江蘇愛康太陽能科技股份有限公司 ■ 周先國 韓繼昌 康裾昆 王永德

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 ■ 張 軍

一 引言

近年來世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢，光伏組件的產(chǎn)量、安裝量都在不斷增加。2010年全球太陽電池產(chǎn)量約24GW，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)安裝量累計(jì)將達(dá)到40GWp，光伏發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)勢備受青睞[1,2]。世界各國都非常重視光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前美國、歐洲和日本等都制訂了中長期太陽能光伏發(fā)展計(jì)劃。按照這些計(jì)劃，到2020年全球光伏裝機(jī)容量將達(dá)到1000GW，其發(fā)電量將占總發(fā)電量的5%左右。隨著技術(shù)的進(jìn)步，或許未來的實(shí)際進(jìn)程還將超出這一規(guī)劃。

表1 2010～2015年全球太陽能新增裝機(jī)容量與對應(yīng)EVA膠膜市場需求量及預(yù)測

圖1 2010～2015年全球太陽能EVA膠膜市場需求量與增長率及預(yù)測（EPIA）

中國是世界上最大的太陽電池及組件的生產(chǎn)基地。2007年中國太陽電池產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一，到2010年產(chǎn)量達(dá)到10.7GW，已占據(jù)全球產(chǎn)量的半壁江山。我國涉及太陽能的生產(chǎn)企業(yè)也達(dá)到3000多家，從業(yè)人員多達(dá)百萬人，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。從表1與圖1中可以看出，伴隨著世界和中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，太陽電池組件封裝材料EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)膠膜市場也得到快速增長，許多企業(yè)紛紛進(jìn)入這一行業(yè)。本文將重點(diǎn)介紹近年來太陽電池EVA封裝膠膜的研究進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢。

二 光伏組件的封裝

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽電池若直接暴露于大氣中，其光電轉(zhuǎn)換效率易衰減，性能會大大降低。良好的電池封裝不僅可使組件的壽命得到保證，而且還可增強(qiáng)組件的抗擊強(qiáng)度。封裝流程在光伏組件生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，其封裝材料的選擇也顯得尤為重要。

目前，除小功率(5W以下)的光伏組件表面采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行膠封外，對大功率的光伏組件，常見封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，表面用透過率大于90%的玻璃，厚3mm，太陽電池的上、下兩層為抗老化的高分子聚合物(EVA膠膜)，襯底用復(fù)合塑料膜(TPT塑料)，五層材料經(jīng)層壓機(jī)高溫層壓后加上鋁合金框密封就得到完整的光伏組件[3]。上表面封裝材料也可用高分子薄膜來代替封裝玻璃，例如表面采用一層PET聚酯薄膜，襯底改為印制電路板加強(qiáng)其牢度，PET的透過率在85%以上，這種封裝模式可減輕光伏組件的質(zhì)量，并降低成本。同時(shí)，也有上下表面都用太陽能玻璃封裝，光伏組件與建筑材料相結(jié)合的光伏幕墻(BIPV)式封裝就是一種雙層玻璃結(jié)構(gòu)，把光伏組件作為建筑的一部分，與整個(gè)建筑物融為一體，對建筑物既起到裝飾作用又達(dá)到了光伏發(fā)電的目的。

光伏組件封裝方式雖稍有差異，但普遍采用的封裝膠膜都是高分子聚合物，目前主要是EVA膠膜。因高分子聚合物和太陽電池及其他材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，會導(dǎo)致電池開裂、封裝材料的斷裂或與其他材料分離，因此封裝膠膜必須能包容組件中不同材料的熱膨脹系數(shù)差異，不會對太陽電池和其他材料有內(nèi)應(yīng)力作用[4]。為達(dá)到此要求，封裝膠膜需具有很好的黏彈性。同時(shí)，為保證太陽電池可較好地利用太陽光，還要求封裝膠膜在太陽電池可利用光譜范圍內(nèi)具有良好的透光率。此外，從經(jīng)濟(jì)和實(shí)際應(yīng)用考慮，封裝膠膜還應(yīng)滿足的要求為：低成本、低吸水性和滲水率、良好的抗紫外線降解和熱氧化能力，從而為光伏組件室外應(yīng)用提供物理隔離、電絕緣、抗老化等作用，提高組件的使用壽命[5～7]。

