光伏组件封装材料的研究进展

赵龙宝

（江苏东鋆光伏科技有限公司，江苏 无锡 214420）

0 引言

所谓的光伏组件，也就是将光伏电池进行串联、关联连接后再进行密封处理，将光伏电池片与钢化玻璃、背板密封粘结，防止光伏电池与外界环境接触，雨雪、灰尘等无法进入到组件内部。一般的光伏电池使用年限为30年，使用光伏组件会减少5年，而光伏组件发电输出效率及使用年限与采用的封装材料有着直接的影响。一般情况下，光伏封装选用的材料需要满足如下要求：（1）良好的密封性能、绝缘性能及防水性能；（2）可以与光伏电池片、背板相互间进行紧固粘结；（3）具备良好的抗老化性能、抗腐蚀性能和较高的机械强度；（4）良好的透光率；（5）可以满足光伏组件加工处理工艺要求； （6）投资较少[1]。当前，光伏组件生产所采用的封装材料有聚烯烃、乙烯-醋酸乙烯共聚物、有机硅等材料，光伏市场的持续增长带动了封装材料需求紧张，经常存在着封装材料供应短缺问题，封装材料不断向着新型材料方面发展，对组件效率、稳定性和可靠性等方面有着更高的要求，文章主要对光伏组件封装材料具备的特点及学术研究情况进行分析与论讨。

1 聚烯烃

对烯烃类及相应衍生物进行聚合处理或共混反应，可以形成良好的聚烯烃热塑性材料，有着很好的稳定性，体积电导率高、水汽透过率低[2]。利用该材料对光伏组件进行封装，如果运行在高温环境下不会产生较大的漏电流，材料老化进程中不会形成醋酸，避免光伏组件电极、导线受到腐蚀。陶氏公司最早在市面上推广应用聚烯烃材料，Escalante等学者把该材料应用于光伏组件封装生产线，通过对光伏组件电势诱导衰减效应进行大量的测试发现，采用该材料进行封装可以避免光伏组件产生PID效应[3]。洪利杰等学者采用POE作为基体，采用硅烷偶联剂来改进POE胶膜，用于封装后的光伏组件具备的输出功率下降了5.2%，没有达到传统乙烯—醋酸乙烯共聚物光伏组件封装效果。石俊杰等学者对不同含量条件下的抗氧化剂对聚烯烃封装材料抗热氧、抗老化性能进行研究，红外光谱分析下发现添加抗氧化剂可以有效避免POE自我氧化[4]。当前，光伏组件封装所采用的聚烯烃有交联型、非交联型两类，交联型材料有应用时需要加入数量较多的关联剂，进行层压处理时存在形成气泡的可能性。非交联材料在使用老化时抗热蠕变性并不理想。为了优化改进聚烯烃封装材料性能，徐晓龙等学者研发出新型聚烯烃封装材料，具有良好耐紫外线照射性能、耐湿热老化性能和光学性能，可以解决封装时产生气泡及抗热蠕变性差的问题，加工处理更易于控制[5]。阳志荣等学者研发出具有良好阻水性能聚烯烃封装材料，可以解决水汽对光伏组件双玻璃侧面渗透问题，防止光伏电池受到腐蚀，也可以抑制蜗牛纹的形成，有效地提升双玻光伏组件使用年限[6]。

2 乙烯—醋酸乙烯共聚物

EVA是英文ethylene/vinyl acetate的缩写，中文称为乙烯—醋酸乙烯共聚物，是光伏组件封装广泛采用的材料，材料采购成本较低，有着很高的透光率、熔体流动性和很好的粘结性能，熔化温度较低，组装施工更为便利，在光伏封装行业使用已经超过20年。但在长时期的使用过程中，会受到阳光中紫外线照射而导致链断裂问题，会加快EVA材料的老化。受到环境高温条件和氧气的共同作用，EVA材料在进行降解时会形成烯酮结构，会导致EVA材料发黄变色，会减小光伏组件透光率，光电转化效率会相应降低。除此之外，EVA材料分解过程中形成的乙酸气体也会对光转换效率和使用年限受到影响。所以，加强对EVA材料改性研究具有很高的现实意义，ALLEN等学者对该材料中添加不同类型的抗氧化剂，设置不同的材料组合方式来对热氧老化影响进行深入分析，研究中发现酚类主抗氧剂3144、1010以独立组分进行应用时，可以有效提高抗热抗氧性能[7]。以主抗氧剂作为前提条件添加亚磷酸酯用作辅助剂，可以起到更好的抗热抗氧效果。Carmen等研究人员应用氢氧化铝、三聚氰胺硼酸酯来对乙烯—醋酸乙烯共聚物胶膜进行优化改进，研究结果发现EVA材料阻燃性能、抗老化性能都得到一定程的提高。国内的李海波等学者采用KH-570、AA、MMA材料分别用于接技单体，来对EVA材料进行优化改进，从实验研究结果中发现，应用KH-570材料进行接技可以有效提升EVA材料胶膜整体性能，具备良好的透光率、耐湿热及抗老化性能。Eonne等学者通过研究发现，EVA材料中添加两种结构类型不同的有机配合物都可以提升光电输出功率[8]。

