太阳能电池封装膜的应用现状及发展趋势

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2014 年第 43 卷第 5 期 481石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY［收稿日期］ 2013 - 11 - 26；［修改稿日期］ 2014 - 01 - 27。［作者简介］任毅（ 1986），男，北京市人，硕士，助理工程师，电话 010 - 59202973，电邮 reny.bjhysinopec.com。联系人罗水源，电话 13581975967，电邮 shuiyuanluoyahoo.com。特约述评美国能源部的光伏项目部门规定光伏组件的理想使用寿命为 20～ 30 a，且期间光伏组件的工作效率不能低于初始状态的 80，这意味着光伏组件的输出功率每年减少的比例要控制在 1以下［ 1］。光伏组件作为光伏阵列的组成单体，它的核心部分是电池片，但其寿命以及工作性能受到组件各个组成部分的制约，其中至关重要的部分就是光伏组件的封装膜，封装膜的品质和稳定性将直接影响光伏组件输出功率的大小和稳定性。封装膜的位置处在组件的中间，包裹住电池片，它与上层表面板及下层背板层相互黏接。封装膜在组件中起到至关重要的作用，主要有以下 6种作用 1）为太阳能电池线路装备提供结构支撑和定位； 2）为电池板与太阳辐射提供最大光耦合，保证最初传送率不小于 90，且 20 a后的传送率损失小于 10； 3）物理隔离电池板及线路等，使其不受环境因素的影响； 4）确保电池线路与外界高压绝缘； 5）提供并确保组件内电池之间太阳能电池封装膜的应用现状及发展趋势任毅，姚雪容，马蓓蓓，罗水源（中国石化北京化工研究院，北京 100013）［摘要］综述了太阳能电池封装膜的市场、性能、应用及发展。介绍了国内外光伏市场现状及其与封装膜的关系中国光伏产业将迎来回升，未来光伏市场装机主力是欧洲，但日本、美国及中国的发展速度十分迅速，太阳能电池封装膜的市场与光伏产业发展息息相关。介绍了封装膜的制备和封装工艺流压延混合法制备效率最高，多层层压机的应用是未来发展方向。介绍了传统的封装膜材料和封装膜的发展趋势目前乙烯 -乙烯醋酸酯共聚物封装膜是主流产品，聚乙烯醇缩丁醛封装膜多应用在建筑光伏一体化中，陶氏和杜邦公司开发的新型封装膜具有制备快、封装效率高、使用寿命长等优势。［关键词］太阳能电池；封装膜；乙烯 - 乙烯醋酸酯共聚物；聚烯烃；离聚物［文章编号］ 1000 - 8144（ 2014） 05 - 0481 - 10 ［中图分类号］ TQ 325 ［文献标志码］ ADevelopment and Application of Encapsulants for Solar CellsRen Yi， Yao Xuerong， Ma Beibei， Luo Shuiyuan（ SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry， Beijing 100013， China）［ Abstract ］ The markets ， properties ， applications and development of encapsulants for solar cells were introduced. The marketing relationship between the solar cells and the encapsulants was discussed. Chinese photovoltaicPV industry will usher a rebound with the policy supports and the changed ideas. In future ， the main capacity of PV installation would be in Europe ， but in Japan ，the U.S. and China ， it has been having a very rapid pace of development. The market development of the solar cells and PV industry is closely