光伏材料的革新歷經(jīng)十多年,今天我們?cè)跒槿绾巫尣牧现Ω叩慕M件效率時(shí),絕大多數(shù)的光伏人都不知道十年前的光伏工程師都經(jīng)歷了什么!或許有人說現(xiàn)在的背板、高透/白色EVA不都是組件BOM標(biāo)配嗎?組件良率99.9%不是標(biāo)準(zhǔn)工藝要求嗎?正值2019光伏聚合物國際大會(huì)召開前夕,讓我們來聽一聽光伏前輩、十多年前的無錫尚德副總工程師溫建軍先生講述當(dāng)年為了做出一塊合格的組件所做的各種努力。
01當(dāng)年的EVA,多來自日本
眾所周知,EVA熱熔膠膜是封裝晶體硅太陽電池組件的重要材料之一。目前,各種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的國產(chǎn)EVA產(chǎn)品為制造質(zhì)高價(jià)低的太陽電池組件提供了有力的保障。福斯特、海優(yōu)威、東方日升在EVA膠膜領(lǐng)域占了全球90%以上的份額??墒窃谑畮啄昵埃闆r并不是這樣,當(dāng)時(shí)國內(nèi)僅有個(gè)別廠家生產(chǎn)EVA產(chǎn)品,組件生產(chǎn)大多是用日本歐洲等國外的EVA膠膜。
如今的你,是否聽說過三井、勝邦、普利司通、Sanvic、3M?2008年前,全球范圍內(nèi)EVA膠膜市場(chǎng)占有率前三分別是美國勝邦(STR)、日本三井化學(xué)、普利斯通,直到2009年杭州福斯特才躋身前三,四家總共占據(jù)了全球80%以上的EVA膠膜市場(chǎng)份額。
美國勝邦STR擁有美國、西班牙和馬來西亞三家工廠,截止2011年底,公司EVA膠膜產(chǎn)能達(dá)到1.5億平米。三井化學(xué)、普利司通都是日本的老牌巨頭,不僅提供EVA粒子,還生產(chǎn) EVA膠膜。
為何進(jìn)口產(chǎn)品中尤以日本的居多?原因之一是由于EVA產(chǎn)品運(yùn)輸過程中需要冷藏,還有一定期限的保質(zhì)期,日本距離較近,海運(yùn)周期短,相當(dāng)于延長了EVA膠膜的使用期,運(yùn)輸費(fèi)用也相對(duì)低廉。所以,美國勝邦在鼎盛時(shí)期已經(jīng)在常熟選址(就在現(xiàn)在的中來對(duì)面、騰暉隔壁)準(zhǔn)備建廠。
02當(dāng)年的EVA,都讓人頭疼
然而不僅國產(chǎn),即使是進(jìn)口的EVA膠膜,也都存在諸多讓人頭疼的問題,只是在程度上有所不同而已。
l 問題多:主要問題有:收縮率較大、耐老化性不足,易黃變、厚薄不勻、平整度不好、有雜質(zhì)、清潔度也有待提高、裁切不準(zhǔn)確、交聯(lián)固化時(shí)間長、交聯(lián)度不均勻且測(cè)試方法復(fù)雜等等。
l 型號(hào)少:作為保護(hù)太陽電池“上鋪下墊”的EVA膠膜,無論是國產(chǎn)還是進(jìn)口的,那時(shí)各個(gè)生產(chǎn)廠家都只有一種型號(hào),品種單一,且質(zhì)量良莠不齊,雖然總體上進(jìn)口比國產(chǎn)好,但也有很多不足。
l 性能差異大:不同廠家產(chǎn)品的性能差異給組件生產(chǎn)帶來很多麻煩。
l 進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格高。
這些問題的存在,讓EVA很難滿足迅速發(fā)展的太陽電池組件制造需求。
03當(dāng)年的EVA,創(chuàng)新發(fā)展了十年
直到2015年前后,EVA膠膜的配方才基本定型,不再有太多的變化,成熟應(yīng)用于常規(guī)組件和雙玻組件,并在很大程度上幫助改善了PID和蝸牛紋現(xiàn)象。然而2015年之前的EVA,幾乎每年都在革新。無錫尚德是國內(nèi)首家大規(guī)模量產(chǎn)組件的企業(yè),下面講幾個(gè)尚德公司與改善EVA膠膜品質(zhì)、解決組件生產(chǎn)過程中問題的故事。這些對(duì)于現(xiàn)在的組件生產(chǎn)來說可能不值一提,而在當(dāng)時(shí)的確困擾了組件生產(chǎn)線很久
