太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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)。太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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 组件工艺太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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。太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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)：太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/、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太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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。太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/“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。封装材料市场调查太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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。太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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。EVAEVA 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太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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)太阳库专注为您建光伏电站 http:/www.solarstock.cn/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