光伏組件EVA封裝膠膜的抗PID改性研究進展

韓 菲 魏瑞平* 張 亮 肖國民 張理想 高李璟 張 進

(1.東南大學 化學化工學院，江蘇 南京 211189；2.常州百佳年代薄膜科技股份有限公司，江蘇 常州 213176)

當今社會發展的主要問題是能源問題，從自然資源中獲取能源在全球能源供應中占據重要地位。能源問題包括兩方面：能源短缺與環境污染，為了解決這兩方面的問題，提高能源的利用率以及尋找新的替代能源是目前比較切實可行的方案。清潔的可再生能源，如太陽能、風能、潮汐能、地熱能、生物質能等得到了廣泛關注。各種可再生能源的發展利用被認為是解決能源問題的有效途徑。所有可再生能源中，太陽能被認為是最清潔、環保、長久的。太陽能利用的重要環節就是開發一種環境污染極低的太陽能系統，其中光伏太陽能系統因其對環境的低影響而成為最有前途的系統之一[1]。

盡管長期以來光伏太陽能系統在現場條件下非常可靠，退化率和故障率較低，但仍然容易受到腐蝕和分層等故障的影響。在常見的可靠性問題中，光伏組件的電勢誘導衰減效應(PID)備受關注，原因是PID效應會導致現場條件下光伏組件發生災難性故障。2010年Pingel等人[2]提出了PID一詞，光伏組件的PID效應被定義為太陽能電池和光伏模塊框架之間施加高電壓而引起的功率退化[3]。晶硅光伏組件的構成如圖1所示。PID效應不僅會導致光伏組件的衰減，還會導致晶硅太陽能組件的失效，在實際生產應用中會造成不可逆轉的損失，對產能有巨大影響。PID效應已被證明在雙面光伏組件和系統中會引發嚴重的功率衰減和快速斷電問題[4]，因此它被認為是最嚴重的故障模式之一。

圖1 晶硅光伏組件結構圖

1 PID效應

1.1 PID效應產生的原因

引發PID效應的原因較為復雜，主要包含以下幾方面[5-9]：光伏電站模塊框架的接地安裝方式使得太陽能電池與地面之間產生高電位；溫度、濕度、電壓、光照、玻璃表面的接地條件等外部條件；模塊有無框架；光伏組件所包含玻璃、封裝膠膜、電池片、背板等組件材料的實際應用中，引發的不同程度Na+移動。晶硅電池主要有n型和p型兩種，n型電池中硅片摻雜磷使電池帶負電，PID效應的原因是增透膜的表面極化；p型電池中硅片摻雜硼使電池帶正電，PID效應的原因是p-n結中Na+的漂移和擴散。

1.2 PID效應現有的解決方法

受限于使用場景及現有安裝技術，已有組件抗PID性能的改善主要基于光伏組件本身。n型晶硅太陽能電池的PID效應可以通過使用鈍化層來降低介電常數提高電導率，從而提高抗PID性能。p型晶硅太陽能電池的PID效應可以通過降低Na+遷移率提高組件抗PID性能。目前報道的改性研究主要從組件、模塊和系統三個層面開展。組件層面[10-12]：可以通過改變硅片的電阻率、N/Si比、太陽能電池表面抗反射層的厚度和均勻性來提高太陽能組件的抗PID性能。模塊層面：通過在玻璃表面添加抗PID涂層；優化乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)中醋酸乙烯酯(VA)的含量和各種添加劑的比例以提高封裝膠膜的體積電阻率；使用體積電阻率更高的封裝材料(聚烯烴等)。系統層面：隨著光伏電站規模的不斷擴大，需要增加串聯太陽能組件的數量，減少逆變器的使用，在太陽能發電系統中選擇合適的接地極也是PID的可能解決方案之一。針對p型晶硅光伏組件(后文稱光伏組件)，阻止Na+漂移及擴散是提高組件抗PID性能研究的出發點。

2 光伏組件封裝材料

2.1 封裝材料的作用

作為光伏組件的重要組成部分，封裝材料的主要作用有[13]：在制造、搬運、儲存、安裝和操作中保護組件并在模塊設計布局中提供太陽能電池的結構支撐；保持太陽能電池和玻璃之間的良好粘合，避免氣體、水汽的進入和液態水的積聚，從而提供防腐蝕保護；保護運行環境中的電路，使其免受潛在的侵蝕性和退化性因素的影響；在光伏模塊的工作壽命內，實現并保持太陽能電池和電路元件之間的電絕緣；具備光傳輸和透光率的屬性。

