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      光伏封裝材料標準及其應用研究
        瀏覽次數:4574  發布時間:2023年07月06日 15:38:49
      [導讀] 光伏是清潔低碳、環保高效的綠色能源之一。光伏封裝材料對光伏組件的發電效率、功率穩定性、可靠性等方面 有著顯著的影響。光伏封裝材料的研究與應用離不開標準化的支撐。本文就光伏封裝材料標準的現狀及標準推廣應用問 題和發展趨勢進行了探討。
       鄒仁華1 周立軍2
      (1.浙江祥邦科技股份有限公司;2.中國計量大學)
      摘 要:光伏是清潔低碳、環保高效的綠色能源之一。光伏封裝材料對光伏組件的發電效率、功率穩定性、可靠性等方面 有著顯著的影響。光伏封裝材料的研究與應用離不開標準化的支撐。本文就光伏封裝材料標準的現狀及標準推廣應用問 題和發展趨勢進行了探討。 
      關鍵詞:光伏,封裝材料,膠膜,高分子,標準

      隨著世界能源結構的深度調整,全球步入脫碳周期,全球能源正在向高效、清潔、多元化的方向加速轉型,清潔能源的發展已成為影響全球經濟及生態環境的重要因素。光伏太陽能作為清潔低碳、環保高效的綠色能源之一,光伏太陽能向主力能源加速轉變。光伏封裝材料對提升和保證光伏組件的質量起到至關重要的作用,特別是對光伏組件發電效率、功率穩定性、可靠性等方面有著重要的影響。光伏封裝材料標準化的推進對研發設計、生產制造、質量管控、供應鏈管理各個環節起到支撐和引領作用,同時也促進整個行業的發展。 

      1光伏封裝材料及其應用 
      光伏封裝材料主要包括EVA(乙烯-醋酸乙烯 脂共聚物封裝膠膜)、POE(聚烯烴封裝膠膜)、PVB(聚乙烯醇縮丁醛封裝膠膜)封裝膠膜。光伏封裝膠膜置于光伏組件的玻璃與太陽能電池或背板與太陽能電池之間,用于封裝并保護太陽能電池,是光伏組件的關鍵材料之一。其主要作用包括:為光伏組件材料起到粘接作用及提供結構支撐;為 太陽能電池起到高透光作用及提供最大光耦合;為光伏組件起到物理隔絕作用及提供電氣絕緣和水汽阻隔;為光伏組件起到熱傳導作用及提供優異的耐候性等。

      由于光伏組件的結構、使用場景及太陽能電池技術路線的迥異(見圖1),對于光伏封裝材料的選擇及應用亦有所不同。
      圖一
      圖1 光伏組件典型的結構及其封裝材料應用 

      1.1 光伏封裝材料之封裝膠膜分類 
      光伏封裝膠膜作為光伏組件重要的封裝材料,隨著市場的需求和技術的迭代,衍生出不同特性和滿足各種使用需求的材料,由于光伏封裝膠膜尚沒有統一明確的分類方法,通過對市場上已量產的產品的不完全統計,按其顏色、結構、花紋、材質、工藝和交聯方式等劃分為6大類(見圖2),并分別對其特點進行介紹。

      EVA膠膜:以EVA樹脂為主要原料,通過添加交聯劑、硅烷偶聯劑、光穩定劑、抗氧劑、紫外吸收劑等多種助劑改性,經熔融加工成型的膠膜。具有優異的透光性及寬泛的工藝窗口,同時由于EVA樹脂和助劑均為極性材料,具有很好兼容性和吸收效果。 

      POE膠膜:以POE樹脂為主要原料,通過添加交聯劑、硅烷偶聯劑、光穩定劑、抗氧劑、紫外吸收劑等多種助劑改性,經熔融加工成型的膠膜。具有優異的水汽阻隔性和抗PID性能,但因POE為非極性樹脂,容易造成助劑析出。 

      PVB膠膜:以PVB樹脂為主要原料,通過添加增塑劑、硅烷偶聯劑、光穩定劑、抗氧劑、紫外吸收劑等多種助劑改性,經熔融加工成型的膠膜。具有優異的機械強度。 

      EPE膠膜:EVA和POE共擠熔融加工成型的膠膜。 

      透明膠膜:包括高透型和紫外截止型。高透型可透過全波段太陽光,最大化太陽能的轉化效率。紫外截止型具有吸收紫外線的能力,能有效改善因紫外線造成的材料老化。 

      白色膠膜:包括無紡布復合結構和預交聯白膜,主要通過鈦白粉著色。無紡布復合結構白膜具有良好緩沖作用、防溢膠效果,零深度反射提升功率增益。預交聯白膜通過調整初始的交聯度來控制溢膠翻白、起皺,良好的反射率。 