related. The production of the encapsulants and encapsulating process were also introduced. The traditional materials were introduced and the development tendencies of the encapsulants were also prospected. Ethylene-vinyl acetate copolymer would play an essential role for a long term. Polyvinyl butyral has been being employed in building integrated PV eld. Dupont and DOW have invented two categories of the encapsulants ， which are more ef cient and have longer service life. ［ Keywords ］ solar cells； encapsulants； ethylene-vinyl acetate copolymer ； polyole n； ionomer482 2014 年第 43 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY的附属电路； 6）将电池内产生的热量及时传导出去［ 2］。本文阐述了太阳能电池封装膜的市场现状、制作工艺、层压工艺和薄膜种类，着重分析了各种太阳能电池封装膜的特点，并指出了未来封装膜的发展趋势。1 光伏市场及封装膜市场的现状1.1 国际光伏市场根据最新光伏市场分析报告，全球累计太阳能电池装机容量从 2008年的 16 GW增至 2010年的 40GW， 2013年达到 100 GW ，并预计 2015年达到 130GW ， 2020年将达到 200 GW 。从全球年度太阳能电池装机容量来看， 2009年及之前年平均增长率为25 ， 2010和 2011年年增长率迅速增至 64 。根据European Photovoltaic Industry Association 的预计，2012 2014年全球的太阳能电池新装机容量仍将继续保持稳定增长。欧洲老牌光伏产业大国德国的光伏市场成熟，技术领先，成本逐年下降，因此政府降低了对光伏发电电价的补贴，导致装机容量增速减缓；欧洲新兴光伏产业国家西班牙在 2007和 2008年期间装机容量发生井喷，然而金融危机导致装机数量受到限制且政府降低了对光伏发电电价的补贴，但 2013年市场逐步恢复正常。尽管如此，得益于法国、意大利和捷克等国的光伏需求量，欧洲目前仍是太阳能需求的主要市场，占全球总需求量的78 。与此同时，美国、日本和中国等新兴市场正迅速发展， Lux Research 预计日本将在 2018年成为光伏市场全球领航者，超越德国和美国成为总装机量最大的国家。国际光伏市场的暂时性萧条在 2013年底逐渐回升，根据欧洲光伏工业协会预测，到2015年全球将有至少 10个装机容量在 1 GW 规模以上的市场［ 3- 4］。1.2 国内光伏市场从 2007 年开始，中国在太阳能电池产能上超越欧美和日本，成为全球太阳能电池第一生产国［ 5］。 2007 年中国太阳能电池产量为 1.1 GW ，占全球太阳能电池产量的 27.2； 2010 年中国太阳能电池产量为 8 GW ，约占全球市场的 38［ 6］。 2011年，受到产品使用终端市场萧条以及美国对中国光伏企业实行反倾销和反补贴调查（简称双反）的影响，国内光伏制造业运行困难，许多企业（如无锡尚德、晶澳、中电光伏等）都出现了亏损，尽管如此，太阳能电池年产量仍占全球市场的 47.8，达到 13 GW 。在美国光伏双反和欧债危机之前，许多国内企业对可再生能源发电的政策不明确，大多选择通过国外市场赚取利润，造成我国光伏产业链失衡，是生产大国、消费小国， 2010年中国太阳能电池装机总量仅为 510 MW ，占全球 3.1［ 7］。在美国双反后，国家和企业感受到完全依赖国外市场的弊端，认识到中国光伏产业转型的必要性和急迫性。 2011年我国首次对太阳能发电项目设定了统一的基准上网电价［ 8］， 2012年国家有关部门出台了许多大力支持光伏产业发展的政策，如关于申报分布式光伏发电规模化应用示范区的通知。