高分子光伏组件封装膜的研究进展
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北京国化新材料技术研究院联合中关村光伏产业联盟等单位，拟于2024年11月12-14日在江苏省无锡市举办“2024光伏新材料（胶膜）技术创新论坛”（点击链接查看会议详情），重点围绕光伏胶膜材料创新与应用进行深度讨论，欢迎踊跃参加。
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随着全球经济发展，快速的工业化和人口增长，使全球能源需求在过去几十年内发生了显著增加。目前，全球化石能源的储量不断减少，全球可再生能源的布局和使用正在迅速增长。太阳能是最丰富的陆地可再生能源，在对太阳能的利用方式中，光伏发电技术是目前发展最快的技术，光伏组件安装后可以可靠运行25~30年。
光伏组件
目前应用最为广泛的光伏组件是晶体硅光伏组件，典型的晶体硅光伏组件由许多相互连接的太阳能电池、高分子封装膜、玻璃面板以及背板等组成，结构如下图所示。这样的构造形式有利于增加光伏组件的强度，使太阳能电池和金属互联线免受外界恶劣环境的影响。
晶体硅组件结构
本文主要总结了近几年关于EVA光伏组件封装膜的研究进展，包括EVA的稳定性、失效机制、物理特性和改性研究，讨论醋酸乙烯酯(VA)含量及湿热条件下EVA材料的分解情况以及对光伏组件的影响；
其次对POE封装膜和TPO封装膜的相关研究及发展现状进行了调研，包括稳定性研究、物理特性等；
最后对EVA和POE或TPO的对比研究进行了总结分析，探讨EVA作为组件封装膜应用的局限性及聚烯烃材料作为光伏组件封装膜的优势。
1. EVA封装膜研究进展
乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)由于其机械和物理特性、易于加工以及良好的耐化学性和电阻性，被广泛用于热熔粘合剂和生物医学设备等。同时，EVA构成的共聚物封装膜因具有透光率高、抗紫外线辐射、与玻璃良好的附着力和相对耐候性等优点，成为晶体硅光伏组件首选的封装膜材料。
EVA树脂
EVA作为光伏封装膜应用时，VA的重量百分比在28%~33%之间，并与交联剂、偶联剂、紫外线(UV)吸收剂、光抗氧化剂和热抗氧化剂等添加剂混合。加工过程包括：先将混合后的原料通过挤出、流延压制后得到EVA封装膜；在后续光伏组件的生产中，在一定温度和压力的环境下，EVA膜在交联剂与偶联剂的作用下交联固化，形成三维网状结构，与面板、背板以及太阳能电池片发生粘结，改善组件机械性能的同时，也加强了玻璃的透光率。
EVA作为光伏组件封装材料性能有优势，但近年来有研究表明，湿度、温度和紫外线辐射等环境因素会降低EVA的封装性能，EVA在热带气候条件下运行约15年后会发生严重变色和分层现象。EVA在湿热条件下分解，还有可能导致组件发生电位诱导衰减现象(PID)，这种现象会使光伏组件的效率在运营几年后迅速下降，严重降低组件的使用寿命。
UmangD等人制造了四种含有不同醋酸乙烯(VA)含量的EVA薄膜，并层压在两层背板之间，将层压后的背板放在相对湿度85%的环境中进行1000小时的湿热老化，老化结束后利用剥离测试评估样品与背板之间的粘合强度。通过测试发现，VA含量在24%的情况下，老化前后的粘合强度没有受到影响，VA含量在18%的样品，老化后粘合强度增加，VA含量在33%和40%的两种样品粘合强度有不同程度的下降。
进一步通过凝胶含量测量不同样品的交联度，并通过热重分析测量样品VA含量的变化，发现老化后粘合强度升高的样品，交联度和VA含量都有明显的上升趋势。研究表明：VA含量为18%和24%的样品比VA含量为33%和40%的样品具有更高的耐老化性。这个研究对后续封装膜的配方设计有重要的指导意义。
常州大学丁盛等人研究了作为光伏组件的EVA胶膜的交联体系，对EVA胶膜的交联性能、粘结性能和透光性能进行了研究。他们发现：助交联剂可以延长交联剂中过氧化物自由基的寿命，随着助交联剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)的含量增加，交联度会升高，当交联剂质量分数0.5%，助交联剂0.6%时，交联效果最好、最经济。研究还发现，随着硅烷偶联剂的增加，剥离强度有显著提升，但当偶联剂含量达到0.25%后，由于硅烷偶联剂含量达到饱和，剥离强度不会进一步增加。
