光伏組件封裝用EVA膠膜的研究進(jìn)展

齊鍇亮，雷蕊英

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

光伏組件封裝用EVA膠膜的研究進(jìn)展

齊鍇亮，雷蕊英

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

綜述了光伏組件封裝用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）膠膜的生產(chǎn)工藝、應(yīng)用領(lǐng)域以及最新研究進(jìn)展，并對(duì)今后的發(fā)展方向和趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

光伏組件；封裝；EVA膠膜；應(yīng)用

太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源[1，2]。當(dāng)今全球氣候變暖和能源危機(jī)日益加重，提高太陽(yáng)能利用率對(duì)改善全球環(huán)境、緩解能源危機(jī)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是由光伏組件、光伏支架、直流匯流箱、并網(wǎng)逆變器和配電柜等設(shè)備組成[3～5]，其中光伏組件是這套系統(tǒng)的核心。常見(jiàn)光伏組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，即通過(guò)乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）膠膜將光伏電池封裝到光伏玻璃和光伏背板之間。由于光伏電池本身極易破碎，并且光伏電池如果直接接觸雨雪、風(fēng)沙和灰塵時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，因此，采用封裝材料EVA膠膜將光伏電池、光伏玻璃和光伏背板封裝成光伏組件，不僅可以提高整個(gè)光伏組件的使用壽命，同時(shí)也可以減緩光伏電池的衰竭速率。

圖1 光伏組件的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of PV module

2016年，中國(guó)全年的光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量超過(guò)34 GW，累計(jì)光伏裝機(jī)總量達(dá)到77 GW，新增和累計(jì)裝機(jī)容量均為世界第一。到2020年，我國(guó)的光伏發(fā)電裝機(jī)總量將達(dá)到150 GW以上，這意味著未來(lái)幾年光伏封裝用EVA膠膜的市場(chǎng)將超過(guò)100億元。因此，研制出性能優(yōu)異的光伏封裝用EVA膠膜已成為光伏材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

1 光伏組件封裝用EVA膠膜的生產(chǎn)工藝

眾所周知，光伏組件的使用壽命要求達(dá)到25年，這就對(duì)光伏組件封裝用材料提出了非?？量痰囊?。在光伏組件的研制初期，科學(xué)家們?cè)捎糜袡C(jī)硅樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙烯醇縮丁醛和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物作為光伏組件封裝用材料，但由于存在成本較高、性能較差以及施工繁瑣等原因，這些材料最后都沒(méi)有被采用。

EVA樹(shù)脂的力學(xué)、耐熱、耐候和透光性都與EVA樹(shù)脂的相對(duì)分子質(zhì)量（Mr）和醋酸乙烯酯（VA）的含量有關(guān)。通常情況下，當(dāng)EVA樹(shù)脂的Mr一定時(shí)，VA含量越大，EVA樹(shù)脂的透光率越高，粘接性能和剝離強(qiáng)度就越大；當(dāng)EVA樹(shù)脂中VA含量一定時(shí)，Mr越低，EVA樹(shù)脂的流動(dòng)性和加工性就越好，但其粘接強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度會(huì)有所下降。大量研究表明：將交聯(lián)固化劑、紫外線吸收劑、抗氧劑和增塑劑等助劑與VA含量為28%～33%的EVA樹(shù)脂均勻混合后，經(jīng)過(guò)混煉塑化、流延擠出、冷卻成型和收卷等一系列工序，最終可以制得光伏組件封裝用EVA膠膜。常溫下，光伏組件封裝用EVA膠膜無(wú)粘性、半透明，在光伏組件層壓過(guò)程中，EVA膠膜受熱發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，表現(xiàn)出較高的透光率、優(yōu)異的粘接性能和出色耐候性能，因此已成為當(dāng)今應(yīng)用相對(duì)最為廣泛的光伏組件封裝材料。

2 導(dǎo)熱型光伏組件封裝用EVA膠膜的研究進(jìn)展

研究表明，光伏電池表面溫度每升高1℃，光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降3‰～5‰[6]。采用風(fēng)冷和水冷等物理方式降低光伏組件溫度，不僅施工困難，而且成本較高。如果能通過(guò)提高光伏組件自身的散熱性能，將有利于提高光伏組件的發(fā)電效率。因此，越來(lái)越多的科研工作者通過(guò)改善EVA膠膜的導(dǎo)熱性能，從而實(shí)現(xiàn)光伏組件發(fā)電效率的提高。