除了利好政策大规模出台外，关于光伏产业的项目审批也比往年加快了很多， 2012年国家发展和改革委员会的光伏项目审批超过 60项，在数量上比 2011年多近 50。据估算，在新政策的指引下，国内总装机量的上限将达到 15 GW，高于太阳能发电“十二五”规划中 10 GW 的装机目标。未来随着屋顶计划、金太阳新能源产业振兴规划等的实施，我国太阳能装机量发展空间巨大，预计 2015年达到 3～ 7 GW ，累计装机量将达到 10～ 18 GW［ 9］。1.3 封装膜市场随着光伏产业的迅猛发展，光伏组件专用材料也得到大力发展。在电池组件中，非硅材料（如封装膜、黏合剂、背板等高分子制品）的成本占整个组件板材成本的 20～ 50［ 10］。因此，有效控制非硅材料成本是增加利润的最有效方法。在封装膜的原料研发和生产上，国际上主要的企业有美国杜邦公司、日本三井化学公司、日本普里斯通公司，这 3家公司的原料在全球市场的占有率超过 60。另外，陶氏化学公司也在不断开发封装膜新产品。国内方面， 2009 年温州瑞阳光伏材料有限公司和杜邦公司合作研制的“瑞福 REVAX ”乙烯 - 乙烯醋酸酯共聚物（ EVA）胶膜研发成功，产品性能达到世界先进水平，在 1 000 h紫外老化实验后，透光率仍高于 99、黄变指数小于 2。此封装膜的研发成功打破了国内高性能 EVA封装膜完全依靠进口的局面，标志着高性能 EVA 封装膜的国产化［ 11］。在封装膜的生产及研发上，主要企业有日本普里斯通公司、美国首诺公司、台湾塑料公司、杭州福斯特公司、河南思可达公司和温州瑞阳公司。其中，台湾塑料公司 2009年斥资新增 EVA生产线， 2012年实现年产 2.5 107 m2的 EVA 封装膜，可提供 356 MW 的太阳能电池使用；日本普里斯通公司新增生产线实483第 5 期现月产 EVA薄膜 1.5 kt，可供 213 MW 的太阳能电池使用；河南 2009年投资新建 EVA生产线，实现年产5.0 107 m2的 EVA 封装膜，可供 712 MW 的太阳能电池使用［ 12］。2010 2015 年全球太阳能新增装机容量与对应 EVA 封装膜市场需求量及预测见表 1。以 EVA 封装膜为例，对其进行经济计算，从而对整个封装膜市场有一个宏观的概念。太阳能电池 EVA 封装膜的成本约为 10.56元 /m2，而国产封装膜的价格约为 20元 /m2，进口封装膜的价格约为 30～ 50元 /m2。2010年全球 EVA封装膜的产量为 2.195 108 m2，销售额为 43.7亿元； 2013 年销售额为 76 .8亿元。台湾塑料公司预计 2020年底高性能 EVA封装膜的产量为6 108 m2，产值达 120亿元。表 1 2010 2015年全球太阳能新增装机容量与对应 EVA 封装膜市场需求量及预测Table 1 2010- 2015 capacity of global newly installed PV and thereof the market demand and expectation of EVA encapsulantNewly Installation/MW 16 629 21 145 23 155 31 360 36 670 43 900Demand of EVA for 1 MW generation/10 3 m2 13.2 12.9 12.7 12.3 11.8 11.2Global demand of EVA/10 3 m2 219 500 272 770 294 060 385 720 432 700 491 680Growth rate of demand/ 111.52 24.27 7.81 31.17 12.18 13.63PV photovoltaic； EVA ethylene-vinyl acetate copolymer.2 封装膜制备及太阳能电池封装工艺2.1 封装膜制备工艺工业上封装膜的制备方式主要有流延、压延以及流延压延混合法，其中流延法是主要方法，市场占有率在 95以上。以 EVA封装膜为例，首先将EVA 、增塑剂、交联剂、抗氧剂、紫外光吸收剂等助剂共混，经过熔融混炼、挤出、冷却、切粒等步骤制成改性 EVA ；将改性 EVA熔融、流延、拉伸、轧花、切边、预收缩；将预收缩后冷却的胶膜进行收卷、包装。