光伏电池是解决能源短缺和环境污染问题的有效途径之一。光伏组件是按照光伏玻璃－封装胶膜－电池片－封装胶膜－背板的“三明治”结构依次封装。
封装胶膜是光伏组件的核心材料之一，直接影响光伏组件的质量和使用寿命。目前，商业化封装胶膜主要分为：聚烯烃弹性体(POE)胶膜、乙烯－醋酸乙烯酯共聚物(EVA)胶膜和EPE(EVA+POE+EVA共挤）胶膜等。 其中，EVA胶膜成本低廉、透光性优异、黏接强度高及耐温性能好，市占率最高。 EVA一般由醋酸乙烯(VA)和乙烯(E)共聚而成，其性能与VA含量密切相关。 根据VA含量的差异，将EVA材料分为3种：EVA树脂(VA质量分数5%~40%)、EVA弹性体(VA质量分数40%~70%)和EVA乳液(VA质量分数70%~95%)。 在光伏组件领域，通常选用VA质量分数28%~33%的EVA树脂。 目前，满足指标要求的EVA树脂牌号包括Elvax150（美国胜邦公司，VA质量分数32%)、MA-10（新加坡TPC公司，VA质量分数33%)以及150（日本三井化学公司，VA质量分数33%)。国内多家企业均有生产光伏级EVA树脂的能力。 EVA树脂抗蠕变性和热稳定性均较差，不适合直接用作光伏组件的封装材料。在工业应用时，需要在EVA胶膜中额外添加交联剂，使得EVA的分子链形成三维体型结构，改善EVA胶膜的结构稳定性。 同时，EVA胶膜在耐老化性能、抗电势诱导衰减性能和太阳能利用率等方向的高性能化引发了广泛关注。 下面介绍了光伏组件用EVA胶膜在化学稳定性能、抗电势诱导衰减性能、太阳能利用率、黏接性能等方面改性的研究进展。 化学稳定性能是EVA胶膜在光伏组件能否长期稳定使用的关键因素之一。 在使用期间，光伏组件直接暴露在自然环境中，EVA胶膜容易出现热氧老化、变色、脱层等老化问题。
1)变色，由NorrishⅡ型降解形成的烯酮结构引起EVA胶膜发生黄变、褐变；
2)分层，EVA胶膜变色后透光率降低，造成光学解耦和光电转化功率衰减，同时因黏接强度下降而分层。
3)腐蚀，EVA胶膜在光热作用下会产生乙酸，乙酸进一步自动催化加速EVA胶膜老化，同时腐蚀光伏组件中的其他金属元器件，导致光伏组件失效。EVA胶膜的热氧化速率随VA含量增加而加快。 有研究发现：VA含量对EVA胶膜的紫外光氧化速率影响较小，但会加速其热氧化速率。另一研究团队则考察了采用不同交联工艺对EVA胶膜耐老化性能的影响规律。 结果表明：EVA胶膜固化速度越快，热稳定性能越优异。 此外，有研究尝试制备了以EVA胶膜为中间芯层的多层共挤封装胶膜，发现其耐老化性能显著优于单层胶膜。 在EVA胶膜中加入光稳定剂、交联剂、抗氧剂等均可显著提高其耐老化性能。
1)与EVA材料具有良好的相容性；
2)不参与交联反应；
由于紫外光（波长为290~400nm)的能量高于EVA链段的断裂能，EVA材料的降解反应剧烈。 因此，除选择复配受阻胺类光稳定剂外，可使用苯并三唑类和苯酮类紫外光吸收剂。 为加强光稳定效果，也可添加淬灭剂或自由基捕获剂来阻截未被吸收的紫外光。 有研究考察了不同抗氧剂以及其复配组合物对EVA胶膜热氧化行为的影响规律。结果表明：受阻酚类抗氧剂能够捕获自由基，单独使用即可提高EVA胶膜的耐热氧老化性能。亚磷酸酯类抗氧剂可以分解氢过氧化物，阻止链式反应，具有协同增效作用。 但另一研究团队认为在长期使用过程中，由于EVA胶膜中存在尚未完全分解的交联剂，会与添加的助剂发生化学反应，从而导致胶膜产生气泡或黄变现象。 除助剂配方设计外，对EVA胶膜进行填充改性，如聚合物、无机填料等，同样是改善EVA胶膜耐老化性能的有效手段。 在采用萜烯树脂对EVA胶膜进行改性后获得的结果表明：萜烯树脂能够提高EVA胶膜的交联程度，改善其黏接强度和耐老化性能。 研究发现：当亚磷酸三酯和季戊四醇酯的质量比为1∶3时，改性EVA胶膜具有最佳的耐热氧老化性能。 研究表明：氧化铝(Al2O3)会与EVA胶膜降解产生的乙酸发生化学反应，降低其自催化作用，提高了其耐热氧老化性能；氢氧化铝和稀土材料(Y2SiO5)共同使用可以有效增强EVA胶膜的耐热氧老化性能。 光伏组件的抗电势诱导衰减(PID)效应会造成光伏组件功率衰减，严重时会导致组件失效。引起PID效应的原因较复杂，部分研究者认为：在湿热、紫外光和氧等因素的作用下，EVA胶膜会水解产生乙酸。 所生成的乙酸与玻璃中的钠盐发生化学反应，导致Na+发生迁移进而引发PID衰减。 因此，提高EVA胶膜抗PID效应的改性方向主要包括：