      單層結構膠膜:指純EVA、POE、PVB膠膜。 

      多層復合結構膠膜:指EVA、POE與無紡布復合而成的白膜和EPE共擠膠膜。 

      磨砂型膠膜:正反兩面為磨砂無規則型花紋的膠膜,防粘、防滑。 

      棱型膠膜:鋼輥面為規則的棱型花紋的膠膜,防粘、防滑,適用高克重膠膜。 

      流延膠膜:采用流延方式加工成型的膠膜,目前光伏封裝膠膜主要采用流延工藝加工成型。流延膜柔軟性較好,流動性較大,內應力小,收縮率低。 

      壓延膠膜:采用壓延方式加工成型的膠膜。壓延膜力學強度較大,硬度大,內應力大,平整性較好。 

      熱固型膠膜:在一定的溫度和時間下,通過化學交聯反應形成網狀結構,產生力學強度和粘結密封作用的膠膜。

      EVA為熱固型膠膜,POE有熱固型和熱塑型兩種。熱固型膠膜主要適用于常規晶硅光伏組件的封裝。 

      熱塑型膠膜:一種非化學交聯,無添加過氧化物的熱熔膠膜。具有可回收利用、重復加工的特點。PVB為熱塑性膠膜,主要適用于BIPV(光伏建筑一體化)光伏組件。熱塑型POE主要適用于薄膜光伏組件。 

      1.2 各類組件對光伏封裝膠膜的適用性需求
      圖二
      圖2 光伏封裝膠膜分類

      1.2.1 光伏組件分類 
      結合業內對光伏組件的通稱,分別按材料、版 形、電池、玻璃、尺寸將光伏組件分為5大類,以不 交叉統計共分為21小類(見圖3)。
      圖三
      圖3 光伏組件典型分類

      1.2.2 光伏組件對封裝材料的技術要求 
      光伏封裝膠膜作為光伏組件的核心材料之一, 對組件的封裝工藝及組件的性能有著極其重要的影響。同時,光伏組件的工作環境主要為室外,長期暴露在陽光、雨水、冰雪、沙塵等自然條件下,且光 伏組件的質保期通常要求25年以上。為此,結合市場上典型組件的特點及其材料搭配、工藝適配、性能要求、可靠性保證等方面的需求深入剖析光伏封裝膠膜的技術要求。 

      材料選型搭配,普通晶硅組件常用EVA膠膜作為主要封裝材料,單玻組件正面選用高透型EVA膠膜,背板面選用紫外截止型EVA膠膜。雙玻組件正背面均選用高透型POE膠膜。薄膜組件常用PVB膠膜、紫外截止型POE和熱塑型POE膠膜作為主要封裝材料。漁光互補場景用組件選用POE膠膜,BIPV 組件選用熱塑型膠膜作為封裝材料。 

      工藝適配性的要求,主要包括封裝膠膜的克重、厚度、寬幅、收縮率、表面花紋粗糙度、流動性等技術指標。隨著電池片越來越薄及焊帶厚度的變化對封裝膠膜克重和厚度的要求亦不同,高克重膠膜可有效改善電池片隱裂。膠膜寬幅隨著組件版形尺寸的變化而變化,受膠膜熱膨脹系數和收縮率的影響,通常膠膜尺寸相比組件玻璃小5mm。為了緩解POE膠膜助劑析出造成打滑的問題,POE膠膜的花紋設計相對更粗,粗花紋也可減緩膠膜表面界面的抗粘連性。熱固型封裝膠膜的流動性可通過硫化ML(最小扭矩)值來表征,高流動性的膠膜在組件層壓時容易被抽出造成邊緣缺膠、氣泡及電池片裂片。

      封裝膠膜性能的要求,包括光學性能、電氣性能、機械性能等。為了提高組件的光電轉換效率需確保封裝膠膜的透光率,同時有因為太陽光的紫外線照射會造成碳鍵、碳氫鍵裂解而產生黃變,需吸收紫外線。太陽光中相當一部分未轉換成電能的太陽能轉化成了熱能,加上電池電路內阻產生的熱量,光伏組件電池的溫度會升高,組件功率隨著太陽電池工作溫度的升高而降低,提高封裝膠膜的導熱性能將改善太陽電池的散熱效果,以減小光伏電池效率的損失。高體積電阻率和低水汽透過率對提升絕緣性減少電流泄漏和抗PID有明顯的效果。熱固性封裝膠膜通過化學交聯固化形成致密的網狀結構,使組件結構牢固密封。 

