杜邦中國集團有限公司光伏氟材料技術專家胡紅杰博士

    胡紅杰：很高興中國機械工業聯合會組織這個平臺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。我這邊因為我覺得自己能力有限，講一個比較微觀一點，我們關注組件當中的背板這塊。

    我今天講這個題目是光伏組件背板戶外失效分析與應用，這里有兩個關健詞，第一個是背板，第二是戶外。我們為什么要講背板的重要性。我們這個組件前面有比較堅硬的玻璃，邊上有強硬的鋁邊框，其他的部件跟空氣相接觸的地方就是背板，背板是有機材料，沒有玻璃盒和邊框的強硬性能。所以說對背板來說它的一些要求是有幾個比較重要的層面，第一個比如說首先我要耐候，能夠耐長時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長期可靠的粘接性，可以保證他在25年甚至以上的使用環境當中他會保持他的功能不失效。

    組件材料需要長期耐受各種環境應力，紫外線、高溫、冷熱循環、機械載荷、物理磨損、濕氣、大氣污染五對他都是有一些侵蝕的。背板作為外層的絕緣保護，同時阻隔水汽對組件內部材料的腐蝕，背板直接暴露在空氣，需要長期耐受紫外線、高溫、冷熱應里力、機械磨損。我們現有的環境條件比較苛刻，我們現在的測試標準測試技術還是有一些缺口在這。比如我們現在從標準缺失方面，比如說紫外老化，我們國家的西部這些沙漠、荒漠甚至高原地區的阻礙輻照量非常強，25年累計量是非常高的。具體數字比如說國際上做老化技術，包括做光伏技術研究，這些機構有很多的研究數字，舉一些典型的地區，25年累計下來有200、300個千瓦時。這個大概差一二十倍，非常多。另一方面比如說風沙的磨損，我們在很多地方有非常強的風沙，不可修復的是他把你的材料給磨損，尤其我們的有機材料。他在戶外隨著你使用時間的增加，包括接受紫外線的輻照會老化，慢慢加速風沙的磨損。還有在還有在耐熱和防火是屬于標準確實的狀態。

    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，短路電流Isc下降，封裝材料發黃、玻璃臟污脫層和光致衰減，大部分的研究都報道了發黃和脫層現象。

    我們剛才提到標準缺失狀態，有一些自己認識無所謂，有些認識到了，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目。戶外研究我認為意義有這么幾個，第一個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，我們通過對失效模式的分析，我們找到他背后的深層次的機理在哪里。這些材料為什么會失效。通過失效分析，來反過來指導我們的測試方法的改進，包括新的測試方法的制定。我們比較實驗室加速老化測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比做一些關聯，反過來更好去制定這些標準，制定這些方法，這是他的意義所在。

    背板材料他的時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，這幾個關鍵有一個失效，直接導致你的組件失效，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。他在背板當中也是一類東西，有人在用的。這邊是一個在歐洲西班牙的這樣一個戶外電站安裝了四年，2.3MW，大約5000塊組件發現背板材料開裂，一些組件未通過濕漏電測試。

    還有一些沒有非常明顯的脫層，但是有非常明顯的黃變，這個美國的電站是用了6年，里面有很多塊非常明顯的黃變。黃變在我們國內非常普遍，國內安裝三四年，有一些是屋頂，有一些是地面，還有非常嚴重的黃變。這個黃我們看起來只是一個外觀的問題，實際上也沒有那么簡單。黃變通常都是伴隨材料的脆化。我們同時做紅外的FTIR的分析，FTIR顯示材料出現降解，這些戶外結果與加速老化結果相一致。另外一類發黃是出現在內層，前兩天跟光伏行業的人探討的時候，我看到一個電站非常明顯是EVA發黃了，有的不一定是EVA發黃了。我們國家都是使用時間很短，有的只有一兩年，看起來很難看。造成這種影響，尤其是做投資的機構就說如果有這種先例的話，以后不會推薦采用這樣的材料，這樣的組件。

    另外一類EVA的確有發黃的風險，對一些使用時間比較長的，因為EVA本身不是很耐候的材料，他這里的自外吸收劑隨著時間延長會慢慢消耗，造成兩個結果，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。有些熱斑很嚴重，一些不嚴重，這是很普遍的現象。熱斑在組件內部溫度非常高，達到一兩百度。如果你的材料能夠有比較高的耐熱或者是耐熔點的話相對好一點，不會馬上失效。比如說PVDF背板，他的軟化點熔點是150、160度的樣子。如果你玻璃燒不穿，背板先扛不住了，先開裂、發黃、起泡非常多。用杜邦特能的材料，熔點到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。

