一种光伏背板寿命推算的研究

吕瑞瑞，张增明，彭丽霞，傅冬华

(阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏 常熟 215562)

一种光伏背板寿命推算的研究

吕瑞瑞，张增明，彭丽霞，傅冬华

(阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏 常熟 215562)

本文针对含PET结构的背板进行了一系列的热氧老化试验，研究了不同老化温度下背板断裂伸长率与老化时间的关系，根据Arrhenius方程推算出背板的使用寿命，为其他结构背板使用寿命的推算提供参考。

PET，背板，热氧老化，Arrhenius方程，寿命推算

光伏背板是一种应用于晶体硅光伏组件的高分子复合薄膜，是组件的保护材料，用于支撑和固定电池片。背板的使用寿命对组件使用的长期性及可靠性起着至关重要的作用。因此对背板使用寿命的研究具有重要意义。

众所周知，晶体硅光伏组件发电是基于太阳光与半导体材料的作用而形成的光生伏特效应，直接把太阳能转换为电能。由于晶体硅对光的吸收率较低，在太阳电池工作时，未能转换为电能的太阳能就变为热能，使光伏组件的温度上升。为了降低温度，避免太阳电池的效率下降，必须将热量有效地导出，而背板则是组件最重要也是最有效的散热途径。组件的电池温度随太阳辐照度和环境温度的上升而上升，在太阳辐照度1000W/m2、环境温度约25℃时，组件的温度可达65～70℃之间。Zhiyong Xia等人假定组件户外曝晒过程中有30%的时间组件温度达到65℃，他们得出结论，背板中PET双85试验1000h相当于其在温度65℃、相对湿度85%的户外条件下使用19年，而且组件温度每下降1℃其寿命将提高3～5年［1］。所以，若要保证光伏组件25年的使用寿命，除了要保证背板具有较好的耐水解性能外，还要求背板具有较高的耐热氧老化能力。

光伏背板典型结构为 TPT、TPE、KPK、KPE、APA、纯PET、AAA等。背板的材质决定了组件的使用寿命。目前，大多数光伏组件企业采用的背板是用PET作为支撑体。背板的T(聚氟乙烯薄膜)或K(聚偏氟乙烯薄膜)层，由于F－C键键能高，其耐老化性能较好。而PET由于本身结构的问题，易发生热降解、热氧化降解和水解等老化降解，成为背板的薄弱点。背板的老化通常表现为背板分层、起皱、发黄、变脆等，其中，背板变脆是其使用过程中较为常见的问题，究其原因，是由于PET变脆，性能上则表现在背板断裂伸长率的降低。本文针对含PET结构的背板进行了一系列的热氧老化试验，以断裂伸长率为特性指标，研究了不同老化温度下背板断裂伸长率与老化时间的关系，根据Arrhenius方程推算出背板的使用寿命。

1 实验

1.1 试验材料

KPE结构背板(PVDF+PET+LE)

1.2 试验设备

电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏试验设备有限公司;CP－25冲片机，江都市精科试验机械厂;WDW－1型微机控制电子万能试验机，上海华龙测试仪器有限公司。

1.3 老化条件

按GB/T7141－2008，在电热恒温鼓风干燥箱中进行热氧加速老化实验，热空气的温度分别为110℃、130℃、150℃、160℃ 和 170℃。温度达到设定值时将试样放入箱中老化并开始计时，每隔一定的时间，将样品取出。将样品在试验室条件下状态调节24h。

1.4 性能测试

样品状态调节后，按GB/T 1040－2006用冲片机将样品冲切为5型试样，在试验机上测试试样的拉伸性能，得到背板的断裂伸长率。

2 结果与讨论

2.1 背板热氧老化断裂伸长率随时间的变化规律

塑料在老化过程中，依据GB/T7142－2002《塑料长期热暴露后时间－湿度极限的测定》，性能变化指标P与老化时间t的关系满足方程P=Ae－kt，其中A为常数，k为与温度有关的性能变化速率常数。将上式转换为:

式中:P为断裂伸长率保持率，即任一时间的断裂伸长率与老化前断裂伸长率比值。

由各时间点测得的背板断裂伸长率计算得到各点的断裂伸长率保持率P，绘制每个温度条件下lnP与老化时间t间的关系曲线，见图1。

图1 断裂伸长率保持率的lnP与老化时间t关系曲线Fig.1 Curves of lnP vs.Ageing time t

由图 1可以看出，在 110℃、130℃、150℃、160℃、170℃的热空气中老化时，背板的断裂伸长率保持率的对数lnP与老化时间t成线性关系，满足式(1)，以此判定上述假设成立，即该背板的断裂伸长率保持率P与老化时间t呈指数关系，满足方程P=Ae－kt。将以上得到的各老化时间点的lnP与t的线性方程列于表1。

