太阳电池封装胶膜EVA的研究进展(1)

. '. 太阳电池封装胶膜EVA的研究进展 环境污染和能源短缺是人类在21世纪面临的最大挑战。利用太阳电池将清洁的、可再生的能源阳光转变为电能是解决这两个问题的最有效途径之一。为此太阳能利用已成为 10年来发展最快的行业之一。 1. 太阳能电池的封装 太阳能电池是将太阳辐射转换成电的装置，是太阳能开发的一项高新技术，是一种新型的特种电源。阳光发电的原理是利用硅等半导体的量子效应，直接把太阳的可见光转换为电能。可是硅若直接暴露于大气中，其光电转换机能会衰减，所以必须将电池封装起来。目前硅晶片电池的封装常用的有4种。 （1）表面为环氧树脂封装。环氧树脂封装的太阳能电池如图1所示。底层用印制电路板作为衬底，中间为太阳能晶片，在晶片上面涂一层透明环氧树脂。这种封装方法常用于小功率（5W以下）的太阳电池，其工艺简单，但环氧树脂经长期日晒后会变色泛黄，影响透光效果。

图1 环氧树脂封装的太阳能电池 （2）表面为玻璃封装。大功率的太阳能电池的封装结构如图2所. '. 示。表面用透过率大于90%的玻璃，厚度为3mm，晶片的上、下两层为抗老化的EVA （乙烯—醋酸乙烯共聚物），衬底用TPT（复合塑料膜），五层材料经高温层压后加上铝合金框而成。 其中层压主要工艺步骤为： 1、叠层：依次将盖板玻璃、EVA 膜、互相连接好的太阳电池、EVA 膜、聚氟乙烯膜（ 或复合膜）叠在一起。 2、抽真空：把上述叠层件放到双真空层压器的下室。层压器的上、下两室同时抽真空，约 5m in。 3、加热：层压器的上下两室保持真空，加热叠层件。 4、加压：叠层件加热到 110~120℃时，层压器的上室逐渐取消真空回到常压。这时层压器的下室仍处于真空状态，也就是使上室对下室中的层压件产生一个大气压的压力。 5、保温固化：在固化温度下，恒温固化。 6、冷却：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。循环冷却，取消下室真空，取出组合件，用快刀把组合件边缘多余的EVA 切掉。然后封边框和装接线盒，组装成太阳电池组件。 这种太阳能电池封装工艺成熟，为多数太阳能电池生产厂家所采用。 .

