光伏背板粘接材料和共擠粘接技術研究進展

朱子軒，劉海芬，范家釗，李華鋒，王力新

（1.河北大學物理科學與技術學院，河北保定 071002；2.河北大學質(zhì)量技術監(jiān)督學院，河北保定 071002；3.樂凱膠片股份有限公司，河北 保定 071054）

0 前言

太陽能作為清潔能源中一個重要的部分，已經(jīng)越來越多地為人們所利用。通過光伏發(fā)電技術，可以將太陽能有效地轉(zhuǎn)換成電能。在這個過程中，太陽能光伏電池組件是不可或缺的部分。對于商品化光伏組件，通常硅晶片是核心的組成部分，在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常將其他部分與硅晶片組裝在一起以達到實際應用的目的，如圖1 所示。在此組件中，封裝膠膜起著至關重要的作用。它將各組件粘接在一起，確保太陽能電池正常工作。

圖1 太陽能電池組件的結構示意圖Fig.1 Structural diagram of solar cell module

EVA 是一種新型的乙烯共聚物類材料，相較于傳統(tǒng)的乙烯共聚物聚乙烯（PE）來說，EVA 在分子鏈中引入了極性的醋酸乙烯（VA）單體。這一做法改變了原來鏈中的規(guī)整性和結晶度，使得EVA 的極性得到了提升，從而EVA 的透明性、黏著性、阻隔性和防衰老性均有所提高。同時EVA 在加熱熔融時具有較好的浸潤性，冷卻固化時粘接性、抗應力性和繞曲性都很出色，使其成為一種理想的封裝材料，在夾層玻璃和太陽能電池組件中的封裝方面有廣泛應用［1-2］。然而，太陽能電池組件通常要求能正常工作25 年以上的時間，在戶外使用過程中溫度和水分等因素對其中的封裝膠膜影響是不可忽略的。由于EVA 材料的耐候性、抗污染性欠佳，長時間工作后會發(fā)生老化、變黃，分子鏈聚合程度降低導致抗蠕性的降低，從而影響電池組的使用壽命，增加維護成本［3-4］。為解決這一難題，研究人員通常采用不同的改性方法來提高材料的拉伸強度［5-11］、阻燃性能［12-20］、抗紫外老化［21-27］和粘接性能［28-32］等，使其滿足應用的需要。近些年來，一些新型樹脂材料和新型聚氨酯材料等成為了EVA 的替代材料，逐漸應用在太陽能電池組件中。而傳統(tǒng)的玻璃/封裝材料/太陽能電池片/封裝材料/背板的結構也帶來一些問題，如較為復雜的背板結構會使整個太陽能電池組件的制備流程更為繁瑣，從而增加水或其他化合物侵蝕的風險，導致其使用壽命下降。一些企業(yè)已經(jīng)開始探索共擠背板的生產(chǎn)工藝，以解決上述問題可能對太陽能光伏組件的潛在影響。

本文首先介紹EVA 在拉伸強度、阻燃性能、抗紫外老化和粘接性能方面的改性方法及進展；其次介紹一些可以替代EVA 的新型粘接材料；最后闡述共擠含氟和無氟背板生產(chǎn)的相關研究進展，展望封裝材料和太陽能光伏組件的發(fā)展趨勢。

1 EVA

1.1 EVA改性

隨著使用時間增長，EVA 膠膜會逐漸受到熱量、氧氣和水分的影響，不能很好保證太陽能電池組件安全平穩(wěn)地工作。因此，如何對EVA 進行改性成為目前研究的熱門方向。目前常用的改性方法有共混改性、填充改性、化學接枝法和化學交聯(lián)法等改性方法［1］。通過不同的改性方法來達到改善EVA 材料的性質(zhì)，從而提高其拉伸強度、粘接性能、阻燃性能和抗紫外老化性能等。

1.2 EVA改性方法

拉伸強度是表征材料抗拉伸的能力，也反應了材料在外力的作用下抵抗永久變形和破壞的能力。拉伸強度越大，表明材料在受力后發(fā)生彈性形變越小，同時抗拉性能也越好。太陽能電池組件對封裝材料的拉伸強度要求較高，為此需要對EVA進行改性［33-34］。嚴長浩等［5］使用三烯丙基異氰脲酸酯（AIC）作為交聯(lián)敏化劑，如圖2 所示，通過輻射交聯(lián)的方法對高密度聚乙烯（PE-HD）與EVA的共混物進行修飾，當TAIC添加1%且輻射劑量為120 kGy時，該復合材料的拉伸強度由12.87 MPa增加到15.79 MPa，提高了20%，達到最佳。

圖2 TAIC對EVA/PE-HD復合材料體系輻射敏化交聯(lián)機理示意圖Fig.2 Diagram of the radiosensitization cross-linking mechanism of EVA/PE-HD composite system by TAIC

