任 毅，姚雪容，馬蓓蓓，羅水源

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

美國能源部的光伏項(xiàng)目部門規(guī)定光伏組件的理想使用壽命為20～30 a，且期間光伏組件的工作效率不能低于初始狀態(tài)的80%，這意味著光伏組件的輸出功率每年減少的比例要控制在1%以下［1］。光伏組件作為光伏陣列的組成單體，它的核心部分是電池片，但其壽命以及工作性能受到組件各個組成部分的制約，其中至關(guān)重要的部分就是光伏組件的封裝膜，封裝膜的品質(zhì)和穩(wěn)定性將直接影響光伏組件輸出功率的大小和穩(wěn)定性。封裝膜的位置處在組件的中間，包裹住電池片，它與上層表面板及下層背板層相互黏接。

封裝膜在組件中起到至關(guān)重要的作用，主要有以下6種作用：1）為太陽能電池線路裝備提供結(jié)構(gòu)支撐和定位；2）為電池板與太陽輻射提供最大光耦合，保證最初傳送率不小于90%，且20 a后的傳送率損失小于10%；3）物理隔離電池板及線路等，使其不受環(huán)境因素的影響；4）確保電池線路與外界高壓絕緣；5）提供并確保組件內(nèi)電池之間的附屬電路；6）將電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時傳導(dǎo)出去［2］。

本文闡述了太陽能電池封裝膜的市場現(xiàn)狀、制作工藝、層壓工藝和薄膜種類，著重分析了各種太陽能電池封裝膜的特點(diǎn)，并指出了未來封裝膜的發(fā)展趨勢。

1 光伏市場及封裝膜市場的現(xiàn)狀

1.1 國際光伏市場

根據(jù)最新光伏市場分析報告，全球累計(jì)太陽能電池裝機(jī)容量從2008年的16 GW增至2010年的40 GW，2013年達(dá)到100 GW，并預(yù)計(jì)2015年達(dá)到130 GW，2020年將達(dá)到200 GW。從全球年度太陽能電池裝機(jī)容量來看，2009年及之前年平均增長率為25%，2010和2011年年增長率迅速增至64%。根據(jù)European Photovoltaic Industry Association的預(yù)計(jì)，2012—2014年全球的太陽能電池新裝機(jī)容量仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長。歐洲老牌光伏產(chǎn)業(yè)大國德國的光伏市場成熟，技術(shù)領(lǐng)先，成本逐年下降，因此政府降低了對光伏發(fā)電電價的補(bǔ)貼，導(dǎo)致裝機(jī)容量增速減緩；歐洲新興光伏產(chǎn)業(yè)國家西班牙在2007和2008年期間裝機(jī)容量發(fā)生井噴，然而金融危機(jī)導(dǎo)致裝機(jī)數(shù)量受到限制且政府降低了對光伏發(fā)電電價的補(bǔ)貼，但2013年市場逐步恢復(fù)正常。盡管如此，得益于法國、意大利和捷克等國的光伏需求量，歐洲目前仍是太陽能需求的主要市場，占全球總需求量的78%。與此同時，美國、日本和中國等新興市場正迅速發(fā)展，Lux Research預(yù)計(jì)日本將在2018年成為光伏市場全球領(lǐng)航者，超越德國和美國成為總裝機(jī)量最大的國家。國際光伏市場的暫時性蕭條在2013年底逐漸回升，根據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會預(yù)測，到2015年全球?qū)⒂兄辽?0個裝機(jī)容量在1 GW規(guī)模以上的市場［3-4］。

1.2 國內(nèi)光伏市場

從2007 年開始，中國在太陽能電池產(chǎn)能上超越歐美和日本，成為全球太陽能電池第一生產(chǎn)國［5］。2007年中國太陽能電池產(chǎn)量為1.1 GW，占全球太陽能電池產(chǎn)量的27.2%；2010 年中國太陽能電池產(chǎn)量為8 GW，約占全球市場的38%［6］。2011年，受到產(chǎn)品使用終端市場蕭條以及美國對中國光伏企業(yè)實(shí)行反傾銷和反補(bǔ)貼調(diào)查（簡稱雙反）的影響，國內(nèi)光伏制造業(yè)運(yùn)行困難，許多企業(yè)（如無錫尚德、晶澳、中電光伏等）都出現(xiàn)了虧損，盡管如此，太陽能電池年產(chǎn)量仍占全球市場的47.8%，達(dá)到13 GW。

在美國光伏雙反和歐債危機(jī)之前，許多國內(nèi)企業(yè)對可再生能源發(fā)電的政策不明確，大多選擇通過國外市場賺取利潤，造成我國光伏產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)Ш?，是生產(chǎn)大國、消費(fèi)小國，2010年中國太陽能電池裝機(jī)總量僅為510 MW，占全球3.1%［7］。在美國雙反后，國家和企業(yè)感受到完全依賴國外市場的弊端，認(rèn)識到中國光伏產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的必要性和急迫性。2011年我國首次對太陽能發(fā)電項(xiàng)目設(shè)定了統(tǒng)一的基準(zhǔn)上網(wǎng)電價［8］，2012年國家有關(guān)部門出臺了許多大力支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，如《關(guān)于申報分布式光伏發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用示范區(qū)的通知》。除了利好政策大規(guī)模出臺外，關(guān)于光伏產(chǎn)業(yè)的項(xiàng)目審批也比往年加快了很多，2012年國家發(fā)展和改革委員會的光伏項(xiàng)目審批超過60項(xiàng)，在數(shù)量上比2011年多近50%。據(jù)估算，在新政策的指引下，國內(nèi)總裝機(jī)量的上限將達(dá)到15 GW，高于《太陽能發(fā)電“十二五”規(guī)劃》中10 GW的裝機(jī)目標(biāo)。未來隨著屋頂計(jì)劃、金太陽新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃等的實(shí)施，我國太陽能裝機(jī)量發(fā)展空間巨大，預(yù)計(jì)2015年達(dá)到3～7 GW，累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)到10～18 GW［9］。

