光伏组件封装用EVA胶膜的研究进展

齐锴亮，雷蕊英

（陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西 咸阳 712000）

光伏组件封装用EVA胶膜的研究进展

齐锴亮，雷蕊英

（陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西 咸阳 712000）

综述了光伏组件封装用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）胶膜的生产工艺、应用领域以及最新研究进展，并对今后的发展方向和趋势进行了展望。

光伏组件；封装；EVA胶膜；应用

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源[1，2]。当今全球气候变暖和能源危机日益加重，提高太阳能利用率对改善全球环境、缓解能源危机和促进经济可持续发展具有十分重要的意义。

太阳能发电系统是由光伏组件、光伏支架、直流汇流箱、并网逆变器和配电柜等设备组成[3～5]，其中光伏组件是这套系统的核心。常见光伏组件的结构如图1所示，即通过乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）胶膜将光伏电池封装到光伏玻璃和光伏背板之间。由于光伏电池本身极易破碎，并且光伏电池如果直接接触雨雪、风沙和灰尘时会严重影响光伏电池的光电转换效率，因此，采用封装材料EVA胶膜将光伏电池、光伏玻璃和光伏背板封装成光伏组件，不仅可以提高整个光伏组件的使用寿命，同时也可以减缓光伏电池的衰竭速率。

图1 光伏组件的结构Fig.1 Structure of PV module

2016年，中国全年的光伏发电新增装机容量超过34 GW，累计光伏装机总量达到77 GW，新增和累计装机容量均为世界第一。到2020年，我国的光伏发电装机总量将达到150 GW以上，这意味着未来几年光伏封装用EVA胶膜的市场将超过100亿元。因此，研制出性能优异的光伏封装用EVA胶膜已成为光伏材料领域的研究热点和发展方向。

1 光伏组件封装用EVA胶膜的生产工艺

众所周知，光伏组件的使用寿命要求达到25年，这就对光伏组件封装用材料提出了非常苛刻的要求。在光伏组件的研制初期，科学家们曾采用有机硅树脂、环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物作为光伏组件封装用材料，但由于存在成本较高、性能较差以及施工繁琐等原因，这些材料最后都没有被采用。

EVA树脂的力学、耐热、耐候和透光性都与EVA树脂的相对分子质量（Mr）和醋酸乙烯酯（VA）的含量有关。通常情况下，当EVA树脂的Mr一定时，VA含量越大，EVA树脂的透光率越高，粘接性能和剥离强度就越大；当EVA树脂中VA含量一定时，Mr越低，EVA树脂的流动性和加工性就越好，但其粘接强度和剥离强度会有所下降。大量研究表明：将交联固化剂、紫外线吸收剂、抗氧剂和增塑剂等助剂与VA含量为28%～33%的EVA树脂均匀混合后，经过混炼塑化、流延挤出、冷却成型和收卷等一系列工序，最终可以制得光伏组件封装用EVA胶膜。常温下，光伏组件封装用EVA胶膜无粘性、半透明，在光伏组件层压过程中，EVA胶膜受热发生交联反应，表现出较高的透光率、优异的粘接性能和出色耐候性能，因此已成为当今应用相对最为广泛的光伏组件封装材料。

2 导热型光伏组件封装用EVA胶膜的研究进展

研究表明，光伏电池表面温度每升高1℃，光伏组件的光电转换效率会下降3‰～5‰[6]。采用风冷和水冷等物理方式降低光伏组件温度，不仅施工困难，而且成本较高。如果能通过提高光伏组件自身的散热性能，将有利于提高光伏组件的发电效率。因此，越来越多的科研工作者通过改善EVA胶膜的导热性能，从而实现光伏组件发电效率的提高。

沈明霞等[7]以为导热填料，以钛酸酯偶联剂NDZ-311（TC）、乙烯基硅烷偶联剂A-151（SC）和硬脂酸（SA）为表面处理剂，研究了不同表面处理剂对Al2O3/EVA复合胶膜导热性能、力学性能和粘接性能的影响。从表1和表2可以看出，Al2O3的加入可以明显提高EVA胶膜的导热性能，并且Al2O3经过SC、TC和SA表面处理后，由于SC和TC可以在Al2O3和EVA分子之间起到搭桥作用，从而使Al2O3通 过SC和TC处 理 后制得 的Al2O3/EVA复 合胶膜的热导率比纯EVA胶膜提高了1.28～1.94倍，拉伸强度提高了4.3%～5.8%，剥离强度略有下降；由于SA不仅不能在Al2O3和EVA分子之间产生搭桥作用，而且会使Al2O3和EVA分子之间发生隔离，因此，Al2O3采用SA处理后制得的Al2O3/EVA复合胶膜的热导率较纯EVA胶膜仅提高0.47倍，拉伸强度和剥离强度均出现了一定程度的下降。

