EVA封装胶膜研究进展与发展趋势

江苏爱康太阳能科技股份有限公司 ■ 周先国 韩继昌 康裾昆 王永德

中国科学技术大学核科学技术学院 ■ 张 军

一 引言

近年来世界光伏发电产业呈现出良好的发展趋势，光伏组件的产量、安装量都在不断增加。2010年全球太阳电池产量约24GW，并网光伏系统安装量累计将达到40GWp，光伏发电以其独特的优势备受青睐[1,2]。世界各国都非常重视光伏产业的发展，目前美国、欧洲和日本等都制订了中长期太阳能光伏发展计划。按照这些计划，到2020年全球光伏装机容量将达到1000GW，其发电量将占总发电量的5%左右。随着技术的进步，或许未来的实际进程还将超出这一规划。

表1 2010～2015年全球太阳能新增装机容量与对应EVA胶膜市场需求量及预测

图1 2010～2015年全球太阳能EVA胶膜市场需求量与增长率及预测（EPIA）

中国是世界上最大的太阳电池及组件的生产基地。2007年中国太阳电池产量已经跃居世界第一，到2010年产量达到10.7GW，已占据全球产量的半壁江山。我国涉及太阳能的生产企业也达到3000多家，从业人员多达百万人，产业发展迅速。从表1与图1中可以看出，伴随着世界和中国光伏发电产业的快速发展，太阳电池组件封装材料EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)胶膜市场也得到快速增长，许多企业纷纷进入这一行业。本文将重点介绍近年来太阳电池EVA封装胶膜的研究进展和未来发展趋势。

二 光伏组件的封装

光伏组件是光伏发电系统的核心部分，其作用是将太阳能转换为电能。太阳电池若直接暴露于大气中，其光电转换效率易衰减，性能会大大降低。良好的电池封装不仅可使组件的寿命得到保证，而且还可增强组件的抗击强度。封装流程在光伏组件生产中起着至关重要的作用，其封装材料的选择也显得尤为重要。

目前，除小功率(5W以下)的光伏组件表面采用环氧树脂进行胶封外，对大功率的光伏组件，常见封装结构如图2所示，表面用透过率大于90%的玻璃，厚3mm，太阳电池的上、下两层为抗老化的高分子聚合物(EVA胶膜)，衬底用复合塑料膜(TPT塑料)，五层材料经层压机高温层压后加上铝合金框密封就得到完整的光伏组件[3]。上表面封装材料也可用高分子薄膜来代替封装玻璃，例如表面采用一层PET聚酯薄膜，衬底改为印制电路板加强其牢度，PET的透过率在85%以上，这种封装模式可减轻光伏组件的质量，并降低成本。同时，也有上下表面都用太阳能玻璃封装，光伏组件与建筑材料相结合的光伏幕墙(BIPV)式封装就是一种双层玻璃结构，把光伏组件作为建筑的一部分，与整个建筑物融为一体，对建筑物既起到装饰作用又达到了光伏发电的目的。

光伏组件封装方式虽稍有差异，但普遍采用的封装胶膜都是高分子聚合物，目前主要是EVA胶膜。因高分子聚合物和太阳电池及其他材料的热膨胀系数存在差异，会导致电池开裂、封装材料的断裂或与其他材料分离，因此封装胶膜必须能包容组件中不同材料的热膨胀系数差异，不会对太阳电池和其他材料有内应力作用[4]。为达到此要求，封装胶膜需具有很好的黏弹性。同时，为保证太阳电池可较好地利用太阳光，还要求封装胶膜在太阳电池可利用光谱范围内具有良好的透光率。此外，从经济和实际应用考虑，封装胶膜还应满足的要求为：低成本、低吸水性和渗水率、良好的抗紫外线降解和热氧化能力，从而为光伏组件室外应用提供物理隔离、电绝缘、抗老化等作用，提高组件的使用寿命[5～7]。

