2009年，奧地利老牌材料制造商Isovolta向光伏界推出了成本相對低廉且經(jīng)過(guò)第三方權威認證的共擠型3A背板，又稱(chēng)尼龍背板。在當時(shí)動(dòng)輒十幾元/瓦的組件價(jià)格面前，在氟膜供不應求、背板路線(xiàn)之爭尚不明確、輔材差異化策略以及低成本因素等考量下，Isovolta做出的這個(gè)全新的結構性變革 - 3A背板，獲得了眾多組件廠(chǎng)商的青睞，其中不乏Top10一線(xiàn)組件廠(chǎng)商。
然而，使用了3A背板的光伏電站在安裝一年后背板表面已經(jīng)出現大量微裂紋，投運四年后背板開(kāi)裂比例已經(jīng)超過(guò)40%。2016年前后，全球有數GW級的光伏電站受影響，包括國內的西部電站和海外如南非的電站事故，嚴重影響電站的投資收益。
盡管3A背板留下了一堆爛攤子給了下游組件企業(yè)，但在設計之初沒(méi)有哪家企業(yè)會(huì )拿自己的產(chǎn)品和品牌聲譽(yù)開(kāi)玩笑，十年前Isovolta也必然考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題。
那為何3A背板一敗涂地，從此退出光伏江湖呢?
美國國家標準與技術(shù)研究院經(jīng)過(guò)多年的研究，終于解開(kāi)了3A背板開(kāi)裂的秘密。
3A背板本應值得信賴(lài)
Isovolta最初推出3A背板時(shí)，‘A’選用的是尼龍12，而尼龍12實(shí)際上是一款適用戶(hù)外使用環(huán)境、耐候性能非常優(yōu)異的材料，從材料端分析是不應該出現這些問(wèn)題的。
而創(chuàng )建于1949年的Isovolta，是電氣絕緣材料、復合材料和合成材料的國際領(lǐng)先制造商，具有多年的絕緣材料研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗，也是世界最大、最主要的絕緣材料生產(chǎn)企業(yè)之一。
可以想象，即便趨利使然，2009年起Isovolta開(kāi)始進(jìn)軍光伏背板產(chǎn)業(yè)時(shí)也應該是信心滿(mǎn)滿(mǎn)。作為一家老牌材料企業(yè)，Isovolta對材料的選擇應該不是冒然的，其選用的尼龍材料組合，必然也基于其多年的材料領(lǐng)域應用研發(fā)經(jīng)驗，并采用了通行的IEC標準進(jìn)行測試。
2010年，Isovolta光伏業(yè)務(wù)部門(mén)剝離成立Isovoltaic，并在蘇州成立依索(蘇州)合成材料有限公司，大力推廣3A背板。2010年-2014年，正是中國本土背板企業(yè)崛起，傳統PVF背板代表企業(yè)臺虹逐漸衰退之際。憑借低廉的背板價(jià)格和材料領(lǐng)域的商譽(yù)背書(shū)，Isovoltaic一度在海外背板供應商的市場(chǎng)份額中處于領(lǐng)先地位。
成本低廉、材料可靠、信譽(yù)背書(shū)、歐洲出身……自2011年起，Isovoltaic的背板逐漸開(kāi)始被組件廠(chǎng)接受，并開(kāi)始批量應用在光伏電站上。
盡管3A背板在安裝一年后開(kāi)始出現微裂紋，但Isovoltaic認為這在他們的技術(shù)可控范圍之內：一種新材料在面世的過(guò)程中總會(huì )出現一些要改進(jìn)的地方。但從2015年起，戶(hù)外運行了4-5年的電站背板開(kāi)始出現大面積的開(kāi)裂，讓Isovoltaic應接不暇。索賠帶來(lái)的壓力已經(jīng)不會(huì )給它更多的反思時(shí)間和空間，Isovoltaic最終攤牌宣告破產(chǎn)。
3A背板緣何如此不堪?
