隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，快速的工業(yè)化和人口增長(zhǎng)，使全球能源需求在過(guò)去幾十年內(nèi)發(fā)生了顯著增加。
目前，全球化石能源的儲(chǔ)量不斷減少，全球可再生能源的布局和使用正在迅速增長(zhǎng)。
太陽(yáng)能是最豐富的陸地可再生能源，在對(duì)太陽(yáng)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(yùn)行25~30年。
目前應(yīng)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(yáng)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(qiáng)度，使太陽(yáng)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(jìn)展，包括EVA的穩(wěn)定性、失效機(jī)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(duì)光伏組件的影響；
其次對(duì)POE封裝膜和TPO封裝膜的相關(guān)研究及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，包括穩(wěn)定性研究、物理特性等；
最后對(duì)EVA和POE或TPO的對(duì)比研究進(jìn)行了總結(jié)分析，探討EVA作為組件封裝膜應(yīng)用的局限性及聚烯烴材料作為光伏組件封裝膜的優(yōu)勢(shì)。
1. EVA封裝膜研究進(jìn)展
乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)由于其機(jī)械和物理特性、易于加工以及良好的耐化學(xué)性和電阻性，被廣泛用于熱熔粘合劑和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。
同時(shí)，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(duì)耐候性等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用時(shí)，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(guò)程包括：先將混合后的原料通過(guò)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(yáng)能電池片發(fā)生粘結(jié)，改善組件機(jī)械性能的同時(shí)，也加強(qiáng)了玻璃的透光率。
EVA作為光伏組件封裝材料性能有優(yōu)勢(shì)，但近年來(lái)有研究表明，濕度、溫度和紫外線輻射等環(huán)境因素會(huì)降低EVA的封裝性能，EVA在熱帶氣候條件下運(yùn)行約15年后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變色和分層現(xiàn)象。
EVA在濕熱條件下分解，還有可能導(dǎo)致組件發(fā)生電位誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象(PID)，這種現(xiàn)象會(huì)使光伏組件的效率在運(yùn)營(yíng)幾年后迅速下降，嚴(yán)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(duì)濕度85%的環(huán)境中進(jìn)行1000小時(shí)的濕熱老化，老化結(jié)束后利用剝離測(cè)試評(píng)估樣品與背板之間的粘合強(qiáng)度。
通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，VA含量在24%的情況下，老化前后的粘合強(qiáng)度沒有受到影響，VA含量在18%的樣品，老化后粘合強(qiáng)度增加，VA含量在33%和40%的兩種樣品粘合強(qiáng)度有不同程度的下降。
進(jìn)一步通過(guò)凝膠含量測(cè)量不同樣品的交聯(lián)度，并通過(guò)熱重分析測(cè)量樣品VA含量的變化，發(fā)現(xiàn)老化后粘合強(qiáng)度升高的樣品，交聯(lián)度和VA含量都有明顯的上升趨勢(shì)。
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(gè)研究對(duì)后續(xù)封裝膜的配方設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。
常州大學(xué)丁盛等人研究了作為光伏組件的EVA膠膜的交聯(lián)體系，對(duì)EVA膠膜的交聯(lián)性能、粘結(jié)性能和透光性能進(jìn)行了研究。
他們發(fā)現(xiàn)：助交聯(lián)劑可以延長(zhǎng)交聯(lián)劑中過(guò)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(huì)升高，當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，助交聯(lián)劑0.6%時(shí)，交聯(lián)效果最好、最經(jīng)濟(jì)。
研究還發(fā)現(xiàn)，隨著硅烷偶聯(lián)劑的增加，剝離強(qiáng)度有顯著提升，但當(dāng)偶聯(lián)劑含量達(dá)到0.25%后，由于硅烷偶聯(lián)劑含量達(dá)到飽和，剝離強(qiáng)度不會(huì)進(jìn)一步增加。
南京紅寶麗新材料的祝麗娟等人也對(duì)EVA膠膜的交聯(lián)體系進(jìn)行了研究，主要研究不同偶聯(lián)劑對(duì)于封裝膜粘結(jié)強(qiáng)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(xué)基團(tuán)反應(yīng)，從而可以增強(qiáng)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(zhǎng)的分子鏈，長(zhǎng)分子鏈鏈段具有易旋轉(zhuǎn)、柔順性好等特點(diǎn)，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(xué)的勾憲芳研究了EVA封裝膜交聯(lián)體系對(duì)PID衰減的影響，實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(huì)改變材料的體積電阻率，同時(shí)抗PID衰減性能也會(huì)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(dāng)偶連劑、交連劑、助交聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1.5∶1∶1時(shí)，制備的EVA封裝膜呈現(xiàn)出較高的體積電阻率，同時(shí)呈現(xiàn)出較好的抗PID性能。
助劑在交聯(lián)過(guò)程中影響交聯(lián)體系中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的密度，當(dāng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稀疏時(shí)，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(fù)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(fù)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(shí)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(dǎo)熱性和對(duì)基材的附著力，而不會(huì)降低其光學(xué)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(dǎo)熱性和良好粘附性可避免氣體、水分的進(jìn)入和液態(tài)水的積聚，從而提供防腐蝕保護(hù)。
2?. 聚烯烴封裝膜的研究進(jìn)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(diǎn)，但EVA膜的水解會(huì)導(dǎo)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(duì)EVA封裝膜的配方和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，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(shí)在濕熱條件下依然能夠保持良好的穩(wěn)定性。