'. 图2 （3）表面为薄膜封装。用薄膜来代替玻璃的封装，如图3所示。

衬底改为印制电路板来加强其牢度。表面用层压方法压上一层称为PET的聚酯薄膜。PET的透过率在85%以上。这种封装的目的是为了减轻太阳能电池组件的重量及降低成本。

图3 PET封装的太阳能电池 （4）双面玻璃封装。太阳能电池与建筑材料相结合的幕墙式封装

是电池应用的一个重要方面。其结构如图4所示。把它作为建筑墙面，. '. 于整个建筑物融为一体，即使建筑物美观又达到了吸收太阳光作为能源的目的。

图4 双面玻璃封装的太阳能电池 1.1 太阳能电池封装胶膜

太阳能电池封装材料在实际使用中的作用主要是:a)支持和固定太阳电池片;b)增加太阳光的透过率，使起始透过率达到 90%> 20年透过率损失小于 5%; c)隔离有害的环境因素，如表面污染，冰雹，反应因数，鸟等;d)电绝缘的作用;e)热传导作用。 本世纪八十年代前，国内外曾试用过液态硅树脂和聚乙烯醇缩丁醛树脂片(PVB)，均因价格高、施工条件苛刻、物性不好而被淘汰。八十年代开始，进口Jet Propulsion和Springborn实验室，国家可再生能源实验室 (NREL)的F.J.Pern等就开始对太阳电池封装材料进行了研究，根据材料的透光性、模数、可加工性、价格等特点，将乙烯一醋酸乙烯酯(EVA)和乙烯-甲基丙烯酸甲酷 (EMMA)列入JPL计划，然后又针对EVA胶膜在恶劣的天候条件下容易变黄，从而影响太阳能电池光电转换率的缺点进行了一些研究，最后研制成功了耐老化. '. EVA封装胶膜。国内也对EVA太阳能封装胶膜进行了研究，己有成品在市场上销售，但其效果仍不能满足现在太阳能工业的需要，突出的问题还是胶膜的耐天候性差，容易变色，影响本身的透过率，降低了太阳能组件的光电转换效率。 1.2 太阳能电池封装的其它构件 封装太阳电池的三种基本材料，除EVA胶膜外，还有上下盖板。上盖板一般都采用玻璃。封装太阳能电池，对玻璃的主要要求是:透过率高、抗冲击能力强〔厚度不太大)、不易老化。也有人用聚醋膜，但由于它的透过率比较低，强度比较小，不能满足太阳能电池上盖板的要求。 下盖板主要采用聚氟塑料，即TPT，也有人用玻璃和印制电路板，但由于它们透过率太高，反射率太低，降低了太阳光的利用效率，所以现在渐渐被淘汰了。TPT是太阳电池防潮抗湿的阻挡层，通常我们见到太阳能电池板背面一层白色塑料膜覆盖物就是 TPT。TPT又称 Tedlar，外表像张稍厚的光滑白纸，实际上有三层 (Tedlar/聚酯/ Tedlar)。Tedlar是一种聚氟乙烯材料，具有许多熟知的碳氟聚合物的性质：耐老化、耐腐蚀、不透气等。这些特点很符合封装太阳电池。TPT为白色，对阳光起反射作用，能提高组件的效率，并且具有较高的红外发射率，可以降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。但是它也有缺点:比较贵，每平方尺大于 1美元 (约$0.1/w)，而且它不容易粘合。 以上介绍的玻璃、 EVA和TPT，外加太阳电池片是组成太阳电. '. 池组件的主要材料，除此之外互连条、铝合金边框、接线盒、焊锡等也不可缺少，现在国内在武汉、云南有厂家生产太阳电池专用铝合金边框和互连条。焊接时，就是利用互连条将单体电池片串并联起来，互连条为银白色，由外表镀锡的铜条制成，宽度一般与电池片正面负极条一致，这样焊接后组件比较美观。 2 太阳能电池封装胶膜的研究进展 太阳光透过玻璃，透过高分子封装胶层，到达硅晶片，光能被转换成电能，由导线引出。虽然硅晶片本身具有长达三十年以上的寿命，但为保护硅晶片不受大气侵扰，保持光电转换效率不衰减与持续使用10年以上的的可靠性，太阳电池是借助于两层高分子封装膜将硅晶片包装于其中，再和上下保护层材料玻璃及TPT膜粘结。但是，高分子封装胶的工作寿命却比电池片的寿命要短得多。在室外恶劣的天候环境中，高分子封装胶会很快老化变黄，甚至脱胶龟裂，使电池组件破裂或受到天候侵蚀，从而导致整个电池组件的光电转换效率下降或者是短路损坏而失效。因此，封装材料的性质对电池组件的长期性能是非常重要的，太阳电池的寿命不得不受电池组件中寿命最短的透明封装胶的工作寿命所限制。这就是通常所说的“短板原理”。用于太阳电池组件的透明高分子密封材料的工作寿命或耐天候老化性能便成为决定组件寿命的关键因素之一。在组件中，它是一个易被忽视但在实用中是决不能轻视的部件。由此可见，在降低电池片成本，提高光电转换效率的同时，研制在自然天候条件 (昼夜和季节性温度变化、紫外光辐射、湿气、空气污染等)下，光、电和力学性能稳定可. '. 靠，使用寿命长的透明高分子封装材料是太阳能光电利用下不容忽视的一个方面，也是开发性价比良好的太阳电池组件产品的重要途径之一，对于促进太阳能这一洁净能源的应用，推动太阳电池工业的发展，保护我们的环境和资源都具有十分重大的意义。 2.1 封装胶膜材料的研究进展 各国学者和企业界人士强烈意识到太阳电池的封装材料和工艺是提高太阳电池的寿命，降低使用成本的关键技术。国内外曾采用过PVB胶片和加热交联型硅橡胶 (液态)作为太阳电池的封装胶膜，但由于胶价高，性能或施工操作不合适而被淘汰。为推进太阳电池行业的发展，Jet Propulsion和Springborn实验室早在70年代末至80年代初就开始研究太阳电池封装用胶的配方，国家可再生能源实验室(NREL)的F.J.Pern等也在太阳电池封装材料研制领域中做了大量卓有成效的工作。研究者首先根据太阳能电池的使用要求，提出了粘结剂应具备的特性，据此，聚氯乙烯均聚和共聚物，聚酯，聚苯乙烯—聚烯烃均聚物和共聚物，聚乙烯醇， 聚丙烯酸等被列为候选材料。之后又根据材料的透光性、模数、可加工性、价格等特点，将乙烯—醋酸乙烯醋(EVA)和乙烯—甲基丙烯酸甲酯(EMMA )列入JPL计划。最后根据透过率、粘接强度、绝缘性、安全性、加工性、热稳定性，成本等若干指标，EVA被选为理想的电池层压封装用胶。为此，JPL实验室研制了以EVA为基质的太阳电池封装胶膜配方。目前，世界各地的太阳电池组件的生产商普遍采用EVA作为封装材料。近30年的使用说明，此封装材料基本上可稳定工作10年不变黄。为进一步. '. 提高电池使用寿命，进一步促进太阳电池的推广应用，进口等发达国家己对太阳电池组件的封装材料提出了长达30年寿命的目标，并为这已目标而投入了大量的资金和人力。然而，目前的封装材料还远远不能达到这一要求。近年来，一些太阳电池组件的生产者和终端用户都相继报道了太阳电池在自然天候条件下因封装材料的老化变色而导致电池的光一电转化效率大大降低的例子。这涉及到EVA封装材料的长期可靠性、使电池获得较长使用寿命和达到更高的目标经济效益的问题，故引起了世界各国的重视。为此，进口能源部通过国家可再生新能源实验室资助致力于胶膜老化机理和改进配方的研究工作。英国也开始了这方面的工作。 我国于80年代中期开始，陆续从进口引进单晶硅太阳电池生产线，并逐年从进口进口EVA胶膜。为改变每年进口封装材料的被动局面，国家科委将太阳电池封装用的EVA胶膜国产化列入 “八五”攻关计划。EVA胶膜已在 “八五”期间，己经正式用于太阳电池封装，全面取代进口，实现国产化。目前生产规模 5万m2/年。尽管如此，目前使用的国产EVA封装胶膜仍不尽人意。使用结果表明，该封装胶在使用三、四年左右就出现一些问题，其中最突出的是封装材料老化变黄，甚至开裂脱胶，使电池密封性下降，严重地影响电池的光—电转换效率和使用寿命，甚至由于短路丧失光电性能。这就使原来成本相对较高的电池片不能很好地得到利用，阻碍了太阳电池的应用和推广。提高电池封装材料的耐天候老化性能和改进封装技术，己成为太阳能利用的一个迫切需要解决的问题。近年来，全国各地出现