1) 改善EVA膠膜產(chǎn)品的收縮率與組件生產(chǎn)的精確層疊工藝方法
EVA膠膜加熱后收縮率比較大,尤其是在長度方向上和寬度方向上收縮率的差異則更大,這給組件生產(chǎn)帶來了很大問題。首先是電池串橫向、電池豎向位移和匯流條位移。電池串位移使串間距不等,嚴(yán)重時(shí)并串甚至重疊。電池位移則導(dǎo)致電池間互連條凸起,在組件背面形成鼓包,嚴(yán)重時(shí)引起電池碎片和鼓包刺破背板。記得有些企業(yè)為使鼓包不那么明顯,在組件剛出層壓機(jī)還有余熱時(shí),用一塊類似彈棉花時(shí)壓棉絮的圓形壓板來回壓磨組件背面,或者用電熨斗來壓磨鼓包,想方設(shè)法使鼓包內(nèi)的互連條平整些,豈不知這樣壓磨極易造成電池產(chǎn)生隱裂。匯流條位移使間距不等甚至并在一起造成短路也是經(jīng)常發(fā)生的,不得已有些企業(yè)則干脆把匯流條做到電池背面,這樣匯流條位移問題雖然解決了,但物料和人工成本增加不說,還增加了電池隱裂的風(fēng)險(xiǎn)和組件局部散熱不良。為了防止電池串、電池以及匯流條位移,工程師想辦法在電池背面加鋪過玻璃纖維,位移情況有所改善,但增加了成本,有時(shí)會(huì)因玻璃纖維內(nèi)的異物引起組件內(nèi)產(chǎn)生氣泡,同時(shí)還影響生產(chǎn)線員工的健康。
EVA膠膜加熱后收縮率大帶來的另一個(gè)問題是需要加大EVA膠膜的尺寸來防止EVA縮到組件內(nèi)部,造成組件邊緣無EVA膠的情況。以前EVA膠膜和背板尺寸都要大于玻璃四周幾厘米,多出來的EVA膠膜不僅浪費(fèi)材料,還污染了層壓機(jī)、傳送帶以及組件自身。層壓機(jī)和傳送帶被污染會(huì)使后續(xù)組件沾污和產(chǎn)生壓痕,嚴(yán)重時(shí)組件粘在層壓機(jī)上蓋或高溫布上掉下來被摔碎。組件割邊割下來的廢料每天都有好幾大包,不僅浪費(fèi)價(jià)格不菲的EVA膠膜和TPT背板,還污染環(huán)境。組件自身粘上的EVA膠則需要大量人工來清潔,當(dāng)時(shí)除了手工焊接電池工序的員工比較多以外,整個(gè)組件生產(chǎn)線就數(shù)清潔組件的員工最多了,用酒精溶解、用美工刀刮、用鋼絲球蹭、用無紡布擦,費(fèi)了好大勁也很難清理干凈,消耗了大量人力物力,有時(shí)員工還會(huì)被割傷,并經(jīng)常因殘留在組件上的EVA膠沒清理干凈而招來客戶投訴。還有來回搬運(yùn)和翻轉(zhuǎn)組件會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)生隱裂甚至撞碎組件。這些幾乎都是EVA膠膜收縮率過大惹的禍。
大家知道,EVA膠膜生產(chǎn)有壓延法和流延法兩種不同的工藝,一般情況下壓延法生產(chǎn)的收縮率小于流延法,所以尚德公司初期基本上采用的都是日本公司壓延法生產(chǎn)的EVA膠膜。盡管如此,其收縮率依然不穩(wěn)定,遠(yuǎn)未達(dá)到期望值。后來經(jīng)與許多國內(nèi)外廠家反復(fù)溝通、試驗(yàn),不斷努力,逐步實(shí)現(xiàn)了無論用什么工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品收縮率等指標(biāo)都能達(dá)到組件生產(chǎn)的技術(shù)要求了,尚德公司也就有了更多的選擇,并開始使用物美價(jià)廉的國產(chǎn)EVA膠膜了,同時(shí)逐步取消了在電池背面加鋪的玻璃纖維。
