作者｜Haidan Gong等

  組件壽命|不同類型的光伏背板在溫暖潮濕的環(huán)境中為組件提供不同程度的保護。無錫尚德光伏中心Haidan Gong、Yiwei Guo和Minge Gao為了更好地了解熱帶條件下不同背板材料的性能，詳細介紹了其目前的研究成果。

  乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）聚合物背板作為*常用的包裝材料，已成為保證組件性能的重要組成部分，以保護組件免受外部環(huán)境的侵蝕。雖然已經(jīng)固化了，但當(dāng)EVA當(dāng)暴露在高溫和潮濕的環(huán)境中時，仍會發(fā)生水解，從而形成乙酸。

  其他文獻[1，2]還研究了濕熱條件下組件的故障機制。醋酸與氧化鉛反應(yīng)產(chǎn)生醋酸鉛，導(dǎo)致組件功率下降。大多數(shù)聚合物背板不能完全阻止水進入組件。

  因此，在高濕度環(huán)境下，背板的水蒸氣滲透率（WVTR）對組件的功率退化有重要影響。過去，有兩種不同的觀點。一種是低WVTR背板，盡量防止水進入，抑制EVA水解反應(yīng)。

  另一種方法是使用可呼吸的背板，這意味著水很容易進入背板，醋酸氣體也很容易從組件中釋放出來。

  目前，熱帶地區(qū)背板WVTR選擇沒有明確的結(jié)論。大部分研究都集中在背板本身的使用壽命上，很少關(guān)注背板的阻水性能對組件使用壽命的影響。

  本文從三個方面進行了探討：采用不同的方式WVTR背板的組件性能不同VA含量的EVA濕熱加速老化與高濕度環(huán)境應(yīng)用的關(guān)系。

  實驗部分

  玻璃(背板1)、KPO（背板2）、CPC（背板3）和PPf(背板4)。硅基光伏組件由四種不同背板材料制成，工藝相同。

  此外，還生產(chǎn)了一背板的特殊組件作為參考。IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，首先對組件進行初始穩(wěn)定，然后將組件暴露在外85℃環(huán)境溫度和85%的相對濕度。組件的電氣性能每1000小時一次。

  這里有兩種不同VA含量(28%和32%)EVA。VA含量是用NaOH化學(xué)滴定法測定。此外，還使用化學(xué)滴定法。ther ** l Fisher Nicolet-iS50裝置測量FTIR光譜。

  結(jié)果與討論

  使用不同WVTR背板的組件性能

  外部環(huán)境因素，如水和氧，通?？梢源┩副嘲暹M入組件，如圖1所示。如前所述，組件中的水會導(dǎo)致電池腐蝕。因此，背板的濕度性能對組件的可靠性和壽命有重要影響。

  圖1：水和氧滲透到組件內(nèi)部

  在這里，5組件是在相同的條件下生產(chǎn)的(如表1所示)。A～D有四種不同的組WVTR的背板，E無背板的特殊組件，即水蒸氣完全進入背板，醋酸氣體也容易從組件中釋放。

  表一：使用不同WVTR背板的組件

  經(jīng)過4000小時的濕熱老化，組件功率損失如圖2所示。顯然，隨著濕熱時間的增加，不同背板的組件顯示出不同的功率。

  在潮濕的環(huán)境中，DH 4000h后，背板WVTR范圍為0-4.0g/m2.d（A組*d組)組件的功率衰減WVTR增加呈線性增加(如圖3所示)。

  完全阻水的部件(背板A）由于這些部件防止醋酸對電池的腐蝕，顯示出微小的功率損失。濕熱老化后EL圖也顯示在表二上。電池和焊帶的腐蝕影響功率衰減。

  有趣的是，沒有背板的組件（E組)顯示3000小時低功率退化DH電池或焊帶腐蝕后幾乎沒有觀察到。4000h之后，這些部件出現(xiàn)了較大的功率退化和明顯的電池和焊帶腐蝕。

