材料失效分析之背板开裂

一、引言

提到光伏产品，相信已家喻户晓。从地面光伏电站，到房屋建筑一体化BIPV、太阳能发电高速公路，节能汽车等方面都有光伏产品的影子，相信在不久的将来光伏的应用会更加广泛。

光伏组件作为太阳能发电系统中的核心部件，其使用寿命与层压工艺有一定关系，但更取决于其所使用的原材料自身的性能，其中最关键的就是光伏背板。光伏背板作为组件的最外层，与外界环境直接接触，经受户外风吹雨打、暴晒、腐蚀和污染；还与内部的封装材料相接触，起到对外防止漏电，对内阻挡水汽的作用。

光伏背板由高分子材料组成，有一些光伏背板在使用一段时间后，会提前暴露出明显的质量问题，甚至会导致组件失效。当前光伏背板暴露出来的其中一个严重问题就是背板开裂。研究发现，背板开裂问题主要集中在3A背板中。使用了3A背板的光伏电站在安装一年后背板表面已经出现大量微裂纹，投运四年后背板开裂比例已经超过40%。2016年前后，全球有数GW级的光伏电站受影响，包括国内的西部电站和海外电站，严重影响电站的投资收益。(☞☞3A背板失效揭秘，NIST揪出元凶)

图1 户外使用的组件背板失效案例（图片来源PV-Mcn）

二、背板开裂问题分析

针对背板开裂问题，研究人员从全球各地抽取了使用3-6年就出现背板开裂的组件，并经过了一系列化学和机械测试。结果表明，最脆弱的区域发生在背板的内侧，而非暴露在空气中的外层。另外发现裂纹大多发生在电池片的间隙之间。

光伏组件在使用过程中，封装材料EVA（乙烯乙酸乙烯酯）在水汽（光伏背板均有一定的透水率）和阳光（包括紫外光）的作用下，在一定的温度下会发生水解反应，产生乙酸，背板材料接触乙酸会导致降解，进而出现了开裂。在电池背面的EVA封装材料由于受光较弱，相对于电池间隙的EVA水解较少。简言之，背板开裂的主要原因是EVA水解产生乙酸导致，电池片间隙的裂纹较多也是因为间隙的EVA受光照较强所致。

图2 EVA水解及乙酸迁移示意图

三、测试条件的改进

从上述的分析结果看出，EVA水解需要具备的条件是：光照、水汽和温度，三者缺一不可。而当前针对光伏产品最常用的检测标准IEC61215和IEC61730中，只有单独的紫外UV老化系列试验和单独的高温高湿DH系列试验，即因此常规的紫外UV老化试验和高温高湿DH试验是无法模拟EVA水解反应对组件整体寿命的影响。UV+DH复合式老化环境箱能够有效的验证零部件材料（包括背板）在复杂的试验环境下抗各种老化性能的能力。

UV+DH复合式老化环境箱是将两个独立的老化试验（UV+DH）进行合并，实现两个试验项目（UV+DH）同时运行，即在高温高湿环境下进行紫外老化的测试，可广泛用于光伏连接器、光伏背板、光伏组件（小尺寸）的耐候性测试。

图3 UV+DH复合式老化环境箱操作界面

四、如何进行DH+UV复合式老化测试

华阳检测根据零部件材料的测试标准和测试经验，推荐进行复合式老化试验的测试参数如下表：

通过上述的试验可以在短时间内评价零部件材料的质量，是一个快速高效的筛选方法。华阳检测正在用DH+UV复合式老化箱为客户进行连接器材料的紫外高温高湿试验，如下图所示（设置参数：温度为85℃，湿度为85%RH，辐照量为120kWh/m²，测试时间为1000h）。

图4 正在进行UV+DH复合试验的连接器图示

目前为止，越来越多的材料厂商开始重视并开展复合式试验项目的检测工作，相信在不久的将来，复合式老化检测将会纳入到常规的检测项目中。

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来源：华阳检测；略有修改

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