光伏组件封装材料综述

光伏组件封装材料综述 摘要 光伏市场在过去五到七年间的快速增长带动了封装材料市场的强劲爆发 并导致供应 链的暂时性短缺 与此同时 组件价格也出现显著下降 给生产成本和光伏组件原料成本 带来巨大压力 促使封装材料市场朝着新型材料和创新供应商转变 由于封装材料对组件 效率 稳定性和可靠性方面有着显著的影响 加之上述市场压力的推动 对封装技术和材 料的选择便成为了组件设计过程中的一个关键步骤 本文对目前市场上的不同材料 光伏 组件封装材料的整体需求以及这些材料与其它组件部件间的相互作用进行了综合介绍 前言 光伏组件结构 晶体硅 c Si 光伏组件通常由太阳能玻璃前盖 聚合物封装层 前后表面印刷有金属 电极的单晶或多晶硅电池 连接单个电池的焊带以及聚合物 少数采用玻璃 背板组成 而 薄膜光伏组件既可以通过在组件背面沉积半导体层的底衬工艺 substrateprocess 制造 也可以使用在组件前表面沉积半导体层的顶衬工艺 superstrateprocess 制造而成 如图一 中 b 和 c 所示 为了确保组件的力学稳定性和对整个太阳能电池吸收光谱范围内的高透光率 并保护 电池和金属电极不受外界环境侵蚀 必须在电池前表面使用太阳能玻璃 对于柔性太阳能 电池技术 则选择聚合物作为前板 这层结构对材料阻挡特性要求非常高 背面材料同样 要确保力学稳定性 电气安全性 使电池和组件其它部件不受外界影响 生产工艺 一套标准的组件生产工艺由以下几个步骤组成 玻璃清洗和干燥 电池片串焊 组件 层压 包括十字接头的焊接 固化 边缘密封和装框 安装接线盒 最后是功率测试 有三种工艺可以将电池矩阵固定在这些材料中 其中最常用的是真空层压工艺 该工 艺最初用于加工乙烯 醋酸乙烯酯 EVA 封装材料 之后还用于加工热塑性薄膜 对于薄膜 电池工艺还有另一个选择 即装配了热压器的卷对卷层压机 该设备常见于玻璃行业 使 用铸塑树脂可以避免使用层压工艺 例如硅胶 在 c Si 组件工艺中 液态封装材料需要分 两次添加 第一次添加于玻璃表面 随后再添加于电池矩阵 在一系列组件生产步骤中 固化工艺的耗时最长 而组件生产商追求的主要目标是通 过研制能在相同时间内加工更多组件的层压机来降低工艺耗时 除此之外还有另一种可行 的方法 即对封装材料本身进行调整 例如添加经过优化的过氧化物交联剂以加快交联速 度 或者使用热塑性封装材料 对于所有固化工艺来说 最主要的挑战是如何获得均匀和足够的固化或交联水平以 确保粘合强度和稳定的层压效果 对于所有固化工艺来说 最主要的挑战是如何获得均匀和足够的固化或交联水平以确 保粘合强度和稳定的层压效果 要达到这一目的 组件封装操作必须提供良好的导热和均 匀的压力 高度精确的温度控制以及保证工艺参数的长期稳定 与组件效率相关的损失机制以及与其它部件的互相影响 电池 组件 CTM 效率比可以定义为互连电池片封装成组件后的效率与封装前电池平均 效率之间的关系 CTM 值大小受电池种类的影响非常大 例如 对于同一种封装材料 拥 有均匀减反射膜和高蓝光光谱响应的高效太阳电池的 CTM 损失通常比低效电池高 从电池到组件 中间有几种因素影响着发电效率 但多数影响都是负面的 其中 由 组件内部非活性区域引起的损失只影响组件效率而不会降低实际功率输出 能影响功率输 出的因素可以分为光学和电学因素 其中电学损失主要是由电池间的串联电阻引起的 电池封装后会出现某些交互光学效应 如图二所示 首先 任何两种折射率不同的材 料界面都会引起光反射 其次 位于电池前表面的所有材料层都会吸收部分入射光线 其 中 来自电池表面的反射光 包括细栅 主栅和焊带反射光 可以被部分反射或全部反射 回电池表面 通过使用高反射率背板 可以将入射到电池间隙的光线散射回来 如果散射 光线到达组件的第一层界面 