      可靠性要求,組件25年以上的質保對性能衰 減和材料老化方面都有嚴格的要求。PID效應造成 組件功率的衰減,水汽的進入又容易導致EVA膠 膜發生水解反應生成醋酸,與玻璃表面析出的堿 反應生產大量的自由移動的Na離子,在外加電場的 作用下向電池片表面移動并富集到減反層產生PID 效應[3] 。水汽和高溫也會造成膠膜體積電阻率的下 降和加速電池片焊帶的腐蝕,進一步導致PID衰減和組件老化。 

      2光伏封裝材料標準 
      2.1光伏封裝材料標準體系 
      以光伏產業鏈各環節生產過程和主要產品為對 象分為光伏材料、光伏電池、光伏組件、光伏部件、 光伏發電系統、光伏應用以及光伏設備等七個領域 共35個子項(見圖4)[1] 。封裝材料作為重要的光伏材料之一,主要涉及的標準包括產品標準和試驗方法標準。 

      國內外專門從事太陽能光伏領域標準制修訂工作的組織主要有SAC/TC 90(全國太陽光伏能源系統標準化技術委員會)、SAC/TC 203(全國半導體設備和材料標準化技術委員會)、IEC/TC 82(國際電工委員會太陽能光伏能源系統標準化技術委員會)以及團體組織CPIA(中國光伏行業協會)標準化技術委員會。據不完全統計已研制發布和在研的 光伏封裝材料相關標準共23項,其中有關產品標準 11項,試驗方法標準12項(見表1)。 

      表一
       
      2.2國際標準
      圖四
      圖4 光伏產業標準體系框架
      表1 光伏封裝材料標準分類統計表
      近年來,國際電工委員會太陽能光伏能源系統技術委員會(IEC/TC 82)積極推動光伏封裝材料的標準化建設,已發布IEC 62788系列標準7項。目前光伏封裝材料的可靠性測試主要還是引用 IEC 61215-2《地面用光伏組件設計鑒定和定型 第2部分:試驗程序》的要求。據不完全統計已發布、在研和被引用的光伏封裝材料國際標準共9項(見表2)。
      表二
      表2 光伏封裝材料國際標準明細

      2.3 國家及行業標準 
      我國光伏領域負責光伏封裝材料相關標準化 技術的組織主要有SAC/TC 90 (負責光伏材料和光伏設備領域相關標準)和SAC/TC 203(負責光伏電池、光伏組件及部件、光伏系統領域相關標準)。光伏領域封裝材料標準的主管部門主要包括工業和信息化部、住房和城鄉建設部、國家能源局等。光伏封裝材料三大主流材料只有EVA封裝膠膜已發布行業和國家標準,國家能源局發布了POE封裝膠膜行業標準,住房和城鄉建設部分別發布了EVA封裝膠膜和PVB封裝膠膜行業標準(見表3)。
      表三
      表3 光伏封裝材料國家及行業標準明細 

      2.4 地方標準 
      為滿足地方特殊技術要求,據不完全統計已發布光伏封裝材料地方標準共2項(見表4)。 

      表四
      表4 光伏封裝材料地方標準明細

      2.5 團體標準 
      市場自主制定的團體標準為光伏封裝材料國家標準的空缺提供了有效的補給。國內各團體組織(包括中國光伏行業協會、浙江省品牌建設聯合 會、江蘇省質量協會)也積極制定發布光伏封裝材料團體標準4項(見表5)。據調查,CPIA發布的《光伏組件封裝用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜》和《光伏組件封裝用共聚烯烴膠膜》得到了較廣泛的采用。

      表五
      表5 光伏封裝材料團體標準明細

      3光伏封裝材料標準解析 
      3.1 產品標準解析 
      根據光伏封裝材料在光伏組件的應用及其對光伏組件質量和可靠性方面的影響關系,在光伏封裝材料選型及應用時除了基本特性外應重點關注以下幾方面的性能:包括透光率、體積電阻率、交聯度、剝離強度、收縮率、水汽透過率和老化性能等。透光率指封裝膠膜(EVA/POE/PVB)在AM1.5 的光譜分布下的透過率。體積電阻率指施加在單位面積的封裝膠膜(EVA/POE)相對兩表面上的兩電極間電壓與流過兩個電極之間的穩態電流之商。交聯度指封裝膠膜(EVA/POE)加熱固化后線狀分子交聯成網狀分子的質量比率。剝離強度指封裝膠 膜(EVA/POE/PVB)與玻璃或背板間的粘接強度。收縮率指封裝膠膜(EVA/POE/PVB)高溫固化后的尺寸變化比率,通常包括縱向收縮率(MD)和橫向收縮率(TD)。水汽透過率指單位面積的封裝膠膜 (EVA/POE/PVB)在24 小時內透過的水蒸氣量。老化性能指封裝膠膜(EVA/POE/PVB)受到光、熱、氧、水、化學介質等環境因素的綜合作用, 而引起材料的化學結構和物理性能的變化,主要包含耐紫外 老化、耐濕熱老化等。

