隨著全球經(jīng)濟發(fā)展，快速的工業(yè)化和人口增長，使全球能源需求在過去幾十年內(nèi)發(fā)生了顯著增加。
目前，全球化石能源的儲量不斷減少，全球可再生能源的布局和使用正在迅速增長。
太陽能是最豐富的陸地可再生能源，在對太陽能的利用方式中，光伏發(fā)電技術(shù)是目前發(fā)展最快的技術(shù)，光伏組件安裝后可以可靠運行25~30年。
目前應用最為廣泛的光伏組件是晶體硅光伏組件，典型的晶體硅光伏組件由許多相互連接的太陽能電池、高分子封裝膜、玻璃面板以及背板等組成，結(jié)構(gòu)如下圖所示。
這樣的構(gòu)造形式有利于增加光伏組件的強度，使太陽能電池和金屬互聯(lián)線免受外界惡劣環(huán)境的影響。
本文主要總結(jié)了近幾年關(guān)于EVA光伏組件封裝膜的研究進展，包括EVA的穩(wěn)定性、失效機制、物理特性和改性研究，討論醋酸乙烯酯(VA)含量及濕熱條件下EVA材料的分解情況以及對光伏組件的影響；
其次對POE封裝膜和TPO封裝膜的相關(guān)研究及發(fā)展現(xiàn)狀進行了調(diào)研，包括穩(wěn)定性研究、物理特性等；
最后對EVA和POE或TPO的對比研究進行了總結(jié)分析，探討EVA作為組件封裝膜應用的局限性及聚烯烴材料作為光伏組件封裝膜的優(yōu)勢。
1. EVA封裝膜研究進展
乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)由于其機械和物理特性、易于加工以及良好的耐化學性和電阻性，被廣泛用于熱熔粘合劑和生物醫(yī)學設備等。
同時，EVA構(gòu)成的共聚物封裝膜因具有透光率高、抗紫外線輻射、與玻璃良好的附著力和相對耐候性等優(yōu)點，成為晶體硅光伏組件首選的封裝膜材料。
EVA作為光伏封裝膜應用時，VA的重量百分比在28%~33%之間，并與交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、紫外線(UV)吸收劑、光抗氧化劑和熱抗氧化劑等添加劑混合。
加工過程包括：先將混合后的原料通過擠出、流延壓制后得到EVA封裝膜；在后續(xù)光伏組件的生產(chǎn)中，在一定溫度和壓力的環(huán)境下，EVA膜在交聯(lián)劑與偶聯(lián)劑的作用下交聯(lián)固化，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與面板、背板以及太陽能電池片發(fā)生粘結(jié)，改善組件機械性能的同時，也加強了玻璃的透光率。
EVA作為光伏組件封裝材料性能有優(yōu)勢，但近年來有研究表明，濕度、溫度和紫外線輻射等環(huán)境因素會降低EVA的封裝性能，EVA在熱帶氣候條件下運行約15年后會發(fā)生嚴重變色和分層現(xiàn)象。
EVA在濕熱條件下分解，還有可能導致組件發(fā)生電位誘導衰減現(xiàn)象(PID)，這種現(xiàn)象會使光伏組件的效率在運營幾年后迅速下降，嚴重降低組件的使用壽命。
UmangD等人制造了四種含有不同醋酸乙烯(VA)含量的EVA薄膜，并層壓在兩層背板之間，將層壓后的背板放在相對濕度85%的環(huán)境中進行1000小時的濕熱老化，老化結(jié)束后利用剝離測試評估樣品與背板之間的粘合強度。
通過測試發(fā)現(xiàn)，VA含量在24%的情況下，老化前后的粘合強度沒有受到影響，VA含量在18%的樣品，老化后粘合強度增加，VA含量在33%和40%的兩種樣品粘合強度有不同程度的下降。
進一步通過凝膠含量測量不同樣品的交聯(lián)度，并通過熱重分析測量樣品VA含量的變化，發(fā)現(xiàn)老化后粘合強度升高的樣品，交聯(lián)度和VA含量都有明顯的上升趨勢。
研究表明：VA含量為18%和24%的樣品比VA含量為33%和40%的樣品具有更高的耐老化性。這個研究對后續(xù)封裝膜的配方設計有重要的指導意義。
常州大學丁盛等人研究了作為光伏組件的EVA膠膜的交聯(lián)體系，對EVA膠膜的交聯(lián)性能、粘結(jié)性能和透光性能進行了研究。
