太陽(yáng)能作為清潔能源中一個(gè)重要的部分，已經(jīng)越來(lái)越多地為人們所利用。通過(guò)光伏發(fā)電技術(shù)，可以將太陽(yáng)能有效地轉(zhuǎn)換成電能。在這個(gè)過(guò)程中，太陽(yáng)能光伏電池組件是不可或缺的部分。
對(duì)于商品化光伏組件，通常硅晶片是核心的組成部分，在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常將其他部分與硅晶片組裝在一起以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的。在此組件中，封裝膠膜起著至關(guān)重要的作用。它將各組件粘接在一起，確保太陽(yáng)能電池正常工作。
圖1 太陽(yáng)能電池組件的結(jié)構(gòu)示意圖
EVA是一種新型的乙烯共聚物類(lèi)材料，相較于傳統(tǒng)的乙烯共聚物聚乙烯(PE)來(lái)說(shuō)，EVA在分子鏈中引入了極性的醋酸乙烯(VA)單體。
這一做法改變了原來(lái)鏈中的規(guī)整性和結(jié)晶度，使得EVA的極性得到了提升，從而EVA的透明性、黏著性、阻隔性和防衰老性均有所提高。
同時(shí)EVA在加熱熔融時(shí)具有較好的浸潤(rùn)性，冷卻固化時(shí)粘接性、抗應(yīng)力性和繞曲性都很出色，使其成為一種理想的封裝材料，在夾層玻璃和太陽(yáng)能電池組件中的封裝方面有廣泛應(yīng)用。
然而，太陽(yáng)能電池組件通常要求能正常工作25年以上的時(shí)間，在戶(hù)外使用過(guò)程中溫度和水分等因素對(duì)其中的封裝膠膜影響是不可忽略的。由于EVA材料的耐候性、抗污染性欠佳，長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)發(fā)生老化、變黃，分子鏈聚合程度降低導(dǎo)致抗蠕性的降低，從而影響電池組的使用壽命，增加維護(hù)成本。
為解決這一難題，研究人員通常采用不同的改性方法來(lái)提高材料的拉伸強(qiáng)度、阻燃性能、抗紫外老化和粘接性能等，使其滿(mǎn)足應(yīng)用的需要。
近些年來(lái)，一些新型樹(shù)脂材料和新型聚氨酯材料等成為了EVA的替代材料，逐漸應(yīng)用在太陽(yáng)能電池組件中。
而傳統(tǒng)的玻璃/封裝材料/太陽(yáng)能電池片/封裝材料/背板的結(jié)構(gòu)也帶來(lái)一些問(wèn)題，如較為復(fù)雜的背板結(jié)構(gòu)會(huì)使整個(gè)太陽(yáng)能電池組件的制備流程更為繁瑣，從而增加水或其他化合物侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致其使用壽命下降。
一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始探索共擠背板的生產(chǎn)工藝，以解決上述問(wèn)題可能對(duì)太陽(yáng)能光伏組件的潛在影響。
隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，EVA膠膜會(huì)逐漸受到熱量、氧氣和水分的影響，不能很好保證太陽(yáng)能電池組件安全平穩(wěn)地工作。因此，如何對(duì)EVA進(jìn)行改性成為目前研究的熱門(mén)方向。
目前常用的改性方法有共混改性、填充改性、化學(xué)接枝法和化學(xué)交聯(lián)法等改性方法。通過(guò)不同的改性方法來(lái)達(dá)到改善EVA材料的性質(zhì)，從而提高其拉伸強(qiáng)度、粘接性能、阻燃性能和抗紫外老化性能等。
拉伸強(qiáng)度是表征材料抗拉伸的能力，也反應(yīng)了材料在外力的作用下抵抗永久變形和破壞的能力。拉伸強(qiáng)度越大，表明材料在受力后發(fā)生彈性形變?cè)叫。瑫r(shí)抗拉性能也越好。太陽(yáng)能電池組件對(duì)封裝材料的拉伸強(qiáng)度要求較高，為此需要對(duì)EVA進(jìn)行改性。
使用三烯丙基異氰脲酸酯(AIC)作為交聯(lián)敏化劑，如圖2所示。
圖2 TAIC對(duì)EVA/PE?HD復(fù)合材料體系輻射敏化交聯(lián)機(jī)理示意圖
此外，戶(hù)外工作時(shí)太陽(yáng)能電池組件暴露在太陽(yáng)光下，如圖3所示，EVA分子鏈吸收輻照紫外光的能量而產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化。
同時(shí)紫外光的能量高于EVA分子鏈的斷裂能，致使老化速度進(jìn)一步加快，使得EVA降解造成密封性變差從而影響電池性能。
所以研究合適的紫外吸收劑抑制EVA材料的光老化作用來(lái)提高太陽(yáng)能電池組件的使用壽命具有重要意義。
如圖4所示，利用巰基?烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的方法合成的一種新型大分子紫外線吸收劑PHA?b?PEUV?0，由于該吸收劑分子鏈末端存在巰基，所以抑制了材料表面氧化和降解，將其添加到EVA基體材料中，即使用量較少也能使得EVA具有良好的抗紫外老化作用，如圖5。
