光伏組件封裝材料綜述

1、光伏組件封裝材料綜述摘要并導致供應鏈光伏市場在過去五到七年間的快速增長帶動了封裝材料市場的強勁爆發(fā)，的暫時性短缺。與此同時，組件價格也出現(xiàn)顯著下降，給生產(chǎn)成本和 光伏組件原料成本帶來巨大壓力，促使封裝材料市場朝著新型材料和創(chuàng)新供應商轉(zhuǎn)變。由于封裝材料對組件效率、 穩(wěn)定性和可靠性方面有著顯著的影響，加之上述市場壓力的推動， 對圭寸裝技術和材料的選擇便成為了組件設計過程中的一個關鍵步驟。本文對目前市場上的不同材料、光伏組件封裝材 料的整體需求以及這些材料與其它組件部件間的相互作用進行了綜合介紹。、八刖言光伏組件結構晶體硅（c-Si）光伏組件通常由太陽能玻璃前蓋、聚合物封裝層、前后表面印刷有金屬電極

2、的單晶或多晶硅電池、連接單個電池的焊帶以及聚合物（少數(shù)采用玻璃）背板組成。而薄膜制造，也可以（如圖一中（b）光伏組件既可以通過在組件背面沉積半導體層的底襯工藝使用在組件前表面沉積半導體層的頂襯工藝(substrate pro cess)(sup erstrate process)制造而成和（C）所示）。為了確保組件的力學穩(wěn)定性和對整個太陽能電池吸收光譜范圍內(nèi)的高透光率， 對于柔性太陽能電池池和金屬電極不受外界環(huán)境侵蝕， 必須在電池前表面使用太陽能玻璃。 技術，則選擇聚合物作為前板， 這層結構對材料阻擋特性要求非常高。 力學穩(wěn)定性、電氣安全性，使電池和組件其它部件不受外界影響。并保護電背面材料同

3、樣要確保)«1 - - t "弓J鬥t Vt,2吟；F Sr：解摘耳*y* - f廠：h卡漫；嘗*橫丐吟生產(chǎn)工藝一套標準的組件生產(chǎn)工藝由以下幾個步驟組成：玻璃清洗和干燥；電池片串焊；組件層壓，包括十字接頭的焊接；固化；邊緣密封和裝框；安裝接線盒；最后是功率測試。有三種工藝可以將電池矩陣固定在這些材料中。其中最常用的是真空層壓工藝，該工藝最初用于加工乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）封裝材料，之后還用于加工熱塑性薄膜。對于薄膜電池 工藝還有另一個選擇，即裝配了熱壓器的卷對卷層壓機，該設備常見于玻璃行業(yè)。使用鑄塑樹脂可以避免使用層壓工藝，例如硅膠。在c-Si組件工藝中，液態(tài)封裝材料需要

4、分兩次添加：第一次添加于玻璃表面，隨后再添加于電池矩陣。在一系列組件生產(chǎn)步驟中， 固化工藝的耗時最長。 而組件生產(chǎn)商追求的主要目標是通過 研制能在相同時間內(nèi)加工更多組件的層壓機來降低工藝耗時。除此之外還有另一種可行的方法，即對封裝材料本身進行調(diào)整，例如添加經(jīng)過優(yōu)化的過氧化物交聯(lián)劑以加快交聯(lián)速度，或者使用熱塑性封裝材料。最主要的挑戰(zhàn)是如何獲得均勻和足夠的固化或交聯(lián)水平以確最主要的挑戰(zhàn)是如何獲得均勻和足夠的固化或交聯(lián)水平以確保 要達到這一目的，組件封裝操作必須提供良好的導熱和均勻的“對于所有固化工藝來說, 保粘合強度和穩(wěn)定的層壓效果”對于所有固化工藝來說，粘合強度和穩(wěn)定的層壓效果。壓力、高度精確的

5、溫度控制以及保證工藝參數(shù)的長期穩(wěn)定。與組件效率相關的損失機制以及與其它部件的互相影響電池-組件（CTM）效率比可以定義為互連電池片封裝成組件后的效率與封裝前電池平均 效率之間的關系。CTM值大小受電池種類的影響非常大。例如，對于同一種封裝材料，擁有 均勻減反射膜和高藍光光譜響應的高效太陽電池的CTM損失通常比低效電池高。從電池到組件，中間有幾種因素影響著發(fā)電效率，但多數(shù)影響都是負面的。其中，由組件內(nèi)部非活性區(qū)域引起的損失只影響組件效率而不會降低實際功率輸出。能影響功率輸出的因素可以分為光學和電學因素；其中電學損失主要是由電池間的串聯(lián)電阻引起的。電池封裝后會出現(xiàn)某些交互光學效應（如圖二所示）。首