1.3 封裝膜市場

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏組件專用材料也得到大力發(fā)展。在電池組件中，非硅材料（如封裝膜、黏合劑、背板等高分子制品）的成本占整個組件板材成本的20%～50%［10］。因此，有效控制非硅材料成本是增加利潤的最有效方法。在封裝膜的原料研發(fā)和生產(chǎn)上，國際上主要的企業(yè)有美國杜邦公司、日本三井化學(xué)公司、日本普里斯通公司，這3家公司的原料在全球市場的占有率超過60%。另外，陶氏化學(xué)公司也在不斷開發(fā)封裝膜新產(chǎn)品。國內(nèi)方面，2009年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”乙烯-乙烯醋酸酯共聚物（EVA）膠膜研發(fā)成功，產(chǎn)品性能達(dá)到世界先進(jìn)水平，在1 000 h紫外老化實(shí)驗(yàn)后，透光率仍高于99%、黃變指數(shù)小于2。此封裝膜的研發(fā)成功打破了國內(nèi)高性能EVA封裝膜完全依靠進(jìn)口的局面，標(biāo)志著高性能EVA封裝膜的國產(chǎn)化［11］。在封裝膜的生產(chǎn)及研發(fā)上，主要企業(yè)有日本普里斯通公司、美國首諾公司、臺灣塑料公司、杭州福斯特公司、河南思可達(dá)公司和溫州瑞陽公司。其中，臺灣塑料公司2009年斥資新增EVA生產(chǎn)線，2012年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)2.5×107m2的EVA封裝膜，可提供356 MW的太陽能電池使用；日本普里斯通公司新增生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)月產(chǎn)EVA薄膜1.5 kt，可供213 MW的太陽能電池使用；河南2009年投資新建EVA生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)5.0×107m2的EVA封裝膜，可供712 MW的太陽能電池使用［12］。

2010—2015年全球太陽能新增裝機(jī)容量與對應(yīng)EVA封裝膜市場需求量及預(yù)測見表1。以EVA封裝膜為例，對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算，從而對整個封裝膜市場有一個宏觀的概念。太陽能電池EVA封裝膜的成本約為10.56元/m2，而國產(chǎn)封裝膜的價格約為20元/m2，進(jìn)口封裝膜的價格約為30～50元/m2。2010年全球EVA封裝膜的產(chǎn)量為2.195×108m2，銷售額為43.7億元；2013年銷售額為76.8億元。臺灣塑料公司預(yù)計(jì)2020年底高性能EVA封裝膜的產(chǎn)量為6×108m2，產(chǎn)值達(dá)120億元。

表1 2010—2015年全球太陽能新增裝機(jī)容量與對應(yīng)EVA封裝膜市場需求量及預(yù)測Table 1 2010-2015 capacity of global newly installed PV and thereof the market demand and expectation of EVA encapsulant

2 封裝膜制備及太陽能電池封裝工藝

2.1 封裝膜制備工藝

工業(yè)上封裝膜的制備方式主要有流延、壓延以及流延壓延混合法，其中流延法是主要方法，市場占有率在95%以上。以EVA封裝膜為例，首先將EVA、增塑劑、交聯(lián)劑、抗氧劑、紫外光吸收劑等助劑共混，經(jīng)過熔融混煉、擠出、冷卻、切粒等步驟制成改性EVA；將改性EVA熔融、流延、拉伸、軋花、切邊、預(yù)收縮；將預(yù)收縮后冷卻的膠膜進(jìn)行收卷、包裝。流延法的優(yōu)勢在于可生產(chǎn)出厚度很薄的膠膜，且收縮率低，但效率僅為壓延法的三分之一。與流延法相反，壓延法的特點(diǎn)在于效率高但收縮率高。據(jù)此，德國步瑞公司開發(fā)出一條流延壓延混合生產(chǎn)線，結(jié)合各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)低收縮率、高效率生產(chǎn)，生產(chǎn)效率為國產(chǎn)線的4～6倍，且收縮率為2%，小于流延法的收縮率（3%）［13］。

2.2 太陽能電池封裝工藝

太陽能電池的封裝工藝根據(jù)電池封裝膜、背板、表面板的不同而有所差異，主要區(qū)別在于層壓機(jī)參數(shù)的設(shè)定，如層壓溫度、抽氣時間、充氣時間及層壓時間［14］。

以EVA封裝膜為例，當(dāng)上表面板為玻璃、下表面板為聚氟乙烯（TPT）復(fù)合膜（專指雙面為杜邦TPT膜，中間為聚對苯二甲酸乙二酯（PET）膜的3層復(fù)合型太陽能電池背板）時，層壓工藝步驟如下：依次將上表面玻璃板、EVA膜、連接好的太陽能電池板、EVA膜、下表面TPT背板疊好，放入雙層真空層壓機(jī)下層；將雙層層壓機(jī)上下兩層同時抽真空，加熱疊層件，至溫度為110～120 ℃，上層壓力恢復(fù)至常壓，層間橡膠膜由于壓力差對下層的疊加件擠壓；繼續(xù)升溫至135～150 ℃（EVA固化溫度），恒溫固化；固化后，保持下層真空進(jìn)行循環(huán)冷卻；最后取出組合件，切除邊緣多余的EVA材料，封邊框和裝接線盒，組裝成太陽能電池組件。上述層壓步驟由于需要二次升溫，因此在每次層壓過程中需要等待降溫，導(dǎo)致效率不高。還有一種針對EVA封裝膜的快速固化層壓方法，即將起始溫度直接設(shè)定為固化溫度，這樣可提高效率，但不足之處在于易導(dǎo)致氣泡和EVA的過早交聯(lián)［15-16］。

