光伏組件封裝材料中水和鈉離子的滲透性研究

摘" 要：電勢(shì)誘導(dǎo)衰減效應(yīng)（PID）是光伏組件戶(hù)外運(yùn)行條件下功率衰減的主要因素之一。在多種PID效應(yīng)中，PID-s的產(chǎn)生機(jī)制被認(rèn)為與玻璃分解釋放的鈉離子遷移相關(guān)。因此，以高電阻率的封裝膜取代普遍使用的EVA膠膜是否可以適當(dāng)抑制PID-s效應(yīng)是尚無(wú)定論的問(wèn)題。該工作以分子動(dòng)力學(xué)模擬為研究手段，從分子動(dòng)態(tài)擴(kuò)散特征、分子間相互作用能和聚合物分子的靜電勢(shì)分布等角度對(duì)POE和EVA膜的水分子和鈉離子滲透能力進(jìn)行分析，從分子特性層面比較2種膜對(duì)電勢(shì)誘導(dǎo)衰減效應(yīng)的抑制機(jī)理。該工作旨在為新型光伏組件封裝材料的選擇和組件的PID效應(yīng)抑制，為提高光伏組件發(fā)電效率、延長(zhǎng)組件發(fā)電壽命提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電勢(shì)誘導(dǎo)衰減效應(yīng);鈉離子遷移;分子動(dòng)力學(xué)模擬;光伏組件封裝材料;機(jī)理研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TK514" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0072-04

Abstract： Potential Induced Degradation （PID） effect is one of the main factors causing power degradation in photovoltaic modules under outdoor operating conditions. Among various PID effects， the generation mechanism of PID-s is believed to be related to the migration of sodium ions released during glass decomposition. Therefore， whether replacing the commonly used EVA film with a high-resistance encapsulation film can effectively suppress PID-s effects remains an unresolved question. In this study， molecular dynamics simulations were used as a research method to analyze the water molecule and sodium ion permeability of POE and EVA films from the perspectives of molecular dynamic diffusion characteristics， intermolecular interaction energy， and electrostatic potential distribution of polymer molecules. The inhibitory mechanisms of the two membranes on potential-induced degradation effects were compared at the molecular level. This work aims to provide theoretical guidance for the selection of encapsulation materials for new photovoltaic modules and the suppression of PID effects in modules， for the improvement of the module power generation efficiency and the elongation of the module service life.

Keywords： potential induced degradation effect; sodium ion migration; molecular dynamics simulation; photovoltaic module encapsulation materials; mechanism study

光伏組件是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的載體，是光伏電站最重要的組成部件。PID現(xiàn)象是導(dǎo)致光伏組件在戶(hù)外運(yùn)行時(shí)發(fā)生大面積漏電和功率衰減的重要原因之一[1-3]。現(xiàn)已報(bào)道的PID機(jī)制包括PID-s[4]、PID-p[5]、PID-c[6]等。其中，PID-s機(jī)制是迄今為止研究最透徹的PID現(xiàn)象成因。已有報(bào)道顯示，該現(xiàn)象與電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)的玻璃中分解釋放的鈉離子的遷移[7]并在pn結(jié)附近的堆積有直接關(guān)聯(lián)[8-9]。盡管鈉離子的產(chǎn)生機(jī)理至今仍沒(méi)有定論，但在這一機(jī)制中，鈉離子要從玻璃到達(dá)pn結(jié)電池，則必須穿過(guò)封裝膜。多種熱塑性有機(jī)聚合物[10]包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚烯烴彈性體（POE）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等均可作為封裝膜。而EVA憑借其高透射率（大于91%）、粘合強(qiáng)度，耐紫外線輻射等一系列優(yōu)點(diǎn)[11-12]，成為應(yīng)用最廣泛的封裝材料。

為有效減輕或防止PID-s，組件制造商和科研工作者進(jìn)行了多種嘗試?？紤]到EVA和POE膜的電阻率分別為1013～1014和1015～1016 Ω·cm，使用電阻率更高的POE材料阻止離子傳輸是方法之一。研究表明，使用EVA作為封裝膜的組件比使用POE或離子聚合物阻隔層構(gòu)建的組件更容易受到PID-s效應(yīng)的影響[13]。但也有實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)比較用EVA和POE封裝的單電池模塊的性能表明，在沒(méi)有Na+或其他離子的情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電阻率并不與PID-s的性能相關(guān)[14]。

