Điều gì làm cho màng xen kẽ PVB cấp quang điện trở nên cần thiết cho các mô-đun năng lượng mặt trời?

Khi ngành công nghiệp năng lượng mặt trời toàn cầu hướng tới hiệu suất mô-đun cao hơn, tuổi thọ dài hơn và chi phí năng lượng quy dẫn (LCOE) thấp hơn, khoa học vật liệu đằng sau mỗi lớp của mô-đun quang điện ngày càng được xem xét kỹ lưỡng. Trong số các vật liệu đóng gói được sử dụng trong xây dựng mô-đun năng lượng mặt trời, màng xen kẽ polyvinyl butyral (PVB) cấp quang điện đã thiết lập một vai trò quan trọng và ngày càng tăng - đặc biệt là trong cấu hình mô-đun thủy tinh-kính, quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV) và các ứng dụng trong đó độ rõ quang học, bảo vệ cơ học và khả năng chống chịu thời tiết lâu dài đều phải đạt được đồng thời. Hiểu màng xen kẽ PVB cấp PVB là gì, hoạt động như thế nào và điều gì phân biệt vật liệu chất lượng cao với các sản phẩm thay thế hàng hóa là kiến ​​thức cần thiết cho các nhà sản xuất mô-đun, kỹ sư vật liệu và chuyên gia thu mua làm việc trong lĩnh vực năng lượng mặt trời.

Phim xen kẽ PVB cấp quang điện là gì?

Polyvinyl butyral (PVB) là một loại nhựa nhiệt dẻo được tạo ra bởi phản ứng của rượu polyvinyl với butyraldehyd. Ở dạng phim, PVB đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ làm lớp xen kẽ trong kính an toàn kiến ​​trúc nhiều lớp, nơi nó liên kết hai hoặc nhiều tấm kính lại với nhau và ngăn chúng vỡ thành những mảnh nguy hiểm khi va chạm. Màng xen kẽ PVB cấp quang điện là một biến thể được chế tạo đặc biệt của vật liệu này, được tối ưu hóa cho nhu cầu đóng gói mô-đun năng lượng mặt trời thay vì lắp kính kiến ​​trúc.

Sự khác biệt giữa PVB kiến trúc tiêu chuẩn và PVB cấp quang điện không chỉ đơn thuần là ghi nhãn thương mại - nó phản ánh những khác biệt có ý nghĩa trong công thức. PVB cấp PV được thiết kế để đạt được độ truyền quang cao hơn ở các bước sóng được sử dụng bởi các tế bào quang điện (thường là 350–1.100nm đối với silicon tinh thể), tốc độ truyền hơi nước thấp hơn để bảo vệ quá trình kim loại hóa tế bào nhạy cảm khỏi bị ăn mòn do độ ẩm, tăng cường độ ổn định tia cực tím để ngăn chặn hiện tượng ố vàng trong thời gian sử dụng 25 năm và độ bám dính tối ưu cho cả bề mặt kính và tế bào trong điều kiện chu kỳ nhiệt gặp phải khi lắp đặt năng lượng mặt trời ngoài trời. PVB kiến ​​trúc tiêu chuẩn, được thiết kế chủ yếu cho khả năng chống va đập và hiệu suất an toàn trong kính, không đáp ứng được các yêu cầu cụ thể về quang điện này nếu không được điều chỉnh lại.

Các tính chất vật lý và hóa học chính của màng PVB cấp PVB

Hiệu suất của màng xen kẽ PVB cấp PVB trong mô-đun hoàn chỉnh phụ thuộc vào một tập hợp các đặc tính vật liệu có liên quan với nhau phải được tối ưu hóa đồng thời. Một bộ phim vượt trội ở một khía cạnh nhưng lại kém ở một khía cạnh khác vẫn có thể dẫn đến xuống cấp hoặc hỏng hóc mô-đun trong vòng đời thiết kế 25–30 năm dự kiến ​​từ việc lắp đặt năng lượng mặt trời thương mại.

