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室内高温高湿模拟环境与户外真实高温高湿环境下失效模型的异同
  • 2021-06-28 16:48:56
  • 浏览:66978
  • 来自:光伏前沿

  本文作者为无锡尚德实验室 龚海丹

  根据无锡尚德实验室的研究已经证明延长IEC标准中高温高湿测试时间可以一定程度上模拟户外真实的高温高湿环境,且两个的失效模型高度相似,如下图1所示。从EL图上看室内高温高湿模拟环境下的失效和户外真实的高温高湿环境下的失效均呈现金属部件腐蚀现象,红外谱图也均显示醋酸与金属部件中铅反应生成醋酸铅(-1574cm-1)。那么室内高温高湿模拟环境与户外真实高温高湿环境下失效模型是否还存在差异呢?只有真正了解透彻室内高温高湿模拟环境与户外真实高温高湿环境下失效模型的异同,我们才可以有效的指导组件可靠性的改进、封装材料的选择,才能正在解决户外高温高湿环境下的组件失效。

  图片 图1 左:户外高温高湿地区失效组件EL图;中:室内高温高湿模拟环境下失效组件EL图;右:室内和室外失效组件的红外谱图

  要了解室内高温高湿模拟环境与户外真实高温高湿环境下失效模型之间的差异,首先需要要了解室内和户外的失效过程。图2是户外高温高湿环境下失效组件前后层EVA胶膜的红外谱图。有意思的是,与电池正面EVA胶膜不同的是,电池背面EVA胶膜并未出现水解峰(3200 cm-1~3700cm-1),也未出现醋酸铅的峰。

  

  图2 户外高温高湿环境下失效组件前后层EVA胶膜的红外谱图

  水汽是通过背板渗透到组件内部的,为什么电池背面EVA胶膜却没有出现水解峰呢?这主要与背板的水汽的渗透和析出相关,我们知道浓度的扩散都是从高浓度向低浓度扩散。B. Lalagun[1]等人做过组件内部水汽渗透和析出的实验。将表1中不同水透背板的组件置于双85的环境下,除PVDE/PET背板由于其水透较低,在双85环境下40小时左右组件内外部湿气达到平衡,其余三款背板在双85环境下4~10小时后,组件内外部湿气就达到了平衡,如图3所示。而当组件从环境箱中取出放置在50℃烘箱中,组件内部的湿气很快析出,如图4所示。我们知道在户外的实际环境下,湿度会随着环境温度升高而降低。通常晚上环境温度低,相对湿度较高,因此水汽通常会在晚上渗透到组件内部达到内外平衡,对于背板水透高的组件湿度在更短时间内扩散到电池正面,对于背板水透低的组件湿气扩散到电池正面需要更长的时间。白天温度升高,相对湿度较晚上低,同时由于组件开始工作,组件温度升高,加速组件内部的湿气向外部扩散,而电池背面的湿气相对于电池正面湿气能更快速的逸出。因此对于户外失效的组件,我们可以发现电池背面的EVA没有出现水解现象,因此也就不会出现醋酸腐蚀现象,水汽渗入和逸出组件内部的情况如图5所示。

  

  表1 不同背板的水汽透过率

 

  图5 水汽在组件内部渗入和逸出

  那对于室内高温高湿模拟环境下的失效过程又是如何呢?图6是室内失效组件的红外谱图。从图上我们可以看到室内失效组件的前层EVA和户外失效组件的前层EVA的红外谱图完全一致,有明显的水解峰(3200 cm-1~3700cm-1)和醋酸铅的峰(-1574cm-1),但是后层EVA的红外谱图与户外失效组件的后层EVA红外谱图有较大差异,水解峰(3200 cm-1~3700cm-1)和醋酸铅的峰(-1574cm-1)在后层EVA上同样被检测到,只是相对于前层EVA,后层EVA上醋酸铅的峰(-1574cm-1)相对较弱。这是由于室内高温高湿模拟环境下由于组件一直处于双85的环境,组件内部的湿度在一定时间后就会与外部达到平衡一直处于85%R.H.状态,因此后层EVA就会出现水解现象。后层EVA上醋酸铅的峰(-1574cm-1)相对较弱是由于后层EVA水解产生醋酸后相对于前层EVA所产生的醋酸能更容易的扩散至组件外部,因此后层的醋酸腐蚀相对于前层要弱。

  

  图6 室内高温高湿模拟环境下失效组件前后层EVA胶膜的红外谱图

  从以上结果,我们可以知道室内高温高湿模拟环境与户外真实高温高湿环境下失效模型之间的异同:

  相同点:正面EVA都会由于水汽渗入,出现水解产生醋酸导致金属部件腐蚀。

  差异点:室内高温高湿模拟环境下由于湿度是恒定的,组件内外部湿度会在一定时间后达到平衡,因此背面EVA会长期处于高湿环境下也会出现水解产生醋酸导致金属部件腐蚀。而户外环境由于湿度是变化,因此当组件内外部湿气存在差异时,组件内部的湿气会溢出,所以背面EVA不会出现水解腐蚀现象。

  基于以上高温高湿环境下失效模型之间的差异的研究,对于后续解决组件醋酸问题提供了思路:

  正面胶膜应尽可能的采用低醋酸释放的EVA或是使用POE;

  背面胶膜无需做改进

  背板水透尽可能低,可以尽可能的降低到达组件正面的湿气量

  目前基于组件醋酸腐蚀失效的严峻形势,业内胶膜厂商也纷纷致力于开发低醋酸抗腐蚀的胶膜以解决这一失效现象。如杭州福斯特2020年SNEC期间推出爱比寿TMEVA封装胶膜,采用日本京瓷专利技术,可减少EVA中醋酸的产生。2021年SNEC期间SVECK也推出了可以减少EVA中醋酸产生的Taisan TS系列EVA。还有一些胶膜厂商虽然没有展出相关的产品,但在2021年SNEC期间也纷纷提出低醋酸释放的下一代胶膜概念。从目前胶膜厂家推出的低醋酸释放的EVA产品看,胶膜前层和后层均采用了低醋酸释放的EVA,这样成本会有明显的上升,实际上可以采用前层低醋酸释放EVA,后层常规EVA的封装组合就可以有效的降低组件醋酸腐蚀现象。

  参考文献:

  [1] B. Lalaguna, “OMPARISON OF MOISTURE INGRESS IN PV MODULES WITH DIFFERENTBACKSHEETS USING HUMIDITY SENSORS”, 23rd European Photovoltaic Solar EnergyConference, September 2008, Valencia, Spain.

【责任编辑:sunnyz】
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关键字阅读: 光伏组件
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