太阳能电池封装EVA胶膜的改性研究进展_改性瓜尔胶的研究进展

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太阳能电池封装EVA胶膜的改性研究进展

EVA封装胶膜作为太阳能电池的重要组成部分，成为当前的一个研究热点。目前的研究重点是通过多种手段对EVA胶膜进行改性，从而提高EVA胶膜的透光性、抗老化性、粘结性、机械强度等综合性能。本文介绍了通过掺杂纳米粒子及各种添加剂来提高EVA封装胶膜性能的研究进展。

1、前沿

随着环境问题和能源问题的加剧，以太阳能为代表的新型清洁能源受到人们的大力关注。在当今石油、煤炭等传统化石能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。所谓光伏发电是指利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。太阳能电池板，也称为“光伏组件”，简称PV组件，是太阳能光伏发电系统中的核心部分。光伏组件若直接暴露于大气中,容易损坏, 从而降低光电转换效率。因而对光伏组件进行封装就显得十分重要,目前普遍采用两片EVA胶膜将光伏组件上下包封, 并和上层玻璃、底层TPT热压粘合为一体, 构成太阳能电池板。

太阳能电池组件一般工作在室外,温差、气候变化大，环境条件恶劣, 因此对光伏组件封装材料的要求比较严格。EVA具有透明、柔软、熔融温度低等特点,其耐水、耐腐蚀及良好的抗震性能正好满足了太阳能电池封装材料的要求。但是，EVA材料抗紫外性、蠕变性差，易老化变黄，内聚强度低, 这些缺点会影响光伏组件的光电转换效率以及使用寿命, 因此要对EVA进行改性研究,使其分子链的稳定性和耐候性得到提高。

目前比较常用的EVA封装胶膜是以EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）为基料，通过添加各种助剂后，采用加热挤出成型法制备而成的。国内生产的EVA胶膜易老化变黄，且与TPT（Tedlar/PET/Tedlar 复合膜）的粘接强度一般低于40N/cm，有的仅为30 N/cm，较国外还有待提高。因此，加快国内EVA胶膜的自主研发，制备出超快固化高性能太阳能电池用EVA 胶膜的是十分必要的。

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。本文拟对目前常用的EVA掺杂改性材料和改性工艺作简单的评述。

2、纳米粒子改性

聚合物改性的研究近年来十分活跃，纳米复合技术的问世为聚合物改性开辟了崭新的途径，并且对于推动高分子材料的功能化和高性能化具有重要意义。聚合物基纳米改性材料因具有任何传统材料无法媲美的奇异特性和非凡功能，在各行各业的应用十分广泛。因此，这也成为了EVA改性的首选方法。

无机填料作为添加剂填充基体，通常是为了降低制品成本，提高刚性、耐热性和尺寸稳定性，而这些性能的提高往往带来体系冲击强度，断裂伸长率的下降。一般说来这两方面是不可兼顾的，但纳米粒子的出现改变了这一状况。纳米无机粒子具有其独特的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应, 作为聚合物树脂的新型无机填料, 可有效地提高基体树脂的各种性能，主要表现在以下几个方面：提高热性能、改善力学性能、增强耐磨性。纳米粒子改性EVA的主要方法有直接分散法和插层复合法。直接分散法的优点是易于控制粒子的尺寸和形态，但不足之处是难以解决纳米粒子的团聚，难以保证纳米粒子在聚合物基体中的均匀分散，因此共混前对纳米粒子的表面处理是重点也是难点。熔融插层法可以制备多种类型的聚合物-纳米复合材料，所以也成为改性EVA封装胶膜普遍使用的方法。

SiO2、TiO2、CaCO3、Mg（OH)2等是常见的纳米无机材料，用它们对EVA封装胶膜进行改性也都有研究。Tang Y 等人发现，在EVA 基体中加入蒙脱土后，热释放速率(HRR)降40%；QIU L.Z.等制备的Mg(OH)2/EVA 纳米复合材料与填充微米级Mg(OH)2相比，极限氧指数(LOI)提高了59.6%；田艳等人研究的EVA /蒙脱土复合体系与纯EVA 相比，拉伸强度与撕裂强度分别提高了10.8%和11.6%。李红姬研究发现，一步法复合体系在纳米Al2O3含量为1.5%时综合性能最佳, 其拉伸强度与断裂伸长率分别提高了25.4%和12.1%。

目前，纳米粒子主要对EVA树脂进行改性，而专门改性太阳能电池用EVA封装胶膜还少见报道。研究的重点是对纳米粒子有机化，使其能和有机助剂良好相容，而不产生抑制作用，由此来提高EVA胶膜的综合性能。相信随着研究的不断深入和对机理的了解，纳米粒子改性聚合物材料领域的研究必将会有突破性的进展，高性能纳米改性EVA胶膜材料也将被研制出来。今后几年的发展方向是使纳米粒子在聚合物中分散均匀，相容性好；粒子尺寸及分布有良好的可控性、重现性；经过改性后的EVA聚合物材料在各方面性能上均有很大提高并赋予更多的新功能。相信随着研究的不断深入，以上的问题都会迎刃而解。

3、金属离子改性

太阳电池封装用EVA 胶膜在国内的发展已初具规模，其黏结强度、可见光透过率、抗高低温老化能力均可与国外产品相媲美，但是在抗紫外老化方面国内大部分产品略差于国外产品，而紫外老化恰恰是造成EVA 胶膜黄变的主要因素。

有机物中颜色主要是由生色团产生的，EVA中的生色团就是共轭烯烃，共轭烯烃的共轭碳链越长, EVA 的颜色就会越深。结合老化机理可以知道，EVA 材料的变色的直接原因就是光热老化下的化学反应产生了多烯烃生色团，随着生团的共轭体系的延长，EVA 的颜色还会加深，从浅黄(轻微)变到深褐色(严重)。

