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        EVA封裝膠膜研究進展與發(fā)展趨勢

        2012-05-12 12:56:12江蘇愛康太陽能科技股份有限公司周先國韓繼昌康裾昆王永德
        太陽能 2012年9期
        關鍵詞:膠膜太陽電池組件

        江蘇愛康太陽能科技股份有限公司 ■ 周先國 韓繼昌 康裾昆 王永德

        中國科學技術大學核科學技術學院 ■ 張 軍

        一 引言

        近年來世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢,光伏組件的產(chǎn)量、安裝量都在不斷增加。2010年全球太陽電池產(chǎn)量約24GW,并網(wǎng)光伏系統(tǒng)安裝量累計將達到40GWp,光伏發(fā)電以其獨特的優(yōu)勢備受青睞[1,2]。世界各國都非常重視光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,目前美國、歐洲和日本等都制訂了中長期太陽能光伏發(fā)展計劃。按照這些計劃,到2020年全球光伏裝機容量將達到1000GW,其發(fā)電量將占總發(fā)電量的5%左右。隨著技術的進步,或許未來的實際進程還將超出這一規(guī)劃。

        表1 2010~2015年全球太陽能新增裝機容量與對應EVA膠膜市場需求量及預測

        圖1 2010~2015年全球太陽能EVA膠膜市場需求量與增長率及預測(EPIA)

        中國是世界上最大的太陽電池及組件的生產(chǎn)基地。2007年中國太陽電池產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一,到2010年產(chǎn)量達到10.7GW,已占據(jù)全球產(chǎn)量的半壁江山。我國涉及太陽能的生產(chǎn)企業(yè)也達到3000多家,從業(yè)人員多達百萬人,產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。從表1與圖1中可以看出,伴隨著世界和中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,太陽電池組件封裝材料EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)膠膜市場也得到快速增長,許多企業(yè)紛紛進入這一行業(yè)。本文將重點介紹近年來太陽電池EVA封裝膠膜的研究進展和未來發(fā)展趨勢。

        二 光伏組件的封裝

        光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分,其作用是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽電池若直接暴露于大氣中,其光電轉(zhuǎn)換效率易衰減,性能會大大降低。良好的電池封裝不僅可使組件的壽命得到保證,而且還可增強組件的抗擊強度。封裝流程在光伏組件生產(chǎn)中起著至關重要的作用,其封裝材料的選擇也顯得尤為重要。

        目前,除小功率(5W以下)的光伏組件表面采用環(huán)氧樹脂進行膠封外,對大功率的光伏組件,常見封裝結構如圖2所示,表面用透過率大于90%的玻璃,厚3mm,太陽電池的上、下兩層為抗老化的高分子聚合物(EVA膠膜),襯底用復合塑料膜(TPT塑料),五層材料經(jīng)層壓機高溫層壓后加上鋁合金框密封就得到完整的光伏組件[3]。上表面封裝材料也可用高分子薄膜來代替封裝玻璃,例如表面采用一層PET聚酯薄膜,襯底改為印制電路板加強其牢度,PET的透過率在85%以上,這種封裝模式可減輕光伏組件的質(zhì)量,并降低成本。同時,也有上下表面都用太陽能玻璃封裝,光伏組件與建筑材料相結合的光伏幕墻(BIPV)式封裝就是一種雙層玻璃結構,把光伏組件作為建筑的一部分,與整個建筑物融為一體,對建筑物既起到裝飾作用又達到了光伏發(fā)電的目的。

        光伏組件封裝方式雖稍有差異,但普遍采用的封裝膠膜都是高分子聚合物,目前主要是EVA膠膜。因高分子聚合物和太陽電池及其他材料的熱膨脹系數(shù)存在差異,會導致電池開裂、封裝材料的斷裂或與其他材料分離,因此封裝膠膜必須能包容組件中不同材料的熱膨脹系數(shù)差異,不會對太陽電池和其他材料有內(nèi)應力作用[4]。為達到此要求,封裝膠膜需具有很好的黏彈性。同時,為保證太陽電池可較好地利用太陽光,還要求封裝膠膜在太陽電池可利用光譜范圍內(nèi)具有良好的透光率。此外,從經(jīng)濟和實際應用考慮,封裝膠膜還應滿足的要求為:低成本、低吸水性和滲水率、良好的抗紫外線降解和熱氧化能力,從而為光伏組件室外應用提供物理隔離、電絕緣、抗老化等作用,提高組件的使用壽命[5~7]。

