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 712000）

光伏組件封裝用EVA膠膜的研究進展

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 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)域以及最新研究進展，并對今后的發(fā)展方向和趨勢進行了展望。

光伏組件；封裝；EVA膠膜；應(yīng)用

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

太陽能發(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。常見光伏組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，即通過乙烯-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)沙和灰塵時會嚴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，不僅可以提高整個光伏組件的使用壽命，同時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，中國全年的光伏發(fā)電新增裝機容量超過34 GW，累計光伏裝機總量達到77 GW，新增和累計裝機容量均為世界第一。到2020年，我國的光伏發(fā)電裝機總量將達到150 GW以上，這意味著未來幾年光伏封裝用EVA膠膜的市場將超過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到25年，這就對光伏組件封裝用材料提出了非常苛刻的要求。在光伏組件的研制初期，科學(xué)家們曾采用有機硅樹脂、環(huán)氧樹脂、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，這些材料最后都沒有被采用。

EVA樹脂的力學(xué)、耐熱、耐候和透光性都與EVA樹脂的相對分子質(zhì)量（Mr）和醋酸乙烯酯（VA）的含量有關(guān)。通常情況下，當EVA樹脂的Mr一定時，VA含量越大，EVA樹脂的透光率越高，粘接性能和剝離強度就越大；當EVA樹脂中VA含量一定時，Mr越低，EVA樹脂的流動性和加工性就越好，但其粘接強度和剝離強度會有所下降。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樹脂均勻混合后，經(jīng)過混煉塑化、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膠膜無粘性、半透明，在光伏組件層壓過程中，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，因此已成為當今應(yīng)用相對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，越來越多的科研工作者通過改善EVA膠膜的導(dǎo)熱性能，從而實現(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，拉伸強度提高了4.3%～5.8%，剝離強度略有下降；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，拉伸強度和剝離強度均出現(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，同時研究了MgO對復(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MgO的填充量低于50%時，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樹脂中，如圖2（a）所示，MgO可以促進EVA膠膜交聯(lián)反應(yīng)的快速進行，提高整個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，從而提高MgO/EVA功能復(fù)合膠膜與光伏玻璃的剝離強度；反之，在高填充情況下，大量的MgO對交聯(lián)劑產(chǎn)生的吸附作用會降低EVA膠膜的交聯(lián)度，同時MgO在EVA樹脂中會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，如圖2（b）所示，造成整個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ZnO的添加量低于20%時，ZnO對EVA的自由基交聯(lián)反應(yīng)起到了活化促進作用，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度有所提高；同時ZnO/EVA復(fù)合膠膜的拉伸強度和斷裂伸長率無明顯變化。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對四針狀ZnO晶須（T-ZnOw）進行表面處理，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KH570處理后的紅外（FT-IR）譜圖。從圖4可以看出：TZnOw經(jīng)過KH570處理后，T-ZnOw在2 921 cm-1和2 850 cm-1處出現(xiàn)了亞甲基的非對稱和對稱伸縮 振 動 峰 ，在1 463 cm-1和 1 635 cm-1處 出 現(xiàn)了羰基的伸縮振動峰以及C＝C雙鍵的伸縮振動 峰 ，在1 382 cm-1和 1 076 cm-1處 出 現(xiàn) 了C—O鍵的伸縮振動峰和Si—O鍵的非對稱伸縮振動峰，由此表明，KH570已成功連接在TZnOw表面。T-ZnOw經(jīng)過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。這是因為KH570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KH570與EVA分子鏈可以有效纏和，從而進一步增加了T-ZnOw與EVA樹脂間的界面結(jié)合，減少了界面缺陷。當EVA樹脂加熱發(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膠膜的研究進展

薛涵與等[11]采用納米二氧化硅（SiO2）負載交聯(lián)劑TBEC（叔丁基過氧化碳酸-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膠膜的固化動力學(xué)和流變學(xué)。研究表明，納米SiO2負載的方法可以使TBEC的表觀活化能從136.7 kJ/mol降低至126.8 kJ/mol，納米SiO2負載TBEC的交聯(lián)峰與純TBEC的交聯(lián)峰向短時間方向移動，由此表明，納米SiO2負載可以有效提高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膠膜之透過率達到了93%以上，其對300～400 nm紫外光波段的透過率不超過5%，黃變指數(shù)不超過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]通過在EVA樹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樹脂的陷阱能級和空間電荷分布，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離子在外加電場的作用下富集到光伏電池表面形成的反向電位差導(dǎo)致的電勢誘導(dǎo)衰減（PID）現(xiàn)象的發(fā)生。

余鵬等[14]通過在EVA樹脂中加入快速引發(fā)劑（如，過氧化二苯甲酰、特戊基過氧化-2-乙基乙酯和光氧化甲基異丁酮等）和慢速交聯(lián)劑（如，叔丁基過氧化二異丙苯、叔丁基過氧化乙酯酸和叔丁基過氧化碳酸-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EVA膠膜具有反應(yīng)速率較快、反應(yīng)溫度較低等特點。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，而且不會出現(xiàn)定位膠帶鼓泡、電池片移位、缺膠和焊帶發(fā)黃等問題。

4 展望

目前，我國的光伏產(chǎn)業(yè)已達到了世界領(lǐng)先水平，光伏組件封裝用EVA膠膜質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[15，16]。本研究對光伏組件封裝用EVA膠膜的研制現(xiàn)狀進行了簡要介紹，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，以此帶動我國光伏組件封裝用EVA膠膜研制的技術(shù)水平得到快速提高。

為了早日實現(xiàn)光伏發(fā)電平價上網(wǎng)，也為了給后人留下一個更好的生活環(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，從而助力我國光伏產(chǎn)業(yè)進一步健康快速發(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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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。