光伏組件背板的濕熱老化行為研究

中國電器科學(xué)研究院有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室 ■ 張曉東 劉鑫 馮江濤 馮皓

一 引言

世界性的能源緊缺和全球性的環(huán)境及應(yīng)對氣候變化問題，促使各國政府不得不改變過去依靠高資源消耗的發(fā)展模式，大力開展節(jié)能減排工作和新能源的開發(fā)利用，走可持續(xù)發(fā)展的道路。光伏發(fā)電是當(dāng)前世界開發(fā)利用新能源與可再生能源的主要形式之一[1,2]。在我國，光伏發(fā)電具有廣闊前景，相應(yīng)的技術(shù)日新月異，成本不斷下降，已開始進(jìn)入規(guī)模化市場應(yīng)用的階段。考慮到光伏組件的使用環(huán)境是在日曬雨淋的戶外，生產(chǎn)商承諾的使用保質(zhì)期長達(dá)20年甚至30年之久，因此光伏組件的環(huán)境適應(yīng)性和組件所采用的關(guān)鍵材料，如前蓋板玻璃、背板、封裝膠膜等的環(huán)境適應(yīng)性，越來越受到廠家的重視。此外，組件所處的環(huán)境條件千差萬別，如何針對不同使用環(huán)境進(jìn)行針對性的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計，節(jié)約組件的制造成本也是廠家非常關(guān)心的問題之一。

本文將對某國產(chǎn)光伏電池廠商所采用的背板材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并研究其耐濕熱老化行為，探索發(fā)展快速評價背板材料的耐老化性能和選材技術(shù)。

二 實驗

1主要設(shè)備儀器

實驗使用的主要設(shè)備儀器有：濕熱老化實驗箱、傅里葉變換衰減全反射紅外光譜儀、掃描電鏡、能譜分析儀、臺式色差計。

2試樣的制備

將市售背板材料裁剪成5cm×7cm的小方片。

3濕熱老化實驗

依據(jù)IEC 61215[3]中10.13的要求，開展溫度為85±2℃、相對濕度85%±5%的濕熱老化實驗。總實驗時間為2500h。

4測試與表征

(1) 背板顏色的測量

依據(jù)GB/T 15596－2009[4]的規(guī)定，用色差的改變表征背板試驗前后顏色的變化，在濕熱試驗中定期取樣，測量并計算背板材料的色差值，結(jié)果取3次測量的算術(shù)平均值。

(2) 表面形貌觀察

采用德國CARL ZEISS EVO-18型掃描電子顯微鏡對背板截面和上、下表面進(jìn)行觀察。圖像模式為SEM，束流(Emission)70nA，工作距(WD) 20mm/30mm。加速電壓和放大倍率根據(jù)圖像效果確定。

(3) 傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(ATRFTIR)分析

采用Thermo Nicolet公司生產(chǎn)的NEXUS 870型ATR-FTIR紅外光譜儀對背板材料的成分進(jìn)行表征，分辨率為4cm?1，掃描范圍600～4000cm?1，掃描次數(shù)為32。

三 分析與討論

1背板的結(jié)構(gòu)及材料成分分析

肉眼可直接觀察到原始背板的兩個表面為一個光面、一個糙面。對原始背板的截面采用SEM技術(shù)進(jìn)行觀察，可看出背板為三層結(jié)構(gòu)，并且在粘合的過程中，施膠不均勻，部分地方未完全粘合(圖1)。

圖1 背板原始截面的SEM照片

利用ATR-FTIR技術(shù)分別對原始背板的糙面和光面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7中1033cm?1、1092cm?1為—CHF的伸縮振動峰，1409cm?1為與—CHF相連的—CH2基團(tuán)的變形振動吸收峰，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫進(jìn)行對比，可以確定該物質(zhì)為聚氟乙烯(PVF)。圖8中2919cm?1、2852cm?1為—CH2的伸縮振動峰，1740cm?1、1380cm?1、1242cm?1為醋酸酯的特征吸收峰，根據(jù)這些特征譜帶及與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫進(jìn)行對照，可知其為乙烯－醋酸乙烯酯的共聚物(EVA)。由于中間層物質(zhì)不易分離，暫時無法對其成分進(jìn)行分析。根據(jù)背板選材的一般規(guī)律，其成分應(yīng)為常用的PET薄膜。因此，初步判定該背板為常見的TPE型背板。