流延法的优势在于可生产出厚度很薄的胶膜，且收缩率低，但效率仅为压延法的三分之一。与流延法相反，压延法的特点在于效率高但收缩率高。据此，德国步瑞公司开发出一条流延压延混合生产线，结合各自优势，实现低收缩率、高效率生产，生产效率为国产线的 4～ 6倍，且收缩率为2 ，小于流延法的收缩率（ 3）［ 13］。2.2 太阳能电池封装工艺太阳能电池的封装工艺根据电池封装膜、背板、表面板的不同而有所差异，主要区别在于层压机参数的设定，如层压温度、抽气时间、充气时间及层压时间［ 14］。以 EVA 封装膜为例，当上表面板为玻璃、下表面板为聚氟乙烯（ TPT）复合膜（专指双面为杜邦TPT 膜，中间为聚对苯二甲酸乙二酯（ PET）膜的3层复合型太阳能电池背板）时，层压工艺步骤如下依次将上表面玻璃板、 EVA膜、连接好的太阳能电池板、 EVA膜、下表面 TPT背板叠好，放入双层真空层压机下层；将双层层压机上下两层同时抽真空，加热叠层件，至温度为 110～ 120 ℃，上层压力恢复至常压，层间橡胶膜由于压力差对下层的叠加件挤压；继续升温至 135～ 150 ℃ （ EVA 固化温度），恒温固化；固化后，保持下层真空进行循环冷却；最后取出组合件，切除边缘多余的 EVA 材料，封边框和装接线盒，组装成太阳能电池组件。上述层压步骤由于需要二次升温，因此在每次层压过程中需要等待降温，导致效率不高。还有一种针对 EVA 封装膜的快速固化层压方法，即将起始温度直接设定为固化温度，这样可提高效率，但不足之处在于易导致气泡和 EVA的过早交联［ 15- 16］。以聚乙烯醇缩丁醛（ PVB）封装膜为例，当上下表面板都为玻璃时，层压工艺为一步法，即由单层层压机或多层层压机直接层压成型；或两步法，即先进行预排气，再通过高压釜高压成型［ 17］。预排气过程是将封装膜和电池板之间以及封装膜和玻璃之间的空气排出，并得到良好的封边之后才可高压成型。两步法中，预排气过程可根据需要分为两种辊压排气法或真空袋排气法。辊压预排气过程的温度控制十分重要，温度过高会导致空气未排出时胶膜已封边，使空气在层间滞留；温度过低会导致封边不完全，空气回流［ 18- 19］。层压技术的未来趋势是发展多层层压工艺，逐渐取代单层层压工艺。多层层压工艺更符合高效节能等理念，可大幅降低太阳能电池成本。其中，典型的固定式多层层压机可实现单层独立层压，避免层压过程中多个层压台之间的相对运动，减少了维修几率且节省能源。另外，传统的油加热将逐渐被电加热取代。目前，多层层压机在实际使用中遇到的问题主要是受多层层压平台结构的限制，不如单层层压机那样可及时清理层间溢出胶，此问题在任毅等 . 太阳能电池封装膜的应用现状及发展趋势484 2014 年第 43 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY以 EVA 为封装膜的组件层压上更为严重。但随着新材料和新技术的开发和应用，这一问题正在被解决［ 20- 21］。3 封装胶的发展状况20世纪 70年代，太阳能电池封装膜开始受到关注，最初是由美国 Jetpropulsion 公司和 Springbom公司研发了封装胶黏剂［ 22- 23］。在封装胶的发展过程中，出现了有机硅胶、环氧树脂胶、紫外线固化胶及丙烯酸树脂胶［ 24］，但在实际工业使用过程中，因受性能和成本等因素的制约，已逐渐被淘汰或仅在小范围内使用。环氧树脂胶是一种热固型高分子低聚物，优点在于黏结性强，与表面活性高的材料黏结，性能更好；固化收缩率小，固化时体积收缩率小于2 ，是固化收缩率最小的热固型树脂之一；耐腐蚀及介电性能好；工艺适应性强，可通过调整配方进行低温固化、常温固化、快速固化等。但因其密封性差、易变黄、柔韧性差、不耐高温等缺点，目前只在寿命要求不高的小功率电子元件上进行封装［ 25］。李元庆等［ 26］介绍了利用通过光稳定剂改性的环氧树脂对 LED 进行封装的效果，它的寿命比用未改性的环氧树脂封装的 LED 高 50～ 170。环氧树脂在太阳能电池封装膜上的应用主要在组件内部零件的黏合上［ 27］。张思亮等［ 28］研究了改性环氧树脂用于灌封太阳能电池，得到了很好的透光性和黏结性。丙烯酸树脂胶由丙烯酸酯类与甲基丙烯酸酯类和其他烯属单体共聚而成，耐光性和耐老化性能突出，具有很好的成膜性，但耐水性、耐候性和耐高温性能差［ 29- 30］。