2017年5月14日 星期日

什麼是蝸牛紋?




什麼是蝸牛紋?

上方照片是一個典型的蝸牛紋模組,很多人都看過、聽過,但是您知道發生蝸牛紋的原因是什麼嗎?它對後續的發電功率與安全性有沒有影響?


蝸牛紋的成因
「蝸牛紋」因為形狀像蝸牛爬過的痕跡,所以被稱為蝸牛紋,早期也有人稱為閃電紋。從蝸牛紋的形狀來看,很直覺的就會認為與電池片的破裂有關,事實也確實如此。下圖是一個蝸牛紋與EL影像對比的例子,由圖中可以看出蝸牛紋的紋路與電池片隱裂位置完全相符。
蝸牛紋與EL中隱裂位置的對比

由照片可以看出,蝸牛紋的成因與隱裂高度相關,但是為什麼隱裂位置的電池片會變黑?蝸牛紋的形成主要有以下兩個步驟:
步驟一:水汽進入模組
水汽由模組背面進入模組

模組背面的背材雖然可以阻擋水進入模組,但是多少都還是會有水汽穿透。水汽進入模組後,通常停留在電池片的背面,因為水汽無法穿透矽晶片到正面去。當電池片發生隱裂時,水汽就有機會從隱裂穿過,跑到電池片正面。

步驟二:產生黑色銀粒子
跑到正面的水汽與銀膠裡的銀發生化學反應

水汽進到電池片正面後,會與電池片正面的銀膠、EVA發生化學反應,然後產生黑色的銀離子或還原的奈米銀粒子(也是黑色),累積在銀膠表面附近的EVA中。這些黑色的銀粒子導致隱裂周圍的銀膠顏色變深,整體看起來就像一道黑色的紋路。如果把影像放大來看,就會發現事實上只有銀膠表面變黑(如下圖)。
蝸牛紋放大檢視


綜上所述,形成蝸牛紋需要以下三大要素:
1. 電池片裂紋存在
2. 水汽由背面進入模組
3. 水汽+銀膠+EVA的化學反應產生黑色銀離子或銀粒子

聰明的你一定會問,沒有電池片裂紋的話,水汽還是可以從電池片邊緣繞過去啊?確實沒錯,因此有另外一種現象,是電池片周圍一圈變黑(如下圖),這也是跟蝸牛紋相同的成因,只是因為沒有裂紋,所以沒有形成蝸牛紋的形狀。
Cell邊緣銀膠變黑的「類蝸牛紋」

蝸牛紋的影響
目前的研究結果顯示,蝸牛紋的黑色沈積只發生在銀線表面,不會減少cell接收到的光。這種化學變化也不會造成銀膠導線腐蝕,因此不會使電阻增加,所以蝸牛紋「變色」本身對功率是沒有影響的。如果你的電站出現蝸牛紋且有功率下降的現象,那是隱裂所造成的。隱裂不只會造成單一模組的功率下降,在模組串聯起來的串列中更會放大損失,甚至造成高溫燒壞模組,造成漏電等安全性問題。隱裂的影響是另外一個重要的大課題,我們留待下一篇隱裂的成因與對策詳細探討。

如何避免蝸牛紋?
前面提到發生蝸牛紋有三要素,去除其中一個就不會有蝸牛紋發生。例如雙玻模組用玻璃取代背板,水汽無法從背面滲入模組,就不會出現蝸牛紋。又或者有EVA廠商推出「防蝸牛紋EVA」,以特殊配方避免發生黑色銀粒子沈澱的化學反應,這也可以阻止蝸牛紋現象發生。
問題是,隱裂還在啊!!
蝸牛紋只是把原來看不見的隱裂變成看得見的紋路,可以幫助業主發現問題,盡快採取改善措施。既然蝸牛紋變色本身不影響功率,又可以讓我們看到電池片的隱裂,對電站持有者來說實在是個好消息。因此回到問題的根本,最重要的應該是如何防止電池片隱裂,而不是防止蝸牛紋發生。
至於如何防治隱裂問題,請看下一篇「隱裂的成因與對策」。

參考文獻:
Silver nanoparticles cause snail trails in photovoltaic modules, Meyer et al, Solar Energy Materials & Solar Cells 121 (2014)

延伸閱讀:
關於作者:
林敬傑博士,業界朋友們暱稱為「傑博」
2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發,是國內最早開始研究太陽能的專家之一
2005年與德國萊因技術合作,在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室
2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長
2011年成立顧問公司PV Guider,提供專業諮詢與電站品質管控等服務

目前擔任:
PV Guider首席顧問
CNS國家標準審議委員
工研院量測中心顧問
SEMI產業標準工作小組召集人
Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家
華聚基金會兩岸共通標準技術專家



2 則留言:

  1. 如果以上推論為正確的話 是否所有的廠牌 都應會有可能產生? 還是某家廠牌的製程 是比較優質呢?請共同思索與探究 更深層的事實噢…

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  2. 因為這是材料特性,所以會發生在所有廠牌的所有產品,除非廠商特別採用不會發生蝸牛紋的特殊材料。但是如文章裡說的,看不到不代表沒有隱裂,蝸牛紋能讓隱裂被看到反而是比較好的。重點在如何避免隱裂發生,才能避免電站擁有者的損失

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