三 EVA封装胶膜及其工艺分析

目前，市场上电池封装材料普遍采用EVA胶膜。EVA 是乙烯与醋酸乙烯酯(VA)的共聚物，其结构如图3所示。

图3 EVA聚合物结构式

EVA 是一种热熔性塑料，其性能与VA含量及熔融指数(MI)有关。当MI一定时，VA 的含量增高，EVA 的弹性、柔软性、粘合性、透明性和溶解性提高；VA 的含量降低，EVA 则接近于PE(聚乙烯)的性能，刚性变大、耐磨及电绝缘性上升。当VA 含量一定时，MI增加，分子量降低，软化点下降而加工性及光泽性改善，但强度低；反之MI降低，分子量增大，可提高耐冲击性和应力开裂性[8,9]。目前太阳电池EVA封装胶膜VA含量一般在30%～33%，是一种热固性的膜状热熔胶，常温下不发粘，便于操作。

为满足光伏组件25 年的使用年限要求，国际电工委员会和美国保险商实验室等针对光伏组件出台了IEC 61215及UL 1703 等测试标准，作为封装材料的EVA胶膜必须满足各方面的性能测试。为提高太阳能封装胶膜的各方面性能，需在EVA 胶膜生产过程中添加各种助剂，如抗氧剂、光稳定剂和增粘剂等。但添加助剂与层压过程中残留的交联剂间的缓慢反应会导致生色基团的产生，从而使EVA 胶膜在长期使用过程中变黄，透光率降低。同时，EVA 成膜采用的是双螺杆挤出机挤压成型工艺，不同的EVA基料、EVA 胶膜的配方，选择不同的挤压温度等生产工艺，对提高EVA胶膜的各方面性能至关重要。此外，除EVA胶膜本身的质量外，在组件生产过程中层压机的层压工艺影响也非常大，如EVA交联度不达标，EVA与封装玻璃、背板粘结强度不够，都会使光伏组件提早老化，影响组件使用寿命。因此，EVA化学组成，胶膜生产配方、结构和性能以及胶膜的应用条件等对光伏组件室外使用寿命、光电转换效率的关系都需进一步系统研究[10,11]。

四 国内外研究进展

各国学者和企业界人士都强烈意识到，太阳电池的封装材料是提高光伏组件寿命、降低系统成本的一个关键因素。为推进光伏发电产业的发展，早在20世纪70年代，美国Jet Propulsion 和Springborn 实验室就开始研究太阳电池封装材料，国家可再生能源实验室(NREL)的F.J.Pern 等在太阳电池封装材料研制领域中也做了大量卓有成效的工作。在太阳电池封装材料的发展过程中，如有机硅树脂、环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯－丙烯酸甲酯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物都曾被试用，但因成本、性能、施工方式等各种原因，都被淘汰或仅在小范围内应用。如PVB早在20世纪70年代就已开始用于太阳电池封装材料，其抗紫外线老化、透明性、与玻璃粘接力以及存放时间(可长达4年，而EVA仅为6个月)都优于目前应用最广的封装材料EVA，但因其成本较高、生产周期较长，现在也仅占有约15%的市场份额。

目前，世界各地的光伏组件的生产商普遍采用EVA胶膜作为封装材料。为进一步提高光伏组件使用寿命，促进光伏发电的推广应用，发达国家己对光伏组件的封装材料提出了长达30年寿命的研究目标，并为这个目标投入了大量的资金和人力。然而，目前的EVA封装材料还难以达到这一要求。

我国在20世纪80年代后期开始引进太阳电池生产线，同时从美国进口封装胶膜。EVA胶膜市场一直被国外化工巨头(杜邦、三井化学、普利司通等)垄断，我国的EVA胶膜生产只能满足部分光伏组件企业的需求，国内市场存在较大缺口。为改变每年进口封装材料的被动局面，国家科委将EVA胶膜国产化列入“八五”攻关计划。为实现EVA 胶膜国产化，很多科研单位于20世纪80年代后期都开始EVA封装胶膜的研究。浙江省化工研究院于20世纪80年代后期开始研发，1998年成功研制JME型EVA胶囊，其透光率、粘接强度、交联度等性能指标基本达到进口产品水平，随后建成了国内第一条自控程度较高的EVA胶膜生产线，能够年产幅度达1m以上的EVA胶膜30万m2。后又将第二代快速固化胶膜推向市场，现年产能力100余万m2。