朱天戈等［ 31］以聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的共混膜作为太阳能电池封装膜，表征了一定共混范围内封装膜的形态和组成。丙烯酸树脂还可用有机硅胶进行改性，提高其耐水性能，用作黏接组件内部各个零件的黏合剂［ 32- 33］。4 封装膜的发展状况太阳能电池封装膜材料的各项指标要求见表2。基于表 2的要求筛选出的封装膜材料有 EVA 、PVB 、聚二甲基硅氧烷（ PDMS ）、热塑性聚氨酯（ TPU）、热塑性聚烯烃及离聚物，它们的具体结构见图 1［ 34］。表 2 太阳能电池封装膜材料的各项指标要求Table 2 Speci cations and requirements for solar cell encapsulanting materialsCharacteristic Speci cation or requirementTotal hemispherical light transmission through 20 mL thick lm integrated over the wavelength range of 400- 1 100 nm 90 of incidentHydrolysis None at 80 ℃， 100 relative humidityResistance to thermal oxidation Stable up to 85 ℃Mechanical creep None at 90 ℃Tensile modulus 350 nmHazing or clouding None at 80 ℃， 100 relative humidityOdor， human hazardtoxicity None IonomerO O Na ZnnmPDMSSiCH 3CH 3OnTPORR CH 3, CH 2nCH 3 othersnmTPURNHOOnEVAOnmPVBO O OH O On m o图 1 封装膜材料的分子结构［ 34］Fig.1 Molecular structures for the encapsulating materials［ 34］ .TPU thermoplastic polyurethane； TPO thermoplastic polyole n； PVB polyvinyl butyral ； PDMS polydimethyl silicone.485第 5 期4.1 EVAEVA 是一种结晶度低、柔韧性和极性较高的材料，在受热熔化后表现出良好的浸润性，再次冷却固化后又具有优良的挠曲性、黏结性和抗应力开裂性，因此是一种较为理想的太阳能电池封装材料［ 35］。 EVA 胶膜广泛用于光伏组件封装，是目前市场上份额最大的一种封装材料，市场占有率约为 80［ 36- 37］。目前应用较多的 EVA 封装膜是以醋酸乙烯含量（ w）为 30 ～ 33 、熔体流动指数（ 10 min ）在10～ 100 g范围内的 EVA 树脂为基料，再与数种改性剂共混，挤出成型，经成膜设备热轧成薄膜型的产品。得到的薄膜在太阳能电池封装过程中通过组件叠层、层压受热产生交联反应，形成三维网状结构，将盖板、电池片、背板 3层材料黏接成为一体，属热固性的热熔胶膜。固化后的胶膜具有相当高的透光率，在 400～ 1 100 nm光谱范围内透光率达 90；具有很好的黏接强度，与玻璃之间的剥离强度大于 30 N/cm ，与 TPT 背板之间的剥离强度大于 15 N/cm ；还具有较好的热稳定性、气密性及耐老化性能［ 38- 39］。但像聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等聚烯烃一样， EVA会由于热降解、光降解和 /或光热降解导致颜色变黄，甚至变成深棕色，影响透光效率；同时 EVA分解时产生的乙酸气体对电池组件也具有不良影响，严重影响组件的光电转换效率及寿命。美国 Sandia国家实验室、 Florida 太阳能中心、国家新能源实验室（ NREL）和美国西南技术发展研究所等都对 EVA 封装的太阳能电池进行了大气老化试验［ 40- 41］，结果显示，经过 10～ 17 a的太阳光照射，电池性能均出现了不同程度的下降，如1985 1990年电池电量输出损失达 35.1 ， 19861991 年电池电量输出损失高达 40 。 