Что делает межслойную пленку ПВБ фотоэлектрического класса необходимой для солнечных модулей?

Поскольку глобальная индустрия солнечной энергетики стремится к повышению эффективности модулей, увеличению срока службы и снижению приведенной стоимости энергии (LCOE), материаловедение, лежащее в основе каждого слоя фотоэлектрического модуля, подвергается все большему вниманию. Среди герметизирующих материалов, используемых в конструкции солнечных модулей, промежуточная пленка из поливинилбутираля (ПВБ) фотоэлектрического качества приобрела значительную и растущую роль — особенно в конфигурациях модулей «стекло-стекло», встроенных в здания фотоэлектрических модулях (BIPV) и в приложениях, где оптическая прозрачность, механическая защита и долговременная устойчивость к атмосферным воздействиям должны быть достигнуты одновременно. Понимание того, что такое межслойная пленка PVB класса PV, как она работает и что отличает высококачественный материал от товарных альтернатив, является важным знанием для производителей модулей, инженеров по материалам и специалистов по закупкам, работающих в области солнечной энергии.

Что такое межслойная пленка ПВБ фотоэлектрического класса?

Поливинилбутираль (ПВБ) — термопластичная смола, получаемая реакцией поливинилового спирта с бутиральдегидом. В виде пленки ПВБ десятилетиями использовался в качестве промежуточного слоя в многослойном архитектурном безопасном стекле, где он соединяет вместе два или более стеклянных панели и предотвращает их распад на опасные фрагменты при ударе. Межслойная пленка ПВБ фотоэлектрического класса представляет собой специально разработанный вариант этого материала, оптимизированный для требований герметизации солнечных модулей, а не архитектурного остекления.

Различие между стандартным архитектурным PVB и фотоэлектрический PVB — это не просто коммерческая маркировка — она отражает существенные различия в формулировке. ПВБ класса PV разработан для достижения более высокого оптического пропускания на длинах волн, используемых фотоэлектрическими элементами (обычно 350–1100 нм для кристаллического кремния), более низкой скорости пропускания водяного пара для защиты чувствительной металлизации элемента от коррозии, вызванной влагой, повышенной устойчивости к ультрафиолетовому излучению для предотвращения пожелтения в течение 25-летнего срока службы и оптимизированной адгезии как к стеклу, так и к поверхностям элементов в условиях термоциклирования, встречающихся в наружных солнечных установках. Стандартный архитектурный ПВБ, разработанный в первую очередь для обеспечения ударопрочности и безопасности в остеклении, не сможет надежно удовлетворить этим требованиям, специфичным для фотоэлектрических систем, без изменения формулировки.

Основные физические и химические свойства пленки ПВБ класса PV

Характеристики промежуточной пленки ПВБ класса PV в готовом модуле зависят от набора взаимосвязанных свойств материала, которые необходимо одновременно оптимизировать. Пленка, которая превосходна в одном измерении, но не дотягивает в другом, все равно может привести к деградации или выходу модуля из строя в течение расчетного срока службы 25–30 лет, ожидаемого для коммерческих солнечных установок.

Спецификация объемного удельного сопротивления заслуживает особого внимания в контексте фотоэлектрических модулей. В отличие от архитектурного ПВБ, от которого не требуется обеспечивать электрическую изоляцию, ПВБ фотоэлектрического класса должен поддерживать высокое электрическое сопротивление между солнечными элементами и каркасом модуля, что особенно важно для тонкопленочных модулей и в системах, где потенциально-индуцированная деградация (ПИД) представляет собой риск. Некоторые составы ПВБ класса PV включают специальные добавки, которые поддерживают высокое объемное сопротивление даже после длительного воздействия повышенной температуры и влажности, устраняя один из ключевых механизмов деградации, наблюдаемых в модулях, состаренных в полевых условиях.

