光伏組件封裝材料的研究進(jìn)展

趙龍寶

（江蘇東鋆光伏科技有限公司，江蘇 無錫 214420）

0 引言

所謂的光伏組件，也就是將光伏電池進(jìn)行串聯(lián)、關(guān)聯(lián)連接后再進(jìn)行密封處理，將光伏電池片與鋼化玻璃、背板密封粘結(jié)，防止光伏電池與外界環(huán)境接觸，雨雪、灰塵等無法進(jìn)入到組件內(nèi)部。一般的光伏電池使用年限為30年，使用光伏組件會減少5年，而光伏組件發(fā)電輸出效率及使用年限與采用的封裝材料有著直接的影響。一般情況下，光伏封裝選用的材料需要滿足如下要求：（1）良好的密封性能、絕緣性能及防水性能；（2）可以與光伏電池片、背板相互間進(jìn)行緊固粘結(jié)；（3）具備良好的抗老化性能、抗腐蝕性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度；（4）良好的透光率；（5）可以滿足光伏組件加工處理工藝要求； （6）投資較少[1]。當(dāng)前，光伏組件生產(chǎn)所采用的封裝材料有聚烯烴、乙烯-醋酸乙烯共聚物、有機(jī)硅等材料，光伏市場的持續(xù)增長帶動了封裝材料需求緊張，經(jīng)常存在著封裝材料供應(yīng)短缺問題，封裝材料不斷向著新型材料方面發(fā)展，對組件效率、穩(wěn)定性和可靠性等方面有著更高的要求，文章主要對光伏組件封裝材料具備的特點(diǎn)及學(xué)術(shù)研究情況進(jìn)行分析與論討。

1 聚烯烴

對烯烴類及相應(yīng)衍生物進(jìn)行聚合處理或共混反應(yīng)，可以形成良好的聚烯烴熱塑性材料，有著很好的穩(wěn)定性，體積電導(dǎo)率高、水汽透過率低[2]。利用該材料對光伏組件進(jìn)行封裝，如果運(yùn)行在高溫環(huán)境下不會產(chǎn)生較大的漏電流，材料老化進(jìn)程中不會形成醋酸，避免光伏組件電極、導(dǎo)線受到腐蝕。陶氏公司最早在市面上推廣應(yīng)用聚烯烴材料，Escalante等學(xué)者把該材料應(yīng)用于光伏組件封裝生產(chǎn)線，通過對光伏組件電勢誘導(dǎo)衰減效應(yīng)進(jìn)行大量的測試發(fā)現(xiàn)，采用該材料進(jìn)行封裝可以避免光伏組件產(chǎn)生PID效應(yīng)[3]。洪利杰等學(xué)者采用POE作為基體，采用硅烷偶聯(lián)劑來改進(jìn)POE膠膜，用于封裝后的光伏組件具備的輸出功率下降了5.2%，沒有達(dá)到傳統(tǒng)乙烯—醋酸乙烯共聚物光伏組件封裝效果。石俊杰等學(xué)者對不同含量條件下的抗氧化劑對聚烯烴封裝材料抗熱氧、抗老化性能進(jìn)行研究，紅外光譜分析下發(fā)現(xiàn)添加抗氧化劑可以有效避免POE自我氧化[4]。當(dāng)前，光伏組件封裝所采用的聚烯烴有交聯(lián)型、非交聯(lián)型兩類，交聯(lián)型材料有應(yīng)用時(shí)需要加入數(shù)量較多的關(guān)聯(lián)劑，進(jìn)行層壓處理時(shí)存在形成氣泡的可能性。非交聯(lián)材料在使用老化時(shí)抗熱蠕變性并不理想。為了優(yōu)化改進(jìn)聚烯烴封裝材料性能，徐曉龍等學(xué)者研發(fā)出新型聚烯烴封裝材料，具有良好耐紫外線照射性能、耐濕熱老化性能和光學(xué)性能，可以解決封裝時(shí)產(chǎn)生氣泡及抗熱蠕變性差的問題，加工處理更易于控制[5]。陽志榮等學(xué)者研發(fā)出具有良好阻水性能聚烯烴封裝材料，可以解決水汽對光伏組件雙玻璃側(cè)面滲透問題，防止光伏電池受到腐蝕，也可以抑制蝸牛紋的形成，有效地提升雙玻光伏組件使用年限[6]。

