杜邦中國(guó)集團(tuán)有限公司光伏氟材料技術(shù)專家胡紅杰博士

    胡紅杰：很高興中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織這個(gè)平臺(tái)跟大家交流我們的一些見解。今天很多專家和老師介紹的東西一些宏觀，很高的高度來介紹這些事。我這邊因?yàn)槲矣X得自己能力有限，講一個(gè)比較微觀一點(diǎn)，我們關(guān)注組件當(dāng)中的背板這塊。

    我今天講這個(gè)題目是光伏組件背板戶外失效分析與應(yīng)用，這里有兩個(gè)關(guān)健詞，第一個(gè)是背板，第二是戶外。我們?yōu)槭裁匆v背板的重要性。我們這個(gè)組件前面有比較堅(jiān)硬的玻璃，邊上有強(qiáng)硬的鋁邊框，其他的部件跟空氣相接觸的地方就是背板，背板是有機(jī)材料，沒有玻璃盒和邊框的強(qiáng)硬性能。所以說對(duì)背板來說它的一些要求是有幾個(gè)比較重要的層面，第一個(gè)比如說首先我要耐候，能夠耐長(zhǎng)時(shí)間的各種老化和耐候性。還要求可靠的耐熱粘接，你跟邊框和接線盒有一個(gè)長(zhǎng)期可靠的粘接性，可以保證他在25年甚至以上的使用環(huán)境當(dāng)中他會(huì)保持他的功能不失效。

    組件材料需要長(zhǎng)期耐受各種環(huán)境應(yīng)力，紫外線、高溫、冷熱循環(huán)、機(jī)械載荷、物理磨損、濕氣、大氣污染五對(duì)他都是有一些侵蝕的。背板作為外層的絕緣保護(hù)，同時(shí)阻隔水汽對(duì)組件內(nèi)部材料的腐蝕，背板直接暴露在空氣，需要長(zhǎng)期耐受紫外線、高溫、冷熱應(yīng)里力、機(jī)械磨損。我們現(xiàn)有的環(huán)境條件比較苛刻，我們現(xiàn)在的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)還是有一些缺口在這。比如我們現(xiàn)在從標(biāo)準(zhǔn)缺失方面，比如說紫外老化，我們國(guó)家的西部這些沙漠、荒漠甚至高原地區(qū)的阻礙輻照量非常強(qiáng)，25年累計(jì)量是非常高的。具體數(shù)字比如說國(guó)際上做老化技術(shù)，包括做光伏技術(shù)研究，這些機(jī)構(gòu)有很多的研究數(shù)字，舉一些典型的地區(qū)，25年累計(jì)下來有200、300個(gè)千瓦時(shí)。這個(gè)大概差一二十倍，非常多。另一方面比如說風(fēng)沙的磨損，我們?cè)诤芏嗟胤接蟹浅?qiáng)的風(fēng)沙，不可修復(fù)的是他把你的材料給磨損，尤其我們的有機(jī)材料。他在戶外隨著你使用時(shí)間的增加，包括接受紫外線的輻照會(huì)老化，慢慢加速風(fēng)沙的磨損。還有在還有在耐熱和防火是屬于標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)的狀態(tài)。

    材料戶外老化影響組件功率衰減，功率Pmax與短路電流Isc密切相關(guān)，短路電流Isc下降，封裝材料發(fā)黃、玻璃臟污脫層和光致衰減，大部分的研究都報(bào)道了發(fā)黃和脫層現(xiàn)象。

    我們剛才提到標(biāo)準(zhǔn)缺失狀態(tài)，有一些自己認(rèn)識(shí)無所謂，有些認(rèn)識(shí)到了，有一些原因無法改了。這種情況下，我們開展了戶外組件的研究項(xiàng)目。戶外研究我認(rèn)為意義有這么幾個(gè)，第一個(gè)就是說我們戶外研究和分析，能看到一些材料他的一些失效的模式，我們通過對(duì)失效模式的分析，我們找到他背后的深層次的機(jī)理在哪里。這些材料為什么會(huì)失效。通過失效分析，來反過來指導(dǎo)我們的測(cè)試方法的改進(jìn)，包括新的測(cè)試方法的制定。我們比較實(shí)驗(yàn)室加速老化測(cè)試這些方法和戶外材料不同使用年限以后他的材料特征的一些對(duì)比做一些關(guān)聯(lián)，反過來更好去制定這些標(biāo)準(zhǔn)，制定這些方法，這是他的意義所在。