Thông số kỹ thuật về điện trở suất đáng được quan tâm đặc biệt trong bối cảnh mô-đun PV. Không giống như PVB kiến ​​trúc không bắt buộc phải cung cấp vật liệu cách điện, PVB cấp PV phải duy trì điện trở cao giữa pin mặt trời và khung mô-đun - đặc biệt quan trọng đối với các mô-đun màng mỏng và trong các hệ thống có nguy cơ xuống cấp do điện thế (PID). Một số công thức PVB cấp PVB bao gồm các chất phụ gia cụ thể giúp duy trì điện trở suất lớn ngay cả khi tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ và độ ẩm cao, giải quyết một trong những cơ chế suy thoái quan trọng được quan sát thấy trong các mô-đun đã qua sử dụng ngoài hiện trường.

PVB, EVA và POE: Chọn chất đóng gói phù hợp cho mô-đun năng lượng mặt trời

PVB là một trong ba loại màng bọc chính được sử dụng trong sản xuất mô-đun quang điện, cùng với ethylene vinyl acetate (EVA) và chất đàn hồi polyolefin (POE). Mỗi vật liệu có một cấu hình hiệu suất riêng biệt và việc lựa chọn giữa chúng phụ thuộc vào kiến ​​trúc mô-đun, môi trường ứng dụng và yêu cầu về hiệu suất.

PVB so với EVA

EVA từ lâu đã là công ty đóng gói chiếm ưu thế trong ngành năng lượng mặt trời do chi phí thấp, đặc tính cán màng được hiểu rõ và khả năng tương thích rộng với các thiết kế mô-đun tiêu chuẩn. Tuy nhiên, EVA đã biết rõ những hạn chế mà PVB trực tiếp giải quyết. EVA dễ bị tạo ra axit axetic vì nó bị phân hủy khi tiếp xúc với tia cực tím và nhiệt độ cao - axit axetic làm tăng tốc độ ăn mòn các điểm tiếp xúc của tế bào bạc và có thể gây ra sự đổi màu của chất bao bọc, làm giảm công suất mô-đun theo thời gian. PVB không tạo ra axit axetic khi phân hủy, làm cho nó ổn định hơn về mặt hóa học khi tiếp xúc với quá trình kim loại hóa tế bào. PVB cũng có khả năng truyền hơi nước thấp hơn so với các loại EVA tiêu chuẩn, mang lại hiệu quả chống ẩm tốt hơn trong môi trường ẩm ướt.

Sự cân bằng là PVB hút ẩm nhiều hơn EVA ở dạng chưa được xử lý và yêu cầu điều kiện bảo quản độ ẩm được kiểm soát - thường là độ ẩm tương đối dưới 30% - để ngăn chặn sự hấp thụ độ ẩm trước khi cán màng. Việc hút ẩm trước khi cán có thể gây ra sự hình thành bong bóng và hỏng độ bám dính trong mô-đun đã hoàn thiện. EVA ít nhạy cảm hơn với điều kiện bảo quản, giúp đơn giản hóa công tác hậu cần trong môi trường ít được kiểm soát hơn.

PVB so với POE

Chất đóng gói POE đã giành được thị phần đáng kể trong những năm gần đây, đặc biệt là trong các mô-đun thủy tinh-thủy tinh và công nghệ tế bào tiếp xúc dị thể (HJT), do tốc độ truyền hơi nước rất thấp, điện trở suất thể tích lớn và khả năng chống suy thoái do điện thế gây ra. Trong các khía cạnh hiệu suất này, POE có thể so sánh rộng rãi với PVB và trong một số trường hợp còn vượt trội hơn. Tuy nhiên, POE có chi phí nguyên liệu thô cao hơn PVB, yêu cầu cửa sổ quy trình cán khác (thường áp suất thấp hơn và thời gian chu kỳ dài hơn PVB) và có dữ liệu trường dài hạn ít được thiết lập hơn PVB, vốn đã được sử dụng trong kính nhiều lớp kiến ​​trúc trong hơn 50 năm và trong các mô-đun năng lượng mặt trời trong hơn 20 năm.