沈明霞等[7]以為導(dǎo)熱填料，以鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ-311（TC）、乙烯基硅烷偶聯(lián)劑A-151（SC）和硬脂酸（SA）為表面處理劑，研究了不同表面處理劑對(duì)Al2O3/EVA復(fù)合膠膜導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能和粘接性能的影響。從表1和表2可以看出，Al2O3的加入可以明顯提高EVA膠膜的導(dǎo)熱性能，并且Al2O3經(jīng)過(guò)SC、TC和SA表面處理后，由于SC和TC可以在Al2O3和EVA分子之間起到搭橋作用，從而使Al2O3通 過(guò)SC和TC處 理 后制得 的Al2O3/EVA復(fù) 合膠膜的熱導(dǎo)率比純EVA膠膜提高了1.28～1.94倍，拉伸強(qiáng)度提高了4.3%～5.8%，剝離強(qiáng)度略有下降；由于SA不僅不能在Al2O3和EVA分子之間產(chǎn)生搭橋作用，而且會(huì)使Al2O3和EVA分子之間發(fā)生隔離，因此，Al2O3采用SA處理后制得的Al2O3/EVA復(fù)合膠膜的熱導(dǎo)率較純EVA膠膜僅提高0.47倍，拉伸強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度均出現(xiàn)了一定程度的下降。

表1 EVA與不同Al2O3的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of EVA with different Al2O3

表2 Al2O3表面性質(zhì)和直徑對(duì)導(dǎo)熱性能的影響Tab.2 Effect of surface property and diameter of Al2O3on thermal conductivity of film

孫林等[8]以MgO為改性劑，制備了高填充MgO/EVA功能復(fù)合膠膜，同時(shí)研究了MgO對(duì)復(fù)合EVA膠膜導(dǎo)熱性能、絕緣性能和粘接性能的影響。研究表明，MgO/EVA功能復(fù)合膠膜的熱導(dǎo)率隨MgO含量的增加而提高，當(dāng)MgO的填充量低于50%時(shí)，MgO/EVA功能復(fù)合膠膜的絕緣性能能夠滿足作為光伏封裝材料的要求。在低填充情況下，MgO可以均勻分散在EVA樹(shù)脂中，如圖2（a）所示，MgO可以促進(jìn)EVA膠膜交聯(lián)反應(yīng)的快速進(jìn)行，提高整個(gè)MgO/EVA功能復(fù)合膠膜的交聯(lián)度，增加膠膜與光伏玻璃之間的交聯(lián)點(diǎn)，從而提高M(jìn)gO/EVA功能復(fù)合膠膜與光伏玻璃的剝離強(qiáng)度；反之，在高填充情況下，大量的MgO對(duì)交聯(lián)劑產(chǎn)生的吸附作用會(huì)降低EVA膠膜的交聯(lián)度，同時(shí)MgO在EVA樹(shù)脂中會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖2（b）所示，造成整個(gè)MgO/EVA功能復(fù)合膠膜體系黏度上升，加工性能下降。

圖2 MgO粒子的填充量為20%（a）和40%（b）功能復(fù)合膠膜的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of functional composite films filled with MgO particles of 20%（a） and 40%（b）

褚路軒等[9]以粉狀ZnO和晶須ZnO為改性劑，制備了ZnO/EVA復(fù)合膠膜，研究了ZnO用量和表面形態(tài)對(duì)ZnO/EVA復(fù)合膠膜交聯(lián)度、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響。研究表明，當(dāng)ZnO的添加量低于20%時(shí)，ZnO對(duì)EVA的自由基交聯(lián)反應(yīng)起到了活化促進(jìn)作用，提高了EVA膠膜的交聯(lián)度，從而使ZnO/EVA復(fù)合膠膜與光伏玻璃之間的剝離強(qiáng)度有所提高；同時(shí)ZnO/EVA復(fù)合膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化。從圖3可以看出，與粉狀ZnO相比，分散在EVA基體中的四針狀ZnO晶須，其粒子之間更容易相互接觸，形成“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)”，從而更容易使ZnO/EVA復(fù)合膠膜的熱導(dǎo)率得到提高。