      光伏封裝材料屬于高分子改性材料,主要通過配方來實現預期的性能,根據其機理并結合大量的實驗分析總結出光伏封裝材料關鍵技術指標的影響因素(見表6)及其對在光伏組件應用中對工藝、性能和可靠性的相關性(見表7)。
      表六
      表6 光伏封裝材料關鍵技術指標的影響因素

      表七
      表7 光伏封裝材料與光伏組件工藝、性能及可靠性的相關性
       
      3.2 試驗方法解析 
      試驗方法標準是指在適合指定目的的精密度范圍內和給定環境下,全面描述試驗活動以及得出結論的方式的標準[2] 。光伏封裝材料試驗方法是對光伏封裝材料(EVA、POE、PVB膠膜)所要求的各種 質量特性進行檢查、測量、試驗、分析、計算、演示、仿真所用的各種方法,同時為判定光伏封裝材料是否符合規定的要求提供證據。本文重點就光伏封裝材料三款常用材料(EVA、POE、PVB膠膜)所涉及 的試驗方法標準進行解析。 

      深入分析光伏封裝材料各項技術指標試驗方法標準,同時通過收集國內外光伏封裝材料代 表性企業的產品技術規格書和COA(Certificate of Analysis)梳理出關鍵技術指標及采用的試驗方法(見表8)。 

      表八
      表8 光伏封裝材料技術指標及試驗方法對比

      4 分析及建議 
      4.1 光伏封裝材料標準現狀分析 
      通過對光伏封裝材料已發布的系列國際標準、國家標準、行業標準、地方標準、團體標準及部分 代表性企業的企業標準分析有以下幾點發現: 
      標準體系有待完善:關于產品標準方面,目前已發布的國家標準只有EVA膠膜,POE膠膜和PVB膠膜都還未發布國家標準。光伏封裝材料國際標準之產品標準IEC 62788-1-1封裝材料用聚合物的研制進程較慢,目前還處在CDV階段【IEC標準制定程序NP(新項目建議)→WG(成立工作組)→CD(委 員會草案)→CDV(CD提交表決草案)→DIS(國際 標準草案)→FDIS(最終DIS)→標準正式發布)】。 關于試驗方法標準方面,主要采用的塑料和橡膠領域的試驗方法,缺少針對性的光伏封裝材料試驗方法標準,有關光伏封裝材料試驗方法的國際標準比國內標準更豐富,研制進程更快。雖然IEC已發布 IEC 62788光伏組件用材料測試程序之封裝材料系列標準,由于發布時間的原因,在光伏封裝材料產品標準中還沒有被積極采用。光伏級的光伏封裝膠膜用樹脂原材料標準缺乏,目前發布的只有T/JSQA105—2021光伏膠膜用乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)樹脂團體標準。 

      標準更新迭代滯后:標準制修訂的速度滯后于光伏行業技術的發展,從目前我國已發布的光伏封裝材料相關標準可發現,產品標準技術指標主要是依據當時標準研制時光伏組件的技術要求來展開的,EVA膠膜PVB膠膜國標、行標的研制主要集中在2013年~2014年,2018年完成EVA膠膜國標的修訂,當時的光伏組件主要是普通的單玻組 件,2019年完成POE膠膜行標的研制,此時雙面雙玻組件已開始得到較大規模的推廣,但隨著疊瓦技術、異質結電池、210大硅片電池等技術的發展,以及抗PID和組件可靠性要求的提升,均對封裝膠膜 提出了新的要求。此外,大部分產品技術指標的試驗方法采用的是塑料制品的試驗方法,存在一定的局限性。 

      標準采用存在差異:由于光伏封裝膠膜國際標準還未正式發布(IEC 62788-1-1封裝材料用聚合物)以及國標的缺位,國內內資企業普遍采用是 EVA膠膜國標和CPIA發布的EVA膠膜、POE膠膜團 體標準,國外企業及國內外資企業普遍采用的是IEC標準和ASTM標準。 

