【干货】光伏胶膜用共挤POE材料的可靠性分析
信息来源：《光伏组件用共挤POE材料的可靠性分析》张银环，唐兰兰，姜 倩
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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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EVA材料是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，具有较好的加工特性和粘接性，但因分子特点在老化后极易分解醋酸导致PID现象发生。
然而POE材料是乙烯和α-烯烃共聚物，分子结构中不含醋酸且具有低水透、高体阻等优势使双面组件有更加长效的抗PID性能。
但POE分子量分布窄，流动性强，在层压后易产生气泡，并片等问题导致组件良品率降低，同时在成本方面较EVA高30%~50%且多主栅双面组件对胶膜高克重的需求增加了组件的封装成本。为解决这一现状，市场推出新型共挤POE材料，由于目前还缺乏规模化的实证验证，因此亟需对共挤POE材料的可靠性进行分析与研究。
共挤POE是EVA和POE采用物理共挤压合而成，根据共挤POE压合结构可分为EP型、PE型和EPE三种类型。
目前应用在双面组件上的主流结构类型为EPE型共挤POE，即封装胶膜的内层和外层为EVA，中间层为POE。
科学与材料性能分析技术
光伏封装胶膜作用是将光伏玻璃、电池片和背板粘接在一起，对组件电池片的保护是关键因素之一。
作为组件的封装胶膜需具备良好的耐候性、光学特性、水气阻隔和电学性能等各种性能，而实现这些关键性能，与封装胶膜材料自身特性密不可分，以下通过测试来分析共挤POE在影响长期可靠性的几个关键性能。
EVA和POE分子结构与设计分析
共挤 POE 由 EVA 和 POE 两种不同的粒子组成，由于分子结构所决定在性能上具有较大差异，POE 是饱和碳氢聚合物，属于非极性材料，分子中不含醋酸结构，不能和水分子形成氢键，EVA 共聚单体含醋酸乙烯，含极性基团，极易吸附水气，在分子结构中 POE 相比 EVA 更加稳定，所以共挤 POE 中间层 POE 用量设计对材料性能影响很大。
抗水气渗透性能
光伏组件内部水气越多会造成电池片表面的栅线氧化，焊带腐蚀，从而引发材料本身降解或组件失效。因此水气透过率是封装胶膜重要的指标，行业一般采用温度 38±5 ℃、湿度 100% 条件测试，但光伏组件在工作时一般组件的工作温度可达到 60℃ 以上，温度升高有机高分子材料水气渗透将受到影响，因此需要对比不同温度下材料的水气渗透情况。
通过对比可知，A 胶膜共挤 POE 的水气透过率高于 B 胶膜共挤 POE，常规 POE 相比共挤 POE 的水气透过率低，随着温度的升高水气透过成倍增大，共挤 POE水气透过率是常规 POE 约 1.5 倍。分析原因为常规 POE是由茂金属催化剂开发而来，本身具有优异的水气阻隔能力，不带极性基团，交联后的 POE 分子结构致密，水气分子难以穿透。
电学性能
封装胶膜在光伏组件中的作用之一是提供电学绝缘性，其体积电阻率是胶膜关键的电学性能指标之一，体积电阻率是单位体积对电流的抵抗，用来表征材料的电性质，通常体积电阻率越高，材料用做电绝缘部件的效能就越高，对光伏组件的安全性能有决定作用。
目前国内外很多研究表明，高体积电阻率的封装胶膜可有效降低 PID 现象的发生，可提高组件安全和可靠性。
体积电阻率测试采用 KEYSIGHT B2987A 高阻表，在温度 23±2 ℃、湿度 50%±5% 的实验室环境中，按GB/T 1410-2006 规定的要求，施加 1000±2 V，电化时间 600s 条件下进行体积电阻率的测试。
常规 POE 胶膜的体积电阻率高于共挤POE，共挤 POE 中体积电阻率 B 胶膜高于 A 胶膜，其影响主要来源于中间设计的 POE 层厚度，根据行业相关试验数据显示随着 POE 的用量减小、EVA 的用量增加，体积电阻率随之降低。