Peter等［ 40］对从美国加州 Carrisa Plains 电站回收的光伏组件进行了分析，认为 EVA变色降解主要是由过量的过氧化物交联剂与热稳定剂间的反应引起的，而薄膜中微量的氧化铈可有效减少 EVA胶膜的黄变情况。张臻等［ 42］使用紫外老化仪对添加不同助剂的 EVA 胶膜进行了长达 1 000 h的老化实验，详细研究了老化过程中力学性能、透过率、黄色指数及电池组件光电转换效率的变化。唐景等［ 43］在 EVA 薄膜老化变色的不同阶段取样进行化学分析，详细解释了 EVA 变色失效的化学机理，提出避免 EVA 变色的方法。EVA 的降解过程见图 2。由图 2可见， EVA 降解过程经历了 3个 Norrish 降解反应，简单描述就是EVA的主链在高温、氧气及紫外光的照射下，碳氧键和碳氢键断裂、氧化或重组，生成生色基团导致变黄［ 36， 44- 45］。影响 EVA 降解的因素很多，主要分为两类物理因素和化学因素。其中，物理因素主要涉及光照的紫外线强度、膜厚度、胶膜的封装方式及程度、前板的滤光性、后板的阻水性等；化学因素主要涉及助剂的添加及其相互作用。因此，为避免变黄现象发生，目前对 EVA 改性的途径主要是加入抗氧剂以及具有紫外吸收或光稳定性等功能的助剂。在 EVA胶膜中加入三嗪类紫外吸收剂，可有效提高胶膜的抗紫外能力和光稳定性［ 46］。使用叔丁基过氧化碳酸- 2- 乙基己酯交联固化剂、三烯丙基异氰脲酸酯助交联剂、亚磷酸酯类抗氧剂、受阻胺类光稳定剂以及使用气相二氧化硅替代有机紫外吸收剂制得的 EVA薄膜，经过连续 2 000 h的耐候性测试，黄变指数仍较低［ 47］。如果不使用紫外吸收剂，而是通过合理调节交联剂用量也可改善 EVA 薄膜的抗老化性能［ 48］。图 2 EV A 的降解过程Fig.2 Reactions for the EVA degradation.CH 2CH 2n CH 2CH mCH 2CH 2 n CH 2CH 2 nCH CH mCH 2CH 2n m CH3COHOPolyenesAcetic acidOCH 2CH 2n CH 2CH mCH 2CH 2 nOeeCONorrish UVC CH 3OORHCH 3CH 3C CH 4 CO 2 and/or COH R eCH 2CH 2nCH 2C mCH 2CH 2 n m CH 3 C HOKetoneNorrish Norrish DeacetylationAldehydeO任毅等 . 太阳能电池封装膜的应用现状及发展趋势486 2014 年第 43 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY4.2 PVBPVB是一种热塑性高分子化合物，具有柔性好、透明度高、黏结性强、耐候性强、耐冲击等特点。从 20世纪 40年代起， PVB就开始应用于层压的安全玻璃， 1970年开始用于太阳能光伏组件。但PVB一开始存在的问题是 PVB吸收水分后膜的透光性明显下降。为了避免这个问题，太阳能组件的生产商转向了 EVA，它能保证太阳能组件的工作寿命在 20 a以上。但 EVA并不能完全满足光伏行业的需求。当在制备大面积的玻璃 - 玻璃组件时，为了使顶板和背板玻璃之间的层完好地黏接在一起，需要对组件进行加热，而顶板和背板的玻璃传热较慢，因此要达到 EVA的交联温度（ 130～ 150℃ ）需要很长的时间，且整块组件的温度分布也会不均匀，组件周边的 EVA容易提早熔融，溢出的 EVA可能污染层压机。另外，一些国家或地区对于用在屋顶的太阳能组件有更高的要求，相关规定间接地禁止了浇铸树脂在组件中的应用，防止屋顶玻璃的破碎，故特殊场合的应用还得寻求新的封装材料［ 49］。直到近几年， PVB的浊度问题得以减轻， 2005年Kuraray Europe GmBh公司生产出用于光伏组件封装用的 PVB 膜“ big impress”，才带动其在光伏领域的大规模应用。 RWE Schott Solar公司在一些非晶薄膜组件中使用 PVB膜，杜邦公司也推出了 PV 5200光伏组件封装膜，并且这些新推出的 PVB产品非常适合使用辊压 /高压釜、真空层压机和新型太阳能电池板加工工艺。 PVB膜的黏接性能、抗紫外线和抗穿透性能均优于 EVA。 