3A背板失效揭秘 NIST揪出元兇

:2009年，奧地利老牌材料制造商Isovolta向光伏界推出了成本相對(duì)低廉且經(jīng)過(guò)第三方權(quán)威認(rèn)證的共擠型3A背板，又稱(chēng)尼龍背板。在當(dāng)時(shí)動(dòng)輒十幾元/瓦的組件價(jià)格面前，在氟膜供不應(yīng)求、背板路線(xiàn)之爭(zhēng)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(jié)構(gòu)性變革 - 3A背板，獲得了眾多組件廠商的青睞，其中不乏Top10一線(xiàn)組件廠商。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“光伏測(cè)試網(wǎng)”作者：testpv）

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(xiàn)大量微裂紋，投運(yùn)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(shù)GW級(jí)的光伏電站受影響，包括國(guó)內(nèi)的西部電站和海外如南非的電站事故，嚴(yán)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(shè)計(jì)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)該出現(xiàn)這些問(wèn)題的。

而創(chuàng)建于1949年的Isovolta，是電氣絕緣材料、復(fù)合材料和合成材料的國(guó)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(yàn)，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(yīng)該是信心滿(mǎn)滿(mǎn)。作為一家老牌材料企業(yè)，Isovolta對(duì)材料的選擇應(yīng)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(yīng)用研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并采用了通行的IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)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(guó)本土背板企業(yè)崛起，傳統(tǒng)PVF背板代表企業(yè)臺(tái)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(yīng)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)始被組件廠接受，并開(kāi)始批量應(yīng)用在光伏電站上。

盡管3A背板在安裝一年后開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋，但I(xiàn)sovoltaic認(rèn)為這在他們的技術(shù)可控范圍之內(nèi)：一種新材料在面世的過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)一些要改進(jìn)的地方。但從2015年起，戶(hù)外運(yùn)行了4-5年的電站背板開(kāi)始出現(xiàn)大面積的開(kāi)裂，讓Isovoltaic應(yīng)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(xiàn)認(rèn)為，導(dǎo)致開(kāi)裂問(wèn)題的原因可能是3A背板中加了玻璃纖維，因?yàn)楸嘲彘_(kāi)裂的方向和玻璃纖維方向一致，所以有說(shuō)法認(rèn)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(rèn)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(wěn)定性和電性能，必須采用纖維增強(qiáng)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(rèn)為，尼龍材料耐光性較差，在長(zhǎng)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(duì)于尼龍材料本身的爭(zhēng)論，以及所用的玻璃纖維增強(qiáng)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(duì)業(yè)界的質(zhì)疑用其試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明尼龍材料用于背板的可靠性。對(duì)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(duì)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST的顧曉紅女士揭秘。

3A背板，竟然輸給豬隊(duì)友？

與鉆石不同，光伏組件背板材料不會(huì)永遠(yuǎn)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)一直在研究環(huán)境因素和太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)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(guó)，中國(guó)，泰國(guó)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(xiàn)明顯過(guò)早開(kāi)裂跡象的組件。

通過(guò)仔細(xì)檢查破裂的聚酰胺材料背板，顧曉紅和她的同事發(fā)現(xiàn)背板中的裂紋通常首先在某些特征附近出現(xiàn)，例如藍(lán)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。

研究人員拿著老化的背板進(jìn)行了一系列的化學(xué)和機(jī)械測(cè)試，檢查整個(gè)背板厚度范圍的降解方式和嚴(yán)重程度。結(jié)果表明，開(kāi)裂最嚴(yán)重的區(qū)域就是剛度最大的區(qū)域。但奇怪的是，最脆的區(qū)域在背板的內(nèi)側(cè)，并非暴露于空氣的背板外層。

與暴露的外層相比，封閉的內(nèi)部質(zhì)量為何會(huì)降解更快？是否因?yàn)檎娴年?yáng)光更強(qiáng)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(tuán)隊(duì)推測(cè)，是否是因?yàn)榉庋b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(qū)域更容易形成裂紋，電池片背后的區(qū)域裂紋較少呢？

研究人員認(rèn)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(dāng)這些化學(xué)物質(zhì)沿著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(rèn)為乙酸是導(dǎo)致背板降解的主要嫌疑人，因?yàn)樗鼘?duì)聚酰胺有害。通常認(rèn)為，尼龍與玻璃纖維親合性十分良好，無(wú)毒性，但不可長(zhǎng)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(yàn)他們的假設(shè)，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(xiàn)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(yán)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(nèi)部的EVA，其接觸的水汽是從哪里來(lái)的呢？

研究認(rèn)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(qiáng)，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(qiáng)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(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了EVA封裝材料和聚酰胺背板之間的相互作用，研究結(jié)果已發(fā)表在《光伏進(jìn)展：研究與應(yīng)用》雜志。

3A咸魚(yú)，翻案還能翻身嗎？

不怕神一樣的對(duì)手，就怕豬一樣的隊(duì)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(duì)手的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jī)會(huì)嗎？

對(duì)此，白色EVA封裝材料海優(yōu)威公司表示，現(xiàn)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(xiàn)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(qiáng)，但對(duì)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(duì)雙玻組件而開(kāi)發(fā)，因而業(yè)內(nèi)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(duì)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?yàn)槿绻皇请p玻的需要，POE的成本遠(yuǎn)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(xiàn)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(jìng)爭(zhēng)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)還敢放著好好的含氟材料不用，去嘗試一款爆雷呢？

【結(jié)語(yǔ)】

逝者已去，3A背板給行業(yè)留下的教訓(xùn)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?yàn)槌霈F(xiàn)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(duì)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(yīng)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(shè)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)……