以聚乙烯醇縮丁醛（PVB）封裝膜為例，當(dāng)上下表面板都為玻璃時，層壓工藝為一步法，即由單層層壓機(jī)或多層層壓機(jī)直接層壓成型；或兩步法，即先進(jìn)行預(yù)排氣，再通過高壓釜高壓成型［17］。預(yù)排氣過程是將封裝膜和電池板之間以及封裝膜和玻璃之間的空氣排出，并得到良好的封邊之后才可高壓成型。兩步法中，預(yù)排氣過程可根據(jù)需要分為兩種：輥壓排氣法或真空袋排氣法。輥壓預(yù)排氣過程的溫度控制十分重要，溫度過高會導(dǎo)致空氣未排出時膠膜已封邊，使空氣在層間滯留；溫度過低會導(dǎo)致封邊不完全，空氣回流［18-19］。

層壓技術(shù)的未來趨勢是發(fā)展多層層壓工藝，逐漸取代單層層壓工藝。多層層壓工藝更符合高效節(jié)能等理念，可大幅降低太陽能電池成本。其中，典型的固定式多層層壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)單層獨(dú)立層壓，避免層壓過程中多個層壓臺之間的相對運(yùn)動，減少了維修幾率且節(jié)省能源。另外，傳統(tǒng)的油加熱將逐漸被電加熱取代。目前，多層層壓機(jī)在實(shí)際使用中遇到的問題主要是受多層層壓平臺結(jié)構(gòu)的限制，不如單層層壓機(jī)那樣可及時清理層間溢出膠，此問題在以EVA為封裝膜的組件層壓上更為嚴(yán)重。但隨著新材料和新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，這一問題正在被解決［20-21］。

3 封裝膠的發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)70年代，太陽能電池封裝膜開始受到關(guān)注，最初是由美國Jetpropulsion公司和Springbom公司研發(fā)了封裝膠黏劑［22-23］。在封裝膠的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了有機(jī)硅膠、環(huán)氧樹脂膠、紫外線固化膠及丙烯酸樹脂膠［24］，但在實(shí)際工業(yè)使用過程中，因受性能和成本等因素的制約，已逐漸被淘汰或僅在小范圍內(nèi)使用。

環(huán)氧樹脂膠是一種熱固型高分子低聚物，優(yōu)點(diǎn)在于黏結(jié)性強(qiáng)，與表面活性高的材料黏結(jié)，性能更好；固化收縮率小，固化時體積收縮率小于2%，是固化收縮率最小的熱固型樹脂之一；耐腐蝕及介電性能好；工藝適應(yīng)性強(qiáng)，可通過調(diào)整配方進(jìn)行低溫固化、常溫固化、快速固化等。但因其密封性差、易變黃、柔韌性差、不耐高溫等缺點(diǎn)，目前只在壽命要求不高的小功率電子元件上進(jìn)行封裝［25］。李元慶等［26］介紹了利用通過光穩(wěn)定劑改性的環(huán)氧樹脂對LED進(jìn)行封裝的效果，它的壽命比用未改性的環(huán)氧樹脂封裝的LED高50%～170%。環(huán)氧樹脂在太陽能電池封裝膜上的應(yīng)用主要在組件內(nèi)部零件的黏合上［27］。張思亮等［28］研究了改性環(huán)氧樹脂用于灌封太陽能電池，得到了很好的透光性和黏結(jié)性。

丙烯酸樹脂膠由丙烯酸酯類與甲基丙烯酸酯類和其他烯屬單體共聚而成，耐光性和耐老化性能突出，具有很好的成膜性，但耐水性、耐候性和耐高溫性能差［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為太陽能電池封裝膜，表征了一定共混范圍內(nèi)封裝膜的形態(tài)和組成。丙烯酸樹脂還可用有機(jī)硅膠進(jìn)行改性，提高其耐水性能，用作黏接組件內(nèi)部各個零件的黏合劑［32-33］。

4 封裝膜的發(fā)展?fàn)顩r

太陽能電池封裝膜材料的各項(xiàng)指標(biāo)要求見表2?；诒?的要求篩選出的封裝膜材料有EVA、PVB、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、熱塑性聚氨酯（TPU）、熱塑性聚烯烴及離聚物，它們的具體結(jié)構(gòu)見圖1［34］。

表2 太陽能電池封裝膜材料的各項(xiàng)指標(biāo)要求Table 2 Speci fi cations and requirements for solar cell encapsulanting materials

圖1 封裝膜材料的分子結(jié)構(gòu)［34］Fig.1 Molecular structures for the encapsulating materials［34］.

4.1 EVA

EVA是一種結(jié)晶度低、柔韌性和極性較高的材料，在受熱熔化后表現(xiàn)出良好的浸潤性，再次冷卻固化后又具有優(yōu)良的撓曲性、黏結(jié)性和抗應(yīng)力開裂性，因此是一種較為理想的太陽能電池封裝材料［35］。EVA膠膜廣泛用于光伏組件封裝，是目前市場上份額最大的一種封裝材料，市場占有率約為80%［36-37］。