王麗麗等［6］合成了一系列鈷鎂鋁類水滑石，將含有20%鈷鎂鋁類水滑石添加到EVA中，該復合材料的斷裂伸長率為873 %，較添加相同含量鎂鋁類水滑石的736%的斷裂伸長率有顯著增加，從而表明鈷離子的添加使復合材料的韌性有所提高。劉喜山等［7］采用氫氧化鎂［Mg（OH）2］和微膠囊紅磷（MRP）制備了EVA/Mg（OH）2/MRP 復合材料，通過添加12 份馬來酸酐接枝EVA 共聚物（EVA-g-MAH），發(fā)現(xiàn)該材料的拉伸強度和斷裂伸長率均達到最優(yōu)，分別為10.2 MPa 和521 %。汪巧蕾等［8］將堿木質(zhì)素LigninA 與EVA 進行共混得到EVA/堿木質(zhì)素復合材料，發(fā)現(xiàn)從木漿中獲得的LigninA 主要結構單元大部分由紫丁香基構成，它的顆粒表面較為粗糙且存在較多的凹凸部分，易與EVA 結合緊密，從而EVA/LigninA 復合材料的力學性能與原料相比大大提高，在添加量為30 份Lignin 的情況下，該復合材料的拉伸強度達到了16.3 MPa。唐培等［9］通過自行制備三聚氰胺-磷酸-氫氧化鋁復合鹽并與氫氧化鎂按比例復配組成的復合試劑使EVA 的力學性能得到改善，斷裂伸長率從120%提高到320%，同時拉伸強度也達到了可觀的9.2 MPa。蔣龍等［10］研究了EVA/納米纖維素（NCC）體系，發(fā)現(xiàn)NCC 硫化橡膠的加入可以明顯提高EVA/NCC 的拉伸強度，在NCC含量為2份時，拉伸強度達到21.5 MPa，斷裂伸長率為805%。徐迪均［11］將乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物（EMMA）與EVA 共混，制備了不同EMMA 含量的EVA/EMMA共混膠膜，發(fā)現(xiàn)隨著EMMA含量的增加，共混膠膜的拉伸強度有上升的趨勢，且EMMA 含量越高，拉伸強度的增長幅度逐漸趨于平緩，接近30 MPa。

當EVA 作為封裝材料在太陽能組件中應用時受到太陽輻射、通風不暢等外界因素影響使器件熱量難以散去，從而讓EVA 封裝膠膜達到燃燒的臨界點。EVA 材料的LOI 通常在20 %左右，非常容易燃燒。且燃燒之后還會有嚴重的熔融滴落現(xiàn)象，這會對太陽能電池組件造成不可逆的損害，降低其工作效率，增加維修成本［12］。為解決此問題，需要對EVA 進行阻燃處理［13-15］。評價材料的防火等級常用的是UL 94 標準，最高的阻燃等級是V-0 級。許肖麗等［16］將鄰苯二胺基環(huán)三磷腈（HACTP）、聚磷酸銨（APP）、氧化鋅（ZnO）以32.84%、50.04%和17.12%的最優(yōu)比例復配后，按50%的質(zhì)量分數(shù)添加到EVA 中，通過測試后得到LOI 值為36.8 %，達到UL 94 V-0 級，較好地發(fā)揮了膨脹阻燃作用。鑒于氫氧化鎂（MH）的阻燃效率較低，在實際應用中需要大量添加從而影響復合材料的力學性能等因素，因此如何添加合適的材料與MH形成協(xié)效阻燃劑以提高阻燃效率成為熱點問題。陳鏡融等［17］研究了EVA/氫氧化鋁（ATH）/MH 體系，發(fā)現(xiàn)當ATH 與MH 的質(zhì)量比為2/1 且添加在EVA 復合材料中的含量為60 %時，該體系的阻燃效果最好，LOI 值從純EVA 的18.3 %提高到34.3 %，垂直燃燒測試達到了UL 94 V-2 級。劉帥東等［18］自行制備了磷酸三苯酯（TPP）和二乙基次磷酸鋁（ADP）來協(xié)效MH 對EVA 進行阻燃，發(fā)現(xiàn)TPP 和ADP 在MH中含量分別為5%和5%時，復合材料的LOI 值分別為37.4%和34.4%，較之前的EVA/MH 體系有巨大提升。黃健光等［19］合成了三嗪成炭劑（CNCH-DA），發(fā)現(xiàn)與多聚磷酸銨（APP）復配后形成的膨脹型阻燃劑（IFR）對EVA 的阻燃效果明顯，在APP/CNCH-DA=2/1 時，EVA/IFR 殘?zhí)勘憩F(xiàn)出了致密蓬松的膨脹炭層，阻隔作用提升，體現(xiàn)了良好的阻燃效果，測得LOI值為27.7%，可達到UL 94 V-0 級。魏紅等［20］通過一系列手段使用磷酸（P）與十二胺（N）對坡縷石（PGS）進行修飾得到了新型PGS/P-N 型阻燃劑并與可膨脹石墨（EG）以1/9 的質(zhì)量比一同添加到EVA 中，由于PGS/P-N 和EG 的協(xié)同效應明顯，故較純EVA 大幅提高了阻燃性能，得到了高達36.3 %的LOI，同時UL 94 級別也達到了V-0 級。

