光伏組件封裝EVA的濕熱老化研究

張增明，唐景，呂瑞瑞，林杰，彭麗霞，傅冬華

(阿特斯陽光電力科技有限公司測試中心，江蘇 常熟，215562)

光伏組件封裝EVA的濕熱老化研究

張增明，唐景，呂瑞瑞，林杰，彭麗霞，傅冬華

(阿特斯陽光電力科技有限公司測試中心，江蘇 常熟，215562)

對光伏組件封裝EVA膠膜的濕熱老化進行了研究，采用FT－IR法對濕熱老化中的EVA進行測試和分析。實驗結果表明，在濕熱老化過程中，EVA發生了水解反應，產生乙酸，提高溫度和相對濕度均會加快水解;EVA吸水率越高，越容易發生水解。

EVA;濕熱老化;FTIR;光伏

作為光電轉換的光伏組件需要在戶外使用25年，長期暴露于光、熱、氧、水等復雜環境中，這就要求組件材料具有良好的耐候性。組件各材料中，起封裝作用的EVA(乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物)，綜合性能良好，是目前光伏組件中最常用封裝材料，但是該材料自身化學結構不穩定，所以耐老化性能相對較差，雖然在EVA膠膜中添加了紫外吸收劑、紫外光穩定劑、抗氧化劑和交聯劑等各種不同的添加劑來提高其耐老化性能，但是仍有很多不足，在使用過程中常出現黃變、脫層、氣泡、腐蝕電極等現象，嚴重影響組件的性能和使用壽命，所以必須克服這些缺陷，要克服這些缺陷就必須對EVA的使用和老化過程進行深入研究，特別是EVA的老化機理研究，目前文獻中多數報道的是關于EVA在紫外照射下的老化，老化機理是Norrish TypeⅠ和Norrish TypeⅡ［1～4］，如圖1所示。在實際使用中，組件除了暴露在紫外照射下之外，還會暴露于高溫高濕、低溫、高低溫交替等較惡劣環境中。高溫高濕環境對EVA的性能影響很大，長期暴露于這樣的環境下的EVA會出現氣泡、發黃、脫層等現象，大大降低組件的電性能，甚至造成組件完全失效，耐濕熱老化性能是EVA的一項重要指標，目前文獻中還沒有關于EVA濕熱老化的系統研究報道。本實驗采用傅立葉紅外光譜技術，對光伏組件在濕熱老化過程中的常見現象進行了研究，通過測試和分析老化前后EVA的結構變化，進而推斷EVA的濕熱老化機理及其對組件性能的影響，為組件的生產提供實際指導意義。

圖1 EVA在紫外照射下的老化機理Fig.1 The aging mechanism of EVA under UV irradiation

1 實驗部分

1.1 主要原材料

國產某EVA膠膜(1#)和進口某EVA膠膜(2#)、背板、玻璃。

1.2 主要儀器

傅立葉紅外光譜儀、濕熱老化箱。

1.3 試驗方法

濕熱老化試驗:將組件或自制小層壓樣件(玻璃/EVA/EVA/背板)放入一定條件的濕熱箱中進行老化，每隔一段時間后取出，去除玻璃和背板后，采用傅立葉紅外光譜ATR法分別對EVA的上下面(即與玻璃和背板粘結面)進行測試。

吸水率測試:將EVA膠膜放入23℃的水中浸泡24小時，測其浸泡前后質量變化率［5］。

1.4 測試分析

FT－IR測試:ATR法，NICOLET Is10型傅立葉紅外光譜儀

2.結果與討論

2.1 光伏組件濕熱老化后EVA的紅外分析

圖2 DH1000h后組件中EVA的紅外光譜圖曲線1—老化前EVA;曲線2—DH1000后與背板粘接的EVA;曲線3—DH1000后與玻璃粘接的EVAFig.2 FT－ IR of EVA after DH1000h curve 1 the initiative EVA;curve 2 the EVA adhesive with backsheet;curve 3 the EVA adhesive with glass

將一塊組件放入85℃，相對濕度85%的濕熱箱中進行濕熱老化1000小時(DH1000h)后，發現組件中的EVA明顯變黃，玻璃與EVA粘接界面出現氣泡，與玻璃和背板的粘接強度明顯下降。去除玻璃和背板后，對剩下的電池片正反兩面的EVA(即分別與玻璃粘接和與背板粘接的EVA)進行紅外ATR法測試，結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，經過濕熱老化以后，組件中的EVA在3400cm－1處出現明顯的羥基吸收峰，且在1561cm－1處出現乙酸的特征吸收峰［6］，說明EVA已經部分水解，產生部分醇羥基，并產生一定量的乙酸，水解過程如圖3所示。

圖3 EVA濕熱老化水解機理Fig.3 The hydrolysis mechanism of EVA

組件內EVA水解產生的乙酸不但會腐蝕玻璃［7］和背板，破壞EVA與玻璃和背板的粘接，導致粘接強度下降，還會腐蝕電極和焊帶［8］，嚴重影響組件的電性能。所以EVA的水解對組件危害很大。從圖2中還可以看出，經過濕熱老化1000小時后，與玻璃和背板粘接的EVA水解程度不一樣，與玻璃粘接的EVA水解更嚴重些，采用水平基線法分別測定羥基吸收峰和乙酸特征吸收強度，結果如表1所示。