三 EVA封裝膠膜及其工藝分析

目前，市場上電池封裝材料普遍采用EVA膠膜。EVA 是乙烯與醋酸乙烯酯(VA)的共聚物，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EVA聚合物結(jié)構(gòu)式

EVA 是一種熱熔性塑料，其性能與VA含量及熔融指數(shù)(MI)有關(guān)。當(dāng)MI一定時(shí)，VA 的含量增高，EVA 的彈性、柔軟性、粘合性、透明性和溶解性提高；VA 的含量降低，EVA 則接近于PE(聚乙烯)的性能，剛性變大、耐磨及電絕緣性上升。當(dāng)VA 含量一定時(shí)，MI增加，分子量降低，軟化點(diǎn)下降而加工性及光澤性改善，但強(qiáng)度低；反之MI降低，分子量增大，可提高耐沖擊性和應(yīng)力開裂性[8,9]。目前太陽電池EVA封裝膠膜VA含量一般在30%～33%，是一種熱固性的膜狀熱熔膠，常溫下不發(fā)粘，便于操作。

為滿足光伏組件25 年的使用年限要求，國際電工委員會和美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室等針對光伏組件出臺了IEC 61215及UL 1703 等測試標(biāo)準(zhǔn)，作為封裝材料的EVA膠膜必須滿足各方面的性能測試。為提高太陽能封裝膠膜的各方面性能，需在EVA 膠膜生產(chǎn)過程中添加各種助劑，如抗氧劑、光穩(wěn)定劑和增粘劑等。但添加助劑與層壓過程中殘留的交聯(lián)劑間的緩慢反應(yīng)會導(dǎo)致生色基團(tuán)的產(chǎn)生，從而使EVA 膠膜在長期使用過程中變黃，透光率降低。同時(shí)，EVA 成膜采用的是雙螺桿擠出機(jī)擠壓成型工藝，不同的EVA基料、EVA 膠膜的配方，選擇不同的擠壓溫度等生產(chǎn)工藝，對提高EVA膠膜的各方面性能至關(guān)重要。此外，除EVA膠膜本身的質(zhì)量外，在組件生產(chǎn)過程中層壓機(jī)的層壓工藝影響也非常大，如EVA交聯(lián)度不達(dá)標(biāo)，EVA與封裝玻璃、背板粘結(jié)強(qiáng)度不夠，都會使光伏組件提早老化，影響組件使用壽命。因此，EVA化學(xué)組成，膠膜生產(chǎn)配方、結(jié)構(gòu)和性能以及膠膜的應(yīng)用條件等對光伏組件室外使用壽命、光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系都需進(jìn)一步系統(tǒng)研究[10,11]。

四 國內(nèi)外研究進(jìn)展

各國學(xué)者和企業(yè)界人士都強(qiáng)烈意識到，太陽電池的封裝材料是提高光伏組件壽命、降低系統(tǒng)成本的一個(gè)關(guān)鍵因素。為推進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，早在20世紀(jì)70年代，美國Jet Propulsion 和Springborn 實(shí)驗(yàn)室就開始研究太陽電池封裝材料，國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的F.J.Pern 等在太陽電池封裝材料研制領(lǐng)域中也做了大量卓有成效的工作。在太陽電池封裝材料的發(fā)展過程中，如有機(jī)硅樹脂、環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、乙烯－丙烯酸甲酯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物都曾被試用，但因成本、性能、施工方式等各種原因，都被淘汰或僅在小范圍內(nèi)應(yīng)用。如PVB早在20世紀(jì)70年代就已開始用于太陽電池封裝材料，其抗紫外線老化、透明性、與玻璃粘接力以及存放時(shí)間(可長達(dá)4年，而EVA僅為6個(gè)月)都優(yōu)于目前應(yīng)用最廣的封裝材料EVA，但因其成本較高、生產(chǎn)周期較長，現(xiàn)在也僅占有約15%的市場份額。