有一些研究文獻認為，導致開(kāi)裂問(wèn)題的原因可能是3A背板中加了玻璃纖維，因為背板開(kāi)裂的方向和玻璃纖維方向一致，所以有說(shuō)法認為開(kāi)裂是由于玻璃纖維刺破背板外層引起的。
也有說(shuō)法認為，尼龍材料本身耐候條件就不如含氟材料。酰胺類(lèi)材料吸水性大，影響尺寸穩定性和電性能，必須采用纖維增強來(lái)降低樹(shù)脂吸水率，使其能在高溫、高濕下工作。
材料研究者認為，尼龍材料耐光性較差，在長(cháng)期偏高溫環(huán)境下會(huì )與空氣中的氧發(fā)生氧化作用,開(kāi)始時(shí)顏色變褐，繼而發(fā)生開(kāi)裂。
但對于尼龍材料本身的爭論，以及所用的玻璃纖維增強材料的討論，Isovoltaic作為材料專(zhuān)家已經(jīng)做過(guò)深入的分析和研究，并在各個(gè)場(chǎng)合針對業(yè)界的質(zhì)疑用其試驗數據來(lái)說(shuō)明尼龍材料用于背板的可靠性。對此，業(yè)界似乎也無(wú)法反駁。
但無(wú)論如何，3A背板終究還是開(kāi)裂了。Isovoltaic也因此破產(chǎn)，行業(yè)也無(wú)人再對3A背板感興趣，自然也就沒(méi)人知道3A背板到底因何開(kāi)裂。
兇手已死，受害人不再追究，一樁兇案從此無(wú)人提起。
時(shí)隔多年，3A背板開(kāi)裂的元兇，最近被美國國家標準技術(shù)研究院NIST的顧曉紅女士揭秘。
3A背板，竟然輸給豬隊友?
與鉆石不同，光伏組件背板材料不會(huì )永遠存在，背板是用作電氣絕緣并物理屏蔽太陽(yáng)能電池板背面的塑料層，也是最外層，紫外線(xiàn)、陣風(fēng)、大雨、污染等都會(huì )讓背板的使用壽命逐漸減短。
如果在外部放置足夠長(cháng)的時(shí)間，則任何基于塑料的背板材料都會(huì )崩塌，不同背板材料的降解速度不一樣，有些塑料的降解速度比其他塑料快得多。
而，3A背板的開(kāi)裂，比組件商承諾的25年來(lái)得更是早了很多。
為了弄清聚酰胺降解問(wèn)題的根源，NIST顧曉紅女士和她的團隊一直在研究環(huán)境因素和太陽(yáng)能電池板結構之間的相互作用，這些塑料如何被加速降解過(guò)程。
研究人員從全球各地(包括美國，中國，泰國和意大利)獲取了背板樣品，都是來(lái)自于使用了3-6年出現明顯過(guò)早開(kāi)裂跡象的組件。
通過(guò)仔細檢查破裂的聚酰胺材料背板，顧曉紅和她的同事發(fā)現背板中的裂紋通常首先在某些特征附近出現，例如藍色或黑色發(fā)電太陽(yáng)能電池之間的網(wǎng)格狀空間，并最終傳播到整個(gè)片材。
研究人員拿著(zhù)老化的背板進(jìn)行了一系列的化學(xué)和機械測試，檢查整個(gè)背板厚度范圍的降解方式和嚴重程度。結果表明，開(kāi)裂最嚴重的區域就是剛度最大的區域。但奇怪的是，最脆的區域在背板的內側，并非暴露于空氣的背板外層。
與暴露的外層相比，封閉的內部質(zhì)量為何會(huì )降解更快?是否因為正面的陽(yáng)光更強烈，紫外線(xiàn)更多?
但正面透過(guò)玻璃、再透過(guò)兩層封裝材料后，紫外線(xiàn)難道比直接暴露在空氣中的背面更厲害嗎?
很顯然，紫外線(xiàn)并非3A背板降解的直接元兇!
顧曉紅和她的團隊推測，是否是因為封裝材料的降解，產(chǎn)生了破壞性的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)朝著(zhù)背板遷移，加速了背板的衰變?如果是封裝材料引起，那為何太陽(yáng)能電池間隙區域更容易形成裂紋，電池片背后的區域裂紋較少呢?
