光伏組件封裝膠膜的種類及交聯度的研究

陳如意 孔蕊 周揚 錢兵

摘 要：為了應對全球氣候變暖的問題，多國政府制定了碳達峰、碳中和的目標（下文簡稱為“‘雙碳目標”）和計劃。太陽能作為一種清潔的可再生能源，是世界能源轉型的重要方向之一。光伏組件作為光伏發(fā)電系統中的核心部分，將在“雙碳”目標中起著至關重要的作用。概述了目前市場上主流的光伏組件封裝膠膜的種類，對封裝膠膜的分子結構、交聯機理、交聯特性、交聯度的影響因素進行了介紹，分析了交聯度對光伏組件性能的影響，并對封裝膠膜今后的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢進行了展望。在全球光伏發(fā)電裝機容量增長前景明確、光伏組件整體需求增大和滲透率提升的背景下，光伏組件封裝膠膜的市場需求將會不斷提升，并將不斷研發(fā)出與新太陽電池技術相匹配的功能性封裝膠膜。

關鍵詞：光伏組件；封裝膠膜；交聯度；交聯機理；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TM914.4+1 文獻標志碼：A

0? 引言

為了應對全球氣候變暖的問題，多國政府制定了碳達峰、碳中和的目標（下文簡稱為“‘雙碳目標”）和計劃。太陽能作為一種清潔的可再生能源，是世界能源轉型的重要方向之一，而光伏發(fā)電是其主要應用方式之一。光伏組件作為光伏發(fā)電系統中的核心部分，將會在“雙碳”目標中起到至關重要的作用。

光伏組件的核心部件為太陽電池，通過光電效應或光化學效應直接把光能轉換成電能。目前市場應用占比最大的為晶體硅太陽電池，其原材料為晶體硅，呈脆性，且太陽電池的面積較大、厚度較薄，容易出現破損；再加上太陽電池的自然抗性差，易被腐蝕，這些單體太陽電池自身特殊的物理性能，導致其不能直接作為電源使用，必須將若干單體太陽電池串、并聯連接后嚴密封裝成光伏組件才能作為電源使用。晶體硅光伏組件利用封裝膠膜將光伏玻璃、晶體硅太陽電池及背板粘合在一起進行封裝，起到保護太陽電池并延長太陽電池使用壽命的作用。光伏組件的結構示意圖如圖1所示。

本文概述了目前市場上主流的光伏組件封裝膠膜的種類，對封裝膠膜的分子結構、交聯機理、交聯特性、交聯度的影響因素進行了介紹，分析了交聯度對光伏組件性能的影響，并對封裝膠膜今后的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢進行了展望。

1? 光伏組件封裝膠膜的主要種類

封裝膠膜作為光伏組件的關鍵材料，需要保證光伏組件25年的使用壽命，且其需求不受太陽電池技術路線變革的影響，需求量隨光伏發(fā)電裝機容量的增長而增長。目前市場上主流的封裝膠膜有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）膠膜、聚烯烴彈性體（POE）膠膜、聚乙烯醇縮丁醛（PVB）膠膜等，下面進行詳細介紹。

1.1? EVA膠膜

1.1.1? 簡介

EVA膠膜是一種熱固性高分子材料，基體為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物樹脂，是較為傳統的光伏組件封裝膠膜產品。在當前的光伏組件生產中，EVA膠膜仍然是使用量最大的光伏組件封裝膠膜產品。

EVA膠膜的基體EVA樹脂是乙烯單體與醋酸乙烯酯單體在催化劑作用下發(fā)生聚合反應生成的嵌段共聚物，其化學反應過程如圖2所示。

EVA樹脂中醋酸乙烯酯含量在0%～40%之間。EVA樹脂的性能主要取決于醋酸乙烯酯含量及其熔體流動速率（MFI），醋酸乙烯酯含量在10%～20%時，EVA樹脂為彈性材料；醋酸乙烯酯含量超過30%時，EVA樹脂為塑性材料。不同醋酸乙烯酯含量下的EVA樹脂材料有不同的用途，用于光伏組件封裝的EVA樹脂中的醋酸乙烯酯含量一般在28%～33%之間。

光伏行業(yè)使用的EVA膠膜是EVA樹脂經過多種改性劑（交聯劑、粘結促進劑、各種安定劑）改性之后的膠膜產品。EVA樹脂與改性劑在混合器中攪拌均勻后，混合于密閉容器中靜置一段時間，之后抽取混合料在膠膜生產線上流延擠出熔融態(tài)膠膜，再經過多個冷卻輥冷卻后，進行切邊并收成卷狀成品。