目前，世界各地的光伏組件的生產(chǎn)商普遍采用EVA膠膜作為封裝材料。為進(jìn)一步提高光伏組件使用壽命，促進(jìn)光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家己對光伏組件的封裝材料提出了長達(dá)30年壽命的研究目標(biāo)，并為這個(gè)目標(biāo)投入了大量的資金和人力。然而，目前的EVA封裝材料還難以達(dá)到這一要求。

我國在20世紀(jì)80年代后期開始引進(jìn)太陽電池生產(chǎn)線，同時(shí)從美國進(jìn)口封裝膠膜。EVA膠膜市場一直被國外化工巨頭(杜邦、三井化學(xué)、普利司通等)壟斷，我國的EVA膠膜生產(chǎn)只能滿足部分光伏組件企業(yè)的需求，國內(nèi)市場存在較大缺口。為改變每年進(jìn)口封裝材料的被動(dòng)局面，國家科委將EVA膠膜國產(chǎn)化列入“八五”攻關(guān)計(jì)劃。為實(shí)現(xiàn)EVA 膠膜國產(chǎn)化，很多科研單位于20世紀(jì)80年代后期都開始EVA封裝膠膜的研究。浙江省化工研究院于20世紀(jì)80年代后期開始研發(fā)，1998年成功研制JME型EVA膠囊，其透光率、粘接強(qiáng)度、交聯(lián)度等性能指標(biāo)基本達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平，隨后建成了國內(nèi)第一條自控程度較高的EVA膠膜生產(chǎn)線，能夠年產(chǎn)幅度達(dá)1m以上的EVA膠膜30萬m2。后又將第二代快速固化膠膜推向市場，現(xiàn)年產(chǎn)能力100余萬m2。

隨著我國自主研發(fā)生產(chǎn)能力的增強(qiáng)，國內(nèi)產(chǎn)品也漸漸有所展露，如杭州福斯特?zé)崛勰び邢薰尽⑸钲谑兴雇丝萍加邢薰?、溫州瑞陽光伏材料有限公司、廣州鹿山新材料股份有限公司、江蘇愛康太陽能科技股份有限公司、臺灣塑膠工業(yè)股份有限公司等企業(yè)都相繼進(jìn)入EVA膠膜的研發(fā)與生產(chǎn)行列，并且生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展迅速。而國內(nèi)EVA膠膜的生產(chǎn)原材料供應(yīng)商也有北京有機(jī)化工、北京華美、南京揚(yáng)巴石化、燕山石化、四川維尼綸廠等企業(yè)。其中，杭州福斯特可以說是國內(nèi)EVA膠膜企業(yè)高端產(chǎn)品的代表者，2010年杭州福斯特的銷售額超過3億元，凈利率超過20%。成立于2006年的溫州瑞陽光伏材料有限公司可以說是后起之秀，2009 年8 月，中國可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會召開光伏組件用高性能EVA膠膜評審會。經(jīng)討論認(rèn)定，由溫州瑞陽光伏材料有限公司和杜邦公司合作研制的“瑞福REVAX”EVA 膠膜性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品分別經(jīng)1000h紫外老化、熱老化和濕熱老化試驗(yàn)后，黃變指數(shù)均小于2[12,13]。此外，國內(nèi)很多高校及科研機(jī)構(gòu)也對EVA封裝膠膜行了相關(guān)研究，如華東理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和南京大學(xué)等也相繼開展了相關(guān)科研項(xiàng)目。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)在EVA膠膜研發(fā)方面申請國家發(fā)明專利和實(shí)用新型專利多達(dá)幾百個(gè)。可見，國內(nèi)太陽能EVA封裝膠膜的研發(fā)實(shí)力與產(chǎn)品質(zhì)量都在不斷提升。