圖5 添加不同PHA?b?PEUV?0含量的EVA材料在老化40d后的乙烯基指數(shù)與羰基指數(shù)
有很多類(lèi)型的紫外線吸收劑也可被用于對(duì)EVA材料改性，如三嗪類(lèi)、苯并三唑類(lèi)、對(duì)氨基苯甲酸類(lèi)和樟腦衍生物等，無(wú)機(jī)氧物類(lèi)的紫外線散射劑如二氧化鈦????? (TiO2)和氧化鋅(ZnO)等也可用于改性EVA材料，從而提高復(fù)合材料對(duì)紫外線的吸收能力，保護(hù)電池組件確保正常使用。
最后，EVA材料常作為太陽(yáng)能電池組件粘接玻璃和背板的粘接材料。EVA的分子結(jié)構(gòu)為線型，其分子熱脹冷縮的現(xiàn)象是較為常見(jiàn)的。同時(shí)它屬于弱極性材料，與玻璃等無(wú)機(jī)材料的粘接力較小，在長(zhǎng)時(shí)間使用后邊緣的部分容易出現(xiàn)脫落，且太陽(yáng)能電池組件工作環(huán)境多樣。為使EVA材料抵抗氣候變化的影響，需要添加增黏劑對(duì)它進(jìn)行改性，使得EVA與玻璃間的粘接性和持久性滿(mǎn)足使用需要。
在改性過(guò)程中，增黏劑賦予了EVA分子的極性支鏈，大大提高了EVA的極性和粘接性。
將交聯(lián)劑叔丁基過(guò)氧化碳酸?2–乙基已酯????? (TBEC)和增黏劑萜烯樹(shù)脂共同使用，如表1所示。
表1 萜烯樹(shù)脂、TBEC和DCP對(duì)EVA同玻璃間黏結(jié)力學(xué)性能的影響
發(fā)現(xiàn)該混合體系對(duì)玻璃的剝離強(qiáng)度為6.83N/mm，剝離力達(dá)到159.71N，較純EVA得到很大提升，證明了TBEC與萜烯樹(shù)脂可以起到協(xié)同作用，使混合材料更好地與玻璃進(jìn)行粘接。
封裝膠膜是太陽(yáng)能電池組件中的重要組成部分，隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，人們開(kāi)發(fā)出了一些較EVA性能更加優(yōu)良的薄膜，如新型樹(shù)脂薄膜、新型聚氨酯薄膜等。
同EVA相比，如表2所示，其耐濕熱性、耐黃變老化性、透光性均有所提高，且在彈性、強(qiáng)度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等方面有著優(yōu)異表現(xiàn)。
表2 一些可替代EVA的封裝材料的性能特點(diǎn)
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分子主鏈由氨基甲酸酯的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成，耐候性高、絕緣性好且化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較好的柔韌性。
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通過(guò)縮合反應(yīng)得到的一種熱塑性高分子聚合物，在透明性、耐熱性和成膜性具有優(yōu)良表現(xiàn)，與非金屬材料表現(xiàn)出較好的粘接性。
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分子主鏈中含有無(wú)機(jī)鍵，側(cè)鏈含有有機(jī)基團(tuán)，具備良好的耐熱性和疏水性且體現(xiàn)了較低的吸濕性。
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其中所含的氟原子電負(fù)性，使得碳氟鍵鍵能大，從而具有優(yōu)異的耐候性、出色的穩(wěn)定性和較高的力學(xué)強(qiáng)度。
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且EVA?玻璃封裝體系相對(duì)較笨重，導(dǎo)致運(yùn)輸成本增加，安裝和使用靈活性較差，所以電池和封裝材料的薄膜化將成為新的發(fā)展趨勢(shì)，更加輕便的太陽(yáng)能電池也將逐步取代采用EVA作為封裝材料的電池。
聚氨酯又名氨基甲酸酯，分子主鏈由氨基甲酸酯的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成，通常可用異氰酸酯和多元醇反應(yīng)得到。它耐候性較好，通常被用于裝飾和保護(hù)材料，溫度的變化對(duì)其影響不大。
由于聚氨酯分子中含有極性基團(tuán)，故對(duì)基材的附著力大，同時(shí)分子中存在的氨基甲酸酯使其生成氫鍵，進(jìn)一步增大了分子間的作用力，斷裂伸長(zhǎng)率有所提高，因此具備了優(yōu)良的耐磨性和出色的柔韌性。
此外，聚氨酯的絕緣性能好，可作為電子器件的保護(hù)涂層以及外包材料。且它的化學(xué)穩(wěn)定性好，可以承受酸堿鹽等的侵蝕，可以作為防腐層來(lái)保護(hù)太陽(yáng)能電池組件。
表3 不同的新型聚氨酯材料的性能特點(diǎn)
