随着经济社会的发展,人类使用化石能源越来越多,而化石能源使用存在破坏自然环境和不可再生等问题.太阳能具有少污染、可循环和资源无限等特点,将成为人类未来发展所必须的清洁能源.截至2014年底,世界光伏装机容量大180GW,预计到2019年底全球光伏装机容量将达498GW,其中90%以上是晶硅电池组件.
三季度光伏组件
光伏并网发电系统主要由光伏组件、汇流箱、逆变器等部分组成,其中光伏组件是发电的核心部件.目前光伏组件至少需要在户外工作25年以上,而组件一般是长期暴露在高温、强光照射、氧、水等复杂环境下工作.因此,采用适宜的封装工艺和选用合适的封装材料对延长组件寿命和提高组件效率显得非常重要.
1 光伏组件结构
光伏组件封装过程就是用胶膜将电池片粘结在钢化玻璃和背板之间,因此,光伏组件生产过程中所用原材料主要包括太阳能电池、玻璃、背板和封装胶膜.
1.1太阳能电池
目前商业化太阳能电池主要包括晶硅电池和薄膜电池,其中晶硅电池市场所占份额高达90%以上.光伏系统就是利用太阳能电池将光能转化为电能,即防止太阳电池失效是光伏电站的重中之重.晶硅电池易碎和易被污染,若直接在大气环境中工作会影响其光电转化效率,甚至会失效.因此目前所有晶硅电池组件都进行封装,从而可以延缓组件的效率衰减,降低光伏发电成本.
1.2玻璃
光伏组件上玻璃主要目的是抵御各种恶劣环境对太阳能电池的破坏.所用玻璃一般要求光透过率在90%以上,厚度为3mm.高透光率玻璃在制备过程中要严格控制玻璃中铁含量,因为铁元素会使玻璃着色降低玻璃的透光率,同时会增大玻璃的吸热率.由于光伏组件需要在户外长时间使用,这就要求玻璃表面具有较好的自清洁功能.
1.3背板
背板位于光伏组件的背板,对电池片起到保护和支撑作用.背板通常要具有良好的耐老化和电绝缘,高性能背板还具有对光线反射来提高组件效率性能.目前市场所用背板材料分为含氟背板与不含氟背板两大类.含氟背板具有较好的耐候性、耐热性和耐腐蚀性,但是含氟背板材料通常价格较高.目前使用较广泛的TPT背板材料就是含氟背板的典型代表.
1.4封装胶
封装胶是将太阳能电池、铜锡焊带、玻璃、背板等不同材料粘结在一起,这就需要封装胶具有较高的粘结强度,同时还要具有较好的透光率、电绝缘等性能.考虑到光伏组件的外部使用环境,封装胶还要具有良好的抗紫外老化、耐温性、低吸水性等特性.
目前常用的光伏组件封装胶材料主要包括环氧树脂、有机硅树脂、PVB胶膜和EVA胶膜.
环氧树脂是典型的热固型粘合剂,其具有较高的导热绝缘性能和较好的粘结效果.但是由于环氧树脂固化后的交联密度高、脆性大,导致光伏组件不耐冲击.同时环氧树脂的耐老化性能较差,使用一段时间后易出现黄变影响入射光强度.目前只有少数小功率光伏组件采用环氧树脂进行封装.
有机硅具有较好的耐老化、耐温性、电绝缘性等方面特性,同时对无机玻璃和有机背板具有较强的粘结效果.其所封装组件较少出现黄变、开裂等现象.但由于有机硅生产成本较高且光伏组件封装难度大,所有有机硅并没有在组件封装中大规模应用.
聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB)膜是一种热塑性树脂,具有光透过率高、耐老化、粘结强等优点,但是由于其价格高昂,目前仅在对封装要求较高的BIPV双玻光伏组件上使用.
目前光伏组件封装胶绝大多数采用乙烯-醋酸乙烯酯聚合物(EVA)膜.其主要通过交联反应,形成一种三维网状结构,对太阳电池起到很好的密封作用.EVA具有良好的透光性、粘结性、耐候性、绝缘性等性能,且操作方便、价格便宜等优点.但是作为高分子材料在使用过程中通常都会出现老化,特别是在紫外环境下易出现变色、起皱、脱层等失效现象.
2 EVA失效
光伏组件
EVA是如何失效的呢?
经研究发现如果光伏组件内存在少量氧气时,在强紫外光照射下EVA胶膜会发生分解,产生乙酸和烯烃,即脱乙酰反应.紫外光照越强,环境温度越高,EVA分解越快.同时乙酸量也会加速EVA进一步老化,导致粘接强度下降,光伏组件会发生脱层现象.乙酰反应产生的乙酸会腐蚀光伏组件的焊带、电极和背板,严重影响光伏组件的性能和使用寿命.
如何提高EVA抗老化性能?
为了提高封装胶膜的抗老化性能,需要在EVA胶膜生产过程中添加交联剂、耐老化剂和偶联剂等各种不同的添加剂.交联剂能促使封装胶膜形成耐热性强、热收缩小的三维网络结构,一般选用过氧化物热引发做为交联剂,如过氧化异丙苯(DCP).添加耐老化剂可以减少紫外线对EVA胶膜的伤害,增加聚合物的化学稳定性和环境适应性.由于EVA胶膜是较弱极性结构,通过添加偶联剂可以增强封装胶膜对玻璃和背板的粘接强度,一般选用硅烷偶联剂.除EVA胶膜材料本身缺点外,光伏组件层压工艺和材料选择也会引起组件失效.研究发现有些光伏组件发黄、脱层、电极腐蚀等异常现象从组件边缘开始,这些往往与密封硅胶的选择不当相关.组件层压温度的选择同样非常重要,温度过高会引起EVA黄变,温度过低则交联度没有到.