铕元素(Eu)具有未充满且受外界屏蔽的4f5d电子，有丰富的电子能级和长寿命激发态，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，使它在光转换方面具有特殊的应用。铕离子的这个特点被用来改性EVA封装胶膜，他可以吸收紫外线并转化为蓝紫色、黄色和红色光，提高了光伏组件的光电转换效率和太阳能电池的使用寿命。

目前的技术是在EVA 里添加紫外吸收剂来减少紫外线对EVA 胶膜的破坏，而紫外吸收剂只是对200nm~400nm 的紫外线波段具有吸收反射性能，而对如何将此波段的紫外光转换利用的研究涉及甚少，为此该技术使用一种高效抗紫外太阳电池封装用EVA 胶膜，可将紫外光部分转化为可见光，既避免了紫外光对基材EVA 的破坏又增加了可见光的透过率，起到了一举两得的作用，进一步提高太阳电池效率。

但也有一定的技术难点，如果直接用Eu的氧化物或无机盐与EVA 共混，将不能相容，无法制成对可见光透明的材料，要先利用丙烯酸与氧化铕反应生成丙烯酸铕，再与醋酸乙烯酯共聚成类似于EAA 的聚合物。它含有与EVA 相似的结构单元，与EVA 共混有很好的相容性，可以制成透明的薄膜，这样就在EVA 中掺杂了铕元素。实验验证，在掺杂Eu3+后的EVA薄膜确实对太阳光有遮挡，透过，吸收和光转换作用，能过滤一些短波长的紫外光，同时又能将紫外光转换成蓝紫色、黄色和红色光。但距离实际应用还有很长一段路要走，如何使铕离子和各种有机填料共同作用提高EVA胶膜的综合性能是一个研究重点。

4、有机助剂改性

太阳能电池用EVA封装胶膜一般包括EVA树脂、交联剂、紫外光吸收剂、抗氧化剂（或抗热老化剂）、紫外光稳定剂、增塑剂、增粘剂等。这些添加剂基本上都是有机助剂。有研究表明，多余的交联剂在光作用下产生活泼的自由基，与其他紫外吸收剂、紫外稳定剂和抗氧剂发生反应，产生生色基团。因此使用合适的EVA配方，改变各添加剂的配比，或者使用更为稳定的替代品，均匀分布低配比助剂，使EVA 内各添加剂之间的相互作用减小或得到抑制，可以显著降低EVA 变色的速度，从而提高EVA胶膜的抗老化性能。

抗氧剂：抗氧剂有很多种，作用原理也不同。比如酚类抗氧剂能阻止链的增长，并且利用空间位阻效应阻止氧化反应的进行；亚磷酸三苯酯类能与氧原子形成稳定的化合物，分解氢过氧化物；并能终止自由基链反应，从而阻止链式反应的发生。有时使用两种或两种以上的抗氧剂，可以产生明显的协同效应。

紫外光稳定剂：作用是为了猝灭紫外光照射过程中EVA产生的自由基，从而防止链的增长，降低光降解或光氧化的发生。一般为受阻胺类化合物（受阻胺光稳定剂HALS），受阻胺在有氧状态下吸收光能后，可以转变为相应的氮氧自由基，进而捕获高分子降解中产生的自由基，而且在光稳定化过程中具有再生功能，从而抑制连锁反应。受阻胺的一般作用机理：

紫外光吸收剂：通常为芳族化合物，他和羰基共轭，并在邻位或对位上有一个释放电子的胺或甲氧基。高能量短波紫外线辐射激发紫外线吸收剂，使其达到高能状态，然后被吸收的能量作为较长的波（波长>380nm）辐射而消耗，于是紫外光吸收剂又重新回到基态；或者发生异构化作用，分解成没有紫外光吸收功能的同分异构体碎片。

华南理工大学的《耐老化太阳能电池封装用EVA胶膜及其制备方法》发明专利，在EVA基料中添加了交联剂、紫外光吸收剂、抗氧化剂、光稳定剂等有机添加剂，制备出了能经受长时间的热氧老化和紫外光老化而不变色，并保持较高的可见光透过率的EVA胶膜，并且其成本低于同质量的国外产品。杭州福斯特热熔胶膜公司的《一种新型EVA胶膜》专利使用多种抗氧化剂，优化配方，制备出了不含抗紫外光吸收剂的高性能EVA胶膜。其特点是在不影响其使用寿命的情况下，电池片能接受波长大于321nm的光子，提高了转换效率。

美国普利司通公司的专利公开的是在EVA胶膜上印花，能提高粘结力，提高脱泡、防止熔融EVA流出。其采用的交联剂是有机过氧化物，分解温度大于等于70℃，半衰期10小时，占EVA的1-3%。硅烷偶联剂用来提高粘结力，占EVA的0.1-2%，交联助剂是三功能团交联剂，UV吸收剂是苯甲酮类和受阻胺类。抗氧化剂是胺类、酚类、二酚类、受阻胺类。

目前使用的国产EVA封装胶膜质量有待提升，我国西藏安装并工作了6年及10年的光伏电站中的组件出现EVA黄变现象，特别是低倍聚光会加速EVA黄变，甚至开裂脱胶，造成短路使组件报废。紫外光吸收剂具有截止紫外光的功能，但很多紫外光吸收剂和自由基反应，生成生色基团，这些自由基可以来自于多余交联剂的降解产物。所以，有机助剂降解产生自由基问题、EVA发生脱乙酰反应产生生色基团问题是当前研究的关键所在。

5、结语

综合多方面因素，EVA胶膜是当前太阳能电池封装材料的最佳选择。在光伏产业大力发展之际，EVA封装胶膜必然会是一个研究热点。