在此基礎(chǔ)上尚德還改善了EVA膠膜和背板的裁剪尺寸和鋪設(shè)方法,在全公司實(shí)施,從而有效地避免了組件在層壓工序被污染的發(fā)生,并使層壓件無需割邊,無需清除玻璃和背板上殘留的EVA膠,減少了電池產(chǎn)生隱裂的幾率,減少了生產(chǎn)工序,節(jié)省了人力成本,提高了生產(chǎn)效率,同時(shí),節(jié)約了EVA膠膜、背板和其他相關(guān)耗材,延長了層壓機(jī)膠皮的使用壽命,提高了組件的產(chǎn)品質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本,取得了良好效果和極大的經(jīng)濟(jì)收益。為此2009年9月8日尚德申請(qǐng)了《一種太陽電池組件及其層疊的方法》的發(fā)明專利。
2) 改善EVA膠膜黃變
EVA膠膜黃變影響組件轉(zhuǎn)換效率,嚴(yán)重影響組件外觀和使用壽命,這是早期EVA膠膜產(chǎn)品的又一大缺陷。其實(shí)上世紀(jì)80年代國內(nèi)就在生產(chǎn)EVA產(chǎn)品了,黃變問題困擾了相當(dāng)長的一段時(shí)間。當(dāng)時(shí)即使是國外的進(jìn)口EVA產(chǎn)品也有黃變嚴(yán)重的,有時(shí)在車間看到成卷的EVA膠膜都是淡黃色。有些則是在雙85或紫外照射等老化試驗(yàn)后呈現(xiàn)黃色。經(jīng)過EVA膠膜生產(chǎn)企業(yè)的努力,逐步解決了產(chǎn)品黃變的問題,現(xiàn)在已基本不存在這個(gè)現(xiàn)象了。
3) 改善批量生產(chǎn)EVA膠膜的厚度一致性、平整度、清潔度和穩(wěn)定性
大家知道,組件內(nèi)氣泡是組件生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生的一種常見缺陷,就是到現(xiàn)在也會(huì)偶有產(chǎn)生,只是以往更為嚴(yán)重些。組件產(chǎn)生氣泡的原因除了玻璃等其他原材料、組件生產(chǎn)工藝和設(shè)備上的一些問題外,EVA膠膜的厚度一致性、平整度、清潔度、有異物等缺陷也是主要因素之一。在電池背面加鋪一層玻璃纖維也是當(dāng)時(shí)解決氣泡問題的方法之一。時(shí)至今日,因EVA膠膜這些不良而引起的氣泡問題已是鳳毛麟角了。
4) 改善EVA膠膜交聯(lián)固化時(shí)間長、交聯(lián)度不均勻且測(cè)試方法復(fù)雜的問題
早期的EVA膠膜屬于慢固化型,交聯(lián)固化的時(shí)間相對(duì)比較長,國內(nèi)外廠家一般都使用二次固化工藝進(jìn)行生產(chǎn),也就是先在層壓機(jī)中完成預(yù)層壓,然后放入烘箱中來使EVA膠膜交聯(lián)固化。早期層壓機(jī)加熱板的溫度均勻性較差,烘箱內(nèi)的溫度也不均勻,這對(duì)組件內(nèi)EVA膠層的交聯(lián)固化影響極大,EVA膠層交聯(lián)度不一致將嚴(yán)重影響組件產(chǎn)品質(zhì)量。為提高組件生產(chǎn)效率、保證EVA膠層交聯(lián)度均勻,尚德開發(fā)了全自動(dòng)固化爐,組件在固化爐一頭進(jìn)去,從另一頭出來,并一直保持旋轉(zhuǎn),效果良好。2005年12月31日尚德申請(qǐng)了《晶體硅太陽電池組件全自動(dòng)固化爐》的實(shí)用新型專利。后來EVA膠膜逐漸都改成快固型的了,固化爐就被省略。當(dāng)然現(xiàn)在又開發(fā)了兩段乃至三段的層壓機(jī),包括層壓、固化和冷卻,這大大加快了生產(chǎn)節(jié)奏,提高了生產(chǎn)效率和組件產(chǎn)品的質(zhì)量。
測(cè)量組件內(nèi)EVA膠層交聯(lián)度是否均勻一致,是組件產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。二甲苯萃取法是測(cè)試組件層壓后EVA膠層交聯(lián)度常用的傳統(tǒng)方法。該方法測(cè)試需時(shí)間較長、干擾因素多、反映生產(chǎn)線上的實(shí)際狀態(tài)較慢,且操作較復(fù)雜,對(duì)操作員工的身體也不利,還易燃,需要有較嚴(yán)格的防護(hù)措施,目前大多廠家還在用此法測(cè)試EVA膠層的交聯(lián)度。