Čo je to fotovoltaická medzivrstvová fólia PVB a prečo na tom záleží?

Čo je medzivrstvová fólia fotovoltaického PVB a ako sa líši od architektonického PVB?

Polyvinylbutyralová (PVB) medzivrstvová fólia sa už desaťročia používa vo vrstvených bezpečnostných sklách, najznámejšie v automobilových čelných sklách a architektonických zaskleniach. V týchto aplikáciách je primárnou funkciou PVB držať úlomky skla pohromade po rozbití, absorbovať energiu nárazu a poskytovať akustické tlmenie. Fotovoltaická PVB medzivrstvová fólia slúži zásadne odlišnému a náročnejšiemu účelu: musí zapuzdrovať a chrániť solárne články v module a zároveň prenášať maximálne možné množstvo slnečného svetla na aktívny povrch článku, udržiavať optickú čistotu počas desaťročí vonkajšieho vystavenia a zachovávať elektrickú integritu obvodu článku v celom rozsahu teplôt, vlhkosti a UV zaťaženia, ktoré solárny modul nasadený v teréne zažije.

Štandardné architektonické PVB je formulované pre mechanické vlastnosti a nie je optimalizované pre optický prenos, dlhodobú UV stabilitu pri nepretržitom slnečnom žiarení alebo špecifické požiadavky na priľnavosť a odolnosť proti vlhkosti konštrukcie fotovoltaických modulov. Fotovoltaický PVB je osobitnou kategóriou produktov so starostlivo navrhnutým zložením, ktoré zahŕňa UV stabilizátory, špecializované zmäkčovadlá, promótory adhézie a antioxidačné balíčky vybrané tak, aby spĺňali výkonnostné požiadavky noriem IEC 61215 a IEC 61730 na kvalifikáciu modulov počas projektovanej životnosti modulu 25 až 30 rokov. Zaobchádzanie s týmito dvoma kategóriami materiálov ako so vzájomne zameniteľnými je bežnou a nákladnou chybou pri navrhovaní modulov.

Akú úlohu zohráva PVB medzivrstvová fólia v štruktúre solárneho modulu?

Štandardný fotovoltaický modul sklo-sklo alebo sklo-dolná vrstva je laminovaná zostava, v ktorej sú solárne články úplne obklopené zapuzdrovacím materiálom. Zapuzdrenie slúži viacerým simultánnym funkciám, ktoré sú rozhodujúce pre výkon modulu, spoľahlivosť a životnosť. V moduloch používajúcich PVB ako zapuzdrenie je fólia umiestnená nad aj pod reťazcom článkov - medzi predným sklom a článkami a medzi článkami a zadným sklom alebo zadnou vrstvou - čím sa vytvára súvislé utesnené prostredie okolo elektrického obvodu.

Počas procesu laminácie sa PVB fólia zahrieva pod vákuovým tlakom v laminátore, čo spôsobí, že zmäkne, obteká geometriu bunky a priľne k skleneným povrchom aj k povrchom buniek. Ako sa ochladzuje, fólia tuhne do tvrdej, priehľadnej, viskoelastickej matrice, ktorá mechanicky podporuje články, elektricky izoluje obvod článku od skla a rámu, tlmí rozdielnu tepelnú rozťažnosť medzi sklom a kremíkom a vytvára bariéru proti prenikaniu vlhkosti, ktorá by inak spôsobila koróziu pokovovania článku, delamináciu enkapsulácie a v konečnom dôsledku elektrickú degradáciu modulu. Kvalita a špecifikácia PVB fólie priamo určuje, ako dobre je každá z týchto funkcií vykonávaná počas životnosti modulu.

Aké sú kľúčové výkonnostné vlastnosti fotovoltaickej PVB fólie?

