太阳能电池封装材料研究进展

太阳能电池封装材料研究进展余 鹏 1, 李伟博 1, 唐舫成 1, 汪加胜 2 1广东省热熔胶工程技术研究开发中心 , 广东 广州 510530; 2 广州鹿山新材料股份有限公司企业技术中心 ,广东 广州 510530摘 要 介绍了太阳能电池 封装材料的发展 , 重点概述了目前应用最广泛的 EVA 封装胶膜的优 缺点、 老化机理、 提高耐 候性的方法以及封装工艺 , 并指出 了未来太阳能电池封装材料的发展趋势。关键词 太阳能电 池 ; 封装 EVA 胶膜 ; 老化机理 ; 发展趋势R esearch Progress of Encapsul ants for Solar CellsYU P eng1, LI Wei- bo, TANG Fang - cheng1, WANG J ia - sheng21H otM elt AdhesiveEngineeringTechnologyR2 Enterprise Technology Center of GuangzhouLushan New M aterials Co. , Ltd. , GuangdongGuangzhou 510530, ChinaA bstract The development of encapsulants for solar cells w as introduced. M erits and defects, aging mechanisms,m ethodsof im proving stability and encapsulation process of EVA film, wh ichw asw idely used at presentw ere em phaticallysummarized. Furthermore, the current developm ent trends for encapsulating solar cellsw ere ind icated.K ey words solar cells; EVA encapsulan;t agingmechanisms; developm ent trends作者简介 余鹏 1980 - , 男 , 博士 , 主要从事功能高分子改性、 太阳能电池组件封装材料研究 , 已发表文章 10 篇。 E- m ail yupeng cnlushan. com。随着能源的日益枯 竭以 及环境 的恶 化 , 各国 政府 对节 能减排的要求越来高 , 人们迫切 需求一种新能源能够替代石化燃料。太阳能是一种绿色 无污染 并且 取之 不尽的 能源 , 并且 相对 其它能源来说 , 太阳能对于地球 上绝大多数地 区具有存 在的普 遍性、可就地取用 , 因而在最近十 年 , 太阳能 产业成为了 全球各 国发展的重点 [ 1] 。太阳能的利用主要 是通 过太 阳能电 池板 将其 转化 成电 能 ,然后将其转化为其 它用 途 , 如 太阳 能热 水器、 空调、 路 灯以 及电动汽车等等。由于太 阳能电 池组 件的工 作环 境主 要为 室外 , 而太阳能电池片不能直接暴露在阳光、 雨水 等自然条 件下 , 因此有必要对其进行密封。目前 , 主要是 采用高透 明、 抗 紫外耐 老化性优异、 粘接性好、 具有 弹性 的胶层 将太 阳能电 池片 包封 , 并 和上层保护材料 前板 、 下层保护材料 背板 粘合在一起 , 共同构成太阳能电池板 [ 2] 。1 太阳能电池封装材料的发展经过太阳能电池的 实际 使用 , 各国 研究 人员 逐渐 意识 到太阳能电池的封装材 料对电 池片 的光 电转换 效率、 使用 寿命 都有很大的影响。为了寻 找理想 的封 装材料 , 人 们做 了大 量的 研究工作。早在 20世 纪 70 年 代 , 美国 JetPropulsion和 Springbom实验室就开始了研究太阳能电池 封装用 胶粘剂 [ 3- 4] 。