PVB против EVA против POE: выбор правильного герметика для солнечных модулей

ПВБ — один из трех основных типов герметизирующей пленки, используемых в производстве фотоэлектрических модулей, наряду с этиленвинилацетатом (ЭВА) и полиолефиновым эластомером (ПОЭ). Каждый материал имеет отдельный профиль производительности, и выбор между ними зависит от архитектуры модуля, среды приложения и требований к производительности.

ПВБ против ЕВА

EVA исторически был доминирующим герметиком в солнечной промышленности благодаря своей низкой стоимости, хорошо изученным характеристикам ламинирования и широкой совместимости со стандартными конструкциями модулей. Однако у EVA есть известные ограничения, которые PVB напрямую устраняет. ЭВА чувствителен к образованию уксусной кислоты, поскольку он разлагается под воздействием ультрафиолета и повышенной температуры — уксусная кислота ускоряет коррозию контактов серебряных элементов и может вызвать изменение цвета герметика, что со временем снижает производительность модуля. ПВБ не образует уксусную кислоту при разложении, что делает его более химически стабильным при контакте с металлизацией клеток. ПВБ также имеет меньшую паропроницаемость, чем стандартные сорта ЭВА, обеспечивая лучшую защиту от влаги во влажной среде.

Компромисс заключается в том, что ПВБ более гигроскопичен, чем ЭВА в неотвержденной форме, и требует условий хранения с контролируемой влажностью — обычно ниже 30% относительной влажности — чтобы предотвратить поглощение влаги перед ламинированием. Попадание влаги перед ламинированием может привести к образованию пузырьков и нарушению адгезии в готовом модуле. EVA менее чувствителен к условиям хранения, что упрощает логистику в менее контролируемых средах.

PVB против POE

В последние годы POE-герметики завоевали значительную долю рынка, особенно в модулях стекло-стекло и технологиях гетеропереходных ячеек (HJT), из-за их очень низкой скорости пропускания водяного пара, высокого объемного удельного сопротивления и устойчивости к потенциально-индуцированной деградации. По этим параметрам производительности POE в целом сравним с PVB, а в некоторых случаях превосходит его. Однако POE имеет более высокую стоимость сырья, чем PVB, требует другого окна процесса ламинирования (обычно более низкое давление и более длительное время цикла, чем PVB), и имеет меньше установленных долгосрочных полевых данных, чем PVB, который используется в архитектурном многослойном стекле более 50 лет и в солнечных модулях более 20 лет.

PVB сохраняет определенное преимущество перед POE в приложениях BIPV и модулях из стекла и стекла, где безопасность после ламинирования является нормативным требованием. Многослойное стекло из ПВБ имеет хорошо зарекомендовавшую себя систему сертификации безопасности в соответствии со стандартами EN 14449 и ANSI Z97.1, а модули BIPV, использующие промежуточные слои ПВБ, могут ссылаться на эту установленную основу сертификации, а не квалифицировать совершенно новый материал в соответствии с правилами строительной продукции, что является значительным преимуществом с коммерческой и нормативной точки зрения.

Роль прослойки ПВБ в конструкции стеклянных модулей

Архитектура модуля «стекло-стекло» — с использованием двух стеклянных подложек, между которыми находится цепочка ячеек, а не стеклянного переднего листа и полимерного заднего листа — является одним из наиболее быстрорастущих сегментов рынка солнечной энергии, обусловленным превосходной долгосрочной надежностью, двусторонними характеристиками и эстетическими требованиями приложений, включая установки на крыше, солнечные фасады, мансардные окна и навесы для солнечных батарей. Межслойная пленка ПВБ особенно хорошо подходит для модулей стекло-стекло как по техническим причинам, так и по причинам, связанным с конкретным применением.