PVB duy trì một lợi thế cụ thể so với POE trong các ứng dụng mô-đun BIPV và kính-thủy tinh trong đó hiệu suất an toàn sau cán màng là một yêu cầu pháp lý. Kính nhiều lớp PVB có khung chứng nhận an toàn được thiết lập tốt theo EN 14449 và ANSI Z97.1, đồng thời các mô-đun BIPV sử dụng lớp xen kẽ PVB có thể tham chiếu cơ sở chứng nhận đã được thiết lập này thay vì đủ điều kiện cho một vật liệu hoàn toàn mới theo quy định về sản phẩm xây dựng — một lợi thế có ý nghĩa trong các điều khoản thương mại và quy định.

Vai trò của lớp xen kẽ PVB trong xây dựng mô-đun thủy tinh-kính

Kiến trúc mô-đun kính-kính — sử dụng hai đế thủy tinh kẹp chuỗi tế bào thay vì tấm kính phía trước và tấm nền polyme — là một trong những phân khúc phát triển nhanh nhất của thị trường năng lượng mặt trời, được thúc đẩy bởi độ tin cậy lâu dài vượt trội, hiệu suất hai mặt và yêu cầu thẩm mỹ của các ứng dụng bao gồm lắp đặt trên mái nhà, mặt tiền mặt trời, cửa sổ mái và mái che nhà để xe năng lượng mặt trời. Phim xen kẽ PVB đặc biệt phù hợp với mô-đun kính-thủy tinh vì cả lý do kỹ thuật và ứng dụng cụ thể.

Từ quan điểm kỹ thuật, PVB hình thành liên kết kết dính hóa học với bề mặt thủy tinh ở cấp độ phân tử thông qua các nhóm hydroxyl trong polyme phản ứng với các nhóm silanol trên bề mặt thủy tinh - cùng loại liên kết hóa học khiến PVB trở thành chất bao bọc được lựa chọn trong kính nhiều lớp cấu trúc. Liên kết này mạnh hơn và bền hơn về mặt cơ học trong chu kỳ nhiệt so với liên kết kết dính được hình thành bởi EVA hoặc POE với thủy tinh, về bản chất chủ yếu là cơ học chứ không phải hóa học. Trong các mô-đun thủy tinh-thủy tinh chịu chu kỳ giãn nở và co nhiệt lặp đi lặp lại trong 25 năm, độ bám dính hóa học của PVB duy trì khả năng chống phân tách đáng tin cậy hơn so với các vật liệu chỉ dựa vào độ bám dính vật lý.

Đối với các ứng dụng BIPV cụ thể, việc sử dụng lớp xen kẽ PVB cho phép các mô-đun năng lượng mặt trời được phân loại là kính an toàn theo quy tắc xây dựng ở hầu hết các khu vực pháp lý. Mô-đun mặt tiền tòa nhà hoặc khối kính trên cao có chứa pin mặt trời phải đáp ứng các yêu cầu về kính an toàn tương tự như kính kiến ​​trúc thông thường - giữ nguyên vị trí và không phân mảnh thành các mảnh nguy hiểm nếu bị vỡ. Hiệu suất an toàn đã được chứng minh rõ ràng của kính nhiều lớp PVB, được ghi nhận qua nhiều thập kỷ thử nghiệm và kinh nghiệm thực địa trong ngành kiến ​​trúc, cho phép các mô-đun BIPV sử dụng lớp xen kẽ PVB truy cập trực tiếp vào khung chứng nhận này, đơn giản hóa quy trình cấp phép xây dựng và phê duyệt sản phẩm.

Yêu cầu về quy trình cán màng cho phim PVB cấp PVB

Quy trình cán màng cho màng xen kẽ PVB cấp PVB trong sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời khác với quy trình cán màng EVA ở một số khía cạnh quan trọng mà hầu hết các nhà sản xuất mô-đun thiết lập để vận hành và những khác biệt này phải được hiểu và tính đến trong quá trình phát triển quy trình và thông số kỹ thuật của thiết bị.

