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3A背板失效揭秘 NIST揪出元凶

放大字体  缩小字体 光伏产业网讯 发布日期:2020-03-26  浏览次数:168
核心提示:3A背板失效揭秘 NIST揪出元凶
  2009年,奥地利老牌材料制造商Isovolta向光伏界推出了成本相对低廉且经过第三方权威认证的共挤型3A背板,又称尼龙背板。在当时动辄十几元/瓦的组件价格面前,在氟膜供不应求、背板路线之争尚不明确、辅材差异化策略以及低成本因素等考量下,Isovolta做出的这个全新的结构性变革 - 3A背板,获得了众多组件厂商的青睐,其中不乏Top10一线组件厂商。
  
  然而,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如南非的电站事故,严重影响电站的投资收益。
  
  尽管3A背板留下了一堆烂摊子给了下游组件企业,但在设计之初没有哪家企业会拿自己的产品和品牌声誉开玩笑,十年前Isovolta也必然考虑过这个问题。
  
  那为何3A背板一败涂地,从此退出光伏江湖呢?
  
  美国国家标准与技术研究院经过多年的研究,终于解开了3A背板开裂的秘密。
  
  3A背板本应值得信赖
  
  Isovolta最初推出3A背板时,‘A’选用的是尼龙12,而尼龙12实际上是一款适用户外使用环境、耐候性能非常优异的材料,从材料端分析是不应该出现这些问题的。
  
  而创建于1949年的Isovolta,是电气绝缘材料、复合材料和合成材料的国际领先制造商,具有多年的绝缘材料研发生产经验,也是世界最大、最主要的绝缘材料生产企业之一。
  
  可以想象,即便趋利使然,2009年起Isovolta开始进军光伏背板产业时也应该是信心满满。作为一家老牌材料企业,Isovolta对材料的选择应该不是冒然的,其选用的尼龙材料组合,必然也基于其多年的材料领域应用研发经验,并采用了通行的IEC标准进行测试。
  
  2010年,Isovolta光伏业务部门剥离成立Isovoltaic,并在苏州成立依索(苏州)合成材料有限公司,大力推广3A背板。2010年-2014年,正是中国本土背板企业崛起,传统PVF背板代表企业台虹逐渐衰退之际。凭借低廉的背板价格和材料领域的商誉背书,Isovoltaic一度在海外背板供应商的市场份额中处于领先地位。
  
  成本低廉、材料可靠、信誉背书、欧洲出身……自2011年起,Isovoltaic的背板逐渐开始被组件厂接受,并开始批量应用在光伏电站上。
  
  尽管3A背板在安装一年后开始出现微裂纹,但Isovoltaic认为这在他们的技术可控范围之内:一种新材料在面世的过程中总会出现一些要改进的地方。但从2015年起,户外运行了4-5年的电站背板开始出现大面积的开裂,让Isovoltaic应接不暇。索赔带来的压力已经不会给它更多的反思时间和空间,Isovoltaic最终摊牌宣告破产。
  
  3A背板缘何如此不堪?
  
  有一些研究文献认为,导致开裂问题的原因可能是3A背板中加了玻璃纤维,因为背板开裂的方向和玻璃纤维方向一致,所以有说法认为开裂是由于玻璃纤维刺破背板外层引起的。
  
  也有说法认为,尼龙材料本身耐候条件就不如含氟材料。酰胺类材料吸水性大,影响尺寸稳定性和电性能,必须采用纤维增强来降低树脂吸水率,使其能在高温、高湿下工作。
  
  材料研究者认为,尼龙材料耐光性较差,在长期偏高温环境下会与空气中的氧发生氧化作用,开始时颜色变褐,继而发生开裂。
  
  但对于尼龙材料本身的争论,以及所用的玻璃纤维增强材料的讨论,Isovoltaic作为材料专家已经做过深入的分析和研究,并在各个场合针对业界的质疑用其试验数据来说明尼龙材料用于背板的可靠性。对此,业界似乎也无法反驳。
  
  但无论如何,3A背板终究还是开裂了。Isovoltaic也因此破产,行业也无人再对3A背板感兴趣,自然也就没人知道3A背板到底因何开裂。
  
  凶手已死,受害人不再追究,一桩凶案从此无人提起。
  
  时隔多年,3A背板开裂的元凶,最近被美国国家标准技术研究院NIST的顾晓红女士揭秘。
  
  3A背板,竟然输给猪队友?
  
  与钻石不同,光伏组件背板材料不会永远存在,背板是用作电气绝缘并物理屏蔽太阳能电池板背面的塑料层,也是最外层,紫外线、阵风、大雨、污染等都会让背板的使用寿命逐渐减短。
  
  如果在外部放置足够长的时间,则任何基于塑料的背板材料都会崩塌,不同背板材料的降解速度不一样,有些塑料的降解速度比其他塑料快得多。
  
  而,3A背板的开裂,比组件商承诺的25年来得更是早了很多。
  
  为了弄清聚酰胺降解问题的根源,NIST顾晓红女士和她的团队一直在研究环境因素和太阳能电池板结构之间的相互作用,这些塑料如何被加速降解过程。
  
  研究人员从全球各地(包括美国,中国,泰国和意大利)获取了背板样品,都是来自于使用了3-6年出现明显过早开裂迹象的组件。
  
  通过仔细检查破裂的聚酰胺材料背板,顾晓红和她的同事发现背板中的裂纹通常首先在某些特征附近出现,例如蓝色或黑色发电太阳能电池之间的网格状空间,并最终传播到整个片材。
  
  研究人员拿着老化的背板进行了一系列的化学和机械测试,检查整个背板厚度范围的降解方式和严重程度。结果表明,开裂最严重的区域就是刚度最大的区域。但奇怪的是,最脆的区域在背板的内侧,并非暴露于空气的背板外层。
  
  与暴露的外层相比,封闭的内部质量为何会降解更快?是否因为正面的阳光更强烈,紫外线更多?
  
