未出現(xiàn)不良。而脫肟型硅膠(樣品G)對(duì)比組表現(xiàn)出PC材質(zhì)嚴(yán)重腐蝕，而樣品中的PPO材質(zhì)、匯流條、二極管均未出現(xiàn)不良。

圖6 樣品85 ℃恒溫箱測試

3.3 常溫25 ℃測試(實(shí)驗(yàn)組3)

脫肟型硅膠和脫醇型硅膠相關(guān)樣品常溫25 ℃測試的結(jié)果如圖7所示。

圖7 樣品常溫25 ℃測試

由圖7可知，采用脫醇型硅膠(樣品J)的實(shí)驗(yàn)組件表現(xiàn)出EVA嚴(yán)重黃變現(xiàn)象，PC、PPO材質(zhì)、匯流條、二極管均未出現(xiàn)不良。而脫肟型硅膠(樣品I)EVA輕微發(fā)黃、PC材質(zhì)無異常；但樣品中的PPO材質(zhì)輕微腐蝕，匯流條、二極管引腳有銅綠生成。

4 電站實(shí)際案例分析

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電站失效案例有效結(jié)合，我們選用失效的光伏接線盒與經(jīng)DH 1000 h老化后的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行失效模擬對(duì)比分析，以便確定材料間在特定環(huán)境下的失效方式。殘留物分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 殘留物分析

接線盒190 ℃高溫烘烤驗(yàn)證(無硅膠)如圖9所示。

圖9 接線盒190 ℃高溫烘烤驗(yàn)證(無硅膠)

通過對(duì)接線盒190 ℃高溫烘烤實(shí)驗(yàn)、硅膠+材質(zhì)匹配實(shí)驗(yàn)、電站實(shí)際案例3項(xiàng)分析可知，失效接線盒內(nèi)的黃色物質(zhì)應(yīng)為：接線盒材質(zhì)與脫肟硅膠釋放的肟氣在高溫的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的生成物(產(chǎn)生高溫條件可能性因素有：組件熱斑導(dǎo)致二級(jí)管導(dǎo)通、二極管經(jīng)ESD擊穿后長期呈阻性工作、金屬間產(chǎn)生直流拉弧等)[4]。

5 總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電站應(yīng)用失效案例分析知：

1)脫肟型硅膠對(duì)光伏接線盒PC材質(zhì)有腐蝕作用(高溫+高濕可加速腐蝕)；

2)脫醇型硅膠與光伏組件用封裝材料EVA會(huì)發(fā)生黃變反應(yīng)，促使EVA加速黃變(高溫可加速黃變)；

3)脫醇、脫肟型硅膠對(duì)PPO材質(zhì)均無加速腐蝕作用；

4)脫肟型硅膠與匯流條、二極管引腳在潮濕密閉環(huán)境下易產(chǎn)生銅綠。

綜上研究表明，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)光伏組件所用接線盒體材質(zhì)、EVA等材料與硅膠間匹配的管控。同時(shí)提倡組件制造商在對(duì)光伏組件使用脫肟型硅膠粘接接線盒時(shí)應(yīng)做到使硅膠完全固化后方可蓋上盒蓋，可使肟氣得到最大釋放，以減少材質(zhì)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于盒體材質(zhì)為PC材料的接線盒應(yīng)盡可能減少與脫肟型硅膠的匹配使用。

[1] 陳思斌， 王兵， 宋立芝， 等. 太陽光伏組件用有機(jī)硅粘接密封膠的分類與選用探討[J].有機(jī)硅材料， 2011， 25(6)： 394－396.

[2] BS EN 50548-2011， Junction boxes for photovoltaic modules(太陽能接線盒標(biāo)準(zhǔn))[S].

[3] GB/T 2424.10-1993， 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程大氣腐蝕加速試驗(yàn)的通用導(dǎo)則[S].

[4] 夏志偉， 夢(mèng)凡國， 朱旭. 脫醇型單組份室溫硫化硅橡膠密封膠粘劑 [J]. 化學(xué)建材 ， 1991， (4)： 21 － 23.