光伏太阳能系统因其对环境的低影响而成为最有前途的系统之一。尽管长期以来光伏太阳能系统在现场条件下非常可靠,退化率和故障率较低,但仍然容易受到腐蚀和分层等故障的影响。
在常见的可靠性问题中,光伏组件的电势诱导衰减效应(PID)会导致现场条件下光伏组件发生灾难性故障。
PID效应被定义为太阳能电池和光伏模块框架之间施加高电压而引起的功率退化。晶硅光伏组件的构成如下图所示。
PID效应不仅会导致光伏组件的衰减,还会导致晶硅太阳能组件的失效,在实际生产应用中会造成不可逆转的损失,对产能有巨大影响。PID效应已被证明在双面光伏组件和系统中会引发严重的功率衰减和快速断电问题。
引发PID效应的原因较为复杂,主要包含以下几方面:光伏电站模块框架的接地安装方式使得太阳能电池与地面之间产生高电位;温度、湿度、电压、光照、玻璃表面的接地条件等外部条件;模块有无框架;光伏组件所包含玻璃、封装胶膜、电池片、背板等组件材料的实际应用中,引发的不同程度Na+移动。
晶硅电池主要有n型和p型两种,n型电池中硅片掺杂磷使电池带负电,PID效应的原因是增透膜的表面极化;p型电池中硅片掺杂硼使电池带正电,PID效应的原因是p-n结中Na+的漂移和扩散。
受限于使用场景及现有安装技术,已有组件抗PID性能的改善主要基于光伏组件本身。n型晶硅太阳能电池的PID效应可以通过使用钝化层来降低介电常数提高电导率,从而提高抗PID性能。
p型晶硅太阳能电池的PID效应可以通过降低Na+迁移率提高组件抗PID性能。目前报道的改性研究主要从组件、模块和系统三个层面开展。
组件层面:可以通过改变硅片的电阻率、N/Si比、太阳能电池表面抗反射层的厚度和均匀性来提高太阳能组件的抗PID性能。模块层面:通过在玻璃表面添加抗PID涂层;优化乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)中醋酸乙烯酯(VA)的含量和各种添加剂的比例以提高封装胶膜的体积电阻率;使用体积电阻率更高的封装材料(聚烯烃等)。
系统层面:随着光伏电站规模的不断扩大,需要增加串联太阳能组件的数量,减少逆变器的使用,在太阳能发电系统中选择合适的接地极也是PID的可能解决方案之一。针对p型晶硅光伏组件(后文称光伏组件),阻止Na+漂移及扩散是提高组件抗PID性能研究的出发点。
作为光伏组件的重要组成部分,封装材料的主要作用有:
在制造、搬运、储存、安装和操作中保护组件并在模块设计布局中提供太阳能电池的结构支撑;
保持太阳能电池和玻璃之间的良好粘合,避免气体、水汽的进入和液态水的积聚,从而提供防腐蚀保护;
保护运行环境中的电路,使其免受潜在的侵蚀性和退化性因素的影响;在光伏模块的工作寿命内,实现并保持太阳能电池和电路元件之间的电绝缘;
光伏组件封装材料根据其封装形式的不同可以分为两大类:封装胶与封装膜。
常见的封装胶有环氧树脂胶、有机硅胶、紫外线光固化胶以及丙烯酸树脂胶等。封装膜有EVA、聚乙烯醇缩丁酸、聚氨酯薄膜及其它封装膜。
各类封装材料因其材料、性能、成本等的不同有各自的应用领域。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是光伏组件的第一代密封剂,具有优异的热稳定性和紫外线稳定性。
由于生产成本高,PDMS已被更便宜的封装材料取代,例如EVA、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、热塑性聚烯烃(TPO)、热塑性聚氨酯(TPU)、甲基丙烯酸等。
组件封装常用封装材料中,EVA在高热高湿条件下的性能衰减较显著,PVB、TPO略好。但对光伏组件而言,PVB、TPO价格较高,因此EVA是目前应用最广泛的封装材料,约占封装材料市场的80%。
EVA封装胶膜的稳定性受环境影响较大,特别是紫外线、红外线辐射和湿度。EVA封装胶膜老化引起的失效模式归纳为三种:变色、分层和腐蚀。EVA封装胶膜的老化会由于变色(黄变、褐变)而导致光学解耦,随之而来的是功率损失、附着力下降、分层以及由醋酸产生的金属件腐蚀。
EVA封装胶膜老化脱乙酰反应生成醋酸,如下图所示,从而降低了膜的酸碱度并加快了组件表面腐蚀的速度;老化产生的酸根离子引起玻璃层Na+的迁移,进而诱发PID效应。
针对Na+迁移诱发晶硅组件PID效应的机制,EVA封装胶膜抗PID改性主要包含两个层面:第一,抑制EVA老化;第二,降低EVA封装胶膜内部离子迁移率以阻止Na+迁移引发的PID效应。
针对前者,可通过改性研制高性能的抗老化EVA封装胶膜;针对后者,因为高体积电阻率的EVA封装胶膜意味着膜中的离子迁移率很低,可以通过提高体积电阻率来缓解因绝缘不良而导致的漏电等现象。
对PID机制的研究有利于科研人员和制造商弥补普通类型光伏组件存在的缺陷,制造出能够预防和限制PID影响的下一代电池。
研究表明,较高的EVA交联水平和较高的EVA封装胶膜厚度会抑制PID效应。EVA交联水平与交联剂、助交联剂种类、用量密切相关。
为抑制EVA封装胶膜的老化,适当添加抗氧化剂、紫外线吸收剂、交联剂等可显著提高EVA封装胶膜的耐久性和耐候性。常用EVA封装胶膜制备配方如下表所示。
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成分
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质量分数
(%w/w,相对EVA树脂)
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常用物质
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交联剂
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0.05~10
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1,1-双(叔丁基过氧基)-3,3,5-三甲基环己烷、2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷、过氧化-2-乙基己基碳酸叔丁酯、过氧化-2-乙基己基碳酸叔戊酯
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助交联剂
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0.05~3
