光伏组件封装EVA的湿热老化研究

张增明，唐景，吕瑞瑞，林杰，彭丽霞，傅冬华

(阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏 常熟，215562)

光伏组件封装EVA的湿热老化研究

张增明，唐景，吕瑞瑞，林杰，彭丽霞，傅冬华

(阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏 常熟，215562)

对光伏组件封装EVA胶膜的湿热老化进行了研究，采用FT－IR法对湿热老化中的EVA进行测试和分析。实验结果表明，在湿热老化过程中，EVA发生了水解反应，产生乙酸，提高温度和相对湿度均会加快水解;EVA吸水率越高，越容易发生水解。

EVA;湿热老化;FTIR;光伏

作为光电转换的光伏组件需要在户外使用25年，长期暴露于光、热、氧、水等复杂环境中，这就要求组件材料具有良好的耐候性。组件各材料中，起封装作用的EVA(乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物)，综合性能良好，是目前光伏组件中最常用封装材料，但是该材料自身化学结构不稳定，所以耐老化性能相对较差，虽然在EVA胶膜中添加了紫外吸收剂、紫外光稳定剂、抗氧化剂和交联剂等各种不同的添加剂来提高其耐老化性能，但是仍有很多不足，在使用过程中常出现黄变、脱层、气泡、腐蚀电极等现象，严重影响组件的性能和使用寿命，所以必须克服这些缺陷，要克服这些缺陷就必须对EVA的使用和老化过程进行深入研究，特别是EVA的老化机理研究，目前文献中多数报道的是关于EVA在紫外照射下的老化，老化机理是Norrish TypeⅠ和Norrish TypeⅡ［1～4］，如图1所示。在实际使用中，组件除了暴露在紫外照射下之外，还会暴露于高温高湿、低温、高低温交替等较恶劣环境中。高温高湿环境对EVA的性能影响很大，长期暴露于这样的环境下的EVA会出现气泡、发黄、脱层等现象，大大降低组件的电性能，甚至造成组件完全失效，耐湿热老化性能是EVA的一项重要指标，目前文献中还没有关于EVA湿热老化的系统研究报道。本实验采用傅立叶红外光谱技术，对光伏组件在湿热老化过程中的常见现象进行了研究，通过测试和分析老化前后EVA的结构变化，进而推断EVA的湿热老化机理及其对组件性能的影响，为组件的生产提供实际指导意义。

图1 EVA在紫外照射下的老化机理Fig.1 The aging mechanism of EVA under UV irradiation

1 实验部分

1.1 主要原材料

国产某EVA胶膜(1#)和进口某EVA胶膜(2#)、背板、玻璃。

1.2 主要仪器

傅立叶红外光谱仪、湿热老化箱。

1.3 试验方法

湿热老化试验:将组件或自制小层压样件(玻璃/EVA/EVA/背板)放入一定条件的湿热箱中进行老化，每隔一段时间后取出，去除玻璃和背板后，采用傅立叶红外光谱ATR法分别对EVA的上下面(即与玻璃和背板粘结面)进行测试。

吸水率测试:将EVA胶膜放入23℃的水中浸泡24小时，测其浸泡前后质量变化率［5］。

1.4 测试分析

FT－IR测试:ATR法，NICOLET Is10型傅立叶红外光谱仪

2.结果与讨论

2.1 光伏组件湿热老化后EVA的红外分析

图2 DH1000h后组件中EVA的红外光谱图曲线1—老化前EVA;曲线2—DH1000后与背板粘接的EVA;曲线3—DH1000后与玻璃粘接的EVAFig.2 FT－ IR of EVA after DH1000h curve 1 the initiative EVA;curve 2 the EVA adhesive with backsheet;curve 3 the EVA adhesive with glass

将一块组件放入85℃，相对湿度85%的湿热箱中进行湿热老化1000小时(DH1000h)后，发现组件中的EVA明显变黄，玻璃与EVA粘接界面出现气泡，与玻璃和背板的粘接强度明显下降。去除玻璃和背板后，对剩下的电池片正反两面的EVA(即分别与玻璃粘接和与背板粘接的EVA)进行红外ATR法测试，结果如图2所示。

从图2中可以看出，经过湿热老化以后，组件中的EVA在3400cm－1处出现明显的羟基吸收峰，且在1561cm－1处出现乙酸的特征吸收峰［6］，说明EVA已经部分水解，产生部分醇羟基，并产生一定量的乙酸，水解过程如图3所示。

图3 EVA湿热老化水解机理Fig.3 The hydrolysis mechanism of EVA

组件内EVA水解产生的乙酸不但会腐蚀玻璃［7］和背板，破坏EVA与玻璃和背板的粘接，导致粘接强度下降，还会腐蚀电极和焊带［8］，严重影响组件的电性能。所以EVA的水解对组件危害很大。从图2中还可以看出，经过湿热老化1000小时后，与玻璃和背板粘接的EVA水解程度不一样，与玻璃粘接的EVA水解更严重些，采用水平基线法分别测定羟基吸收峰和乙酸特征吸收强度，结果如表1所示。