1)抑制EVA胶膜的老化；
EVA胶膜中导电离子来源包括EVA胶膜制备过程中加入的催化剂、单体、助剂和环境中引入的水分等。 离子迁移率受自由体积影响。 适当减少助剂的加入量，特别是容易降解的助剂，可有效提高胶膜的体积电阻率。 同时，聚乙烯醇类树脂的结构与EVA树脂的水解产物结构相似，能抑制其水解反应；吸酸剂可以吸收EVA降解产生的醋酸根离子；活化后的离子交换树脂可以固定游离Na+;金属离子捕捉剂可以通过离子交换捕捉Na+。 目前，产业化光伏电池的转换效率仅18.0%~29.0%,理论值为26.8%~30.0%。对于紫外光（波长在300~400nm),光伏电池可以吸收但不能充分利用。 转光型EVA胶膜可吸收紫外光并将其转换为可见光加以利用，有效提升组件的太阳能利用率。 在对比3种稀土有机荧光剂后， 结果表明：以Eu(DBM)3phen为转光剂时，EVA胶膜太阳能利用率提高了10.0%。 商业化转光剂包括有机染料类荧光粉、无机金属氧化物荧光粉以及稀土配合物。 无机金属氧化物荧光粉与EVA胶膜的相容性较差，容易发生团聚而破坏EVA胶膜的透明性，对紫外线的吸收能力有限；稀土配位化合物价格昂贵，同时需进行包覆改性以提高其与EVA胶膜的相容性。 有机染料类荧光粉的紫外线吸收能力强，且与EVA胶膜的相容性较好，但易发生黄变现象。 以上几种因素在一定程度上限制了转光型EVA胶膜的大规模应用。 光伏组件电池较薄，集中在中间层的热量主要由上下组件散失。因此，增强EVA胶膜的导热性意义重大。
研究发现：晶须状EVA/氧化锌(ZnO)复合胶膜的导热性能优于粉状EVA/ZnO复合胶膜，且随着ZnO添加量的增加，复合胶膜的导热系数逐渐增大。 当Al2O3质量分数为80%时，EVA胶膜的热导率比未添加Al2O3时提高了近1.2倍，且热稳定性能优异。 EVA材料属于弱极性聚合物，与光伏玻璃间的黏接强度低，在长期使用过程中容易出现脱胶问题。在一定范围内，VA含量越高，EVA胶膜的剥离强度越大。 研究发现：随着VA含量的增大，EVA胶膜中的活性基团数量逐渐增多，其黏接性能和常温剥离强度均逐渐改善。 交联度是EVA胶膜的重要技术指标，直接影响其内聚强度和剥离强度。EVA胶膜的交联度为70%~80%。 通常使用硅烷偶联剂KH570增强EVA胶膜与光伏玻璃之间的黏接强度，但经过老化处理后会明显下降。 比较硅烷偶联剂KH570与带氨基基团的偶联剂(KH550,KH792,Z-6032)对EVA胶膜黏接强度的影响。结果表明：添加带氨基基团偶联剂的EVA胶膜黏接强度均低于35N/cm,老化处理后甚至不足25N/cm,达不到基本使用要求。 将KH570与KH550复配使用时，EVA胶膜的黏接强度高达73N/cm,老化处理后仍达到52N/cm。 此外，增黏树脂（如萜烯及萜烯－酚醛树脂、松香及改性松香树脂、改性石油树脂等）与EVA树脂具有良好的相容性。 加入增黏树脂可以有效提高EVA胶料的流动性和润湿性，进而提升其胶料的黏接强度。 在使用期间，光伏组件电池温度可能高达60℃,而EVA树脂的软化点仅40℃左右，EVA胶膜容易发生高温蠕变现象，导致电池片和玻璃发生滑移，严重影响光伏组件的使用安全性。 通常需要对EVA进行交联处理，形成三维网络结构，提高EVA胶膜的耐热性和尺寸稳定性，以解决EVA胶膜高温蠕变的问题。 传统的光伏组件以白色为主，在分布式电站等场所，白色容易造成光反射而产生光污染。 因此，部分城市规定：光伏组件必须采用深色面板，如深蓝色、深灰色或者黑色等。 深色光伏组件的光电转换功率一般比常规白色光伏组件低2%~6%。 目前，光伏组件应用环境日益多样化，且市场对其使用寿命和成本提出更高的要求。 同时，光伏市场不断细分，且不同地域的温度和湿度等条件差异较大，这对EVA胶膜的性能提出了更高的要求。 因此，定制化开发性能优异的EVA胶膜将成为未来发展趋势。
文章来源：《光伏组件用EVA胶膜改性研究进展》，林华杰 ，中石化宁波新材料研究院有限公司、高性能膜材料编辑整理