目前EVA膠膜的品類主要包括常規(guī)EVA膠膜、抗PID EVA膠膜、抗蝸牛紋EVA膠膜、超快速固化EVA膠膜、白色EVA膠膜等，可以滿足不同的生產需求。

1.1.2? 特性

EVA膠膜技術成熟且成本較低，作為光伏組件封裝膠膜具有以下優(yōu)點：1）耐久性（耐熱性、耐高溫高濕性、耐候性）優(yōu)越；2）對光伏玻璃、太陽電池、背板不僅具有短期粘合性，且長期粘合性也非常優(yōu)越；3）熔融時具有較好的流動性能，對太陽電池的封裝性能優(yōu)越；4）透光率高、透明性優(yōu)越；5）具有柔軟性，層壓加工時對太陽電池的損害小。

由于常規(guī)EVA膠膜的透水率較高，在使用過程中水汽會進入光伏組件，EVA膠膜遇水分子鏈中的酯鍵發(fā)生水解反應生成醋酸根（-COOH），醋酸根與光伏玻璃表面析出的堿反應產生可以自由移動的鈉離子（Na+），鈉離子在外加電場的作用下向太陽電池表面移動，并富集到減反射層，從而導致光伏組件PID現象，造成光伏組件功率衰減。目前市場上為了提高光伏組件的輸出功率，開發(fā)了對輸出功率具有增益效果的白色EVA膠膜及抗PID EVA膠膜。

白色EVA膠膜用在太陽電池下層，可以通過增加太陽電池間隙入射光反射來提高太陽光利用率，根據膠膜供應商提供的試驗數據，使用此類膠膜可使光伏組件的輸出功率提高約1～10 W。陽志榮等[1]采用醋酸乙烯酯含量為28%的EVA為基料，分別加入不同比例的鈦白粉來提高EVA膠膜的反光率，然后通過相同配方進行混料，流延成膜制得白色EVA膠膜。研究結果表明：添加9%的鈦白粉時，制得的白色EVA膠膜在交聯度和剝離強度方面具有更好的性能，同時也具有更高的反射率，使用此類膠膜能提高光伏組件的光電轉換效率，以達到提升光伏組件輸出功率的目的。

另外，使用抗PID EVA膠膜封裝光伏組件可以在一定程度上提高光伏組件的抗PID性能，從而提高光伏組件的輸出功率。劉燕武[2]通過添加偶聯劑、紫外光吸收劑、光穩(wěn)定劑等助劑，制備了具有抗PID性能的光伏組件封裝用EVA膠膜?？筆ID EVA膠膜的抗PID性能主要與其體積電阻率和水汽透過性能有關。研究發(fā)現：當抗PID EVA膠膜中助劑的添加量增加時，其體積電阻率呈現出先增大后減小的趨勢，控制助劑的添加量可以制備出具有較高體積電阻率的抗PID EVA膠膜，使其抗PID性能最優(yōu)。

1.2? POE膠膜

1.2.1? 簡介

POE膠膜是美國DOW化學公司以茂金屬為催化劑研發(fā)的乙烯和辛烯的共聚物，為飽和脂肪鏈結構。目前POE膠膜的品類包括交聯型POE膠膜、熱塑型POE膠膜、白色POE膠膜、共擠POE膠膜等，可以滿足不同的生產需求。

1.2.2? 特性

POE膠膜是一種分子結構為線形長鏈的熱塑型彈性體，添加了交聯劑的交聯型POE膠膜是一種熱固性材料。POE膠膜分子結構的特殊性使其具有高絕緣電阻率和高阻水性等優(yōu)異特性，研究發(fā)現，POE膠膜的水汽透過率僅為EVA膠膜的1/8左右。

與EVA膠膜相比，由于POE膠膜的分子鏈中無可水解的酯鍵，使其分子鏈結構穩(wěn)定，老化速度較慢，老化過程中不會因為水解反應產生酸性物質，具有優(yōu)秀的水汽阻隔性、耐候性、光透過率及粘接性，能夠更好地保護光伏組件在高濕環(huán)境下的正常工作，使光伏組件具有更加長效的抗PID性能。但是由于POE膠膜的流動性小，導致其加工時的均勻性難以控制。另外，由于POE屬于非極性材料，與極性的助劑相容性較差，會存在助劑在膠膜表面析出的問題，影響POE膠膜在光伏組件生產上的大規(guī)模使用。

