光伏组件封装胶膜的种类及交联度的研究

陈如意 孔蕊 周扬 钱兵

摘 要：为了应对全球气候变暖的问题，多国政府制定了碳达峰、碳中和的目标（下文简称为“‘双碳目标”）和计划。太阳能作为一种清洁的可再生能源，是世界能源转型的重要方向之一。光伏组件作为光伏发电系统中的核心部分，将在“双碳”目标中起着至关重要的作用。概述了目前市场上主流的光伏组件封装胶膜的种类，对封装胶膜的分子结构、交联机理、交联特性、交联度的影响因素进行了介绍，分析了交联度对光伏组件性能的影响，并对封装胶膜今后的发展方向和发展趋势进行了展望。在全球光伏发电装机容量增长前景明确、光伏组件整体需求增大和渗透率提升的背景下，光伏组件封装胶膜的市场需求将会不断提升，并将不断研发出与新太阳电池技术相匹配的功能性封装胶膜。

关键词：光伏组件；封装胶膜；交联度；交联机理；发展趋势

中图分类号：TM914.4+1 文献标志码：A

0  引言

为了应对全球气候变暖的问题，多国政府制定了碳达峰、碳中和的目标（下文简称为“‘双碳目标”）和计划。太阳能作为一种清洁的可再生能源，是世界能源转型的重要方向之一，而光伏发电是其主要应用方式之一。光伏组件作为光伏发电系统中的核心部分，将会在“双碳”目标中起到至关重要的作用。

光伏组件的核心部件为太阳电池，通过光电效应或光化学效应直接把光能转换成电能。目前市场应用占比最大的为晶体硅太阳电池，其原材料为晶体硅，呈脆性，且太阳电池的面积较大、厚度较薄，容易出现破损；再加上太阳电池的自然抗性差，易被腐蚀，这些单体太阳电池自身特殊的物理性能，导致其不能直接作为电源使用，必须将若干单体太阳电池串、并联连接后严密封装成光伏组件才能作为电源使用。晶体硅光伏组件利用封装胶膜将光伏玻璃、晶体硅太阳电池及背板粘合在一起进行封装，起到保护太阳电池并延长太阳电池使用寿命的作用。光伏组件的结构示意图如图1所示。

本文概述了目前市场上主流的光伏组件封装胶膜的种类，对封装胶膜的分子结构、交联机理、交联特性、交联度的影响因素进行了介绍，分析了交联度对光伏组件性能的影响，并对封装胶膜今后的发展方向和发展趋势进行了展望。

1  光伏组件封装胶膜的主要种类

封装胶膜作为光伏组件的关键材料，需要保证光伏组件25年的使用寿命，且其需求不受太阳电池技术路线变革的影响，需求量随光伏发电装机容量的增长而增长。目前市场上主流的封装胶膜有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）胶膜、聚烯烃弹性体（POE）胶膜、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）胶膜等，下面进行详细介绍。

1.1  EVA胶膜

1.1.1  简介

EVA胶膜是一种热固性高分子材料，基体为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂，是较为传统的光伏组件封装胶膜产品。在当前的光伏组件生产中，EVA胶膜仍然是使用量最大的光伏组件封装胶膜产品。

EVA膠膜的基体EVA树脂是乙烯单体与醋酸乙烯酯单体在催化剂作用下发生聚合反应生成的嵌段共聚物，其化学反应过程如图2所示。

EVA树脂中醋酸乙烯酯含量在0%～40%之间。EVA树脂的性能主要取决于醋酸乙烯酯含量及其熔体流动速率（MFI），醋酸乙烯酯含量在10%～20%时，EVA树脂为弹性材料；醋酸乙烯酯含量超过30%时，EVA树脂为塑性材料。不同醋酸乙烯酯含量下的EVA树脂材料有不同的用途，用于光伏组件封装的EVA树脂中的醋酸乙烯酯含量一般在28%～33%之间。

光伏行业使用的EVA胶膜是EVA树脂经过多种改性剂（交联剂、粘结促进剂、各种安定剂）改性之后的胶膜产品。EVA树脂与改性剂在混合器中搅拌均匀后，混合于密闭容器中静置一段时间，之后抽取混合料在胶膜生产线上流延挤出熔融态胶膜，再经过多个冷却辊冷却后，进行切边并收成卷状成品。