С технической точки зрения, ПВБ образует химическую адгезионную связь со стеклянными поверхностями на молекулярном уровне посредством гидроксильных групп в полимере, реагирующих с силанольными группами на поверхности стекла – тот же химический состав связи, который делает ПВБ предпочтительным герметиком в конструкционном многослойном стекле. Эта связь механически прочнее и долговечнее при термоциклировании, чем клеевая связь, образуемая EVA или POE со стеклом, которая по своей природе в основном механическая, а не химическая. В модулях стекло-стекло, подвергающихся повторяющимся циклам термического расширения и сжатия в течение 25 лет, химическая адгезия ПВБ обеспечивает устойчивость к расслоению более надежно, чем материалы, основанные только на физической адгезии.

В частности, для приложений BIPV использование промежуточного слоя PVB позволяет классифицировать солнечные модули как безопасное стекло в соответствии со строительными нормами в большинстве юрисдикций. Модуль фасада здания или потолочное остекление, содержащее солнечные элементы, должны соответствовать тем же требованиям к безопасному остеклению, что и обычное архитектурное стекло — оставаться на месте и не распадаться на опасные осколки в случае разбития. Хорошо зарекомендовавшие себя показатели безопасности многослойного стекла ПВБ, подтвержденные десятилетиями испытаний и практическим опытом в архитектурной отрасли, позволяют модулям BIPV, использующим промежуточные слои ПВБ, напрямую получать доступ к этой системе сертификации, упрощая процессы получения разрешений на строительство и утверждения продукции.

Требования к процессу ламинирования ПВБ-пленки класса PV

Процесс ламинирования промежуточной пленки ПВБ класса PV при производстве солнечных модулей отличается в нескольких важных аспектах от процесса ламинирования EVA, который используют большинство производителей модулей, и эти различия необходимо понимать и учитывать при разработке процесса и спецификации оборудования.

Ламинирование ПВБ — это термопластический процесс, а не термореактивный процесс. ЭВА подвергается химической реакции сшивки во время ламинирования, которая превращает его из термопласта в термореактивный материал, требуя тщательно контролируемого времени отверждения при температуре для достижения полной плотности сшивки. ПВБ просто течет и склеивается под действием тепла и давления, а затем затвердевает при охлаждении — не требуется никакой реакции отверждения, поэтому этот процесс происходит быстрее и более щадит изменения температуры ламинатора, чем обработка ЭВА. Типичные условия ламинирования ПВБ составляют 145–155°C при давлении 0,8–1,2 бар, общая продолжительность цикла ламинирования составляет 8–15 минут в зависимости от толщины модуля и конструкции ламинатора.

Однако термопластичная природа ПВБ также означает, что с готовым модулем необходимо обращаться осторожно при повышенных температурах, особенно на этапе охлаждения после ламинирования, поскольку промежуточный слой ПВБ остается мягким и деформируемым при температуре выше примерно 60–70°C. Системы перемещения модулей должны быть спроектированы таким образом, чтобы во время охлаждения равномерно поддерживать всю площадь модуля, избегая точечных нагрузок, которые могут деформировать мягкий промежуточный слой до того, как он затвердеет до своих окончательных размеров. Это требование к контролируемому охлаждению менее критично для модулей, инкапсулированных из этиленвинилацетата, где сшитый термореактивный материал сохраняет свою механическую целостность при повышенных температурах.

Стандарты испытаний долгосрочной долговечности и надежности

Промежуточная пленка ПВБ класса PV должна демонстрировать долговременную стойкость к воздействиям окружающей среды, возникающим в наружных солнечных установках — УФ-излучению, термоциклированию, влажности и механическим нагрузкам. Основа первичных квалификационных испытаний фотоэлектрических модулей и их герметизирующих материалов определяется стандартами IEC 61215 (кристаллические кремниевые модули) и IEC 61730 (квалификация безопасности модулей), при этом конкретные испытания герметизирующих материалов указаны в протоколах испытаний на уровне модуля.