表1 EVA与不同Al2O3的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of EVA with different Al2O3

表2 Al2O3表面性质和直径对导热性能的影响Tab.2 Effect of surface property and diameter of Al2O3on thermal conductivity of film

孙林等[8]以MgO为改性剂，制备了高填充MgO/EVA功能复合胶膜，同时研究了MgO对复合EVA胶膜导热性能、绝缘性能和粘接性能的影响。研究表明，MgO/EVA功能复合胶膜的热导率随MgO含量的增加而提高，当MgO的填充量低于50%时，MgO/EVA功能复合胶膜的绝缘性能能够满足作为光伏封装材料的要求。在低填充情况下，MgO可以均匀分散在EVA树脂中，如图2（a）所示，MgO可以促进EVA胶膜交联反应的快速进行，提高整个MgO/EVA功能复合胶膜的交联度，增加胶膜与光伏玻璃之间的交联点，从而提高MgO/EVA功能复合胶膜与光伏玻璃的剥离强度；反之，在高填充情况下，大量的MgO对交联剂产生的吸附作用会降低EVA胶膜的交联度，同时MgO在EVA树脂中会出现团聚现象，如图2（b）所示，造成整个MgO/EVA功能复合胶膜体系黏度上升，加工性能下降。

图2 MgO粒子的填充量为20%（a）和40%（b）功能复合胶膜的SEM照片Fig.2 SEM images of functional composite films filled with MgO particles of 20%（a） and 40%（b）

褚路轩等[9]以粉状ZnO和晶须ZnO为改性剂，制备了ZnO/EVA复合胶膜，研究了ZnO用量和表面形态对ZnO/EVA复合胶膜交联度、力学性能和导热性能的影响。研究表明，当ZnO的添加量低于20%时，ZnO对EVA的自由基交联反应起到了活化促进作用，提高了EVA胶膜的交联度，从而使ZnO/EVA复合胶膜与光伏玻璃之间的剥离强度有所提高；同时ZnO/EVA复合胶膜的拉伸强度和断裂伸长率无明显变化。从图3可以看出，与粉状ZnO相比，分散在EVA基体中的四针状ZnO晶须，其粒子之间更容易相互接触，形成“导热网络”，从而更容易使ZnO/EVA复合胶膜的热导率得到提高。

图3 晶须ZnO（a）和粉状ZnO（b）在EVA树脂中的SEM照片Fig.3 SEM images of ZnO whisker（a） and powdered ZnO（b） in EVA resin

范文豹等[10]以硅烷偶联剂KH570对四针状ZnO晶须（T-ZnOw）进行表面处理，制备了T-ZnOw/EVA导热型复合胶膜，研究了TZnOw/EVA导热型复合胶膜的化学结构和热导率的影响。图4是T-ZnOw经过KH570处理后的红外（FT-IR）谱图。从图4可以看出：TZnOw经过KH570处理后，T-ZnOw在2 921 cm-1和2 850 cm-1处出现了亚甲基的非对称和对称伸缩 振 动 峰 ，在1 463 cm-1和 1 635 cm-1处 出 现了羰基的伸缩振动峰以及C＝C双键的伸缩振动 峰 ，在1 382 cm-1和 1 076 cm-1处 出 现 了C—O键的伸缩振动峰和Si—O键的非对称伸缩振动峰，由此表明，KH570已成功连接在TZnOw表面。T-ZnOw经过KH570改性处理后制得的T-ZnOw/EVA复合胶膜的热导率明显高于未经表面处理的T-ZnOw/EVA复合胶膜。这是因为KH570水解成的聚硅醇与T-ZnOw表面的羟基可以形成氢键，氢键加热脱去水分子后形成的Si-O键使KH570与T-ZnOw的表面更容易结合；同时KH570与EVA分子链可以有效缠和，从而进一步增加了T-ZnOw与EVA树脂间的界面结合，减少了界面缺陷。当EVA树脂加热发生交联反应后，EVA分子链由线性结构变为空间三维网状结构，从而改善了整个复合胶膜结构的稳定性，提高了T-ZnOw/EVA复合胶膜的热导率。

图4 KH570处理T-ZnOw的FT-IR谱图Fig.4 FT-IR spectra of T-ZnOw treated with and without KH570