對(duì)于此種爭(zhēng)論的證明，更多的是存在于實(shí)驗(yàn)層面，而更深層次的機(jī)理分析并未見(jiàn)報(bào)道。分子動(dòng)力學(xué)模擬在探索原子分子層面的動(dòng)態(tài)機(jī)理過(guò)程方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此本工作通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了EVA和POE聚合物對(duì)于水和鈉離子的阻擋和滲透特性。系統(tǒng)性地分析并比較了EVA和POE聚合物對(duì)水分子和鈉離子滲透的阻擋能力，從分子結(jié)構(gòu)特性層面深入闡明以POE膜取代EVA膜對(duì)PID-s效應(yīng)的抑制機(jī)理。本工作旨在為新型光伏組件封裝材料的選擇和組件的PID效應(yīng)抑制提供理論指導(dǎo)。

1" 實(shí)驗(yàn)方法

本工作利用Materials Studio 8.0構(gòu)建了EVA、POE、水和鈉離子4種初始模型，并采用Hartree-Fock方法和6-31G基組進(jìn)行了構(gòu)象優(yōu)化，量子力學(xué)計(jì)算以高斯軟件包完成。EVA和POE膜分別由36條鏈組成，膜兩側(cè)分別填充100個(gè)水分子和鈉離子形成4個(gè)復(fù)合體系，分別命名為EVA-水、EVA-鈉、POE-水和POE-鈉體系，如圖1所示。所有分子動(dòng)力學(xué)模擬均采用GROMACS 2016.4軟件和OPSL-AA力場(chǎng)模擬。所有體系采用周期性邊界條件（PBC），PME截?cái)嗑嚯x為14 ?。模擬體系經(jīng)過(guò)5 000步最陡下降法最小化處理，然后升溫至300 K，1atm下進(jìn)行100 ns動(dòng)力學(xué)模擬，采用等溫-等壓（NPT）系綜和Berendsen恒溫器和恒壓器算法，時(shí)間步長(zhǎng)為2 fs。

均方根偏差（RMSD）用于表征不同溶劑中各條EVA和POE鏈相對(duì)于初始體系的擴(kuò)散狀態(tài)，采用GROMACS分析工具包中的gmx rms模塊計(jì)算。聚合物與溶劑之間的相互作用能是通過(guò)gmx energy模塊獲得的，總相互作用能（ETotal）包括范德華作用能（ELJ）貢獻(xiàn)和靜電作用能（ECoul）貢獻(xiàn)，如公式（1）所示。

ETotal=ELJ+ECoul" "。（1）

2" 結(jié)果與討論

2.1" EVA和POE膜的水分子滲透性比較

如圖2和圖3所示，隨著模擬的進(jìn)行，水分子沒(méi)有進(jìn)入或者穿過(guò)EVA和POE膜的內(nèi)部，而是呈逐漸擴(kuò)散遠(yuǎn)離膜表面。

為進(jìn)一步分析水分子在動(dòng)力學(xué)過(guò)程中與聚合物膜結(jié)構(gòu)的相互作用，分別選取30個(gè)初始位置在EVA和POE聚合物孔洞內(nèi)部或表面附近的水分子進(jìn)行分析。由圖4可知，整個(gè)模擬過(guò)程中，除去初始時(shí)刻體系結(jié)構(gòu)的調(diào)整導(dǎo)致的變化外，EVA膜孔洞和表面水分子的RMSD數(shù)值基本穩(wěn)定在2.4 ?附近，而POE體系中，水分子的RMSD值則基本穩(wěn)定在3.0 ?附近，即比較而言POE體系中水分子擴(kuò)散程度更大。

