光伏組件封裝材料的研究進展

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行串聯、關聯連接后再進行密封處理，將光伏電池片與鋼化玻璃、背板密封粘結，防止光伏電池與外界環境接觸，雨雪、灰塵等無法進入到組件內部。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、背板相互間進行緊固粘結；（3）具備良好的抗老化性能、抗腐蝕性能和較高的機械強度；（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]。當前，光伏組件生產所采用的封裝材料有聚烯烴、乙烯-醋酸乙烯共聚物、有機硅等材料，光伏市場的持續增長帶動了封裝材料需求緊張，經常存在著封裝材料供應短缺問題，封裝材料不斷向著新型材料方面發展，對組件效率、穩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及學術研究情況進行分析與論討。

1 聚烯烴

對烯烴類及相應衍生物進行聚合處理或共混反應，可以形成良好的聚烯烴熱塑性材料，有著很好的穩定性，體積電導率高、水汽透過率低[2]。利用該材料對光伏組件進行封裝，如果運行在高溫環境下不會產生較大的漏電流，材料老化進程中不會形成醋酸，避免光伏組件電極、導線受到腐蝕。陶氏公司最早在市面上推廣應用聚烯烴材料，Escalante等學者把該材料應用于光伏組件封裝生產線，通過對光伏組件電勢誘導衰減效應進行大量的測試發現，采用該材料進行封裝可以避免光伏組件產生PID效應[3]。洪利杰等學者采用POE作為基體，采用硅烷偶聯劑來改進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%，沒有達到傳統乙烯—醋酸乙烯共聚物光伏組件封裝效果。石俊杰等學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、抗老化性能進行研究，紅外光譜分析下發現添加抗氧化劑可以有效避免POE自我氧化[4]。當前，光伏組件封裝所采用的聚烯烴有交聯型、非交聯型兩類，交聯型材料有應用時需要加入數量較多的關聯劑，進行層壓處理時存在形成氣泡的可能性。非交聯材料在使用老化時抗熱蠕變性并不理想。為了優化改進聚烯烴封裝材料性能，徐曉龍等學者研發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性能，可以解決封裝時產生氣泡及抗熱蠕變性差的問題，加工處理更易于控制[5]。陽志榮等學者研發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性能，熔化溫度較低，組裝施工更為便利，在光伏封裝行業使用已經超過20年。但在長時期的使用過程中，會受到陽光中紫外線照射而導致鏈斷裂問題，會加快EVA材料的老化。受到環境高溫條件和氧氣的共同作用，EVA材料在進行降解時會形成烯酮結構，會導致EVA材料發黃變色，會減小光伏組件透光率，光電轉化效率會相應降低。除此之外，EVA材料分解過程中形成的乙酸氣體也會對光轉換效率和使用年限受到影響。所以，加強對EVA材料改性研究具有很高的現實意義，ALLEN等學者對該材料中添加不同類型的抗氧化劑，設置不同的材料組合方式來對熱氧老化影響進行深入分析，研究中發現酚類主抗氧劑3144、1010以獨立組分進行應用時，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行優化改進，研究結果發現EVA材料阻燃性能、抗老化性能都得到一定程的提高。國內的李海波等學者采用KH-570、AA、MMA材料分別用于接技單體，來對EVA材料進行優化改進，從實驗研究結果中發現，應用KH-570材料進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等學者通過研究發現，EVA材料中添加兩種結構類型不同的有機配合物都可以提升光電輸出功率[8]。

3 有機硅

無機硅-氧鍵存在于有機硅材料主鏈中，側基以硅和有機基團進行連接。該材料有著很獨特的分子結構式，鏈中存在有機基團和無機結構，上述獨特結構式可以抵擋氧氣、紫外線滲透到內部。因此，有機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性能。PDMS為應用廣泛的有機硅材料，已經得到國內外很多光伏電池制造企業的重視。龐文鍵等學者研發出的PDMS材料具備良好的粘結性能，強度、彈性、耐候性都很好，在紫外照射、高溫高濕、鹽霧環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等學者都對EVA、PDMS兩種材料具備的抗濕熱、抗紫外線、抗老化性能進行了對比分析，從大量的實驗結果中發現，PDMS材料中吸濕率遠小于EVA，但透光率卻超過EVA。但是，有機硅封裝材料生產成本比較高，生產工藝中采用的高性能設備和特殊技術，會使該材料應用范圍變窄。當前，有機硅封裝多用于對質量要求高的應用場合，例如，在太空航天器應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行縮合反應生成聚合物，該物質一般情況下呈現為白色、微黃色粉末，具有很好的化學穩定性、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的PV5 200、PV5 300聚乙烯醇縮丁醛封裝材料，可以高效率地生產出封裝模塊，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雜，需要較高的生產成本，在進行層壓處理時會存在蠕變問題。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，王俊武等學者應用新型混合分配機來制作聚乙烯醇縮丁醛材料，在進行制備時添加聚乙烯醇-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，可以減少反應時間和提升制備效率。朱曉亮等學者的研究發現，聚乙烯醇縮丁醛材料中加入合適數量的抗氧化、紫外穩定劑，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等學者制取了聚乙烯醇縮丁醛/石墨烯復合材料，對用于光伏組件封裝具備的導熱性進行分析發現，如果添加的石墨烯為30%，該復合材料熱導率會達到聚乙烯醇縮丁醛材料的20.55倍，如果光伏組件運行溫度低于70 ℃，該復合材料有著更好的熱穩定性。

5 環氧樹脂

環氧樹脂材料有著很好的機械強度和粘結性能，具備耐腐蝕性、高透光率等特性，是進行光伏組件封裝的常用材料。王艷紅等學者將該材料應用于光伏電池封裝并設出相應結構，可以滿足高溫條件下的光伏發電需要。由于環氧樹脂材料不具備很好的密封性，長時期受到太陽光照會出現老化發黃問題，會導致光電轉換效率下降，需要加強對環氧樹脂改性方面的研究。朱桂林等學者對環氧樹脂材料中添加EVA、硫酸銨、丙烯—丙烯酸羥乙酯共聚物進行改性研究，可以有效提高耐候性能、戶外粘結性。除此之外，還可以降低封裝材料對透光率的不良影響，光電轉換率和使用年限都得到提高。Pellegrino等學者為防止氧氣滲入光伏組件內部，加入POSS材料來對環氧樹脂進行改性，可以提高環氧樹脂材料耐熱耐氧化性能。范斌等學者采用石墨烯材料對環氧樹脂進行改性研究，添加足夠數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、氧氣進入到光伏組件內部，起到很好的保護效果，有利于提高使用壽命[10]。

6 結語

當前，光伏組件封裝所采用的材料在應用方面都具有一定局限性，將來的封裝材料研究應該側重于以下方面：（1）加強對新型高性能封裝材料的研發，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，需要對復合型、混合型材料加大研發力度，可以更好地滿足使用環境對材料性能要求；（3）加強對制備工藝和材料設計等方面的研究力度，有利于推進光伏組件封裝材料的應用與推廣。隨著國家對光伏扶貧項目的持續推進，大量的光伏組件應用于光伏發電站和分布光伏項目中，研發出具有高性能光伏組件封裝材料，可以有效提高光電轉換效率，進一步降低發電成本，在光伏發電行業具有良好的應用前景。