光伏组件用共挤POE材料的可靠性分析.pdf

28张银环 等 光伏组件用共挤 POE 材料的可靠性分析光伏组件用共挤 POE 材料的可靠性分析张银环，唐兰兰，姜 倩（青海黄河上游水电开发有限责任公司西安太阳能电力分公司，陕西西安 710100）摘要：目前光伏组件应用的 EVA 和常规 POE 胶膜材料均存在封装缺陷，在此背景下市场推出新型共挤 POE 胶膜，但需验证可靠性。文章为评估新型共挤 POE 材料的可靠性，首先选取 A 和 B 两个生产厂家的共挤 POE 胶膜与常规POE 胶膜进行关键性能对比，得出共挤 POE 主要在抗水气渗透和体积电阻率相比常规 POE 弱；其次通过老化环境测试验证了共挤 POE 应用在主流双面透明背板组件上的最大风险为抗湿热能力差。研究结果对共挤 POE 产品设计与应用具有指导意义。关键词：光伏组件；共挤 POE；可靠性中图分类号：TQ 325；TM 615Reliability Study of Co-extruded POE Materials for Photovoltaic ModulesZHANG Yin-huan,TANG Lan-lan,JIANG Qian（Qinghai Huanghe Hydropower Development Co.,Ltd.Xian Solar Power Branch,Xian 710100,Shaanxi,China）Abstract:At present,EVA and conventional POE film materials used in photovoltaic modules have packaging defects.In this context,new co-extruded POE film is introduced in the market,but its reliability needs to be verified.In order to evaluate the reliability of new co-extruded POE materials,the key properties of co-extruded POE fi lms from two manufacturers,A and B,were compared with conventional POE films.Secondly,through the aging environment test,it is verified that the biggest risk of co-extrusion POE application on mainstream double-sided transparent backplane components is the poor resistance to heat and humidity.The research results have guiding signifi cance for the design and application of co-extrusion POE products.Key words：photovoltaic module;co-extrusion POE;reliability封装胶膜是光伏组件中的关键材料，主要对太阳能电池片起到保护的作用，它是决定光伏组件产品质量和寿命的关键因素之一，光伏胶膜市场主要应用的材料为乙烯醋酸乙烯酯（EVA）和聚烯烃弹性体（POE）胶膜两种。近些年，随着光伏技术路线向双面组件的转移，业内对光伏组件的电势诱导衰减（PID）现象高度关注，认为 PID 诱因与封装胶膜的选择有很大关系。EVA 材料是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，具有较好的加工特性和粘接性，但因分子特点在老化后极易分解醋酸导致 PID现象发生，然而 POE 材料是乙烯和-烯烃共聚物，分子结构中不含醋酸且具有低水透、高体阻等优势使双面组件有更加长效的抗 PID 性能，但 POE 分子量分布窄，流动性强，在层压后易产生气泡，并片等问题导致组件良品率降低，同时在成本方面较 EVA 高 30%50%且多主栅双面组件对胶膜高克重的需求增加了组件的封装成本，为解决这一现状，市场推出新型共挤 POE 材料，由于目前还缺乏规模化的实证验证，因此亟需对共挤 POE材料的可靠性进行分析与研究。