什么是太阳能封装材料(eva包装)

　   内容导读：太阳电池发电利用的是硅等半导体材料的量子效应，直接把太阳光谱中的可见光转变为电能。可是硅晶片若直接暴露于大气中，其光电转换机能会衰减。为此采用透明、耐光老化、粘接性好、能承受大气变化且具有弹性的EVA胶层将硅晶片组包封，并和上层保护材料玻璃、下层保护材料TPT(聚氟乙烯复合膜)粘合为一体，构成太阳电池板。

　　前言

　　太阳电池发电利用的是硅等半导体材料的量子效应，直接把太阳光谱中的可见光转变为电能。可是硅晶片若直接暴露于大气中，其光电转换机能会衰减。为此采用透明、耐光老化、粘接性好、能承受大气变化且具有弹性的EVA胶层将硅晶片组包封，并和上层保护材料玻璃、下层保护材料TPT(聚氟乙烯复合膜)粘合为一体，构成太阳电池板。

　　晶体硅太阳电池行业用的封装粘接材料为胶粘剂。上世纪80年代前，国内外曾试过用液态硅树脂和聚乙烯醇缩丁醛树脂片(PVB)，但因价格高、施工条件苛刻、物性不好而被淘汰。80年代起国外开始研制EVA胶膜，它是一种热熔粘接胶膜，常温下无粘性而具抗粘连性，经一定条件热压便发生熔融粘接与交联固化。其在太阳电池封装与户外使用上均获得了相当满意的效果。

　　我国于上世纪80年代中期开始，陆续从美国引进单晶硅太阳电池生产线七条，并逐年从美国进口EVA胶膜。为改变每年进口封装材料的被动局面，国家科委将EVA胶膜国产化列入"八五"攻关计划。为实现EVA胶膜国产化，德庆高良化工研究院于80年代后期着手研究，目标是取代进口，实现国产化。德庆高良化工研究院从小试到中试，建立了一套试产能力达5万m2/a的装置进行了配方研究、EVA改性技术研究、胶膜制造的工艺技术与试产设备的研究。边试验边出产品供太阳电池厂试用，由用户反馈意见，再研究再提高，获得了太阳电池厂家的认可。EVA胶膜的研究成功，填补了国内空白，实现了攻关目标。1995年11月由国家科委委托德庆高良省科委在紫金县通过了成果鉴定与攻关验收。该成果获得德庆高良省1996年度科技进步二等奖。研究论文被美国化学文摘收录(CA127:51758b)。

　　1998年德庆高良化工研究院建成了国内第一条自控程度较高、年产30万m2、幅宽达1000mm以上太阳能电池EVA胶膜标准生产线，同时将第二代快速固化胶膜产品推向市场，获得大量使用。2002年获国家发改委/世界银行/GEF技术进步项目支持。目前，德庆高良化工科技集团有三条生产线，年产能力100余万m2以上。

　　EVA材料

　　1.1EVA树脂

　　EVA是乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物，它的结构如下：

　　EVA具有优良的柔韧性、耐冲击性、弹性、光学透明性、低温绕曲性、粘着性、耐环境应力开裂性、耐候性、耐腐蚀性、热密封性以及电性能等。

　　EVA的性能主要取决于分子量(可以用熔融指数MI表示)和醋酸乙烯酯(以VA表示)的含量。当MI一定时，VA的含量增高，EVA的弹性、柔软性、粘结性、相溶性和透明性提高;VA的含量降低，EVA则接近于聚乙烯的性能。当VA含量一定时，分子量降低则软化点下降，而加工性及表面光泽改善，但强度降低;分于量增大，可提高耐冲击性和应力开裂性。

　　用于封装硅太阳电池组件的EVA，主要根据透光性能和加工成膜性能进行选择，美国Springborn实验室首先研究出一种EVA成膜配方，美国各生产厂家选择了杜邦公司生产的ElvaxEVA树脂。

　　1.2EVA太阳电池胶膜

　　EVA成膜采用的是挤压成型工艺。根据不同的EVA的配方，选择不同的挤压温度。选用优质的EVA基料对提高胶膜透光率甚为重要，其胶膜经加热封装后，变得完全透明，它和玻璃粘合后能提高玻璃的透光率，起着增透的作用，并对太阳电池组件功率输出有增益作用。

　　EVA胶膜是一种热固性的膜状热熔胶，常温下不发粘，便于操作;在熔融状态下，它和硅晶片、玻璃、TPT产生粘接，成为太阳电池板。

　　未经改性的EVA具有透明、柔软、有热熔粘接性、熔融温度低(<80℃)、熔融流动性好等特点。这些特征满足了胶膜制造与太阳电池封装的需求，但其耐热性差，易延伸而低弹性，内聚强度低而抗蠕变性差，易产生热胀冷缩致硅晶片碎裂。为此要对EVA进行改性，其办法是采取化学交联，即在EVA中添加有机过氧化物交联剂，当EVA胶膜加热到一定温度时，交联剂分解产生自由基，引发EVA分子间的结合，形成三维网状结构，使EVA胶层交联化，当交联度达到60%以上时就能承受大气的变化，不再发生热胀冷缩。

