光伏組件封裝EVA的濕熱老化研究

張?jiān)雒?，唐景，呂瑞瑞，林杰，彭麗霞，傅冬華

(阿特斯陽光電力科技有限公司測(cè)試中心，江蘇 常熟，215562)

光伏組件封裝EVA的濕熱老化研究

張?jiān)雒?，唐景，呂瑞瑞，林杰，彭麗霞，傅冬華

(阿特斯陽光電力科技有限公司測(cè)試中心，江蘇 常熟，215562)

對(duì)光伏組件封裝EVA膠膜的濕熱老化進(jìn)行了研究，采用FT－IR法對(duì)濕熱老化中的EVA進(jìn)行測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在濕熱老化過程中，EVA發(fā)生了水解反應(yīng)，產(chǎn)生乙酸，提高溫度和相對(duì)濕度均會(huì)加快水解;EVA吸水率越高，越容易發(fā)生水解。

EVA;濕熱老化;FTIR;光伏

作為光電轉(zhuǎn)換的光伏組件需要在戶外使用25年，長期暴露于光、熱、氧、水等復(fù)雜環(huán)境中，這就要求組件材料具有良好的耐候性。組件各材料中，起封裝作用的EVA(乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物)，綜合性能良好，是目前光伏組件中最常用封裝材料，但是該材料自身化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，所以耐老化性能相對(duì)較差，雖然在EVA膠膜中添加了紫外吸收劑、紫外光穩(wěn)定劑、抗氧化劑和交聯(lián)劑等各種不同的添加劑來提高其耐老化性能，但是仍有很多不足，在使用過程中常出現(xiàn)黃變、脫層、氣泡、腐蝕電極等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響組件的性能和使用壽命，所以必須克服這些缺陷，要克服這些缺陷就必須對(duì)EVA的使用和老化過程進(jìn)行深入研究，特別是EVA的老化機(jī)理研究，目前文獻(xiàn)中多數(shù)報(bào)道的是關(guān)于EVA在紫外照射下的老化，老化機(jī)理是Norrish TypeⅠ和Norrish TypeⅡ［1～4］，如圖1所示。在實(shí)際使用中，組件除了暴露在紫外照射下之外，還會(huì)暴露于高溫高濕、低溫、高低溫交替等較惡劣環(huán)境中。高溫高濕環(huán)境對(duì)EVA的性能影響很大，長期暴露于這樣的環(huán)境下的EVA會(huì)出現(xiàn)氣泡、發(fā)黃、脫層等現(xiàn)象，大大降低組件的電性能，甚至造成組件完全失效，耐濕熱老化性能是EVA的一項(xiàng)重要指標(biāo)，目前文獻(xiàn)中還沒有關(guān)于EVA濕熱老化的系統(tǒng)研究報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用傅立葉紅外光譜技術(shù)，對(duì)光伏組件在濕熱老化過程中的常見現(xiàn)象進(jìn)行了研究，通過測(cè)試和分析老化前后EVA的結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而推斷EVA的濕熱老化機(jī)理及其對(duì)組件性能的影響，為組件的生產(chǎn)提供實(shí)際指導(dǎo)意義。

圖1 EVA在紫外照射下的老化機(jī)理Fig.1 The aging mechanism of EVA under UV irradiation

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

國產(chǎn)某EVA膠膜(1#)和進(jìn)口某EVA膠膜(2#)、背板、玻璃。

1.2 主要儀器

傅立葉紅外光譜儀、濕熱老化箱。

1.3 試驗(yàn)方法

濕熱老化試驗(yàn):將組件或自制小層壓樣件(玻璃/EVA/EVA/背板)放入一定條件的濕熱箱中進(jìn)行老化，每隔一段時(shí)間后取出，去除玻璃和背板后，采用傅立葉紅外光譜ATR法分別對(duì)EVA的上下面(即與玻璃和背板粘結(jié)面)進(jìn)行測(cè)試。

吸水率測(cè)試:將EVA膠膜放入23℃的水中浸泡24小時(shí)，測(cè)其浸泡前后質(zhì)量變化率［5］。

1.4 測(cè)試分析

FT－IR測(cè)試:ATR法，NICOLET Is10型傅立葉紅外光譜儀

2.結(jié)果與討論

2.1 光伏組件濕熱老化后EVA的紅外分析

圖2 DH1000h后組件中EVA的紅外光譜圖曲線1—老化前EVA;曲線2—DH1000后與背板粘接的EVA;曲線3—DH1000后與玻璃粘接的EVAFig.2 FT－ IR of EVA after DH1000h curve 1 the initiative EVA;curve 2 the EVA adhesive with backsheet;curve 3 the EVA adhesive with glass