共挤 POE 是 EVA 和 POE 采用物理共挤压合而成，根据共挤 POE 压合结构可分为 EP 型、PE 型和 EPE 三种类型。目前应用在双面组件上的主流结构类型为 EPE型共挤 POE，即封装胶膜的内层和外层为 EVA，中间层为 POE。图 1 为 EPE 型共挤 POE 结构示意图。图 1 EPE 型共挤 POE 结构示意图Fig.1 Schematic diagram of EPE co-extruded POE structure1 实验样品本文主要以应用广泛的 EPE 型共挤 POE 作为分析材料，研究共挤 POE 材料与常规 POE 的关键性能差异和应用在双面透明背板组件上的可靠性。实验材料选取A、B 两个厂家生产的相同结构、相同克重的 EPE 型共挤 POE，部分关键性能对比所用常规 POE 样品选取与共挤 POE 胶膜克重相同，实验组件随机选取 A 厂家生产的EPE 型共挤 POE 与 N 型 TOPCon 电池搭配 TPC 透明背板层压后制备的光伏组件，组件中上下两层胶膜使用类型一致。2 材料性能分析光伏封装胶膜作用是将光伏玻璃、电池片和背板粘接在一起，对组件电池片的保护是关键因素之一，作为组件的封装胶膜需具备良好的耐候性、光学特性、水气作者简介：张银环，中级工程师，主要从事光伏组件用原辅材料的可靠性和失效分析工作。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期29阻隔和电学性能等各种性能，而实现这些关键性能，与封装胶膜材料自身特性密不可分，以下通过测试来分析共挤 POE 在影响长期可靠性的几个关键性能。2.1 EVA 和 POE 分子结构与设计分析共挤 POE 由 EVA 和 POE 两种不同的粒子组成，由于分子结构所决定在性能上具有较大差异，图 2 为 POE和 EVA 材料的分子结构式，POE 是饱和碳氢聚合物，属于非极性材料，分子中不含醋酸结构，不能和水分子形成氢键，EVA 共聚单体含醋酸乙烯，含极性基团，极易吸附水气，在分子结构中 POE 相比 EVA 更加稳定，由此分析认为共挤 POE 中间层 POE 用量设计对材料性能影响很大。因此表 1 对比了 A 和 B 两个不同厂家 EPE 型共挤 POE 各结构层厚度和截面形貌，测试仪器采用基恩士 VHX-1000 数码显微镜。图 2 POE 和 EVA 材料的分子结构式Fig.2 The structures of POE and EVA materials表 1 A 和 B 厂家 EPE 型共挤 POE 截面厚度测试数据Table 1 Test data of EPE co-extrusion POE section thickness from manufacturers A and B样品厂家外层 EVA厚度/m中间层 POE厚度/m内层 EVA厚度/m总厚度/m截面形貌A162374157693 93323157573B89380104573109452105666由表 1 可知，A 和 B 厂家 EPE 型共挤 POE 的中间层和内外层厚度的设计不同，计算 A 胶膜的 EPE 设计比例为 1：2：1，B 胶膜的 EPE 设计比例为 1：3：1，两个胶膜厂家的各结构层厚度控制不均匀，尤其表现在中间层POE 的厚度差异大。另从截面形貌显示，共挤 POE 层间压合界面结构清晰，B 胶膜相比 A 胶膜表面平整，A 胶膜呈锯齿状，该现象的形成主要与各厂家使用的压延辊表面花纹类型和生产工艺有关。2.2 抗水气渗透性能光伏组件内部水气越多会造成电池片表面的栅线氧化，焊带腐蚀，从而引发材料本身降解或组件失效，因此封装材料水气透过率越低才能更好地保护电池，使组件的功率不受损失，因此水气透过率是封装胶膜重要的指标，行业一般采用温度 385、湿度 100%条件测试，但光伏组件在工作时一般组件的工作温度可达到 60 以上，温度升高有机高分子材料水气渗透将受到影响，因此需要对比不同温度下材料的水气渗透情况。