Výkon a PVB medzivrstvová fólia fotovoltaickej kvality sa vyznačuje súborom vlastností, ktoré súhrnne určujú jeho vhodnosť na zapuzdrenie modulov. Každá vlastnosť má merateľné špecifikácie, ktoré zverejňujú zodpovední výrobcovia a ktoré by mali výrobcovia modulov overiť prostredníctvom vstupnej kontroly kvality a pravidelných kvalifikačných testov.

Optická priepustnosť

Vysoká optická priepustnosť v rozsahu vlnových dĺžok, ktoré fotovoltaické články premieňajú na elektrinu – približne 300 až 1200 nm pre kryštalický kremík – je nevyhnutná na zabránenie parazitným optickým stratám vo vrstve zapuzdrenia. Fotovoltaické PVB fólie zvyčajne dosahujú počiatočné hodnoty priepustnosti nad 90 % vo viditeľnom spektre, merané na vzorkách vrstveného skla pred zrýchleným starnutím. Počiatočná priepustnosť je však menej dôležitá ako zachovanie priepustnosti po dlhšom vystavení UV žiareniu a tepelným cyklom. Film, ktorý začína pri priepustnosti 92 %, ale po piatich rokoch vystavenia v poli zožltne na 80 %, spôsobuje merateľné a trvalé straty výkonu. Vysokokvalitné PV PVB formulácie obsahujú bránené amínové svetelné stabilizátory (HALS) a UV absorbéry špecificky vybrané tak, aby zabránili tvorbe chromofóru v polymérnej matrici pri nepretržitom slnečnom žiarení.

Rýchlosť prenosu pary vlhkosti

Vstup vodnej pary je jedným z primárnych mechanizmov dlhodobej degradácie modulu. Vlhkosť spôsobuje koróziu metalizácie striebra a hliníka na solárnych článkoch, podporuje delamináciu na rozhraniach zapuzdrené sklo a zapuzdrená látka-článok a urýchľuje potenciálom indukovanú degradáciu (PID) v moduloch pracujúcich pri vysokých systémových napätiach. PVB má inherentne vyššiu rýchlosť prenosu pary (MVTR) ako EVA – alternatívne zapuzdrenie, ktoré sa v priemysle najčastejšie používa – čo znamená, že pri použití PVB sú silne preferované konštrukcie modulov sklo-sklo, pretože dvojité sklenené vrstvy dramaticky znižujú efektívnu cestu prenikania vlhkosti v porovnaní s polymérovou zadnou vrstvou. Pre PVB moduly sklo-sklo je limitujúcim faktorom vlhkosť, ktorá preniká cez okrajové tesnenie, a vhodný dizajn okrajového tesnenia je nevyhnutný na doplnenie vlastnej odolnosti fólie voči vlhkosti.

Sila priľnavosti k povrchu skla a buniek

Priľnavosť medzi PVB fóliou a predným sklom, zadným sklom a povrchmi buniek musí zostať pevná a stabilná v celom rozsahu teplôt, ktorým modul nasadený v teréne čelí – od menej ako -40 °C v inštaláciách s chladným podnebím až po viac ako 85 °C v púštnom prostredí. Delaminácia, ktorá sa prejavuje ako viditeľné bubliny alebo biele škvrny v modulovom lamináte, je esteticky neprijateľná a prakticky škodlivá, pretože delaminované oblasti strácajú svoju bariérovú funkciu proti vlhkosti a vytvárajú optický rozptyl, ktorý znižuje produkciu buniek. PVB fólie fotovoltaickej kvality sú formulované s prísadami podporujúcimi priľnavosť a sú dostupné s kontrolovanými úrovňami priľnavosti – parametrom, ktorý je možné upraviť tak, aby vyvážil silnú štrukturálnu väzbu a správanie s riadeným uvoľňovaním, ktoré sa vyžaduje v niektorých návrhoch modulov.