    背板材料他的時(shí)下有很多種不同的失效類型，背板材料失效以后他喪失了比如說絕緣性或者是粘接可靠性，這幾個(gè)關(guān)鍵有一個(gè)失效，直接導(dǎo)致你的組件失效，潛在影響是非常多的。不同的背板他在戶外失效的類型，最近幾年我們有一些比較多的一些同事在不同地區(qū)做了一些研究、歸類。看了一下這些材料失效類型有這些，尤其是備辦。比如說有斷層開裂比較嚴(yán)重，還有黃變，熱斑引起的起泡，開裂甚至一些燃燒。還有一些聚酯類背板有一些開裂脫層以及其他一些涂料類的。具體看幾個(gè)例子，比如說PET的聚酯，跟我們喝礦泉水瓶子是一樣的材料。他在背板當(dāng)中也是一類東西，有人在用的。這邊是一個(gè)在歐洲西班牙的這樣一個(gè)戶外電站安裝了四年，2.3MW，大約5000塊組件發(fā)現(xiàn)背板材料開裂，一些組件未通過濕漏電測(cè)試。

    還有一些沒有非常明顯的脫層，但是有非常明顯的黃變，這個(gè)美國(guó)的電站是用了6年，里面有很多塊非常明顯的黃變。黃變?cè)谖覀儑?guó)內(nèi)非常普遍，國(guó)內(nèi)安裝三四年，有一些是屋頂，有一些是地面，還有非常嚴(yán)重的黃變。這個(gè)黃我們看起來只是一個(gè)外觀的問題，實(shí)際上也沒有那么簡(jiǎn)單。黃變通常都是伴隨材料的脆化。我們同時(shí)做紅外的FTIR的分析，F(xiàn)TIR顯示材料出現(xiàn)降解，這些戶外結(jié)果與加速老化結(jié)果相一致。另外一類發(fā)黃是出現(xiàn)在內(nèi)層，前兩天跟光伏行業(yè)的人探討的時(shí)候，我看到一個(gè)電站非常明顯是EVA發(fā)黃了，有的不一定是EVA發(fā)黃了。我們國(guó)家都是使用時(shí)間很短，有的只有一兩年，看起來很難看。造成這種影響，尤其是做投資的機(jī)構(gòu)就說如果有這種先例的話，以后不會(huì)推薦采用這樣的材料，這樣的組件。

    另外一類EVA的確有發(fā)黃的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)一些使用時(shí)間比較長(zhǎng)的，因?yàn)镋VA本身不是很耐候的材料，他這里的自外吸收劑隨著時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)慢慢消耗，造成兩個(gè)結(jié)果，他透光率下降，紫外更多了，越來越多的紫外透過去了。還有一類是熱斑非常的普遍，的確是這種情況，似乎很難避免熱斑的情況。有些熱斑很嚴(yán)重，一些不嚴(yán)重，這是很普遍的現(xiàn)象。熱斑在組件內(nèi)部溫度非常高，達(dá)到一兩百度。如果你的材料能夠有比較高的耐熱或者是耐熔點(diǎn)的話相對(duì)好一點(diǎn)，不會(huì)馬上失效。比如說PVDF背板，他的軟化點(diǎn)熔點(diǎn)是150、160度的樣子。如果你玻璃燒不穿，背板先扛不住了，先開裂、發(fā)黃、起泡非常多。用杜邦特能的材料，熔點(diǎn)到190度上下，甚至超過200度。遇到這樣極端情況下他有更好的耐受極端條件的能力。