此外，戶外工作時太陽能電池組件暴露在太陽光下，如圖3所示，EVA 分子鏈吸收輻照紫外光的能量而產(chǎn)生一系列的物理化學變化。同時紫外光的能量高于EVA分子鏈的斷裂能，致使老化速度進一步加快，使得EVA降解造成密封性變差從而影響電池性能。所以研究合適的紫外吸收劑抑制EVA材料的光老化作用來提高太陽能電池組件的使用壽命具有重要意義［21-23］。

圖3 EVA的光熱降解過程Fig.3 Photo-thermal degradation process of EVA

于淑娟等［24］利用巰基-烯點擊化學反應的方法合成了一種新型大分子紫外線吸收劑PHA-b-PEUV-0。如圖4 所示，由于該吸收劑分子鏈末端存在巰基，所以抑制了材料表面氧化和降解，將其添加到EVA 基體材料中，即使用量較少也能使得EVA 具有良好的抗紫外老化作用（圖5）。李建喜等［25］將2-羥基二苯甲酮（AHB）作為紫外光吸收劑以不同比例與EVA 共混，復合材料的紅外光譜顯示AHB 成功接枝到EVA 上，并發(fā)現(xiàn)在243、290、325 nm 處復合材料均有強烈的吸收，且紫外吸收強度與AHB 含量成正相關，表明AHB將紫外光能吸收，它的添加能很好保護EVA 基材。曾金棟等［26］研究了將交聯(lián)劑、抗氧劑和有機轉(zhuǎn)光劑引入到EVA 中形成了轉(zhuǎn)光型EVA 光伏膠膜，不僅提高了轉(zhuǎn)光效率，也增強了光伏膠膜的耐老化性。此外，還有很多類型的紫外線吸收劑也可被用于對EVA 材料改性，如三嗪類、苯并三唑類、對氨基苯甲酸類和樟腦衍生物等，無機氧物類的紫外線散射劑如二氧化鈦（TiO2）和氧化鋅（ZnO）等也可用于改性EVA 材料，從而提高復合材料對紫外線的吸收能力，保護電池組件確保正常使用［27］。

圖4 PHA-b-PEUV-0的合成Fig.4 Synthetic route of PHA-b-PEUV-0

圖5 添加不同PHA-b-PEUV-0含量的EVA材料在老化40 d后的乙烯基指數(shù)與羰基指數(shù)Fig.5 Increasing extent of surface vinyl index and carbonyl index of different PHA-b-PEUV-0 content of EVA materials after 40 d of UV aging

最后，EVA 材料常作為太陽能電池組件粘接玻璃和背板的粘接材料。EVA 的分子結構為線型，其分子熱脹冷縮的現(xiàn)象是較為常見的。同時它屬于弱極性材料，與玻璃等無機材料的粘接力較小，在長時間使用后邊緣的部分容易出現(xiàn)脫落，且太陽能電池組件工作環(huán)境多樣。為使EVA 材料抵抗氣候變化的影響，需要添加增黏劑對它進行改性，使得EVA 與玻璃間的粘接性和持久性滿足使用需要。在改性過程中，增黏劑賦予了EVA 分子的極性支鏈，大大提高了EVA 的極性和粘接性［28-29］。趙梓年等［28］將交聯(lián)劑叔丁基過氧化碳酸-2-乙基已酯（TBEC）和增黏劑萜烯樹脂共同使用，如表1 所示，發(fā)現(xiàn)該混合體系對玻璃的剝離強度為6.83 N/mm，剝離力達到159.71 N，較純EVA 得到很大提升，證明了TBEC 與萜烯樹脂可以起到協(xié)同作用，使混合材料更好地與玻璃進行粘接。祝麗娟［30］也采用TBEC 和助交聯(lián)劑三烯丙基異氰脲酸酯（TAIC），發(fā)現(xiàn)它們之間起到了很好的協(xié)同作用，使得與玻璃和TPT 背板的剝離強度分別提高到120.3 N/cm 和102.7 N/cm，證明了復合體系更好地與玻璃和背板粘接。丁盛等［31］則將含有極性基團的硅烷偶聯(lián)劑KBM-503 與EVA共混，發(fā)現(xiàn)當KBM-503 含量達到0.25 %時，復合材料的剝離強度逐漸穩(wěn)定，說明了該偶聯(lián)劑對增加EVA 的黏合力有所幫助。此外，除了黏接劑對EVA 材料粘接性能有所影響，溫度也是一個因素。賴偉東等［32］發(fā)現(xiàn)若EVA 膠膜的工作溫度在256 ℃以上時，EVA分子鏈分解生成醋酸，粘接性下降，從而影響粘接界面的封裝強度。