  對于沒有背板的組件，在DH的前3000小時，EVA水解反應(yīng)主要發(fā)生在組件背面，醋酸氣體也容易從組件中釋放。DH*后1000小時，水蒸氣滲入電池，進入組件前側(cè)EVA水解反應(yīng)不可避免，乙酸氣體不易通過電池釋放。

  圖二：DH實驗結(jié)束后，不同背板組件的功率衰減

  圖3:功率衰減 vs. 背板的WVTR

  表2：使用不同背板的組件DH后的EL圖

  不同VA含量EVA對組件性能的影響

  VA含量也有影響EVA質(zhì)量的關(guān)鍵值。此外，酯基會在潮濕的環(huán)境中水解。在組件中使用28%和32%VA含量的EVA，在潮濕們在潮濕環(huán)境中的性能。如圖4所示，在DH 2000h之后，使用量高VA含量EVA該組件具有更高的功率退化和更嚴(yán)重的電池和焊帶腐蝕。圖5中，VA高含量組件在濕熱后表現(xiàn)出更多的電池腐蝕。結(jié)果對應(yīng)于圖4中的功率衰減結(jié)果。

  圖四：DH過后使用不同EVA組件功率衰減

  圖五：DH以后使用不同EVA的組件EL成像圖

  濕熱加速老化與高濕度應(yīng)用環(huán)境的關(guān)系

  溫度、濕度和光照是影響組件可靠性和使用壽命的三個主要因素。

  為了預(yù)測產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的使用壽命，我們使用了幾種加速老化模型，其中***的是Arrhenius模型。在高濕度環(huán)境中，溫度和濕度是組件老化的主要因素。結(jié)合溫濕度因素，Hallberg-Peck模型[3]通常用于預(yù)測高濕度環(huán)境中的老化過程。Hallberg-Peck模型方程如下：

  T_u-1/T_t))………eq1

  AF：加速因子

  Ea：故障模式的激活能

  K：玻爾茲曼常數(shù)

  Tu：**溫度

  Tt：試驗時的**溫度

  RHu：使用時的相對濕度

  RHt：試驗時的相對濕度

  超過壽命=預(yù)期壽命/AF…eq2

  在Hallberg-Peck在模型中，超過壽命的時間與應(yīng)用領(lǐng)域的溫度和濕度以及組件故障模式的激活能量有關(guān)。組件故障激活能量是模型的關(guān)鍵參數(shù)，通常是經(jīng)驗值。故障模式的激活能量通過以下三個實例計算。

  案例1:2012年3月在東南亞安裝的部件；平均環(huán)境溫度28.2℃，平均相對濕度61.8%。

  如圖6所示，運行僅8年后，整個光伏電站PR理論上接近25年的退化水平較高。AAA在級脈沖太陽模擬器下，從光伏電站取四個組件測量輸出功率。

  結(jié)果見表3。結(jié)果表明，使用BS-WVTR 1.5 VA33 EVA8年后封裝組件平均功耗下降率為28.5%，使用BS-WVTR1.5 VA28平均功耗下降率為20%。

  結(jié)果見表4。2000小時濕熱加速老化與東南亞熱帶環(huán)境8年運行密切相關(guān)。濕熱試驗2000h后，BS-WVTR 1.5 VA33 EVA封裝組件的平均功率退化率為26%，BS-WVTR 1.5 VA28封裝組件的平均功率退化率為16%。

  圖6：安裝在東南亞的組件的實際情況PR衰退結(jié)果

  表3：東南亞光伏電站的組件

  在AAA水平脈沖太陽能模擬器下的輸出功率

  表4：倉庫光伏組件

  在AAA水平脈沖太陽能模擬器下的輸出功率

  DH 2000h后電致發(fā)光（EL）組件與東南亞光伏電站老化8年EL類似(圖7)。另外，傅里葉改變紅外光譜。（FTIR）濕熱試驗后安裝在東南亞光伏電站的亞光伏電站的部件和部件的失效機制(圖8)。

