熔融指数对POE胶膜性能的影响

周雪梅

（浙江利昌科技有限公司,浙江 温州 325016）

光伏发电是将太阳能通过光伏组件转换成电能。每1 MW光伏系统，每年可减排CO2900多t，可替代500多t标准煤。根据世界自然基金会研究结果，从减排二氧化碳效果而言，安装1 m2光伏发电系统相当于植树造林100 m2。自2008年以来，随着光伏技术的提升，光伏发电的价格已下降了90%，目前光伏发电具有显著的能源、环保和经济效益，是最优质的绿色能源之一[1]。

光伏组件中封装胶膜主要用于保护电池片，提高组件的使用寿命。乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA胶膜）是目前应用相对最广泛的高分子胶膜，其工艺成熟且性价比高[2]。但EVA胶膜水汽透过率低，容易分解释放醋酸分子，腐蚀玻璃和背板等部件，缩短组件的使用寿命。近年来，发现在电站使用过程中EVA胶膜存在严重的电势诱导衰减（PID）现象，导致电站输出功率大幅下降，严重影响电站运营效率[3-5]。可见封装材料的性能直接决定了电池片和组件的使用寿命。

POE胶膜由茂金属作催化剂开发而来，是具有相对窄分子质量分布、窄共聚单体分布、结构可控的新型聚烯烃热塑性弹性体[6]。乙烯-a-烯烃共聚物（POE）为代表的聚烯烃材料具备优异的透光性、电绝缘性、水汽阻隔性以及出色的耐候性能和抗PID性能，被认定为替代EVA封装材料的理想材料[7]。自2017年以来光伏组件封装材料POE胶膜使用量仅次于EVA胶膜，主要原因是POE树脂成本高于EVA树脂。近两年随着光伏组件持续扩产，受EVA树脂产能限制，加快了POE树脂的技术和市场开发，目前POE树脂量升价跌，市场占有率不断提高。EVA胶膜相对POE胶膜价格优势逐步减弱，当POE胶膜生产企业加速降本增效，将来有望超过EVA胶膜的使用量，促进光伏电站效益的提升。本文研究了3种不同熔融指数对POE胶膜性能的影响，主要从交联度、透光率、体积电阻率、剥离强度、耐老化性能和电势诱导衰减这6个方面进行了分析。

1 试验

1.1 试验材料

乙烯-a-烯烃共聚物（POE），熔指为30 g·(10 min)-1，工业级，陶氏公司；乙烯-a-烯烃共聚物（POE），熔指为14 g·(10 min)-1，工业级，陶氏公司；丁烯-a-烯烃共聚物（POE），熔指为10 g·(10 min)-1，工业级，陶氏公司；过氧化-2-乙基己酯碳酸叔丁酯交联剂（TBEC），工业级，阿科玛有限公司；三烯丙基异氰尿酸酯助交联剂（TAIC），工业级，湖南民和化工有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷偶（570），工业级，信越有限公司；抗氧剂1010，工业级，巴斯夫有限公司；紫外光稳定剂770，工业级，巴斯夫有限公司；紫外光吸收剂81，工业级，巴斯夫有限公司；TPT背板，苏州中来光伏新材股份有限公司；钢化玻璃，厚度3.2 mm，信义光能控股有限公司。

1.2 实验仪器

小型挤出机和流延机，舟山精科挤出机厂；立式混色机，金恒力有限公司；TDCT-BY-5层压机，秦皇岛市奥瑞特科技有限公司；XD-121电脑拉力机，信任达（上海）有限公司；UV3600紫外分光光度计，岛津国际贸易（上海）有限公司；体积电阻率测试仪，型号DSM8104，日置有限公司；UVTEST紫外湿热老化箱，ATLS；恒温恒湿试验箱，上海爱斯佩克环境设备有限公司；抗PID电源上海质卫环保科技有限公司；AVY-220电子天平，岛津国际贸易（上海）有限公司；单次闪光太阳能模拟器，上海赫爽太阳能科技有限公司；太阳能电池组件电致发光检测仪，型号EL-M测试仪，ASICCN。

1.3 样品制备

POE胶膜的配方如表1所示。按表1将POE树脂与各助剂在立式混色机内精细共混，混合好后陈化放置24 h，再将混合料加入小型挤出机，通过流延法制备厚度为0.5 mm的POE胶膜。

表1 POE胶膜的配方

1.4 样品制备

将制作的POE胶膜按照层压固化条件145℃下，制作交联度、透光率、剥离强度、体积电阻率、紫外老化性能、湿热老化性能和电势诱导衰减抗PID性能测试样。

电势诱导衰减抗PID性能按照IEC62804中电势诱导衰减测试方法进行：测试条件温度85 ℃，湿度85%，-1 000 V电压，测试时间96 h。其他性能均按照《光伏组件封装用共聚烯烃胶膜》（T/CPIA 0006—2017）标准[8]进行测试，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同POE胶膜的交联度

POE是非极性分子结构，通过化学交联形成网状结构，可有效提高其力学性能和耐老化性能[9]。层压固化条件的温度和时间均影响交联度。《光伏组件封装用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）胶膜》（GB/T29848—2018）标准[10]要求EVA胶膜交联度≥75%，行业内一般层压固化条件140 ℃、20 min即可达到国标要求。但POE分子属于非极性分子，导致在相同条件下层压固化，其交联度低于极性的EVA胶膜。《光伏组件封装用共聚烯烃胶膜》（T/CPIA 0006—2017）标准要求交联型共聚烯烃胶膜的交联度≥60%。目前行业内POE胶膜的层压固化条件一般为145℃、20 min，图1是在此条件下不同POE胶膜交联度变化趋势，A样品交联度75.1%相对最大。