表1 萜烯樹脂、TBEC和DCP對EVA同玻璃間黏結力學性能的影響Tab.1 Effect of the use of terpene resin，TBEC and DCP on the peeling strength of EVA

2 可替代EVA材料

封裝膠膜是太陽能電池組件中的重要組成部分，隨著科技的發(fā)展進步，人們開發(fā)出了一些較EVA性能更加優(yōu)良的薄膜，如新型樹脂薄膜、新型聚氨酯薄膜等［35］。同EVA相比，如表2所示，其耐濕熱性、耐黃變老化性、透光性均有所提高，且在彈性、強度、耐磨性和化學穩(wěn)定性等方面有著優(yōu)異表現(xiàn)［36］。且EVA-玻璃封裝體系相對較笨重，導致運輸成本增加，安裝和使用靈活性較差，所以電池和封裝材料的薄膜化將成為新的發(fā)展趨勢，更加輕便的太陽能電池也將逐步取代采用EVA作為封裝材料的電池［37］。

表2 一些可替代EVA的封裝材料的性能特點Tab.2 Properties of some packaging materials in replace of EVA

2.1 新型聚氨酯薄膜

聚氨酯又名氨基甲酸酯，分子主鏈由氨基甲酸酯的重復結構單元組成，通常可用異氰酸酯和多元醇反應得到［38］。它耐候性較好，通常被用于裝飾和保護材料，溫度的變化對其影響不大。由于聚氨酯分子中含有極性基團，故對基材的附著力大，同時分子中存在的氨基甲酸酯使其生成氫鍵，進一步增大了分子間的作用力，斷裂伸長率有所提高，因此具備了優(yōu)良的耐磨性和出色的柔韌性。此外，聚氨酯的絕緣性能好，可作為電子器件的保護涂層以及外包材料。且它的化學穩(wěn)定性好，可以承受酸堿鹽等的侵蝕，可以作為防腐層來保護太陽能電池組件。

按照聚氨酯彈性體加工特性的不同，如表3 所示，聚氨酯材料可分為澆筑型聚氨酯（CPU）、熱塑型聚氨酯（TPU）和混煉型聚氨酯（MPU）［48］；按照使用形式的差異，聚氨酯材料可分為單組份聚氨酯和雙組分聚氨酯；通過采用聚醚多元醇和聚酯多元醇等原料，并對它們進行合理的結構設計，可以在實驗室合成透明型聚氨酯。由于具備了眾多優(yōu)點［49］，現(xiàn)已被廣泛開發(fā)利用。

表3 不同的新型聚氨酯材料的性能特點Tab.3 Properties of different new polyurethane materials

2.1.1 TPU

TPU在常溫時表現(xiàn)出橡膠的高彈性，高溫時則表現(xiàn)出材料的可塑性。德國ETIMEX Primary Packaging GmbH公司與Bayer Material Science公司［50］合作研發(fā)了Desmopan?新型TPU薄膜。此薄膜不僅具有多種優(yōu)良的特性，而且省去了交聯(lián)的時間和過程，使太陽能電池的生產(chǎn)速度加快，縮短了生產(chǎn)周期，從而生產(chǎn)效率有很大提升，節(jié)約了成本，減少了環(huán)境污染。為提升傳統(tǒng)白色光伏背板的透光性和封裝強度，寧波激智科技股份有限公司［51］發(fā)明了一種氟碳涂布液，該涂布液中添加了10%～20%的TPU，利用層壓高溫的過程達到與層間相鄰材料表面的反應鍵合，使用此涂布液的氟碳涂層在經(jīng)過濕熱老化測試后，發(fā)現(xiàn)氟碳涂層沒有脫落，封裝強度由85 N/cm降到48 N/cm，效果較為理想，同時光透過率超過87.1%，較好提升了太陽能電池背板的透光性。