目前EVA胶膜的品类主要包括常规EVA胶膜、抗PID EVA胶膜、抗蜗牛纹EVA胶膜、超快速固化EVA胶膜、白色EVA胶膜等，可以满足不同的生产需求。

1.1.2  特性

EVA胶膜技术成熟且成本较低，作为光伏组件封装胶膜具有以下优点：1）耐久性（耐热性、耐高温高湿性、耐候性）优越；2）对光伏玻璃、太阳电池、背板不仅具有短期粘合性，且长期粘合性也非常优越；3）熔融时具有较好的流动性能，对太阳电池的封装性能优越；4）透光率高、透明性优越；5）具有柔软性，层压加工时对太阳电池的损害小。

由于常规EVA胶膜的透水率较高，在使用过程中水汽会进入光伏组件，EVA胶膜遇水分子链中的酯键发生水解反应生成醋酸根（-COOH），醋酸根与光伏玻璃表面析出的碱反应产生可以自由移动的钠离子（Na+），钠离子在外加电场的作用下向太阳电池表面移动，并富集到减反射层，从而导致光伏组件PID现象，造成光伏组件功率衰减。目前市场上为了提高光伏组件的输出功率，开发了对输出功率具有增益效果的白色EVA胶膜及抗PID EVA胶膜。

白色EVA胶膜用在太阳电池下层，可以通过增加太阳电池间隙入射光反射来提高太阳光利用率，根据胶膜供应商提供的试验数据，使用此类胶膜可使光伏组件的输出功率提高约1～10 W。阳志荣等[1]采用醋酸乙烯酯含量为28%的EVA为基料，分别加入不同比例的钛白粉来提高EVA胶膜的反光率，然后通过相同配方进行混料，流延成膜制得白色EVA胶膜。研究结果表明：添加9%的钛白粉时，制得的白色EVA胶膜在交联度和剥离强度方面具有更好的性能，同时也具有更高的反射率，使用此类胶膜能提高光伏组件的光电转换效率，以达到提升光伏组件输出功率的目的。

另外，使用抗PID EVA胶膜封装光伏组件可以在一定程度上提高光伏组件的抗PID性能，从而提高光伏组件的输出功率。刘燕武[2]通过添加偶联剂、紫外光吸收剂、光稳定剂等助剂，制备了具有抗PID性能的光伏组件封装用EVA胶膜。抗PID EVA胶膜的抗PID性能主要与其体积电阻率和水汽透过性能有关。研究发现：当抗PID EVA胶膜中助剂的添加量增加时，其体积电阻率呈现出先增大后减小的趋势，控制助剂的添加量可以制备出具有较高体积电阻率的抗PID EVA胶膜，使其抗PID性能最优。

1.2  POE胶膜

1.2.1  简介

POE胶膜是美国DOW化学公司以茂金属为催化剂研发的乙烯和辛烯的共聚物，为饱和脂肪链结构。目前POE胶膜的品类包括交联型POE胶膜、热塑型POE胶膜、白色POE胶膜、共挤POE胶膜等，可以满足不同的生产需求。

1.2.2  特性

POE胶膜是一种分子结构为线形长链的热塑型弹性体，添加了交联剂的交联型POE胶膜是一种热固性材料。POE胶膜分子结构的特殊性使其具有高绝缘电阻率和高阻水性等优异特性，研究发现，POE胶膜的水汽透过率仅为EVA胶膜的1/8左右。

与EVA胶膜相比，由于POE胶膜的分子链中无可水解的酯键，使其分子链结构稳定，老化速度较慢，老化过程中不会因为水解反应产生酸性物质，具有优秀的水汽阻隔性、耐候性、光透过率及粘接性，能够更好地保护光伏组件在高湿环境下的正常工作，使光伏组件具有更加长效的抗PID性能。但是由于POE胶膜的流动性小，导致其加工时的均匀性难以控制。另外，由于POE属于非极性材料，与极性的助剂相容性较差，会存在助剂在胶膜表面析出的问题，影响POE胶膜在光伏组件生产上的大规模使用。

