10001183_光伏组件封装材料耐温性研究

光伏组件封装材料耐温性研究 孙影 谭小春 朱琛 吕俊 ※ 泰州隆基乐叶光伏科技有限公司 邮箱：lvjun@longi-silicon.com 研究方向：高效光伏器件材料 摘要 一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳 电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应，在组件众多失 效模式下，热斑失效占据组件失效 25%。 [1] 热斑会造成焊点融化，破坏封装材料，甚至会使整个方阵失效，以下为热斑情况下，封装 材料的失效案例。 热斑失效案例 随着电池效率的提升，其对应组件热斑温度也不断升高，对组件的高温使用性能提出了更 高的要求，尤其对封装材料的耐温性要求也更加严苛，随着分布式电站的增加，尤其是屋顶安 装环境/沙漠环境的高热环境下，热斑温度会进一步升高，而封装材料的耐温性直接影响组件的 热斑稳定性，所以我们需要对现有封装材料进行耐温性分析验证，评估不同封装材料的高温使 用性能，本实验的主要方案是通过对不同结构的背板以及不同封装材料的胶膜进行耐温性实验， 对比不同材料的耐温性差异，验证高温下不同类型背板及胶膜的兼容性。 关键词：热斑 背板 EVA PO 实验内容 本实验，对多款不同结构背板产品与不同种类胶膜（不同熔融指数的 PO 及 EVA）进行高 温烘烤实验，验证材料的耐温性及高温下互搭的兼容性。 通过对现有背板产品结构的分析，对 H1 膜、H2 膜、H3 膜、 H4 膜 等耐温性的理论分析 调研，可知： （1）H3 膜各家所采用的树脂原材料广泛配方不一致，耐温性表现参差不齐，如下图，低 熔指 A 和 B， A 为两种熔点树脂共混材料， 两种树脂的熔点分别为 110 和 168℃，B 为三种 树脂共混材料，三种树脂的熔点分别为 110 和 123℃和 165℃。 （2）H1 膜为单氟树脂，熔点在 190℃，H2 膜为双氟树脂与聚酯树脂的共混，熔点在 170℃左右 （3）H4 为三维交联网状结构，相对于其他材料，耐温性较高，热降解温度在 300℃以上 （4）EVA 290℃开始脱醋酸反应，370℃开始碳碳键热分解，POE 无羧酸基团，在 370℃ 开始碳碳键热分解。 A B H1 H2 H4 EVA 胶膜 从理论测试看，耐温性：H4 膜、PO、EVA 耐温性最好、H1 膜及 H2 膜居中、H3 膜最弱。 实验方案： （1）背板高温试验：经过 160℃、170℃、180℃、190℃、200℃高温空烤 5h 以后的黄变、外 观、及力学性能。 （2）胶膜高温试验：层压成双玻后，经过 160℃、170℃、180℃、190℃、200℃高温空烤 5h 以后的黄变及蠕变 （3）不同熔融指数的胶膜与不同结构背板兼容性实验：层压成单玻后，经过 160℃、170℃、 180℃、190℃、200℃高温空烤 5h 后的黄变及外观。 本实验所选材料如下： 外膜 PVF PVDF2 内膜 H1 H2-1 H4 H3-1 H2-2 H3-2背板 厂家 A B C D E F H（低熔指）PO I（高熔指） J胶膜 EVA K 实验条件：160℃ 5h/170℃ 5h/180℃ 5h/190℃ 5h/200℃ 5h 实验层压工艺采用现有比较成熟的参数（145℃，20min） ，交联度测试采用二甲苯萃取测 试方法，胶膜交联度测试结果如下： 91.55% 89.70% 88.49% 82.80% K J I H 82.00% 84.00% 86.00% 88.00% 90.00% 92.00% 交 联 度 结果与讨论 （1）背板高温烘烤实验：经过 160℃、170℃、180℃、190℃、200℃高温空烤 5h 后， A、B、C 、E 外观良好，D 在 190℃出现外观发粘的现象，F 在 180℃整个内层高温挥发消失。 0 10 20 30 初 始 160℃烘 烤 170℃烘 烤 180℃烘 烤 190℃烘 烤 200℃烘 烤 A 1.5 0.9 0.9 1.3 1.6 5.9 B 2 1.1 1.1 1.2 1.4 1.6 C 0.4 2.1 2.5 4.5 5.4 10.7 D 2.6 0.5 0.6 1.9 3.2 7.2 E 2.4 1.3 1.4 1.5 1.9 2 F 2.8 0.9 1.1 2.3 4 22 黄 变 实 验 黄 变 随着烘烤温度的增加，所有背板内层黄变增加，200℃烘烤后 A/C/D/F 有明显的黄变。 