Objemový odpor a elektrická izolácia

Zapuzdrenie si musí počas svojej životnosti udržiavať vysoký elektrický odpor, aby sa zabránilo zvodovým prúdom z obvodu článku do rámu modulu a montážnej konštrukcie. Strata odporu – ku ktorej môže dôjsť pri vysokej absorpcii vlhkosti alebo pri degradácii polyméru – zvyšuje zvodový prúd, zhoršuje PID vo vysokonapäťových systémoch a vytvára bezpečnostné riziká vo vlhkých podmienkach. Vysokokvalitné fotovoltaické PVB si zachováva objemový odpor nad 10¹³ Ω·cm vo vlhkých podmienkach, čo je špecifikácia, ktorá by mala byť overená testovaním vlhkým teplom pri 85 °C / 85 % relatívnej vlhkosti počas 1000 hodín v súlade s protokolmi IEC 61215.

Ako sa PVB porovnáva s EVA a inými solárnymi enkapsuláciami?

Kopolymérová fólia etylén-vinylacetát (EVA) historicky dominuje na trhu so solárnymi enkapsuláciami vďaka nízkej cene, dobre zavedenému procesu laminácie a širokej kompatibilite s technológiami kryštalického kremíka a tenkovrstvových článkov. EVA má však dobre zdokumentované slabé stránky, ktoré podnietili záujem o alternatívne enkapsulanty vrátane PVB, polyolefínového elastoméru (POE) a ionomérnych filmov. Nižšie uvedená tabuľka sumarizuje kľúčové porovnávacie charakteristiky relevantné pre návrhárov modulov a obstarávacie tímy.

Zásadnou výhodou PVB oproti štandardnej EVA je absencia tvorby kyseliny octovej počas starnutia. Keď EVA degraduje pri vystavení UV žiareniu a zvýšenej teplote, uvoľňuje kyselinu octovú ako vedľajší produkt reverznej reakcie zosieťovania. Kyselina octová koroduje metalizáciu buniek, degraduje antireflexné povlaky a napáda určité tenkovrstvové bunkové štruktúry. PVB nevytvára kyselinu octovú za žiadnych podmienok vystavenia pôsobeniu poľa, čo z neho robí podstatne viac chemicky inertné zapuzdrenie pre návrhy modulov s dlhou životnosťou a pre tenkovrstvové technológie, ktoré sú obzvlášť citlivé na vystavenie kyselinám.

Aké aplikácie sú najvhodnejšie pre fotovoltaickú medzivrstvovú fóliu PVB?

PVB medzivrstvová fólia fotovoltaickej kvality nachádza svoje najsilnejšie komerčné opodstatnenie v aplikáciách, kde sa uprednostňuje životnosť modulu, optický výkon, štrukturálna integrita pri mechanickom zaťažení a odolnosť voči špecifickým režimom degradácie pred počiatočnými nákladmi na materiál. Niekoľko kategórií aplikácií trvalo ťaží z PVB zapuzdrenia.

• Fotovoltaika integrovaná do budovy (BIPV) predstavuje jednu z najprirodzenejších možností zapuzdrenia PVB. Moduly BIPV slúžia súčasne ako prvky architektonického zasklenia a komponenty vyrábajúce elektrinu, ktoré vyžadujú konštrukčnú bezpečnosť vrstveného architektonického skla – vrátane zadržania fragmentov po rozbití – v kombinácii s optickým a elektrickým výkonom solárneho modulu. PVB má desaťročia dlhú históriu bezpečnostnej certifikácie v architektonickom vrstvenom skle a formulácie fotovoltaickej kvality nesú tento bezpečnostný kredit priamo do produktu BIPV.
• Bifaciálne moduly zo skla a skla určené pre vysokonapäťové systémy úžitkovej siete ťažia z dobrej odolnosti PVB PID a absencie tvorby kyseliny octovej, ktoré sa stávajú dôležitejšími, keď sa napätie v systéme zvyšuje nad 1000 V a keď sa životnosť modulu predlžuje na 30 rokov a viac.
• Bezrámové moduly sklo-sklo pre prístrešky pre autá, pergoly a architektonické prístrešky vyžadujú zapuzdrenie, ktoré zachováva silnú priľnavosť hrán bez mechanickej podpory bežného hliníkového rámu. Vysoká priľnavosť PVB k skleneným povrchom a jeho mechanická húževnatosť ho robia vhodným pre tieto štrukturálne náročné inštalácie.
• Výrobcovia tenkovrstvových modulov, ktorí používajú technológie buniek telurid kadmium (CdTe) alebo meď-indium-gálium selenid (CIGS), uprednostňujú PVB práve preto, že tieto technológie sú citlivé na kyselinu octovú, ktorú môže EVA generovať, a chemická inertnosť PVB chráni chémiu povrchu bunky počas celej životnosti modulu.