Cán PVB là một quá trình nhựa nhiệt dẻo chứ không phải là quá trình nhiệt rắn. EVA trải qua phản ứng liên kết ngang hóa học trong quá trình cán màng để chuyển nó từ nhựa nhiệt dẻo sang vật liệu nhiệt rắn, đòi hỏi thời gian xử lý được kiểm soát cẩn thận ở nhiệt độ để đạt được mật độ liên kết ngang đầy đủ. PVB chỉ đơn giản chảy và liên kết dưới nhiệt độ và áp suất, sau đó đông đặc lại khi làm mát - không cần quản lý phản ứng đóng rắn và do đó quá trình này nhanh hơn và dễ tha thứ hơn cho sự thay đổi nhiệt độ của máy cán so với xử lý EVA. Các điều kiện cán PVB điển hình là 145–155°C ở áp suất 0,8–1,2 bar, với tổng thời gian chu kỳ cán là 8–15 phút tùy thuộc vào độ dày mô-đun và thiết kế máy cán.

Tuy nhiên, bản chất nhựa nhiệt dẻo của PVB cũng có nghĩa là mô-đun đã hoàn thiện phải được xử lý cẩn thận ở nhiệt độ cao - đặc biệt là trong giai đoạn làm mát sau cán mỏng - vì lớp xen kẽ PVB vẫn mềm và có thể biến dạng ở nhiệt độ trên khoảng 60–70°C. Hệ thống xử lý mô-đun phải được thiết kế để hỗ trợ toàn bộ khu vực mô-đun một cách đồng đều trong quá trình làm mát, tránh tải trọng điểm có thể làm biến dạng lớp xen kẽ mềm trước khi nó đông cứng lại đến kích thước cuối cùng. Yêu cầu về làm mát có kiểm soát này ít quan trọng hơn với các mô-đun được bọc bằng EVA, trong đó vật liệu nhiệt rắn được liên kết ngang vẫn giữ được tính toàn vẹn cơ học ở nhiệt độ cao.

Tiêu chuẩn kiểm tra độ bền và độ tin cậy lâu dài

Màng xen kẽ PVB cấp PVB phải chứng minh độ bền lâu dài dưới các áp lực môi trường gặp phải khi lắp đặt năng lượng mặt trời ngoài trời - bức xạ UV, chu kỳ nhiệt, độ ẩm và tải cơ học. Khung kiểm tra chất lượng chính cho mô-đun quang điện và vật liệu bọc của chúng được xác định theo IEC 61215 (mô-đun silicon tinh thể) và IEC 61730 (chứng nhận an toàn mô-đun), với các thử nghiệm vật liệu bọc cụ thể được tham chiếu trong các giao thức thử nghiệm ở cấp độ mô-đun.

• Thử nghiệm nhiệt ẩm (IEC 61215, 1.000 giờ ở 85°C/85% RH): Thử nghiệm lão hóa tăng tốc này là thử nghiệm độ bền tiêu chuẩn khắt khe nhất đối với chất bao bọc mô-đun. Các lớp xen kẽ PVB phải duy trì độ bám dính với kính, độ trong quang học và đặc tính cách điện sau 1.000 giờ tiếp xúc liên tục. Hiện đã có sẵn các công thức PVB cấp PVB cao cấp đã vượt qua các thử nghiệm nhiệt ẩm kéo dài 2.000 giờ, mang lại lợi nhuận bổ sung cho các mô-đun dành cho việc triển khai ở vùng nhiệt đới có độ ẩm cao.
• Thử nghiệm chu kỳ nhiệt (IEC 61215, 200 chu kỳ từ −40°C đến 85°C): Chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại nhấn mạnh liên kết kết dính giữa lớp xen kẽ PVB với cả bề mặt kính và tế bào. Bất kỳ sự tách lớp, nứt hoặc suy giảm quang học nào được quan sát thấy sau khi thử nghiệm đều coi là không đạt. Hệ số giãn nở nhiệt không phù hợp giữa PVB và kính phải được quản lý thông qua công thức để giảm thiểu ứng suất cắt tại bề mặt trong quá trình đạp xe.
• Điều hòa sơ bộ UV và kiểm tra UV (IEC 61215): Việc tiếp xúc với một liều tia cực tím xác định tương đương với vài tháng chiếu xạ ngoài trời được sử dụng để đẩy nhanh cơ chế phân hủy quang hóa. Màu vàng của chất bao nang - được đo bằng sự gia tăng chỉ số độ vàng - là chế độ phân hủy chính được theo dõi. Công thức PVB cấp PVB bao gồm chất ổn định tia cực tím và chất chống oxy hóa được lựa chọn đặc biệt để giảm thiểu hiện tượng ố vàng khi tiếp xúc với tia cực tím kéo dài.
• Thử nghiệm suy thoái do điện thế gây ra (PID) (IEC TS 62804): Thử nghiệm PID áp dụng điện áp cao giữa các tế bào mô-đun và khung trong môi trường ẩm ướt để đánh giá khả năng chống suy giảm năng lượng của mô-đun do di chuyển ion qua chất bao bọc. Điện trở suất lớn trong lớp xen kẽ PVB là lớp bảo vệ cấp vật liệu chính chống lại PID và các công thức PVB cấp PV với điện trở suất nâng cao được phát triển đặc biệt để cải thiện điện trở PID trong cấu hình hệ thống điện áp cao.