有不少公司實(shí)驗(yàn)室采用DSC(差示掃描量熱法)來替代二甲苯萃取法,也有廠家用DSC監(jiān)控日常生產(chǎn)時(shí)組件內(nèi)交聯(lián)度狀態(tài)的。2013年前后,有家歐洲公司和國內(nèi)的正泰公司推出了EVA交聯(lián)度在線監(jiān)測(cè)技術(shù),備受關(guān)注(光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇2018年光伏聚合物大會(huì)專程邀請(qǐng)了德國洪堡大學(xué)的教授介紹了在線監(jiān)測(cè)EVA交聯(lián)度的原理和開發(fā)過程),但隨著EVA交聯(lián)固化設(shè)備和工藝的不斷成熟,在線監(jiān)測(cè)交聯(lián)度盡管很重要,但似乎已經(jīng)沒有太大必要,這項(xiàng)技術(shù)沒有得到太多應(yīng)用。
5) 關(guān)于晶體硅太陽電池組件用前后EVA材料的不同要求和標(biāo)準(zhǔn)
自從用EVA熱熔膠膜制作太陽電池組件以來,很長一段時(shí)間內(nèi),電池前后都是用同一種膠膜。這是為防止EVA膠膜和背板在陽光尤其是紫外光的作用下被分解老化和黃變,因此需在EVA膠膜生產(chǎn)原料中加入抗紫外劑來阻止紫外線穿過EVA層而照射到背板上。這樣雖然在一定程度上保護(hù)了背板,但卻阻止了大部分紫外光到達(dá)電池,使得電池?zé)o法接收這部分能量,從而降低了組件的輸出功率。近年來電池的方塊電阻越做越高,電池短波響應(yīng)越來越好,不能透過紫外線的EVA層對(duì)組件輸出功率的影響越來越大。所以,在確保EVA膠膜本身和背板不會(huì)因紫外線透過而老化黃變的前提下,電池正面采用紫外和可見光都可透過的高透過率EVA膠膜,電池背面則采用低紫外線透過甚至是反光良好的白色EVA膠膜就顯得越來越有必要。尚德在十幾年前就給國內(nèi)外生產(chǎn)EVA膠膜的合作廠家提出此建議,只是無奈國外廠家反映極慢,長時(shí)間不肯做出改善。而以福斯特為代表的國內(nèi)廠家則積極響應(yīng),經(jīng)過不斷摸索,反復(fù)試驗(yàn),于2009年前后推出了高透過率的F406型和低透過率的F806型EVA膠膜產(chǎn)品。近年來所有EVA膠膜的生產(chǎn)廠家,無論是國內(nèi)還是國外廠家,毫無例外地都提供質(zhì)量可靠的高透過率型和截止型兩種EVA膠膜產(chǎn)品,同時(shí)組件生產(chǎn)幾乎全行業(yè)都在電池前后分別配合使用高透過率型和截止型兩種EVA膠膜了。當(dāng)然好像還有極個(gè)別的組件生產(chǎn)廠家不肯配合使用,自然也無可厚非。
而對(duì)于電池背面用白色反光型EVA膠膜,福斯特也積極配合,在2010年就為尚德公司提供了樣品,雖然當(dāng)時(shí)還存在背面白色EVA在層壓過程中溢出到電池邊緣形成翻邊等缺陷,但畢竟為制作白色雙玻組件樣品給予了極大幫助,并取得良好效果,更加增強(qiáng)了對(duì)雙玻組件的信心。后來繼續(xù)對(duì)白色EVA膠膜翻邊等缺陷不斷進(jìn)行改善,2015年福斯特正式推出F806W型白色EVA膠膜。現(xiàn)在,白色EVA膠膜不僅在雙玻組件,在常規(guī)組件的制造中也起到很好的效果。圖4和圖5是2010年 8月尚德制作的幾種雙玻組件老化后的檢驗(yàn)報(bào)告,報(bào)告顯示白色雙玻組件經(jīng)過雙85老化試驗(yàn)后不僅輸出功率未見下降,反而略有提高。
高透、截止以及白色EVA膠膜的應(yīng)用在尚德2011年11月11日申請(qǐng)的實(shí)用新型專利《太陽電池雙玻組件》和2012年9月在第12屆光伏大會(huì)上發(fā)表的論文《太陽電池組件用前后EVA材料的不同技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)討論》中均有闡述。