随着我国自主研发生产能力的增强，国内产品也渐渐有所展露，如杭州福斯特热熔膜有限公司、深圳市斯威克科技有限公司、温州瑞阳光伏材料有限公司、广州鹿山新材料股份有限公司、江苏爱康太阳能科技股份有限公司、台湾塑胶工业股份有限公司等企业都相继进入EVA胶膜的研发与生产行列，并且生产规模发展迅速。而国内EVA胶膜的生产原材料供应商也有北京有机化工、北京华美、南京扬巴石化、燕山石化、四川维尼纶厂等企业。其中，杭州福斯特可以说是国内EVA胶膜企业高端产品的代表者，2010年杭州福斯特的销售额超过3亿元，净利率超过20%。成立于2006年的温州瑞阳光伏材料有限公司可以说是后起之秀，2009 年8 月，中国可再生能源学会光伏专业委员会召开光伏组件用高性能EVA胶膜评审会。经讨论认定，由温州瑞阳光伏材料有限公司和杜邦公司合作研制的“瑞福REVAX”EVA 胶膜性能达到国际先进水平，产品分别经1000h紫外老化、热老化和湿热老化试验后，黄变指数均小于2[12,13]。此外，国内很多高校及科研机构也对EVA封装胶膜行了相关研究，如华东理工大学、华南理工大学、中国科学技术大学和南京大学等也相继开展了相关科研项目。国内科研机构及企业在EVA胶膜研发方面申请国家发明专利和实用新型专利多达几百个。可见，国内太阳能EVA封装胶膜的研发实力与产品质量都在不断提升。

五 未来发展趋势

长期以来，中国光伏产业“两头向外”的特征明显，一头产业链上游的硅料和硅锭生产等高端原材料和技术需从国外进口，另一头产业链下游的光伏应用产品主要销往国外。光伏行业排名前五名企业几乎90%以上的产品都是用于出口国外，而上游的硅料和硅锭生产也在很长时间依靠国外的技术，对国际市场依赖性大，受国际原材料价格影响也很大。最近欧洲各国相继宣布将下调2012年的光伏补贴，美国商务部也正式宣布对中国出口美国的太阳电池(组件)发起反倾销和反补贴调查。加上光伏产品价格持续深跌，国内很多光伏企业将可能出现破产或者大幅度亏损，光伏产业的“冬天”已经来临。

不过，通过光伏企业的产业整合及国内光伏市场的不断开拓，很多业内人士仍看好光伏产业的发展前景，光伏产业的春天很快会来临。根据相关机构测算，2020年世界光伏系统累计装机容量设置为200GWp，这就需要高性能EVA 封装胶膜约30亿m2。所以太阳电池EVA封装胶膜仍然有广阔的市场前景。现在国内EVA 封装胶膜在产品质量上与国外产品相比还有一定差距，知名太阳电池厂家如无锡尚德、浙江昱辉、江苏CSL、天合光能、江苏韩华、河北晶澳、中电光伏、江西塞维等在海外上市企业所需胶膜还是以进口为主。进口EVA胶膜的价格是国产胶膜的几倍，要打开国内EVA封装胶膜市场，产品国产化已成为必由之路，发展具有自主知识产权的高性能EVA 封装胶膜将是未来国内发展的整体趋势，广阔的市场前景也必然能带动国内EVA封装胶膜的研发热潮。