Lựa chọn phim PVB cấp PVB: Người mua nên đánh giá những gì

Đối với các nhà sản xuất mô-đun và nhóm mua sắm vật liệu đánh giá màng xen kẽ PVB cấp PVB từ các nhà cung cấp khác nhau, các tiêu chí thực tế sau đây sẽ là cơ sở cho quá trình tuyển chọn và đánh giá chất lượng:

• Yêu cầu bảng dữ liệu vật liệu đầy đủ với các phương pháp thử được chỉ định: Tất cả các giá trị độ truyền qua, độ vàng, độ truyền hơi nước, độ bền bong tróc và điện trở suất thể tích đều phải được tham chiếu đến các tiêu chuẩn thử nghiệm cụ thể (ASTM, ISO hoặc IEC) thay vì được nêu dưới dạng tuyên bố chưa được xác minh. Các giá trị thử nghiệm thu được trên các mẫu nhiều lớp thay vì chỉ riêng màng có liên quan nhiều hơn đến hiệu suất mô-đun thực tế.
• Xác minh yêu cầu lưu trữ và xử lý: Xác nhận phạm vi độ ẩm bảo quản cần thiết, thời hạn sử dụng kể từ ngày sản xuất và thông số kỹ thuật đóng gói. Màng PVB đã vượt quá thời hạn sử dụng hoặc được bảo quản ở độ ẩm cao sẽ có độ ẩm tăng cao làm ảnh hưởng đến chất lượng cán màng.
• Đánh giá khả năng tương thích của cửa sổ quy trình cán màng: Yêu cầu hướng dẫn chi tiết về quy trình cán màng và xác nhận rằng các thông số nhiệt độ, áp suất và thời gian được đề xuất của màng tương thích với thiết bị cán màng hiện có của bạn. Cửa sổ quy trình hẹp làm tăng nguy cơ cán màng không đạt tiêu chuẩn kỹ thuật trong sản xuất.
• Kiểm tra dữ liệu trình độ cấp mô-đun: Các nhà cung cấp màng PVB hàng đầu cung cấp dữ liệu thử nghiệm IEC 61215 và IEC 61730 ở cấp độ mô-đun cho các mô-đun được ghép với màng của họ trong các điều kiện xác định. Dữ liệu này có ý nghĩa hơn so với chỉ riêng các thuộc tính vật liệu ở cấp độ màng và cung cấp bằng chứng trực tiếp về hiệu suất đánh giá mô-đun.
• Đánh giá độ tin cậy của chuỗi cung ứng và tính nhất quán giữa các lô: Đối với việc sản xuất mô-đun số lượng lớn, tính nhất quán của các đặc tính màng từ lô này sang lô khác cũng quan trọng như giá trị đặc tính tuyệt đối. Yêu cầu dữ liệu biến đổi theo từng lô và xác nhận rằng nhà cung cấp đã thiết lập hệ thống quản lý chất lượng và tài liệu truy xuất nguồn gốc phù hợp với ISO 9001 hoặc chứng nhận tương đương.