五 未來發(fā)展趨勢

長期以來，中國光伏產(chǎn)業(yè)“兩頭向外”的特征明顯，一頭產(chǎn)業(yè)鏈上游的硅料和硅錠生產(chǎn)等高端原材料和技術(shù)需從國外進(jìn)口，另一頭產(chǎn)業(yè)鏈下游的光伏應(yīng)用產(chǎn)品主要銷往國外。光伏行業(yè)排名前五名企業(yè)幾乎90%以上的產(chǎn)品都是用于出口國外，而上游的硅料和硅錠生產(chǎn)也在很長時(shí)間依靠國外的技術(shù)，對國際市場依賴性大，受國際原材料價(jià)格影響也很大。最近歐洲各國相繼宣布將下調(diào)2012年的光伏補(bǔ)貼，美國商務(wù)部也正式宣布對中國出口美國的太陽電池(組件)發(fā)起反傾銷和反補(bǔ)貼調(diào)查。加上光伏產(chǎn)品價(jià)格持續(xù)深跌，國內(nèi)很多光伏企業(yè)將可能出現(xiàn)破產(chǎn)或者大幅度虧損，光伏產(chǎn)業(yè)的“冬天”已經(jīng)來臨。

不過，通過光伏企業(yè)的產(chǎn)業(yè)整合及國內(nèi)光伏市場的不斷開拓，很多業(yè)內(nèi)人士仍看好光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，光伏產(chǎn)業(yè)的春天很快會來臨。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測算，2020年世界光伏系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量設(shè)置為200GWp，這就需要高性能EVA 封裝膠膜約30億m2。所以太陽電池EVA封裝膠膜仍然有廣闊的市場前景?，F(xiàn)在國內(nèi)EVA 封裝膠膜在產(chǎn)品質(zhì)量上與國外產(chǎn)品相比還有一定差距，知名太陽電池廠家如無錫尚德、浙江昱輝、江蘇CSL、天合光能、江蘇韓華、河北晶澳、中電光伏、江西塞維等在海外上市企業(yè)所需膠膜還是以進(jìn)口為主。進(jìn)口EVA膠膜的價(jià)格是國產(chǎn)膠膜的幾倍，要打開國內(nèi)EVA封裝膠膜市場，產(chǎn)品國產(chǎn)化已成為必由之路，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能EVA 封裝膠膜將是未來國內(nèi)發(fā)展的整體趨勢，廣闊的市場前景也必然能帶動(dòng)國內(nèi)EVA封裝膠膜的研發(fā)熱潮。

一方面目前EVA封裝膠膜主要的原材料供應(yīng)商在國外，主要依靠進(jìn)口，可能會面臨原材料短缺和EVA封裝膠膜市場快速增長的矛盾，所以要加強(qiáng)EVA高分子母粒合成和EVA膠膜的改性方法的研究，從原材料和生產(chǎn)技術(shù)上提高國內(nèi)EVA膠膜的質(zhì)量。另一方面，尋找可替代EVA封裝膠膜性能更優(yōu)越的新材料也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。例如拜耳材料科技公司曾成功開發(fā)出一種耐光熱塑性聚氨酯，利用這種聚氨酯制成太陽能封裝膠膜，可減少膠粘過程，縮短生產(chǎn)周期；另外這種封裝膠膜封裝后可重新熔融，很方便地更換壞掉的組件，使太陽電池可重復(fù)利用。杜邦公司也在研發(fā)一種新型太陽電池封裝材料，以Surlyn樹脂為主要原料，它也是一種熱塑性樹脂，具有高透明、優(yōu)良的耐候性能等特點(diǎn)，也有可能取代EVA 封裝膠膜[14,15]，所以，國內(nèi)也應(yīng)該加強(qiáng)EVA封裝膠膜可替代新材料的研發(fā)。此外，隨著市場的不斷細(xì)分，滿足個(gè)性化需求的太陽能封裝材料是一個(gè)發(fā)展趨勢，例如根據(jù)太陽能組件不同地區(qū)應(yīng)用溫度、濕度等差異，應(yīng)用不同配方的太陽能EVA封裝材料，從而提高組件使用穩(wěn)定性。當(dāng)然，加強(qiáng)企業(yè)與科研院所及高校的技術(shù)合作，采用產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的模式使EVA研發(fā)方面的新材料、新配方、新技術(shù)快速進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化也是一個(gè)發(fā)展趨勢。例如廣州鹿山新材料股份有限公司就與中國科學(xué)院廣州能源研究所、華南理工大學(xué)聯(lián)合開發(fā)太陽電池用EVA封裝膠膜，目前在企業(yè)建立了國家級博士后科研工作站。江蘇愛康太陽能光伏材料研究所聘請了游效曾院士為愛康研發(fā)中心首席顧問，加拿大阿爾伯特大學(xué)、日本高知大學(xué)張發(fā)饒博士為愛康研發(fā)中心首席科學(xué)家，與國家級實(shí)驗(yàn)室共建實(shí)驗(yàn)平臺，與知名院校共建產(chǎn)學(xué)研基地，致力于光伏組件專用EVA膠膜的研究和發(fā)展。