近年來(lái)，越來(lái)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(guò)程中需要交聯(lián)才能正常工作，因此，使用POE制備封裝膜時(shí)，同樣需要添加穩(wěn)定添加劑、過(guò)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(guò)程中，封裝膜和玻璃、背板之間必要的粘合力是通過(guò)TPO大分子中已經(jīng)存在的內(nèi)置硅烷官能團(tuán)建立的，粘合力的大小與層壓時(shí)間、溫度和壓力有直接聯(lián)系，在層壓過(guò)程中不發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。
晶澳太陽(yáng)能的劉長(zhǎng)飛等人研究了POE封裝膜層壓方案對(duì)封裝膜交聯(lián)度與力學(xué)性能的影響。
通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，樣品的剝離強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均隨交聯(lián)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，層壓后POE膠膜的交聯(lián)度保持在69%~84%之間時(shí)，才能進(jìn)一步保證光伏組件的長(zhǎng)期可靠性。
BalojiA等人研究了一種市售的TPO封裝膜，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其作為組件封裝膜的適用性。通過(guò)50天的紫外老化測(cè)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(guò)差示掃描量熱儀(DSC)的熱-冷-熱循環(huán)測(cè)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(cè)試證實(shí)，TPO熱性能幾乎保持不變。
另外，他們還做了熱重分析(TGA)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)高于工作溫度的400C°高溫下，TPO仍然具有穩(wěn)定性。
通過(guò)剝離實(shí)驗(yàn)得到TPO膜具有非常高的黏合強(qiáng)度。以上的結(jié)果均能夠說(shuō)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(duì)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(duì)比研究，在同樣的條件下測(cè)試兩者的相關(guān)性能，以評(píng)價(jià)聚烯烴封裝膜的可靠性與適用性。
孫澤楊等人針對(duì)于封裝膜的水解過(guò)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(huì)導(dǎo)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(guò)率幾乎為0，所以他們認(rèn)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(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，在不考慮價(jià)格因素的情況下，是優(yōu)選的組件封裝膜。
陶氏化學(xué)在2020年推出了一種ENGAGE?PVPOE膜，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)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(guò)率、老化情況以及抗PID性能。
通過(guò)對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在溫度上升到85℃時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)濕熱條件測(cè)試的情況下，EVA封裝膜的水汽透過(guò)率達(dá)到了34g·(m2·d)-1，而新款POE封裝膜僅有3.3g·(m2·d)-1。
當(dāng)組件雙面都采取新款POE封裝膜時(shí)，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(shí)，依然會(huì)產(chǎn)生PID現(xiàn)象。
OreskiG等人對(duì)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(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，EVA和POE表現(xiàn)出相似的熱和熱機(jī)械性能。相比之下，TPO薄膜的熔融溫度可達(dá)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(yīng)。
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(jìn)行3000小時(shí)的濕熱測(cè)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(shí)不產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，在實(shí)際封裝時(shí)要重新設(shè)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(cè)試和更惡劣的濕熱組合測(cè)試對(duì)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(shí)了即使在最嚴(yán)苛的濕熱測(cè)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(duì)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(cè)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(huì)導(dǎo)致粘合強(qiáng)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(lái)做了一系列研究對(duì)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(xué)、熱學(xué)、機(jī)械等基本特性。
通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，TPO沒有發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，層壓周期更短，但卻能夠提供更高的剝離強(qiáng)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(qiáng)度、結(jié)晶度、楊氏模量、抗蠕變性、韌性和體積電阻率。
他們進(jìn)一步對(duì)使用TPO封裝膜和EVA封裝膜的組件進(jìn)行了4000小時(shí)的濕熱測(cè)試，通過(guò)紅外光譜測(cè)試分析證實(shí)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(jìn)一步說(shuō)明了TPO在封裝過(guò)程中未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，具有比EVA更高的熱穩(wěn)定性，并且可以防止由于高溫脫乙?；鴮?dǎo)致變色的現(xiàn)象。
4 . 結(jié)論與展望
本文對(duì)近幾年來(lái)高分子光伏封裝膜的研究進(jìn)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(qiáng)度，從而影響封裝后組件的穩(wěn)定性；
·?交聯(lián)助劑的比例對(duì)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(fù)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(duì)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(duì)EVA較高，在光伏補(bǔ)貼逐年下降的今天，如何在質(zhì)量和價(jià)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(lái)的研究方向。
參考資料：《高分子光伏組件封裝膜的研究進(jìn)展》鄧敏，廣東化工2023.1.15，網(wǎng)絡(luò)資料
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