2.2 封裝材料的分類

光伏組件封裝材料根據其封裝形式的不同可以分為兩大類[13-15]：封裝膠與封裝膜。常見的封裝膠有環氧樹脂膠、有機硅膠、紫外線光固化膠以及丙烯酸樹脂膠等。封裝膜有EVA、聚乙烯醇縮丁酸、聚氨酯薄膜及其它封裝膜。各類封裝材料因其材料、性能、成本等的不同有各自的應用領域。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是光伏組件的第一代密封劑，具有優異的熱穩定性和紫外線穩定性。由于生產成本高，PDMS已被更便宜的封裝材料取代，例如EVA、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、熱塑性聚烯烴(TPO)、熱塑性聚氨酯(TPU)、甲基丙烯酸等。

3 EVA封裝膠膜

3.1 PID效應與EVA封裝膠膜的關系

組件封裝常用封裝材料中，EVA在高熱高濕條件下的性能衰減較顯著，PVB、TPO略好。但對光伏組件而言，PVB、TPO價格較高，因此EVA是目前應用最廣泛的封裝材料，約占封裝材料市場的80%[16]。EVA封裝膠膜的穩定性受環境影響較大，特別是紫外線、紅外線輻射和濕度。EVA封裝膠膜老化引起的失效模式歸納為三種：變色、分層和腐蝕。EVA封裝膠膜的老化會由于變色(黃變、褐變)而導致光學解耦，隨之而來的是功率損失、附著力下降、分層以及由醋酸產生的金屬件腐蝕。EVA封裝膠膜老化脫乙酰反應生成醋酸，如圖2所示[13,17]，從而降低了膜的酸堿度并加快了組件表面腐蝕的速度；老化產生的酸根離子引起玻璃層Na+的遷移，進而誘發PID效應[13,16,18]。

圖2 EVA脫乙酰反應

3.2 EVA封裝膠膜抗PID改性研究進展

針對Na+遷移誘發晶硅組件PID效應的機制，EVA封裝膠膜抗PID改性主要包含兩個層面：第一，抑制EVA老化；第二，降低EVA封裝膠膜內部離子遷移率以阻止Na+遷移引發的PID效應。針對前者，可通過改性研制高性能的抗老化EVA封裝膠膜；針對后者，因為高體積電阻率的EVA封裝膠膜意味著膜中的離子遷移率很低，可以通過提高體積電阻率來緩解因絕緣不良而導致的漏電等現象[19]。對PID機制的研究有利于科研人員和制造商彌補普通類型光伏組件存在的缺陷，制造出能夠預防和限制PID影響的下一代電池。

3.2.1 EVA封裝膠膜抗老化研究進展

研究表明[7]，較高的EVA交聯水平和較高的EVA封裝膠膜厚度會抑制PID效應。EVA交聯水平與交聯劑、助交聯劑種類、用量密切相關。為抑制EVA封裝膠膜的老化，適當添加抗氧化劑、紫外線吸收劑、交聯劑等可顯著提高EVA封裝膠膜的耐久性和耐候性。常用EVA封裝膠膜制備配方如表1所示[13,15,22]。

表1 常用EVA封裝膠膜配方

但是有研究指出，導致EVA變黃的是部分添加劑而非EVA樹脂本身，因此添加劑的配方仍有研究空間和研究價值。

在EVA基料中加入其他材料可以抑制EVA封裝膠膜老化：如在EVA共混物中加入聚烯烴[15]能減緩EVA的降解和黃變，在保持VA單元分離的同時減少醋酸的生成，并增加對300 ℃以上溫度的耐熱性，但這種封裝材料抗光老化性能比純EVA基料差。通過在EVA基料中添加含稀土元素的粒子可以在不損害其光學和電氣絕緣性能的情況下提高EVA封裝膠膜的導熱性和對基材的附著力，防止氣體和水汽進入，提供防腐蝕保護[20]。研究還表明，在EVA基料中添加少量納米復合材料可以改性EVA封裝膠膜，即使在高溫下也能提供更好的電氣、熱、機械和光學性能。與純EVA共聚物相比，它們具有更高的導電性、更強的耐熱降解性和更高的機械強度。如，納米氧化鋅[21]的加入使得EVA封裝膠膜即使在高溫下也能提供更好的電、熱、機械和光學性能；二氧化鈦改性可有效提高抗紫外線性能；二氧化硅可有效改善EVA封裝膠膜的熱穩定性；氧化石墨烯[16]改性的封裝膠膜，可以極大改善機械性能、降低透氣性、增強熱穩定性，更重要的是可為復合材料提供高導電性。但納米材料的加入會使得封裝膠膜的透明度降低，對光伏組件的發電效率有極大影響。