將一塊組件放入85℃，相對(duì)濕度85%的濕熱箱中進(jìn)行濕熱老化1000小時(shí)(DH1000h)后，發(fā)現(xiàn)組件中的EVA明顯變黃，玻璃與EVA粘接界面出現(xiàn)氣泡，與玻璃和背板的粘接強(qiáng)度明顯下降。去除玻璃和背板后，對(duì)剩下的電池片正反兩面的EVA(即分別與玻璃粘接和與背板粘接的EVA)進(jìn)行紅外ATR法測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，經(jīng)過濕熱老化以后，組件中的EVA在3400cm－1處出現(xiàn)明顯的羥基吸收峰，且在1561cm－1處出現(xiàn)乙酸的特征吸收峰［6］，說明EVA已經(jīng)部分水解，產(chǎn)生部分醇羥基，并產(chǎn)生一定量的乙酸，水解過程如圖3所示。

圖3 EVA濕熱老化水解機(jī)理Fig.3 The hydrolysis mechanism of EVA

組件內(nèi)EVA水解產(chǎn)生的乙酸不但會(huì)腐蝕玻璃［7］和背板，破壞EVA與玻璃和背板的粘接，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度下降，還會(huì)腐蝕電極和焊帶［8］，嚴(yán)重影響組件的電性能。所以EVA的水解對(duì)組件危害很大。從圖2中還可以看出，經(jīng)過濕熱老化1000小時(shí)后，與玻璃和背板粘接的EVA水解程度不一樣，與玻璃粘接的EVA水解更嚴(yán)重些，采用水平基線法分別測(cè)定羥基吸收峰和乙酸特征吸收強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

表1 組件DH1000h后EVA的羥基和乙酸特征吸收峰高度Tab.1 The absorption strength of hydroxyl group and acetic acid after DH1000h

上述結(jié)果說明，與玻璃粘接處的EVA較與背板粘接處的EVA水解更明顯，而我們傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為水汽主要通過背板進(jìn)入組件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相違背，為此我們進(jìn)行了更細(xì)致的實(shí)驗(yàn)。

2.2 小樣件濕熱老化后的EVA的紅外分析

1#、2#兩種EVA制成的小樣件濕熱老化后，去除玻璃和背板，分別對(duì)與玻璃和背板粘接的EVA進(jìn)行紅外測(cè)試，采用基線法得到羥基吸收峰強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 羥基吸收峰高度與濕熱時(shí)間的關(guān)系注:樣件為“玻璃/EVA/EVA/背板”層壓試件Fig.4 Relation between hydroxyl group strength and aging time

從圖4中可以看出，隨著老化的進(jìn)行，羥基吸收峰越來越強(qiáng)，說明隨著濕熱時(shí)間的延長，EVA水解越來越嚴(yán)重;同種型號(hào)EVA制成的樣件，經(jīng)過濕熱老化后，與玻璃粘接的EVA較背板面EVA水解程度高，這也進(jìn)一步證實(shí)了上述組件濕熱老化后的現(xiàn)象，也就是說光伏組件在濕熱環(huán)境中，與玻璃粘接的EVA更容易水解。這可能是因?yàn)樽鳛闊o機(jī)材料的玻璃表面具有良好的親水性，水汽從組件邊緣滲入玻璃與EVA的粘接面，并逐漸往內(nèi)部擴(kuò)散，滲入的水汽又不能透過玻璃跑出，水汽逐漸富集，導(dǎo)致EVA與玻璃的粘接強(qiáng)度下降和EVA水解。由于水汽不能透過玻璃進(jìn)入組件，進(jìn)入玻璃與EVA粘接處的水汽主要是通過組件邊緣逐漸滲入，這就要求組件在裝框時(shí)的密封劑具有良好的隔水汽性能，從而抑制水汽進(jìn)入組件。

從圖4中還可以看出，同樣是玻璃面粘接處或背板面粘接處，2#EVA的羥基吸收鋒較1#EVA強(qiáng)很多，說明2#EVA更容易水解，尤其是與玻璃粘接處，水解程度很高，說明該EVA耐濕熱性很差。圖5是2#EVA樣件經(jīng)過不同濕熱老化時(shí)間后，與玻璃粘接處EVA的紅外光譜圖。