2濕熱老化前后背板顏色變化

高分子材料在老化過程中通常會伴隨著顏色的改變，色差的變化可在一定程度上反映材料的老化狀況。圖2顯示了背板兩個表面不同濕熱老化時期的顏色變化情況。EVA面的色差隨老化時間的增加而增加，PVF面的色差先增大，1000h后開始減小并最終趨于平穩(wěn)。

圖2 樣品顏色在濕熱老化過程中的變化

3濕熱老化前后背板截面形貌的變化

圖3為濕熱老化2500h后的背板邊緣截面形貌圖。對比圖1和圖3老化前后的截面形貌圖，可以看出背板經(jīng)過濕熱老化后有明顯的分層現(xiàn)象。這可能是背板所用粘結(jié)劑不耐濕熱老化的結(jié)果。

圖3 濕熱老化2500h后的背板截面SEM圖

4濕熱老化前后背板表面形貌的變化

圖4～圖6分別為背板PVF表面一側(cè)原始、濕熱老化1000h及2500h的表面形貌圖。從圖中可以看到濕熱老化1000h后PVF表面極不平整，且布滿了顆粒。對該顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明為TiO2。高熱高濕的環(huán)境應(yīng)力促使TiO2遷移析出。結(jié)合圖2中PVF表面色差的變化以及圖7中老化前后PVF分子結(jié)構(gòu)的變化，可以推斷PVF面顏色變化主要是由TiO2遷移析出引起的。實驗后期TiO2完全析出后，表面平整度增加，色差值也恢復(fù)到較小的數(shù)值。對EVA一側(cè)的表面進(jìn)行同樣的觀察，則未觀察到明顯的變化。

圖4 氟膜PVF表面的原始形貌圖

圖5 氟膜PVF濕熱老化1000h后的形貌圖

圖6 氟膜PVF濕熱老化2500h后的形貌圖

5濕熱老化前后背板材料分子結(jié)構(gòu)的變化

圖7、圖8分別為不同老化階段的PVF及EVA面的紅外圖譜。由圖7可以看出，在整個實驗過程中，PVF的分子結(jié)構(gòu)幾乎無明顯變化。但在圖8中可以明顯觀察到，經(jīng)過2500h的濕熱老化實驗后，1737cm?1處的羰基峰有分裂現(xiàn)象，在1726cm?1處出現(xiàn)了新的吸收峰，與1552cm?1處新出現(xiàn)的吸收峰共同指示羧酸類物質(zhì)的生成。

圖7 PVF不同老化階段的ATR-FTIR圖譜

圖8 EVA不同老化階段的ATR-FTIR圖譜

四 結(jié)論

根據(jù)前面的實驗結(jié)果及其分析，可以得出：

(1) 該背板為三層結(jié)構(gòu)，上下層分別為PVF和EVA，經(jīng)過2500h的濕熱試驗后，界面出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象；

(2) 背板PVF面顏色變化主要由TiO2析出引起的，分子結(jié)構(gòu)本身變化較小；EVA面顏色變化是由于在老化過程中分子鏈段發(fā)生變化，并伴有羧酸類物質(zhì)生成。

[1] Kuan H C, Ma C C, Chang W P, et a1. Synthesis, thermal, mechanical and rheological properties of multiwall carbon nanotube/ waterborne polyurethane nanocomposite[J]. Composites Science and Technology, 2005, 65(11-12):1703－1710.

[2] 趙玉文. 中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展和金融危機(jī)[R]. 蘇州: 吳中光伏論壇, 2009.

[3] IEC 61215-2005, Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) modules -Design qualification and type approval[S].

[4] GB/T 15596－2009, 塑料在玻璃下日光、自然氣候或?qū)嶒炇夜庠幢┞逗箢伾托阅茏兓臏y定[S].