2 乙烯—醋酸乙烯共聚物

EVA是英文ethylene/vinyl acetate的縮寫，中文稱為乙烯—醋酸乙烯共聚物，是光伏組件封裝廣泛采用的材料，材料采購成本較低，有著很高的透光率、熔體流動性和很好的粘結(jié)性能，熔化溫度較低，組裝施工更為便利，在光伏封裝行業(yè)使用已經(jīng)超過20年。但在長時(shí)期的使用過程中，會受到陽光中紫外線照射而導(dǎo)致鏈斷裂問題，會加快EVA材料的老化。受到環(huán)境高溫條件和氧氣的共同作用，EVA材料在進(jìn)行降解時(shí)會形成烯酮結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致EVA材料發(fā)黃變色，會減小光伏組件透光率，光電轉(zhuǎn)化效率會相應(yīng)降低。除此之外，EVA材料分解過程中形成的乙酸氣體也會對光轉(zhuǎn)換效率和使用年限受到影響。所以，加強(qiáng)對EVA材料改性研究具有很高的現(xiàn)實(shí)意義，ALLEN等學(xué)者對該材料中添加不同類型的抗氧化劑，設(shè)置不同的材料組合方式來對熱氧老化影響進(jìn)行深入分析，研究中發(fā)現(xiàn)酚類主抗氧劑3144、1010以獨(dú)立組分進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，可以有效提高抗熱抗氧性能[7]。以主抗氧劑作為前提條件添加亞磷酸酯用作輔助劑，可以起到更好的抗熱抗氧效果。Carmen等研究人員應(yīng)用氫氧化鋁、三聚氰胺硼酸酯來對乙烯—醋酸乙烯共聚物膠膜進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)EVA材料阻燃性能、抗老化性能都得到一定程的提高。國內(nèi)的李海波等學(xué)者采用KH-570、AA、MMA材料分別用于接技單體，來對EVA材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用KH-570材料進(jìn)行接技可以有效提升EVA材料膠膜整體性能，具備良好的透光率、耐濕熱及抗老化性能。Eonne等學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，EVA材料中添加兩種結(jié)構(gòu)類型不同的有機(jī)配合物都可以提升光電輸出功率[8]。

3 有機(jī)硅

無機(jī)硅-氧鍵存在于有機(jī)硅材料主鏈中，側(cè)基以硅和有機(jī)基團(tuán)進(jìn)行連接。該材料有著很獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)式，鏈中存在有機(jī)基團(tuán)和無機(jī)結(jié)構(gòu)，上述獨(dú)特結(jié)構(gòu)式可以抵擋氧氣、紫外線滲透到內(nèi)部。因此，有機(jī)硅材料有著很好的透光率、折射率、低吸濕率，還具備絕緣性、疏水性、耐熱性，還可以抵制紫外線照射，有著較寬的溫度適應(yīng)性能。PDMS為應(yīng)用廣泛的有機(jī)硅材料，已經(jīng)得到國內(nèi)外很多光伏電池制造企業(yè)的重視。龐文鍵等學(xué)者研發(fā)出的PDMS材料具備良好的粘結(jié)性能，強(qiáng)度、彈性、耐候性都很好，在紫外照射、高溫高濕、鹽霧環(huán)境中有著很高的保持率，可以用于光伏組件雙玻組件的封裝處理。Mcintosh等學(xué)者都對EVA、PDMS兩種材料具備的抗?jié)駸?、抗紫外線、抗老化性能進(jìn)行了對比分析，從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，PDMS材料中吸濕率遠(yuǎn)小于EVA，但透光率卻超過EVA。但是，有機(jī)硅封裝材料生產(chǎn)成本比較高，生產(chǎn)工藝中采用的高性能設(shè)備和特殊技術(shù)，會使該材料應(yīng)用范圍變窄。當(dāng)前，有機(jī)硅封裝多用于對質(zhì)量要求高的應(yīng)用場合，例如，在太空航天器應(yīng)用的太陽能光伏組件。