3 有机硅

无机硅-氧键存在于有机硅材料主链中，侧基以硅和有机基团进行连接。该材料有着很独特的分子结构式，链中存在有机基团和无机结构，上述独特结构式可以抵挡氧气、紫外线渗透到内部。因此，有机硅材料有着很好的透光率、折射率、低吸湿率，还具备绝缘性、疏水性、耐热性，还可以抵制紫外线照射，有着较宽的温度适应性能。PDMS为应用广泛的有机硅材料，已经得到国内外很多光伏电池制造企业的重视。庞文键等学者研发出的PDMS材料具备良好的粘结性能，强度、弹性、耐候性都很好，在紫外照射、高温高湿、盐雾环境中有着很高的保持率，可以用于光伏组件双玻组件的封装处理。Mcintosh等学者都对EVA、PDMS两种材料具备的抗湿热、抗紫外线、抗老化性能进行了对比分析，从大量的实验结果中发现，PDMS材料中吸湿率远小于EVA，但透光率却超过EVA。但是，有机硅封装材料生产成本比较高，生产工艺中采用的高性能设备和特殊技术，会使该材料应用范围变窄。当前，有机硅封装多用于对质量要求高的应用场合，例如，在太空航天器应用的太阳能光伏组件。

4 聚乙烯醇缩丁醛

PVB为英文polyvinyl butyral的缩写，中文称作聚乙烯醇缩丁醛，将聚乙烯醇、正丁醛利用催化剂来进行缩合反应生成聚合物，该物质一般情况下呈现为白色、微黄色粉末，具有很好的化学稳定性、透明性、断裂延伸性，可以满足光伏组件封装工艺要求[9]。杜邦公司在早年生产的PV5 200、PV5 300聚乙烯醇缩丁醛封装材料，可以高效率地生产出封装模块，还具备较长的使用年限。可聚乙烯醇缩丁醛材料制备工艺很复杂，需要较高的生产成本，在进行层压处理时会存在蠕变问题。为了提高聚乙烯醇缩丁醛材料性能，更好地满足光伏组件封装工艺要求，王俊武等学者应用新型混合分配机来制作聚乙烯醇缩丁醛材料，在进行制备时添加聚乙烯醇-正丁醛混合溶液、HCl。该制备工艺比较简单，具有很好的分散效果，制取材料为粉末状，可以减少反应时间和提升制备效率。朱晓亮等学者的研究发现，聚乙烯醇缩丁醛材料中加入合适数量的抗氧化、紫外稳定剂，可以有效提升聚乙烯醇缩丁醛薄膜抗老化性能和抗紫外线性能。Huang等学者制取了聚乙烯醇缩丁醛/石墨烯复合材料，对用于光伏组件封装具备的导热性进行分析发现，如果添加的石墨烯为30%，该复合材料热导率会达到聚乙烯醇缩丁醛材料的20.55倍，如果光伏组件运行温度低于70 ℃，该复合材料有着更好的热稳定性。

5 环氧树脂

环氧树脂材料有着很好的机械强度和粘结性能，具备耐腐蚀性、高透光率等特性，是进行光伏组件封装的常用材料。王艳红等学者将该材料应用于光伏电池封装并设出相应结构，可以满足高温条件下的光伏发电需要。由于环氧树脂材料不具备很好的密封性，长时期受到太阳光照会出现老化发黄问题，会导致光电转换效率下降，需要加强对环氧树脂改性方面的研究。朱桂林等学者对环氧树脂材料中添加EVA、硫酸铵、丙烯—丙烯酸羟乙酯共聚物进行改性研究，可以有效提高耐候性能、户外粘结性。除此之外，还可以降低封装材料对透光率的不良影响，光电转换率和使用年限都得到提高。Pellegrino等学者为防止氧气渗入光伏组件内部，加入POSS材料来对环氧树脂进行改性，可以提高环氧树脂材料耐热耐氧化性能。范斌等学者采用石墨烯材料对环氧树脂进行改性研究，添加足够数量固化剂来形成组合物，可以满足光伏组件封装要求，可以避免水分、氧气进入到光伏组件内部，起到很好的保护效果，有利于提高使用寿命[10]。

6 结语

当前，光伏组件封装所采用的材料在应用方面都具有一定局限性，将来的封装材料研究应该侧重于以下方面：（1）加强对新型高性能封装材料的研发，更好地满足光伏组件对材料的使用要求；（2）不再单纯对单一材料过行研发，需要对复合型、混合型材料加大研发力度，可以更好地满足使用环境对材料性能要求；（3）加强对制备工艺和材料设计等方面的研究力度，有利于推进光伏组件封装材料的应用与推广。随着国家对光伏扶贫项目的持续推进，大量的光伏组件应用于光伏发电站和分布光伏项目中，研发出具有高性能光伏组件封装材料，可以有效提高光电转换效率，进一步降低发电成本，在光伏发电行业具有良好的应用前景。