如何延长太阳能组件的使用寿命

NREL领导的联盟研究为什么太阳能组件在现场失败以及如何延长其使用寿命

是什么造就了一个好的太阳能组件？有几件事是显而易见的：高能量产量，低成本，并且在现场可靠。

可靠性在太阳能组件和系统的生命周期成本和性能中起着巨大的作用。这些高科技半导体器件必须继续发电30至40年的阳光，风，冰雹，雪和热量。

我们预计，随着时间的推移，模块将缓慢退化并产生略少的电力，因为它们多年来暴露在室外条件下。太阳能行业的一个主要问题是，我们应该期望太阳能组件每年退化多少（通常为0.5%-1%），以及它们何时最终会退化到不再产生足够的功率（通常比其原始输出损失约20%）或变得不安全。

对于今天建造的模块，大概是30年。每增加一年，该模块的电力成本就会降低，这意味着我们需要开采或回收更少的原材料来实现我们的清洁能源目标。研究会把退休年龄推到50岁吗？

电致发光图像显示了站在太阳能模块上可能发生的开裂。这些裂纹可以减少模块的电力输出的程度似乎因条件和时间而异。摄影：Byron McDanold， NREL

耐用组件材料（DuraMAT）联盟于2016年11月在能源部（DOE）太阳能技术办公室（SETO）的资助下推出，是由国家可再生能源实验室（NREL）领导的多实验室联盟，桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室是核心研究实验室。来自多所大学，太阳能公司，其他国家实验室和行业咨询委员会的其他研究人员提供了来自整个太阳能社区的观点。

经过五年对太阳能组件可靠性的研究，并在高影响力项目中授予了3000万美元，DuraMAT被SETO额外授予了3600万美元，从2021年开始再提供六年的资金，因为该联盟继续专注于五个核心目标，旨在加速到2035年向零碳发电的可持续，公正和公平的过渡。

太阳能组件：我们去过的地方和要去的地方

光伏（PV）——意思是它们将光转化为电能——模块自20世纪中期以来就以现代形式存在。千但该技术在过去二十年中经历了爆炸式增长。未来二十年，太阳能技术有望实现更大的增长。

“如果太阳能要扩大并成为我们在整个电力系统和房屋中拥有的这种无处不在的技术 - 并负责我们40%的发电 - 旧技术是不够的，”NREL高级研究员兼DuraMAT主任Teresa Barnes说。“光伏组件需要在更大的规模上变得更高效，更便宜，更可持续。但我们还需要知道，这些新模块 - 无论是新的模块设计还是双面或串联电池等新电池技术 - 都将在现场可预测地发挥作用。

DuraMAT正在探索可以将太阳能组件寿命延长至50年的想法。它正在研究组件和电池技术的新变化，例如双面组件，其背面也收集反射光，或者需要先进封装才能存活超过30年的新型高效电池。

摄影：Dennis Schroeder， NREL

为了更好地了解模块的故障方式，DuraMAT 根据不同气候下的环境条件开发了加速压力测试。这些测试与强大的材料科学取证（想想CSI，但对于退化的光伏组件）和这些故障的详细物理建模相结合，以更好地了解导致组件退化的原因，最终目标是预测它们何时会失效。最重要的是，DuraMAT将结果数据收集到一个中央共享的数据存储库中，并应用其见解来开发新的创造性方法来提高模块的耐用性。

最终目标是更好地预测新材料和模块设计的性能，建立信心，尽管我们缺乏新技术的长期现场数据，但它们将在现场持续30多年。现场数据显示，较旧的光伏技术经久耐用。DuraMAT正在应用这些知识来对新技术做出更准确的预测。

为退化出汗细节

DuraMAT最著名的成功之一是它应用了组合的加速压力测试。传统的压力测试使太阳能组件受到一系列压力源的影响，例如热量，湿度或阳光，但一次只能承受一个或两个。然而，在这些传统的压力测试中，在现场模块中看到的一些故障不容易重现，可能是因为室外条件对模块进行了组合 - 热，光和电压通常在晴天一起发生，或者在暴风雨期间风和雨一起发生。DuraMAT研究人员发现，压力源通常需要组合应用，以更快地获得与现场相关的结果。

