太陽能作為清潔能源中一個重要的部分，已經(jīng)越來越多地為人們所利用。通過光伏發(fā)電技術(shù)，可以將太陽能有效地轉(zhuǎn)換成電能。在這個過程中，太陽能光伏電池組件是不可或缺的部分。
對于商品化光伏組件，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，確保太陽能電池正常工作。
圖1 太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)示意圖
EVA是一種新型的乙烯共聚物類材料，相較于傳統(tǒng)的乙烯共聚物聚乙烯(PE)來說，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EVA在加熱熔融時具有較好的浸潤性，冷卻固化時粘接性、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，在夾層玻璃和太陽能電池組件中的封裝方面有廣泛應(yīng)用。
然而，太陽能電池組件通常要求能正常工作25年以上的時間，在戶外使用過程中溫度和水分等因素對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，長時間工作后會發(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，使其滿足應(yīng)用的需要。
近些年來，一些新型樹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)用在太陽能電池組件中。
而傳統(tǒng)的玻璃/封裝材料/太陽能電池片/封裝材料/背板的結(jié)構(gòu)也帶來一些問題，如較為復(fù)雜的背板結(jié)構(gòu)會使整個太陽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，導(dǎo)致其使用壽命下降。
一些企業(yè)已經(jīng)開始探索共擠背板的生產(chǎn)工藝，以解決上述問題可能對太陽能光伏組件的潛在影響。
隨著使用時間增長，EVA膠膜會逐漸受到熱量、氧氣和水分的影響，不能很好保證太陽能電池組件安全平穩(wěn)地工作。因此，如何對EVA進(jìn)行改性成為目前研究的熱門方向。
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。通過不同的改性方法來達(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)生彈性形變越小，同時抗拉性能也越好。太陽能電池組件對封裝材料的拉伸強(qiáng)度要求較高，為此需要對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，戶外工作時太陽能電池組件暴露在太陽光下，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提高太陽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)
有很多類型的紫外線吸收劑也可被用于對EVA材料改性，如三嗪類、苯并三唑類、對氨基苯甲酸類和樟腦衍生物等，無機(jī)氧物類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)象是較為常見的。同時它屬于弱極性材料，與玻璃等無機(jī)材料的粘接力較小，在長時間使用后邊緣的部分容易出現(xiàn)脫落，且太陽能電池組件工作環(huán)境多樣。為使EVA材料抵抗氣候變化的影響，需要添加增黏劑對它進(jìn)行改性，使得EVA與玻璃間的粘接性和持久性滿足使用需要。
在改性過程中，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)劑叔丁基過氧化碳酸?2–乙基已酯????? (TBEC)和增黏劑萜烯樹脂共同使用，如表1所示。
表1 萜烯樹脂、TBEC和DCP對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，人們開發(fā)出了一些較EVA性能更加優(yōu)良的薄膜，如新型樹脂薄膜、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)
|
|
|
|
|
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。
|
|
|
通過縮合反應(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。
|
|
|
分子主鏈中含有無機(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。
|
|
|
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。
|
且EVA?玻璃封裝體系相對較笨重，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，更加輕便的太陽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?？捎卯惽杷狨ズ投嘣挤磻?yīng)得到。它耐候性較好，通常被用于裝飾和保護(hù)材料，溫度的變化對其影響不大。
由于聚氨酯分子中含有極性基團(tuán)，故對基材的附著力大，同時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，可以作為防腐層來保護(hù)太陽能電池組件。
表3 不同的新型聚氨酯材料的性能特點(diǎn)
|
|
|
|
|
|
|
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、耐磨性優(yōu)良，可在高低溫條件下使用。
|
|
|
分子呈線型，化學(xué)交聯(lián)較少，對溫度的變化不敏感，具有較好的耐腐蝕性、抗水解能力和耐霉菌性。
|
|
|
力學(xué)性能穩(wěn)定，可長時間保持一定的流動性，耐油性和抵抗化學(xué)品侵蝕的能力出色，氣體滲透性低。
|
|
|
|
無需添加交聯(lián)劑得到相應(yīng)的水性聚氨酯就可使用，易儲藏、穩(wěn)定性好，耐酸堿腐蝕，可在較大溫度范圍內(nèi)工作。
|
|
|
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，固化后流動性較好，易復(fù)原，耐油性優(yōu)良，柔韌性較高。
|
|
|
|
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。
|
TPU在常溫時表現(xiàn)出橡膠的高彈性，高溫時則表現(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。
雙組分聚氨酯通過含有異氰酸酯的固化劑和含有活潑氫的樹脂合成。
EVA封裝膠膜經(jīng)過30余年的發(fā)展技術(shù)日趨成熟，其成本低廉，在市場占據(jù)了相當(dāng)大的份額，是當(dāng)今主流的太陽能電池封裝材料。然而它抗老化能力差且較容易黃化，給使用帶來不便，難以滿足預(yù)期使用壽命。
PVB作為太陽能電池另一種常用的封裝材料，開始逐漸地替代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。同時它易于成膜，與其他無機(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。
通過數(shù)臺擠出機(jī)，能將多層具有不同特性的物料在擠出過程中相互復(fù)合在一起，從而使得所制產(chǎn)品同時兼有不同材料的優(yōu)良特性，性能上取長補(bǔ)短，能達(dá)到為了滿足特殊要求所具備的性能、外觀、對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，同時在制備時可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、簡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脂，通過多臺擠出機(jī)分多層通過同一個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因素。制造的背板具有層間黏接力好、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)環(huán)節(jié)避免溶劑型膠黏劑的使用，無溶劑揮發(fā)，不會產(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臺擠出機(jī)，使用分層模頭來進(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臺擠出機(jī)經(jīng)分層模頭來實(shí)現(xiàn)2層組分共擠成膜，以此形成下層背板層。
同時通過在2個背板層間設(shè)置反光層的夾層構(gòu)造方式，使進(jìn)入其中的太陽光進(jìn)行聚光反射，增加了透光度，從而對太陽能電池板進(jìn)行二次照射，改善了光伏電池組件的轉(zhuǎn)化效率。
一種無氟多層共擠的太陽能電池背板材料，將改性聚碳酸酯層分別作為耐候?qū)雍驼辰訉?，聚對苯二甲酸丁二醇酯作為中間層，通過雙螺桿擠出機(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)。
在此工藝中沒有使用含氟材料和粘接劑，生產(chǎn)出來的共擠背板光學(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，延長了太陽能電池組件的使用壽命，在制備方法上較為簡便，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)過各種改性后才能更好應(yīng)用于太陽能電池背板的粘接材料中。共混改性通過幾種材料不同比例的混合來提高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，它操作簡單，無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，未來太陽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或樹脂類材料發(fā)展，它們的理化性質(zhì)較EVA有明顯改善，可作為EVA的替代材料在太陽能電池組件中使用。
目前，針對一次成型的共擠背板已經(jīng)有國內(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。
面對國外廠商的技術(shù)管控，應(yīng)加大國產(chǎn)化研發(fā)力度，對于共擠背板技術(shù)需要持續(xù)深入研究。
在尋找和研制更廉價且高性能原材料的同時，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，國內(nèi)廠商也應(yīng)與外國科技企業(yè)持續(xù)深入溝通，開展廣泛的交流合作，沖破技術(shù)阻礙，實(shí)現(xiàn)新型共擠背板完全國產(chǎn)化，提升我國光伏產(chǎn)業(yè)綜合競爭力。
來源：光伏背板粘接材料和共擠粘接技術(shù)研究進(jìn)展
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：光伏背板粘接材料和共擠粘接技術(shù)