6、先，任何兩種折射率不同的材料界面都會引起光反射。其次，位于電池前表面的所有材料層都會吸收部分入射光線。其中， 來自電池表面的反射光，包括細柵、主柵和焊帶反射光，可以被部分反射或全部反射回電池 表面。通過使用高反射率背板，可以將入射到電池間隙的光線散射回來。如果散射光線到達組件的第一層界面， 通常是玻璃一空氣， 會被部分或全部反射組件內(nèi)部，反射效果決定于入射角。部分被反射回來的光線將射入到電池活性層，并提高電池電流和輸出功率。對于封裝材料，最關鍵的是避免吸收有用光譜區(qū)間的光線（其中c-Si電池的光譜區(qū)間為350-1200nm）（如圖二所示）:能削弱到達電池表面光線強度的損失機制有幾種，它們分別為

7、/rlelt.11 如Air *?、反射損失，發(fā)生于空氣-組件前表面和前表面-封裝材料界面;?笑、吸收損失，發(fā)生在玻璃內(nèi)部和封裝材料內(nèi)部;?電池吸收;?電池表面反射以及在玻璃-空氣界面處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-空氣表面處的部分或全部再反射。封裝材料的折射率影響著玻璃-封裝層界面以及硅-減反射膜（ARC）-封裝層界面的反射損失。對于有陷光結構和ARC層的電池，光耦合引起的光增益會更少。封裝材料特性對封裝材料的要求為了優(yōu)化組件效率， 對光伏組件封裝的要求可以分為五個方面：發(fā)電量、電氣安全、可 靠性、組件工藝和成本。?封裝材料的光吸收率應該盡量低并提供合適

8、的折射率以減少界面反射?高導熱性能以降低工作溫度并提高發(fā)電量?根據(jù)IEC61215的標準類型批準測試，為了保證電氣安全，漏電流必須足夠低?為了確保光伏組件可靠性，封裝材料在UV輻射、高濕、溫度循環(huán)、超低或超高環(huán)境溫度、機械負載以及對地電勢差等特性上都至關重要。此外，封裝材料必須與其它組件部件保持足夠的粘附性，以保護電池和金屬線不受外界環(huán)境影響。?同時，組件生產(chǎn)商對材料成本、 工藝成本和生產(chǎn)時間、 保存期限和質(zhì)保方面也非常重 視評估封裝材料的參數(shù)和方法根據(jù)上述要求，在選擇光伏封裝材料時必須考慮以下幾個重要因素（見表一）。除了基本材料特性，例如玻璃轉(zhuǎn)變或熔融溫度這種可以通過特性表征技術（差式掃描量

9、熱法DSC或動態(tài)機械分析法）測量的參數(shù)外，機械特性也同樣至關重要，因為需要 足夠的緩沖效果以抵消機械沖撞和機械與熱機械負載。陽:一 rMAflf低；*-!蠱奇藍A蘭AS氏溝Hl*社玉DSC,沁井業(yè)1七*i電電暉，噹九J1R“一個被普遍忽略的事實是， 材料溫度嚴重影響著封裝材料內(nèi)部的水蒸氣傳送速率和氧 分子傳送速率”影響光伏組件耐用性的重要因素包括背板和封裝材料的氣體（例如氧氣和水蒸氣）擴散特性2;這兩種氣體都能從聚合物背板表面進入封裝聚合物層并穿透光伏組件，到達電池 和前表面玻璃之間的區(qū)域，從而加速衰退反應。 一個被普遍忽略的事實是，材料溫度嚴重影響著封裝材料內(nèi)部的水蒸氣傳送速率（WVTR和氧

10、分子傳送速率（OTR）。如圖三所示，由于溫度升高能大大加速滲透過程，尤其是高溫下的高傳送速率， 組件內(nèi)外將出現(xiàn)大量的粒子傳輸。另一種用于材料表征和評估的有趣工具是拉曼光譜儀，該設備被認為是一種用于分析小型測試層壓樣品或全面積光伏組件封裝衰退效應的快速且非破壞性方法。lldi-和locsrwrPVfl T«C r/*iLTFEIII ；12Tiu'Cy* TO 40 M </ "ft Ml 滋 IS 1£ M 3UT-|0W>rPVB TPSCEV*t qTPTlEXPifl;一封裝材料市場調(diào)查在60至70年代，聚二甲基硅氧烷（PDMS）主要用于