NREL研究员Peter Hacke拍摄的视频截图显示了科罗拉多州戈尔登市一个组合式加速测试室的内部。“甜甜圈”环定期向下压下并弯曲模块以提供机械应力，而腔室则使它们承受水，热，冷，电负载和紫外线。

虽然组合压力测试并不是一个全新的想法，但DuraMAT已经将其提升到了一个新的水平。在NREL室外测试设施的受控室中，光伏组件受到多种压力因素的影响，例如极端温度（热和冷），浸入水中以及紫外线暴露，以模拟几周或几个月内在室外发生的事情。

其他测试旨在模拟其他应力，例如多年的风暴露如何扩大PV电池的裂纹（见下面的视频）。然后，DuraMAT将这些信息与计算机建模和来自现场故障的太阳能模块的微观材料分析配对，以更好地了解导致这些故障的机制。

早期职业科学家证明它是有效的

其中一项努力是由一组早期职业科学家领导的-DuraMAT强调早期职业研究人员的机会。该团队结合了来自几个国家实验室的专业知识和优势，开发了一种方法，根据加速测试预测哪些背板材料会在现场开裂。由于在2010年至2015年期间广泛使用的新型背板材料，该行业经历了相当大的一批组件故障（约10千兆瓦）。这种材料在现场几年后开始开裂，尽管通过了所有行业标准的资格测试。

背板是太阳能模块的底层，它包围着模块的背面，通常由聚合物（塑料）材料制成。该层为模块提供了关键的电气绝缘和机械完整性，材料的失效迫使光伏开发人员用“坏”背板替换模块。（光伏行业也有几种成熟的“好”背板材料，已经持续了几十年。

使用已知好的和坏的背板使DuraMAT团队能够开发一种程序来验证新的测试序列。通过将该序列与先进的材料分析技术相结合，该团队能够理解为什么“坏”材料的背板在化学和机械层面上都失败了。通过将在组合压力测试中失败的样本与现场失败的模块进行比较，早期职业研究人员团队验证了压力测试失败与这种类型的现场失败相匹配。现在，该团队正在研究其他类型的模块材料和设计，包括新背板材料开发的筛选程序以及玻璃背板模块的研究。

“DuraMAT的结构方式，以独特的方式孵化早期职业科学家，”Laura Schelhas说，她作为SLAC国家加速器实验室的早期职业研究员参加了该团队，此后已转到NREL担任DuraMAT第二阶段的执行董事。“DuraMAT允许早期职业研究人员尝试作为项目的首席研究员，这让他们体验了报告，项目管理，人员配备和预算，这真正说明了经验不足的研究人员的职业发展。背板项目就是一个很好的例子，说明它是如何工作的——我们得到了很多高度协作的出版物。早期职业研究人员被邀请参加会议以展示他们的工作，有些人已经过渡到NREL和其他实验室的员工职位。

文本版本

DuraMAT的下一步是什么？

在五年前从头开始之后，DuraMAT的下一个六年阶段有了一个强劲的开端。许多项目已经从第二阶段为财团工作的3600万美元总资金中获得。

“我们的许多研究继续关注商业技术组合的可靠性和耐用性，”当被问及DuraMAT的发展方向时，Barnes说。“我们现在正在将重点转向预测测试和建模方法，这将使我们能够更快，更准确地评估新技术的可靠性。太阳能需要不断改进，产品开发周期可能比可靠性测试周期快得多。随着行业规模的迅速扩大，我们需要找到一种方法，以产品开发的速度评估可靠性和耐用性。

这是一个具有挑战性的目标，但DuraMAT社区现在的目标是开始预测组件的使用寿命，以及这将如何塑造太阳能组件的材料供应链。在失效物理学和退化机制物理学的推动下，将更加关注预测寿命建模，从而允许进一步研究和可能商业化具有50年寿命的模块。

“我们正试图转向可靠性研究模式，我们直接针对持续50年的模块，”巴恩斯说。“我们非常专注于高能量产量的组件，并以可持续的方式制造这些组件。我们知道，按照能源转型所需的速度增加部署，将会产生巨大的材料和能源影响。但我们的问题是，'我们如何才能以环境可持续的方式做到这一点，并以我们的供应链可以跟上的方式做到这一点？