南京和润偶联剂
南京红宝丽新材料的祝丽娟等人也对EVA胶膜的交联体系进行了研究，主要研究不同偶联剂对于封装膜粘结强度的影响。研究发现：具有不饱和双键结构偶联剂能与玻璃及背板材料表面的化学基团反应，从而可以增强封装膜与玻璃、背板之间的粘合力；偶联剂A-3除了不饱和双键结构，还具有较长的分子链，长分子链链段具有易旋转、柔顺性好等特点，在封装膜生产中可成为交联体系中偶联剂的首选。
北京工业大学的勾宪芳研究了EVA封装膜交联体系对PID衰减的影响，实验选用VA含量为28%的EVA原料，改变不同偶联剂、交联剂及助交联剂的含量，探索不同交联体系抗PID衰减的效果。通过实验发现，改变交联体系中偶联剂、交联剂、助交联剂任一成分，均会改变材料的体积电阻率，同时抗PID衰减性能也会发生变化。
朗亿新材交联剂
助剂添加量和体积电阻率并不完全成正比关系，当偶连剂、交连剂、助交联剂的质量分数比为1.5∶1∶1时，制备的EVA封装膜呈现出较高的体积电阻率，同时呈现出较好的抗PID性能。助剂在交联过程中影响交联体系中网格结构的密度，当网格结构稀疏时，体积电阻率低，容易发生PID衰减现象，反之，材料体积电阻率高，则不容易发生PID衰减现象。
在EVA交联体系中添加复合稳定剂可以提高EVA封装膜的稳定性。研究表明，添加稳定剂后，由于各组分间的协同作用相比于单一稳定剂更能降低EVA的老化速率，紫外线吸收剂和光稳定剂的复合可以延缓EVA的光降解，添加光频转换材料可以将照射到EVA表面的紫外光转变为可见光，降低EVA老化速率的同时提高光伏组件的光电转化效率。
宿迁联盛 光稳定剂
XueH等人研究发现，在EVA中添加稀土物质如Y2SiO5:Ce3+、Yb3+可提高导热性和对基材的附着力，而不会降低其光学性能和电绝缘性。在光伏组件中，使用稀土物质改良的封装膜在光伏模块中的高导热性和良好粘附性可避免气体、水分的进入和液态水的积聚，从而提供防腐蚀保护。
2 . 聚烯烃封装膜的研究进展
EVA作为光伏组件封装膜的主要材料，具有易获得、低成本、高透明度、易加工性等特点，但EVA膜的水解会导致组件的失效和PID现象。人们一方面在研究EVA封装材料的特性，对EVA封装膜的配方和结构进行改进，另一方面，人们也在寻找EVA的替代材料，既具备EVA的优良性能，同时在湿热条件下依然能够保持良好的稳定性。
近年来，越来越多的科研人员发现：与EVA相比，聚烯烃基封装膜在技术上更为优越。聚烯烃基的封装膜有聚烯烃弹性体(POE)和热塑性聚烯烃(TPO)两种，它们有潜力成为新一代的光伏组件封装材料。
POE膜
POE封装膜与EVA封装膜类似，在光伏组件层压过程中需要交联才能正常工作，因此，使用POE制备封装膜时，同样需要添加稳定添加剂、过氧化物、紫外线吸收剂和光稳定剂等。
TPO封装膜在高温层压过程中，封装膜和玻璃、背板之间必要的粘合力是通过TPO大分子中已经存在的内置硅烷官能团建立的，粘合力的大小与层压时间、温度和压力有直接联系，在层压过程中不发生交联反应。
TPO膜 图源：赛伍技术
晶澳太阳能的刘长飞等人研究了POE封装膜层压方案对封装膜交联度与力学性能的影响。通过测试发现，样品的剥离强度和拉伸强度均随交联度呈现先上升后下降的趋势，层压后POE胶膜的交联度保持在69%~84%之间时，才能进一步保证光伏组件的长期可靠性。
BalojiA等人研究了一种市售的TPO封装膜，通过实验测试其作为组件封装膜的适用性。通过50天的紫外老化测试，发现TPO封装膜的透光率几乎没有变化，也几乎没有发现变色现象。通过差示扫描量热仪(DSC)的热-冷-热循环测试研究了TPO玻璃化和熔体转变性能后发现，紫外照射50天之后，TPO膜的热性能并未发生改变。该测试证实，TPO热性能几乎保持不变。
另外，他们还做了热重分析(TGA)测试，发现在远高于工作温度的400C°高温下，TPO仍然具有稳定性。通过剥离实验得到TPO膜具有非常高的黏合强度。以上的结果均能够说明，TPO可以代替EVA，成为新的组件封装膜。
3. 聚烯烃封装膜与EVA封装膜的对比研究
在聚烯烃封装膜的性能研究方面，更多的科研人员是将聚烯烃封装膜与EVA封装膜做对比研究，在同样的条件下测试两者的相关性能，以评价聚烯烃封装膜的可靠性与适用性。
孙泽杨等人针对于封装膜的水解过程，讨论了EVA膜与POE膜在双玻组件中的适用性。EVA封装膜由于水解产生醋酸，会导致组件的PID现象，但由于双玻组件中，正反两面都是玻璃，水蒸气透过率几乎为0，所以他们认为，在有边框的双玻组件中，可以使用EVA封装膜。但POE膜水解不会产生酸性物质，在不考虑价格因素的情况下，是优选的组件封装膜。