洪利杰等[3]以乙烯-α-烯烴共聚物為基體、過氧化-2-乙基己酯碳酸叔丁酯為交聯劑、三烯丙基異氰脲酸酯為助交聯劑、乙烯基三甲氧基硅烷為硅烷偶聯劑、馬來酸酐（MAH）為改性劑，分別制備了純POE膠膜、馬來酸酐改性POE膠膜，以及硅烷偶聯劑改性POE膠膜；并對這3種POE膠膜封裝的光伏組件功率衰減情況進行了研究。研究結果發(fā)現：POE膠膜封裝的光伏組件的功率衰減明顯低于常規(guī)EVA膠膜封裝的光伏組件的功率衰減，有利于改善光伏電站的運營效益。

1.3? PVB膠膜

1.3.1? 簡介

PVB膠膜是一種熱塑性樹脂膜，是由聚乙烯醇縮丁醛樹脂經增塑劑塑化擠壓成型的一種高分子材料，具有可回收重復加工性，無交聯反應。

PVB膠膜的制備工藝流程為：乙烯→醋酸乙烯（VAM）→聚乙烯醇（PVA）→PVB→加可塑劑→PVB薄膜。

1.3.2? 特性

由于PVB膠膜特殊的化學結構，使其對無機玻璃具有很強的粘結性能，環(huán)境耐老化性能也特別優(yōu)異，是當前世界上制造夾層玻璃、安全玻璃用的最佳粘合材料，在光伏行業(yè)中主要應用于光伏建筑一體化（BIPV）。

PVB膠膜配方簡單，產品質量能夠長久保持，相比純POE膠膜6個月的保質期，PVB膠膜在不影響使用性能的前提下能夠保存4年之久。相較于使用EVA膠膜，BIPV光伏組件使用PVB膠膜能夠保持更長的使用壽命，但由于PVB膠膜的價格較貴，層壓時間較長，限制了其大規(guī)模應用。

2? 光伏組件封裝膠膜的交聯度及其對光伏組件性能的影響

2.1? 光伏組件封裝膠膜的交聯度及交聯機理

光伏組件封裝膠膜的交聯度是指光伏組件封裝用的EVA膠膜、交聯型POE膠膜等加熱時，膠膜中的線形高分子鏈在交聯劑的活化作用下發(fā)生交聯反應后形成三維網狀結構的分子的質量比率，是用來表征膠膜交聯程度的物理量。交聯度是衡量光伏組件封裝膠膜抗老化、保持高機械強度的重要指標。

2.1.1? 交聯度的測試方法

目前，光伏行業(yè)中針對光伏組件封裝膠膜交聯度的測試方法已經很成熟，主要包括二甲苯萃取法和差示掃描量熱法（DSC）。龔皓等[4]研究了測試方法對光伏組件封裝用EVA膠膜交聯度的影響，研究結果表明：二甲苯萃取法與DSC法測試得到的封裝膠膜的交聯度重復性都較好，但鑒于驗貨的時間效率，建議使用DSC法，其更為便捷。

封裝膠膜交聯度的計算式為：

式中：D為封裝膠膜的交聯度，%；W1為封裝膠膜樣品萃取前的質量，g；W2為封裝膠膜樣品萃取后的質量，g。

2.1.2? 封裝膠膜的交聯機理

光伏組件疊層之后放在層壓機中進行加熱層壓，當層壓溫度達到一定數值時，光伏組件中的封裝膠膜逐漸熔化并處于熔融狀態(tài)。當層壓機的加熱溫度達到封裝膠膜配方中過氧化物交聯劑的分解溫度時，交聯劑分子結構中的過氧鍵會斷裂，生成過氧自由基RO，具有活性的過氧自由基RO非常容易與膠膜大分子鏈支鏈上烷基的H結合，結合之后使膠膜大分子鏈支鏈上的烷基活化，活化后的兩個烷基會結合，結合后便會形成三維網狀結構。

在光伏組件層壓封裝過程中，封裝膠膜中交聯劑的加入不僅能夠增強膠膜自身的耐蠕變性能，而且還能夠提高膠膜與光伏玻璃或者背板之間的粘結性能。目前膠膜的交聯方式主要有過氧化物交聯、硅烷交聯、輻射交聯等。

影響封裝膠膜交聯度的因素主要包括以下兩個方面：

1）膠膜配方中交聯劑的用量。在其他條件不變的情況下，封裝膠膜的交聯度隨交聯劑用量的增加而升高。

2）光伏組件疊層之后的層壓溫度。層壓溫度在140～150 ℃之間時封裝膠膜的交聯效果最好；固化溫度低于此范圍時，封裝膠膜的交聯度低；固化溫度高于此范圍時，在層壓過程中可能會出現氣泡，降低光伏組件性能，并且高溫會使設備損耗增加，造成能源浪費[5]。

