光伏太阳能系统因其对环境的低影响而成为有前途的系统之一。尽管长期以来光伏太阳能系统在现场条件下非常可靠,退化率和故障率较低,但仍然容易受到腐蚀和分层等故障的影响。在常见的可靠性问题中,光伏组件的电势诱导衰减效应(PID)会导致现场条件下光伏组件发生灾难性故障。PID效应被定义为太阳能电池和光伏模块框架之间施加高电压而引起的功率退化。

太阳能封装材料(EVA)常见的封装胶有环氧树脂胶、有机硅胶、紫外线光固化胶以及丙烯酸树脂胶等。封装膜有EVA、聚乙烯醇缩丁酸、聚氨酯薄膜及其它封装膜。

聚乙烯醇缩丁酸封装膜各类封装材料因其材料、性能、成本等的不同有各自的应用领域。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是光伏组件的代密封剂,具有优异的热稳定性和紫外线稳定性。由于生产成本高,PDMS已被更便宜的封装材料取代,例如EVA、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、热塑性聚烯烃(TPO)、热塑性聚氨酯(TPU)、甲基丙烯酸等。EVA封装胶膜lPID效应与EVA封装胶膜的关系组件封装常用封装材料中,EVA在高热高湿条件下的性能衰减较显著,PVB、TPO略好。但对光伏组件而言,PVB、TPO价格较高,因此EVA是目前应用广泛的封装材料,约占封装材料市场的80%。

EVA封装材料EVA封装胶膜的稳定性受环境影响较大,特别是紫外线、红外线辐射和湿度。EVA封装胶膜老化引起的失效模式归纳为三种:变色、分层和腐蚀。EVA封装胶膜的老化会由于变色(黄变、褐变)而导致光学解耦,随之而来的是功率损失、附着力下降、分层以及由醋酸产生的金属件腐蚀。EVA封装胶膜老化脱乙酰反应生成醋酸,如下图所示,从而降低了膜的酸碱度并加快了组件表面腐蚀的速度;老化产生的酸根离子引起玻璃层Na+的迁移,进而诱发PID效应。

为阻止EVA封装胶膜的老化,适当添加抗氧化剂、紫外线吸收剂、交联剂等可显著提高EVA封装胶膜的耐久性和耐候性。常用EVA封装胶膜制备配方如下表所示。

但是有研究指出,导致EVA变黄的是部分添加剂而非EVA树脂本身,因此添加剂的配方仍有研究空间和研究价值。在EVA基料中加入其他材料可以阻止EVA封装胶膜老化:如在EVA共混物中加入聚烯烃能减缓EVA的降解和黄变,在保持VA单元分离的同时减少醋酸的生成,并增加对300℃以上温度的耐热性,但这种封装材料抗光老化性能比纯EVA基料差。

强化EVA胶膜但纳米材料的加入会使得封装胶膜的透明度降低,对光伏组件的发电效率有极大影响。除材料改性,有专利中还提到了多层共挤封装胶膜的制备方法。多层共挤封装胶膜性能明显优于单层胶膜。该胶膜由中间芯层(基质为EVA)和上下的皮层构成,通过紫外线辐照,选择性地使芯层发生预交联,皮层不发生预交联,使获得的胶膜柔软、透明、粘接性好、耐蠕变、机械强度更高,在缩短组件层压时间的同时,能够保持胶膜较大的粘接性能,防止气体和水汽进入,提供防腐蚀保护。lEVA封装胶膜降低离子迁移率研究进展高聚物的交联结晶效应使得分子结构间的空间致密化,体积电阻率升高。较高的体积电阻率使得封装胶膜导电性较低,将减少玻璃到电池的Na+迁移,功率衰减较小。为提高封装胶膜的体积电阻率,可以减少助剂尤其是易解离助剂的添入量。对胶膜进行干燥处理如表面镀疏水涂层,提高胶膜的交联度与结晶度。

光伏组件结构专利中提及一种抗PID的多层复合光伏封装胶膜的制备与应用,多层胶膜由多个粘结层(基质为EVA)和阻隔层依次间隔复合而成,通过在阻隔层添加聚乙二醇酯或醚类、多元醇脂肪酸酯等电荷消散剂,吸收并消除电池片表面富集的电荷,使电荷淬灭,增强胶膜的抗PID性能;阻隔层的基体材料具有较高的体积电阻率和较低的水汽透过率,以达到阻水、阻氧的目的。阻止Na+迁移,降低离子迁移率可有效提高封装胶膜抗PID性能。万丰研究中报道:加入氢氧化镁作为酸吸收剂可吸收EVA老化时产生的醋酸根离子,从而阻止玻璃层金属离子的迁移,提高EVA封装胶膜的抗PID性能;加入金属磷酸盐等金属离子捕捉剂和离子交换树脂,离子捕获剂可通过离子交换等方式捕捉胶膜中的碱金属离子以及碱土金属离子等,而活化的离子交换树脂可与外界环境中的金属离子发生离子交换,起到吸附、固定金属离子的作用,有效吸附胶膜中的游离金属离子,减少玻璃层金属离子的迁移,提高封装胶膜抗PID性能;加入主链是碳链、支链含有若干羟基的树脂作抗PID助剂,如乙烯-乙烯醇系共聚物、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯酯-乙烯醇三元共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯-乙烯醇-马来酸乙烯醇单酯。

EVA树脂

这些树脂的结构与EVA树脂的水解结构相似,可以通过减弱水解反应提高EVA封装胶膜的交联密度,阻止EVA封装胶膜表面离子迁移以及玻璃表面离子的聚集,从而阻止组件的PID效应。小结光伏发电具有显著的能源、环保和经济效益,是很好的绿色能源之一。在能源紧张的时代背景下,光伏发电仍有无限发展前景。本文对光伏组件PID效应的产生原因及解决办法进行综述,并针对光伏组件EVA封装胶膜抗PID改性的研究进展进行总结。针对Na+迁移诱发晶硅组件PID效应的机制,EVA封装胶膜抗PID改性主要包含两个层面:阻止EVA老化;降低EVA封装胶膜内部离子迁移率以阻止Na+迁移引发的PID效应。列举了添加材料及改变应用方式的改性方法,以及提高体积电阻率的改性研究及抗PID助剂的应用。通过添加改性助剂制备抗PID的EVA封装胶膜仍具有研究价值和研究前景。