• Испытание на влажную жару (IEC 61215, 1000 часов при 85°C/85% относительной влажности): Это испытание на ускоренное старение является наиболее требовательным стандартным испытанием на долговечность герметиков модулей. Промежуточные слои ПВБ должны сохранять адгезию к стеклу, оптическую прозрачность и электроизоляционные свойства после 1000 часов непрерывного воздействия. Теперь доступны составы ПВБ премиум-класса, которые проходят расширенные испытания на влажную жару в течение 2000 часов, что обеспечивает дополнительный запас для модулей, предназначенных для использования в тропических условиях с высокой влажностью.
• Испытание на термоциклирование (IEC 61215, 200 циклов от −40°C до 85°C): Повторяющиеся термоциклы усиливают адгезионную связь между промежуточным слоем ПВБ и поверхностями стекла и ячеек. Любое расслоение, растрескивание или оптическое ухудшение, наблюдаемое после испытания, считается отказом. Несоответствие коэффициента теплового расширения между ПВБ и стеклом должно регулироваться посредством рецептуры, чтобы минимизировать напряжение сдвига на границе раздела во время езды на велосипеде.
• Предварительная УФ-кондиция и УФ-тест (IEC 61215): Воздействие определенной дозы УФ-излучения, эквивалентной нескольким месяцам наружного облучения, используется для ускорения механизмов фотохимического разложения. Пожелтение герметика, измеряемое как увеличение индекса желтизны, является основным контролируемым способом разложения. В состав ПВБ-класса входят УФ-стабилизаторы и антиоксиданты, специально выбранные для минимизации пожелтения при длительном воздействии УФ-излучения.
• Тестирование на потенциально-индуцированную деградацию (PID) (IEC TS 62804): При тестировании ФИД применяется высокое напряжение между ячейками модуля и корпусом во влажной среде, чтобы оценить устойчивость модуля к снижению мощности, вызванному миграцией ионов через герметик. Высокое объемное сопротивление в промежуточном слое ПВБ является основной защитой на уровне материала от ПИД, а составы ПВБ класса ПВ с повышенным удельным сопротивлением специально разработаны для улучшения сопротивления ПИД в конфигурациях высоковольтных систем.

Выбор ПВБ-пленки класса PV: что должны оценить покупатели

Для производителей модулей и групп по закупкам материалов, оценивающих промежуточную пленку ПВБ класса PV от разных поставщиков, следующие практические критерии должны составлять основу процесса квалификации и выбора:

• Запросите полные технические данные материалов с указанными методами испытаний: Значения пропускания, индекса желтизны, пропускания водяного пара, прочности на отслаивание и объемного удельного сопротивления должны быть указаны в конкретных стандартах испытаний (ASTM, ISO или IEC), а не указаны как непроверенные утверждения. Результаты испытаний, полученные на ламинированных образцах, а не только на пленке, более соответствуют реальным характеристикам модуля.
• Проверьте требования к хранению и обращению: Подтвердите необходимый диапазон влажности при хранении, срок годности с даты производства и характеристики упаковки. ПВБ-пленка, срок годности которой истек или хранилась при повышенной влажности, будет иметь повышенное содержание влаги, что ухудшает качество ламинирования.
• Оцените совместимость окна процесса ламинирования: Запросите подробные инструкции по процессу ламинирования и подтвердите, что рекомендуемые параметры температуры, давления и времени пленки совместимы с вашим существующим ламинатором. Узкие технологические окна увеличивают риск ламинирования, не соответствующего техническим требованиям в производстве.
• Проверьте данные квалификации на уровне модуля: Ведущие поставщики пленки ПВБ предоставляют данные испытаний на уровне модулей IEC 61215 и IEC 61730 для модулей, ламинированных пленкой, в определенных условиях. Эти данные более значимы, чем просто свойства материала на уровне пленки, и служат прямым свидетельством аттестационных характеристик модуля.
• Оцените надежность цепочки поставок и согласованность между партиями: Для крупносерийного производства модулей постоянство свойств пленки от партии к партии так же важно, как и абсолютные значения свойств. Запросите данные о различиях между партиями и подтвердите, что поставщик создал системы управления качеством и документацию по отслеживанию, соответствующую стандарту ISO 9001 или эквивалентной сертификации.