太陽能光伏組件用物料匹配性研究

■ 楊松 沈道軍 羅易 周承軍 王仕鵬 黃緯 黃海燕

(1.浙江正泰新能源開發有限公司；2.浙江正泰太陽能科技有限公司)

0 引言

近年來隨著光伏市場的快速發展和現階段光伏組件制造商成本壓力的上升，使人們對光伏組件所用材料的要求更高，材料更新速度加快。考慮到光伏組件應用環境的多變性與客戶對產品質量要求的不斷提高，為確保產品質量，我們通過實驗與電站失效分析相結合的方法對光伏組件用的硅膠(脫肟/脫醇)[1]、EVA、接線盒殼體(PPO/PC)、金屬連接件Cu等材質彼此間的匹配性做相關研究，從而確定其性能。最終希望通過對不同材料間匹配性的研究為光伏組件所用材料的選型提供參考。

1 失效案例介紹

據相關數據統計，太陽能光伏組件在季風氣候東南亞國家電站應用后出現不同形態的失效，具體有：接線盒內匯流條腐蝕、接線盒殼體材質(PPO/PC)腐蝕或龜裂、二極管引腳產生銅綠、EVA發生黃變、組件霉變等[2]。圖1為A公司生產的光伏組件在泰國某電站應用后出現的失效表現形態。

圖1 失效案列

2 實驗方法

針對A公司泰國電站出現的失效形態，我們根據光伏組件的電氣原理，選取B硅膠公司生產的脫肟型與脫醇型2種型號硅膠，將其分別注入5個等容積的玻璃器皿中(注入等量硅膠)。硅膠注入完畢后立即蓋上玻璃器皿瓶蓋(玻璃器皿應預先將底部放置層壓好的EVA小料、粘貼PPO與PC接線盒殼體2種不同材質，且玻璃器皿內表面用水潤濕，器皿蓋子上預先插入連接完成的匯流條及二極管)，將制作完畢的樣品分別使用DC恒流源通入I=9 A的電流、反向施加U=45 V電壓，并分別放置在DH雙85老化測試箱、85 ℃恒溫箱、常溫25 ℃等條件下進行測試[3]。

2.1 實驗計劃

實驗項目、實驗目的、試驗方法及要求的相關信息見表1。

2.2 實驗器材

表1 實驗計劃統計

實驗使用器材有：DC恒流源；萬用表；驗電筆；螺絲刀；匯流條8×0.35 mm；脫肟、脫醇型硅膠；二極管12SQ045；接線盒殼體材質(PPO/PC)；DH老化檢測儀；恒溫箱。

2.3 實驗步驟

1)按實驗設計方案制作實驗樣品；

2)按實驗圖連接電路并營造符合條件的測試環境；

3)打開DC恒流源分別正向通入I=9 A、反向施加U=45 V的電流電壓；

4)DH雙85老化模擬測試1000 h后，跟蹤匯流條及接線盒殼體材質(PPO/PC)、EVA、二極管引腳等材質的變化；

5)常溫測試樣品每天跟蹤匯流條及接線盒殼體材質(PPO/PC)、EVA、二極管引腳等材質的變化，共計監測1000 h；

6)樣品85 ℃恒溫箱測試1000 h后，跟蹤匯流條及接線盒殼體材質(PPO/PC)、EVA、二極管引腳等材質的變化。

3 實驗監控及分析

3.1 DH雙85老化測試(實驗組1)

脫肟型硅膠和脫醇型硅膠相關樣品的DH雙85老化測試結果分別見圖2和圖3。

圖2 脫肟型硅膠樣品的DH雙85老化測試

圖3 脫醇型硅膠樣品的DH雙85老化測試

由圖2、3可知，采用脫肟型硅膠制作的3組(二極管正偏、反偏、無電勢差)實驗樣品，經DH 1000 h測試后接線盒PC材質分別出現了不同程度的腐蝕現象。而PPO材質、匯流條、EVA(圖4)、二極管均未出現失效。此外，經實驗脫醇型硅膠制作的3組(二極管正偏、反偏、無電勢差)實驗樣品，經DH 1000 h后接線盒PC、PPO材質、匯流條、二極管均未出現腐蝕現象。層壓后的EVA與脫醇型硅膠較易發生黃變 (圖 5)。