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不易揮發(fā)，原料選擇范圍大，適合大型產(chǎn)品的生產(chǎn)，其韌性較好、耐磨性?xún)?yōu)良，可在高低溫條件下使用。
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分子呈線型，化學(xué)交聯(lián)較少，對(duì)溫度的變化不敏感，具有較好的耐腐蝕性、抗水解能力和耐霉菌性。
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力學(xué)性能穩(wěn)定，可長(zhǎng)時(shí)間保持一定的流動(dòng)性，耐油性和抵抗化學(xué)品侵蝕的能力出色，氣體滲透性低。
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無(wú)需添加交聯(lián)劑得到相應(yīng)的水性聚氨酯就可使用，易儲(chǔ)藏、穩(wěn)定性好，耐酸堿腐蝕，可在較大溫度范圍內(nèi)工作。
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必須添加交聯(lián)劑使得聚氨酯原料與其構(gòu)成雙組分才可使用，固化后流動(dòng)性較好，易復(fù)原，耐油性?xún)?yōu)良，柔韌性較高。
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具有傳統(tǒng)聚氨酯優(yōu)異的力學(xué)性能，透明型好，具有良好的光學(xué)性能，防水性較好，可在高溫條件下工作。
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TPU在常溫時(shí)表現(xiàn)出橡膠的高彈性，高溫時(shí)則表現(xiàn)出材料的可塑性。
透明型聚氨酯兼具了傳統(tǒng)聚氨酯的優(yōu)秀屬性和良好的光學(xué)性能，被用于涉及到光學(xué)、防護(hù)等高科技領(lǐng)域，受到眾多科研工作者的青睞。
雙組分聚氨酯通過(guò)含有異氰酸酯的固化劑和含有活潑氫的樹(shù)脂合成。
EVA封裝膠膜經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展技術(shù)日趨成熟，其成本低廉，在市場(chǎng)占據(jù)了相當(dāng)大的份額，是當(dāng)今主流的太陽(yáng)能電池封裝材料。然而它抗老化能力差且較容易黃化，給使用帶來(lái)不便，難以滿(mǎn)足預(yù)期使用壽命。
PVB作為太陽(yáng)能電池另一種常用的封裝材料，開(kāi)始逐漸地替代EVA作為封裝材料。
PVB是一種熱塑性高分子聚合物，它通過(guò)聚乙烯醇和正丁醛在催化劑條件下縮合而成，擁有著良好的防水性、耐熱性和抗紫外性，耐老化性和穩(wěn)定性也較EVA有所提高。同時(shí)它易于成膜，與其他無(wú)機(jī)材料如玻璃等能很好的粘接，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光伏封裝、建筑、汽車(chē)等領(lǐng)域。
共擠背板中所使用到的共擠工藝是當(dāng)下塑料工業(yè)中先進(jìn)的加工方法之一，共擠工藝可以制備多組分的復(fù)合材料制品，如復(fù)合薄膜和復(fù)合板材等。
通過(guò)數(shù)臺(tái)擠出機(jī)，能將多層具有不同特性的物料在擠出過(guò)程中相互復(fù)合在一起，從而使得所制產(chǎn)品同時(shí)兼有不同材料的優(yōu)良特性，性能上取長(zhǎng)補(bǔ)短，能達(dá)到為了滿(mǎn)足特殊要求所具備的性能、外觀、對(duì)于氧氣和水分的阻隔能力、保溫性、熱粘接能力、強(qiáng)度和柔韌性等一系列優(yōu)良性質(zhì)。
這些具有多種優(yōu)點(diǎn)的多層復(fù)合材料可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域中，同時(shí)在制備時(shí)可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)化儀器的操作流程和降低設(shè)備投資，而且生產(chǎn)復(fù)合的過(guò)程中不涉及使用化學(xué)溶劑，是一種環(huán)境友好型的技術(shù)工藝。
用于擠出復(fù)合薄膜的擠出機(jī)頭有2種形式，即多流道式共擠出機(jī)頭和喂料塊式共擠出機(jī)頭。
如圖6所示此種方法適用于流動(dòng)性和加工溫度相近的材料，具有一定的局限性。
如圖7所示，這種工藝需要配備11臺(tái)擠出機(jī)同步擠出，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)400余層乙烯?乙烯醇共聚物(EVOH)流延阻隔薄膜。
隨著技術(shù)的發(fā)展，擠出機(jī)向著節(jié)能降耗和多功能化的方向發(fā)展。