11、第一代光伏組件的封裝，之后被其它材料所代替，例如 EVA并一直持續(xù)幾十年。所有聚合物都是熱塑性材料或人造橡膠；然而， 后者必須在層壓過程中發(fā)生交聯(lián)反應，因此增加了生產(chǎn)周期和成本。受到降低光伏組件成本的壓力驅(qū)使，新的封裝材料紛紛被投入市場，但因為光伏制造商們必須保證其產(chǎn)品能夠長期 穩(wěn)定使用，所以著重考慮影響可靠性的缺陷是必不可少的?！笆艿浇档凸夥M件成本的壓力驅(qū)使，新的封裝材料紛紛被投入市場”光伏市場在近幾年的增長帶動了許多新興EVA材料供應商的涌現(xiàn)。同時，非EVA材料供應商的數(shù)量在過去幾年也出現(xiàn)了增長：9家公司帶著23種非EVA產(chǎn)品進入了該市場5。然而,該市場仍然是聚合物雖然在用的不同聚合物數(shù)

12、量非常多，但相比于光伏市場的總年度產(chǎn)量，圖四顯示了不同材料供應商有利可圖的市場。因此化合物產(chǎn)品通常都是由小型公司生產(chǎn)的。 品種的產(chǎn)品數(shù)量。it USJBJT：材料特性和穩(wěn)定性封裝材料可以分成1）非交聯(lián)熱塑性材料或熱塑性橡膠（TPE）材料，以及2）橡膠材料；后者在聚合鏈之間形成共價鍵。而使用最廣泛的封裝材料EVA雙組分硅膠以及氨基甲酸乙酯（TPU）材料則需要經(jīng)過交聯(lián)反應，該反應可以在高溫或 UV輻射或化學反應（雙組分系統(tǒng)）條件下完成。熱塑性或 TPE材料聚乙烯醇縮丁醛、TP SE和離子交聯(lián)聚合物以及改性聚烯烴（PO）在組件生產(chǎn)過程中熔化并且不會在聚合物分子鏈（交聯(lián)）之間形成化學鍵。EVAEVA共

13、聚物是全球使用最廣泛的光伏組件封裝材料，并已經(jīng)在光伏行業(yè)使用超過20年。長期以來，光伏EVA的耐用性這一受添加劑成分高度影響的特性，特別是在褪色（黃變）問題上6,7，已經(jīng)得到了巨大改進。這種在第一代光伏電站中便廣泛出現(xiàn)的黃變現(xiàn)象主要是由 添加劑的光熱衰退效應造成的，例如UV光線穩(wěn)定劑、UV吸收劑和抗氧化劑8,9。除了抗氧化劑分解之外，EVA主要的衰退反應是脫乙酰、水解和光熱分解6，這些反應會生成腐蝕性降解副產(chǎn)品，特別是醋酸，從而可能加速金屬材料的腐蝕。最初，通過在高溫或 UV輻射的條件下使用交聯(lián)添加劑可以將熱塑性材料 EVA轉(zhuǎn)變成橡 膠。交聯(lián)反應不單對于組件生產(chǎn)時間是一個挑戰(zhàn)， 在材料存儲（交

14、聯(lián)劑的揮發(fā)）和質(zhì)量管理（索 式萃取法計算交聯(lián)度）也同樣存在問題。聚乙烯醇縮丁醛（P VB）EVA相 近。PVB是一種熱塑性聚合物，在 80年代初期就作為光伏組件封裝材料使用。它是加工程度 僅次于EVA的封裝材料，且材料成本與與其他封裝材料相比，由于吸水率非常高導致PVB對水解反應非常敏感；因此必須結合低WVTR勺背板使用2。為了提高材料的力學加工性能并改變它們的相變溫度10，需要在PVB層添加塑化劑10。相對于EVA其主要優(yōu)勢在于更好的UV穩(wěn)定性和更咼的玻璃粘合度。此外，PVB的UV透明度與EVA相差無幾，但層壓工藝時間卻比EVA少50%11。早期PVB工藝由于在高壓和高溫下進行， 所以必須使

15、用熱壓器，但新的PVB成分允許使 用標準層壓工藝。PVB在光伏行業(yè)的主要應用是光伏建筑一體化 （BIPV）以及使用玻璃一玻璃 結構的薄膜技術。硅膠硅膠是一種無機一有機聚合物， 主要由硅、碳、氫和氧等元素組成。 雖然非常有潛力成 為光伏封裝材料，但由于昂貴的價格和對要求使用特殊工藝設備 （以及技術），目前硅膠的使 用范圍還非常小。硅膠最常用于質(zhì)量要求非常高的特殊場合，例如外太空應用。得益于它們的化學特性，硅膠能有效阻擋氧氣、臭氧和點還包括溫度穩(wěn)定范圍（-100C至250C）相當寬以及對 UV-可見光光譜保持高透明度。 其較低的楊氏模量和玻璃轉(zhuǎn)變溫度（見表二）還表明硅膠能有效緩沖機械應力。處于1.