    還有一個(gè)因素，背板行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中已經(jīng)考慮把這個(gè)問題寫進(jìn)去了，之前沒有人管這個(gè)事。電站當(dāng)中材料耐風(fēng)沙磨損性能。北邊有沙塵暴，磨損能力很強(qiáng)。我們沒有現(xiàn)成，一手有說沙塵暴對(duì)光伏材料影響是什么，沒有人做這個(gè)研究。我們看到以前他們有人做個(gè)工作就是把有機(jī)的亞克力的塑料棒放在一個(gè)典型的沙漠的環(huán)境下，放很多時(shí)間，我看材料受風(fēng)沙磨損的情況。他選這個(gè)PMMA在有機(jī)材料也是有耐受的材料，是有機(jī)玻璃的一種。他這個(gè)研究看到說我把塑料棒放在沙漠環(huán)境中的時(shí)候，使用八年的時(shí)候他在磨損最嚴(yán)重的區(qū)域發(fā)生在我離地面30厘米高的地方。離地面30厘米，我們?cè)谖鞑垦b大規(guī)模電站它的組件離地面也是30厘米上下。這個(gè)地方有一些比較大的沙子，他飛的離地面30厘米上下可以飛的到，可以磨損到。這個(gè)地方磨損很嚴(yán)重，到8年的時(shí)候磨損下去了0.46毫米，就是460微米。在他比較高的地方，因?yàn)樗@個(gè)棒的高度是1米，離地面最高的地方，1米的地方他磨損250微米。到十年的時(shí)候，這個(gè)速度后面加速了，十年的時(shí)候離地面最高的地方磨損比較輕的地方是360微米，最嚴(yán)重的地方是970微米。你說玻璃沒事，不怕磨損，頂多透光率受點(diǎn)影響。有機(jī)材料怕磨損，尤其是一些涂料類的材料非常怕磨損。250微米和260微米相當(dāng)什么概念？我們的背板通?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)背板厚度是300到350的范圍。假如說你用PMMA，十來年的時(shí)候他把你的背板都磨沒了。當(dāng)然不是光伏的應(yīng)用，他表示了風(fēng)沙磨損對(duì)材料影響的嚴(yán)重程度。我們最近兩年也正好看到了這些案例，有好幾個(gè)。這邊舉一個(gè)例子，在青海的安裝一個(gè)電站，他組件是使用了FEVE的涂料，在背板當(dāng)中用的比較多的涂料材料。他的外層的初始厚度是找到背板的數(shù)據(jù)手冊(cè)，厚度為20微米。使用一年半以后，因?yàn)樗@個(gè)背板我們初始并沒有把他拿過來好好組件他，拆開看，沒有這個(gè)想法。我們幫他做分析的時(shí)候看到外層厚度降到16.5微米，一年半的時(shí)間，3.5微米不知去向。這個(gè)我們覺得還是有點(diǎn)超乎想象，沒有想到他有這么快。

    另外一個(gè)問題，除了風(fēng)沙以外，這種涂料類的材料，他自身的粘接率也是一個(gè)顧慮，因?yàn)檫@種材料他說自己創(chuàng)新可以少使用一層膠材料，復(fù)合材料需要用膠進(jìn)行粘接。現(xiàn)在不需要這個(gè)膠，直接涂在這個(gè)核心集材上。這兩種材料不是一種材料，熱膨脹系數(shù)不匹配。這個(gè)案例是在美國(guó)新澤西三年的電站，他的組件上有的在焊帶的地方，本身焊完以后有一些突起，突起的地方相對(duì)有一些比較聚集，另外再加上他在焊帶地方發(fā)綠，這個(gè)電站有1%類似的情況。另外一個(gè)電站也是在新澤西，也是三年的一個(gè)電站。一是用FEVE涂層背板，還有用杜邦特能的PVF薄膜背板。使用三年的時(shí)候，初始的時(shí)候?qū)Ρ嘲甯鼓ふ辰幽悴荒苡腥魏我黄軌虮粍兤饋?，初始沒有問題，可以通過檢測(cè)。僅僅戶外三年以后，在很多地方模塊都被剝落下來。他的粘接力的衰減程度非?？?。同樣帶這個(gè)電站同樣使用年限特能背板沒有任何問題，不會(huì)出現(xiàn)這種情況。還有比較極端有些你不做測(cè)試，不管他，能發(fā)現(xiàn)有一些地方出現(xiàn)一塊一塊的剝落和掉塊。