從圖5中可以很直觀看出2#EVA水解嚴(yán)重，除了出現(xiàn)明顯的羥基吸收鋒外，經(jīng)過200小時(shí)的濕熱老化，在1561cm－1處出現(xiàn)了乙酸特征吸收峰，并且隨著時(shí)間的延長，該特征吸收鋒越來越高，也就是產(chǎn)生的乙酸越來越多。充分說明2#EVA耐濕熱老化性能較差，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這可能是該EVA含有較多的親水物質(zhì)，導(dǎo)致其吸水率較高，進(jìn)而更容易水解。表2是兩種EVA膠膜的吸水率和水溶物含量。

圖5 與玻璃面粘接處的2#EVA在不同濕熱時(shí)間下的紅外光譜圖Fig.5 FT－ IR of 2#EVA with different aging time

表2 兩種EVA吸水率Tab.2 Absorption rate of EVA

2.3 影響EVA水解因素

按背板/EVA/EVA/背板制成小樣件，放入加速濕熱老化箱中進(jìn)行加速濕熱老化，然后剝離背板，對(duì)其中EVA進(jìn)行紅外測(cè)試，計(jì)算各條件下的水解羥基吸收峰的強(qiáng)度，如表3所示。

表3 加速濕熱老化EVA羥基吸收峰強(qiáng)度Tab.3 Hydroxyl group absorption strength under different condition

從表3中可以看出，同樣在105℃和90%的相對(duì)濕度下，老化48小時(shí)后的羥基吸收峰強(qiáng)度較12小時(shí)的大;105℃，48小時(shí)下，相對(duì)濕度越大，羥基吸收峰強(qiáng)度也越大;在相對(duì)濕度為95%，48小時(shí)下，溫度越高，羥基吸收峰強(qiáng)度越大。說明增加濕度和溫度均會(huì)加快EVA的水解，延長老化時(shí)間，EVA水解程度變大。

3 結(jié)論

(1)EVA經(jīng)過長時(shí)間的濕熱老化試驗(yàn)，其中的醋酸乙烯酯會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，放出乙酸;

(2)組件在濕熱老化過程中，水汽會(huì)從邊緣逐漸滲入，導(dǎo)致玻璃粘接處的EVA更容易水解，應(yīng)在組件生產(chǎn)中采取適當(dāng)措施抑制水汽從組件邊緣滲入組件內(nèi)部;

(3)吸水率高的EVA膠膜更容易水解，應(yīng)使用吸水率較低的EVA膠膜;

(4)提高環(huán)境溫度和相對(duì)濕度均會(huì)加速EVA的水解反應(yīng)。

［1］王響，沈等.EVA老化機(jī)理以及EVA老化對(duì)太陽電池的影響［J］.合成材料老化與應(yīng)用，2008，37(2):32－34.

［2］A W Czanderna，F(xiàn) J Pern.Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant:A critical review［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，1996，43:101－181.

［3］F J Pern.Factors that affect the EVA encapsulant discoloration rate upon accelerated exposure［J］.Solar energy materials and solar cells，1996，41/42:587－615.

［4］張臻，沈輝等.太陽能組件用EVA膠膜在紫外光老化中性能變化［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2007，28(11):1221－1226.

［5］曾緯麗，王浩江，李思鈺，等.GB/T1034－2008塑料吸水率的測(cè)定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［6］武晶，韓文霞.用紅外光譜法鑒別聚合物［J］.橡膠參考資料，2005，35(1):38－43.

［7］白新德.材料腐蝕與控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:169－173.

［8］M.D.Kempe etc.ETHYLENE－VNYL ACETATE POTENTAL PROBLEMS FOR PHOTOVOLTAIC PACKING ［R］.Presented at the 2006 IEEE 4thWorld Conference on photovoltaic Energy Conversion(WCPEC－4)Waikoloa，Hawaii.May 7－12，2006.

Study on the Damp Heat Aging of EVA for Photovoltaic Module Encapsulation

ZHANG Zeng-ming，TANG Jing，LV Rui-rui，LIN Jie，PENG Li-xia，F(xiàn)U Dong-hua
(CSI Photovoltaic Test Laboratory，Changshu 215562，Jiangshu，China)

The damp heat aging of EVA for Photovoltaic module encapsulation was studied with FT－IR technology.The results indicate that the EVA in the module hydrolyze during the damp heat aging，and bring about acetic acid，raise the temperature and humidity will accelerate hydrolysis，and the EVA with higher water absorption rate may hydrolyze easier.

EVA;damp heat aging;FTIR;photovoltaic

TK514

2011－04－28