他們發(fā)現(xiàn)：助交聯(lián)劑可以延長交聯(lián)劑中過氧化物自由基的壽命，隨著助交聯(lián)劑三烯丙基異三聚氰酸酯(TAIC)的含量增加，交聯(lián)度會升高，當交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)0.5%，助交聯(lián)劑0.6%時，交聯(lián)效果最好、最經(jīng)濟。
研究還發(fā)現(xiàn)，隨著硅烷偶聯(lián)劑的增加，剝離強度有顯著提升，但當偶聯(lián)劑含量達到0.25%后，由于硅烷偶聯(lián)劑含量達到飽和，剝離強度不會進一步增加。
南京紅寶麗新材料的祝麗娟等人也對EVA膠膜的交聯(lián)體系進行了研究，主要研究不同偶聯(lián)劑對于封裝膜粘結(jié)強度的影響。
研究發(fā)現(xiàn)：具有不飽和雙鍵結(jié)構(gòu)偶聯(lián)劑能與玻璃及背板材料表面的化學基團反應，從而可以增強封裝膜與玻璃、背板之間的粘合力；偶聯(lián)劑A-3除了不飽和雙鍵結(jié)構(gòu)，還具有較長的分子鏈，長分子鏈鏈段具有易旋轉(zhuǎn)、柔順性好等特點，在封裝膜生產(chǎn)中可成為交聯(lián)體系中偶聯(lián)劑的首選。
北京工業(yè)大學的勾憲芳研究了EVA封裝膜交聯(lián)體系對PID衰減的影響，實驗選用VA含量為28%的EVA原料，改變不同偶聯(lián)劑、交聯(lián)劑及助交聯(lián)劑的含量，探索不同交聯(lián)體系抗PID衰減的效果。
通過實驗發(fā)現(xiàn)，改變交聯(lián)體系中偶聯(lián)劑、交聯(lián)劑、助交聯(lián)劑任一成分，均會改變材料的體積電阻率，同時抗PID衰減性能也會發(fā)生變化。
助劑添加量和體積電阻率并不完全成正比關(guān)系，當偶連劑、交連劑、助交聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)比為1.5∶1∶1時，制備的EVA封裝膜呈現(xiàn)出較高的體積電阻率，同時呈現(xiàn)出較好的抗PID性能。
助劑在交聯(lián)過程中影響交聯(lián)體系中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的密度，當網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稀疏時，體積電阻率低，容易發(fā)生PID衰減現(xiàn)象，反之，材料體積電阻率高，則不容易發(fā)生PID衰減現(xiàn)象。
在EVA交聯(lián)體系中添加復合穩(wěn)定劑可以提高EVA封裝膜的穩(wěn)定性。
研究表明，添加穩(wěn)定劑后，由于各組分間的協(xié)同作用相比于單一穩(wěn)定劑更能降低EVA的老化速率，紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑的復合可以延緩EVA的光降解，添加光頻轉(zhuǎn)換材料可以將照射到EVA表面的紫外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽?，降低EVA老化速率的同時提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)化效率。
XueH等人研究發(fā)現(xiàn)，在EVA中添加稀土物質(zhì)如Y2SiO5:Ce3+、Yb3+可提高導熱性和對基材的附著力，而不會降低其光學性能和電絕緣性。
在光伏組件中，使用稀土物質(zhì)改良的封裝膜在光伏模塊中的高導熱性和良好粘附性可避免氣體、水分的進入和液態(tài)水的積聚，從而提供防腐蝕保護。
2?. 聚烯烴封裝膜的研究進展
EVA作為光伏組件封裝膜的主要材料，具有易獲得、低成本、高透明度、易加工性等特點，但EVA膜的水解會導致組件的失效和PID現(xiàn)象。