六 結(jié)語

太陽電池EVA封裝膠膜雖然在整個(gè)光伏組件系統(tǒng)中所占比重不大，但它的作用卻非常重要。EVA封裝膠膜的性能直接決定了太陽組件的使用效率及壽命。因此，隨著太陽電池技術(shù)的發(fā)展，市場的需求不斷增加，對新型EVA封裝膠膜的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化勢在必行、迫在眉睫。國內(nèi)需要加大新產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，快速發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性、可靠性、耐用性的高性能EVA 封裝膠膜。

[1]Goetzberger A, Heblinga H, Schock H W. Photovoltaic materials,history, status and outlook[J]. Materials Science and Engineering,2003, 40: 1－46.

[2]趙玉文. 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及思考[J]. 太陽能, 2011,(18): 34－39.

[3]趙爭鳴, 劉建政, 孫曉瑛, 等. 太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)教育出版社, 2005.

[4]徐雪青, 沈輝, 鄧潤坤, 等. 若干太陽電池封裝用粘接劑的耐老化性能評價(jià)[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2004, 25(4): 438－442.

[5]李國雄, 許妍, 林安中, 等. 太陽電池中EVA膠層的性能研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 1998, 19(1): 98－101.

[6]陳小青, 申明霞. 光伏組件用EVA封裝膠膜的老化研究進(jìn)展[J]. 粘接, 2010, (12): 65－69.

[7]申明霞, 李紅香, 何輝. 光伏組件用密封劑研究進(jìn)展[J]. 粘接,2008, (7): 29－32.

[8]Czanderna A W, Pern F J. Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant: a critical review[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996, 43(2): 101－181.

[9]Van Dyk E E, Audouard A, Meyer E L, et al. Investigation of the degradation of a thin film hydrogenated amorphous silicon photovoltaic module[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, 91(2/3):167－173.

[10]劉耀華, 周志英, 鄭紅亞, 等. 太陽電池封裝材料( EVA)簡介[J]. 中國建設(shè)動(dòng)態(tài)：陽光能源, 2007, (1): 45－47.

[11]李連春, 李光吉. 太陽電池用EVA膠膜的制備與性能研究[A].第八屆光伏會議論文集[C], 2004: 617－620.

[12]張臻, 沈輝, 李光吉, 等. 太陽組件用EVA膠膜在紫外光老化中的性能變化[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2007, 28(11): 1221－1226.

[13]詹顯光, 蔣祥吉, 詹茸茸, 等. 光伏組件用高性能EVA膠膜的研發(fā)[J]. 中國建設(shè)動(dòng)態(tài)：陽光能源, 2009, (6): 40－41.

[14]余鵬, 李偉博, 唐舫成, 等. 太陽能電池封裝材料研究進(jìn)展[J].廣州化工, 2011, 39(3): 34－35.

[15]伍桂松，張曉茹. 我國乙烯－醋酸乙烯共聚物現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J]. 化工技術(shù)經(jīng)濟(jì), 2003, 21(7): 23－28.