圖4 脫肟型硅膠測試組

圖5 脫醇型硅膠測試組

3.2 85 ℃恒溫箱測試(實驗組2)

脫肟型硅膠和脫醇型硅膠相關樣品在85 ℃恒溫箱測試的結果如圖6所示。由圖6可知，采用脫醇型硅膠(樣品H)的實驗組件表現出EVA、硅膠嚴重黃變，但PPO、PC材質、匯流條、二極管均未出現不良。而脫肟型硅膠(樣品G)對比組表現出PC材質嚴重腐蝕，而樣品中的PPO材質、匯流條、二極管均未出現不良。

圖6 樣品85 ℃恒溫箱測試

3.3 常溫25 ℃測試(實驗組3)

脫肟型硅膠和脫醇型硅膠相關樣品常溫25 ℃測試的結果如圖7所示。

圖7 樣品常溫25 ℃測試

由圖7可知，采用脫醇型硅膠(樣品J)的實驗組件表現出EVA嚴重黃變現象，PC、PPO材質、匯流條、二極管均未出現不良。而脫肟型硅膠(樣品I)EVA輕微發黃、PC材質無異常；但樣品中的PPO材質輕微腐蝕，匯流條、二極管引腳有銅綠生成。

4 電站實際案例分析

為使實驗結果與電站失效案例有效結合，我們選用失效的光伏接線盒與經DH 1000 h老化后的實驗樣品進行失效模擬對比分析，以便確定材料間在特定環境下的失效方式。殘留物分析結果如圖8所示。

圖8 殘留物分析

接線盒190 ℃高溫烘烤驗證(無硅膠)如圖9所示。

圖9 接線盒190 ℃高溫烘烤驗證(無硅膠)

通過對接線盒190 ℃高溫烘烤實驗、硅膠+材質匹配實驗、電站實際案例3項分析可知，失效接線盒內的黃色物質應為：接線盒材質與脫肟硅膠釋放的肟氣在高溫的條件下發生化學反應后的生成物(產生高溫條件可能性因素有：組件熱斑導致二級管導通、二極管經ESD擊穿后長期呈阻性工作、金屬間產生直流拉弧等)[4]。

5 總結

通過實驗結果與電站應用失效案例分析知：

1)脫肟型硅膠對光伏接線盒PC材質有腐蝕作用(高溫+高濕可加速腐蝕)；

2)脫醇型硅膠與光伏組件用封裝材料EVA會發生黃變反應，促使EVA加速黃變(高溫可加速黃變)；

3)脫醇、脫肟型硅膠對PPO材質均無加速腐蝕作用；

4)脫肟型硅膠與匯流條、二極管引腳在潮濕密閉環境下易產生銅綠。

綜上研究表明，我們應加強對光伏組件所用接線盒體材質、EVA等材料與硅膠間匹配的管控。同時提倡組件制造商在對光伏組件使用脫肟型硅膠粘接接線盒時應做到使硅膠完全固化后方可蓋上盒蓋，可使肟氣得到最大釋放，以減少材質腐蝕的風險。對于盒體材質為PC材料的接線盒應盡可能減少與脫肟型硅膠的匹配使用。

[1] 陳思斌， 王兵， 宋立芝， 等. 太陽光伏組件用有機硅粘接密封膠的分類與選用探討[J].有機硅材料， 2011， 25(6)： 394－396.

[2] BS EN 50548-2011， Junction boxes for photovoltaic modules(太陽能接線盒標準)[S].

[3] GB/T 2424.10-1993， 電工電子產品基本環境試驗規程大氣腐蝕加速試驗的通用導則[S].

[4] 夏志偉， 夢凡國， 朱旭. 脫醇型單組份室溫硫化硅橡膠密封膠粘劑 [J]. 化學建材 ， 1991， (4)： 21 － 23.