陶氏化学在2020年推出了一种ENGAGE™PVPOE膜，并通过实验对比测试了使用新款POE封装膜以及EVA封装膜组件的体积电阻率、水汽透过率、老化情况以及抗PID性能。
通过对比测试发现，在温度上升到85℃时，EVA的体积电阻率已经下降到1013Ω·cm，而新款POE封装膜的体积电阻率仍然保持在1015Ω·cm以上；在标准湿热条件测试的情况下，EVA封装膜的水汽透过率达到了34g·(m2·d)-1，而新款POE封装膜仅有3.3g·(m2·d)-1。当组件双面都采取新款POE封装膜时，组件的稳定性以及抗PID性能最优，但和EVA膜搭配使用时，依然会产生PID现象。
OreskiG等人对比研究了POE、TPO以及EVA三种封装膜的材料特性以及封装成组件后的电气性能。通过对比研究发现，EVA和POE表现出相似的热和热机械性能。相比之下，TPO薄膜的熔融温度可达109.4℃，明显高于EVA的65.9℃和POE的81.2℃，并且在高温下没有交联反应。
此外，TPO的弹性模量和剪切粘度值高于POE和EVA。将封装后的组件进行3000小时的湿热测试，发现使用EVA的组件在金属栅线处出现了腐蚀，而使用POE和TPO的组件并没有出现腐蚀的情况。研究表明，POE和TPO都是EVA的有效替代材料，但TPO膜由于封装时不产生交联反应，在实际封装时要重新设定合适的封装温度以保证组件的稳定性。
ParkH等人分别使用了常规加速湿热测试和更恶劣的湿热组合测试对比研究了EVA封装单晶硅组件和POE封装的单晶硅组件的热稳定性。他们证实了即使在最严苛的湿热测试条件下，采用POE封装的组件仍然能够表现出较好的稳定性，最大输出功率的降低控制在10%以内。
ThorntonP等人在2021年首次研究了采用SmartWire连接技术(SWCT)的光伏组件，探索使用SWCT结构的组件对封装膜的附着力。他们采用EVA封装膜和POE封装膜制备了小型组件，并测量了组件正面和背面的密封剂附着力。结果表明，虽然SWCT结构会导致粘合强度的减弱，但POE封装膜仍然能够比EVA封装膜提供更好的初始粘合力。
SWCT™组件
BalojiA等人在近三年以来做了一系列研究对比TPO封装膜和EVA封装膜的基本特性和热稳定性。他们首先比较了TPO封装膜和EVA封装膜的光学、热学、机械等基本特性。
通过对比实验发现，与EVA相比，TPO具有更高的透光性，从而使用TPO的组件有更高的输出增益，而且变色速度与EVA相比慢了5倍。在层压过程中，TPO没有发生交联反应，层压周期更短，但却能够提供更高的剥离强度。在85℃的极端工作条件下，采用TPO封装的组件仍能保持其更高的粘合强度、结晶度、杨氏模量、抗蠕变性、韧性和体积电阻率。
他们进一步对使用TPO封装膜和EVA封装膜的组件进行了4000小时的湿热测试，通过红外光谱测试分析证实了EVA封装膜分解生成更多的乙酸和羟基，具有更高的吸水性，而TPO封装膜由于非极性性质具有更好的稳定性。
最终他们又采用了差示扫描量热仪(DSC)与热重分析(TGA)研究材料的结晶度和热分解温度，进一步说明了TPO在封装过程中未发生交联反应，具有比EVA更高的热稳定性，并且可以防止由于高温脱乙酰化而导致变色的现象。
4 . 结论与展望
本文对近几年来高分子光伏封装膜的研究进行了总结分析，得到以下结论：
EVA封装膜中，VA含量与外加交联助剂的比例均可以影响封装膜的粘结强度，从而影响封装后组件的稳定性；
交联助剂的比例对于封装膜的抗PID衰减性能影响明显，选择合适的比例可以提高封装膜的抗PID衰减性能；
在EVA封装膜中添加复合稳定剂或稀土材料可以改良EVA封装膜的光稳定性和热稳定性。
为促进光伏胶膜产业高质量发展，我院联合中关村光伏产业联盟等单位，拟于11月12-14日在江苏省无锡市举办“2024光伏新材料（胶膜）技术创新论坛”，重点围绕光伏胶膜材料创新与应用进行深度讨论。会议同期同地举行“ZPVA光伏新材料专业委员会成立大会”、“烯·聚 2024 高端烯烃聚合物产业论坛”，欢迎踊跃参加。[相关阅读：11月相约无锡 | 2024光伏新材料（胶膜）技术创新论坛]
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