洪利杰等[3]以乙烯-α-烯烃共聚物为基体、过氧化-2-乙基己酯碳酸叔丁酯为交联剂、三烯丙基异氰脲酸酯为助交联剂、乙烯基三甲氧基硅烷为硅烷偶联剂、马来酸酐（MAH）为改性剂，分别制备了纯POE胶膜、马来酸酐改性POE胶膜，以及硅烷偶联剂改性POE胶膜；并对这3种POE胶膜封装的光伏组件功率衰减情况进行了研究。研究结果发现：POE胶膜封装的光伏组件的功率衰减明显低于常规EVA胶膜封装的光伏组件的功率衰减，有利于改善光伏电站的运营效益。

1.3  PVB胶膜

1.3.1  简介

PVB胶膜是一种热塑性树脂膜，是由聚乙烯醇缩丁醛树脂经增塑剂塑化挤压成型的一种高分子材料，具有可回收重复加工性，无交联反应。

PVB胶膜的制备工艺流程为：乙烯→醋酸乙烯（VAM）→聚乙烯醇（PVA）→PVB→加可塑剂→PVB薄膜。

1.3.2  特性

由于PVB胶膜特殊的化学结构，使其对无机玻璃具有很强的粘结性能，环境耐老化性能也特别优异，是当前世界上制造夹层玻璃、安全玻璃用的最佳粘合材料，在光伏行业中主要应用于光伏建筑一体化（BIPV）。

PVB胶膜配方简单，产品质量能够长久保持，相比纯POE胶膜6个月的保质期，PVB胶膜在不影响使用性能的前提下能够保存4年之久。相较于使用EVA胶膜，BIPV光伏组件使用PVB胶膜能够保持更长的使用寿命，但由于PVB胶膜的价格较贵，层压时间较长，限制了其大规模应用。

2  光伏组件封装胶膜的交联度及其对光伏组件性能的影响

2.1  光伏组件封装胶膜的交联度及交联机理

光伏组件封装胶膜的交联度是指光伏组件封装用的EVA胶膜、交联型POE胶膜等加热时，胶膜中的线形高分子链在交联剂的活化作用下发生交联反应后形成三维网状结构的分子的质量比率，是用来表征胶膜交联程度的物理量。交联度是衡量光伏组件封装胶膜抗老化、保持高机械强度的重要指标。

2.1.1  交联度的测试方法

目前，光伏行业中针对光伏组件封装胶膜交联度的测试方法已经很成熟，主要包括二甲苯萃取法和差示扫描量热法（DSC）。龚皓等[4]研究了测试方法对光伏组件封装用EVA胶膜交联度的影响，研究结果表明：二甲苯萃取法与DSC法测试得到的封装胶膜的交联度重复性都较好，但鑒于验货的时间效率，建议使用DSC法，其更为便捷。

封装胶膜交联度的计算式为：

式中：D为封装胶膜的交联度，%；W1为封装胶膜样品萃取前的质量，g；W2为封装胶膜样品萃取后的质量，g。

2.1.2  封装胶膜的交联机理

光伏组件叠层之后放在层压机中进行加热层压，当层压温度达到一定数值时，光伏组件中的封装胶膜逐渐熔化并处于熔融状态。当层压机的加热温度达到封装胶膜配方中过氧化物交联剂的分解温度时，交联剂分子结构中的过氧键会断裂，生成过氧自由基RO，具有活性的过氧自由基RO非常容易与胶膜大分子链支链上烷基的H结合，结合之后使胶膜大分子链支链上的烷基活化，活化后的两个烷基会结合，结合后便会形成三维网状结构。

在光伏组件层压封装过程中，封装胶膜中交联剂的加入不仅能够增强胶膜自身的耐蠕变性能，而且还能够提高胶膜与光伏玻璃或者背板之间的粘结性能。目前胶膜的交联方式主要有过氧化物交联、硅烷交联、辐射交联等。

影响封装胶膜交联度的因素主要包括以下两个方面：

1）胶膜配方中交联剂的用量。在其他条件不变的情况下，封装胶膜的交联度随交联剂用量的增加而升高。

2）光伏组件叠层之后的层压温度。层压温度在140～150 ℃之间时封装胶膜的交联效果最好；固化温度低于此范围时，封装胶膜的交联度低；固化温度高于此范围时，在层压过程中可能会出现气泡，降低光伏组件性能，并且高温会使设备损耗增加，造成能源浪费[5]。