人們一方面在研究EVA封裝材料的特性，對EVA封裝膜的配方和結(jié)構(gòu)進行改進，另一方面，人們也在尋找EVA的替代材料，既具備EVA的優(yōu)良性能，同時在濕熱條件下依然能夠保持良好的穩(wěn)定性。
近年來，越來越多的科研人員發(fā)現(xiàn)：與EVA相比，聚烯烴基封裝膜在技術(shù)上更為優(yōu)越。聚烯烴基的封裝膜有聚烯烴彈性體(POE)和熱塑性聚烯烴(TPO)兩種，它們有潛力成為新一代的光伏組件封裝材料。
POE封裝膜與EVA封裝膜類似，在光伏組件層壓過程中需要交聯(lián)才能正常工作，因此，使用POE制備封裝膜時，同樣需要添加穩(wěn)定添加劑、過氧化物、紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑等。
TPO封裝膜在高溫層壓過程中，封裝膜和玻璃、背板之間必要的粘合力是通過TPO大分子中已經(jīng)存在的內(nèi)置硅烷官能團建立的，粘合力的大小與層壓時間、溫度和壓力有直接聯(lián)系，在層壓過程中不發(fā)生交聯(lián)反應。
晶澳太陽能的劉長飛等人研究了POE封裝膜層壓方案對封裝膜交聯(lián)度與力學性能的影響。
通過測試發(fā)現(xiàn)，樣品的剝離強度和拉伸強度均隨交聯(lián)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，層壓后POE膠膜的交聯(lián)度保持在69%~84%之間時，才能進一步保證光伏組件的長期可靠性。
BalojiA等人研究了一種市售的TPO封裝膜，通過實驗測試其作為組件封裝膜的適用性。通過50天的紫外老化測試，發(fā)現(xiàn)TPO封裝膜的透光率幾乎沒有變化，也幾乎沒有發(fā)現(xiàn)變色現(xiàn)象。
通過差示掃描量熱儀(DSC)的熱-冷-熱循環(huán)測試研究了TPO玻璃化和熔體轉(zhuǎn)變性能后發(fā)現(xiàn)，紫外照射50天之后，TPO膜的熱性能并未發(fā)生改變。該測試證實，TPO熱性能幾乎保持不變。
另外，他們還做了熱重分析(TGA)測試，發(fā)現(xiàn)在遠高于工作溫度的400C°高溫下，TPO仍然具有穩(wěn)定性。
通過剝離實驗得到TPO膜具有非常高的黏合強度。以上的結(jié)果均能夠說明，TPO可以代替EVA，成為新的組件封裝膜。
3. 聚烯烴封裝膜與EVA封裝膜的對比研究
在聚烯烴封裝膜的性能研究方面，更多的科研人員是將聚烯烴封裝膜與EVA封裝膜做對比研究，在同樣的條件下測試兩者的相關(guān)性能，以評價聚烯烴封裝膜的可靠性與適用性。
孫澤楊等人針對于封裝膜的水解過程，討論了EVA膜與POE膜在雙玻組件中的適用性。
EVA封裝膜由于水解產(chǎn)生醋酸，會導致組件的PID現(xiàn)象，但由于雙玻組件中，正反兩面都是玻璃，水蒸氣透過率幾乎為0，所以他們認為，在有邊框的雙玻組件中，可以使用EVA封裝膜。
但POE膜水解不會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，在不考慮價格因素的情況下，是優(yōu)選的組件封裝膜。
陶氏化學在2020年推出了一種ENGAGE?PVPOE膜，并通過實驗對比測試了使用新款POE封裝膜以及EVA封裝膜組件的體積電阻率、水汽透過率、老化情況以及抗PID性能。
通過對比測試發(fā)現(xiàn)，在溫度上升到85℃時，EVA的體積電阻率已經(jīng)下降到1013Ω·cm，而新款POE封裝膜的體積電阻率仍然保持在1015Ω·cm以上；在標準濕熱條件測試的情況下，EVA封裝膜的水汽透過率達到了34g·(m2·d)-1，而新款POE封裝膜僅有3.3g·(m2·d)-1。
當組件雙面都采取新款POE封裝膜時，組件的穩(wěn)定性以及抗PID性能最優(yōu)，但和EVA膜搭配使用時，依然會產(chǎn)生PID現(xiàn)象。
OreskiG等人對比研究了POE、TPO以及EVA三種封裝膜的材料特性以及封裝成組件后的電氣性能。