研究發(fā)現，助劑的種類和用量不會影響封裝膠膜的初始流動性能，因此可以通過調整膠膜中助劑的添加量來制備具有更好交聯性能的封裝膠膜。孫會娟等[6]對添加了不同種類交聯劑的封裝膠膜性能進行了研究，探索并制備了可以在較低溫度下交聯固化的EVA膠膜。

祝麗娟等[7]通過添加不同結構的偶聯劑，制備出不同配方的EVA膠膜，并對偶聯劑結構對EVA膠膜粘結性能的影響進行了分析。研究發(fā)現：選擇添加具有不飽和鍵的偶聯劑，可以增強EVA膠膜與光伏玻璃、背板之間的粘合力。

孫會娟等[8]采用三丙烯酸丙烷三甲醇酯（TMPTA）作為化學交聯助劑，研究了其對過氧化苯甲酰（BPO）交聯光伏組件封裝用EVA膠膜的影響。研究結果表明：三丙烯酸丙烷三甲醇酯加入到EVA-BPO體系中起到了增塑作用，可改善膠膜的初始流動性并促進其化學交聯固化過程，提高交聯效率，選擇合適的配比可在滿足EVA膠膜性能的基礎上縮短其生產周期。

EVA膠膜及交聯型POE膠膜的交聯機理分別如圖3、圖4所示。

交聯度是用來表征光伏組件封裝膠膜交聯程度的物理量，是衡量封裝膠膜封裝效果的重要技術指標。封裝膠膜交聯度的大小不僅影響膠膜固化后自身的拉伸強度、斷裂伸長率及剝離強度等力學特性，同時也會影響光伏組件的密封效果和環(huán)境耐老化性能，對光伏組件的質量和使用壽命起著至關重要的作用。

如果封裝膠膜的交聯度過高，膠膜大分子鏈間的相互作用力會增強，大分子鏈的運動會被束縛，就會導致膠膜剛性增強，使其抵抗外力變形的能力降低，保護太陽電池的作用就會被削弱；如果封裝膠膜的交聯度過低，其耐老化性能也會降低。

施懿峻等[9]通過改變層壓參數的方法制備了不同交聯度的EVA膠膜樣品，采用二甲苯溶劑萃取法測定了制備的EVA膠膜樣品的交聯度，并研究了交聯度變化對EVA膠膜拉伸強度、斷裂伸長率及剝離強度等力學性能的影響。研究發(fā)現：EVA膠膜的物理性能會隨著其交聯度的變化發(fā)生改變，進而影響EVA膠膜對光伏組件的整體封裝效果及光伏組件的使用壽命。當EVA膠膜的交聯度過低時，EVA膠膜中的三維網絡結構并未完全生成，膠膜中存在線形長鏈大分子，膠膜的結構直觀表現比較疏松，拉伸強度、斷裂伸長率及剝離強度都比較低，對光伏組件的封裝效果差，會直接降低光伏組件的發(fā)電性能及使用壽命；當EVA膠膜的交聯度過高時，EVA膠膜的柔韌性會降低，膠膜材質會變硬，相應的拉伸強度、斷裂伸長率及剝離強度也會下降，封裝后光伏組件的耐老化性能也會受到影響而降低；當EVA膠膜的交聯度在85%左右時，其各項力學性能整體表現出最優(yōu)化。

王榮君[10]以EVA樹脂為原料，輔以交聯劑、偶聯劑、防老化劑，經加熱擠出成型制備了光伏組件封裝用EVA膠膜；通過添加不同類型的交聯劑，研究了交聯劑的種類對EVA膠膜交聯度的影響。研究發(fā)現：使用分解速度快的交聯劑可以在更短時間內達到理想的交聯度，可以在一定程度上提高光伏組件生產廠家的生產效率。在相同的層壓溫度和層壓時間條件下，EVA膠膜的交聯度隨著膠膜中交聯劑含量的增大而增大，但是交聯劑的含量并不是越多越好，交聯劑含量多時雖然交聯度高，但交聯劑含量過多容易使膠膜產生老化黃變現象；在相同交聯劑含量條件下，EVA膠膜的交聯度隨層壓溫度的增大而增大。

劉長飛等[11]通過設計多組不同的層壓制樣方案，制備了不同交聯度的交聯型POE膠膜樣品，采用二甲苯萃取法測定了樣品的交聯度，并對每個樣品進行了相應的力學性能測試，旨在研究不同生產廠家（分別為A廠家、B廠家、C廠家）生產的交聯型POE膠膜的力學性能與交聯度之間的關系。研究發(fā)現：不同生產廠家的交聯型POE膠膜的各項力學性能與交聯度的關系呈現出大致相同的變化趨勢。