2.1.2 透明型聚氨酯

透明型聚氨酯兼具了傳統(tǒng)聚氨酯的優(yōu)秀屬性和良好的光學性能，被用于涉及到光學、防護等高科技領域，受到眾多科研工作者的青睞。張軍瑞等［52］采用異氰酸酯和自己合成的無規(guī)共聚支鏈聚酯多元醇，研制出具有良好性能的透明聚氨酯薄膜，經(jīng)一系列表征發(fā)現(xiàn)，此薄膜的力學性能如抗沖擊性可達85 kg·cm，拉伸強度也提高到48.45 MPa，同時其化學穩(wěn)定性得到明顯改善，呈現(xiàn)出較好的抵抗酸堿腐蝕和有機溶劑腐蝕的性能，且薄膜透光率和外觀較之前無明顯改變，而分別經(jīng)過7、14、21 d 的耐水解性測試也體現(xiàn)了該種材料的優(yōu)良性質(zhì)，吸水率普遍在0.3 %～0.4 %區(qū)間內(nèi)，此外，這種透明聚氨酯的光學性能也有優(yōu)異表現(xiàn)，制備的聚氨酯薄膜的透明性較高，DSC 熱分析表明它吸熱熔融效果不明顯，可以有效地在高溫條件下工作。

2.1.3 雙組分聚氨酯

雙組分聚氨酯通過含有異氰酸酯的固化劑和含有活潑氫的樹脂合成。胡韜［53］研究了替代傳統(tǒng)EVA的雙組分聚氨酯用作太陽能電池封裝材料，發(fā)現(xiàn)Desmophen651型樹脂和Desmophen1100 型樹脂復配使用薄膜的力學性能最好，同時HDI型固化劑N75的添加使得薄膜的耐候性最優(yōu)，當它作為固化劑時且與樹脂的添加比例為1.2/1時，薄膜的柔韌性和耐沖擊性達到較好水平，在此基礎上，使用二月桂酸二丁基錫、BYK306型、TEGO932型和KH550型組分別作為催化、平流、消泡和硅烷偶聯(lián)劑以及使用醋酸丁酯、環(huán)己酮和二甲苯作為稀釋劑來優(yōu)化時，薄膜的附著力提高到了最好水平，并且優(yōu)化后的復合封裝材料表面致密，熱分解溫度為290 ℃，能很好地滿足太陽能電池組件在高溫條件下的工作。

2.2 聚乙烯醇縮丁醛（PVB）

EVA 封裝膠膜經(jīng)過30余年的發(fā)展技術日趨成熟，其成本低廉，在市場占據(jù)了相當大的份額，是當今主流的太陽能電池封裝材料。然而它抗老化能力差且較容易黃化，給使用帶來不便，難以滿足預期使用壽命。PVB 作為太陽能電池另一種常用的封裝材料，開始逐漸地替代EVA 作為封裝材料。PVB 是一種熱塑性高分子聚合物，它通過聚乙烯醇和正丁醛在催化劑條件下縮合而成，擁有著良好的防水性、耐熱性和抗紫外性，耐老化性和穩(wěn)定性也較EVA 有所提高。同時它易于成膜，與其他無機材料如玻璃等能很好的粘接，已經(jīng)被廣泛應用于光伏封裝、建筑、汽車等領域［58］。

張東亮團隊［59］采用原位法探究制備了一系列原位PVB/納米氧化錫銻（ATO）復合材料，由于納米ATO粒子較為均勻地分布在PVB 中，PVB 鏈和ATO 表面羥基發(fā)生交聯(lián)，促使復合材料中出現(xiàn)網(wǎng)狀結構，從而韌性得到有效增強，斷裂生長率和拉伸強度也得到有效改善。此外，該復合材料的光學性能也較為突出，紫外屏蔽性能與ATO 的用量成正相關，紫外線透過率小于10%，可見光透過率大于70%，滿足了太陽能電池封裝膠膜所要求的既透明又能較好地屏蔽紫外線的功能，同時該復合材料的耐高溫性能也十分突出，相較純PVB 起始150 ℃的分解溫度，納米PVB/ATO 的起始分解溫度達到了290 ℃，表示能很好維持太陽能電池組件在高溫條件下工作的穩(wěn)定性。

3 新型背板粘接制造技術

太陽能電池背板是保護電池的部件，玻璃/封裝材料/太陽能電池片/封裝材料/背板的傳統(tǒng)結構較為復雜，在制作過程中容易受工藝和材料的影響導致出現(xiàn)瑕疵，若背板的構成層數(shù)較多則會進一步擴大這種缺陷，從而影響太陽能電池組的正常工作使用。另外，傳統(tǒng)背板粘接技術使用有毒溶劑，給環(huán)境帶來負擔，增加回收利用成本。一些企業(yè)和高校［60-65］開始研發(fā)共擠型背板，此設計將簡化背板的制備流程，增強使用性能。