目前應(yīng)用較多的EVA封裝膜是以醋酸乙烯含量（w）為30%～33%、熔體流動指數(shù)（10 min）在10～100 g范圍內(nèi)的EVA樹脂為基料，再與數(shù)種改性劑共混，擠出成型，經(jīng)成膜設(shè)備熱軋成薄膜型的產(chǎn)品。得到的薄膜在太陽能電池封裝過程中通過組件疊層、層壓受熱產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將蓋板、電池片、背板3層材料黏接成為一體，屬熱固性的熱熔膠膜。固化后的膠膜具有相當(dāng)高的透光率，在400～1 100 nm光譜范圍內(nèi)透光率達(dá)90%；具有很好的黏接強(qiáng)度，與玻璃之間的剝離強(qiáng)度大于30 N/cm，與TPT背板之間的剝離強(qiáng)度大于15 N/cm；還具有較好的熱穩(wěn)定性、氣密性及耐老化性能［38-39］。但像聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等聚烯烴一樣，EVA會由于熱降解、光降解和/或光熱降解導(dǎo)致顏色變黃，甚至變成深棕色，影響透光效率；同時EVA分解時產(chǎn)生的乙酸氣體對電池組件也具有不良影響，嚴(yán)重影響組件的光電轉(zhuǎn)換效率及壽命。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室、Florida太陽能中心、國家新能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和美國西南技術(shù)發(fā)展研究所等都對EVA封裝的太陽能電池進(jìn)行了大氣老化試驗(yàn)［40-41］，結(jié)果顯示，經(jīng)過10～17 a的太陽光照射，電池性能均出現(xiàn)了不同程度的下降，如1985—1990年電池電量輸出損失達(dá)35.1%，1986—1991年電池電量輸出損失高達(dá)40%。Peter等［40］對從美國加州Carrisa Plains電站回收的光伏組件進(jìn)行了分析，認(rèn)為EVA變色降解主要是由過量的過氧化物交聯(lián)劑與熱穩(wěn)定劑間的反應(yīng)引起的，而薄膜中微量的氧化鈰可有效減少EVA膠膜的黃變情況。張臻等［42］使用紫外老化儀對添加不同助劑的EVA膠膜進(jìn)行了長達(dá)1 000 h的老化實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)研究了老化過程中力學(xué)性能、透過率、黃色指數(shù)及電池組件光電轉(zhuǎn)換效率的變化。唐景等［43］在EVA薄膜老化變色的不同階段取樣進(jìn)行化學(xué)分析，詳細(xì)解釋了EVA變色失效的化學(xué)機(jī)理，提出避免EVA變色的方法。

EVA的降解過程見圖2。由圖2可見，EVA降解過程經(jīng)歷了3個Norrish降解反應(yīng)，簡單描述就是EVA的主鏈在高溫、氧氣及紫外光的照射下，碳氧鍵和碳?xì)滏I斷裂、氧化或重組，生成生色基團(tuán)導(dǎo)致變黃［36，44-45］。影響EVA降解的因素很多，主要分為兩類：物理因素和化學(xué)因素。其中，物理因素主要涉及光照的紫外線強(qiáng)度、膜厚度、膠膜的封裝方式及程度、前板的濾光性、后板的阻水性等；化學(xué)因素主要涉及助劑的添加及其相互作用。因此，為避免變黃現(xiàn)象發(fā)生，目前對EVA改性的途徑主要是加入抗氧劑以及具有紫外吸收或光穩(wěn)定性等功能的助劑。在EVA膠膜中加入三嗪類紫外吸收劑，可有效提高膠膜的抗紫外能力和光穩(wěn)定性［46］。使用叔丁基過氧化碳酸-2-乙基己酯交聯(lián)固化劑、三烯丙基異氰脲酸酯助交聯(lián)劑、亞磷酸酯類抗氧劑、受阻胺類光穩(wěn)定劑以及使用氣相二氧化硅替代有機(jī)紫外吸收劑制得的EVA薄膜，經(jīng)過連續(xù)2 000 h的耐候性測試，黃變指數(shù)仍較低［47］。如果不使用紫外吸收劑，而是通過合理調(diào)節(jié)交聯(lián)劑用量也可改善EVA薄膜的抗老化性能［48］。

圖2 EVA的降解過程Fig.2 Reactions for the EVA degradation.

4.2 PVB

PVB是一種熱塑性高分子化合物，具有柔性好、透明度高、黏結(jié)性強(qiáng)、耐候性強(qiáng)、耐沖擊等特點(diǎn)。從20世紀(jì)40年代起，PVB就開始應(yīng)用于層壓的安全玻璃，1970年開始用于太陽能光伏組件。但PVB一開始存在的問題是PVB吸收水分后膜的透光性明顯下降。為了避免這個問題，太陽能組件的生產(chǎn)商轉(zhuǎn)向了EVA，它能保證太陽能組件的工作壽命在20 a以上。但EVA并不能完全滿足光伏行業(yè)的需求。當(dāng)在制備大面積的玻璃-玻璃組件時，為了使頂板和背板玻璃之間的層完好地黏接在一起，需要對組件進(jìn)行加熱，而頂板和背板的玻璃傳熱較慢，因此要達(dá)到EVA的交聯(lián)溫度（130～150 ℃）需要很長的時間，且整塊組件的溫度分布也會不均勻，組件周邊的EVA容易提早熔融，溢出的EVA可能污染層壓機(jī)。另外，一些國家或地區(qū)對于用在屋頂?shù)奶柲芙M件有更高的要求，相關(guān)規(guī)定間接地禁止了澆鑄樹脂在組件中的應(yīng)用，防止屋頂玻璃的破碎，故特殊場合的應(yīng)用還得尋求新的封裝材料［49］。直到近幾年，PVB的濁度問題得以減輕，2005年Kuraray Europe GmBh公司生產(chǎn)出用于光伏組件封裝用的PVB 膜“big impress”，才帶動其在光伏領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。RWE Schott Solar公司在一些非晶薄膜組件中使用PVB膜，杜邦公司也推出了PV 5200光伏組件封裝膜，并且這些新推出的PVB產(chǎn)品非常適合使用輥壓/高壓釜、真空層壓機(jī)和新型太陽能電池板加工工藝。PVB膜的黏接性能、抗紫外線和抗穿透性能均優(yōu)于EVA。PVB的生產(chǎn)工藝比EVA簡單，但由于PVB價格昂貴，使得PVB在市場上的總占有率不高，約為15%。PVB主要用于建筑光伏一體化上面，即以PVB封裝膜封裝的薄膜電池代替建筑物上的傳統(tǒng)玻璃或磚墻，為建筑物提供電力。雖然目前建筑光伏一體化的市場很小，但預(yù)計(jì)到2020年，PVB材料的總市場占有率將達(dá)到40%。除了建筑光伏一體化外，PVB還可用于薄膜太陽能電池［50］。PVB的不足在于它的儲存需要低溫條件。據(jù)報道，PVB混有含量為（w）15%～40%的塑化劑時可降低其力學(xué)模量，避免溫度變化帶來的變脆或脫落現(xiàn)象［51］。