除材料改性，有專利[22]中還提到了多層共擠封裝膠膜的制備方法。多層共擠封裝膠膜性能明顯優于單層膠膜。該膠膜由中間芯層(基質為EVA)和上下的皮層構成，通過紫外線輻照，選擇性地使芯層發生預交聯，皮層不發生預交聯，使獲得的膠膜柔軟、透明、粘接性好、耐蠕變、機械強度更高，在縮短組件層壓時間的同時，能夠保持膠膜較大的粘接性能,防止氣體和水汽進入，提供防腐蝕保護。

3.2.2 EVA封裝膠膜降低離子遷移率研究進展

高聚物的交聯結晶效應使得分子結構間的空間致密化，體積電阻率升高。較高的體積電阻率使得封裝膠膜導電性較低，將減少玻璃到電池的Na+遷移，功率衰減較小[14]。為提高封裝膠膜的體積電阻率，可以減少助劑尤其是易解離助劑的添入量。對膠膜進行干燥處理如表面鍍疏水涂層，提高膠膜的交聯度與結晶度[19]。專利[23]中提及一種抗PID的多層復合光伏封裝膠膜的制備與應用，多層膠膜由多個粘結層(基質為EVA)和阻隔層依次間隔復合而成，通過在阻隔層添加聚乙二醇酯或醚類、多元醇脂肪酸酯等電荷消散劑，吸收并消除電池片表面富集的電荷，使電荷淬滅，增強膠膜的抗PID性能；阻隔層的基體材料具有較高的體積電阻率和較低的水汽透過率，以達到阻水、阻氧的目的。

抑制Na+遷移，降低離子遷移率可有效提高封裝膠膜抗PID性能。專利中報道[24-26]：加入氫氧化鎂作為酸吸收劑可吸收EVA老化時產生的醋酸根離子，從而阻止玻璃層金屬離子的遷移，提高EVA封裝膠膜的抗PID性能；加入金屬磷酸鹽等金屬離子捕捉劑和離子交換樹脂，離子捕獲劑可通過離子交換等方式捕捉膠膜中的堿金屬離子以及堿土金屬離子等，而活化的離子交換樹脂可與外界環境中的金屬離子發生離子交換，起到吸附、固定金屬離子的作用，有效吸附膠膜中的游離金屬離子，減少玻璃層金屬離子的遷移，提高封裝膠膜抗PID性能；加入主鏈是碳鏈、支鏈含有若干羥基的樹脂作抗PID助劑，如乙烯-乙烯醇系共聚物、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯酯-乙烯醇三元共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯-乙烯醇-馬來酸乙烯醇單酯。這些樹脂的結構與EVA樹脂的水解結構相似，可以通過減弱水解反應提高EVA封裝膠膜的交聯密度，抑制EVA封裝膠膜表面離子遷移以及玻璃表面離子的聚集，從而抑制組件的PID效應。

4 結語

光伏發電具有顯著的能源、環保和經濟效益，是最優質的綠色能源之一。在能源緊張的時代背景下，光伏發電仍有無限發展前景。本文對光伏組件PID效應的產生原因及解決辦法進行綜述，并針對光伏組件EVA封裝膠膜抗PID改性的研究進展進行總結。針對Na+遷移誘發晶硅組件PID效應的機制，EVA封裝膠膜抗PID改性主要包含兩個層面：抑制EVA老化；降低EVA封裝膠膜內部離子遷移率以阻止Na+遷移引發的PID效應。本文列舉了添加材料及改變應用方式的改性方法，以及提高體積電阻率的改性研究及抗PID助劑的應用。通過添加改性助劑制備抗PID的EVA封裝膠膜仍具有研究價值和研究前景。