圖3 晶須ZnO（a）和粉狀ZnO（b）在EVA樹(shù)脂中的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of ZnO whisker（a） and powdered ZnO（b） in EVA resin

范文豹等[10]以硅烷偶聯(lián)劑KH570對(duì)四針狀ZnO晶須（T-ZnOw）進(jìn)行表面處理，制備了T-ZnOw/EVA導(dǎo)熱型復(fù)合膠膜，研究了TZnOw/EVA導(dǎo)熱型復(fù)合膠膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率的影響。圖4是T-ZnOw經(jīng)過(guò)KH570處理后的紅外（FT-IR）譜圖。從圖4可以看出：TZnOw經(jīng)過(guò)KH570處理后，T-ZnOw在2 921 cm-1和2 850 cm-1處出現(xiàn)了亞甲基的非對(duì)稱和對(duì)稱伸縮 振 動(dòng) 峰 ，在1 463 cm-1和 1 635 cm-1處 出 現(xiàn)了羰基的伸縮振動(dòng)峰以及C＝C雙鍵的伸縮振動(dòng) 峰 ，在1 382 cm-1和 1 076 cm-1處 出 現(xiàn) 了C—O鍵的伸縮振動(dòng)峰和Si—O鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，由此表明，KH570已成功連接在TZnOw表面。T-ZnOw經(jīng)過(guò)KH570改性處理后制得的T-ZnOw/EVA復(fù)合膠膜的熱導(dǎo)率明顯高于未經(jīng)表面處理的T-ZnOw/EVA復(fù)合膠膜。這是因?yàn)镵H570水解成的聚硅醇與T-ZnOw表面的羥基可以形成氫鍵，氫鍵加熱脫去水分子后形成的Si-O鍵使KH570與T-ZnOw的表面更容易結(jié)合；同時(shí)KH570與EVA分子鏈可以有效纏和，從而進(jìn)一步增加了T-ZnOw與EVA樹(shù)脂間的界面結(jié)合，減少了界面缺陷。當(dāng)EVA樹(shù)脂加熱發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)后，EVA分子鏈由線性結(jié)構(gòu)變?yōu)榭臻g三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善了整個(gè)復(fù)合膠膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了T-ZnOw/EVA復(fù)合膠膜的熱導(dǎo)率。

圖4 KH570處理T-ZnOw的FT-IR譜圖Fig.4 FT-IR spectra of T-ZnOw treated with and without KH570

3 高性能光伏組件封裝用EVA膠膜的研究進(jìn)展

薛涵與等[11]采用納米二氧化硅（SiO2）負(fù)載交聯(lián)劑TBEC（叔丁基過(guò)氧化碳酸-2-乙基己酯）的方法制備了高性能光伏組件封裝用EVA膠膜，研究了光伏組件封裝用EVA膠膜的固化動(dòng)力學(xué)和流變學(xué)。研究表明，納米SiO2負(fù)載的方法可以使TBEC的表觀活化能從136.7 kJ/mol降低至126.8 kJ/mol，納米SiO2負(fù)載TBEC的交聯(lián)峰與純TBEC的交聯(lián)峰向短時(shí)間方向移動(dòng)，由此表明，納米SiO2負(fù)載可以有效提高EVA膠膜的交聯(lián)速率。

李哲龍[12]先將丙烯酸銪與醋酸乙烯酯共聚，然后將得到的聚合物與EVA樹(shù)脂共混制備了含有銪元素的光伏組件封裝用EVA膠膜，研究了含銪的光伏組件封裝用EVA膠膜的交聯(lián)度和透光率。研究表明，加入銪元素的EVA膠膜之透過(guò)率達(dá)到了93%以上，其對(duì)300～400 nm紫外光波段的透過(guò)率不超過(guò)5%，黃變指數(shù)不超過(guò)0.8，因此，銪元素的加入可大大提高光伏組件封裝用EVA膠膜的抗紫外老化性能。

