EVA胶膜改性对抗PID性能的影响

周雪梅 陈剑

摘      要： 光伏组件的抗PID性能影响组件的发电效率和使用寿命，被光伏行业广泛关注。EVA胶膜是光伏组件的主要封装材料之一，其具有优异的性价比，但随着光伏行业技术革新，对封装材料抗PID要求越来越高。通过实验将2种不同配方改性的EVA胶膜与普通EVA胶膜进行了性能比对，研究发现添加了高阻助剂的改性EVA胶膜B和添加了离子捕捉剂的改性EVA胶膜C具有良好的抗PID性能，其中胶膜C抗PID的稳定性更好。

关  键  词：光伏组件；EVA胶膜；改性；高阻助剂；离子捕捉剂；抗PID性能

中图分类号：TQ050.425       文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2024）06-0919-04

太阳能发电是一种可持续发展的清洁低碳、环保高效的绿色能源，也是近年来全球电力行业主要投资方向。2022年太阳能发电装机容量约390 GW，同比增长28.1%，新增装机量在全球排首位，我国对光伏产业越发重视，光伏累计装机量将继续上升。从广袤戈壁高原上的大型集中式光伏电站，到如今海上光伏、渔光互补、农光互补、屋顶光伏等分布式光伏发电站越来越多，光伏发电已联合各行业走入我们日常生活，是未来实现碳中和的重要能源之一。光伏组件的封装材料位于电池片和玻璃、电池片和背板之间，是用来封装和保护光伏电池的重要材料。其对提升和保障光伏组件的质量起到至关重要的作用，特别是对光伏组件的发电效率、功率稳定性、可靠性等方面有重要影响。随着光伏技术的快速升级，目前封装材料已有EVA胶膜、POE胶膜、复合PE胶膜和EPE胶膜。其中EVA胶膜封装成本最低，其是目前应用最广泛的封装材料，约占封装材料市场的80%[1]。但其抗PID效果不及POE胶膜。光伏组件的PID效应会导致组件的发电效率降低，严重时还会导致一些灾难性故障，因此增强EVA胶膜封装组件的抗PID性能一直是行业研究的热点。

电势诱导衰减（PID）最早于2005年由美国Sunpower公司发现并提出[2]。PID是指光伏组件在电势差的作用下使边框、玻璃与太阳电池之间存在漏电流，导致光伏组件实际输出功率低于其标称功率[3-4]。PID效应已被证明在双面光伏组件和系统中会引发严重的功率衰减和快速断电问题[5]。光伏行业已从组件、模组和系统3个层面来提高组件的抗PID性能。提升封装胶膜内带电粒子阻隔能力成为优化光伏组件抗PID性能的选择[6]，如提高胶膜的体积电阻率有利于降低PID效应。本文主要是通过分析普通EVA胶膜A、添加了高阻助剂的改性EVA胶膜B和添加离子捕捉剂的改性EVA胶膜C，对其进行常规性能和抗PID性能测试，对用EVA胶膜封装的光伏组件优化抗PID性能提供技术支持。

1   实验部分

1.1  实验材料

台塑光伏EVA粒子，型号7760S； 交联剂过氧化-2-乙基己酯碳酸叔丁酯（TBEC），工业级，阿科玛有限公司；助交联剂三烯丙基异氰尿酸酯 （TAIC），工业级，湖南民和化工有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷偶（570），工业级，信越有限公司；抗氧剂1010、紫外光稳定剂770、紫外光吸收剂81，工业级，巴斯夫有限公司；TPT背板，苏州中来光伏新材股份有限公司；钢化玻璃，厚度3.2 mm，信义光能控股有限公司；高阻助剂，帝斯曼有限公司；离子捕捉剂，纳米材料科技有限公司；单晶硅电池片，杭州正泰新能源有限公司。

1.2  实验仪器

小型挤出机和流延机，舟山精科挤出机厂；立式混色机，金恒力有限公司；TDCT-BY-5 层压机，秦皇岛市奥瑞特科技有限公司；XD-121 电脑拉力机，信任达（上海）有限公司；UV3600紫外分光光度计，岛津国际贸易（上海）有限公司；体积电阻率测试仪，型号DSM8104，日置有限公司；UVTEST紫外湿热老化箱，ATLS； 恒温恒湿试验箱，上海爱斯佩克环境设备有限公司；抗PID电源，上海质卫环保科技有限公司；AVY-220电子天平，岛津国际贸易（上海）有限公司；单次闪光太阳能模拟器，上海赫爽太阳能科技有限公司；太阳能电池组件电致发光检测仪，型号EL-M，ASICCN。

