杜邦光伏氟材料技术专家胡红杰：光伏组件背板户外失效分析与应用

杜邦中国集团有限公司光伏氟材料技术专家胡红杰博士

    胡红杰：很高兴中国机械工业联合会组织这个平台跟大家交流我们的一些见解。今天很多专家和老师介绍的东西一些宏观，很高的高度来介绍这些事。我这边因为我觉得自己能力有限，讲一个比较微观一点，我们关注组件当中的背板这块。

    我今天讲这个题目是光伏组件背板户外失效分析与应用，这里有两个关健词，第一个是背板，第二是户外。我们为什么要讲背板的重要性。我们这个组件前面有比较坚硬的玻璃，边上有强硬的铝边框，其他的部件跟空气相接触的地方就是背板，背板是有机材料，没有玻璃盒和边框的强硬性能。所以说对背板来说它的一些要求是有几个比较重要的层面，第一个比如说首先我要耐候，能够耐长时间的各种老化和耐候性。还要求可靠的耐热粘接，你跟边框和接线盒有一个长期可靠的粘接性，可以保证他在25年甚至以上的使用环境当中他会保持他的功能不失效。

    组件材料需要长期耐受各种环境应力，紫外线、高温、冷热循环、机械载荷、物理磨损、湿气、大气污染五对他都是有一些侵蚀的。背板作为外层的绝缘保护，同时阻隔水汽对组件内部材料的腐蚀，背板直接暴露在空气，需要长期耐受紫外线、高温、冷热应里力、机械磨损。我们现有的环境条件比较苛刻，我们现在的测试标准测试技术还是有一些缺口在这。比如我们现在从标准缺失方面，比如说紫外老化，我们国家的西部这些沙漠、荒漠甚至高原地区的阻碍辐照量非常强，25年累计量是非常高的。具体数字比如说国际上做老化技术，包括做光伏技术研究，这些机构有很多的研究数字，举一些典型的地区，25年累计下来有200、300个千瓦时。这个大概差一二十倍，非常多。另一方面比如说风沙的磨损，我们在很多地方有非常强的风沙，不可修复的是他把你的材料给磨损，尤其我们的有机材料。他在户外随着你使用时间的增加，包括接受紫外线的辐照会老化，慢慢加速风沙的磨损。还有在还有在耐热和防火是属于标准确实的状态。

    材料户外老化影响组件功率衰减，功率Pmax与短路电流Isc密切相关，短路电流Isc下降，封装材料发黄、玻璃脏污脱层和光致衰减，大部分的研究都报道了发黄和脱层现象。

    我们刚才提到标准缺失状态，有一些自己认识无所谓，有些认识到了，有一些原因无法改了。这种情况下，我们开展了户外组件的研究项目。户外研究我认为意义有这么几个，第一个就是说我们户外研究和分析，能看到一些材料他的一些失效的模式，我们通过对失效模式的分析，我们找到他背后的深层次的机理在哪里。这些材料为什么会失效。通过失效分析，来反过来指导我们的测试方法的改进，包括新的测试方法的制定。我们比较实验室加速老化测试这些方法和户外材料不同使用年限以后他的材料特征的一些对比做一些关联，反过来更好去制定这些标准，制定这些方法，这是他的意义所在。

    背板材料他的时下有很多种不同的失效类型，背板材料失效以后他丧失了比如说绝缘性或者是粘接可靠性，这几个关键有一个失效，直接导致你的组件失效，潜在影响是非常多的。不同的背板他在户外失效的类型，最近几年我们有一些比较多的一些同事在不同地区做了一些研究、归类。看了一下这些材料失效类型有这些，尤其是备办。比如说有断层开裂比较严重，还有黄变，热斑引起的起泡，开裂甚至一些燃烧。还有一些聚酯类背板有一些开裂脱层以及其他一些涂料类的。具体看几个例子，比如说PET的聚酯，跟我们喝矿泉水瓶子是一样的材料。他在背板当中也是一类东西，有人在用的。这边是一个在欧洲西班牙的这样一个户外电站安装了四年，2.3MW，大约5000块组件发现背板材料开裂，一些组件未通过湿漏电测试。