在太 阳能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、 乙烯 - 丙烯酸甲酯共聚 物、 聚甲基 丙烯酸甲酯 等聚合 物都被试用 [ 5] , 但因性能、 成本、 施工方式等 各种原因 , 有许多 被淘汰或仅在小范围内应用。有机硅胶粘剂是以 - Si- O- Si- 为主链的半无机 高分子材料 , 具有很宽的使用温 度 - 50 250 、 优良 的耐 老化 性、 电绝缘性和 疏水 性 , 是 一种 非常 好 的封 装 材料。 徐 雪青、 沈辉 等人 [ 6] 对比了有机硅、 改性环 氧树脂、 EVA 等 封装材 料的 耐候 性 ,其中有机硅的 耐老化 性能 最优异。 尽管有 机硅 的性 能优 异 , 但由于其价格昂贵 , 目前占有的市场很小。环氧树脂胶粘 剂封装 太阳 能电池 , 一 般是 采取 灌胶 封装 的方式。所谓灌 胶 封装 是指 将 电池 先固 定 在前 板和 背 板 材料 之间 , 将其间的空隙用液态粘合剂 环氧树脂 来填满 , 粘合 剂固化后即完成了对电池 片的封装。采用环氧树 脂胶粘剂 封装的 优点在于其具有良好 的粘 接性 能、 电 气绝 缘性能、 耐 热、 耐腐 蚀和 机械性能 , 价钱也非常便宜 , 并 且采用灌胶封 装的方式 还可以 制作弯曲的组件。它的 缺点 主要是 长期 暴露在 太阳 光下 , 易 产生 老化变黄的现象 , 从而影响太阳能电 池的光电 转换效 率。目前 , 环氧树脂在小型组件 上的封装比较多 , 如太阳能 草坪灯 , 玩具 等消费品 [ 7- 9] 。为了改善环氧树脂作为封 装材料 的耐老 化性以 及一些其它性能 , 一般采用添加相应改性 剂或改变 工艺条 件的方 法。T sung- H anH o等 人 [ 10] 将热 塑 性聚 氨 酯微 粒 分散 在 环 氧树 脂中 , 降低了封装时产生的内应力 , 提高了 其使用 寿命。广东 工业大学张艳银等人 [ 11] 利用固化 剂聚 氧化 丙烯二 胺 D230和 异佛尔酮二胺 IPDA 的协同效应 , 提高了 用于太 阳能电 池封装 材料环氧树脂的透明性 、 抗紫外光老化性和耐热性。聚乙烯醇缩丁 醛 PVB是一 种柔顺 性好、 透明度 高、 粘 接力强、 耐候性强、 成膜性好 , 耐冲击性优 异的材 料 , 对 玻璃、 金属、 木材等材料都具有 较好 的粘接 性能 , 主 要用于 夹层 玻璃和 安全 玻璃领域 [ 12] 。 PVB 在 70年 代就已经 开始用于太 阳能电池 封装材料 , 其抗紫外、 抗穿 透、 与玻 璃粘接 力以 及存放 时间 都要 优于 目前应用最广的封装 材料乙 烯 - 醋酸 乙烯酯 共聚 物 EVA , 但由34 广州化工 2011年 39卷第 3期于其价格较贵、 生产速度慢 , 现仅占有 15 市场份额。除了以上常用的几 种材 料外 , 还有 报道 用乙 烯 - 丙烯 酸甲酯共聚物以及聚甲 基丙烯 酸甲 酯作 为太阳 能是 池的封 装材 料 ,但可能是因为性能或是工艺复杂 , 并未见到已工业化的产品。2 太阳能电池封装用 EVA 胶膜20世纪 80年代 初 , EVA 胶膜 开始 用于 太 阳能 电 池封 装材料 , 由于其价格合适、 性能较好、 同 时施工方 便 , 因 此迅速 占据了大部分市场 , 到目前为止 , 国内 80 的市场份额均被 EVA 占据。2. 1 EVA 简介EVA 是乙烯与醋酸 乙烯酯 的共 聚物 , 是一 种典 型的无 规高分子化合物 , 在它的分子结 构中 , 取代 基在分子链 上的排 列不规则 , 同时分子 链中 不 对称 碳原 子 的构 型 也不 相同 , 排列 也 不规则 , 因此它是一种 结晶 性较小、 极 性和 柔韧性 较高 的材 料 , 另外它在加热熔融时具 有良好 的浸 润性 , 冷却 固化 时具有 良好 的挠曲性、 抗应力开裂性和粘结 性能 , 是一 种较为理想 的能用 于太阳能电池封装的材料 [ 13] 。EVA 的性质主要聚决 于其 醋酸乙 烯酯 VA 的 含量和 熔融指数 M I的 大小。