4 聚乙烯醇縮丁醛

PVB為英文polyvinyl butyral的縮寫，中文稱作聚乙烯醇縮丁醛，將聚乙烯醇、正丁醛利用催化劑來進(jìn)行縮合反應(yīng)生成聚合物，該物質(zhì)一般情況下呈現(xiàn)為白色、微黃色粉末，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性、透明性、斷裂延伸性，可以滿足光伏組件封裝工藝要求[9]。杜邦公司在早年生產(chǎn)的PV5 200、PV5 300聚乙烯醇縮丁醛封裝材料，可以高效率地生產(chǎn)出封裝模塊，還具備較長的使用年限。可聚乙烯醇縮丁醛材料制備工藝很復(fù)雜，需要較高的生產(chǎn)成本，在進(jìn)行層壓處理時(shí)會存在蠕變問題。為了提高聚乙烯醇縮丁醛材料性能，更好地滿足光伏組件封裝工藝要求，王俊武等學(xué)者應(yīng)用新型混合分配機(jī)來制作聚乙烯醇縮丁醛材料，在進(jìn)行制備時(shí)添加聚乙烯醇-正丁醛混合溶液、HCl。該制備工藝比較簡單，具有很好的分散效果，制取材料為粉末狀，可以減少反應(yīng)時(shí)間和提升制備效率。朱曉亮等學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇縮丁醛材料中加入合適數(shù)量的抗氧化、紫外穩(wěn)定劑，可以有效提升聚乙烯醇縮丁醛薄膜抗老化性能和抗紫外線性能。Huang等學(xué)者制取了聚乙烯醇縮丁醛/石墨烯復(fù)合材料，對用于光伏組件封裝具備的導(dǎo)熱性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如果添加的石墨烯為30%，該復(fù)合材料熱導(dǎo)率會達(dá)到聚乙烯醇縮丁醛材料的20.55倍，如果光伏組件運(yùn)行溫度低于70 ℃，該復(fù)合材料有著更好的熱穩(wěn)定性。

5 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂材料有著很好的機(jī)械強(qiáng)度和粘結(jié)性能，具備耐腐蝕性、高透光率等特性，是進(jìn)行光伏組件封裝的常用材料。王艷紅等學(xué)者將該材料應(yīng)用于光伏電池封裝并設(shè)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)，可以滿足高溫條件下的光伏發(fā)電需要。由于環(huán)氧樹脂材料不具備很好的密封性，長時(shí)期受到太陽光照會出現(xiàn)老化發(fā)黃問題，會導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降，需要加強(qiáng)對環(huán)氧樹脂改性方面的研究。朱桂林等學(xué)者對環(huán)氧樹脂材料中添加EVA、硫酸銨、丙烯—丙烯酸羥乙酯共聚物進(jìn)行改性研究，可以有效提高耐候性能、戶外粘結(jié)性。除此之外，還可以降低封裝材料對透光率的不良影響，光電轉(zhuǎn)換率和使用年限都得到提高。Pellegrino等學(xué)者為防止氧氣滲入光伏組件內(nèi)部，加入POSS材料來對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，可以提高環(huán)氧樹脂材料耐熱耐氧化性能。范斌等學(xué)者采用石墨烯材料對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性研究，添加足夠數(shù)量固化劑來形成組合物，可以滿足光伏組件封裝要求，可以避免水分、氧氣進(jìn)入到光伏組件內(nèi)部，起到很好的保護(hù)效果，有利于提高使用壽命[10]。

6 結(jié)語

當(dāng)前，光伏組件封裝所采用的材料在應(yīng)用方面都具有一定局限性，將來的封裝材料研究應(yīng)該側(cè)重于以下方面：（1）加強(qiáng)對新型高性能封裝材料的研發(fā)，更好地滿足光伏組件對材料的使用要求；（2）不再單純對單一材料過行研發(fā)，需要對復(fù)合型、混合型材料加大研發(fā)力度，可以更好地滿足使用環(huán)境對材料性能要求；（3）加強(qiáng)對制備工藝和材料設(shè)計(jì)等方面的研究力度，有利于推進(jìn)光伏組件封裝材料的應(yīng)用與推廣。隨著國家對光伏扶貧項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)，大量的光伏組件應(yīng)用于光伏發(fā)電站和分布光伏項(xiàng)目中，研發(fā)出具有高性能光伏組件封裝材料，可以有效提高光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步降低發(fā)電成本，在光伏發(fā)電行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景。