一方面目前EVA封装胶膜主要的原材料供应商在国外，主要依靠进口，可能会面临原材料短缺和EVA封装胶膜市场快速增长的矛盾，所以要加强EVA高分子母粒合成和EVA胶膜的改性方法的研究，从原材料和生产技术上提高国内EVA胶膜的质量。另一方面，寻找可替代EVA封装胶膜性能更优越的新材料也是一个研究热点。例如拜耳材料科技公司曾成功开发出一种耐光热塑性聚氨酯，利用这种聚氨酯制成太阳能封装胶膜，可减少胶粘过程，缩短生产周期；另外这种封装胶膜封装后可重新熔融，很方便地更换坏掉的组件，使太阳电池可重复利用。杜邦公司也在研发一种新型太阳电池封装材料，以Surlyn树脂为主要原料，它也是一种热塑性树脂，具有高透明、优良的耐候性能等特点，也有可能取代EVA 封装胶膜[14,15]，所以，国内也应该加强EVA封装胶膜可替代新材料的研发。此外，随着市场的不断细分，满足个性化需求的太阳能封装材料是一个发展趋势，例如根据太阳能组件不同地区应用温度、湿度等差异，应用不同配方的太阳能EVA封装材料，从而提高组件使用稳定性。当然，加强企业与科研院所及高校的技术合作，采用产学研相结合的模式使EVA研发方面的新材料、新配方、新技术快速进行产业化也是一个发展趋势。例如广州鹿山新材料股份有限公司就与中国科学院广州能源研究所、华南理工大学联合开发太阳电池用EVA封装胶膜，目前在企业建立了国家级博士后科研工作站。江苏爱康太阳能光伏材料研究所聘请了游效曾院士为爱康研发中心首席顾问，加拿大阿尔伯特大学、日本高知大学张发饶博士为爱康研发中心首席科学家，与国家级实验室共建实验平台，与知名院校共建产学研基地，致力于光伏组件专用EVA胶膜的研究和发展。

六 结语

太阳电池EVA封装胶膜虽然在整个光伏组件系统中所占比重不大，但它的作用却非常重要。EVA封装胶膜的性能直接决定了太阳组件的使用效率及寿命。因此，随着太阳电池技术的发展，市场的需求不断增加，对新型EVA封装胶膜的研发和产业化势在必行、迫在眉睫。国内需要加大新产品研发与产业化进程，快速发展具有自主知识产权的高稳定性、可靠性、耐用性的高性能EVA 封装胶膜。

[1]Goetzberger A, Heblinga H, Schock H W. Photovoltaic materials,history, status and outlook[J]. Materials Science and Engineering,2003, 40: 1－46.

[2]赵玉文. 光伏产业发展现状、趋势及思考[J]. 太阳能, 2011,(18): 34－39.

[3]赵争鸣, 刘建政, 孙晓瑛, 等. 太阳能光伏发电及其应用[M]. 北京: 科学教育出版社, 2005.

[4]徐雪青, 沈辉, 邓润坤, 等. 若干太阳电池封装用粘接剂的耐老化性能评价[J]. 太阳能学报, 2004, 25(4): 438－442.

[5]李国雄, 许妍, 林安中, 等. 太阳电池中EVA胶层的性能研究[J]. 太阳能学报, 1998, 19(1): 98－101.

[6]陈小青, 申明霞. 光伏组件用EVA封装胶膜的老化研究进展[J]. 粘接, 2010, (12): 65－69.

[7]申明霞, 李红香, 何辉. 光伏组件用密封剂研究进展[J]. 粘接,2008, (7): 29－32.

[8]Czanderna A W, Pern F J. Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant: a critical review[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996, 43(2): 101－181.

[9]Van Dyk E E, Audouard A, Meyer E L, et al. Investigation of the degradation of a thin film hydrogenated amorphous silicon photovoltaic module[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, 91(2/3):167－173.

[10]刘耀华, 周志英, 郑红亚, 等. 太阳电池封装材料( EVA)简介[J]. 中国建设动态：阳光能源, 2007, (1): 45－47.

[11]李连春, 李光吉. 太阳电池用EVA胶膜的制备与性能研究[A].第八届光伏会议论文集[C], 2004: 617－620.

[12]张臻, 沈辉, 李光吉, 等. 太阳组件用EVA胶膜在紫外光老化中的性能变化[J]. 太阳能学报, 2007, 28(11): 1221－1226.

[13]詹显光, 蒋祥吉, 詹茸茸, 等. 光伏组件用高性能EVA胶膜的研发[J]. 中国建设动态：阳光能源, 2009, (6): 40－41.

[14]余鹏, 李伟博, 唐舫成, 等. 太阳能电池封装材料研究进展[J].广州化工, 2011, 39(3): 34－35.

[15]伍桂松，张晓茹. 我国乙烯－醋酸乙烯共聚物现状及发展建议[J]. 化工技术经济, 2003, 21(7): 23－28.