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EVA胶膜变色对太阳能组件电性能的影响

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摘要:EVA胶膜变色对太阳能组件电性能的影响

摘要:本次针对EVA (乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物)经过可靠性试验过程中老化变色现象、老化机理以及同时对太阳能组件功率的影响。

关键词:EVA 变色 老化 太阳能组件

一、前言

随着世界能源危机愈演愈烈的背景之下可再生能源是可循环利用的清洁能源,是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择,其中光伏太阳能发电是目前最具有广阔的发展前景。各国也纷纷上马光伏项目,由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会等共同发布的《中国光伏发展报告》指出,中国太阳能光伏发电产业发展潜力巨大,如能得到政府稳定的政策扶持,可以预计:到2030年,中国太阳能光伏发电装机容量将达到1亿千瓦,年发电量可达1300亿千瓦时,相当于少建30多个大型煤电厂。世界上多个研究机构的研究结果都显示,在未来的几十年,主要的电力来源是光伏发电。目前,中国光伏产品的原材料主要依赖进口,90%的产品都出口到欧洲、美国、日本等国外市场,虽然我国面临巨大的光伏市场,然而国内的在原材料技术上任重而道远。太阳电池组件在户外使用时太阳能组件中EVA材料性能影响电池片的转化效率甚至使太阳能组件寿命提前失效

二、EVA胶膜

EVA主要的成分乙烯与醋酸乙烯共聚物,EVA 具有优良的柔韧性、耐冲击性、弹性、光学透明性、低温绕曲性、粘着性、耐环境应力开裂性、耐候性、耐腐蚀性、热密,密封性以及电性能等。EVA 的性能主要取决于分子量( 可以用熔融指数M I表示)和醋酸乙烯酯(以VA 表示)的含量。当M I一定时,VA 的含量增高,EVA 的弹性、柔软性、粘结性、相溶性和透明性提高;VA 的含量降低,EVA 则接近于聚乙烯的性能。当VA 含量一定时,分子量降低则软化点下降,而加工性及表面光泽改善,但强度降低;分子量增大,可提高耐冲击性和应力开裂性。目前光伏组件EVA胶膜国内的主要厂家有杭州福斯特、东莞永固、台湾阳溢,国外日本普利斯通、三井化学,美国STR等。

但随着科技不断创新,太阳能组件的封装胶膜也会有新产品问世,例如美国3M公司现在生产的封装胶膜EPE。

三、层压工艺:

真空层压机应用于太阳能电池组装生产线上。称之为太阳能电池组件层压机。无论层压机应用于哪种作业,其工作原理都是相同的。高温的组件表面施加一定的压力,将这些物质紧密地压合在一起。所不同的是根据层压厂家的材料不同,压合的条件各不相同。

组件层压过程:

开盖━上室真空━放入待压组件━合盖━下室抽空━上室充气(层压)━下室抽气━开盖━取出太阳能组件

根据市场主流层压温度参数设定基本是按照EVA厂家提供的参数设定: 从温度角度设定层压参数国产EVA参数在135-140℃之间,进口EVA在138-145℃之间。温度是影响组件交联度及粘结强度的重要因数之一,若温度过高会交联度也随之增大,EVA的柔韧性变差容易脱层脆裂等不良现象,温度过低则未交联EVA透光率和交联度会减小。

四、老化机理

根据光伏组件使用寿命25年限的要求,(IEC)国际电工委员会和美国保险商实验室等针对太阳能组件出台了IEC 61215及UL 1703等测试标准。针对封装材料EVA胶膜测试要求是在经过老化实验、紫外辐照实验、高低温老化实验等各项可靠性测试过程中保持无变色、无脱层的现象。而所谓的变色、脱层其实质是EVA老化所造成的,EVA封装胶膜因受到热氧的作用而降解,EVA胶膜添加有抗氧化剂、紫外光吸收剂、光稳定剂和粘接促进剂等助剂体系,而研究发现EVA的降解主要包括两步:一是醋酸的减少,二是氧化和主链的断裂。紫外光对EVA老化而变色的影响是最大的,在研究中发现纯EVA胶膜中包含短α-β不饱和羰基和可以起到光敏剂作用的杂质。在120℃以下的层压过程EVA结构发生微小的变化,但在135℃-150℃之间,EVA结构会发生很大的变化,产生了新的uv生色团。EVA颜色的改变降低了可见光的透过率。早期通过资料分析认为EVA变黄的原因是C=C共扼体系的形成和延长。但是经过后期的研究表明EVA的变色不能说明是聚醋酸乙烯降解产生共轭烯烃造成的,很有可能是EVAN内过氧化物交联剂分解后与内部添加防老化剂反应生成生色团。

 



图1 1000小时热循环后EVA变黄



图2 1000小时紫外后EVA变色



图3 湿冷试验后EVA变黄

 

图1与图3分别是经过热循环-40℃—85℃1000小时、从+85℃,85%相对湿度到-40℃10次后EVA出现变色、脱层现象,组件的EVA胶膜在高温环境环境之下发生降解,主要是内在添加剂体系之间加合效应与协同效应不够理想。图2是经过1000h紫外试验波长在280nm到385nm范围内,紫外辐射为15kWh·m-2, 其中波长为280nm到320nm的紫外辐射为5kWh·m-2,紫外是高分子材料主要的户外杀手之一,加速材料的老化,图3经过湿冷试验后出现变黄的现象,分析表明光稳定剂能够强烈吸收290—380nm波段的紫外线或能有效猝灭地激发态高分子的能量,或具有足够的能力捕获光氧化产生的自由基。然而实际上光稳定剂的机理十分复杂,同一种化合物往往可以多种方式发挥光稳定剂稳定效用,在EVA聚合物中添加光稳定剂能否稳定存在?甚至失效,是EVA在紫外试验失效的主要原因。

五、电性能测试

 

                                                                                                                                 

                                                                                                                                                                            图4为试验前无色变太阳能组件的电性能 

                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                      图5为试验后变色太阳能组件的电性能

图4为试验前无黄变太阳能组件的电性能,图5是试验后太阳能组件变黄的电性能,从数据中可以看出试验前EVA无色变,电池片的转化效率为14.31%,而试验后太阳能组件EVA变色电池的转化效率下降为13.97%,主要是EVA变色透光率减少所致,功率自然也会随着下降。可见随着时间推移,EVA胶膜的质量对太阳能组件的使用寿命影响很大。

六结论:

EVA胶膜变色归为老化,老化足以使太阳能组件寿命缩短,而且EVA变色导致组件功率会加快衰减,老化随时间推移也会出现脱层、甚至组件失效。针对国内广阔的EVA市场同时在质量上又存在诸多缺陷,我国EVA产品技术的可持续性还需提高,我们也相信在国家“十二五”规划能源产业布局,推进能源科技创新,完善能源宏观调控体系,深化能源体制改革方针下,不久的将来中国光伏行业的明天会更加美好。

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