通常是玻璃 空气 会被部分或全部反射组件内部 反射效 果决定于入射角 部分被反射回来的光线将射入到电池活性层 并提高电池电流和输出功 率 对于封装材料 最关键的是避免吸收有用光谱区间的光线 其中 c Si 电池的光谱区间 为350 1200nm 能削弱到达电池表面光线强度的损失机制有几种 它们分别为 如图二所示 反射损失 发生于空气 组件前表面和前表面 封装材料界面 吸收损失 发生在玻璃内部和封装材料内部 电池吸收 电池表面反射以及在玻璃 空气界面处的部分或全部再反射 背板材料的吸收 背板材料的反射 以及在玻璃 空气表面处的部分或全部再反射 封装材料的折射率影响着玻璃 封装层界面以及硅 减反射膜 ARC 封装层界面的反射 损失 对于有陷光结构和 ARC 层的电池 光耦合引起的光增益会更少 封装材料特性 对封装材料的要求 为了优化组件效率 对光伏组件封装的要求可以分为五个方面 发电量 电气安全 可靠性 组件工艺和成本 封装材料的光吸收率应该尽量低并提供合适的折射率以减少界面反射 高导热性能以降低工作温度并提高发电量 根据 IEC61215的标准类型批准测试 为了保证电气安全 漏电流必须足够低 为了确保光伏组件可靠性 封装材料在 UV 辐射 高湿 温度循环 超低或超高环境 温度 机械负载以及对地电势差等特性上都至关重要 此外 封装材料必须与其它组件部 件保持足够的粘附性 以保护电池和金属线不受外界环境影响 同时 组件生产商对材料成本 工艺成本和生产时间 保存期限和质保方面也非常 重视评估封装材料的参数和方法根据上述要求 在选择光伏封装材料时必须考虑以下几个 重要因素 见表一 除了基本材料特性 例如玻璃转变或熔融温度这种可以通过特性表征 技术 差式扫描量热法 DSC 或动态机械分析法 测量的参数外 机械特性也同样至关重要 因为需要足够的缓冲效果以抵消机械冲撞和机械与热机械负载 一个被普遍忽略的事实是 材料温度严重影响着封装材料内部的水蒸气传送速率和 氧分子传送速率 影响光伏组件耐用性的重要因素包括背板和封装材料的气体 例如氧气和水蒸气 扩散 特性 2 这两种气体都能从聚合物背板表面进入封装聚合物层并穿透光伏组件 到达电池 和前表面玻璃之间的区域 从而加速衰退反应 一个被普遍忽略的事实是 材料温度严重 影响着封装材料内部的水蒸气传送速率 WVTR 和氧分子传送速率 OTR 如图三所示 由于 温度升高能大大加速渗透过程 尤其是高温下的高传送速率 组件内外将出现大量的粒子 传输 另一种用于材料表征和评估的有趣工具是拉曼光谱仪 该设备被认为是一种用于分析 小型测试层压样品或全面积光伏组件封装衰退效应的快速且非破坏性方法 封装材料 市场调查 在60至70年代 聚二甲基硅氧烷 PDMS 主要用于第一代光伏组件的封装 之后被其它 材料所代替 例如 EVA 并一直持续几十年 所有聚合物都是热塑性材料或人造橡胶 然 而 后者必须在层压过程中发生交联反应 因此增加了生产周期和成本 受到降低光伏组 件成本的压力驱使 新的封装材料纷纷被投入市场 但因为光伏制造商们必须保证其产品 能够长期稳定使用 所以着重考虑影响可靠性的缺陷是必不可少的 受到降低光伏组件成本的压力驱使 新的封装材料纷纷被投入市场 光伏市场在近几年的增长带动了许多新兴 EVA 材料供应商的涌现 同时 非 EVA 材料 供应商的数量在过去几年也出现了增长 9家公司带着23种非 EVA 产品进入了该市场 5 然而 虽然在用的不同聚合物数量非常多 但相比于光伏市场的总年度产量 该市场仍然 是聚合物供应商有利可图的市场 因此化合物产品通常都是由小型公司生产的 图四显示 了不同材料品种的产品数量 材料特性和稳定性 封装材料可以分成1 非交联热塑性材料或热塑性橡胶 TPE 材料 以及2 橡胶材料 后 者在聚合链之间形成共价键 