当 VA 含 量增 加、 M I 保持 不变 时 , 透明 度升高 , 同时粘结力也提高 , 而相应的如 结晶度、 硬度、 软化 点、 刚性、拉伸强度、 耐化 学品性、 耐 热变形 等性能均 降低 ; 当 M I增 加时、VA 含量保持不变时 , 即 EVA 的 分子 量降 低 , 相应 的熔 融粘 度、韧性、 拉伸强度、 环境应力开裂性均 降低。用于太 阳能电 池封装的 EVA, 需要大于 90 的透光 率 , 以 及较好的耐 候性 , 目前应用较多的是 VA 含量为 33 的 EVA 材料 , 如杜邦的 E lvax150树脂。2. 2 EVA 作为太阳能封装材料的优缺点及改性方法太阳能电池组件一般要求能 正常使用 20 30年 , 而 由于太阳能电池组件一般工作在室外 , 因此所处 环境比较 恶劣 , 从而对电池片封装材料的要求比较严格。 EVA 具有透明、 柔软、 热熔粘接性和熔融温度低、 熔体流 动性好等特点 , 这些特 征正满 足了太阳能电池封装材料的要求 , 但同时其耐湿 热性和抗 紫外性 差、 易老化变黄、 内聚强度低而抗 蠕变性差 , 这些都会影 响太阳 能电池的光电转换效率以 及使 用寿 命 , 因此 要求 对 EVA 改性 , 使 其分子链的稳定性和耐候性得到提高。EVA 胶膜老化、 变黄的原因主要是其分子 链为线性结 构 , 由碳氧键、 碳氢键等构成 , 这些键在室外 湿热交变的 环境下 以及紫外光的照射 下 会 断 裂、 重 组 或氧 化 , 从 而产 生 生 色 基 团 , 会 使EVA 胶膜有发 黄、 降解 的现 象 [ 14] 。目 前对 EVA 改 性 的方 法主要集中在 加入交联剂使其 交联以及加入 一些具有 抗氧、 紫外吸收或光稳定性等功 能的 助剂。交 联剂一 般为 有机 过氧 化物 , 在EVA 胶膜加热封装太阳能电池片的 过程中会受热分解 产生自由基 , 引发 EVA 分子 链的结合 , 形成网状结构 , 增加分子稳定性 , 现在一些较大型的太阳能电池封装用胶膜厂 商 如 美国杜邦、 日本三井、 日本普利斯通、 广州鹿山 的 EVA 胶膜都要 求交联 度需达到 75 以上。加入的抗氧剂、 紫外 吸收 或光稳 定性 等助剂 一般可以降低 EVA 胶膜氧化分解的速度、 增强 抗老化 及紫外 光线的性能、 减少黄变程 度 , 但同 时另 一方 面有 报道 认为 EVA中 残留的交联剂在长期老 化的过 程中 也会 与这些 助剂 发生化 学反 应 ,从而使胶膜在使用的过程中产生气泡以及 黄变。 EVA 胶膜的老化机理比较复 杂 , 因 此实 际 应用 中对 它 产生 影响 的 环节 较 多 ,F. J. Pern[ 15- 16] 详细对其作了归 纳 , 他认 为主要 可以 分为物 理和化学两大类 , 物理因素主要 有 紫外光 线的强 度、 膜 片的厚 度、 前板玻璃对紫外滤光的程度、 背板材料对水 气的阻隔 性、 胶 膜封装的工艺条件等 , 化学因素主 要有 EVA的 配方、 交联度的大 小、 紫外吸收剂的效率等 , 这些因素相 互作用 共同影 响了 EVA 胶 膜的耐老化性能。尽管目前改性 EVA 的原理 基本上 相同 , 均为加 入交联 剂和功能助剂 , 但由于影响其老化黄变性 能的因素 很多 , 因此采 用不同的工 艺 或 是 配 方 对 膜 片 性 能 有 非 常 大 的 影 响。 公 开 号 为101626039A的中国专利 [ 17] 采用叔丁基过氧化 碳酸 - 2- 乙基已酯作为交联固化剂 、 三烯丙基异氰脲 酸酯作为 助交联 剂、 亚 磷酸酯类抗氧剂、 受阻胺类光稳定剂、 气相二氧 化硅替代 有机紫 外吸收剂 , 该配方制得的 EVA 膜片经过连续 2 000 h的耐 候性测 试 ,黄变指数仍较小 , 表明其具有较优异的耐候性 能。公开号为 97 /22637的国际专利 [ 18] 提出一种不添加紫 外吸收剂的 太阳能 电池用 EVA 胶膜配方 , 经过耐候性 测试 , 该配方 的 EVA 胶 膜比 常规添加有 紫 外 吸 收 剂 或 光 稳 定 剂 的 胶 膜 黄 变 更 小。 