太阳能电池封装材料研究进展-solarbe文库

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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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