  但正面透过玻璃、再透过两层封装材料后,紫外线难道比直接暴露在空气中的背面更厉害吗?
  
  很显然,紫外线并非3A背板降解的直接元凶!
  
  顾晓红和她的团队推测,是否是因为封装材料的降解,产生了破坏性的化学物质,这些化学物质朝着背板迁移,加速了背板的衰变?如果是封装材料引起,那为何太阳能电池间隙区域更容易形成裂纹,电池片背后的区域裂纹较少呢?
  
  研究人员认为,如果是正面的封装材料在阳光(包括紫外光)的照射下,更容易产生破坏性的化学物质,那么正面封装材料,包括电池片间隙中的封装材料在阳光照射下产生化学物质,当这些化学物质沿着电池片的间隙向下迁移,就可以解释为什么电池片间隙的背板更容易降解了。
  
  研究人员认为乙酸是导致背板降解的主要嫌疑人,因为它对聚酰胺有害。通常认为,尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好,无毒性,但不可长期与酸碱接触。
  
  而作为封装材料的聚合物EVA(称为乙烯乙酸乙烯酯)在水汽、紫外线、温度的作用下会发生降解,过程中会产生乙酸。
  
  为了检验他们的假设,研究人员将几根聚酰胺试条放入醋酸瓶中,然后在五个月后分析了与放入空气或水中的聚酰胺相比较它们的降解情况。
  
  在显微镜下,暴露于乙酸的塑料条的表面上出现了裂纹,这些裂纹反映了降解的背板裂纹,看上去比在空气或水中的裂纹要严重得多。化学分析表明,在暴露于乙酸的聚酰胺样品其降解产物较高,这进一步证明了酸会加速背板材料的降解。
  
  而EVA通常只有在水汽存在时才会发生水解,产生醋酸,正常的UV老化降解并不会产生酸。那么封装在组件内部的EVA,其接触的水汽是从哪里来的呢?
  
  研究认为,所有背板都有一定的水汽透过率,而3A背板也不例外。尼龙本身的吸水性强,尽管玻璃纤维会降低其吸水性。这些水分接触到EVA后,在电池片间隙的EVA材料由于接受了更强的光照,相比与电池片背面的EVA更容易产生水解。
  
  这也解释了为何裂纹更多地发生在电池片的间隙。
  
  这项研究强调了EVA封装材料和聚酰胺背板之间的相互作用,研究结果已发表在《光伏进展:研究与应用》杂志。
  
  3A咸鱼,翻案还能翻身吗?
  
  不怕神一样的对手,就怕猪一样的队友。3A背板,尼龙材料本身或许没有问题,也没有死在不同背板技术路线对手的市场竞争中,却中毒于同为BOM表中的EVA。
  
  如果弄清了失效的原因,3A背板还有翻身的机会吗?
  
  对此,白色EVA封装材料海优威公司表示,现在的EVA和2013年前的EVA又有了很大的不同,以前的基本上是UV截止型,而之后包括现在用的基本都是UV透过型。尽管EVA的抗水解能力大大增强,但对于3A背板谁都不敢保证。
  
  那么如果不用EVA,而是采用POE封装材料呢?
  
  理论上来说,POE封装材料不会发生水解,也不会产生让3A背板中毒的乙酸。但POE用作组件封装材料,主要是为了改善抗PID性能,并更多地针对双玻组件而开发,因而业内在2016年之后开始逐步接受POE。
  
  而Isovoltaic恰好就在2016年,与POE这位神队友擦肩而过。
  
  但一位组件技术专家称,就算是POE也救不了3A。一方面是因为如果不是双玻的需要,POE的成本远高于EVA,根本无法在背板组件的BOM中与EVA抗衡;另一方面经过多年降本,现在的含氟材料背板成本已经非常低,几乎不会给3A背板留下竞争空间。就算是3A背板的成本还有一点空间,经历了大面积开裂后,谁还敢放着好好的含氟材料不用,去尝试一款爆雷呢?
  
  【结语】
  
  逝者已去,3A背板给行业留下的教训是非常深刻的。尽管如此,背板行业的各种创新尝试仍值得肯定,并不能因为出现了事故和问题,就否定了创新的价值。这么多年来背板降本之快,很大程度上来自材料选型的百花齐放,并且这两年对透明背板的尝试也很有意义。
  
  回头想想,3A背板如果在批量应用前先经过户外实证,大概很多事故也就可以避免了吧?
  
  假设2010年参加实证,2013-2014年曝出问题,于是正好邂逅POE……历史开始重写……
 
关键词: 组件
 
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