不同交聯型POE膠膜的交聯度與膠膜和光伏玻璃之間的剝離強度的關系示意圖[11]如圖5所示。

從圖5可以看出：交聯型POE膠膜與光伏玻璃之間的剝離強度隨交聯度的增大大致呈現出先增大到逐步穩(wěn)定，最后逐步減小的趨勢。這是因為隨著交聯度的增大，交聯型POE膠膜的物理性質由韌性逐步向脆性轉變，交聯度過高，

膠膜就會變脆所導致的。交聯型POE膠膜與光伏玻璃之間的剝離強度在交聯度為69%～84%的范圍內保持一個較好的數值。

不同交聯型POE膠膜的交聯度與拉伸強度的關系示意圖[11]如圖6所示。

從圖6可以看出：交聯型POE膠膜的拉伸強度隨交聯度的增大大致呈現出先增大到峰值，然后再減小的趨勢。這是因為隨著交聯度的增大，膠膜的脆性逐步變大，拉伸強度隨之減小。交聯型POE膠膜的拉伸強度在交聯度為69%～84%的范圍內表現較好。

不同交聯型POE膠膜的交聯度與斷裂伸長率的關系示意圖[11]如圖7所示。

從圖7可以看出：交聯型POE膠膜的斷裂伸長率隨交聯度的增大呈現出逐漸減小的趨勢，這是因為隨著交聯度的增大，膠膜的脆性逐漸增大，膠膜脆性斷裂的可能性隨之增大。

鑒于以上膠膜力學性能與交聯度之間的變化關系，為了保證光伏組件在使用過程中性能的長期可靠性，在使用交聯型POE膠膜作為光伏組件封裝材料時，層壓后膠膜的交聯度控制在69%～84%的范圍內為最優(yōu)。

3? 發(fā)展方向與發(fā)展趨勢展望

光伏組件封裝膠膜是決定光伏組件產品質量、使用壽命的關鍵性因素。作為光伏組件的重要材料之一，封裝膠膜在保護太陽電池，延長太陽電池使用壽命，提升光伏組件輸出功率方面發(fā)揮著關鍵作用，在全球光伏發(fā)電裝機容量增長前景明確、光伏組件整體需求增大和滲透率提升的背景下，光伏組件封裝膠膜的市場需求將會不斷提升。隨著光伏行業(yè)的太陽電池技術不斷革新升級，也會研發(fā)與新技術相匹配的功能性封裝膠膜，以滿足新技術的要求，并在保證光伏組件使用壽命的前提下，提高光伏組件的光電轉換效率。

4? 結論

本文對目前市場上主流的光伏組件封裝膠膜的種類進行了概述，從封裝膠膜的分子結構、交聯機理、交聯特性、交聯度的影響因素，以及交聯度對光伏組件性能的影響幾個方面進行了分析。在全球光伏發(fā)電裝機容量增長前景明確、光伏組件整體需求增大和滲透率提升的背景下，光伏組件封裝膠膜的市場需求將會不斷提升，并將不斷研發(fā)出與新太陽電池技術相匹配的功能性封裝膠膜。

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STUDY ON TYPES AND CROSSLINKING DEGREE OF

PV MODULES ENCAPSULATION FILM

Chen Ruyi，Kong Rui，Zhou Yang，Qian Bing

（CECEP Solar Energy Technology （Zhenjiang） Co.，Ltd.，Zhenjiang 212132，China）

Abstract：In order to deal with the problem of global warming，many governments have formulated emission peak and carbon neutrality goals and plans. As a clean and renewable energy，solar energy is one of the important directions of the worlds energy transformation. As the core part of the PV power generation system，PV modules will play a vital role in the emission peak and carbon neutrality goals. This paper summarizes the main types of PV module encapsulation film in the current market，the molecular structure，crosslinking mechanism，crosslinking characteristics and influencing factors of crosslinking degree of encapsulation film are introduced，the influence of the crosslinking degree on the performance of PV modules is analyzed，and forecasts the future development direction and trend of the encapsulation film. Under the background of clear growth prospects of global PV power generation installed capacity，increased overall demand for PV modules and increased penetration，the market demand for PV module encapsulation film will continue to increase，and functional encapsulation film matching the new solar cell technology will continue to be developed.

Keywords：PV modules；encapsulation film；crosslinking degree；crosslinking mechanism；development trend