4.3 PDMS

PDMS是有機(jī)硅的一種，主鏈上含有無機(jī)鍵且側(cè)基通過硅與有機(jī)基團(tuán)相連，從結(jié)構(gòu)上認(rèn)為是無機(jī)玻璃和有機(jī)線型聚合物的特殊結(jié)合，使得它具有許多優(yōu)異的性能，如疏水性良好、耐熱性好、吸濕性低、耐熱老化、耐紫外線老化、電絕緣性良好［52］。有機(jī)硅材料在汽車、健康、電子、微電子等行業(yè)的使用已具有很長的歷史。Mclntosh等［53］將PDMS和EVA在85 ℃、85%濕度條件下放置8周后對照了它們的吸水性，當(dāng)EVA增重0.28%時，PDMS只增重0.035%，而吸濕性又會影響到透光率。PDMS的穩(wěn)定性也比EVA好很多，Skoczek等［54］比較了EVA，PVB，PDMS 3種組件經(jīng)過20 a的平均功率損耗，EVA組件損耗為16%，PVB組件損耗為23%，PDMS組件損耗僅為8%。由此可見，PDMS在長時間使用過程中的穩(wěn)定性很好，避免了EVA的光降解老化問題。另外，PDMS具有很高的紫外透光率，EVA的短波長透過截止在417 nm處，而PDMS可透過的短波長延伸至273 nm，更寬波長范圍內(nèi)的透光性帶來更大的能量轉(zhuǎn)換效率［55］。Kempe等［52］詳述了PDMS封裝膜光降解的機(jī)理和測試等。PDMS與玻璃和背板的黏接性很好，可有效阻止層間的腐蝕和剝離。PDMS的電絕緣性能很好。因?yàn)榫€型有機(jī)硅的低模量以及低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（PDMS的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-120 ℃），使得有機(jī)硅在固化前黏度低，增大了它在組件中的流動性，提高了加工效率。在早期（1950—1960年）的光伏行業(yè)中，PDMS就因其出色的抗UV輻射和熱穩(wěn)定性用于封裝膜［56］，它可以提供更高的組件功率、更短的加工時間和更好的持久性。更多有關(guān)PDMA測試的文獻(xiàn)可參考相關(guān)的有機(jī)硅文獻(xiàn)。

5 封裝膜的未來發(fā)展趨勢

5.1 茂金屬聚乙烯彈性體

茂金屬聚乙烯彈性體（POE）由陶氏公司在1994年研發(fā)。POE是在茂金屬催化下乙烯與1-辛烯或1-己烯的聚合物，分為茂金屬低密度聚乙烯和塑性體兩類。塑性體根據(jù)共聚單體含量又可進(jìn)一步分為聚烯烴塑性體（共聚單體含量（w）低于20%）和聚烯烴彈性體（共聚單體含量（w）為20%～30%）。其中，聚烯烴彈性體的商品名為陶氏公司的Engage產(chǎn)品，特性在于：1）相對分子質(zhì)量分布窄，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，結(jié)晶溫度低；2）結(jié)構(gòu)中共聚單體與乙烯鏈有物理交聯(lián)點(diǎn)，熔體流動性好、熔體強(qiáng)度和剪切敏感性強(qiáng)，使其韌性和加工性能好；3）無不飽和鍵，耐候性和熱穩(wěn)定性更強(qiáng)［57-58］。以其為原料加工而成的封裝膜的商品名為陶氏公司的Enlight產(chǎn)品。Enlight封裝膜的光學(xué)透過率在450～1 200 nm區(qū)域大于90%，相比EVA和PVB，它的耐水性能更優(yōu)越。陶氏公司的產(chǎn)品測試結(jié)果表明，Enlight封裝膜的水蒸氣透過率是EVA封裝膜的10%，是PVB封裝膜的5%，使電池能在潮濕環(huán)境下壽命更長。在黏接力方面，陶氏公司將EVA封裝膜與Enlight封裝膜進(jìn)行了不同層壓條件下的與玻璃180o剝離強(qiáng)度的對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，140 ℃層壓條件下Enlight封裝膜的黏接力是EVA封裝膜的2倍；160 ℃層壓條件下，Enlight封裝膜的黏接力是EVA封裝膜的4倍。Enlight封裝膜的不足之處在于與熱塑性彈性體背板的黏接力為7.9 N/mm，低于傳統(tǒng)EVA封裝膜。Enlight封裝膜的折射指數(shù)約為1.48，與玻璃的折射指數(shù)相近，減少了玻璃與封裝膜之間界面的折射損失，從而提高了透光率。Enlight封裝膜和EVA封裝膜的濕熱實(shí)驗(yàn)和耐候?qū)嶒?yàn)結(jié)果的對比分別見圖3和圖4［59］。

圖3 Enlight封裝膜和EVA封裝膜的濕熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比［59］Fig.3 Comparison between Enlight polyole fi n elastomers(POE) and EVA in damp heat exposure［59］.

圖4 Enlight封裝膜的耐候?qū)嶒?yàn)結(jié)果［59］Fig.4 Result of Enlight POE in hours of the exposure［59］.