表1 組件DH1000h后EVA的羥基和乙酸特征吸收峰高度Tab.1 The absorption strength of hydroxyl group and acetic acid after DH1000h

上述結果說明，與玻璃粘接處的EVA較與背板粘接處的EVA水解更明顯，而我們傳統觀點認為水汽主要通過背板進入組件，實驗結果與傳統觀點相違背，為此我們進行了更細致的實驗。

2.2 小樣件濕熱老化后的EVA的紅外分析

1#、2#兩種EVA制成的小樣件濕熱老化后，去除玻璃和背板，分別對與玻璃和背板粘接的EVA進行紅外測試，采用基線法得到羥基吸收峰強度，結果如圖4所示。

圖4 羥基吸收峰高度與濕熱時間的關系注:樣件為“玻璃/EVA/EVA/背板”層壓試件Fig.4 Relation between hydroxyl group strength and aging time

從圖4中可以看出，隨著老化的進行，羥基吸收峰越來越強，說明隨著濕熱時間的延長，EVA水解越來越嚴重;同種型號EVA制成的樣件，經過濕熱老化后，與玻璃粘接的EVA較背板面EVA水解程度高，這也進一步證實了上述組件濕熱老化后的現象，也就是說光伏組件在濕熱環境中，與玻璃粘接的EVA更容易水解。這可能是因為作為無機材料的玻璃表面具有良好的親水性，水汽從組件邊緣滲入玻璃與EVA的粘接面，并逐漸往內部擴散，滲入的水汽又不能透過玻璃跑出，水汽逐漸富集，導致EVA與玻璃的粘接強度下降和EVA水解。由于水汽不能透過玻璃進入組件，進入玻璃與EVA粘接處的水汽主要是通過組件邊緣逐漸滲入，這就要求組件在裝框時的密封劑具有良好的隔水汽性能，從而抑制水汽進入組件。

從圖4中還可以看出，同樣是玻璃面粘接處或背板面粘接處，2#EVA的羥基吸收鋒較1#EVA強很多，說明2#EVA更容易水解，尤其是與玻璃粘接處，水解程度很高，說明該EVA耐濕熱性很差。圖5是2#EVA樣件經過不同濕熱老化時間后，與玻璃粘接處EVA的紅外光譜圖。

從圖5中可以很直觀看出2#EVA水解嚴重，除了出現明顯的羥基吸收鋒外，經過200小時的濕熱老化，在1561cm－1處出現了乙酸特征吸收峰，并且隨著時間的延長，該特征吸收鋒越來越高，也就是產生的乙酸越來越多。充分說明2#EVA耐濕熱老化性能較差，經過研究發現，這可能是該EVA含有較多的親水物質，導致其吸水率較高，進而更容易水解。表2是兩種EVA膠膜的吸水率和水溶物含量。

圖5 與玻璃面粘接處的2#EVA在不同濕熱時間下的紅外光譜圖Fig.5 FT－ IR of 2#EVA with different aging time

表2 兩種EVA吸水率Tab.2 Absorption rate of EVA

2.3 影響EVA水解因素

按背板/EVA/EVA/背板制成小樣件，放入加速濕熱老化箱中進行加速濕熱老化，然后剝離背板，對其中EVA進行紅外測試，計算各條件下的水解羥基吸收峰的強度，如表3所示。

表3 加速濕熱老化EVA羥基吸收峰強度Tab.3 Hydroxyl group absorption strength under different condition

從表3中可以看出，同樣在105℃和90%的相對濕度下，老化48小時后的羥基吸收峰強度較12小時的大;105℃，48小時下，相對濕度越大，羥基吸收峰強度也越大;在相對濕度為95%，48小時下，溫度越高，羥基吸收峰強度越大。說明增加濕度和溫度均會加快EVA的水解，延長老化時間，EVA水解程度變大。

3 結論

(1)EVA經過長時間的濕熱老化試驗，其中的醋酸乙烯酯會發生水解反應，放出乙酸;

(2)組件在濕熱老化過程中，水汽會從邊緣逐漸滲入，導致玻璃粘接處的EVA更容易水解，應在組件生產中采取適當措施抑制水汽從組件邊緣滲入組件內部;

(3)吸水率高的EVA膠膜更容易水解，應使用吸水率較低的EVA膠膜;

(4)提高環境溫度和相對濕度均會加速EVA的水解反應。

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Study on the Damp Heat Aging of EVA for Photovoltaic Module Encapsulation

ZHANG Zeng-ming，TANG Jing，LV Rui-rui，LIN Jie，PENG Li-xia，FU Dong-hua
(CSI Photovoltaic Test Laboratory，Changshu 215562，Jiangshu，China)

The damp heat aging of EVA for Photovoltaic module encapsulation was studied with FT－IR technology.The results indicate that the EVA in the module hydrolyze during the damp heat aging，and bring about acetic acid，raise the temperature and humidity will accelerate hydrolysis，and the EVA with higher water absorption rate may hydrolyze easier.

EVA;damp heat aging;FTIR;photovoltaic

TK514

2011－04－28