熔融指数（MI）是反映树脂流动性能的重要指标，MI越高，树脂的流动性能越好，越有利于加工。由图1可知，在相同温度和层压时间下，MI越高，流动性越好，POE分子链段和自由基碰撞速率越快，故交联度越高。可见在其他条件相同时，熔融指数在一定程度上影响POE胶膜的交联度。

图1 不同POE胶膜的交联度

2.2 不同POE胶膜的透光率

不同POE胶膜的透光率如表2所示。

表2 不同POE胶膜的透光率

由表2可知，POE胶膜在200～1 100 nm波长范围内透光率均在91%～92%之间，差异不大。可见材料的透光率主要由材料的结晶性能决定，而结晶性是由材料内部分子规则性和分子之间的对称性决定，材料的流动性能对材料的结晶性能无影响，故POE胶膜透光率不随熔融指数变化，由材料的本体结构决定。

2.3 不同POE胶膜的剥离强度

POE胶膜的黏结性能如图2所示。A的剥离强度为209 N·cm-1，B的剥离强度为145 N·cm-1，C的剥离强度为211 N·cm-1，可见POE胶膜的剥离强度不随MI线性变化。由于POE本身的结晶度高、相对分子质量很大，分子链不易运动和扩散，其表面分子排列非常精密，孔隙率低[6]。在一定范围内随着MI增大，表面能增大，剥离强度增加。但MI减小到一定范围，材料表面能虽然降低了，材料的本体强度却随之增大，所以POE胶膜的剥离强度也会增大。

图2 不同POE胶膜的剥离强度

2.4 不同POE胶膜的体积电阻率

不同POE胶膜的体积电阻率如图3所示。由图3可知，体积电阻率的变化趋势和交联度趋势相同，随着熔融指数的降低，POE胶膜的体积电阻率随之降低。

图3 不同POE胶膜的体积电阻率

A的体积电阻率相对最大5.8×1015Ω·cm，C的体积电阻率相对最小1.13×1015Ω·cm。从以上结果可以看出，熔融指数越高，交联度越高，分子间的网状结构越致密，胶膜的绝缘性能越好，体积电阻率越高。

2.5 不同POE胶膜的耐老化性能

光伏组件在户外使用过程中，会经历风吹日晒雨淋，故对耐候性能有较高的要求。POE胶膜具有优异的水汽阻隔能力和粒子阻隔能力，水汽透过率仅为EVA胶膜的1/8左右，由于分子链结构稳定，老化过程不会分解产生酸性物质，导致其具有优异的抗老化性能，是高效高可靠光伏封装胶膜的首先材料[11]。不同POE胶膜湿热和紫外老黄变指数如表3所示。由表3可知，不同熔融指数的POE胶膜湿热老化黄变指数在0.5～1.0之间，紫外黄变指数在0.1～0.3之间波动，老化性能差异不大。这是由于影响POE胶膜耐老化性能内因主要是POE胶膜的物理结构，由凝聚态结构以及配方条件决定，而热、氧、阳光以及湿汽是引起高分子材料老化的外在因素[12]。由于实验过程中POE胶膜仅熔融指数不同，其他条件均相同，故耐老化性能相差不大。

表3 不同POE胶膜湿热和紫外老黄变指数

2.6 不同POE胶膜的抗PID性能

PID全称电势诱导衰减，PID效应使得大量电荷聚集在电池表面，使电池表面钝化失效，从而导致电池组件的功率骤降[13]。组件的封胶胶膜EVA材料无法做到100%绝缘，使用过程中，水汽透过硅胶板、背板等渗透到组件内部，EVA材料遇水后发生分解，从而产生只有移动的醋酸和玻璃表面析出的碱反应后，会形成钠离子[14]，在外加电场作用下，向电池片表面移动，聚集到电池表面的减反射层从而导致PID现象的发生。PID现象导致光伏电站发电效率降低，使用寿命缩短，严重影响了光伏电站的运营效率，故目前各组件厂对抗PID性能愈发重视，其已成为衡量组件质量和电站寿命的重要性能指标。

将样品A、B和C分别在相同条件下用来封装光伏组件，然后测试其抗PID性能，结果如图4所示。由图4可知，这3款POE胶膜均具有优异的抗PID性能，96 h抗PID性能均小于0.5%。同时发现熔指越高POE胶膜的抗PID性能相对越好，样品A抗PID衰减仅0.27%，这是由于A的交联度和体积电阻率最高，其致密性和绝缘性能相对最好，可减少电荷聚集到电池表面的减反射层，从而降低电势诱导衰减。

图4 不同POE胶膜的抗PID衰减

3 结论

采用精细共混、陈化以及熔融共挤流延法制得不同熔融指数下的POE胶膜，指出熔融指数对交联度、体积电阻率、剥离强度和抗PID性能均有影响，对透光率和耐候性能影响较小。用3种不同熔融指数POE粒子制成的POE胶膜实验中，得出熔指最大的A样品其交联度、体积电阻率、抗PID性能最好。这说明熔融指数不仅影响生产的加工性能，对产品交联度、体积电阻率、抗PID性能也产生了积极作用，生产上可以利用该特点，有针对性地选择熔融指数来提高产品某方面性能。