而使用最广泛的封装材料 EVA 双组分硅胶以及氨基甲酸乙 酯 TPU 材料则需要经过交联反应 该反应可以在高温或 UV 辐射或化学反应 双组分系统 条件下完成 热塑性或 TPE 材料聚乙烯醇缩丁醛 TPSE 和离子交联聚合物以及改性聚烯烃 PO 在组件生产过程中熔化并且不会在聚合物分子链 交联 之间形成化学键 EVA EVA 共聚物是全球使用最广泛的光伏组件封装材料 并已经在光伏行业使用超过20年 长期以来 光伏 EVA 的耐用性这一受添加剂成分高度影响的特性 特别是在褪色 黄变 问 题上 6 7 已经得到了巨大改进 这种在第一代光伏电站中便广泛出现的黄变现象主要是 由添加剂的光热衰退效应造成的 例如 UV 光线稳定剂 UV 吸收剂和抗氧化剂 8 9 除了 抗氧化剂分解之外 EVA 主要的衰退反应是脱乙酰 水解和光热分解 6 这些反应会生成 腐蚀性降解副产品 特别是醋酸 从而可能加速金属材料的腐蚀 最初 通过在高温或 UV 辐射的条件下使用交联添加剂可以将热塑性材料 EVA 转变成橡 胶 交联反应不单对于组件生产时间是一个挑战 在材料存储 交联剂的挥发 和质量管理 索式萃取法计算交联度 也同样存在问题 聚乙烯醇缩丁醛 PVB PVB 是一种热塑性聚合物 在80年代初期就作为光伏组件封装材料使用 它是加工程 度仅次于 EVA 的封装材料 且材料成本与 EVA 相近 与其他封装材料相比 由于吸水率非常高导致 PVB 对水解反应非常敏感 因此必须结 合低 WVTR 的背板使用 2 为了提高材料的力学加工性能并改变它们的相变温度 10 需 要在 PVB 层添加塑化剂 10 相对于 EVA 其主要优势在于更好的 UV 稳定性和更高的玻璃 粘合度 此外 PVB 的 UV 透明度与 EVA 相差无几 但层压工艺时间却比 EVA 少50 11 早期 PVB 工艺由于在高压和高温下进行 所以必须使用热压器 但新的 PVB 成分允许 使用标准层压工艺 PVB 在光伏行业的主要应用是光伏建筑一体化 BIPV 以及使用玻璃 玻璃结构的薄膜技术 硅胶 硅胶是一种无机 有机聚合物 主要由硅 碳 氢和氧等元素组成 虽然非常有潜力 成为光伏封装材料 但由于昂贵的价格和对要求使用特殊工艺设备 以及技术 目前硅胶 的使用范围还非常小 硅胶最常用于质量要求非常高的特殊场合 例如外太空应用 得益于它们的化学特性 硅胶能有效阻挡氧气 臭氧和 UV 射线的渗入 硅胶的其它优 点还包括温度稳定范围 100 至250 相当宽以及对 UV 可见光光谱保持高透明度 此外 其较低的杨氏模量和玻璃转变温度 见表二 还表明硅胶能有效缓冲机械应力 硅胶的折射 率处于1 38至1 58之间 具体大小受硅含量影响 由于吸水率较低 小于0 05 硅胶封装 不容易受雾气影响 使其非常适合于光学和光电器件 12 热塑性硅橡胶 TPSE TPSE 是一种较新的封装材料 该材料集成了优良的硅胶性能以及热塑加工性 但由于 价格相对较高 该材料目前只用于特殊场合 TPSE 封装材料固化速度非常快且无需添加剂 就可进行物理交联 加之其在不使用塑化剂的情况下仍然有优异的机械特性 使得它们非 常有希望用于连续的层压工艺 13 由于交联反应是通过氢键完成的 采用 TPSE 的光伏组件将比 EVA 光伏组件更易回收 TPSE 显示了良好的抗 UV 特性和可见光透明度 温度使用范围也非常宽 80 至100 此外 TPSE 封装材料还有非常好电阻特性 见表二 以及相当高的疏水性 热塑性聚烯烃橡胶 TPO TPO 是一种由热塑性聚烯烃 例如聚乙烯和聚丙烯 和烯烃橡胶 例如乙烯 丙烯橡胶和 乙烯 辛烯橡胶 组成的聚合物共混物 TPO 因其低廉的价格而非常有希望用在光伏封装材 料上 而在过去则经常用于汽车和建筑行业中 14 该材料的电阻特性非常好 