在濕熱實(shí)驗(yàn)中，Enlight封裝膜在組件效率降低時能起到額外保護(hù)的作用，而EVA封裝膜會造成組件和封裝膜的衰減；在耐候?qū)嶒?yàn)中，Enlight封裝膜經(jīng)歷10 000 h的氙弧燈后黃變指數(shù)變化不明顯。POE封裝膜除了耐水性和光照穩(wěn)定性比EVA封裝膜好外，還具有更高的體積電阻率和更低的漏電流，這有利于延長光伏組件的使用壽命。在加工成本方面，POE的加工成本也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的EVA封裝膜。Enlight薄膜層壓循環(huán)時間比EVA縮短10 min，效率提高了30%。且Enlight封裝膜的配方中不含液體，不形成醋酸，避免了液體水解對層壓設(shè)備造成的損傷并從根本上消除了起泡現(xiàn)象［60］。因此，近幾年P(guān)OE在封裝膜市場的份額增幅較大，根據(jù)陶氏公司自身市場預(yù)測，POE市場占有率將在2016年達(dá)到25%，2015年時銷售額將達(dá)到12億元［61］。

5.2 TPU

2008年，Bayer Material Science公司成功開發(fā)了Desmopan系列耐光且透明性很好的TPU，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的EVA薄膜作為太陽能組件的封裝膜［62］。TPU一般都是不透明的，甚至是乳白色的，但通過結(jié)構(gòu)調(diào)整和加工條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產(chǎn)品中含有一系列脂肪族TPU，它們的透明度很好，即使在10 mm膜厚的情況下還十分透明。另外，芳香族TPU也會在UV光照射下出現(xiàn)變黃的現(xiàn)象，而脂肪族TPU則不會出現(xiàn)變黃的情況。因此，Desmopan系列中的脂肪族TPU能滿足封裝膜的要求，該系列TPU薄膜的機(jī)械性能和光學(xué)性能與EVA相似，在UV輻射下變黃的現(xiàn)象比EVA減輕很多。使用EVA封裝時，在各層材料疊放好之后，需在真空層壓機(jī)中在145 ℃下交聯(lián)12～20 min，EVA變硬成為透明層，交聯(lián)需要一定時間從而限制了電池的生產(chǎn)效率。而Bayer Material Science公司的耐光TPU薄膜在封裝過程中不需要交聯(lián)，大幅縮短了生產(chǎn)周期。另外，TPU封裝可以考慮輥壓工藝而不使用真空層壓工藝，這為連續(xù)化生產(chǎn)提供了可能性，能更大程度上提高光伏組件的生產(chǎn)效率。此外，TPU可重新熔融加工，有瑕疵或壞掉的組件還可以重新熔融加工，使其內(nèi)部昂貴的太陽能電池可再次使用。綜上所述，TPU相對于EVA的優(yōu)勢將使光伏組件的經(jīng)濟(jì)性大幅提高。Bayer Material Science公司對該薄膜的耐候性測試結(jié)果也證明了它能滿足相關(guān)的要求，TPU封裝的太陽能電池滿足IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 離聚物樹脂

離聚物樹脂是一種高性能的乙烯共聚物，含有金屬鹽（如鋅、鈉等金屬部分中和的酸性基團(tuán)），物理性能優(yōu)于一般熱塑型聚合物。與EVA相比，離聚物樹脂具有更高的熔體強(qiáng)度和韌性、更低的透水性、更高的電阻率（是EVA的200倍）等；而且離聚物比EVA具有更高的藍(lán)光透過率，且發(fā)黃現(xiàn)象、金屬腐蝕問題和UV光照射下的機(jī)械性能損失等問題相對EVA都有很大改善。離聚物在更寬光波范圍內(nèi)的高透過率能使光伏組件的效率明顯提高［63］。離聚物樹脂與PVB相比，比其堅(jiān)硬100倍，結(jié)實(shí)5倍，這意味著達(dá)到同樣標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件，所使用的封裝膜厚度會大幅減小。離聚物已在層壓玻璃中應(yīng)用20 a以上，但其在太陽能電池封裝膜領(lǐng)域的應(yīng)用始于杜邦公司的封裝膜產(chǎn)品，代表性產(chǎn)品是杜邦公司商品號為PV5300 和PV5400的封裝膜，所用原料是杜邦公司商品號為SentryGlas的離聚物。以PV5400產(chǎn)品為例，它的折射率為1.49，透光率為93.3%，不需要對電池片四周進(jìn)行單獨(dú)封裝處理。但PV5400產(chǎn)品的缺點(diǎn)在于它與傳統(tǒng)背板（PET或特氟龍背板）之間的黏接性能非常有限，因此經(jīng)常采用與EVA封裝膜封裝工藝類似的緩慢加工方法進(jìn)行加工，嚴(yán)重限制了它的生產(chǎn)效率和成本。對此，杜邦公司與日本三菱化學(xué)公司共同合作開發(fā)了新的產(chǎn)品——PV8600。改善方法是在原有的離聚物中添加一種修飾材料，這種修飾材料與離聚物中的羧酸基團(tuán)反應(yīng)，從而降低羧酸基團(tuán)含量，增加膜的黏接性和易加工性能。PV8600產(chǎn)品的層壓條件為150 ℃、6 min，無須固化工藝，時間上遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)固化型EVA和快速固化型EVA封裝膜［64-65］。PV8600和EVA封裝膜與傳統(tǒng)背板之間的黏結(jié)力的對比見表3［66］。

表3 PV8600和EVA封裝膜與傳統(tǒng)背板之間的黏結(jié)力的對比［66］Table 3 Comparison between PV8600(modi fi ed ionomer) and EVA in the adhesion to conventional backsheet［66］

6 結(jié)語

太陽能電池封裝膜是高附加值產(chǎn)品，它的科技含量在太陽能電池組件的各個零部件中最高，對太陽能電池組件及太陽能電池發(fā)電的成本影響重大。國際上，太陽能電池消費(fèi)大國為德國，而美國、日本、意大利和法國等國家的市場在迅速發(fā)展。中國是太陽能電池的生產(chǎn)大國，消費(fèi)能力也在逐漸增長。中國已實(shí)現(xiàn)EVA封裝膜的國產(chǎn)化。

太陽能電池組件封裝的層壓工藝目前主要采用單層層壓的方式，隨著材料和工藝的不斷改進(jìn)，新型的封裝工藝也將逐漸成熟，并取代目前的單層層壓方式。

目前階段，EVA仍是太陽能電池封裝膜的主流原料，但根據(jù)電池種類及用途不同，其他一些材料（如PVB）的利用率也在逐漸加大，并在市場中逐步成熟。未來太陽能電池封裝膜的主流可能被聚烯烴類或離聚物等高分子替代。

［1］Jordan D C，Kurtz K R.Photovoltaic Degradation Rate—An Analytical Review［J］.Prog Photovolt：Res Appl，2013，2（1）：12-29.