研究发现，助剂的种类和用量不会影响封装胶膜的初始流动性能，因此可以通过调整胶膜中助剂的添加量来制备具有更好交联性能的封装胶膜。孙会娟等[6]对添加了不同种类交联剂的封装胶膜性能进行了研究，探索并制备了可以在较低温度下交联固化的EVA胶膜。

祝丽娟等[7]通过添加不同结构的偶联剂，制备出不同配方的EVA胶膜，并对偶联剂结构对EVA胶膜粘结性能的影响进行了分析。研究发现：选择添加具有不饱和键的偶联剂，可以增强EVA胶膜与光伏玻璃、背板之间的粘合力。

孙会娟等[8]采用三丙烯酸丙烷三甲醇酯（TMPTA）作为化学交联助剂，研究了其对过氧化苯甲酰（BPO）交联光伏组件封装用EVA胶膜的影响。研究结果表明：三丙烯酸丙烷三甲醇酯加入到EVA-BPO体系中起到了增塑作用，可改善胶膜的初始流动性并促进其化学交联固化过程，提高交联效率，选择合适的配比可在满足EVA胶膜性能的基础上缩短其生产周期。

EVA胶膜及交联型POE胶膜的交联机理分别如图3、图4所示。

交联度是用来表征光伏组件封装胶膜交联程度的物理量，是衡量封装胶膜封装效果的重要技术指标。封装胶膜交联度的大小不仅影响胶膜固化后自身的拉伸强度、断裂伸长率及剥离强度等力学特性，同时也会影响光伏组件的密封效果和环境耐老化性能，对光伏组件的质量和使用寿命起着至关重要的作用。

如果封装胶膜的交联度过高，胶膜大分子链间的相互作用力会增强，大分子链的运动会被束缚，就会导致胶膜刚性增强，使其抵抗外力变形的能力降低，保护太阳电池的作用就会被削弱；如果封装胶膜的交联度过低，其耐老化性能也会降低。

施懿峻等[9]通过改变层压参数的方法制备了不同交联度的EVA胶膜样品，采用二甲苯溶剂萃取法测定了制备的EVA胶膜样品的交联度，并研究了交联度变化对EVA胶膜拉伸强度、断裂伸长率及剥离强度等力学性能的影响。研究发现：EVA胶膜的物理性能会随着其交联度的变化发生改变，进而影响EVA胶膜对光伏组件的整体封装效果及光伏组件的使用寿命。当EVA胶膜的交联度过低时，EVA胶膜中的三维网络结构并未完全生成，胶膜中存在线形长链大分子，胶膜的结构直观表现比较疏松，拉伸強度、断裂伸长率及剥离强度都比较低，对光伏组件的封装效果差，会直接降低光伏组件的发电性能及使用寿命；当EVA胶膜的交联度过高时，EVA胶膜的柔韧性会降低，胶膜材质会变硬，相应的拉伸强度、断裂伸长率及剥离强度也会下降，封装后光伏组件的耐老化性能也会受到影响而降低；当EVA胶膜的交联度在85%左右时，其各项力学性能整体表现出最优化。

王荣君[10]以EVA树脂为原料，辅以交联剂、偶联剂、防老化剂，经加热挤出成型制备了光伏组件封装用EVA胶膜；通过添加不同类型的交联剂，研究了交联剂的种类对EVA胶膜交联度的影响。研究发现：使用分解速度快的交联剂可以在更短时间内达到理想的交联度，可以在一定程度上提高光伏组件生产厂家的生产效率。在相同的层压温度和层压时间条件下，EVA胶膜的交联度随着胶膜中交联剂含量的增大而增大，但是交联剂的含量并不是越多越好，交联剂含量多时虽然交联度高，但交联剂含量过多容易使胶膜产生老化黄变现象；在相同交联剂含量条件下，EVA胶膜的交联度随层压温度的增大而增大。

刘长飞等[11]通过设计多组不同的层压制样方案，制备了不同交联度的交联型POE胶膜样品，采用二甲苯萃取法测定了样品的交联度，并对每个样品进行了相应的力学性能测试，旨在研究不同生产厂家（分别为A厂家、B厂家、C厂家）生产的交联型POE胶膜的力学性能与交联度之间的关系。研究发现：不同生产厂家的交联型POE胶膜的各项力学性能与交联度的关系呈现出大致相同的变化趋势。