专 利 号 为6225384B1的美国专利 [19] 采用三 嗪类紫 外吸收 剂 , 使 EVA 胶膜的抗紫外及光稳定 性得到了很大的提高。2. 3 EVA 作为太阳能电池封装材料的封装工艺及性能要求太阳能电池的封装 工艺主 要取决于 所用的 封装材 料 , 对于采用 EVA 胶膜作为 封装材 料的 太阳 能组 件一 般是 采用 真空 层压的技术。其步 聚是 首 先将 电池组 件按 前板 玻璃 /EVA /电池片 /EVA /背 板 TPT的结构 叠在 一起 , 放 入真空 层压 机中 , 抽真空大约 5 min, 接着在层压机上下两室 保持真空 的状态下 加热叠层组件 , 然后将 层压 机上 室取 消真 空 回到 常压 , 并保 压约 10m in使 EVA 胶膜 恒温固 化 , 等恒温固 化后 , 层压 器撤离 热源 , 层压器的下室仍处 在真 空状 态 , 最 后循 环冷却 , 取 消下 室真 空 , 取出组合件 , 用刀切除组合件边缘多余的 EVA, 最 后封边框 和接线盒 , 组装成太阳电池组件。目前 , 国内外太阳能电池封 装用 EVA 胶 膜生产 厂商评 价其性能主要从以下几 个方面 透光率、 与玻璃和与 TPT背板 的粘接力、 收缩率、 耐候性等 , 其中最难解决的 是耐候 性问题 , 目前 一般要求 EVA 胶膜经过 1 000 h的高温 高湿老 化、 1 000 h的紫 外灯加速老化 、 3 000 h的氙灯老化以及 1 000 h的高低温湿热老化后能够无气泡、 不龟裂、 不脱粘 、 不变色、 不热胀冷缩。3 太阳能电池封装材料未来发展趋势在太阳能电池 组件中 , 耐候性最差 , 使用寿命 最短的是 EVA胶膜 , 它的性能 就 直接 决 定了 太阳 能 电池 的使 用 效率 及 寿 命。到目前为止 , 对 EVA 胶膜的改性方法层出不穷 , 但它依然是太阳能组件中最薄弱的 一环 , 因此继 续改进 EVA 的配方 或是寻 找它的替换材料是势在 必行 , 迫在眉睫的。拜耳 材料科技公司在 2008年 6月成功开发出一种耐光热塑性聚氨酯 , 通过与德国一家公司合作 , 拜耳 利用这种 聚氨酯 制成一种商品名为 V ISTASOLAR的 新型 薄膜 , 用作 太阳 能电 池的 封装 , 作为 EVA 封装胶膜的替代品。由 于这种 聚氨酯 为热塑 性材料 , 因此相比 EVA 而言少了交联的 过程 , 因此 生产周期 要短 , 提高了生产效率 ; 另外由于是热塑性的 封装 , 可以很方 便的更 换有瑕疵或坏掉的组 件 , 可以使 内部 昂贵 的太阳 能电 池能够 重复 使用。杜邦公司也在研发一种 热塑太阳能电池封装材料 , 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。光伏建筑一 体化 B IPV 是目 前太 阳 能电 池应 用的 一个 趋势 , 早在 1991年就在德国出现 , 它是指 将光伏 和建筑 结合起 来 ,目前这类产品有光 伏瓦、 光伏幕墙等。 BIPV在日本 、 欧州和美国下转第 58页 352011年 39卷第 3期 广州化工入削弱了分子链间的作用力 , 也会使断裂伸长率降低。3 结 论采用表面能 较低 的有 机 硅对 水性 聚 氨酯 脲 分 散液 进 行改性 , 制备了一系 列综合 性能 优异的 水性 聚氨 酯脲 分散 液。与未改性聚氨酯脲相比 , 改性后 聚氨酯脲水分 散液的粒 径有所 增大 ,但粒径分布基本不变。改性水分散液 成膜后的热 稳定和 冻融稳定性良好 , 耐水性和拉伸强 度明显提高 , 使得这类 材料在 水性聚合物用于皮革、 木材、 纸张的表面处理 等方面具有 广泛的 潜在应用价值。参考文献[ 1] H. 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