水气渗透率测试采用红外法（设备型号为美国膜康PERMATRAN-W 3/61 水气透过测试仪）测试，图 3 为不同温度下共挤 POE 与常规 POE 的水气渗透率对比。?图 3 共挤 POE 与常规 POE 水气透过率对比Fig.3 Comparison of water permeability between co-extruded POE and conventional POE由图 3 数据可知，A 胶膜共挤 POE 的水气透过率高于 B 胶膜共挤 POE，常规 POE 相比共挤 POE 的水气透过率低，随着温度的升高水气透过成倍增大，共挤 POE水气透过率是常规 POE 约 1.5 倍。分析原因为常规 POE是由茂金属催化剂开发而来，本身具有优异的水气阻隔能力，不带极性基团，交联后的 POE 分子结构致密，水气分子难以穿透，而 EVA 本身带有极性基团，交联后分子结构较为松散，水分子更易穿透，阻水能力差。图4 为 EVA 与 POE 分子交联后的结构图。由此可见共挤POE 的水气透过率与中间 POE 层有关，从截面厚度数据可知 B 胶膜厂家共挤 POE 的中间层设计高于 A 厂家，表现水气透过率低，因此共挤 EPE 型 POE 的抗水气渗透高低决定于中间 POE 层的厚度。图 4 EVA 与 POE 交联后的分子结构图Fig.4 Molecular structure of EVA and POE after crosslinking2.3 电学性能封装胶膜在光伏组件中的作用之一是提供电学绝缘性，其体积电阻率是胶膜关键的电学性能指标之一，体积电阻率是单位体积对电流的抵抗，用来表征材料的电性质，通常体积电阻率越高，材料用做电绝缘部件的效能就越高，对光伏组件的安全性能有决定作用。目前国内外很多研究表明，高体积电阻率的封装胶膜可有效降低 PID 现象的发生，可提高组件安全和可靠性。体积电阻率测试采用 KEYSIGHT B2987A 高阻表，在温度 232、湿度 50%5%的实验室环境中，按GB/T 1410-2006 规定的要求，施加 10002 V，电化时间 600s 条件下进行体积电阻率的测试，表 2 为常规 POE与共挤 POE 对比测试数据。表 2 常规 POE 与共挤 POE 体积电阻率测试数据Table 2 Volume resistivity test data of conventional POE and co-extrusion POE样品测试结果/（cm）常规 POE5.781016A 共挤 POE 1.071016B 共挤 POE2.991016由表 2 可知，常规 POE 胶膜的体积电阻率高于共挤POE，共挤 POE 中体积电阻率 B 胶膜高于 A 胶膜，其影响主要来源于中间设计的 POE 层厚度，根据行业相关试验数据显示随着 POE 的用量减小、EVA 的用量增加，体积电阻率随之降低。图 5 为 POE 用量与体积电阻率的30张银环 等 光伏组件用共挤 POE 材料的可靠性分析影响试验数据，试验表明共挤 POE 中的 POE 用量对体积电阻率的影响很大。图 5 POE 用量对体积电阻率的影响试验数据Fig.5 Experimental data of the influence of POE dosage on volume resistivity目前根据实验结果，EVA、常规 POE、共挤 POE 胶膜的体积电阻率均为 1015cm 以上，根据 BERGHOLD等1 研究认为，体积电阻率在 1015cm 以上的封装胶膜材料才能有效抗 PID。2.4 耐老化性能分析 EVA 和 POE 作为高分子材料，其老化已经成为一个非常重要的问题，老化失效是限制高分子材料进一步发展和应用的关键问题之一。太阳能组件长期暴露于自然环境中，胶膜必须能承受不同气候条件的侵蚀，经研究发现，EVA 和 POE 胶膜在光、热、氧的作用下会发生黄变2，导致材料降解且影响组件的透光率下降，造成功率降低，因而湿热和紫外环境下更易发生老化。对于高分子材料而言，颜色的变化是其发生老化的直接依据，黄变的程度可用黄色指数 YI 来表征，其黄变值 YI 为各阶段老化后黄度值与初始样品黄度值之差，黄色指数YI 使用 UltraScan PRO D65 进行测试。