表1 断裂伸长率的lnP与老化时间t线性方程Table1 Linear equations of lnP vs.Ageing time t for Elongation at Break

从表1中数据可以看出A与温度无线性关系，且每个温度点的A值都接近于1，这时我们将A取1［2］，式(1)转换为:

2.2 寿命推算

Arrhenius方程是在高分子领域内用以表示老化速率与温度的关系方程［3］，所以背板的断裂伸长率变化速率常数k与老化温度T之间的关系服从Arrhenius方程:

式中:k—与温度有关的性能变化速率常数，同式

(1)中k;

k0—频率因子，d－1;

E—表观活化能，J·mol－1;

R—气体常数，J·K－1·mol－1。

对Arrhenius方程两边同时取自然对数得到方程:

式(4)表明，背板断裂伸长率变化速率常数的对数值lnk与老化绝对温度的倒数成线性关系。将热氧老化各温度T、1/T及k、lnk列于表2。

表2 不同老化温度下的lnkTable 2 The lnk in different ageingt temperature

利用表2建立lnk与1/T的关系曲线，见图2。线性方程为:

式中，R2=98.07%。由式(5)可以求得某一温度下的lnk。

图2 lnk与1/T关系曲线Fig.2 Curves of lnk vs.1/T

ASTM D 3042［4］和 GB 9344［5］中都提到，塑料性能保持率降至50%时判定为失效。本文以背板断裂伸长率保持率下降至50%时作为预测寿命的临界值，即P=0.5。我们由式(5)得到某一温度下的lnk，进而得到背板的断裂伸长率变化速率常数k，将k代入(2)式即可推得背板在该温度下的使用寿命。背板在各温度下的使用寿命列于表3。

表3 不同老化温度下的背板使用寿命Table 3 The lifetime of backsheet in different ageingt temperature

由表3可以看出，以断裂伸长率为寿命推断评价指标，以断裂伸长率保持率下降至50%时的值作为预测寿命的临界值。本文研究的PET结构背板在65℃(不考虑湿度对背板寿命的影响)条件下的使用寿命为20.3年。

2.3 影响试验结果的因素

不同的老化性能指标，得到的Arrhenius方程可能不一样，最终推出的老化寿命也会有差异，因此选择最佳的性能评价指标是十分必要的。另外，试验环境也是影响寿命推算结果的一个重要因素。考虑背板的实际使用环境，背板在户外使用时，受到光、热、湿气等的共同影响，这些因素共同作用，可进一步加速背板的老化，缩短背板的使用寿命。本文采用热空气法加速背板的老化，此条件实际上排除了光和湿气的影响，由此得到的寿命值与背板的实际使用寿命存在着一定的误差。综上，本文为背板的寿命推算提供参考，但并不反映背板的起初使用寿命。

3 试验结论

(1)本文研究的PET结构背板的断裂伸长率保持率的对数lnP与老化时间t成线性关系，其断裂伸长率保持率随老化时间的延长呈指数下降。

(2)推算出背板在65℃(不考虑湿度对背板寿命的影响)条件下的使用寿命为20.3年。要获得更加准确的寿命推算结果，还应当考虑温度以外其他因素的影响，开展多种因素的环境箱老化及户外老化的测试，提高推算的准确度。

(3)本文为其他结构的背板寿命推算提供参考。

［1］Zhiyong Xia，John H Wohlgemuth and Daniel W Cunningham.A Lifetime Prediction of PV Encapsulant and Backsheet via Time Temperature Superposition Principle.Photovoltaic Specialists Conference(PVSC)，2009 34th IEEE.

［2］GJB 92.2－1986，热空气老化法测定硫化橡胶储存性能导则 第二部分 统计方法，［S］.

［3］ASTM D 3042《Standard Practice for Heat Aging of Plastics Without Load，［S］.

［4］GB 9344塑料氙灯光源曝露试验方法，［S］.

［5］李兰艳，李光吉，李超，王志.尼龙6在热氧老化中的性能与结构变化［M］.塑料科技，2009.

A Lifetime Prediction of Photovoltaic Backsheet

LV Rui-rui，ZHANG Zeng-ming，PENG Li-xia，FU Dong-hua
(Canadian Solar Inc.Photovoltaic Test Laboratary，Changshu 215562，Jiangshu，China)

Thermo-oxidative aging of PET backsheet in different temperature was carried out in this paper.The mechanical properties of elongation at break of the backsheet via aging time were investigated.Based on Arrhenius equation，the lifetime of the backsheet was predicated.This research provides a method of lifetime prediction for other backsheets.

PET，backsheet，thermo-oxidative aging，Arrhenius equation，lifetime prediction

TQ 21

2011－12－15

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