1.3  样品制备

在普通EVA胶膜A的配方基础上添加高阻助剂制成EVA胶膜B；在普通EVA胶膜A的配方基础上添加离子捕捉剂制成EVA胶膜C。

1.4  测试方法

在140℃、20 min条件下层压制样，按照《光伏组件封装用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）胶膜》 （GB/T29848—2018）[7]标准方法测试EVA胶膜的交联度、透光率、剥离强度、体积电阻率、紫外和湿热黄变指数。

电势诱导衰减抗PID性能按照IEC TS 62804- 1-1-2020[8]中的方法进行测试：在140 ℃、20 min层压条件下，将A、B、C胶膜分别用于封装相同型号的单晶硅电池片，制成同样型号的组件，在实验条件为温度85 ℃，相对湿度85%，-1 000 V的电压下进行96 h的抗PID测试，再继续进行300 h的抗PID性能测试。

2  结果与讨论

2.1  不同EVA胶膜的交联度

EVA胶膜的交联度是EVA胶膜加热时线状分子交联成网状分子的质量比例。交联度的高低对胶膜的黏结强度和抗老化性能均有影响，国标规定EVA胶膜交联度不低于75%，行业内要求交联度一般不要高于90%。不同EVA胶膜的交联度见图1。

由图1可以看出，3种型号的EVA胶膜交联度均大于80%。其中A和C的交联度差异不大，B胶膜的交联度最大。这是由于B胶膜添加了高阻助剂，高阻助剂属于活性添加剂，有利于增加EVA胶膜的交联密度，从而提高EVA胶膜交联度。C添加了离子捕捉剂，属于无机化合物，其对交联度影响不大，故A和C的交联度接近。

2.2  不同EVA胶膜的透光率

EVA胶膜的透光率影响到组件的发电效率，故在对EVA胶膜进行改性时，要特别关注对胶膜透光率的影响。不同EVA胶膜的透光率见图2。

由图2可知，3种EVA胶膜的透光率均大于91%。其中A和B透光率接近92%，C胶膜的透光率最低。透光率主要由树脂的基本性能决定，添加的助剂纯度和种类对透光率有一定影响。高阻助剂是一种无色的有机活性液体助剂，对EVA胶膜的透光率没有影响，但离子捕捉剂是无机金属阳离子混合物，其含的无机物会降低胶膜的透光率。由于选用的是粒径很小的离子捕捉剂，且采用造粒的方式添加，分散更均匀，其次添加量合适，对透光率影响较小，胶膜的透光率仍大于91%，不影响组件的发电效率。

2.3  不同EVA胶膜的体积电阻率

EVA胶膜的体积电阻率是EVA胶膜的重要电学性能，体积电阻率越大，绝缘性能越好。据研究EVA胶膜原材料EVA粒子的VA含量越低，添加助剂的纯度越高，EVA胶膜体积电阻率越高。不同EVA胶膜的体积电阻率如图3所示。

由图3可知，3种EVA胶膜中胶膜B的体积电阻率最高，A的体积电阻率最小。原因是B添加的高阻助剂，其结构可以抑制EVA水解，从而保证EVA胶膜层压后交联度更高，网状结构更致密，绝缘性能增强，所以其体积电阻率提升最明显。由   图3可知，B的体积电阻率是A的4倍多。C添加的离子捕捉剂，其主要成分是无机金属阳离子，其通过离子交换、吸附，大量减少了Na+的迁移，提高了EVA胶膜的绝缘性能，但考虑到其透光率，添加量不宜过多，故C的体积电阻率是A的2倍多。这说明改性对EVA胶膜的体积电阻率影响较大。

图3 不同EVA胶膜的体积电阻率

2.4  不同EVA胶膜老化性能差异

黄色指数是用来表征材料偏离白色程度大小的参数，是衡量材料老化程度的重要参数。不同EVA胶膜的耐老化性能如图4所示。

由图4可以看出，3种EVA胶膜的黄变指数均小于3，但改性后的胶膜B和C老化性能明显优异于胶膜A，且胶膜C的老化性能最好。这是因为胶膜B的交联度高，致密性和绝缘性能较好，故耐紫外和湿热老化性能较胶膜A好。胶膜C中加入了离子捕捉剂，离子捕捉剂能在不损害光学和电气绝缘性能下提高EVA胶膜封装的导热性和对基材的附着力，防止气体和水汽进入，提供防腐蚀保护[9]，而胶膜B由于高阻助剂的加入，与EVA反应形成的稳定自由基较多，交联效率大大提高，但是形成长链少，所以在长期老化过程中胶膜C的黄变指数小于胶膜B，具有更优异的耐紫外和湿热耐老化  性能。

2.5  不同EVA胶膜抗PID性能

EVA国标里没有抗电势诱导衰减PID性能。其属于组件的一个重要性能，在组件IEC标准里有详细测试要求。可见抗PID性能反馈了组件质量好坏，也是组件使用寿命的重要衡量指标。