共擠背板中所使用到的共擠工藝是當下塑料工業(yè)中先進的加工方法之一，共擠工藝可以制備多組分的復合材料制品，如復合薄膜和復合板材等。通過數(shù)臺擠出機，能將多層具有不同特性的物料在擠出過程中相互復合在一起，從而使得所制產(chǎn)品同時兼有不同材料的優(yōu)良特性，性能上取長補短，能達到為了滿足特殊要求所具備的性能、外觀、對于氧氣和水分的阻隔能力、保溫性、熱粘接能力、強度和柔韌性等一系列優(yōu)良性質(zhì)。這些具有多種優(yōu)點的多層復合材料可以應用于許多領域中，同時在制備時可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、簡化儀器的操作流程和降低設備投資，而且生產(chǎn)復合的過程中不涉及使用化學溶劑，是一種環(huán)境友好型的技術工藝［66］。

美國EDI擠出模頭公司［67］通過此工藝可獲得流延膜等復合薄膜，或是多層共擠背板等復合板材。流延膜的成型原理是將原料在擠出機中熔融后經(jīng)過T 型模頭擠出后進入水溶液等介質(zhì)冷卻，牽引后得到流延膜［68-69］。該種方法在最大限度發(fā)揮被加工材料的性能同時又可以保持整體最佳的尺寸精度。制得的流延膜厚度小，透明度高，內(nèi)應力小，同時它的均勻性好，薄膜品質(zhì)較高。通過調(diào)節(jié)不同原料的種類和性質(zhì)，生產(chǎn)出的薄膜可具備良好的耐候性、水汽阻隔性和耐化學腐蝕性，是作為太陽能電池組件中光伏背板粘接材料的選擇之一。

用于擠出復合薄膜的擠出機頭有2種形式，即多流道式共擠出機頭和喂料塊式共擠出機頭。如圖6所示，EDI 公司多流道共擠出機頭是由多臺擠出機擠出的熔融體從一個具有多流道的機頭進料端分別流入設定尺寸參數(shù)的分流道中，各層熔融體在機頭口型內(nèi)復合成型，但是復合層數(shù)不能過多，以免導致共擠出機頭過于龐大。喂料塊式共擠出機頭則是模頭內(nèi)部的復合，由多臺擠出機擠出的熔融體通過喂料塊分流道，經(jīng)過內(nèi)置的熔融體流率比調(diào)節(jié)閥和厚度調(diào)節(jié)栓調(diào)節(jié)，隨后匯入衣架機頭從而擠出成型。同多流道式機頭相比，它體積小，容易改變薄膜的層數(shù)。此種方法適用于流動性和加工溫度相近的材料，具有一定的局限性［70］。如圖7 所示，Cloeren 公司［71］研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的喂料塊，其將流道中的每一股熔體流分成多份，在垂直方向上將分流后的多股熔體流順流，最后復合的熔體流在供料塊端和后表面一起匯集到微層復合中心。這種工藝需要配備11 臺擠出機同步擠出，可實現(xiàn)生產(chǎn)400余層乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）流延阻隔薄膜。

圖6 EDI公司的10層多流道共擠出機頭Fig.6 EDI's 10-story multi-channel co-extrusion head

圖7 Cloeren公司的復合薄膜原理圖Fig.7 Composite film schematic of Cloeren corporation

隨著技術的發(fā)展，擠出機向著節(jié)能降耗和多功能化的方向發(fā)展。在NPE2009 上，意大利Plastimac 公司［72］展示了Plastiblow PB5E/DL 和Plastiblow PB1E/D 2 種電動機型，它們均具備直徑50 mm 擠出機和3 層共擠出機頭，與之前老款機型相比，不僅縮短了成型時間，在能耗方面也有一定改善。同時，在產(chǎn)量方面，科技公司也在進行創(chuàng)新設計。美國貝克姆（Bekum）公司［72］在NPE2009上推出了BM-406D型機器，它將德國W Mueller 公司所使用的雙排擠出機頭與MPL 模具同時使用，應用了電動瓶取出技術，使得BM-406D 每小時能生產(chǎn)5 000 余個樣品，大大提高了生產(chǎn)效率，為目標產(chǎn)品的大規(guī)模應用提供了條件。由于原材料價格的上漲和對產(chǎn)品阻透性能的提高，對于共擠出成型的需求也在不斷增大，世界上領先的擠出成型機供應商研發(fā)并推出了多種共擠出成型機來滿足市場需求。德國Rikutec 公司［73］在K2004 上展示出了當時最大的共擠出成型機，它配備了容積高達400 L 的集料頭，鎖模力為6 000 kN，能生產(chǎn)出4 層的多層共擠出水箱，總體成型時間僅為10 min，4 層集料頭可裝配的最大直徑為1 200 mm。廣東金明塑膠設備有限公司［74］研發(fā)了6 層油箱共擠出成型機，該設備采用6臺單螺桿擠出機和6層共擠出平面疊加機頭，配備了無拉桿兩版式鎖模裝置等，在穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗方面上有出色表現(xiàn)。K2007中，Graham 公司［75］展示了Mini Wheel 型的擠出吹塑成型機，這種型號的成型機可用來成型一次性的多層瓶，它具有12個工位，每小時可生產(chǎn)多達6 000個乳品包裝瓶，相對于傳統(tǒng)機型不僅提高了工作效率，經(jīng)濟成本也大幅降低。此外，秦川未來塑料機械有限公司、Wilmington 機械公司和Full Shine 公司［76-78］等眾多科技企業(yè)研發(fā)了多種不同的共擠出成型機，滿足當下日益增長的市場需要。這些新型的共擠出成型機的研發(fā)設計秉持高效、節(jié)能、低碳環(huán)保的理念，在保持產(chǎn)量穩(wěn)定的同時大大降低了生產(chǎn)成本，不僅節(jié)約能源，還使產(chǎn)品不斷向多樣化方向發(fā)展。