表1 组件DH1000h后EVA的羟基和乙酸特征吸收峰高度Tab.1 The absorption strength of hydroxyl group and acetic acid after DH1000h

上述结果说明，与玻璃粘接处的EVA较与背板粘接处的EVA水解更明显，而我们传统观点认为水汽主要通过背板进入组件，实验结果与传统观点相违背，为此我们进行了更细致的实验。

2.2 小样件湿热老化后的EVA的红外分析

1#、2#两种EVA制成的小样件湿热老化后，去除玻璃和背板，分别对与玻璃和背板粘接的EVA进行红外测试，采用基线法得到羟基吸收峰强度，结果如图4所示。

图4 羟基吸收峰高度与湿热时间的关系注:样件为“玻璃/EVA/EVA/背板”层压试件Fig.4 Relation between hydroxyl group strength and aging time

从图4中可以看出，随着老化的进行，羟基吸收峰越来越强，说明随着湿热时间的延长，EVA水解越来越严重;同种型号EVA制成的样件，经过湿热老化后，与玻璃粘接的EVA较背板面EVA水解程度高，这也进一步证实了上述组件湿热老化后的现象，也就是说光伏组件在湿热环境中，与玻璃粘接的EVA更容易水解。这可能是因为作为无机材料的玻璃表面具有良好的亲水性，水汽从组件边缘渗入玻璃与EVA的粘接面，并逐渐往内部扩散，渗入的水汽又不能透过玻璃跑出，水汽逐渐富集，导致EVA与玻璃的粘接强度下降和EVA水解。由于水汽不能透过玻璃进入组件，进入玻璃与EVA粘接处的水汽主要是通过组件边缘逐渐渗入，这就要求组件在装框时的密封剂具有良好的隔水汽性能，从而抑制水汽进入组件。

从图4中还可以看出，同样是玻璃面粘接处或背板面粘接处，2#EVA的羟基吸收锋较1#EVA强很多，说明2#EVA更容易水解，尤其是与玻璃粘接处，水解程度很高，说明该EVA耐湿热性很差。图5是2#EVA样件经过不同湿热老化时间后，与玻璃粘接处EVA的红外光谱图。

从图5中可以很直观看出2#EVA水解严重，除了出现明显的羟基吸收锋外，经过200小时的湿热老化，在1561cm－1处出现了乙酸特征吸收峰，并且随着时间的延长，该特征吸收锋越来越高，也就是产生的乙酸越来越多。充分说明2#EVA耐湿热老化性能较差，经过研究发现，这可能是该EVA含有较多的亲水物质，导致其吸水率较高，进而更容易水解。表2是两种EVA胶膜的吸水率和水溶物含量。

图5 与玻璃面粘接处的2#EVA在不同湿热时间下的红外光谱图Fig.5 FT－ IR of 2#EVA with different aging time

表2 两种EVA吸水率Tab.2 Absorption rate of EVA

2.3 影响EVA水解因素

按背板/EVA/EVA/背板制成小样件，放入加速湿热老化箱中进行加速湿热老化，然后剥离背板，对其中EVA进行红外测试，计算各条件下的水解羟基吸收峰的强度，如表3所示。

表3 加速湿热老化EVA羟基吸收峰强度Tab.3 Hydroxyl group absorption strength under different condition

从表3中可以看出，同样在105℃和90%的相对湿度下，老化48小时后的羟基吸收峰强度较12小时的大;105℃，48小时下，相对湿度越大，羟基吸收峰强度也越大;在相对湿度为95%，48小时下，温度越高，羟基吸收峰强度越大。说明增加湿度和温度均会加快EVA的水解，延长老化时间，EVA水解程度变大。

3 结论

(1)EVA经过长时间的湿热老化试验，其中的醋酸乙烯酯会发生水解反应，放出乙酸;

(2)组件在湿热老化过程中，水汽会从边缘逐渐渗入，导致玻璃粘接处的EVA更容易水解，应在组件生产中采取适当措施抑制水汽从组件边缘渗入组件内部;

(3)吸水率高的EVA胶膜更容易水解，应使用吸水率较低的EVA胶膜;

(4)提高环境温度和相对湿度均会加速EVA的水解反应。

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Study on the Damp Heat Aging of EVA for Photovoltaic Module Encapsulation

ZHANG Zeng-ming，TANG Jing，LV Rui-rui，LIN Jie，PENG Li-xia，FU Dong-hua
(CSI Photovoltaic Test Laboratory，Changshu 215562，Jiangshu，China)

The damp heat aging of EVA for Photovoltaic module encapsulation was studied with FT－IR technology.The results indicate that the EVA in the module hydrolyze during the damp heat aging，and bring about acetic acid，raise the temperature and humidity will accelerate hydrolysis，and the EVA with higher water absorption rate may hydrolyze easier.

EVA;damp heat aging;FTIR;photovoltaic

TK514

2011－04－28