通過對比研究發(fā)現(xiàn)，EVA和POE表現(xiàn)出相似的熱和熱機械性能。相比之下，TPO薄膜的熔融溫度可達109.4℃，明顯高于EVA的65.9℃和POE的81.2℃，并且在高溫下沒有交聯(lián)反應。
此外，TPO的彈性模量和剪切粘度值高于POE和EVA。將封裝后的組件進行3000小時的濕熱測試，發(fā)現(xiàn)使用EVA的組件在金屬柵線處出現(xiàn)了腐蝕，而使用POE和TPO的組件并沒有出現(xiàn)腐蝕的情況。
研究表明，POE和TPO都是EVA的有效替代材料，但TPO膜由于封裝時不產(chǎn)生交聯(lián)反應，在實際封裝時要重新設定合適的封裝溫度以保證組件的穩(wěn)定性。
ParkH等人分別使用了常規(guī)加速濕熱測試和更惡劣的濕熱組合測試對比研究了EVA封裝單晶硅組件和POE封裝的單晶硅組件的熱穩(wěn)定性。
他們證實了即使在最嚴苛的濕熱測試條件下，采用POE封裝的組件仍然能夠表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，最大輸出功率的降低控制在10%以內(nèi)。
ThorntonP等人在2021年首次研究了采用SmartWire連接技術(shù)(SWCT)的光伏組件，探索使用SWCT結(jié)構(gòu)的組件對封裝膜的附著力。
他們采用EVA封裝膜和POE封裝膜制備了小型組件，并測量了組件正面和背面的密封劑附著力。
結(jié)果表明，雖然SWCT結(jié)構(gòu)會導致粘合強度的減弱，但POE封裝膜仍然能夠比EVA封裝膜提供更好的初始粘合力。
BalojiA等人在近三年以來做了一系列研究對比TPO封裝膜和EVA封裝膜的基本特性和熱穩(wěn)定性。他們首先比較了TPO封裝膜和EVA封裝膜的光學、熱學、機械等基本特性。
通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，與EVA相比，TPO具有更高的透光性，從而使用TPO的組件有更高的輸出增益，而且變色速度與EVA相比慢了5倍。
在層壓過程中，TPO沒有發(fā)生交聯(lián)反應，層壓周期更短，但卻能夠提供更高的剝離強度。
在85℃的極端工作條件下，采用TPO封裝的組件仍能保持其更高的粘合強度、結(jié)晶度、楊氏模量、抗蠕變性、韌性和體積電阻率。
他們進一步對使用TPO封裝膜和EVA封裝膜的組件進行了4000小時的濕熱測試，通過紅外光譜測試分析證實了EVA封裝膜分解生成更多的乙酸和羥基，具有更高的吸水性，而TPO封裝膜由于非極性性質(zhì)具有更好的穩(wěn)定性。
最終他們又采用了差示掃描量熱儀(DSC)與熱重分析(TGA)研究材料的結(jié)晶度和熱分解溫度，進一步說明了TPO在封裝過程中未發(fā)生交聯(lián)反應，具有比EVA更高的熱穩(wěn)定性，并且可以防止由于高溫脫乙酰化而導致變色的現(xiàn)象。
4 . 結(jié)論與展望
本文對近幾年來高分子光伏封裝膜的研究進行了總結(jié)分析，得到以下結(jié)論：
·?EVA封裝膜中，VA含量與外加交聯(lián)助劑的比例均可以影響封裝膜的粘結(jié)強度，從而影響封裝后組件的穩(wěn)定性；
·?交聯(lián)助劑的比例對于封裝膜的抗PID衰減性能影響明顯，選擇合適的比例可以提高封裝膜的抗PID衰減性能；
· 在EVA封裝膜中添加復合穩(wěn)定劑或稀土材料可以改良EVA封裝膜的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。
聚烯烴封裝膜是新一代的組件封裝膜，相對EVA封裝膜，聚烯烴封裝膜的交聯(lián)度、濕熱穩(wěn)定性，抗PID性能均優(yōu)于EVA封裝膜。
但聚烯烴封裝膜的成本相對EVA較高，在光伏補貼逐年下降的今天，如何在質(zhì)量和價格之間做出平衡，是否能夠?qū)ふ腋鼉?yōu)的光伏組件封裝方案都是未來的研究方向。
參考資料：《高分子光伏組件封裝膜的研究進展》鄧敏，廣東化工2023.1.15，網(wǎng)絡資料
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