共擠背板就是將多種熱塑性樹脂，通過多臺擠出機分多層通過同一個模頭一次成型的背板新技術，其制備示意圖如圖8所示。相較于層壓工藝，共擠背板的聚合物層以熔融狀態(tài)結合、粘接并擠壓在一起，在加工過程中可靈活改變層厚，避免多工序生產(chǎn)，故聚合物組分的流變性是限制共擠背板材料選擇的一個因素。制造的背板具有層間黏接力好、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)環(huán)節(jié)避免溶劑型膠黏劑的使用，無溶劑揮發(fā)，不會產(chǎn)生環(huán)境污染、材料可回收利用等優(yōu)點［79］。Tomark-Worthen 公司［80］采用了聚酰胺合金材料開發(fā)了名為PhotoMark?Reflections?的高性能共擠背板。應用的此種合金反射率為91.2%，相對熱指數(shù)（RTI）為125 ℃，同時從環(huán)保角度考慮，它不含揮發(fā)性有機化合物，制成的背板具有優(yōu)異的層間粘接強度，也不含聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和含氟聚合物，經(jīng)過紫外線暴露測試2 000 h后，其保持了一定的延展性，拉伸強度僅降低18%，后續(xù)還將進行背板的應力測試和模塊評估等一系列方面的表征。此外，Renolit、Bischof &Klein、DSM、Isovoltaic 等一些背板供應商［81］也采用了共擠工藝生產(chǎn)共擠背板。根據(jù)背板材料是否含氟元素，共擠背板類型可分為含氟型和無氟型背板［82］。

圖8 多層共擠背板制備示意圖Fig.8 Schematic illustration for fabricating co-extruted backsheets

3.1 共擠含氟背板技術研究

浙江晶尚新能源科技有限公司［60］將EVA、PET 和EVA分別提供給3臺擠出機，使用分層模頭來進行3層組分共擠結合成膜從而形成上層背板層，使用聚偏氟乙烯（PVDF）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分別提供給2 臺擠出機經(jīng)分層模頭來實現(xiàn)2 層組分共擠成膜，以此形成下層背板層，同時通過在2個背板層間設置反光層的夾層構造方式，使進入其中的太陽光進行聚光反射，增加了透光度，從而對太陽能電池板進行二次照射，改善了光伏電池組件的轉(zhuǎn)化效率，此種共擠技術摒棄了粘接劑層的應用，使得整體背板的厚度在540～650 μm 之間，共擠而得的下層背板也為中間的反光層提供了穩(wěn)定支撐，使電池組件輕量化，從而具備更好的抗沖擊性、耐熱性和耐變色性。相較于晶尚公司的做法，長榮新材料科技有限公司［61］則設計了一種多層共擠型在線熱壓貼合太陽能背板，此種背板由耐侯膜和三層聚烯烴共擠膜在線熱壓合制成，進一步簡化了生產(chǎn)背板的工藝流程，其中耐侯膜為聚氟乙烯（PVF）或PVDF，而共擠膜從內(nèi)到外依次由粘接功能層、聚烯烴支撐層和共聚聚丙烯（PP）功能層構成，該共擠背板厚度僅為350 μm，在抗沖擊性、抗靜電性、耐熱變色性和保持尺寸穩(wěn)定性上有較好表現(xiàn)，在使用時背板整體未發(fā)現(xiàn)分層和開裂現(xiàn)象，因而能有效延長太陽能電池組件的使用壽命。蘇州愛康光伏新材料有限公司［62］生產(chǎn)出了一種多層共擠太陽能電池背板，該背板用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯等含氟樹脂類聚合物作為第一和第二氟樹脂層（T），聚氨酯類聚合物作為第一和第二連接層（U），聚對苯二甲酸乙二醇酯等改性聚酯作為水汽阻隔層（P），形成T/U/P/U/T 型的太陽能電池背板，采用多層共擠的方法，將不同塑料粒子分別在不同的擠出機中熔融擠出，再通過各自的流道后在模頭中會合，經(jīng)過擠出、壓合、冷卻、二次加熱和再冷卻等流程制得上述結構的共擠復合背板，這種生產(chǎn)方式使得背板整體結構更加緊密，采用材料具有一定耐候性，符合太陽能電池組件正常工作對背板參數(shù)的要求。