3 高性能光伏组件封装用EVA胶膜的研究进展

薛涵与等[11]采用纳米二氧化硅（SiO2）负载交联剂TBEC（叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯）的方法制备了高性能光伏组件封装用EVA胶膜，研究了光伏组件封装用EVA胶膜的固化动力学和流变学。研究表明，纳米SiO2负载的方法可以使TBEC的表观活化能从136.7 kJ/mol降低至126.8 kJ/mol，纳米SiO2负载TBEC的交联峰与纯TBEC的交联峰向短时间方向移动，由此表明，纳米SiO2负载可以有效提高EVA胶膜的交联速率。

李哲龙[12]先将丙烯酸铕与醋酸乙烯酯共聚，然后将得到的聚合物与EVA树脂共混制备了含有铕元素的光伏组件封装用EVA胶膜，研究了含铕的光伏组件封装用EVA胶膜的交联度和透光率。研究表明，加入铕元素的EVA胶膜之透过率达到了93%以上，其对300～400 nm紫外光波段的透过率不超过5%，黄变指数不超过0.8，因此，铕元素的加入可大大提高光伏组件封装用EVA胶膜的抗紫外老化性能。

祝丽娟等[13]通过在EVA树脂中加入聚异戊二烯、聚1,2-丁二烯和聚丁二烯苯乙烯共聚物等改性剂，改变了EVA树脂的陷阱能级和空间电荷分布，使电子迁移率下降，提高了EVA胶膜的绝缘性能，抑制了EVA水解产生的醋 酸 根 与 光 伏 玻 璃 表 面 析 出 的K+、 Na+和 Ca2+离子之间的反应，从而降低了电解液中阳离子在外加电场的作用下富集到光伏电池表面形成的反向电位差导致的电势诱导衰减（PID）现象的发生。

余鹏等[14]通过在EVA树脂中加入快速引发剂（如，过氧化二苯甲酰、特戊基过氧化-2-乙基乙酯和光氧化甲基异丁酮等）和慢速交联剂（如，叔丁基过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化乙酯酸和叔丁基过氧化碳酸-2-乙基乙酯等），研制出了一种低温快速固化的EVA胶膜，使整个EVA胶膜具有反应速率较快、反应温度较低等特点。因此，在不提高层压温度的条件下，不仅大幅提高了光伏组件的封装效率，而且不会出现定位胶带鼓泡、电池片移位、缺胶和焊带发黄等问题。

4 展望

目前，我国的光伏产业已达到了世界领先水平，光伏组件封装用EVA胶膜质量的优劣将直接影响我国光伏产业的发展[15，16]。本研究对光伏组件封装用EVA胶膜的研制现状进行了简要介绍，旨在引起从事光伏材料研发领域相关专业人士的关注，以此带动我国光伏组件封装用EVA胶膜研制的技术水平得到快速提高。

为了早日实现光伏发电平价上网，也为了给后人留下一个更好的生活环境，今后光伏组件封装用EVA胶膜的工作重点应集中在优化配料和生产工艺、降低成本、改善光伏组件封装用EVA胶膜的导热性能、抗PID性能、抗紫外老化性能和提高光电转化效率等方面，从而助力我国光伏产业进一步健康快速发展。

[1]叶开恒,译.太阳能光伏技术[M].西安:西安交通大学出版社,2011,1-6.

[2]张红梅,崔晓华,译.太阳能光伏电池及其应用[M].北京:科学出版社,2008,11-16.

[3]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2013,1-10.

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[5]葛庆,张清小.光伏电站建设与施工技术[M].北京:中国铁道出版社,2016,5-20.

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[14]余鹏,李伟博,唐舫成,等.一种低温超快速固化EVA胶膜[P].CN 103045105,2013-04-17.

[15]张增明,彭丽霞,吕瑞瑞,等.光伏组件封装EVA的热空气老化研究[J].合成材料老化与应用,2012,41(1):16-19.

[16]何卓铭,金尚忠,岑松原.固化条件对太阳电池EVA胶膜交联度的影响[J].发光学报,2011,32(1):78-82.

Abstract：The manufacture process and application fields of the ethylene-vinyl acetate copolymer ( EVA ) film for the photovoltaic ( PV ) module encapsulation were summarized, and the recent development of the EVA film for PV module encapsulation was reviewed. The future prospect and development direction of the EVA film was pointed out.

Key words：PV module; encapsulation; EVA film; application

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Research progress of EVA film for photovoltaic module encapsulation

QI Kai-liang，LEI Rui-ying
(School of Electrical Engineering, Shaanxi Polytechnical Institute, Xianyang, Shaanxi 71200, China)

TQ437

A

1001-5922（2017）10-0065-04

2017-08-04

齐锴亮（1983-），男，博士，研究方向：主要从事光伏组件封装材料的研发工作。E-mail：sidney1608@126.com。