Research Achievement Sharing: Advanced PV Materials and Reliability Assessment.

新能源電力模組材料與構裝

材料與資源工程系 謝心心 助理教授 研究成果分享

Publication: Evaluation of Degradation and Cracking Propensity of Emerging PV Backsheets after Accelerated Laboratory Weathering, 41st EUVPSEC, Austria (2024).

【研究背景與挑戰】全球能源轉型驅動太陽光電技術快速發展，矽晶太陽能模組目前佔據市場主流地位。然而，模組於戶外嚴苛環境下需維持25至30年之使用壽命，其材料之長效穩定性成為產業發展之核心課題。本研究聚焦於封裝材料技術之優化、失效機制之微觀分析，以及互連焊點之長效可靠度評估，旨在建立科學化之材料選用指標與壽命預測模型。

【前瞻封裝材料開發】

由熱固性邁向熱塑性傳統太陽能模組多採用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)作為封裝材料，具備高穿透度與優異之機械保護力。然而，EVA 需經由化學交聯製程，其層壓時間長達20分鐘，且於高溫、高濕與UV曝曬下易發生Norrish降解反應產生醋酸，進而導致金屬串接焊點腐蝕與模組脫層失效。 研究評估顯示，採用熱塑性聚烯烴材料具備顯著優勢：首先，其不含交聯劑，可將製程時間縮短，大幅提升生產效能；其次，POE具備優異之體積電阻率（達1.9×1015 Ω⋅cm），能有效抑制電位誘導降解(PID)現象，並在長效老化測試中展現更高之化學穩定性。此外，透過傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)分析背板材料，發現隨著累積UV劑量增加，材料內部的特定化學鍵發生斷裂與演變，此微觀結構變化是評估背板長期環境穩定性的核心指標。

【焊點介面微觀動力學與可靠度預測】

太陽能模組之電性能衰減，核心關鍵在於互連焊點(Interconnect Solder Joints)的介面特性。本研究深入探討 Cu/SAC305/Ag 多層材料體系，利用固態擴散動力學模型 (x2=kp⋅t+x0) 精確量化介金屬化合物 (IMC)如Cu6Sn5與Ag3Sn在熱老化過程中的成長行為。實驗結果顯示，介面IMC形貌會由初期的扇形(Scalloped-like)逐漸演化為平整狀(Planar-like)，並伴隨Ag3Sn相的粗化與界面晶粒碰撞。透過量化這些微米級組織的演變速率，本研究成功建立了微觀結構特徵與宏觀電性能失效（如串聯電阻增加、功率衰減）之間的關聯模型。此外，結合國際電工標準(IEC 62892)，本研究針對乾熱、濕熱及適中氣候等不同環境條件制定了精確的可靠度老化參數，為能源元件在25至30年的長效穩定性提供科學化的壽命預測。

圖 1、太陽能模組及材料之可靠度挑戰

圖 2、封裝材料評價技術：絕緣測試方法

圖 3、封裝材料評價技術：模組電致發光分析

圖 4、封裝材料評價技術：背板材料分析

圖 5、焊點介面老化機制：Cu/SAC305/Ag介面在不同老化時間下的SEM影像分析，展現IMC生長過程