湿热试验采用 PCT 加速老化试验箱，试验条件为温度 121、湿度 100%，试验时间分别为 24h、48h 和72h。紫外环境试验设备采用紫外加速老化 UV 试验箱，试验条件为温度 60，在波长范围 280400 nm，分别以 UV60 kWh/m2、UV120 kWh/m2和 UV 180kWh/m2的紫外剂量进行辐照。图 6 和图 7 为试验后的黄变数据。图 6 湿热试验后胶膜黄变对比Fig.6 Contrast of film yellowing after humid heat test 图 7 紫外试验后胶膜黄变对比Fig.7 Contrast of film yellowing after UV test由图 6 和图 7 可以看出，A 和 B 两家胶膜的黄变在湿热和紫外后差异不明显，加严测试后满足行业要求的YI 在 3 以内。通过对比湿热与紫外环境下的黄变，紫外老化后共挤 POE 与常规 POE、EVA 三者具有较为明显的差异，随着老化条件延长，共挤 POE 的黄变升高更趋近 EVA，因此共挤 POE 的黄变取决于变化大的结构层。2.5 粘接性能光伏组件的封装质量的好坏直接取决于胶膜的粘接性能的好坏，胶膜的粘接性能通常以胶膜与玻璃及胶膜与背板的剥离强度表征，目前所使用的 EVA 和 POE 胶膜属于弱极性或非极性聚合物，与无机玻璃或背板的粘接性差，难以保持长久可靠的粘接，一般都是添加偶联剂使胶膜与被粘接材料之间形成化学键，提高其与无机玻璃和背板的粘结3。除了与玻璃和背板粘接外，共挤POE 由于包含有两种原料的分子材料，简单的挤压工艺存在清晰的压合界面，在使用过程中可能产生分层现象，将影响光伏电池的保护作用。图 8 对比了湿热（PCT）、湿冻（HF）、冷热循环（TC）、紫外(UV)环境下共挤POE 与玻璃、共挤 POE 与透明背板、共挤 POE 与共挤POE 层间的剥离强度。?说明：共挤 POE 与透明背板未实际剥离，图中未体现其剥离强度数据。图 8 共挤 POE 不同环境老化后的粘接性能Fig.8 Bonding properties of co-extruded POE after aging in diff erent environments由图 8 可知，经过湿热、热循环、湿冻、紫外试验后，共挤 POE 与玻璃的粘接性能均下降明显，在多种环境下共挤 POE 主要在湿热和湿冻环境下与玻璃的粘接性能衰减较大。其原因为无机材料玻璃表面具有良好的亲水性，水气渗入并慢慢向内部扩散使得与玻璃粘结的 EVA 更容易水解，加速内部网状聚合物的断裂，破坏与玻璃的粘结点，使粘接强度出现下降。而共挤 POE 与透明背板之间均未剥离开，试验表明共挤 POE 与背板的粘接性能要优于与玻璃的粘接性能。(a)烘烤试验 (b)水煮试验 图 9 共挤 POE 烘烤及水煮试验后的外观图Fig.9 Appearance of co-extruded POE after roasting and boiling test在上述的试验中两个厂家的共挤 POE 之间均可完全剥离开，共挤 POE 与共挤 POE 之间的剥离力初始及不同老化环境后均保持在 80N/cm 以上，相比共挤 POE 与玻璃粘接强度高。在实际的应用中可剥离开的材料之间存在分离的界面，在受热、水气侵蚀等环境下可能存在分层风险，为考量其可靠性对层压后的样品进行耐高温和水煮测试，模拟组件的热斑温度高达 170、180，合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期31放置烘箱中试验 5h，并在 982 沸水煮，测试时间为24h，外观表现均无分层及不良现象，试验表明两个厂家共挤 POE 层压后产生脱层的风险低，图 9 为共挤 POE烘烤试验及水煮试验后的外观图。3 共挤 POE 应用的可靠性透明背板作为双面组件的背面封装方式之一已经获得了光伏行业的广泛认可，凭借更轻的重量、较优的发电性能，透明背板双面组件广受客户青睐，但相比于无机玻璃材料来说，无机玻璃具有零水透、耐候性强和不易降解等特点是透明背板材料所不具有的优势。