研究人員認為，如果是正面的封裝材料在陽(yáng)光(包括紫外光)的照射下，更容易產(chǎn)生破壞性的化學(xué)物質(zhì)，那么正面封裝材料，包括電池片間隙中的封裝材料在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)，當這些化學(xué)物質(zhì)沿著(zhù)電池片的間隙向下遷移，就可以解釋為什么電池片間隙的背板更容易降解了。
研究人員認為乙酸是導致背板降解的主要嫌疑人，因為它對聚酰胺有害。通常認為，尼龍與玻璃纖維親合性十分良好，無(wú)毒性，但不可長(cháng)期與酸堿接觸。
而作為封裝材料的聚合物EVA(稱(chēng)為乙烯乙酸乙烯酯)在水汽、紫外線(xiàn)、溫度的作用下會(huì )發(fā)生降解，過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生乙酸。
為了檢驗他們的假設，研究人員將幾根聚酰胺試條放入醋酸瓶中，然后在五個(gè)月后分析了與放入空氣或水中的聚酰胺相比較它們的降解情況。
在顯微鏡下，暴露于乙酸的塑料條的表面上出現了裂紋，這些裂紋反映了降解的背板裂紋，看上去比在空氣或水中的裂紋要嚴重得多?；瘜W(xué)分析表明，在暴露于乙酸的聚酰胺樣品其降解產(chǎn)物較高，這進(jìn)一步證明了酸會(huì )加速背板材料的降解。
而EVA通常只有在水汽存在時(shí)才會(huì )發(fā)生水解，產(chǎn)生醋酸，正常的UV老化降解并不會(huì )產(chǎn)生酸。那么封裝在組件內部的EVA，其接觸的水汽是從哪里來(lái)的呢?
研究認為，所有背板都有一定的水汽透過(guò)率，而3A背板也不例外。尼龍本身的吸水性強，盡管玻璃纖維會(huì )降低其吸水性。這些水分接觸到EVA后，在電池片間隙的EVA材料由于接受了更強的光照，相比與電池片背面的EVA更容易產(chǎn)生水解。
這也解釋了為何裂紋更多地發(fā)生在電池片的間隙。
這項研究強調了EVA封裝材料和聚酰胺背板之間的相互作用，研究結果已發(fā)表在《光伏進(jìn)展：研究與應用》雜志。
3A咸魚(yú)，翻案還能翻身嗎?
不怕神一樣的對手，就怕豬一樣的隊友。3A背板，尼龍材料本身或許沒(méi)有問(wèn)題，也沒(méi)有死在不同背板技術(shù)路線(xiàn)對手的市場(chǎng)競爭中，卻中毒于同為BOM表中的EVA。
如果弄清了失效的原因，3A背板還有翻身的機會(huì )嗎?
對此，白色EVA封裝材料海優(yōu)威公司表示，現在的EVA和2013年前的EVA又有了很大的不同，以前的基本上是UV截止型，而之后包括現在用的基本都是UV透過(guò)型。盡管EVA的抗水解能力大大增強，但對于3A背板誰(shuí)都不敢保證。
那么如果不用EVA，而是采用POE封裝材料呢?
理論上來(lái)說(shuō)，POE封裝材料不會(huì )發(fā)生水解，也不會(huì )產(chǎn)生讓3A背板中毒的乙酸。但POE用作組件封裝材料，主要是為了改善抗PID性能，并更多地針對雙玻組件而開(kāi)發(fā)，因而業(yè)內在2016年之后開(kāi)始逐步接受POE。
而Isovoltaic恰好就在2016年，與POE這位神隊友擦肩而過(guò)。
但一位組件技術(shù)專(zhuān)家稱(chēng)，就算是POE也救不了3A。一方面是因為如果不是雙玻的需要，POE的成本遠高于EVA，根本無(wú)法在背板組件的BOM中與EVA抗衡;另一方面經(jīng)過(guò)多年降本，現在的含氟材料背板成本已經(jīng)非常低，幾乎不會(huì )給3A背板留下競爭空間。就算是3A背板的成本還有一點(diǎn)空間，經(jīng)歷了大面積開(kāi)裂后，誰(shuí)還敢放著(zhù)好好的含氟材料不用，去嘗試一款爆雷呢?
【結語(yǔ)】
逝者已去，3A背板給行業(yè)留下的教訓是非常深刻的。盡管如此，背板行業(yè)的各種創(chuàng )新嘗試仍值得肯定，并不能因為出現了事故和問(wèn)題，就否定了創(chuàng )新的價(jià)值。這么多年來(lái)背板降本之快，很大程度上來(lái)自材料選型的百花齊放，并且這兩年對透明背板的嘗試也很有意義。
回頭想想，3A背板如果在批量應用前先經(jīng)過(guò)戶(hù)外實(shí)證，大概很多事故也就可以避免了吧?
假設2010年參加實(shí)證，2013-2014年曝出問(wèn)題，于是正好邂逅POE……歷史開(kāi)始重寫(xiě)……
