光伏组件的长期稳定性是光伏系统在服役期能源源不断输出电能的关键。光伏组件中聚合物封装材料的化学稳定性是决定光伏组件耐久性的一个重要因素。

封装材料的主要功能是保证高的光透过率、良好的粘结强度、好的电气绝缘性。

在光伏组件的整个使用周期内,封装材料必须经受住一系列的气候变化,即能够承受高温、紫外辐照等。 

光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化

EVA材料老化对光伏组件性能有哪些影响呢?

1.褪色

光伏组件在运行过程中EVA长期暴露在户外环境中会发生“黄变”和“褐变”。

光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化

色使EVA的透光率下降,使光伏电池的光电流下降,最终导致光伏组件的功率损失。造成这种现象的主要原因是随着温度升高EVA封装材料在紫外光和渗入水的共同作用下化学组成发生了变化,生成了不饱和多烯烃生色团,随着不饱和多烯烃化合物的积累,EVA的颜色会逐渐加深,从浅黄到深棕。

EVA封装材料的降解会产生不饱和羰基化合物,影响EVA的光透过率,降低组件的效率。发色团的产生增加了不透明指数,部分阻挡了透射到光伏组件上的太阳光,可通过吸光度值给出EVA的变色程度。

2.分层

EVA降解导致粘附力下降,发生分层,从而使盖面玻璃与太阳电池之间和(或)太阳电池与背板材料之间失去粘附力。

光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化

光伏组件的分层造成光反射增加、渗水率增加、输出功率损失以及对整个系统造成危害。

导致分层的因素有很多,除了工艺因素,EVA在使用过程中的老化是主要原因,EVA老化使界面键发生破坏,导致EVA与其他层之间形成空隙,这个过程光、热、氧、水等因素起着重要作用,一般湿热气候会加速分层。

3.起泡

起泡是一个类似于分层的过程,它是由于EVA缺乏附着力造成的,影响面积较小。气泡的产生是由于化学反应释放出气体,这些气体通常出现在模块的后部并聚集在封装体中,但偶尔也会出现在玻璃和电池之间的前部。

光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化

气泡经常出现在电池的中心,这是由于电池内温度高,EVA附着力不同造成的。气泡抑制了电池的散热,增加了过热,降低了组件的使用寿命,减少了光伏模块对太阳光的吸收,增加了太阳光的反射。

EVA材料如何抗老化?

1.添加无机颗粒抗老化

添加无机颗粒是提升EVA耐老化性能的方式之一。将酸功能化石墨烯纳米片引入到EVA中做增强体,制得的EVA/GNP 复合薄膜封装染料敏化电池,可以延长设备使用寿命。

将稀土Y2SiO5:Ce3+、Yb3+加入到 EVA 中,可以在不影响透光率和电绝缘性的前提下改善EVA 的导热性和粘结性,使氧气和水分无法进入,从而提高封装材料的热稳定性。

利用氧化石墨烯制备EVA/GO纳米复合膜,这种膜具有很好的防水结构,并且对氧不具有渗透性,因此抗老化性能得到提高,氧化石墨烯的极性基团和醋酸乙烯酯基团相互作用,提高了界面粘结性。

另外,在EVA封装材料中添加BN、SiC、ZnO等高导热无机颗粒可以防止光伏组件局部的热聚集,从而提高组件的热稳定性。

2.添加助剂抗老化

抗氧剂、光稳定剂等添加剂可以降低EVA封装材料的氧化分解速度,提高耐热氧老化性,耐紫外线老化性、耐湿热老化性能。

芳香胺和受阻酚等能够清除自由基的抗氧剂称为主抗氧剂,含有磷或者硫的有机化合物可以分解氢过氧化物,被称为辅助抗氧化剂。

光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化

有结果表明,苯酚抗氧化剂单独使用时能有效抑制黄变,与亚磷酸类抗氧化剂复合使用时抑制黄变效果更佳。

高分子材料吸收光线能量,引起自动氧化反应,导致聚合物的降解,使得制品变色、发脆、性能下降,以致无法使用。凡是能抑制或减缓这一过程所加入的物质称为光稳定剂。光稳定剂根据机理不同,又分为光屏蔽剂、紫外线吸收剂、淬灭剂和受阻胺光稳定剂四类。

紫外线吸收剂是光稳定剂中使用最早、用量最大的一类,通过分子重排将紫外线转化为热或无害的低能辐射,按结构划分,主要包括二苯甲酮类、水杨酸酯类、苯并三唑类、取代丙烯腈类、三嗪类等。塑料中应用最多的是二苯甲酮类和苯并三唑类等。

二苯甲酮类紫外线吸收剂

一般地,复合稳定剂由于各组分间的协同作用相比于单一稳定剂更能降低EVA 的老化速率。

另外,添加光频转换材料可以将照射到EVA表面的紫外光转变为可见光,降低EVA 老化速率的同时提高光伏组件的光电转化效率。

3.交联抗老化

交联已被证实是提高EVA 薄膜耐老化性能的有效方法,交联可使EVA形成稳定的网络结构。

EVA 交联的方法有很多种,有机过氧化物是最常用的交联剂,在一定温度下有机过氧化物分解产生的自由基攻击EVA 分子链,产生自由基链,两个自由基链结合形成交联结构。

光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化

交联度是EVA 封装材料的重要技术指标,如果交联度过高 EVA 变脆,不能抵抗外界冲击起不到保护硅片的作用。

如果交联度过低,耐老化性能降低,交联度控制在70 %为宜。将硝酸处理过的炭黑加入到 EVA 中,分别通过电子束辐照和过氧化物交联,结果表明,交联度分别达到 82 %和 93 %, 提高了材料的力学性能和热稳定性。

目前EVA的生产取得了很大的进展,但产品质量仍然存在问题。最突出的问题还是抗老化性能差,而且抗老化化改性与透光率无法同时兼顾,改善上述问题才能在根本上提高光伏组件的使用性能。

参考文献:光伏组件封装用 EVA 材料的老化研究进展(网络资料)

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光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化
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原文始发于微信公众号(光伏产业通):光伏EVA胶膜老化的危害及如何抗老化

作者 808, ab