    还有一些没有非常明显的脱层，但是有非常明显的黄变，这个美国的电站是用了6年，里面有很多块非常明显的黄变。黄变在我们国内非常普遍，国内安装三四年，有一些是屋顶，有一些是地面，还有非常严重的黄变。这个黄我们看起来只是一个外观的问题，实际上也没有那么简单。黄变通常都是伴随材料的脆化。我们同时做红外的FTIR的分析，FTIR显示材料出现降解，这些户外结果与加速老化结果相一致。另外一类发黄是出现在内层，前两天跟光伏行业的人探讨的时候，我看到一个电站非常明显是EVA发黄了，有的不一定是EVA发黄了。我们国家都是使用时间很短，有的只有一两年，看起来很难看。造成这种影响，尤其是做投资的机构就说如果有这种先例的话，以后不会推荐采用这样的材料，这样的组件。

    另外一类EVA的确有发黄的风险，对一些使用时间比较长的，因为EVA本身不是很耐候的材料，他这里的自外吸收剂随着时间延长会慢慢消耗，造成两个结果，他透光率下降，紫外更多了，越来越多的紫外透过去了。还有一类是热斑非常的普遍，的确是这种情况，似乎很难避免热斑的情况。有些热斑很严重，一些不严重，这是很普遍的现象。热斑在组件内部温度非常高，达到一两百度。如果你的材料能够有比较高的耐热或者是耐熔点的话相对好一点，不会马上失效。比如说PVDF背板，他的软化点熔点是150、160度的样子。如果你玻璃烧不穿，背板先扛不住了，先开裂、发黄、起泡非常多。用杜邦特能的材料，熔点到190度上下，甚至超过200度。遇到这样极端情况下他有更好的耐受极端条件的能力。

    还有一个因素，背板行业标准当中已经考虑把这个问题写进去了，之前没有人管这个事。电站当中材料耐风沙磨损性能。北边有沙尘暴，磨损能力很强。我们没有现成，一手有说沙尘暴对光伏材料影响是什么，没有人做这个研究。我们看到以前他们有人做个工作就是把有机的亚克力的塑料棒放在一个典型的沙漠的环境下，放很多时间，我看材料受风沙磨损的情况。他选这个PMMA在有机材料也是有耐受的材料，是有机玻璃的一种。他这个研究看到说我把塑料棒放在沙漠环境中的时候，使用八年的时候他在磨损最严重的区域发生在我离地面30厘米高的地方。离地面30厘米，我们在西部装大规模电站它的组件离地面也是30厘米上下。这个地方有一些比较大的沙子，他飞的离地面30厘米上下可以飞的到，可以磨损到。这个地方磨损很严重，到8年的时候磨损下去了0.46毫米，就是460微米。在他比较高的地方，因为他这个棒的高度是1米，离地面最高的地方，1米的地方他磨损250微米。到十年的时候，这个速度后面加速了，十年的时候离地面最高的地方磨损比较轻的地方是360微米，最严重的地方是970微米。你说玻璃没事，不怕磨损，顶多透光率受点影响。有机材料怕磨损，尤其是一些涂料类的材料非常怕磨损。250微米和260微米相当什么概念？我们的背板通常现在标准背板厚度是300到350的范围。假如说你用PMMA，十来年的时候他把你的背板都磨没了。当然不是光伏的应用，他表示了风沙磨损对材料影响的严重程度。我们最近两年也正好看到了这些案例，有好几个。这边举一个例子，在青海的安装一个电站，他组件是使用了FEVE的涂料，在背板当中用的比较多的涂料材料。他的外层的初始厚度是找到背板的数据手册，厚度为20微米。使用一年半以后，因为他这个背板我们初始并没有把他拿过来好好组件他，拆开看，没有这个想法。我们帮他做分析的时候看到外层厚度降到16.5微米，一年半的时间，3.5微米不知去向。这个我们觉得还是有点超乎想象，没有想到他有这么快。