      4.2 光伏封裝材料標準在實際應用中存在的問題 
      由于封裝材料標準體系的不完善和產品在使用中的實際需求,各企業在制定企業標準都不同程度的在所采用的標準基礎上做了修改,包括技術指標的增加、指標值的修正和試驗方法的選擇,以滿足應用 需求和質量保證要求。主要表現在以下幾個方面:

      產品標準技術指標涵蓋范圍不全:例如,熱膨脹系數、邵式硬度、粗糙度、摩擦系數、粘連性、硫化指標、導熱系數、預交聯白膜的預交聯度、共擠膠膜厚度等技術指標在現行發布的國標、行標和團體標準中都沒有規定。用于BIPV組件的POE、PVB封 裝膠膜對建筑材料關注的安全、防火、外觀等方面的要求沒有明確定義。 

      產品標準技術指標值及關聯性不合理:例如,GB/T 29848-2018《伏組件封裝用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜》標準中體積電阻率的標準值≥1.0*1015 Ω.cm,T/CPIA 0006-2017《光伏組件封裝用共聚烯烴膠膜》標準中體積電阻率的標準值 ≥5.0*1014 Ω.cm,已無法滿足抗PID的要求。厚度范圍與面密度偏差公差不匹配等。 

      試驗方法的差異對質量判定的影響:例如,體積電阻率的測試條件中對測試電壓和時間沒有統 一的規定,又由于不同材料的極化時間不同,為了能取得準確的測試結果,應分別定義測試條件。交聯度測試有二甲苯萃取法、熱焓法和熔融/結晶三種方法。剝離強度和收縮率的測試條件也同樣存在差異。這些差異都對最終的測試結果和質量判定帶來重大的影響。 

      4.3 光伏封裝材料標準及其應用發展建議 
      結合工業和信息化部制定的《太陽能光伏產業 綜合標準化技術體系》完善光伏封裝膠膜標準體系,建議各團體組織、標準化技術組織、企業及科研機構盡快推動制修訂光伏封裝膠膜國家標準,同時加快轉化IEC 62788系列國際標準。 

      組織光伏產業鏈上下游企業充分參與到標準的制修訂中,提高標準的適應性和技術指標的先進性,充分考慮到材料應用于不同的場景、不同的產業,產業鏈之間由原來的界限相對清晰和獨立向交織融合的方向發展,進而形成多維的、動態的、復雜的、網絡化生態結構[4] 。促使標準能同時滿足不同應用、不同產業的需求、具有更好的兼容性,以提升標準對光伏封裝材料發展的支撐和引領作用。
      推動標準的宣貫和實施評估,持續跟進實施效果、發現問題并不斷完善光伏封裝膠膜標準體系。 

      5 結 論 
      我國光伏行業從1958年研制出首塊單晶硅算起,經過60多年的發展,特別是從2004年起我國光伏行業進入快速發展的時期,逐步建立了光伏全產業鏈體系,也推動了光伏封裝材料的技術革新和促 進了標準的發展。自1987年成立SAC/TC 90(全國太陽光伏能源系統標準化技術委員會)以來,我國逐步完善了光伏行業標準化體系,其中發布和在研光伏封裝材料標準12項,IEC/TC 82(國際電工委員 會太陽能光伏能源系統標準化技術委員會)也研制發布了IEC 62788《光伏組件用材料測試程序封裝材料》系列標準。但光伏封裝材料主要材料EVA膠膜、POE膠膜、PVB膠膜的國際標準仍在研制中,除EVA膠膜外另兩款封裝膠膜還未發布國家標準。然而隨著光伏產業的快速發展,新技術的推廣應用,產品的更新換代,更高的產品質量要求,也逐步暴露了現行標準的適用性問題,需加快推動光伏封裝材料標準的制修訂工作,同時,通過對現行光伏封裝材料標準的研究和關鍵技術指標的解析,梳理了光伏封裝材料的關鍵技術要求及試驗方法,為 光伏封裝材料的技術發展、產品應用和質量評價提供了依據,也為推進光伏封裝材料標準化工作提供參考。 

      參考文獻 
      [1]工業和信息化部辦公廳.關于印發《太陽能光伏產業綜合標準化技術體系》的通知[EB/OL]. [ 2017-05-19].
      [2]標準編寫規則第4部分:試驗方法標準:GB/T 20001.4-2015[S].
      [3]劉燕武.太陽能電池封裝用抗PID型EVA膠膜的制備與性能表征[D].華東理工大學,2015年.
      [4]周立軍,鄭素麗.工業革命進程與標準化發展-回顧與展望[J].標準科學,2019(1):52.