ENGAGETM PV POE 膠膜對雙面光伏組件長期可靠性的影響

張文馨，李宇巖，仰云峰，孫亞斌，Habersberger Brian

(陶氏化學(xué)(中國)投資有限公司，上海 200012)

0 引言

過去10 年，“平價上網(wǎng)”是光伏行業(yè)最關(guān)注的話題之一。在光伏全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同努力下，全球范圍內(nèi)越來越多的光伏市場實現(xiàn)了平價上網(wǎng)，最低電價不斷被刷新。據(jù)智新研究院預(yù)測，2021 年左右我國光伏市場將實現(xiàn)全面平價，進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)椤爸鸩教娲茉础?。更大的市場潛力和更高的投資回報收益率給光伏產(chǎn)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(jié)材料，其作用主要包括[2]：1)在組件生產(chǎn)、存儲、安裝和使用過程中提供結(jié)構(gòu)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(hù)電池電路不受組件使用環(huán)境中不良因素的影響；3) 使電池和玻璃之間達(dá)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(zhì)和穩(wěn)定性將直接影響光伏組件輸出功率的大小和穩(wěn)定性。功率衰減導(dǎo)致組件使用壽命縮短的原因與封裝膠膜的選擇息息相關(guān)，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(jīng)配方流延成膜后具備優(yōu)異的光學(xué)性能和粘結(jié)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(tuán)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(xiàn)為膠膜的黃變及脫層，會嚴(yán)重影響組件的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。近些年，隨著光伏電站規(guī)模的擴(kuò)大，業(yè)內(nèi)對于光伏組件的電勢誘導(dǎo)衰減(PID)現(xiàn)象高度關(guān)注，PID 的成因與封裝膠膜的選擇有很大關(guān)系。EVA 材料中醋酸乙烯酯基團(tuán)的親水性和易水解產(chǎn)生乙酸的特點被認(rèn)為是PID 現(xiàn)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(jìn)催化劑技術(shù)制備的ENGAGETMPV POE 膠膜的特性，以及采用這3 種膠膜的組件的性能進(jìn)行了測試與分析。

1 實驗及結(jié)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(chǎn)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(jī)制備。將EVA 膠膜、普通POE 膠膜及ENGAGETMPV POE 膠膜與電池經(jīng)層壓后制備成組件，用于后續(xù)不同測試。

1.2 體積電阻率測試及結(jié)果分析

封裝膠膜的主要功能之一是提供優(yōu)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(xiàn)象，提高組件的使用安全性和長期可靠性[4-5]。

一般認(rèn)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(qū)。所以，封裝膠膜在高溫下的介電性能應(yīng)得到充分關(guān)注。BERGHOLD J 等[5]的研究也證實了體積電阻率嚴(yán)重依賴溫度和濕度，特別是溫度。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行，設(shè)備給出漏電流數(shù)據(jù)，加壓10 min 后讀數(shù)，并根據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)。

由圖1 可知，ENGAGETMPV POE 膠膜的體積電阻率比普通POE 膠膜和EVA 膠膜高1～2 個數(shù)量級，這主要是源于其獨特的催化劑技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)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1013Ω·cm，而ENGAGETMPV POE膠膜的體積電阻率還保持在1015Ω·cm 以上。BERGHOLD J 等[5]認(rèn)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(jié)果分析

封裝膠膜作為保護(hù)電池和其他元件的物理隔離，需要保護(hù)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(yīng)引發(fā)聚合物封裝材料的降解，比如EVA 材料水解產(chǎn)生的乙酸會對電池表面的金屬電極產(chǎn)生進(jìn)一步的腐蝕。

不同封裝膠膜的水汽透過率是由膠膜本身結(jié)構(gòu)決定的。圖2 為POE 材料和EVA 材料的分子結(jié)構(gòu)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(tuán)(醋酸乙烯酯基團(tuán))的材料一樣吸附水汽。

圖2 POE 和EVA 材料的分子結(jié)構(gòu)式Fig. 2 The structures of POE and EVA materials

從本質(zhì)上來說，水汽透過是水分子的擴(kuò)散過程，在水蒸氣高濃度一側(cè)，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(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散；當(dāng)水蒸氣達(dá)到對側(cè)(低濃度側(cè))時會被解吸，進(jìn)入周圍的環(huán)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(shè)備型號為Moncon Permatran-W3/33)，表1 為具體的測試條件。