　　此外，生产厂家和用户比较关心的问题是，EVA是否能经得住紫外光老化。如果EVA胶膜未经改性，它必定会受紫外线破坏，发生龟裂，或降解变色，或和玻璃、TPT脱胶，尤其用于高原地区的太阳电池更应重视此问题。因此还要采取抗紫外光老化措施。使EVA胶层内含有吸收紫外光的主、辅剂配合的复合光稳定剂，能起到吸收紫外光的协同效应。EVA胶膜具有吸收紫外光性能，除保护EVA胶层本身外，还可保护电池背材TPT，从而能保障太阳电池长年正常工作。

　　综上所述，EVA胶膜不仅是起粘接密封作用，而且对太阳电池的质量与寿命起着至关重要的作用，从某种意义上说，太阳电池板的寿命由EVA决定。而EVA的质量又决定于它的配方与改性技术，这不是从EVA胶膜的表现上或仅从粘接得好坏上就能判断的。

　　为了EVA胶膜在太阳电池中充分发挥应有的作用，在使用过程中，要注意防潮防尘，免与带色物体接触;不要将脱去外包装的整卷胶膜暴露在空气中;分切成片的胶膜如不能当日用完，应遮盖紧密。若吸潮，会影响EVA和玻璃的粘接力;若吸尘，必影响透光率;和带色、不洁的物体接触，由于EVA胶膜的吸附能力强，易被污染。

　　层压工艺

　　2.1主要工艺步骤

　　(1)叠层：依次将盖板玻璃、EVA膜、互相连接好的太阳电池、玻璃纤维(Scrim)薄片、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5min。

　　(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。

　　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。

　　2.2典型层压工艺

　　2.2.1一步法

　　(1)方法一

　　快速固化EVA：层压机设置100～120℃，电池板放入，抽气5～8min，加压3min，同时升温到135～140℃，恒温固化15～20min，放气后即刻取出冷却。

　　常规固化EVA：层压机设置100～120℃，电池板放入，抽气5～8min，加压3min，同时升温到145～150℃，恒温固化30min，放气后即刻取出冷却。

　　(2)方法二

　　快速固化EVA：层压机设置135~140℃，电池板放入，抽气5～8min，加压3min，恒温135～140℃，固化15～20min，放气后即刻取出冷却。

　　2.2.2两步法

　　(1)层压机设置100～120℃，电池板放入，抽气5～8min，加压3min，放气后即刻取出冷却。

　　(2)层压后的电池板放入固化炉(烘箱)，然后再：①速固化EVA：135～140℃，固化15～20min(或140℃，固化15min);②常规固化EVA：145～150℃，固化30min。

　　几种典型的层压工艺如表1所示。

　　层压过程中有关问题及注意事项

　　层压、固化温度选择，一要视层压设备情况，进口设备与国产设备有差异，层压机温度分布要均匀，真空系统要可靠;二是看电池板中是否有气泡，温度越高越容易产生气泡，但固化时间可以短一些。

　　EVA层压工艺中，升温速率是封装成败的关键之一。首先加热使EVA软化，流动和填满电池间的空隙，然后在较高的温度下使EVA固化，交联成网状大分子。如果加热到EVA固化温度(150℃)的时间太长，由于交联剂热分解，使EVA不固化;升温速度太快，又会产生气泡。

　　EVA层压工艺中，消除EVA中的气泡是另一个关键。叠层时进入的空气和过氧化物交联剂热分解产生的氧气是形成气泡的主要原因。消除气泡的办法是在加热之前，层压器的上、下两室同时抽空，把空气从组合叠层件中抽干净，当温度达到120℃时，上室放空逐渐恢复到常压，也就是对下室加压，这样的压力可以阻止过氧化物分解形成气泡。另外，在硅太阳电池与EVA膜之间有一层未经编织的玻璃纤维(Scrim)薄片，它的作用是使气体通过它的空隙，容易从叠层件中排出去，尤其是对大型组件，可以保证把气体排除干净，这样就可以避免在EVA中形成气泡。

　　EVA层在封装过程中，需要经常测定eva包装的凝胶含量来分析EVA的固化程度，以达到控制封装质量的目的。通常EVA凝胶含量达到65%时，就可以认为基本固化了。交联度，是指EVA分子经交联反应达到不溶不熔的凝胶固化的程度。其测定原理为，将EVA样品装入120目不锈钢丝网袋内，置沸腾二甲苯中萃取。未经交联的EVA，在二甲苯沸腾液中，样品迅速全部熔溶到二甲苯中，故交联度为0。而交联EVA，在萃取操作结束后，还能清楚观察到不锈钢丝网袋中残留有亮晶的试样，该残留试样量与试样总量之比即为交联度。

　　EVA胶膜主要技术指标

　　固化条件：快固胶膜135～140℃、15～20min

　　常规胶膜145~150℃、30min

　　透光率(%)：≥91

　　剥离强度(N/cm)：玻璃/胶膜≥30

　　TPT/胶膜≥20

　　交联度(%)：70～85

　　耐紫外光老化：不龟裂、不变色

　　耐温性：-40～85℃