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高分子光伏组件封装膜的最新研究进展

本文主要总结了近几年关于EVA光伏组件封装膜的研究进展,包括EVA的稳定性、失效机制、物理特性和改性研究,讨论醋酸乙烯酯(VA)含量及湿热条件下EVA材料的分解情况以及对光伏组件的影响;
 

EVA封装膜研究进展

乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)由于其机械和物理特性、易于加工以及良好的耐化学性和电阻性,被广泛用于热熔粘合剂和生物医学设备等。
同时,EVA构成的共聚物封装膜因具有透光率高、抗紫外线辐射、与玻璃良好的附着力和相对耐候性等优点,成为晶体硅光伏组件首选的封装膜材料。

EVA,光伏膜
EVA作为光伏封装膜应用时,VA的重量百分比在28%~33%之间,并与交联剂、偶联剂、紫外线(UV)吸收剂、光抗氧化剂和热抗氧化剂等添加剂混合。
加工过程包括:先将混合后的原料通过挤出、流延压制后得到EVA封装膜;在后续光伏组件的生产中,在一定温度和压力的环境下,EVA膜在交联剂与偶联剂的作用下交联固化,形成三维网状结构,与面板、背板以及太阳能电池片发生粘结,改善组件机械性能的同时,也加强了玻璃的透光率。
 
EVA作为光伏组件封装材料性能有优势,但近年来有研究表明,湿度、温度和紫外线辐射等环境因素会降低EVA的封装性能,EVA在热带气候条件下运行约15年后会发生严重变色和分层现象。
EVA在湿热条件下分解,还有可能导致组件发生电位诱导衰减现象(PID),这种现象会使光伏组件的效率在运营几年后迅速下降,严重降低组件的使用寿命。
UmangD等人制造了四种含有不同醋酸乙烯(VA)含量的EVA薄膜,并层压在两层背板之间,将层压后的背板放在相对湿度85%的环境中进行1000小时的湿热老化,老化结束后利用剥离测试评估样品与背板之间的粘合强度。
通过测试发现,VA含量在24%的情况下,老化前后的粘合强度没有受到影响,VA含量在18%的样品,老化后粘合强度增加,VA含量在33%和40%的两种样品粘合强度有不同程度的下降。
进一步通过凝胶含量测量不同样品的交联度,并通过热重分析测量样品VA含量的变化,发现老化后粘合强度升高的样品,交联度和VA含量都有明显的上升趋势。
研究表明:VA含量为18%和24%的样品比VA含量为33%和40%的样品具有更高的耐老化性。这个研究对后续封装膜的配方设计有重要的指导意义。
常州大学丁盛等人研究了作为光伏组件的EVA胶膜的交联体系,对EVA胶膜的交联性能、粘结性能和透光性能进行了研究。
他们发现:助交联剂可以延长交联剂中过氧化物自由基的寿命,随着助交联剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)的含量增加,交联度会升高,当交联剂质量分数0.5%,助交联剂0.6%时,交联效果最好、最经济。
研究还发现,随着硅烷偶联剂的增加,剥离强度有显著提升,但当偶联剂含量达到0.25%后,由于硅烷偶联剂含量达到饱和,剥离强度不会进一步增加。
南京红宝丽新材料的祝丽娟等人也对EVA胶膜的交联体系进行了研究,主要研究不同偶联剂对于封装膜粘结强度的影响。
研究发现:具有不饱和双键结构偶联剂能与玻璃及背板材料表面的化学基团反应,从而可以增强封装膜与玻璃、背板之间的粘合力;偶联剂A-3除了不饱和双键结构,还具有较长的分子链,长分子链链段具有易旋转、柔顺性好等特点,在封装膜生产中可成为交联体系中偶联剂的首选。
北京工业大学的勾宪芳研究了EVA封装膜交联体系对PID衰减的影响,实验选用VA含量为28%的EVA原料,改变不同偶联剂、交联剂及助交联剂的含量,探索不同交联体系抗PID衰减的效果。

通过实验发现,改变交联体系中偶联剂、交联剂、助交联剂任一成分,均会改变材料的体积电阻率,同时抗PID衰减性能也会发生变化。

助剂添加量和体积电阻率并不完全成正比关系,当偶连剂、交连剂、助交联剂的质量分数比为1.5∶1∶1时,制备的EVA封装膜呈现出较高的体积电阻率,同时呈现出较好的抗PID性能。
助剂在交联过程中影响交联体系中网格结构的密度,当网格结构稀疏时,体积电阻率低,容易发生PID衰减现象,反之,材料体积电阻率高,则不容易发生PID衰减现象。
在EVA交联体系中添加复合稳定剂可以提高EVA封装膜的稳定性。
研究表明,添加稳定剂后,由于各组分间的协同作用相比于单一稳定剂更能降低EVA的老化速率,紫外线吸收剂和光稳定剂的复合可以延缓EVA的光降解,添加光频转换材料可以将照射到EVA表面的紫外光转变为可见光,降低EVA老化速率的同时提高光伏组件的光电转化效率。
XueH等人研究发现,在EVA中添加稀土物质如Y2SiO5:Ce3+、Yb3+可提高导热性和对基材的附着力,而不会降低其光学性能和电绝缘性。
在光伏组件中,使用稀土物质改良的封装膜在光伏模块中的高导热性和良好粘附性可避免气体、水分的进入和液态水的积聚,从而提供防腐蚀保护。

高分子光伏组件,封装膜

其次,目前高分子光伏组件封装膜的研究进展主要体现在材料创新、性能提升和工艺优化等方面。

在材料创新方面,研究者们不断尝试新的高分子材料,以改善封装膜的性能。例如,乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和聚烯烃弹性体(POE)是目前广泛使用的两种封装膜材料。EVA封装膜由于其良好的机械和物理特性、易于加工以及良好的耐化学性和电阻性,被广泛应用于光伏组件的封装。而POE封装膜则具有低水汽透过率、高体积电阻率以及优异的耐老化性能,适用于高效率双面电池应用。

在性能提升方面,研究者们通过优化材料的配方和结构,提高封装膜的耐候性、抗老化性、透光率等关键指标。例如,通过调整EVA中VA的重量百分比,以及添加合适的交联剂、抗老化剂等助剂,可以改善EVA封装膜的性能。同时,对POE材料进行改性处理,提高其与玻璃、背板等材料的粘结力,也是目前研究的热点之一。

在工艺优化方面,研究者们不断探索新的封装技术和工艺,以提高生产效率、降低成本并改善封装质量。例如,采用先进的熔融挤出和压延技术,可以制备出具有优异性能的封装膜。同时,通过对封装过程进行精确控制,可以确保封装结构的稳固性和密封性。

高分子光伏组件封装膜的研究进展不断推动着光伏产业的发展。随着新材料、新技术和新工艺的不断涌现,相信未来会有更多高性能、高可靠性的封装膜产品问世,为光伏组件的安全运行和长期使用提供有力保障。