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 170℃ 161.3150.3151.1168.5 154 127 151.3151.9 161 131.9176.8150.5 180℃ 178.4125.1136.8169.9136.9135.6136.6 111 147.5135.7164.7 147 190℃ 190.2152.4168.4146.2139.3 131 146.4120.9149.3140.7154.2146.3 200℃ 138 113.2134.1108.4 91 89.7 82.9 118.1123.4122.5112.4118.8 力 学 实 验 拉 伸 强 度 （MPa ） 0 50 100 150 200 250 300 350 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 横 向TD 纵 向MD 170℃ 129.1203.2 228 176.3 173 144 162.1298.9203.7148.4221.9 212 180℃ 233.4206.5193.9183.2143.9 223 162.9215.5 195 251 221.5266.4 190℃ 224.2292.2184.7218.3161.7206.9182.1249.3206.7243.5204.4245.3 200℃ 174.6308.1142.4 192 105.2104.8264.4189.9 168 266 177.7137.7 力 学 实 验 断 裂 伸 长 率 （% ） 高温烘烤后，所有背板力学性能保持率良好，下降不明显。 （2）胶膜高温烘烤实验 随着烘烤温度的升高，胶膜黄度值略有增加，但黄变变化不明显。 胶膜 厂家 初始YI 值 160℃ 烘烤后 △YI 170℃ 烘烤后 △YI 180℃ 烘烤后 △YI 190℃ 烘烤后 △YI 200℃ 烘烤后 △YI H 5.0 0.3 0.3 0.6 0.6 0.6POE I 5.9 1.3 1.3 1.9 2.2 2.5 J 4.2 0.1 0.3 0.4 0.4 0.9EVA K 4.0 0.1 0.3 0.4 0.6 1.3 高温蠕变： 将胶膜用标记笔做好横线标记，层压后，在玻璃处沿胶膜标记画好重叠线，将做好标记的 样品放入烘箱内竖着放置。 H、I、G 、K 四款胶膜经过 145℃，20min 层压后，所达到的交联度情况下经过高温烘烤未 产生蠕变，说明胶膜充分交联后，经高温烘烤后无失效风险。 （3）背板与胶膜高温兼容性实验 鼓包 □花斑 △收缩 背板 160℃ 170℃ 180℃ 190℃ 200℃ A △ B □ △ C △ D △ E □ △ H(熔融指数 8) F □ △ A △ B □ △ C △ D △ E □ △ POE I（熔融指数 12） F □ △ A △ B □ □ △ C △ D △ E □ □ △ G（熔融指数 25） F □ □ □ □ △ A △ B □ □ △ C △ D △ E □ □ △ EVA K（熔融指数 25） F □ □ □ □ △ 胶膜 厂家 160℃ 170℃ 180℃ 190℃ 200℃ H(熔指 8) OK F 鼓包 F、B、E鼓包 F、B、E鼓包+花斑 整体收缩 POE I（熔指 12） OK OK OK F、B、E鼓包+花斑 整体收缩 G（熔指 25） F 鼓包+花 斑 F 鼓包+ 花斑 F、B、E鼓包+ 花斑 F、B、E鼓包+花斑 整体收缩 EVA K（熔指 25） F 鼓包+花 斑 F 鼓包+ 花斑 F、B、E鼓包+ 花斑 F、B、E鼓包+花斑 整体收缩 层压件经高温烘烤后，F/B/E 出现花斑现象，主要有两方面原因导致：（1）高温时 H2 膜 及 O 熔融，（2）层压件冷却时胶膜热收缩系数与 H2 膜热收缩系数不一致，导致 H2 膜冷却过 程中无法恢复到原貌 2 花斑 花斑 2 花斑 3 F 背板 160℃开始出现鼓包，B/E 背板 180℃开始鼓包，H2 膜裸片测试结果表现良好，但 是与 PO 及 EVA 的高温兼容性较差，与 PO 相比，与 EVA 的兼容性更差，与 I 的兼容性优于 H，两种 PO 的主要区别为熔融指数差距较大，说明 H2 膜与高熔指胶膜 I 兼容性更好。200℃ 时所有背板均会出现热收缩，出现缩边现象，产生外观不良。 鼓包 1 鼓包 2 缩边 结论 （1）背板失效风险：背板裸片高温烘烤过程中，H1 膜 H2 膜及 H4 膜外观表现良好，H3 膜结 构材料存在高温失效风险。 （2）胶膜失效风险：EVA 及 PO 在整个高温烘烤过程中表现良好，结合胶膜的理论测试结构， 当胶膜的交联度满足标准时，失效风险很低。 （3）背板与胶膜兼容性失效风险：H2 裸片测试结果表现良好，但存在与胶膜高温兼容失效风 险，与 PO 的兼容性优于 EVA，与高熔指 PO 兼容性优于低熔指 PO。 参考文献： [1] Shifeng Deng,Zhen Zhang. Research on hot spot risk for high-efficiency solar module. [J].energy proceda.2017,130:77-86.