［2］Pern F J.EVA Encapsulants for Photovoltaic Modules：Degradation and Discolration Mechanisms and Formulation Modi fi cations for Improved Photostability［J］.Macromol Mater Eng，1997，252（1）：195-216.

［3］The European Photovoltaic Industry Association.Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2013［EB/OL］.［2009-11-20］.http：//ec.europa.eu/economy_finance/events/2009/20091120/epia_en.pdf.

［4］European Photovoltaic Industry Association.Solar Photovoltaic Electricity Empowering the World ［EB/OL］.［2011-02-01］.http：//www.greenpeace.org/international/Global/international/publications/climate/2011/Final%20SolarGeneration%20VI%20 full%20report%20lr.pdf.

［5］楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：1-3.

［6］Armin Scheuermann.Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2015［EB/OL］.［2011-07-05］.http：//www.photovoltaic-production.com/327/sunny-outlook.

［7］柳卸林，高偉，呂萍，等.從光伏產(chǎn)業(yè)看中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式［J］.科學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2012，33（1）：116-125.

［8］唐小東.橫空出世的中國光伏標(biāo)桿電價［EB/OL］.［2011-08-22］.http：//www.docin.com/p-553645298.html.

［9］廖文書，徐惠娟.主要光伏市場國家光伏產(chǎn)業(yè)政策比較研究［J］.全國商情：經(jīng)濟(jì)理論研究，2012（5）：15-17.

［10］Sinke W C.The Crystalclear Integrated Project：Next Generation Crystalline Silicon Technology from Lab to Production［EB/OL］.［2005-06-06］.http：//www.ecn.nl/docs/library/report/2005/rx05001.pdf.

［11］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］.陽光能源，2009（6）：40-41.

［12］曹豫新.光伏產(chǎn)業(yè)封裝膜開發(fā)應(yīng)用探析［J］.河南化工，2011，28（13）：30-32.

［13］德國Breyer公司.Extrusion Line BREYER Cellprotect for Solar Cell ［EB/OL］.［2011-08-22］http：//www.breyer-extr.com/index.php?id=14&L=1.

［14］邵燕瑛.太陽電池組件封裝技術(shù)的討論［J］.能源工程， 2008（3）：32-34

［15］3S Swiss Solar Systems AG，Juerg Zahnd，Christoph Boos.Machine for the Production of Sheet Elements from Composite Material：US，8122929［P］.2012-02-28.

［16］Swiss Sustainable Systems AG.Heating Plate：EP，1517585［P］.2006-02-01.

［17］劉慶國，陳志強(qiáng)，張寶成.高壓釜在光伏組件封裝中的應(yīng)用［J］.太陽能，2011（9）：36-38.

［18］李玉潔，徐抗.PVB層壓硅太陽能電池組件［J］.太陽能學(xué)報，1983，4（1）：21-24.

［19］陳志強(qiáng).光伏建筑一體化系統(tǒng)中光伏組件封裝工藝探討［J］.玻璃，2008，35（12）：16-19.

［20］吳達(dá)成.我國光伏組件封裝設(shè)備制造現(xiàn)狀及展望［J］.太陽能，2012（8）：14-16.

［21］陳俊超.太陽能層壓機(jī)使用成本分析及展望［J］.太陽能，2011（20）：55-57.

［22］Peter K，Myer E.Investigation of the Degradation and Stabilization of EVA-Based Encapsulant in Field-Aged Solar Energy Modules［J］.Polym Degrad Stab，1997，55（3）：347-365.

［23］Pern F J，Glick S H.Photothermal Stability of Encapsulated Si Solar Cells and Encapsulation Materials upon Accelerated Exposures［J］.Solar Energy Mater Sol Cells，2000，61（2）：153-188.

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

［25］白戰(zhàn)爭，趙秀麗，羅雪方，等.環(huán)氧灌封材料的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報，2009，23（1）：24-27.

［26］李元慶，楊洋，付紹云.LED封裝用透明環(huán)氧樹脂的改性［J］.合成樹脂及塑料，2007，24（3）：13-16.

［27］上海拓引數(shù)碼技術(shù)有限公司.一種薄膜太陽能電池及其制備方法：中國，101404297［P］.2009-04-08.

［28］張思亮，尚紅霞，譚木娣.太陽能電池灌封膠性能的研究［J］.化工新型材料，2007，35（1）：82-83.

［29］三井化學(xué)株式會社.太陽能電池密封用片材及太陽能電池：中國，101421346［P］.2009-04-29.

［30］三井-杜邦聚合化學(xué)株式會社.太陽能電池密封材料：中國，101375409［P］.2009-02-25.

［31］朱天戈，苑會林，趙薇，等.太陽能電池封裝用PVDF/PMMA共混薄膜的表面形態(tài)及組成研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2009，37（10）：48-52.

［32］General Electric Company.Composition Comprising Silicone Epoxy Resin，Hydroxyl Compound，Anhydride and Curing Catalyst：US，6632892［P］.2003-10-14.

［33］General Electric Company.Eproxy Resin Compositions，Solid State Devices Encapsulated Therewith and Method：US，6916889［P］.2005-07-12.

［34］Na Ayutthaya S I，Wootthikanokkhan J.Investigation of the Photodegradation Behaviors of an Ethylene/Vinyl Acetate Copolymer Solar Cell Encapsulant and Effects of Antioxidants on the Photostability of the Material［J］.J Appl Polym Sci，2008，107（6）：3853-3863.

［35］龔云表，石安富.高分子密封材料［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1983：4-5.

［36］Czanderna A W，Pern F J.Encapsulation of PV Modules Using Ethylene Vinyl Acetate Copolymer as a Pottant：A Critical Review［J］.Solar Energy Mater Sol Cells，1996，43（2）：101-181.

［37］楊剛，李啟成，李雅明.乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）的性能及應(yīng)用［J］.膠體與聚合物，2009，27（3）：45-46.