共擠背板就是將多種熱塑性樹(shù)脂，通過(guò)多臺(tái)擠出機(jī)分多層通過(guò)同一個(gè)模頭一次成型的背板新技術(shù)，其制備示意圖如圖8所示。
相較于層壓工藝，共擠背板的聚合物層以熔融狀態(tài)結(jié)合、粘接并擠壓在一起，在加工過(guò)程中可靈活改變層厚，避免多工序生產(chǎn)，故聚合物組分的流變性是限制共擠背板材料選擇的一個(gè)因素。制造的背板具有層間黏接力好、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)環(huán)節(jié)避免溶劑型膠黏劑的使用，無(wú)溶劑揮發(fā)，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染、材料可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。
將EVA、PET和EVA分別提供給3臺(tái)擠出機(jī)，使用分層模頭來(lái)進(jìn)行3層組分共擠結(jié)合成膜從而形成上層背板層，使用聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分別提供給2臺(tái)擠出機(jī)經(jīng)分層模頭來(lái)實(shí)現(xiàn)2層組分共擠成膜，以此形成下層背板層。
同時(shí)通過(guò)在2個(gè)背板層間設(shè)置反光層的夾層構(gòu)造方式，使進(jìn)入其中的太陽(yáng)光進(jìn)行聚光反射，增加了透光度，從而對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行二次照射，改善了光伏電池組件的轉(zhuǎn)化效率。
一種無(wú)氟多層共擠的太陽(yáng)能電池背板材料，將改性聚碳酸酯層分別作為耐候?qū)雍驼辰訉?，聚?duì)苯二甲酸丁二醇酯作為中間層，通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)擠出后采用多層共擠裝置進(jìn)行共擠擠出，從而達(dá)到相鄰兩層之間的黏結(jié)。
在此工藝中沒(méi)有使用含氟材料和粘接劑，生產(chǎn)出來(lái)的共擠背板光學(xué)性能優(yōu)異且成本低廉，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和柔韌性均得到顯著改善，高耐候性和抗水解性得到保證，延長(zhǎng)了太陽(yáng)能電池組件的使用壽命，在制備方法上較為簡(jiǎn)便，可以考慮進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
背板粘接材料是傳統(tǒng)背板結(jié)構(gòu)的重要組成部分。
EVA的耐候性不佳、易老化等缺點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)各種改性后才能更好應(yīng)用于太陽(yáng)能電池背板的粘接材料中。共混改性通過(guò)幾種材料不同比例的混合來(lái)提高EVA復(fù)合體系的拉伸強(qiáng)度、阻燃性能、抗紫外老化和粘接性能，更好地滿(mǎn)足應(yīng)用需求。
相較于填充改性、化學(xué)接枝法和化學(xué)交聯(lián)法，它操作簡(jiǎn)單，無(wú)需繁瑣的后處理步驟，成為眾多研究者們提升EVA性能的選擇之一。
新材料的不斷涌現(xiàn)促進(jìn)了粘接材料的多樣化，未來(lái)太陽(yáng)能背板粘接材料將不僅僅局限于EVA，還將向著聚氨酯材料、PVB、PDMS或樹(shù)脂類(lèi)材料發(fā)展，它們的理化性質(zhì)較EVA有明顯改善，可作為EVA的替代材料在太陽(yáng)能電池組件中使用。
目前，針對(duì)一次成型的共擠背板已經(jīng)有國(guó)內(nèi)外廠商在進(jìn)行研究和試產(chǎn)，由于技術(shù)壟斷和經(jīng)濟(jì)逆全球化的影響，能大規(guī)模批量生產(chǎn)使用的背板還較少，共擠背板產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較慢。
面對(duì)國(guó)外廠商的技術(shù)管控，應(yīng)加大國(guó)產(chǎn)化研發(fā)力度，對(duì)于共擠背板技術(shù)需要持續(xù)深入研究。
在尋找和研制更廉價(jià)且高性能原材料的同時(shí)，應(yīng)盡量避免含氟材料的使用，努力做到環(huán)境友好型的共擠背板。同時(shí)，國(guó)內(nèi)廠商也應(yīng)與外國(guó)科技企業(yè)持續(xù)深入溝通，開(kāi)展廣泛的交流合作，沖破技術(shù)阻礙，實(shí)現(xiàn)新型共擠背板完全國(guó)產(chǎn)化，提升我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。
來(lái)源：光伏背板粘接材料和共擠粘接技術(shù)研究進(jìn)展
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