试验结果表明共挤 POE 中的 POE 用量对体积电阻率的影响很大。目前，EVA、常规 POE、共挤 POE 胶膜的体积电阻率均为1015Ω•cm 以上，根据 BERGHOLD等研究认为，体积电阻率在 1015Ω•cm 以上的封装胶膜材料才能有效抗 PID。
耐老化性能分析
EVA 和 POE 作为高分子材料，其老化已经成为一个非常重要的问题。太阳能组件长期暴露于自然环境中，胶膜必须能承受不同气候条件的侵蚀。经研究发现，EVA 和 POE 胶膜在光、热、氧的作用下会发生黄变导致材料降解且影响组件的透光率下降，造成功率降低，因而湿热和紫外环境下更易发生老化。
湿热试验采用 PCT 加速老化试验箱，试验条件为温度 121℃、湿度 100%，试验时间分别为 24h、48h 和72h。紫外环境试验设备采用紫外加速老化 UV 试验箱，试验条件为温度 60℃，在波长范围 280~400 nm，分别以 UV60 kWh/m2、UV120 kWh/m2 和 UV 180kWh/m2 的紫外剂量进行辐照。
A 和 B 两家胶膜的黄变在湿热和紫外后差异不明显，加严测试后满足行业要求的ΔYI 在 3 以内。通过对比湿热与紫外环境下的黄变，紫外老化后共挤 POE 与常规 POE、EVA 三者具有较为明显的差异，随着老化条件延长，共挤 POE 的黄变升高更趋近 EVA，因此共挤 POE 的黄变取决于变化大的结构层。
粘贴性能
光伏组件的封装质量的好坏直接取决于胶膜的粘接性能的好坏，胶膜的粘接性能通常以胶膜与玻璃及胶膜与背板的剥离强度表征，目前所使用的 EVA 和 POE 胶膜属于弱极性或非极性聚合物，与无机玻璃或背板的粘接性差，难以保持长久可靠的粘接，一般都是添加偶联剂使胶膜与被粘接材料之间形成化学键，提高其与无机玻璃和背板的粘结。
经过湿热、热循环、湿冻、紫外试验后，共挤 POE 与玻璃的粘接性能均下降明显，在多种环境下共挤 POE 主要在湿热和湿冻环境下与玻璃的粘接性能衰减较大。其原因为无机材料玻璃表面具有良好的亲水性，水气渗入并慢慢向内部扩散使得与玻璃粘结的 EVA 更容易水解，加速内部网状聚合物的断裂，破坏与玻璃的粘结点，使粘接强度出现下降。而共挤 POE 与透明背板之间均未剥离开，试验表明共挤 POE 与背板的粘接性能要优于与玻璃的粘接性能。
总结
（1）从微观形貌上 EPE 型共挤 POE 三层结构清晰可见，不同厂家胶膜各结构层设计厚度存在差异，各结构层厚度控制不均。
（2）对比不同温度下两个厂家的共挤 POE 较常规POE 水气透过率高，随温度升高胶膜的水气透过率成倍增大，共挤 POE 水气透过率约为常规 POE 的 1.5 倍，且B 胶膜低于 A 胶膜水气透过率，主要与中间的 POE 层厚度有关。
（3）对比两个厂家共挤 POE 较常规 POE 体积电阻率低，且 B 胶膜高于 A 胶膜，共挤 POE 中的 POE 用量对体积电阻率的影响很大。
（4）共挤 POE 是由 EVA 和 POE 共挤而成，通过剥离试验可知共挤 POE 与共挤 POE 之间可分离，在不同老化环境下剥离力均保持在 80N/cm 以上，其粘结强度保持较高，产生脱层风险低。
（5）A 和 B 两家共挤 POE 胶膜耐候性指标表现的黄变较小，具有优异的抗老化特性，但随着紫外时间的延长共挤 POE 的黄变升高更趋近 EVA，因此共挤 POE的黄变取决于变化大的结构层。
（6）通过对共挤 POE 搭配透明背板组件进行相关可靠性测试，发现组件在抗 PID、综合的紫外、温度交替和湿冷环境下功率衰减小，表现在湿热老化环境下组件功率衰减大。由此可见共挤 POE 搭配透明背板组件最大的风险为抗湿热能力差，共挤 POE 的水气透过率高为其原因之一。因此提高共挤 POE 搭配透明背板组件的抗湿热性能，重点是匹配电池抗湿热能力的 POE 层厚度是关键，在后续共挤 POE 材料选型应用时，需要将各结构层的比例设计作为重点考量方向。推荐阅读