［38］李國雄，許妍，林安中.太陽電池中EVA膠層的研究［J］.太陽能學(xué)報，1998，19（1）：98-101.

［39］Benjamin K.Photovoltaic Performance and Reliability Workshop Summary ［C］//AIP Conference Proceedings，No.394 for the 14th NREL/SNL PV Program Review Meeting.Lakewood，1996.Woodbury：American Institute of Physics，1997：285-294.

［40］Peter K，Myer E，Gary L，et al.Investigation of the Degradation and Stabilization of EVA-Based Encapsulant in Field-Aged Solar Energy Modules［J］.Polym Degrad Stab，1997，55（34）：347-365.

［41］Selim B，Sergei N，Eugene S，et al.Deformation Behavior of Elastomeric Ethylene-Octene Coplymers［J］.Am Chem Soc，1997，30（8）：1982-1989.

［42］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，2007，28（11）：1221-1226.

［43］唐景，彭麗霞，張?jiān)雒?，?太陽能封裝膠膜EVA變色分析［J］.合成材料老化與應(yīng)用，2011，44（6）：30-38.

［44］Pern F J.Factors that Affect the EVA Encapsulant Discoloration Rate upon Accelerated Exposure［J］.Solar Energy Mater Sol Cells，1996，41（42）：587-615.

［45］Pern F J.Thermal Processing of EVA Encapsulants and Defects of Formulation Additives［C］//Photovoltaic Specialists Conference.Washington D C：Conference Record of the Twenty Fifth IEEE，1996（13/17）：1251-1254.

［46］Renz W，Wood M.Stabilized Adhesive Compositions Containing Highly Soluble，High Extinction，Photostable Hydroxyphenyl-s-Trianzine UV Absorbers and Laminated Articles Derived There from：US，6225384［P］.2001-05-01.

［47］江陰愛康太陽能器材有限公司.耐濕熱紫外光老化太陽能電池封裝用EVA膠膜：中國，101626039［P］.2010-01-13.

［48］Pern F J.Encapsulating Material for Photovoltaic Devices：WO，97/22637［P］.1997-06-26.

［49］林安中，趙續(xù)文，范質(zhì)勤，等.多晶硅太陽能電池組件及封裝材料的研究［J］.太陽能學(xué)報，1992，13（1）：33-37.

［50］曹慧林，范會林.聚乙烯醇縮丁醛薄膜加工工藝及性能的研究［J］.塑料工業(yè)，2006，34（6）：29-32.

［51］Manchke R G.A Moisture Protection Screening Test for Hybrid Circuit Encapsulants［J］.IEEE Trans Comp，Hybrids，Manuf Technol，1981，4（4）：492-498.

［52］Kempe M D.Ultraviolet Light Test and Evaluation Methods for Encapsulants of Photovoltaic Modules［J］.Solar Energy Mater Sol Cells，2010，94（2）：246-253.

［53］Mclntosh K R，Powell N E，Norris A W，et al.The Effect of Damp-Heat and UV Aging Tests on the Optical Properties of Silicone and EVA Encapsulants［J］.Prog Photovolt：Res Appl，2011，19（3）：294-300.

［54］Skoczek A，Sample T，Dunlop E D.The Results of Performance Measurements of Field-Aged Crystalline Silicon Photovoltaic Modules［J］.Prog Photovolt：Res Appl，2009，17（4）：227-240.

［55］劉峰，張俊，李承輝，等.光伏組件封裝材料進(jìn)展［J］.無機(jī)化學(xué)學(xué)報，2012，28（3）：429-436.

［56］Ketola B，McIntosh K R，et al.Silicones for Photovoltaic Encapsulation［EB/OL］.［2008-09-01］.http：//csesdev.cecs.anu.edu.au/fi les/Ketola08_silicones_for_pv_encapsulation.pdf.

［57］白玉光.新型彈性體POE及其應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展［J］.彈性體，2011，21（2）：85-90.

［58］Bensason S，Stepanov E V，Chum S，et al.Deformation Behavior of Elastomeric Ethylene-Octene Copolymers［J］.Macromolecules，1997，30（8）：2436-2444.

［59］DOW，Enlight Company.聚烯烴密封膜［EB/OL］.［2012-03-02］.http：//msdssearch.dow.com/PublishedLiteratureDOWCOM/dh_088b/0901b8038088b69f.pdf?filepath=packaging/pdfs/noreg/868-00152.pdf&fromPage=GetDoc.

［60］DOW，Enlight Company.Dow Specialty Elastomers for Thermoplastic Polyolefins White Paper［EB/OL］.［2012-03-02］.http：//www.dow.com/elastomers/products/engage.htm.

［61］Kempe M D，Kilkenny M，Moricone T J，et al.Accelerated Stress Testing of Hydrocarbon-Based Encapsulants for Medium Concentration CPV Applications［C］//34th IEEE PVSC.Philadelphia：NREL，2009：1826-1831.

［62］拜爾推出太陽能電池用聚氨酯薄膜［J］.工程塑料應(yīng)用，2008，36（7）：42.

［63］Burrows M Z.Performance of Thermoplastic Ionomer Encapsulant Material with Advanced Emitter Solar Cells［C］//Photovoltaic Specialists Conference，2012，38thIEEE.Sunnyvale：IEEE，2012：1877-1880.

［64］Eisenberg A，Kim J S.Introduction to Ionomers［M］.New York：John Wiley & Sons，1998：327.

［65］Koichi Nishijima.New Modi fi ed Ionomer-Based Encapsulant Improves Laminating Speed and Backsheet Adhesion［EB/OL］.［2012-10-12］.http：//www2.dupont.com/Photovoltaics/en_US/assets/downloads/pdf/abstract_encapsulant_improves_lam_speed.pdf.

［66］Hacke P.Characterization of Multi-Crystalline Silicon Modules with System Bias Voltage Applied in Damp Heat［C］//25th EU PVSEC.Philadelphia：NREL，2010：3760-3765.