3.2 共擠無氟背板技術研究

常州大學［63］研制了一種無氟多層共擠的太陽能電池背板材料，將改性聚碳酸酯層分別作為耐候?qū)雍驼辰訉樱蹖Ρ蕉姿岫《减プ鳛橹虚g層，通過雙螺桿擠出機擠出后采用多層共擠裝置進行共擠擠出，從而達到相鄰兩層之間的黏結，在此工藝中沒有使用含氟材料和粘接劑，生產(chǎn)出來的共擠背板光學性能優(yōu)異且成本低廉，復合膜的拉伸強度和柔韌性均得到顯著改善，高耐候性和抗水解性得到保證，延長了太陽能電池組件的使用壽命，在制備方法上較為簡便，可以考慮進行大規(guī)模生產(chǎn)，具有良好的應用前景。明冠新材料股份有限公司［64］發(fā)明了一種無氟兩層共擠光伏背板，此種背板分別使用改性聚酰胺樹脂和聚烯烴合金作為外耐候?qū)雍蛢?nèi)耐候?qū)樱ㄟ^向聚酰胺樹脂中添加填充劑、抗氧劑、紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑等得到改性聚酰胺樹脂，經(jīng)改性后的外耐候?qū)邮构夥嘲灞砻嬗捕群湍湍バ跃兴黾樱箾_擊性能得到明顯提高，在抗水解性和絕緣性上均有所改善，在使用時背板整體形態(tài)保持較好，不易隨著使用時間的增長出現(xiàn)脫層、氣泡和變色等現(xiàn)象，使用壽命評估可達25年左右，同時它采用2層熔融共擠的方式，沒有使用傳統(tǒng)粘接劑，工藝簡單，也可進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，并保障太陽能電池組件在各種條件下可靠工作，從而滿足光伏產(chǎn)業(yè)的需要。蘇州賽伍應用技術有限公司［65］將廉價的聚烯烴類樹脂作為原料，利用接枝技術和交聯(lián)反應，將聚十二內(nèi)酰胺樹脂和二氧化鈦作為外層原料，采用線性低密度聚乙烯樹脂、EVA 和二氧化鈦作為內(nèi)層原料，中間層則用均聚聚丙烯和二氧化鈦，通過共擠技術一次性連續(xù)生產(chǎn)制成3層結構太陽能電池背板組件，這種新背板擁有更好的水汽阻隔性能，反射率有所提高，能長期保持相對穩(wěn)定的尺寸，在背板生產(chǎn)中所用到交聯(lián)反應所生成的交聯(lián)網(wǎng)絡能提高背板的耐熱性和力學強度，制造流程較傳統(tǒng)背板相對簡單，使用原料對環(huán)境影響小，便于今后回收利用。

4 結語

背板粘接材料是傳統(tǒng)背板結構的重要組成部分。EVA 的耐候性不佳、易老化等缺點需要經(jīng)過各種改性后才能更好應用于太陽能電池背板的粘接材料中。共混改性通過幾種材料不同比例的混合來提高EVA 復合體系的拉伸強度、阻燃性能、抗紫外老化和粘接性能，更好地滿足應用需求。相較于填充改性、化學接枝法和化學交聯(lián)法，它操作簡單，無需繁瑣的后處理步驟，成為眾多研究者們提升EVA 性能的選擇之一。新材料的不斷涌現(xiàn)促進了粘接材料的多樣化，未來太陽能背板粘接材料將不僅僅局限于EVA，還將向著聚氨酯材料、PVB、PDMS 或樹脂類材料發(fā)展，它們的理化性質(zhì)較EVA 有明顯改善，可作為EVA 的替代材料在太陽能電池組件中使用。

目前，針對一次成型的共擠背板已經(jīng)有國內(nèi)外廠商在進行研究和試產(chǎn)，由于技術壟斷和經(jīng)濟逆全球化的影響，能大規(guī)模批量生產(chǎn)使用的背板還較少，共擠背板產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較慢。面對國外廠商的技術管控，應加大國產(chǎn)化研發(fā)力度，對于共擠背板技術需要持續(xù)深入研究。在尋找和研制更廉價且高性能原材料的同時，應盡量避免含氟材料的使用，努力做到環(huán)境友好型的共擠背板。同時，國內(nèi)廠商也應與外國科技企業(yè)持續(xù)深入溝通，開展廣泛的交流合作，沖破技術阻礙，實現(xiàn)新型共擠背板完全國產(chǎn)化，提升我國光伏產(chǎn)業(yè)綜合競爭力。