在近几年来光伏组件耐候性测试中湿热(DH)、PID、综合老化测试等是常见的失效项目，因此作为一种新型共挤 POE搭配透明背板组件的可靠性有待考量，在行业光伏组件的质量好坏通常按照 IEC 61215 标准进行试验，以组件试验前后测试的功率衰减率不大于 5%作为评判依据，图 10 为共挤 POE 搭配 N 型 TOPCon 透明背板组件进行DH1000h、DH2000h、PID(负偏压 1000V，192h)、综合老化环境 UV120+TC50+HF10 后的组件功率衰减数据。?图 10 不同老化环境下共挤 POE 搭配透明背板组件的功率衰减Fig.10 Power attenuation of co-extruded POE with transparent backplane components in different aging environments由图 10 可知，组件在经过 PID 192h 及 UV120+TC 50+HF10 环境测试后正、背面组件功率衰减表现较低，但在 DH1000h 后背面的衰减接近 5%，DH2000h 后正面和背面的衰减成倍增大，分析原因主要为高分子有机物封装胶膜和背板在高温高湿下会有更多的水气分子渗入组件内部，湿气进入使电池片表面的银栅线被氧化腐蚀，导致功率衰减增大。由此可见，共挤 POE 搭配透明背板组件在抗湿热能力方面存在较大的风险。4 结论本文主要针对共挤 POE 胶膜从影响材料的关键性能进行分析并搭配透明背板组件在不同老化环境下的可靠性评估，形成以下几方面的结论：（1）从微观形貌上 EPE 型共挤 POE 三层结构清晰可见，不同厂家胶膜各结构层设计厚度存在差异，各结构层厚度控制不均。（2）对比不同温度下两个厂家的共挤 POE 较常规POE 水气透过率高，随温度升高胶膜的水气透过率成倍增大，共挤 POE 水气透过率约为常规 POE 的 1.5 倍，且B 胶膜低于 A 胶膜水气透过率，主要与中间的 POE 层厚度有关。（3）对比两个厂家共挤 POE 较常规 POE 体积电阻率低，且 B 胶膜高于 A 胶膜，共挤 POE 中的 POE 用量对体积电阻率的影响很大。（4）共挤 POE 是由 EVA 和 POE 共挤而成，通过剥离试验可知共挤 POE 与共挤 POE 之间可分离，在不同老化环境下剥离力均保持在 80N/cm 以上，其粘结强度保持较高，产生脱层风险低。（5）A 和 B 两家共挤 POE 胶膜耐候性指标表现的黄变较小，具有优异的抗老化特性，但随着紫外时间的延长共挤 POE 的黄变升高更趋近 EVA，因此共挤 POE的黄变取决于变化大的结构层。（6）通过对共挤 POE 搭配透明背板组件进行相关可靠性测试，发现组件在抗 PID、综合的紫外、温度交替和湿冷环境下功率衰减小，表现在湿热老化环境下组件功率衰减大。由此可见共挤 POE 搭配透明背板组件最大的风险为抗湿热能力差，共挤 POE 的水气透过率高为其原因之一。因此提高共挤 POE 搭配透明背板组件的抗湿热性能，重点是匹配电池抗湿热能力的 POE 层厚度是关键，在后续共挤 POE 材料选型应用时，需要将各结构层的比例设计作为重点考量方向。?1 BERGHOLD J,KOCH S,FROHMANN B,et al.Properties of encapsulation materials and their relevance for recent field failuresC.40th IEEE Specialist Conference,June 8-13,2014,Denver,USA:1987-1992.2 PERN F J,CZANDERNA A W.EVA degradation mechanisms simulating those in PV modulesC.Photovoltaic advanced research and development project.AIP Publishing,1992,268(1):445-452.3 PERN F J,GLICK S H.Adhesion strength study of EVA encapsulants on glass substratesC.Proceedings of NCPV and Solar Program Review Meeting,2003.?QQ:441438064?