PVB的生产工艺比EVA简单，但由于 PVB价格昂贵，使得 PVB在市场上的总占有率不高，约为 15。 PVB主要用于建筑光伏一体化上面，即以 PVB封装膜封装的薄膜电池代替建筑物上的传统玻璃或砖墙，为建筑物提供电力。虽然目前建筑光伏一体化的市场很小，但预计到 2020年， PVB材料的总市场占有率将达到 40。除了建筑光伏一体化外， PVB还可用于薄膜太阳能电池［ 50］。 PVB的不足在于它的储存需要低温条件。据报道， PVB混有含量为（ w） 15～ 40的塑化剂时可降低其力学模量，避免温度变化带来的变脆或脱落现象［ 51］。4.3 PDMSPDMS是有机硅的一种，主链上含有无机键且侧基通过硅与有机基团相连，从结构上认为是无机玻璃和有机线型聚合物的特殊结合，使得它具有许多优异的性能，如疏水性良好、耐热性好、吸湿性低、耐热老化、耐紫外线老化、电绝缘性良好［ 52］。有机硅材料在汽车、健康、电子、微电子等行业的使用已具有很长的历史。 Mclntosh等［ 53］将 PDMS和 EVA在 85℃、 85湿度条件下放置 8周后对照了它们的吸水性，当 EVA增重 0.28时， PDMS只增重 0.035，而吸湿性又会影响到透光率。 PDMS的稳定性也比 EVA好很多， Skoczek等［ 54］比较了 EVA， PVB， PDMS 3种组件经过 20 a的平均功率损耗， EVA组件损耗为 16， PVB组件损耗为 23， PDMS组件损耗仅为 8。由此可见，PDMS在长时间使用过程中的稳定性很好，避免了EVA的光降解老化问题。另外， PDMS具有很高的紫外透光率， EVA的短波长透过截止在 417 nm处，而 PDMS可透过的短波长延伸至 273 nm，更宽波长范围内的透光性带来更大的能量转换效率［ 55］。Kempe等［ 52］详述了 PDMS封装膜光降解的机理和测试等。 PDMS与玻璃和背板的黏接性很好，可有效阻止层间的腐蚀和剥离。 PDMS的电绝缘性能很好。因为线型有机硅的低模量以及低的玻璃化转变温度（ PDMS的玻璃化转变温度为- 120℃），使得有机硅在固化前黏度低，增大了它在组件中的流动性，提高了加工效率。在早期（ 1950 1960年）的光伏行业中， PDMS就因其出色的抗 UV辐射和热稳定性用于封装膜［ 56］，它可以提供更高的组件功率、更短的加工时间和更好的持久性。更多有关PDMA测试的文献可参考相关的有机硅文献。5 封装膜的未来发展趋势5.1 茂金属聚乙烯弹性体茂金属聚乙烯弹性体（ POE）由陶氏公司在1994年研发。 POE是在茂金属催化下乙烯与 1- 辛烯或 1- 己烯的聚合物，分为茂金属低密度聚乙烯和塑性体两类。塑性体根据共聚单体含量又可进一步分为聚烯烃塑性体（共聚单体含量（ w）低于 20）和聚烯烃弹性体（共聚单体含量（ w）为 20～ 30）。其中，聚烯烃弹性体的商品名为陶氏公司的 Engage产品，特性在于 1）相对分子质量分布窄，玻璃化转变温度低，结晶温度低； 2）结构中共聚单体与乙烯链有物理交联点，熔体流动性好、熔体强度和剪切敏感性强，使其韧性和加工性能好； 3）无不饱和键，耐候性和热稳定性更强［ 57- 58］。以其为原料加工而成的封装膜的商品名为陶氏公司的 Enlight产品。 Enlight封装膜的光学透过率在 450～ 1200nm区域大于 90，相比 EVA和 PVB，它的耐水性能487第 5 期更优越。陶氏公司的产品测试结果表明， Enlight 封装膜的水蒸气透过率是 EVA封装膜的 10，是 PVB封装膜的 5，使电池能在潮湿环境下寿命更长。在黏接力方面，陶氏公司将 EVA 封装膜与 Enlight 封装膜进行了不同层压条件下的与玻璃 180o剥离强度的对比。实验结果表明， 140 ℃层压条件下 Enlight封装膜的黏接力是 EVA 封装膜的 2倍； 160 ℃层压条件下， Enlight 封装膜的黏接力是 EVA 封装膜的 4倍。 Enlight 封装膜的不足之处在于与热塑性弹性体背板的黏接力为 7.9 N/mm ，低于传统 EVA封装膜。Enlight 封装膜的折射指数约为 1.48，与玻璃的折射指数相近，减少了玻璃与封装膜之间界面的折射损失，从而提高了透光率。 Enlight 封装膜和 EVA封装膜的湿热实验和耐候实验结果的对比分别见图 3和图 4［ 59］。