太陽光電先進封裝材料檢測技術

 

刊登日期:2021/9/5
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謝心心、陳祀宏、楊維綸、謝卓帆 / 工研院量測中心
 
太陽光電模組由太陽能電池、高分子封裝/背板材料、前板玻璃所組成,使用於戶外發電至少20年。而高分子封裝材料用於保護電池,並且承受長期的日照曝曬、溫/濕度變化等,因此須具備高可靠度、高穩定性、高耐候等材料特性。然而,根據戶外案場的觀察顯示,封裝材料的劣化相當常見,比方:高分子膜材呈現黃化、封裝介面脫層等;另一方面,近年來隨著電池技術大幅提升,對於封裝材料的性能與要求亦相對提高,因此,除了常用的乙烯醋酸乙烯酯(EVA),其他的高分子材料(如:聚烯烴透明高分子材料)亦被高度討論及關注,其耐候特性評估適合水上型太陽能系統。為了因應高效率模組技術的發展以及嚴苛環境的設置需求,本文介紹太陽光電先進封裝材料檢測技術,以快速評估封裝材料之可行性。
 
【內文精選】
前 言
太陽能封裝材料作為保護發電之元件,同時須承受長期曝曬以及溫、濕度變化的環境考驗,因此必須具備優異的性能條件以及可靠度。。近年來,為了進一步提升太陽能模組的性能和降低成本,國內外的材料開發業者開始著手進行封裝材料的優化,以及新型封裝材料的評估,提高這些關鍵材料的性能是確保太陽能模組使用壽命的必要條件。
 
封裝材料發展趨勢
在過去的幾十年中, 最常見的封裝材料(Encapsulant)乙烯醋酸乙烯酯(EVA)被廣泛用於矽晶太陽能電池模組中。根據最新2021年出版的ITRPV報告指出,高分子封裝材料和背板材料皆是模組製造的成本占比項目。而近幾年推出了各種類型的基於聚烯烴(Polyolefins)之封裝薄膜材料,並引起市場關注。這些材料創新可分為聚烯烴彈性體(POE)和熱塑性聚烯烴(TPO)封裝材料。這些材料的主要優點是替換了最常見的EVA之醋酸乙烯酯側基,減少醋酸生成而引發的腐蝕議題。加速老化測試後,並未觀察到顯著的功率損失。但與TPO或POE相比,EVA模組濕熱環境的耐受度引發較多疑慮,在嚴苛環境案場的模組亦經常觀察到銀線和焊帶腐蝕的現象。因此,這種新型聚烯烴封裝材料被期待作為EVA的替代品。
 
檢測技術介紹
封裝材料是影響太陽光電模組性能與可靠度(Reliability)的關鍵材料,本文將依據測試標準之發展趨勢以及系統需求,介紹封裝產品須具備之特性與測試方法,有助於業者作為產品評估之依據,加速導入產線。
1. 絕緣特性  
近年來頗受關注的電致衰減(PID)更是與封裝材料的特性息息相關,早期作為IEC TS 62804-1:2015測試標準獨立執行,而根據2021年公告之測試規範指出,電致衰減測項已視為IEC 61215中性能測試的重要測項。太陽能光電模組之設置通常是以串連方式排列,根據模組位置的不同,邊際的電池長期承受對應之系統電壓,容易發生電致衰減的失效現象。而封裝材料之絕緣特性則為防止太陽光電模組承受系統電壓時,作為限制內部漏電流大小的第一道防線,若封裝材料未具有足夠之體積電阻特性,則太陽光電模組發生電致衰減的可能性將會大幅提高,致使模組發電效率逐步衰退。
 
圖二、(a)體積電阻率測試裝置;(b)不同封裝材料之體積電阻率測試
圖二、(a)體積電阻率測試裝置;(b)不同封裝材料之體積電阻率測試
 
2. 機械特性試驗
太陽能光電模組於戶外需承受不同溫度、濕度、紫外光及不同強度風等環境條件,因此機械性能強度的維持度為保護內部太陽能電池最重要的一環,因為任何鍵結強度的弱化,都會導入腐蝕及氧化等接連反應。透過評估封裝材料與各介面之黏結強度大小,可初步評估此封裝材料配方是否能與各層之間緊密接合,達到一定的黏著強度,如表一所示。
 
3. 化學穩定性試驗
封裝材料與水氣、紫外光或高溫作用,會產生微量之醋酸,而若醋酸與太陽能電池銀線進行反應,會形成黃棕色之奈米粒子殘留在界面處,從外觀上可觀察出深色陰影痕跡(如圖四(a))。以發電效率而言,初期雖不一定會造成劇烈衝擊,卻會影響消費者對太陽能光電產品之視覺觀感與業者信心度,且對於模組長期可靠度的影響尚不明確。有鑒於此,此測項是建立模擬銀線色變之誘發成因條件,將封裝材料於特定配方下,靜置浸泡後(如圖四(b)),分析模材的光學特性。可看出 …以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖四、(a)案場銀線色變模組;(b)銀線色變浸泡試驗
圖四、(a)案場銀線色變模組;(b)銀線色變浸泡試驗
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》417期,更多資料請見下方附檔。

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