不可或缺的封装材料的含33%醋酸乙烯酯的EVA胶膜解析
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你知道光伏封装材料吗?太阳的光线出现在生活中的每一个地方,人们的生活已经离不开太阳,太阳能不仅为植物生长提供光源,而且也能为人类提供能源,现在的光伏发电就是很大程度上利用了太阳能。
封装材料的作用是将太阳电池、铜锡焊带、背板及光伏玻璃等粘结在一起,是光伏组件的关键组成部分[12]。封装材料主要有双组分硅胶、聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB)、乙烯- 醋酸乙烯酯聚合物(EVA) 胶膜等[14]。目前光伏行业应用最广泛的是已在行业使用超过20年的含33%醋酸乙烯酯的EVA胶膜。
随着全球光伏每年新增装机的不断增加,即便考虑胶膜单位消耗量的不断降低,组件厂商对胶膜的需求量也会越来越大,我们预计2019-2021年的全球EVA胶膜需求量将分别达到13.2、14.4、16.1亿平方米。
EVA作为高分子材料,在强紫外线照射下极易发生脱乙烯反应,并产生乙酸与烯烃。不仅EVA 的分解速度与紫外线强度成正比,而且乙酸量的增加还会加快EVA 的老化速度[12]。光伏组件的焊带、背板和电极也会受到乙酸的腐蚀,脱乙烯反应引起EVA胶膜发生色变,使光伏组件由无色透明逐渐变化成黄色甚至深褐色,从而影响了组件的透光率和输出功率,导致组件的转换效率和使用寿命明显下降。
胶膜生产工艺较为成熟,行业竞争较为充分。国产替代逐步完成,目前板块格局稳定,福斯特龙头地位稳固。EVA胶膜在生产上有较强的技术壁垒,配方、改性技术、生产工艺、关键生产装备等方面专业性很强,且产品透光率、收缩率、耐老化等方面均有严格要求,需要企业经过多年摸索和不断改进才能确保产品质量。
玻璃化温度Tg 和脆性温度Tb 是当聚合物在低温下力学性能发生形态突变时所对应的温度[16]。其中,玻璃化温度直接关系到EVA 胶膜的低温性能,在玻璃化温度以下,EVA 胶膜呈玻璃态,表现出一定的脆性[17]。有实验数据表明,EVA 胶膜的玻璃化温度为0~10 ℃ [18],在0 ℃以下时,EVA 胶膜开始逐渐丧失弹性,进入刚性状态。EVA 胶膜的脆性温度为-30~-50 ℃,当温度降到脆性温度以下时,EVA胶膜表现出脆性,少许的外力、较小的形变就会使其受到破坏[19]。
作为封装的关键材料,胶膜的主要作用是保护太阳能电池并将电池与盖板、背板材料紧密贴合成为一个整体。EVA 封装胶膜属于热固性材料,在封装层压过程中在一定温度、压力下发生化学交联反应,进而实现良好的粘接。交联剂常采用过氧化二异丙苯( DCP) ,而 DCP 需在 140 ~ 160 ℃的高温条件下发挥作用,此时会因各组件间的线膨胀系数的差异,产生一部分内应力,封装完成组件温度降至室温,因各组件导热系数的差异,又产生一部分内应力,两部分内应力累积,最终将导致各组件间脱层、起泡、褶皱等现象的发生,降低太阳能电池的使用寿命。因此,选用合适的助剂,尽量降低 EVA 胶膜的封装层压温度,避免因此带来的产品缺陷,延长太阳能电池组件的使用寿命,也成为研究者们亟待需要解决的问题之一。
此时的EVA 胶膜仅存在抗机械冲击性能,一旦受到强劲风压、冰雹或运输等外力的冲击,很容易发生断裂,而封装在其内部的太阳电池会随之产生隐裂甚至断裂。同时,低温环境还会使EVA胶膜的粘结性能严重下降,使光伏组件发生脱层。光伏用EVA 胶膜的极性结构较弱,在强紫外线辐射下易产生降解与老化现象,在极端气候环境下易产生低温冷脆、隐裂、脱层现象[12]。而EVA胶膜的稳定性能受其组成,以及耐老化剂、稳定剂、偶联剂、交联剂等添加剂的影响。耐老化剂可降低紫外线对EVA胶膜的降解与变色,稳定剂可增加EVA胶膜的化学稳定性和环境适应性,偶联剂可增加EVA胶膜的粘结强度,交联剂能有效提高EVA胶膜的体积电阻率和机械强度等[12]。因此,可通过在EVA胶膜生产过程中添加适当比例的添加剂来提高其耐低温性能。
光伏产业在全球大力开发清洁新能源的环境背景下,得到了异常迅速的发展。我国已是世界上最大的太阳电池及组件的生产基地,封装胶膜无论从研发实力、产品质量方面均在不断地提高,但高性能EVA 胶膜仍需依赖进口,严重制约我国光伏产业的发展。因此研究出高性能的封装胶膜,从改进配方、改进工艺、改性 EVA、开发 EVA 替代品等方面出发,优化改善封装胶膜的透光、散热、粘接、耐老化等性能,最终减缓光伏电池的衰竭速率、提高使用寿命、降低进口依存度,是研究者们需要加大力度攻关的课题。
以上就是光伏封装材料解析,如果某一天人们能高效利用太阳能,相信能解决很大的能源问题,毕竟太阳能是符合可持续发展战略的,能保证人类的永续发展,需要我们科研人员更加努力。