无热斑专题(4)：150摄氏度，高效光伏组件的门槛之封装材料

本文作者：黄子健/郑晨焱/龚海丹/邢万荣/武耀忠/彭宇

  编者按  

PERC、黑硅、IBC背接触、HIT，这些词语对于光伏人已经越来越耳熟能详。为了实现平价上网，降低度电成本，一代又一代的光伏人都在致力于电池效率的提升。但随着高效电池逐渐商用，由于电池输出电流的提高而带来的负面影响也逐渐显现。其中比较显著的就是组件发生热斑时，热斑电池温度的大幅提升。不但已经接近甚至超过了硅基材料的PN结温，加速了高分子封装材料的降解和失效，甚至远远超过了各家组件厂提供的85度工作温度范围。为光伏系统25年的安全可靠使用带来了潜在的不确定性。
 
       本站特邀光伏组件技术专家黄子健先生主笔，编写了《无热斑组件》系列技术专题。本篇《150摄氏度，高效光伏组件的门槛之封装材料》，从组件的封装材料如EVA、POE，包括背板材料的特性、耐久性、耐候性等诸多方面，全面阐述高效组件中封装材料的选择对传统组件结构和性能设计的挑战，以此警示业界追求高效率创新的同时，应综合考虑、提前预判各种可能的失效因素，尽最大可能消除创新产品的应用障碍。

  前言  

TUV 南德中华区光伏产品部总监许海亮指出：“随着电池效率的不断提升，组件的输出功率越来越高，对高效组件热斑保护也越来越受到关注。组件安装后很多情况下热斑是不可控的，对于高效组件来说热斑导致的组件温度会更高，更高的工作温度将挑战传统的组件材料、结构设计、测试序列，因此对于高效组件的热斑保护就格外重要。

目前绝大多数光伏组件承诺的使用寿命长达25年。为了确保组件的长期使用寿命，其相关的封装材料也需要相对应的长期可靠性来保障。虽然材料的温度测试结果会用来比对其产品规格值。 但，目前标准中却没有规定在更高温度下，特别是在热斑情况下材料可靠性的测试。所以不能简单用材料是否通过了认证来判断材料的25年可靠性。

  高温对背板材料的影响  

热斑测试标准中，目前虽然没有规定热斑电池的温度判定标准(当初在125 电池片时代，不到100度的热斑温度确实没有必要加入到判定标准中)。但，随着电池短路电流的提高，发生热斑时，不论电池片的高温，还是接线盒中二极管的高温，都会越来越靠近或超过硅基器件150摄氏度的材料结温。同时，这样的高温对低熔化温度背板的起火和只有105℃~ 120℃ RTI的背板机械强度的不可逆失效也是非常大的诱因。

其中背板作为光伏组件背面的第一道防线，其作用是不容忽视的。在户外应用环境下可以保护太阳电池不受水汽侵蚀，阻隔氧气进而防止组件内部氧化，并提供可靠的绝缘性能、耐老化性能、耐腐蚀性能等，从而确保组件长达25的长期使用寿命。

然而在实际应用过程中，背板不可避免的在各种环境和温度的作用下，逐步发生物理化学性质的变化，使性能下降，从而达不到25年的使用寿命。由于组件在实际应用过程会发热，因此温度对于光伏背板的性能衰减至关重要。我们通常用拉伸强度、介电强度等的变化来评估高分子材料的热老化衰减程度，当拉伸强度和介电强度的下降超过50%时，我们可以认为该高分子材料已经失效。一旦失效，背板容易开裂、鼓包、分层，进而影响其绝缘性能、耐老化性能等。

我们可以将温度分为长期使用温度和短期使用温度。下表是几款主要氟膜和PET材料的短期和长期使用温度。

一般情况下，长期使用温度越高，高分子材料热老化衰减越迅速。如下图所示，某聚烯烃类背板在不同温度下（140℃、150℃、160℃）的热老化衰减情况。

可以看出温度越高，背板的使用寿命越短。如果长期使用温度保持在140℃时，该背板的使用寿命可以达5500小时以上；温度提升至150℃时，该背板的使用寿命急剧下降到只有2500小时；而当温度进一步升高至160℃时，该背板的使用寿命将降低到仅有600小时左右。显然，这个使用寿命周期和25年的期望值有相当大的差距。

我们通常用RTI（相对热指数，即表示该材料在此温度下使用10万小时性能下降50%）值来考察背板长期热老化性能。由于常用的背板是3层复合结构，每层材料的性能均有差异，以PET为核心层的背板，RTI值一般在105℃~120℃左右，即长期在该温度下工作，背板才能提供长期可靠性。

对于短期温度而言，局部的高温一旦达到背板材料的熔点也容易材料的熔融变形甚至碳化的现象。另外，出于成本的考虑，越来越多的厂家将背板的内层粘接材料由原来的改性氟材料改成EVA、PE、PO等，通常这些材料都是热塑性材料，其软化温度在130~140℃之间。一旦组件的工作温度达到其软化温度，容易导致鼓包、分层等现象的产生。

  高温对EVA材料的影响  

由于EVA（乙烯醋酸乙烯酯的共聚物）具有良好的透光性、弹性、粘接性、层压时间短、价格低廉等优点，是目前组件用的主要封装材料。EVA在固化过程中会发生交联反应，形成三维网状结构，但是由于自身化学结构的不稳定性，在紫外、高温的环境下容易发生降解。EVA中存在活性较大的叔碳氢键，很容易在氧气作用下，产生初始自由基，并在温度的作用下发生自由基降解，导致交联网状结构的破坏，并形成较多的低分子量的链，使得分子量下降，分子量分布也明显变宽，最终导致EVA胶膜发粘、失去弹性，抗张强度明显下降。温度越高，这种降解反应速度也越快。

在太阳电池组件的使用过程中，氧气、水汽等不可避免的透过组件的背板进入到组件内部，因此EVA不可避免的发生降解，温度越高，这种降解速度越快，进而导致EVA在高温环境的使用过程中出现黄变、脱层、气泡、腐蚀金属电极的现象，从而严重影响太阳电池组件的性能和长期使用寿命。

综上所述，温度对于组件封装材料的使用寿命是至关重要的。过高的温度，不仅会导致组件出现外观的缺陷，也会明显降低背板和EVA的使用寿命。 相反，降低组件的使用温度可以有效的提高组件的长期使用寿命。

由于目前测试标准中没有规定相关测试，问题的严重性还没有得到普遍的认识。

  结语  

至此，无热斑组件专题已经连续发布四篇专题文章，从结构、电池、接线盒、材料各方面详述了高效电池预防热斑效应的原理。

遥想光伏当年，125 单晶初嫁并大行其道时，其热斑电池的最高温度只有100摄氏度左右，和105度的RTI背板，以及组件+85度的工作温度是多么协调完美。如今，高效电池来了，高温也同时来了（半导体功率器件的天敌）。如何解决这个问题，无疑，将是高效组件必须面对并要解决的问题。

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