祝麗娟等[13]通過(guò)在EVA樹(shù)脂中加入聚異戊二烯、聚1,2-丁二烯和聚丁二烯苯乙烯共聚物等改性劑，改變了EVA樹(shù)脂的陷阱能級(jí)和空間電荷分布，使電子遷移率下降，提高了EVA膠膜的絕緣性能，抑制了EVA水解產(chǎn)生的醋 酸 根 與 光 伏 玻 璃 表 面 析 出 的K+、 Na+和 Ca2+離子之間的反應(yīng)，從而降低了電解液中陽(yáng)離子在外加電場(chǎng)的作用下富集到光伏電池表面形成的反向電位差導(dǎo)致的電勢(shì)誘導(dǎo)衰減（PID）現(xiàn)象的發(fā)生。

余鵬等[14]通過(guò)在EVA樹(shù)脂中加入快速引發(fā)劑（如，過(guò)氧化二苯甲酰、特戊基過(guò)氧化-2-乙基乙酯和光氧化甲基異丁酮等）和慢速交聯(lián)劑（如，叔丁基過(guò)氧化二異丙苯、叔丁基過(guò)氧化乙酯酸和叔丁基過(guò)氧化碳酸-2-乙基乙酯等），研制出了一種低溫快速固化的EVA膠膜，使整個(gè)EVA膠膜具有反應(yīng)速率較快、反應(yīng)溫度較低等特點(diǎn)。因此，在不提高層壓溫度的條件下，不僅大幅提高了光伏組件的封裝效率，而且不會(huì)出現(xiàn)定位膠帶鼓泡、電池片移位、缺膠和焊帶發(fā)黃等問(wèn)題。

4 展望

目前，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)已達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，光伏組件封裝用EVA膠膜質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[15，16]。本研究對(duì)光伏組件封裝用EVA膠膜的研制現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，旨在引起從事光伏材料研發(fā)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)人士的關(guān)注，以此帶動(dòng)我國(guó)光伏組件封裝用EVA膠膜研制的技術(shù)水平得到快速提高。

為了早日實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)，也為了給后人留下一個(gè)更好的生活環(huán)境，今后光伏組件封裝用EVA膠膜的工作重點(diǎn)應(yīng)集中在優(yōu)化配料和生產(chǎn)工藝、降低成本、改善光伏組件封裝用EVA膠膜的導(dǎo)熱性能、抗PID性能、抗紫外老化性能和提高光電轉(zhuǎn)化效率等方面，從而助力我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步健康快速發(fā)展。

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Abstract：The manufacture process and application fields of the ethylene-vinyl acetate copolymer ( EVA ) film for the photovoltaic ( PV ) module encapsulation were summarized, and the recent development of the EVA film for PV module encapsulation was reviewed. The future prospect and development direction of the EVA film was pointed out.

Key words：PV module; encapsulation; EVA film; application

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《有機(jī)硅材料》（原名《有機(jī)硅材料及應(yīng)用》）創(chuàng)刊于1987年，是由中國(guó)氟硅有機(jī)材料工業(yè)協(xié)會(huì)有機(jī)硅專業(yè)委員會(huì)、中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司、國(guó)家有機(jī)硅工程技術(shù)研究中心共同主辦的有機(jī)硅專業(yè)技術(shù)期刊。本刊重點(diǎn)報(bào)道國(guó)內(nèi)外有機(jī)硅方面的新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品及有機(jī)硅產(chǎn)品的新應(yīng)用等；及時(shí)提供有機(jī)硅材料市場(chǎng)、會(huì)議及國(guó)內(nèi)外信息。主要欄目有基礎(chǔ)研究、裝備工藝、專論·綜述、技術(shù)進(jìn)展、分析測(cè)試、產(chǎn)品應(yīng)用、行業(yè)動(dòng)態(tài)等，是您了解國(guó)內(nèi)外有機(jī)硅工業(yè)、技術(shù)及應(yīng)用最新進(jìn)展的重要窗口。

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Research progress of EVA film for photovoltaic module encapsulation

QI Kai-liang，LEI Rui-ying
(School of Electrical Engineering, Shaanxi Polytechnical Institute, Xianyang, Shaanxi 71200, China)

TQ437

A

1001-5922（2017）10-0065-04

2017-08-04

齊鍇亮（1983-），男，博士，研究方向：主要從事光伏組件封裝材料的研發(fā)工作。E-mail：sidney1608@126.com。