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三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、邻苯二甲酸二烯丙酯
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硅烷偶联剂
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0.05~3
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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
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紫外光吸收剂
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0.2~0.35
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二苯甲酮、双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯、聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯
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抗氧剂
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0~0.2
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2,6-二叔丁基对甲酚、硫代二丙酸双十八酯、亚磷酸酯
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但是有研究指出,导致EVA变黄的是部分添加剂而非EVA树脂本身,因此添加剂的配方仍有研究空间和研究价值。
在EVA基料中加入其他材料可以抑制EVA封装胶膜老化:如在EVA共混物中加入聚烯烃能减缓EVA的降解和黄变,在保持VA单元分离的同时减少醋酸的生成,并增加对300℃以上温度的耐热性,但这种封装材料抗光老化性能比纯EVA基料差。
通过在EVA基料中添加含稀土元素的粒子可以在不损害其光学和电气绝缘性能的情况下提高EVA封装胶膜的导热性和对基材的附着力,防止气体和水汽进入,提供防腐蚀保护。
研究还表明,在EVA基料中添加少量纳米复合材料可以改性EVA封装胶膜,即使在高温下也能提供更好的电气、热、机械和光学性能。
与纯EVA共聚物相比,它们具有更高的导电性、更强的耐热降解性和更高的机械强度。如,纳米氧化锌的加入使得EVA封装胶膜即使在高温下也能提供更好的电、热、机械和光学性能;二氧化钛改性可有效提高抗紫外线性能;二氧化硅可有效改善EVA封装胶膜的热稳定性;氧化石墨烯改性的封装胶膜,可以极大改善机械性能、降低透气性、增强热稳定性,更重要的是可为复合材料提供高导电性。
但纳米材料的加入会使得封装胶膜的透明度降低,对光伏组件的发电效率有极大影响。
除材料改性,有专利中还提到了多层共挤封装胶膜的制备方法。多层共挤封装胶膜性能明显优于单层胶膜。
该胶膜由中间芯层(基质为EVA)和上下的皮层构成,通过紫外线辐照,选择性地使芯层发生预交联,皮层不发生预交联,使获得的胶膜柔软、透明、粘接性好、耐蠕变、机械强度更高,在缩短组件层压时间的同时,能够保持胶膜较大的粘接性能,防止气体和水汽进入,提供防腐蚀保护。
高聚物的交联结晶效应使得分子结构间的空间致密化,体积电阻率升高。较高的体积电阻率使得封装胶膜导电性较低,将减少玻璃到电池的Na+迁移,功率衰减较小。
为提高封装胶膜的体积电阻率,可以减少助剂尤其是易解离助剂的添入量。对胶膜进行干燥处理如表面镀疏水涂层,提高胶膜的交联度与结晶度。
专利中提及一种抗PID的多层复合光伏封装胶膜的制备与应用,多层胶膜由多个粘结层(基质为EVA)和阻隔层依次间隔复合而成,通过在阻隔层添加聚乙二醇酯或醚类、多元醇脂肪酸酯等电荷消散剂,吸收并消除电池片表面富集的电荷,使电荷淬灭,增强胶膜的抗PID性能;阻隔层的基体材料具有较高的体积电阻率和较低的水汽透过率,以达到阻水、阻氧的目的。
抑制Na+迁移,降低离子迁移率可有效提高封装胶膜抗PID性能。
专利中报道:加入氢氧化镁作为酸吸收剂可吸收EVA老化时产生的醋酸根离子,从而阻止玻璃层金属离子的迁移,提高EVA封装胶膜的抗PID性能;
加入金属磷酸盐等金属离子捕捉剂和离子交换树脂,离子捕获剂可通过离子交换等方式捕捉胶膜中的碱金属离子以及碱土金属离子等,而活化的离子交换树脂可与外界环境中的金属离子发生离子交换,起到吸附、固定金属离子的作用,有效吸附胶膜中的游离金属离子,减少玻璃层金属离子的迁移,提高封装胶膜抗PID性能;
加入主链是碳链、支链含有若干羟基的树脂作抗PID助剂,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-马来酸乙烯醇单酯。
EVA树脂
这些树脂的结构与EVA树脂的水解结构相似,可以通过减弱水解反应提高EVA封装胶膜的交联密度,抑制EVA封装胶膜表面离子迁移以及玻璃表面离子的聚集,从而抑制组件的PID效应。
光伏发电具有显著的能源、环保和经济效益,是最优质的绿色能源之一。在能源紧张的时代背景下,光伏发电仍有无限发展前景。
本文对光伏组件PID效应的产生原因及解决办法进行综述,并针对光伏组件EVA封装胶膜抗PID改性的研究进展进行总结。针对Na+迁移诱发晶硅组件PID效应的机制,EVA封装胶膜抗PID改性主要包含两个层面:抑制EVA老化;降低EVA封装胶膜内部离子迁移率以阻止Na+迁移引发的PID效应。
列举了添加材料及改变应用方式的改性方法,以及提高体积电阻率的改性研究及抗PID助剂的应用。通过添加改性助剂制备抗PID的EVA封装胶膜仍具有研究价值和研究前景。
资料来源：光伏组件EVA封装胶膜的抗PID改性研究进展
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原文始发于微信公众号（光伏产业通）：光伏组件抗PID，EVA胶膜的改性很重要