不溶于醋 酸且不易水解 不过 TPO 的水通透性远高于 EVA 材料 TPO 因其低廉的价格而非常有希望用于光伏封装材料上 离子聚合物 Ionomer 离子聚合物 特别是乙烯离子聚合物 属于热塑性封装材料 并由乙烯和非饱和羧酸 共单体反应生成 例如乙烯 甲基丙稀酸共聚物 EMAA 在光伏行业 离子聚合物属于级别 不同而价格更昂贵的封装材料 过去十五年在建筑上的应用已经证明了离子聚合物的良好 UV 稳定性 15 此外 离子聚合物还应用在电线和电缆上 15 聚合物内离子成分间的物理交联反应是在合成期间自动完成的 不需要任何额外交联 步骤 这与 EVA 工艺有所不同 此外 在环境测试时没有发现醋酸的形成 而保存期限也 相对延长 高达三年 17 过去两年离子聚合物的研究重点已经转向薄膜太阳电池技术 原因是它能大幅度提高湿气敏感度并拥有比 EVA 更低的 WVTR 18 第一代无框 CIGS 组件 已经在最近通过结合离子聚合物实现 19 离子聚合物增强与背板的粘合度还使得它们有 希望用于 c Si 技术上 20 此外 离子聚合物还拥有高体电阻和高强度力学稳定性 见表 二 不同封装所需的工艺温度和时间如表三所示 不同材料的参数变化范围相当广 且能 通过特定添加剂来改变性能 当两种硅胶结合时 其工艺时间和温度会因不同催化剂而改 变 导致结合时间达到5 50分钟 而工艺温度则在室温到120 之间变化 与光伏组件其它部件的相互作用 除了聚合物老化之外 光伏组件中无机材料的腐蚀也是光伏组件最严重的问题之一 电池衰减 例如减反射膜 或金属线 焊带粘合和背金属的腐蚀都会导致光伏组件性能大幅 度降低 21 22 因为 EVA 降解可能伴随着腐蚀副产品的产生 例如醋酸 所以可能加速金 属的腐蚀过程 23 24 此外 水的渗入加速了 EVA 从电池表面的脱落过程 25 从而导致金 属线分解 26 新型电池与组件设计以及它们对光伏组件要求的影响 高效晶体太阳能电池 19 0 通过提高蓝光 UV 光谱响应来增加功率输出 因此将 封装材料的 UV 透光极限值移动到350nm 以下将变得更加重要 而这一改变能带来超过1 的 相对效率提升 另一个要求与降低组件重量相关 做法通常是使用更薄的前表面玻璃或甚至将其替换 成刚性聚合物层 对于后者 为了确保与这些替代材料良好的粘合度 必须使用其它封装 材料 例如聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 如果刚性层应用在组件背部 可供选择的材料非常 多 例如玻璃纤维材料或甚至结构铝合金 前表面可以覆盖上高透明度的聚合物薄膜 例 如乙烯四氟乙烯 ETFE 当使用聚合物材料封装易碎太阳电池时 为了降低热膨胀错配 必须选择更适合的封装材料 此外 目前 R D 层面上较关注的新电池技术包括了铜金属化晶体硅太阳电池 因此需 要根据与铜的化学活性来调整封装材料 为封装选择合适的材料组合至关重要 结论与展望 由于封装材料对效率和可靠性影响非常大 所以选择合适材料在组件设计环节显得举 足轻重 至于耐用性和安全性 封装材料必须满足在各种环境和工作条件下长期使用的要 求 对于所使用的聚合物材料 微环境条件在这些衰退过程中非常重要 并受组件其它材 料特别是前表面和背部材料的强烈影响 因此 为封装选择合适的材料组合相当重要 除了上述的技术要求之外 来自组件市场的经济压力也在逐渐上升 所以降低生产成 本是无法回避的问题 一方面 需要提高 UV 光谱波段的透光率 另一方面还要缩短生产周 期以降低生产成本 但由于组件生产商承诺的长保质期限制了新材料和新生产工艺的引入 所以只能考虑小部分的材料种类 虽然 EVA 依靠其较高的性价比以及几十年的应用经验依 然占据市场主导 但其它封装材料的数量和种类仍然出现了显著增长