6) 關(guān)于晶體硅太陽電池組件蝸牛紋和PID現(xiàn)象
晶體硅太陽電池組件產(chǎn)生蝸牛紋和PID現(xiàn)象的因素比較復(fù)雜,如蝸牛紋現(xiàn)象最主要的原因是電池隱裂,PID現(xiàn)象最主要的原因是組件表面的高電壓(P型硅片的電池為負(fù)高壓,N型硅片的電池為正高壓),而僅靠改善EVA膠膜的性能則是不夠的,需要從電池制造、熱熔膠膜原料、組件結(jié)構(gòu)、組件搬運(yùn)和安裝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防護(hù)等多方面來預(yù)防蝸牛紋和PID現(xiàn)象的發(fā)生。盡管如此,在硅料為王、電池為爺、材料為孫的年代,組件廠把巨大的壓力轉(zhuǎn)給了材料供應(yīng)商,而EVA膠膜供應(yīng)商也不負(fù)眾望,針對(duì)這兩個(gè)現(xiàn)象,從自身做了一些改善,配合電池的一些改善,也取得了很好的效果。2012年,通過提高EVA的體積電阻,海優(yōu)威率先、其他廠家陸續(xù)在行業(yè)推出了高抗PID和蝸牛紋的EVA膠膜。
04當(dāng)年的EVA技術(shù)創(chuàng)新,一路護(hù)航光伏十年輝煌成就
通過以上對(duì)EVA膠膜不斷進(jìn)行改善的故事,使我們深深地體會(huì)到不間斷的改善對(duì)提高組件產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的重要性。對(duì)于太陽電池組件產(chǎn)品來說,一項(xiàng)可以被廣泛應(yīng)用的技術(shù)、工藝或材料一定要滿足降低制造成本、提高轉(zhuǎn)換效率、延長使用壽命和滿足客戶需求這幾項(xiàng)要求,并使其達(dá)到和諧統(tǒng)一,也就是常說的性價(jià)比要高。這其中,延長使用壽命是保證組件產(chǎn)品質(zhì)量的底線,所有改善后的結(jié)果,都必須滿足組件產(chǎn)品戶外使用大于25年且衰減小于20%這個(gè)最基本的條件,這樣的例子太多了。僅舉一例,最典型的就是雙玻組件,為什么幾乎所有生產(chǎn)雙玻組件的廠家都有底氣號(hào)稱雙玻組件保質(zhì)期到30年,而不是常規(guī)組件的25年,為什么中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)2019年1月28日頒布3月1日起實(shí)施的《地面用雙玻晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定將各種環(huán)境試驗(yàn)后最大功率衰減幅度不大于3%,而不是常規(guī)組件的5%,這都是在基于嚴(yán)格的老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上才制定出來的,而并不是人云亦云,聽風(fēng)是雨的隨意之為。
無論是創(chuàng)新也好,還是改善也罷,都是要擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的。而穩(wěn)定的技術(shù)才是最關(guān)鍵的,我們需要在現(xiàn)有的條件下,把工作做得更縝密,更細(xì)致。一款產(chǎn)品在上市之前需要經(jīng)過構(gòu)思、研發(fā)、測(cè)試、試產(chǎn)、試用、測(cè)試、量產(chǎn)這些階段,其中還有多次反復(fù),只有當(dāng)設(shè)想的產(chǎn)品通過制造并和客戶達(dá)到完美的契合,這時(shí)才能夠給客戶穩(wěn)定地交付產(chǎn)品,以此來確保我們的組件產(chǎn)品能不斷降低制造成本、提高轉(zhuǎn)換效率、延長使用壽命和滿足客戶需求,為光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)多做貢獻(xiàn)。
來源: 溫建軍 光伏測(cè)試網(wǎng)