16、38至1.58之間，具體大小受硅含量影響。由于吸水率較低容易受霧氣影響，使其非常適合于光學和光電器件UV射線的滲入。硅膠的其它優(yōu)此外,硅膠的折射率（小于0.05%），硅膠封裝不12。EW «RPffl M'Flfr* TPSETPO40434 -BOlOD 戲IMDO1.38£lha1481.49ri?i4eio«ii(r» imir 10* id*ir： 7»"!*<*«fl£：托Hit柑熱塑性硅橡膠（TPSE）TPSE是一種較新的封裝材料，該材料集成了優(yōu)良的硅膠性能以及熱塑加工性，但由于價格相對較

17、高，該材料目前只用于特殊場合。TPSE封裝材料固化速度非常快且無需添加劑就可進行物理交聯(lián)，加之其在不使用塑化劑的情況下仍然有優(yōu)異的機械特性，使得它們非常有希望用于連續(xù)的層壓工藝 13。由于交聯(lián)反應是通過氫鍵完成的，采用TPSE的光伏組件將比EVA光伏組件更易回收。TPSE顯示了良好的抗 UV特性和可見光透明度，溫度使用范圍也非常寬（-80C至100C）。此外，TPSE封裝材料還有非常好電阻特性 （見表二）以及相當高的疏水性。熱塑性聚烯烴橡膠（TPO）不溶于醋酸且TPO是一種由熱塑性聚烯烴 （例如聚乙烯和聚丙烯）和烯烴橡膠（例如乙烯-丙烯橡膠和 乙烯-辛烯橡膠）組成的聚合物共混物。TPO因其低廉

18、的價格而非常有希望用在光伏封裝材料 上，而在過去則經(jīng)常用于汽車和建筑行業(yè)中14。該材料的電阻特性非常好，TPO勺水通透性遠高于 EVA材料。不易水解，不過，說*田tVAUU t60&?0W30fWSl寺5巨忙” *15*斟丑妁*耳*W-T60&-20早夙忙I4fl10史懇良爐.靠打*廉a(chǎn).嘰怎aftB1機）T怖r 10TPGfJIStr140-tee1C-t4“TPO因其低廉的價格而非常有希望用于光伏封裝材料上”離子聚合物（Ionomer）離子聚合物，特別是乙烯離子聚合物， 屬于熱塑性封裝材料， 并由乙烯和非飽和羧酸共 單體反應生成（例如乙烯一甲基丙稀酸共聚物EMAA。在光伏行

19、業(yè)，離子聚合物屬于級別不同而價格更昂貴的封裝材料。過去十五年在建筑上的應用已經(jīng)證明了離子聚合物的良好UV15。穩(wěn)定性15。此外，離子聚合物還應用在電線和電纜上聚合物內(nèi)離子成分間的物理交聯(lián)反應是在合成期間自動完成的，不需要任何額外交聯(lián)步驟，這與EVA工藝有所不同。此外，在環(huán)境測試時沒有發(fā)現(xiàn)醋酸的形成，而保存期限也相對延長（高達三年）17。過去兩年離子聚合物的研究重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向薄膜太陽電池技術，原因是它能大幅度提高濕氣敏感度并擁有比EVA更低的WVTR18。第一代無框CIGS組件已經(jīng)在最近通過結合離子聚合物實現(xiàn)19。離子聚合物增強與背板的粘合度還使得它們有希望用于c-Si技術上20。此外，離子聚合物

20、還擁有高體電阻和高強度力學穩(wěn)定性（見表二）。不同封裝所需的工藝溫度和時間如表三所示。不同材料的參數(shù)變化范圍相當廣，且能通過特定添加劑來改變性能。當兩種硅膠結合時，其工藝時間和溫度會因不同催化劑而改變， 導致結合時間達到5-50分鐘，而工藝溫度則在室溫到120C之間變化。與光伏組件其它部件的相互作用除了聚合物老化之外，光伏組件中無機材料的腐蝕也是光伏組件最嚴重的問題之一。電池衰減（例如減反射膜）或金屬線、焊帶粘合和背金屬的腐蝕都會導致光伏組件性能大幅度降 低21,22。因為EVA降解可能伴隨著腐蝕副產(chǎn)品的產(chǎn)生，例如醋酸，所以可能加速金屬的 腐蝕過程23,24。此外，水的滲入加速了EVA從電池表面的脫落過程25從而導致金屬線分解26。新型電池與組件設計以及它們對光伏組件要求的影響高效晶體太陽能電池（卩19.0%）通過提高藍光/UV光譜響應來增加功率輸出。 因此將封 裝材料的UV透光極限值移動到