  結(jié)果表明，這些組件有類似的故障機制。醋酸鉛可以在前面EVA檢測到。一般認為水蒸氣會滲入組件，導(dǎo)致EVA水解。由此產(chǎn)生的醋酸與焊帶和電池中的氧化鉛發(fā)生反應(yīng)。醋酸鉛會增加電阻，使電池變暗。

  不同的是，在戶外運行失敗的件背板EVA上檢測不到醋酸鉛和峰值EVA但濕熱試驗后，組件背板EVA醋酸鉛和EVA水解峰。

  結(jié)果表明，由于組件內(nèi)外的水蒸氣濃度在白天和晚上不同，水蒸氣可以進入組件，也可以擴散到組件外。當(dāng)水蒸氣穿透電池并進入組件前部，不易通過電池擴散時，它就會在前面EVA水解反應(yīng)發(fā)生在中間。然而，在整個室內(nèi)老化試驗中，水蒸氣在組件內(nèi)外達到平衡。因此，背部EVA水解反應(yīng)是不可避免的。

  功率衰減值，EL圖像和FTIR分析表明，室內(nèi)2000小時濕熱試驗相當(dāng)于泰國8年的運行時間。因此，根據(jù)eq2，AF是35.04。

  圖7:左，在高濕度地區(qū)工作8年的組件；

  右，DH2,000小時后的組件；

  圖8:來自電站現(xiàn)場和DH后的組件的EVA FTIR光譜

  2:2012年安裝熱帶島嶼A上部組件；平均環(huán)境溫度26.9度，平均相對濕度78.5%。

  如圖9所示，經(jīng)過六年的運行，電能實際產(chǎn)量損失為21.9%。圖十所示EL電池腐蝕也可以在圖像中觀察到。這些組件使用BS WVTR 1.5 VA33 EVA和BS WVTR 1.5 A VA28 EVA封裝。

  根據(jù)表5，2000小時濕熱加速老化A在島嶼環(huán)境中運行6年有很好的相關(guān)性。因此，根據(jù)eq2，AF是26.28。

  圖9:安裝在A島組件實際PR衰減

  圖十：安裝在A 島6年后的組件

  表5:安裝在島上A的組件

  在AAA水平脈沖太陽能模擬器下的輸出功率

  案例3:2013年安裝熱帶島嶼B上部組件；平均環(huán)境溫度為27.2℃，平均相對濕度為81.7%。

  如表6所示，僅運行四年后，電能的實際產(chǎn)量就出現(xiàn)了17.6損失%。圖十一所示EL電池腐蝕也可以在圖像中觀察到。這些這些組件BS WVTR 1.5和VA28 EVA封裝。

  根據(jù)表四，在B在島嶼環(huán)境中，2000小時濕熱加速老化與4年的運行密切相關(guān)。因此，根據(jù)eq2，AF是17.52。

  表六:來自島嶼B組件實際輸出能量

  圖11:熱帶島嶼B運行4年后的組件

  根據(jù)這三種實際情況，我們可以計算熱帶地區(qū)失效模式的失效激活能量（Ea），相關(guān)數(shù)據(jù)見表7。Ea值在0.425到0.482之間。在此基礎(chǔ)上，使用模型和Hallberg-Peck在不同的溫度和濕度條件下，模型計算了不同的室內(nèi)濕熱試驗時間。

  表7:熱帶地區(qū)失效激活能

  結(jié)論

  本文主要研究背板的高濕度環(huán)境WVTR對組件性能的影響。理論模擬和現(xiàn)場實例數(shù)據(jù)表明，長期濕熱加速老化可以模擬高濕度場環(huán)境下組件的老化規(guī)律。Hallberg-Peck該模型計算了不同溫度和相對濕度地區(qū)的激活能。

  另外，結(jié)果顯示，在0-4.0g/m2.d在潮濕的環(huán)境中，使用背板WVTR部件的功率隨背板衰減WVTR線性增加。*后，比較了28%和32%VA內(nèi)容下的組件性能。結(jié)果表明，高VA含量的EVA會導(dǎo)致高功率退化和電池腐蝕。

  作者團隊

  Haidan Gong、Yiwei Guo、Minge Gao。

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