        三 EVA封裝膠膜及其工藝分析

        目前,市場上電池封裝材料普遍采用EVA膠膜。EVA 是乙烯與醋酸乙烯酯(VA)的共聚物,其結構如圖3所示。

        圖3 EVA聚合物結構式

        EVA 是一種熱熔性塑料,其性能與VA含量及熔融指數(shù)(MI)有關。當MI一定時,VA 的含量增高,EVA 的彈性、柔軟性、粘合性、透明性和溶解性提高;VA 的含量降低,EVA 則接近于PE(聚乙烯)的性能,剛性變大、耐磨及電絕緣性上升。當VA 含量一定時,MI增加,分子量降低,軟化點下降而加工性及光澤性改善,但強度低;反之MI降低,分子量增大,可提高耐沖擊性和應力開裂性[8,9]。目前太陽電池EVA封裝膠膜VA含量一般在30%~33%,是一種熱固性的膜狀熱熔膠,常溫下不發(fā)粘,便于操作。

        為滿足光伏組件25 年的使用年限要求,國際電工委員會和美國保險商實驗室等針對光伏組件出臺了IEC 61215及UL 1703 等測試標準,作為封裝材料的EVA膠膜必須滿足各方面的性能測試。為提高太陽能封裝膠膜的各方面性能,需在EVA 膠膜生產(chǎn)過程中添加各種助劑,如抗氧劑、光穩(wěn)定劑和增粘劑等。但添加助劑與層壓過程中殘留的交聯(lián)劑間的緩慢反應會導致生色基團的產(chǎn)生,從而使EVA 膠膜在長期使用過程中變黃,透光率降低。同時,EVA 成膜采用的是雙螺桿擠出機擠壓成型工藝,不同的EVA基料、EVA 膠膜的配方,選擇不同的擠壓溫度等生產(chǎn)工藝,對提高EVA膠膜的各方面性能至關重要。此外,除EVA膠膜本身的質(zhì)量外,在組件生產(chǎn)過程中層壓機的層壓工藝影響也非常大,如EVA交聯(lián)度不達標,EVA與封裝玻璃、背板粘結強度不夠,都會使光伏組件提早老化,影響組件使用壽命。因此,EVA化學組成,膠膜生產(chǎn)配方、結構和性能以及膠膜的應用條件等對光伏組件室外使用壽命、光電轉(zhuǎn)換效率的關系都需進一步系統(tǒng)研究[10,11]。

        四 國內(nèi)外研究進展

        各國學者和企業(yè)界人士都強烈意識到,太陽電池的封裝材料是提高光伏組件壽命、降低系統(tǒng)成本的一個關鍵因素。為推進光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,早在20世紀70年代,美國Jet Propulsion 和Springborn 實驗室就開始研究太陽電池封裝材料,國家可再生能源實驗室(NREL)的F.J.Pern 等在太陽電池封裝材料研制領域中也做了大量卓有成效的工作。在太陽電池封裝材料的發(fā)展過程中,如有機硅樹脂、環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物都曾被試用,但因成本、性能、施工方式等各種原因,都被淘汰或僅在小范圍內(nèi)應用。如PVB早在20世紀70年代就已開始用于太陽電池封裝材料,其抗紫外線老化、透明性、與玻璃粘接力以及存放時間(可長達4年,而EVA僅為6個月)都優(yōu)于目前應用最廣的封裝材料EVA,但因其成本較高、生產(chǎn)周期較長,現(xiàn)在也僅占有約15%的市場份額。

        目前,世界各地的光伏組件的生產(chǎn)商普遍采用EVA膠膜作為封裝材料。為進一步提高光伏組件使用壽命,促進光伏發(fā)電的推廣應用,發(fā)達國家己對光伏組件的封裝材料提出了長達30年壽命的研究目標,并為這個目標投入了大量的資金和人力。然而,目前的EVA封裝材料還難以達到這一要求。