分別計(jì)算2個(gè)含水體系中30個(gè)水分子與聚合物間的相互作用，見(jiàn)表1。對(duì)于EVA體系，庫(kù)倫作用平均值為-128.10 kJ/moL，范德華作用為-84.50 kJ/moL，平均總相互作用為-212.60 kJ/moL。而對(duì)于POE體系，平均庫(kù)倫作用僅為-0.22 kJ/moL，平均范德華作用為-56.48 kJ/moL，平均總相互作用為-56.70 kJ/moL。2種聚合物與水分子的總相互作用均為負(fù)值，表現(xiàn)為吸引作用。但明顯地，EVA與水分子間的作用更強(qiáng)烈，且主要表現(xiàn)為庫(kù)倫作用為主導(dǎo)，這是因?yàn)镋VA結(jié)構(gòu)包含極性的醋酸乙烯結(jié)構(gòu)單元，而POE結(jié)構(gòu)中則整體為疏水性的C-H結(jié)構(gòu)單元，表現(xiàn)出比EVA更好的疏水作用。因此，作為光伏組件所采用的封裝材料，POE比EVA會(huì)表現(xiàn)出更好的防潮作用，有利于阻止水分子滲透。

2.2" EVA和POE的離子穿透性比較

同樣，在EVA-Na+和POE-Na+體系的模擬過(guò)程中，選取孔洞內(nèi)部或膜表面的30個(gè)Na+作為研究對(duì)象。如圖5所示，除去初始時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致的RMSD變化外，EVA膜孔洞附近和內(nèi)部的Na+的RMSD在0.2 ?附近保持穩(wěn)定波動(dòng)，而POE膜孔洞附近和內(nèi)部的Na+的RMSD曲線則在0～0.3 ?內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明鈉離子在EVA的內(nèi)部移動(dòng)相對(duì)更加活躍。

分別計(jì)算EVA和POE與鈉離子的相互作用能，見(jiàn)表1。EVA和Na+之間的平均庫(kù)倫作用強(qiáng)度為-671.91 kJ/moL，平均范德華作用強(qiáng)度為149.47 kJ/moL，平均總相互作用強(qiáng)度為-522.44 kJ/moL。而對(duì)于POE體系，POE和Na+之間的平均庫(kù)倫作用強(qiáng)度僅為-1.36 kJ/moL，平均范德華作用強(qiáng)度為29.22 kJ/moL，平均總相互作用強(qiáng)度為27.86 kJ/moL。

因此，2種膜與鈉離子的相互作用差別非常明顯：EVA與鈉離子之間的相互作用強(qiáng)烈，且總相互作用力為負(fù)值，表現(xiàn)為相互吸引，由庫(kù)倫作用主導(dǎo)。由靜電勢(shì)表面分析（圖6）可知，EVA的醋酸乙烯結(jié)構(gòu)單元為負(fù)靜電電勢(shì)集中的區(qū)域，而鈉離子為正電荷中心，故二者表現(xiàn)為庫(kù)倫吸引作用。反觀POE，靜電勢(shì)表面主要分布在中性區(qū)，故聚合物與鈉離子之間的相互作用較弱，且總體表現(xiàn)為相互排斥。

3" 結(jié)論

本研究采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了EVA和POE對(duì)水和鈉離子的滲透阻擋作用機(jī)理。研究顯示，由于EVA結(jié)構(gòu)中極性的醋酸乙烯結(jié)構(gòu)單元的存在，導(dǎo)致EVA對(duì)水分子和鈉離子均具有較強(qiáng)的吸引作用;而POE分子整體為均勻的中性靜電勢(shì)表面，對(duì)極性的水分子和帶正電荷的鈉離子均具有較強(qiáng)的阻隔作用。因此，本組模擬表明，即使不從電阻率的角度，而是從分子結(jié)構(gòu)特性層面而言，以POE為封裝膜的組件對(duì)PID-s現(xiàn)象應(yīng)具有一定的延緩或抑制作用，可有效延長(zhǎng)光伏組件的工作壽命，提升發(fā)電效率。

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第一作者簡(jiǎn)介：曲彥東（1991-），男，工程師。研究方向?yàn)楣夥庋b材料。

*通信作者：楊明明（1983-），男，工程師。研究方向?yàn)閯?dòng)力學(xué)模擬。