好外，还具有更高的体积电阻率和更低的漏电流，这有利于延长光伏组件的使用寿命。在加工成本方面， POE的加工成本也远低于传统的 EVA封装膜。Enlight 薄膜层压循环时间比 EVA缩短 10 min ，效率提高了 30。且 Enlight 封装膜的配方中不含液体，不形成醋酸，避免了液体水解对层压设备造成的损伤并从根本上消除了起泡现象［ 60］。因此，近几年 POE在封装膜市场的份额增幅较大，根据陶氏公司自身市场预测， POE市场占有率将在 2016年达到25 ， 2015年时销售额将达到 12亿元［ 61］。5.2 TPU2008年， Bayer Material Science 公司成功开发了 Desmopan 系列耐光且透明性很好的 TPU ，可代替传统的 EVA 薄膜作为太阳能组件的封装膜［ 62］。TPU一般都是不透明的，甚至是乳白色的，但通过结构调整和加工条件的控制可得到透明度很高的聚氨酯。 Bayer Material Science 公司的 Desmopan系列TPU产品中含有一系列脂肪族 TPU，它们的透明度很好，即使在 10 mm膜厚的情况下还十分透明。另外，芳香族 TPU 也会在 UV 光照射下出现变黄的现象，而脂肪族 TPU则不会出现变黄的情况。因此，Desmopan 系列中的脂肪族 TPU 能满足封装膜的要求，该系列 TPU薄膜的机械性能和光学性能与 EVA相似，在 UV 辐射下变黄的现象比 EVA 减轻很多。使用 EVA 封装时，在各层材料叠放好之后，需在真空层压机中在 145 ℃下交联 12～ 20 min ， EVA 变硬成为透明层，交联需要一定时间从而限制了电池的生产效率。而 Bayer Material Science公司的耐光 TPU薄膜在封装过程中不需要交联，大幅缩短了生产周期。另外， TPU封装可以考虑辊压工艺而不使用真空层压工艺，这为连续化生产提供了可能性，能更大程度上提高光伏组件的生产效率。此外， TPU可重新熔融加工，有瑕疵或坏掉的组件还可以重新熔融加工，使其内部昂贵的太阳能电池可再次使用。综上所述， TPU相对于 EVA 的优势将使光伏组件的经济性大幅提高。 Bayer Material Science 公司对该薄膜的耐候性测试结果也证明了它能满足相关的要求， TPU封装的太阳能电池满足 IEC 61215标准。5.3 离聚物树脂离聚物树脂是一种高性能的乙烯共聚物，含有金属盐（如锌、钠等金属部分中和的酸性基团），物理性能优于一般热塑型聚合物。与 EVA 相比，离聚物树脂具有更高的熔体强度和韧性、更低的透水性、更高的电阻率（是 EVA的 200倍）等；而110100908070605040Retainedefficiency/3020100 2 000 4 000 6 000Exposure time/h8 000 10 000 12 000EVAEnlight POEFollowing 1 000 hdamp heat bothmodules underwent50 thermal cyclesand 10 humidityfreeze cycles. Bothmodules were thenplaced back intodamp heat.Glass leaching caused drop inshort circuit current No film ofmodule degradation图 3 Enlight 封装膜和 EVA封装膜的湿热实验结果的对比［ 59］Fig.3 Comparison between Enlight polyole n elastomersPOE and EVA in damp heat exposure［ 59］ .图 4 Enlight 封装膜的耐候实验结果［ 59］Fig.4 Result of Enlight POE in hours of the exposure［ 59］ .6YellownessindexASTME31354320 2 000 4 000 6 000Exposure time/h8 000 10 000在湿热实验中， Enlight 封装膜在组件效率降低时能起到额外保护的作用，而 EVA 封装膜会造成组件和封装膜的衰减；在耐候实验中， Enlight 封装膜经历 10 000 h的氙弧灯后黄变指数变化不明显。POE封装膜除了耐水性和光照稳定性比 E