96 h抗PID测试结果如图5所示。由图5可知，胶膜A的PID衰减接近10%，EL图像很多黑片；改性后胶膜B和C抗PID性能均小于2%，且胶膜B的抗PID性能略好于C。EL图像未见黑片，符合组件的IEC标准。

当抗PID实验持续到300 h，胶膜B和C的抗PID性能均未超过3%，EL图像均无黑片，且胶膜C的PID衰减变化最小。这是由于胶膜B中加入了高阻助剂，其有较高的EVA交联水平，网状致密性更强可抑制PID效应[10]；且较高的体积电阻率可减少玻璃到电池Na+的迁移，功率衰减减少[11]。而胶膜C中加入了离子捕捉剂，其通过离子交换等方式捕捉胶膜中的碱金属离子以及碱土金属离子等，而活化的离子交换树脂可与外界环境中的金属离子发生离子交换，起到吸附、固定金属离子的作用，有效吸附胶膜中游离金属离子，减少玻璃层金属离子的迁移，提高封装胶膜抗PID性能[12]。故胶膜B和C均有良好的抗PID性能。由于胶膜C有更优异的耐老化性能，故胶膜C抗PID的稳定性更好。

3  结 论

1）采用高阻助剂和离子捕捉剂改性后的EVA胶膜B和C均有良好的抗PID性能。

2）添加了高阻助剂的胶膜B，有较高的交联度和体积电阻率。

3）添加了离子捕捉剂的胶膜C，其长期耐老化性能和抗PID性能更优，可见耐老化性能和抗PID性能有相关性。

4）EVA胶膜的改性可以通过提高交联密度、体积电阻率、抗老化性能以及降低胶膜内部离子的迁移方面增强其抗PID性能。

参考文献：

［1］DE OLIVEIRA M C C， SOARES L G， VIANA M M， et al. Develop- ment of ethylene-vinyl acetate copolymer/graphene oxidnano compo- sites for crystalline silicon photovoltaic modules [J]. Int J Adhesion Adhesives， 2020， 100：102595.

［2］DEL CUETO J A， TRUDELL D， SEKULIC W.Capabilities of the high voltage stress test system at the outdoor test facility[C].2005 DOE Solar Energy Technologies Program Review Meeting，2005.

［3］HACKE P， TERWILLIGER K， GLICK S， et al. Requirements for a standard test to rate the durability of PV modules at system voltage[C].2011 Photovoltaic Module Reliability Workshop，2011.

［4］SWANSON R， CUDZINOVIC M， DECEUSTER D， et al. The surface polarization effect in high-efficiency silicon solar cells[C].15th International Photovoltaic Science& Engineering Conference （PVSEC），2005.

［5］CAROLUS J，BREUGELMANS R，TSANAKAS J A， et al. Why and  how to adapt PID testing for bifacial PV modules [J]. Prog Photovolt Res Appl，2020，28（10）：1045-1053.

［6］李达，肖文，郑海兴，等.封装胶膜的体积电阻率对光伏组件抗PID性能的影响研究[J].太阳能，2022（11）：59-65.

［7］GB/T 29848—2018，光伏组件封装用乙烯——醋酸乙烯酯共聚物 （EVA）胶膜[S].

［8］IEC TS 62804-1-1—2020， Photovoltaic（PV） module Test methods for the detection of potential-induced degradation part 1-1： crystalline silicon delamination [S].

［9］XUE H Y，XU Z Q，ZHANG M Q，et al. Ethylene vinyl acetate films filled with ytterbium containing rare earth  particles （Y2SiO5：Ce 3+， Yb3+）which have optical down-conversion capabilites and useful for encapsulating solar cells [J]. J Plast Film Sheeting，2015，31（3）：    233 -247.

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［12］韩菲，魏瑞平，张亮，等.光伏组件EVA封装胶膜的抗PID改性研究进展[J] .化工时刊，2022，36（5）：36-40.

Effect of EVA Film Modification on Anti-PID Performance

ZHOU Xuemei， CHEN Jian

（Zhejiang Lichang Technology Co.， Ltd.， Wenzhou Zhejiang 325016， China）

Abstract：  The anti-PID performance of PV module affects the generation efficiency and service life of the module， which is widely concerned by the PV industry. Eva film is one of the main packaging materials of PV module， it has excellent cost-performance ratio， but with the technical innovation of PV industry， the demand of anti-PID packaging materials is higher and higher. The performance of EVA film modified by two different formulations was compared with that of ordinary EVA film， it was found that modified EVA film B with high resistive agent and modified EVA film C with ion catcher had good anti-PID performance， and the anti-PID stability of film C was better.

Key words： PV module; EVA film; modification; Ion trap agent; High resistance agent; Anti-PID performance