    還有一個因素，背板行業標準當中已經考慮把這個問題寫進去了，之前沒有人管這個事。電站當中材料耐風沙磨損性能。北邊有沙塵暴，磨損能力很強。我們沒有現成，一手有說沙塵暴對光伏材料影響是什么，沒有人做這個研究。我們看到以前他們有人做個工作就是把有機的亞克力的塑料棒放在一個典型的沙漠的環境下，放很多時間，我看材料受風沙磨損的情況。他選這個PMMA在有機材料也是有耐受的材料，是有機玻璃的一種。他這個研究看到說我把塑料棒放在沙漠環境中的時候，使用八年的時候他在磨損最嚴重的區域發生在我離地面30厘米高的地方。離地面30厘米，我們在西部裝大規模電站它的組件離地面也是30厘米上下。這個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。這個地方磨損很嚴重，到8年的時候磨損下去了0.46毫米，就是460微米。在他比較高的地方，因為他這個棒的高度是1米，離地面最高的地方，1米的地方他磨損250微米。到十年的時候，這個速度后面加速了，十年的時候離地面最高的地方磨損比較輕的地方是360微米，最嚴重的地方是970微米。你說玻璃沒事，不怕磨損，頂多透光率受點影響。有機材料怕磨損，尤其是一些涂料類的材料非常怕磨損。250微米和260微米相當什么概念？我們的背板通常現在標準背板厚度是300到350的范圍。假如說你用PMMA，十來年的時候他把你的背板都磨沒了。當然不是光伏的應用，他表示了風沙磨損對材料影響的嚴重程度。我們最近兩年也正好看到了這些案例，有好幾個。這邊舉一個例子，在青海的安裝一個電站，他組件是使用了FEVE的涂料，在背板當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據手冊，厚度為20微米。使用一年半以后，因為他這個背板我們初始并沒有把他拿過來好好組件他，拆開看，沒有這個想法。我們幫他做分析的時候看到外層厚度降到16.5微米，一年半的時間，3.5微米不知去向。這個我們覺得還是有點超乎想象，沒有想到他有這么快。

    另外一個問題，除了風沙以外，這種涂料類的材料，他自身的粘接率也是一個顧慮，因為這種材料他說自己創新可以少使用一層膠材料，復合材料需要用膠進行粘接。現在不需要這個膠，直接涂在這個核心集材上。這兩種材料不是一種材料，熱膨脹系數不匹配。這個案例是在美國新澤西三年的電站，他的組件上有的在焊帶的地方，本身焊完以后有一些突起，突起的地方相對有一些比較聚集，另外再加上他在焊帶地方發綠，這個電站有1%類似的情況。另外一個電站也是在新澤西，也是三年的一個電站。一是用FEVE涂層背板，還有用杜邦特能的PVF薄膜背板。使用三年的時候，初始的時候對背板腹膜粘接你不能有任何一片能夠被剝起來，初始沒有問題，可以通過檢測。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常快。同樣帶這個電站同樣使用年限特能背板沒有任何問題，不會出現這種情況。還有比較極端有些你不做測試，不管他，能發現有一些地方出現一塊一塊的剝落和掉塊。

    另外一類涂層應用用到內層，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，加速老化測試的時候，我們用短時間的HAST48小時，50個冷熱循環，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，這里有一個統計數據，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。基于幾百塊組件的統計數據。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計下來是這樣，這兩種組件衰減都是比較高，總得衰減值到20%到40%。另外PVF這個衰減10%都不到。

    特能薄膜背板在業界來說是唯一一種超過30年戶外實際驗證的背板材料，他的起源是在1975年的時候在美國航天局，他們要做一個航天的項目，為一些衛星和飛船提供動力，又不能一直帶電源上去。在此之前是光伏效應機理都有，沒有組件出來。那時候找到很多專家，做了光伏組件的研究。經過五個階段的研究。安裝時間很長之外，在各種各樣類型都有應用。沙漠、熱帶、沿海、南極。在各種環境當中都是有應用，被驗證過的。

    世界上其他地方的應用舉個例子，比較早一點，1984年安裝在美國加州的1MW規模，當時1MW很了不起，非常大了，那時候效率沒那么高。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，是在瑞士一個大學的屋頂，是10kW小的電站，他使用30年之后衰減0.4%。

    國內有三個典型地區，第一個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%。甘肅和海南都是國外一些組件。這三個都是使用特能的背板，功率衰減都是不錯。

    最后一個簡單的總結，我們現在國內光伏電站戶外使用環境非常苛刻，一定要使用耐久性的材料。光伏產了長期可卡性和材料質量重新引起市場關注。材料保護組件免受各類戶外環境侵蝕，其失效會導致發電損失。長期戶外暴曬是對組件材料的終極檢驗。雖然國內有很多標準，但是標準有待完善，這些標準由于各種原因會有一些缺失或者是不足。實驗室檢測不等同于戶外檢測，環境應用檢測、老化頂多算是可靠性檢測，不是壽命檢測。測完只有不代表你能用多少年，跟那個沒關系。還有電量驗收，驗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黃、開裂、脫層、熱斑熔融開裂和耐候層受風沙末村減薄等。基于杜邦特能PVF薄膜的背板保障組件功率長期穩定輸出，唯一超過30年戶外實績驗證，適應各種氣侯，長期保護組件。（根據錄音整理，未經本人審閱）