    另外一个问题，除了风沙以外，这种涂料类的材料，他自身的粘接率也是一个顾虑，因为这种材料他说自己创新可以少使用一层胶材料，复合材料需要用胶进行粘接。现在不需要这个胶，直接涂在这个核心集材上。这两种材料不是一种材料，热膨胀系数不匹配。这个案例是在美国新泽西三年的电站，他的组件上有的在焊带的地方，本身焊完以后有一些突起，突起的地方相对有一些比较聚集，另外再加上他在焊带地方发绿，这个电站有1%类似的情况。另外一个电站也是在新泽西，也是三年的一个电站。一是用FEVE涂层背板，还有用杜邦特能的PVF薄膜背板。使用三年的时候，初始的时候对背板腹膜粘接你不能有任何一片能够被剥起来，初始没有问题，可以通过检测。仅仅户外三年以后，在很多地方模块都被剥落下来。他的粘接力的衰减程度非常快。同样带这个电站同样使用年限特能背板没有任何问题，不会出现这种情况。还有比较极端有些你不做测试，不管他，能发现有一些地方出现一块一块的剥落和掉块。

    另外一类涂层应用用到内层，起到抵抗从正面来的紫外线的作用。这种材料也是涂层粘接也是有隐患，加速老化测试的时候，我们用短时间的HAST48小时，50个冷热循环，背板的涂层都流到FEVE涂层，与背板脱开了。   

    刚才都是比较直观的图片，这里有一个统计数据，这是JRC他们做了一些研究分析，分析三种不同的封装形式的组件在使用20年以后它的组件功率衰减情况。基于几百块组件的统计数据。第一种是GEG，第二种GPG，第三种GET。使用20多年以后这些组件功率衰减统计下来是这样，这两种组件衰减都是比较高，总得衰减值到20%到40%。另外PVF这个衰减10%都不到。

    特能薄膜背板在业界来说是唯一一种超过30年户外实际验证的背板材料，他的起源是在1975年的时候在美国航天局，他们要做一个航天的项目，为一些卫星和飞船提供动力，又不能一直带电源上去。在此之前是光伏效应机理都有，没有组件出来。那时候找到很多专家，做了光伏组件的研究。经过五个阶段的研究。安装时间很长之外，在各种各样类型都有应用。沙漠、热带、沿海、南极。在各种环境当中都是有应用，被验证过的。

    世界上其他地方的应用举个例子，比较早一点，1984年安装在美国加州的1MW规模，当时1MW很了不起，非常大了，那时候效率没那么高。他是使用全部都是TPT背板，也没有别的背板可选，默认都是TPT背板。这种电站在使用到2013年使用了差不多29年的时候，它的年平均功率衰减只有0.9%。第二是在欧洲1982年安装，是在瑞士一个大学的屋顶，是10kW小的电站，他使用30年之后衰减0.4%。

    国内有三个典型地区，第一个是在沙漠气侯条件的甘肃兰州，这是安装27年总功率衰减10%，在海南尖峰岭使用23年总功率衰减6.1%，浙江宁波23年总功率衰减10.6%。甘肃和海南都是国外一些组件。这三个都是使用特能的背板，功率衰减都是不错。

    最后一个简单的总结，我们现在国内光伏电站户外使用环境非常苛刻，一定要使用耐久性的材料。光伏产了长期可卡性和材料质量重新引起市场关注。材料保护组件免受各类户外环境侵蚀，其失效会导致发电损失。长期户外暴晒是对组件材料的终极检验。虽然国内有很多标准，但是标准有待完善，这些标准由于各种原因会有一些缺失或者是不足。实验室检测不等同于户外检测，环境应用检测、老化顶多算是可靠性检测，不是寿命检测。测完只有不代表你能用多少年，跟那个没关系。还有电量验收，验收合格不等于他衰减也不合格。背板材料在户外失效的类型有发黄、开裂、脱层、热斑熔融开裂和耐候层受风沙末村减薄等。基于杜邦特能PVF薄膜的背板保障组件功率长期稳定输出，唯一超过30年户外实绩验证，适应各种气侯，长期保护组件。（根据录音整理，未经本人审阅）