    另外一類涂層應(yīng)用用到內(nèi)層，起到抵抗從正面來的紫外線的作用。這種材料也是涂層粘接也是有隱患，加速老化測(cè)試的時(shí)候，我們用短時(shí)間的HAST48小時(shí)，50個(gè)冷熱循環(huán)，背板的涂層都流到FEVE涂層，與背板脫開了。   

    剛才都是比較直觀的圖片，這里有一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這是JRC他們做了一些研究分析，分析三種不同的封裝形式的組件在使用20年以后它的組件功率衰減情況?；趲装賶K組件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。第一種是GEG，第二種GPG，第三種GET。使用20多年以后這些組件功率衰減統(tǒng)計(jì)下來是這樣，這兩種組件衰減都是比較高，總得衰減值到20%到40%。另外PVF這個(gè)衰減10%都不到。

    特能薄膜背板在業(yè)界來說是唯一一種超過30年戶外實(shí)際驗(yàn)證的背板材料，他的起源是在1975年的時(shí)候在美國(guó)航天局，他們要做一個(gè)航天的項(xiàng)目，為一些衛(wèi)星和飛船提供動(dòng)力，又不能一直帶電源上去。在此之前是光伏效應(yīng)機(jī)理都有，沒有組件出來。那時(shí)候找到很多專家，做了光伏組件的研究。經(jīng)過五個(gè)階段的研究。安裝時(shí)間很長(zhǎng)之外，在各種各樣類型都有應(yīng)用。沙漠、熱帶、沿海、南極。在各種環(huán)境當(dāng)中都是有應(yīng)用，被驗(yàn)證過的。

    世界上其他地方的應(yīng)用舉個(gè)例子，比較早一點(diǎn)，1984年安裝在美國(guó)加州的1MW規(guī)模，當(dāng)時(shí)1MW很了不起，非常大了，那時(shí)候效率沒那么高。他是使用全部都是TPT背板，也沒有別的背板可選，默認(rèn)都是TPT背板。這種電站在使用到2013年使用了差不多29年的時(shí)候，它的年平均功率衰減只有0.9%。第二是在歐洲1982年安裝，是在瑞士一個(gè)大學(xué)的屋頂，是10kW小的電站，他使用30年之后衰減0.4%。

    國(guó)內(nèi)有三個(gè)典型地區(qū)，第一個(gè)是在沙漠氣侯條件的甘肅蘭州，這是安裝27年總功率衰減10%，在海南尖峰嶺使用23年總功率衰減6.1%，浙江寧波23年總功率衰減10.6%。甘肅和海南都是國(guó)外一些組件。這三個(gè)都是使用特能的背板，功率衰減都是不錯(cuò)。

    最后一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，我們現(xiàn)在國(guó)內(nèi)光伏電站戶外使用環(huán)境非?？量?，一定要使用耐久性的材料。光伏產(chǎn)了長(zhǎng)期可卡性和材料質(zhì)量重新引起市場(chǎng)關(guān)注。材料保護(hù)組件免受各類戶外環(huán)境侵蝕，其失效會(huì)導(dǎo)致發(fā)電損失。長(zhǎng)期戶外暴曬是對(duì)組件材料的終極檢驗(yàn)。雖然國(guó)內(nèi)有很多標(biāo)準(zhǔn)，但是標(biāo)準(zhǔn)有待完善，這些標(biāo)準(zhǔn)由于各種原因會(huì)有一些缺失或者是不足。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)不等同于戶外檢測(cè)，環(huán)境應(yīng)用檢測(cè)、老化頂多算是可靠性檢測(cè)，不是壽命檢測(cè)。測(cè)完只有不代表你能用多少年，跟那個(gè)沒關(guān)系。還有電量驗(yàn)收，驗(yàn)收合格不等于他衰減也不合格。背板材料在戶外失效的類型有發(fā)黃、開裂、脫層、熱斑熔融開裂和耐候?qū)邮茱L(fēng)沙末村減薄等?；诙虐钐啬躊VF薄膜的背板保障組件功率長(zhǎng)期穩(wěn)定輸出，唯一超過30年戶外實(shí)績(jī)驗(yàn)證，適應(yīng)各種氣侯，長(zhǎng)期保護(hù)組件。（根據(jù)錄音整理，未經(jīng)本人審閱）