        我國在20世紀80年代后期開始引進太陽電池生產(chǎn)線,同時從美國進口封裝膠膜。EVA膠膜市場一直被國外化工巨頭(杜邦、三井化學、普利司通等)壟斷,我國的EVA膠膜生產(chǎn)只能滿足部分光伏組件企業(yè)的需求,國內(nèi)市場存在較大缺口。為改變每年進口封裝材料的被動局面,國家科委將EVA膠膜國產(chǎn)化列入“八五”攻關計劃。為實現(xiàn)EVA 膠膜國產(chǎn)化,很多科研單位于20世紀80年代后期都開始EVA封裝膠膜的研究。浙江省化工研究院于20世紀80年代后期開始研發(fā),1998年成功研制JME型EVA膠囊,其透光率、粘接強度、交聯(lián)度等性能指標基本達到進口產(chǎn)品水平,隨后建成了國內(nèi)第一條自控程度較高的EVA膠膜生產(chǎn)線,能夠年產(chǎn)幅度達1m以上的EVA膠膜30萬m2。后又將第二代快速固化膠膜推向市場,現(xiàn)年產(chǎn)能力100余萬m2。

        隨著我國自主研發(fā)生產(chǎn)能力的增強,國內(nèi)產(chǎn)品也漸漸有所展露,如杭州福斯特熱熔膜有限公司、深圳市斯威克科技有限公司、溫州瑞陽光伏材料有限公司、廣州鹿山新材料股份有限公司、江蘇愛康太陽能科技股份有限公司、臺灣塑膠工業(yè)股份有限公司等企業(yè)都相繼進入EVA膠膜的研發(fā)與生產(chǎn)行列,并且生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展迅速。而國內(nèi)EVA膠膜的生產(chǎn)原材料供應商也有北京有機化工、北京華美、南京揚巴石化、燕山石化、四川維尼綸廠等企業(yè)。其中,杭州福斯特可以說是國內(nèi)EVA膠膜企業(yè)高端產(chǎn)品的代表者,2010年杭州福斯特的銷售額超過3億元,凈利率超過20%。成立于2006年的溫州瑞陽光伏材料有限公司可以說是后起之秀,2009 年8 月,中國可再生能源學會光伏專業(yè)委員會召開光伏組件用高性能EVA膠膜評審會。經(jīng)討論認定,由溫州瑞陽光伏材料有限公司和杜邦公司合作研制的“瑞福REVAX”EVA 膠膜性能達到國際先進水平,產(chǎn)品分別經(jīng)1000h紫外老化、熱老化和濕熱老化試驗后,黃變指數(shù)均小于2[12,13]。此外,國內(nèi)很多高校及科研機構也對EVA封裝膠膜行了相關研究,如華東理工大學、華南理工大學、中國科學技術大學和南京大學等也相繼開展了相關科研項目。國內(nèi)科研機構及企業(yè)在EVA膠膜研發(fā)方面申請國家發(fā)明專利和實用新型專利多達幾百個。可見,國內(nèi)太陽能EVA封裝膠膜的研發(fā)實力與產(chǎn)品質(zhì)量都在不斷提升。

        五 未來發(fā)展趨勢

        長期以來,中國光伏產(chǎn)業(yè)“兩頭向外”的特征明顯,一頭產(chǎn)業(yè)鏈上游的硅料和硅錠生產(chǎn)等高端原材料和技術需從國外進口,另一頭產(chǎn)業(yè)鏈下游的光伏應用產(chǎn)品主要銷往國外。光伏行業(yè)排名前五名企業(yè)幾乎90%以上的產(chǎn)品都是用于出口國外,而上游的硅料和硅錠生產(chǎn)也在很長時間依靠國外的技術,對國際市場依賴性大,受國際原材料價格影響也很大。最近歐洲各國相繼宣布將下調(diào)2012年的光伏補貼,美國商務部也正式宣布對中國出口美國的太陽電池(組件)發(fā)起反傾銷和反補貼調(diào)查。加上光伏產(chǎn)品價格持續(xù)深跌,國內(nèi)很多光伏企業(yè)將可能出現(xiàn)破產(chǎn)或者大幅度虧損,光伏產(chǎn)業(yè)的“冬天”已經(jīng)來臨。