表1 水汽透過率測試條件Table 1 Conditions of WVTR test

1.3.2 水汽透過率測試結(jié)果分析

表2 為ENGAGETMPV POE 膠膜和EVA 膠膜的水汽透過率測試數(shù)據(jù)。

表2 ENGAGETM PV POE 和EVA 膠膜的水汽透過率Table 2 WVTR of ENGAGETM PV POE and EVA films

由表2 可知，ENGAGETMPV 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(jié)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(fā)生的Norrish type I & II & III 反應(yīng)可以產(chǎn)生分子鏈斷裂及生成多種副產(chǎn)物。其中的氣體副產(chǎn)物如一氧化碳、二氧化碳和甲烷，停留在組件內(nèi)會造成膠膜產(chǎn)生氣泡或脫層，進(jìn)而影響組件的長期可靠性。Norrish type II & III反應(yīng)產(chǎn)生的乙酸、乙醛和多烯會引起EVA 膠膜的黃變，進(jìn)而降低組件的發(fā)電效率[6]。相比之下，由于POE 材料無極性基團(tuán)，分子結(jié)構(gòu)中所含叔碳原子也相對較少，因而具有優(yōu)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(jié)構(gòu)為玻璃/膠膜/玻璃。

參考ASTM E313 標(biāo)準(zhǔn)，使用HunterLab 測色儀測量膠膜的黃度指數(shù)(YI)。

1.4.2 加速老化測試結(jié)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(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)在UV 輻照量超過100 kWh/m2和DH達(dá)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(shù)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(shù)變化較小，且一直穩(wěn)定在較低數(shù)值；而EVA 膠膜隨著加速老化時間的延長，其黃度指數(shù)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。

圖3 2 種膠膜樣品在紫外濕熱加速老化前后的照片F(xiàn)ig. 3 Photos of two kinds of film samples before and after accelerated aging in UV/DH chamber

圖4 2 種膠膜隨加速老化時間的黃度指數(shù)變化情況Fig. 4 Changes of the yellowness index of two kinds of films with accelerated aging time

1.5 電勢誘導(dǎo)衰減(PID)測試與電致發(fā)光(EL)圖像及結(jié)果分析

光伏組件PID 現(xiàn)象的形成原因非常復(fù)雜，受很多因素影響，比如電池減反射層、封裝材料、組件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)等，甚至同類型的組件在不同的使用環(huán)境中表現(xiàn)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(rèn)為是和PID 現(xiàn)象最相關(guān)的參數(shù)。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(fā)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(biāo)。眾所周知，水汽滲入會加速光伏組件PID的進(jìn)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(hù)，有利于降低PID 的風(fēng)險，這對于高濕度使用環(huán)境中的組件尤為重要。

1.5.1 PID 測試條件及設(shè)備

PID 測試的流程參考IEC 62804-1 和IEC 60904 標(biāo)準(zhǔn)。將組件邊緣包裹鋁膠帶，并在85 ℃和85%RH 環(huán)境箱中加負(fù)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(jī)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(jié)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(fù)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ENGAGETMPV POE 膠膜的雙玻光伏組件的抗PID 性能優(yōu)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5 采用不同封裝膠膜的雙玻光伏組件在同樣條件下老化96 h 后的功率衰減情況Fig. 5 Power attenuation of bifacial glass PV modules with different encapsulating film after 96 h aging under same conditions

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(yīng)的EL 圖像。

圖6 采用不同封裝膠膜的雙玻光伏組件在PID 測試前、后的EL 圖像Fig. 6 EL images of bifacial glass PV modules with different encapsulated films before and after PID test

由圖6 可知，采用ENGAGETMPV 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(xiàn)了輕量化的聚合物透明背板。與玻璃相比，透明背板被認(rèn)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(chǎn)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(fù)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。從圖中可以看出，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(jìn)行了研究，如圖8 所示。

圖 8 使用不同封裝膠膜雙面光伏組件正面、背面的功率衰減情況Fig. 8 Power attenuation of front and back of bifacial PV module using different encapsulating films

由圖8 可知，雙面均采用ENGAGETMPV POE 膠膜的雙面光伏組件的抗PID 優(yōu)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ENGAGETMPV 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(chǎn)物在濃度差的驅(qū)動下可以沿2 層膠膜的界面擴(kuò)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(dá)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(jìn)PID 增長的因素，長遠(yuǎn)來看，并未達(dá)到抗PID 的目的。在實際使用中，碰到質(zhì)量較差的電池或相對惡劣的使用環(huán)境，仍然會給光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來巨大影響。

2 結(jié)論

本文針對封裝膠膜影響組件長期可靠性的各種性能進(jìn)行了分析，并對比研究了EVA 膠膜、普通POE 膠膜及ENGAGETMPV 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(jié)論如下：

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

2)加速老化試驗顯示，在UV 輻照量超過

100 kWh/m2和濕熱達(dá)到700 h 左右，EVA 膠膜肉眼可以觀察到變黃，而普通POE 膠膜在2000 h 后依然未變色。

3)使用ENGAGETMPV POE 膠膜的雙面光伏組件(雙玻和透明背板)表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗PID 性能。

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