不同交联型POE胶膜的交联度与胶膜和光伏玻璃之间的剥离强度的关系示意图[11]如图5所示。

从图5可以看出：交联型POE胶膜与光伏玻璃之间的剥离强度随交联度的增大大致呈现出先增大到逐步稳定，最后逐步减小的趋势。这是因为随着交联度的增大，交联型POE胶膜的物理性质由韧性逐步向脆性转变，交联度过高，

胶膜就会变脆所导致的。交联型POE胶膜与光伏玻璃之间的剥离强度在交联度为69%～84%的范围内保持一个较好的数值。

不同交联型POE胶膜的交联度与拉伸强度的关系示意图[11]如图6所示。

从图6可以看出：交联型POE胶膜的拉伸强度随交联度的增大大致呈现出先增大到峰值，然后再减小的趋势。这是因为随着交联度的增大，胶膜的脆性逐步变大，拉伸强度随之减小。交联型POE胶膜的拉伸强度在交联度为69%～84%的范围内表现较好。

不同交联型POE胶膜的交联度与断裂伸长率的关系示意图[11]如图7所示。

从图7可以看出：交联型POE胶膜的断裂伸长率随交联度的增大呈现出逐渐减小的趋势，这是因为随着交联度的增大，胶膜的脆性逐渐增大，胶膜脆性断裂的可能性随之增大。

鉴于以上胶膜力学性能与交联度之间的变化关系，为了保证光伏组件在使用过程中性能的长期可靠性，在使用交联型POE胶膜作为光伏组件封装材料时，层压后胶膜的交联度控制在69%～84%的范围内为最优。

3  发展方向与发展趋势展望

光伏组件封装胶膜是决定光伏组件产品质量、使用寿命的关键性因素。作为光伏组件的重要材料之一，封装胶膜在保护太阳电池，延长太阳电池使用寿命，提升光伏组件输出功率方面发挥着关键作用，在全球光伏发电装机容量增长前景明确、光伏组件整体需求增大和渗透率提升的背景下，光伏组件封装胶膜的市场需求将会不断提升。随着光伏行业的太阳电池技术不断革新升级，也会研发与新技术相匹配的功能性封装胶膜，以满足新技术的要求，并在保证光伏组件使用寿命的前提下，提高光伏组件的光电转换效率。

4  结论

本文对目前市场上主流的光伏组件封装胶膜的种类进行了概述，从封装胶膜的分子结构、交联机理、交联特性、交联度的影响因素，以及交联度对光伏组件性能的影响几个方面进行了分析。在全球光伏发电装机容量增长前景明确、光伏组件整体需求增大和渗透率提升的背景下，光伏组件封装胶膜的市场需求将会不断提升，并将不断研发出与新太阳电池技术相匹配的功能性封装胶膜。

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STUDY ON TYPES AND CROSSLINKING DEGREE OF

PV MODULES ENCAPSULATION FILM

Chen Ruyi，Kong Rui，Zhou Yang，Qian Bing

（CECEP Solar Energy Technology （Zhenjiang） Co.，Ltd.，Zhenjiang 212132，China）

Abstract：In order to deal with the problem of global warming，many governments have formulated emission peak and carbon neutrality goals and plans. As a clean and renewable energy，solar energy is one of the important directions of the worlds energy transformation. As the core part of the PV power generation system，PV modules will play a vital role in the emission peak and carbon neutrality goals. This paper summarizes the main types of PV module encapsulation film in the current market，the molecular structure，crosslinking mechanism，crosslinking characteristics and influencing factors of crosslinking degree of encapsulation film are introduced，the influence of the crosslinking degree on the performance of PV modules is analyzed，and forecasts the future development direction and trend of the encapsulation film. Under the background of clear growth prospects of global PV power generation installed capacity，increased overall demand for PV modules and increased penetration，the market demand for PV module encapsulation film will continue to increase，and functional encapsulation film matching the new solar cell technology will continue to be developed.

Keywords：PV modules；encapsulation film；crosslinking degree；crosslinking mechanism；development trend