Čo by mali výrobcovia modulov hodnotiť pri výbere dodávateľa PVB medzivrstvovej fólie?

Výber medzivrstvovej fólie PVB fotovoltaickej kvality je rozhodnutím, ktoré ovplyvňuje výkon modulu, záručnú zodpovednosť a bankovateľnosť – schopnosť prilákať financovanie projektu od veriteľov, ktorí požadujú preukázanú spoľahlivosť modulu. Prísny proces hodnotenia dodávateľov by sa mal zamerať na tieto dimenzie:

• Vyžiadajte si úplné technické listy s údajmi o optickej priepustnosti pred a po 1000 hodinách vystavenia UV žiareniu podľa IEC 61345, vlhkom teplu podľa IEC 61215, objemovom odpore vo vlhkých podmienkach, priľnavosti k odlupovaniu skla pri viacerých teplotách a rýchlosti priepustnosti pary vlhkosti – žiadny dodávateľ, ktorý nedokáže poskytnúť tieto údaje, by nemal byť braný do úvahy pri kvalifikácii.
• Overte, či bola fólia zahrnutá v úspešnom kvalifikačnom testovaní modulov IEC 61215 a IEC 61730 u aspoň jedného certifikovaného výrobcu modulu a namiesto akceptovania všeobecných tvrdení o zhode si vyžiadajte špecifické odkazy na protokol o teste.
• Vyhodnoťte systém riadenia kvality dodávateľa, údaje o konzistencii jednotlivých šarží a špecifikácie tolerancie hrúbky – variácie hrúbky PVB fólie naprieč šírkou kotúča a pozdĺž dĺžky kotúča priamo ovplyvňujú rovnomernosť laminácie a mali by byť v rozmedzí ± 5 % nominálnej špecifikácie.
• Starostlivo zvážte požiadavky na skladovanie a manipuláciu – PVB fólia je hygroskopická a musí sa skladovať v podmienkach s kontrolovanou vlhkosťou pod 30 % relatívnej vlhkosti, aby sa zabránilo absorpcii vlhkosti pred lamináciou, ktorá ohrozuje lamináciu bez bublín a konečnú optickú kvalitu.
• Zvážte schopnosť dodávateľa poskytnúť technickú podporu pre optimalizáciu procesu laminácie – teplotný profil laminácie, doba zdržania vákua a parametre lisovacieho cyklu pre PVB sa líšia od parametrov stanovených pre EVA a skúsený dodávateľ by mal byť schopný poskytnúť špecifické procesné usmernenia a podporu pri riešení problémov počas prechodu z EVA na PVB zapuzdrenie.

PVB medzivrstvová fólia fotovoltaickej kvality zaujíma dobre definovanú a obhájiteľnú pozíciu v prostredí solárnych zapuzdrení. Pre aplikácie, kde sa uprednostňuje chemická inertnosť, štrukturálna bezpečnosť, zachovanie optickej kvality a kompatibilita s architektúrou modulu sklo-sklo, ponúka kombináciu vlastností, ktorým sa EVA nemôže vyrovnať a ktoré budú čoraz dôležitejšie, pretože priemysel posúva životnosť modulov a napätie systému ďalej, než vyžadujú súčasné normy.