        不過,通過光伏企業(yè)的產(chǎn)業(yè)整合及國內(nèi)光伏市場的不斷開拓,很多業(yè)內(nèi)人士仍看好光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景,光伏產(chǎn)業(yè)的春天很快會來臨。根據(jù)相關機構測算,2020年世界光伏系統(tǒng)累計裝機容量設置為200GWp,這就需要高性能EVA 封裝膠膜約30億m2。所以太陽電池EVA封裝膠膜仍然有廣闊的市場前景?,F(xiàn)在國內(nèi)EVA 封裝膠膜在產(chǎn)品質(zhì)量上與國外產(chǎn)品相比還有一定差距,知名太陽電池廠家如無錫尚德、浙江昱輝、江蘇CSL、天合光能、江蘇韓華、河北晶澳、中電光伏、江西塞維等在海外上市企業(yè)所需膠膜還是以進口為主。進口EVA膠膜的價格是國產(chǎn)膠膜的幾倍,要打開國內(nèi)EVA封裝膠膜市場,產(chǎn)品國產(chǎn)化已成為必由之路,發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的高性能EVA 封裝膠膜將是未來國內(nèi)發(fā)展的整體趨勢,廣闊的市場前景也必然能帶動國內(nèi)EVA封裝膠膜的研發(fā)熱潮。

        一方面目前EVA封裝膠膜主要的原材料供應商在國外,主要依靠進口,可能會面臨原材料短缺和EVA封裝膠膜市場快速增長的矛盾,所以要加強EVA高分子母粒合成和EVA膠膜的改性方法的研究,從原材料和生產(chǎn)技術上提高國內(nèi)EVA膠膜的質(zhì)量。另一方面,尋找可替代EVA封裝膠膜性能更優(yōu)越的新材料也是一個研究熱點。例如拜耳材料科技公司曾成功開發(fā)出一種耐光熱塑性聚氨酯,利用這種聚氨酯制成太陽能封裝膠膜,可減少膠粘過程,縮短生產(chǎn)周期;另外這種封裝膠膜封裝后可重新熔融,很方便地更換壞掉的組件,使太陽電池可重復利用。杜邦公司也在研發(fā)一種新型太陽電池封裝材料,以Surlyn樹脂為主要原料,它也是一種熱塑性樹脂,具有高透明、優(yōu)良的耐候性能等特點,也有可能取代EVA 封裝膠膜[14,15],所以,國內(nèi)也應該加強EVA封裝膠膜可替代新材料的研發(fā)。此外,隨著市場的不斷細分,滿足個性化需求的太陽能封裝材料是一個發(fā)展趨勢,例如根據(jù)太陽能組件不同地區(qū)應用溫度、濕度等差異,應用不同配方的太陽能EVA封裝材料,從而提高組件使用穩(wěn)定性。當然,加強企業(yè)與科研院所及高校的技術合作,采用產(chǎn)學研相結合的模式使EVA研發(fā)方面的新材料、新配方、新技術快速進行產(chǎn)業(yè)化也是一個發(fā)展趨勢。例如廣州鹿山新材料股份有限公司就與中國科學院廣州能源研究所、華南理工大學聯(lián)合開發(fā)太陽電池用EVA封裝膠膜,目前在企業(yè)建立了國家級博士后科研工作站。江蘇愛康太陽能光伏材料研究所聘請了游效曾院士為愛康研發(fā)中心首席顧問,加拿大阿爾伯特大學、日本高知大學張發(fā)饒博士為愛康研發(fā)中心首席科學家,與國家級實驗室共建實驗平臺,與知名院校共建產(chǎn)學研基地,致力于光伏組件專用EVA膠膜的研究和發(fā)展。

        六 結語

        太陽電池EVA封裝膠膜雖然在整個光伏組件系統(tǒng)中所占比重不大,但它的作用卻非常重要。EVA封裝膠膜的性能直接決定了太陽組件的使用效率及壽命。因此,隨著太陽電池技術的發(fā)展,市場的需求不斷增加,對新型EVA封裝膠膜的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化勢在必行、迫在眉睫。國內(nèi)需要加大新產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程,快速發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的高穩(wěn)定性、可靠性、耐用性的高性能EVA 封裝膠膜。

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