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光伏封装材料标准及其应用研究
  浏览次数:4712  发布时间:2023年07月06日 15:38:49
[导读] 光伏是清洁低碳、环保高效的绿色能源之一。光伏封装材料对光伏组件的发电效率、功率稳定性、可靠性等方面 有着显著的影响。光伏封装材料的研究与应用离不开标准化的支撑。本文就光伏封装材料标准的现状及标准推广应用问 题和发展趋势进行了探讨。
 邹仁华1 周立军2
(1.浙江祥邦科技股份有限公司;2.中国计量大学)
摘 要:光伏是清洁低碳、环保高效的绿色能源之一。光伏封装材料对光伏组件的发电效率、功率稳定性、可靠性等方面 有着显著的影响。光伏封装材料的研究与应用离不开标准化的支撑。本文就光伏封装材料标准的现状及标准推广应用问 题和发展趋势进行了探讨。 
关键词:光伏,封装材料,胶膜,高分子,标准

随着世界能源结构的深度调整,全球步入脱碳周期,全球能源正在向高效、清洁、多元化的方向加速转型,清洁能源的发展已成为影响全球经济及生态环境的重要因素。光伏太阳能作为清洁低碳、环保高效的绿色能源之一,光伏太阳能向主力能源加速转变。光伏封装材料对提升和保证光伏组件的质量起到至关重要的作用,特别是对光伏组件发电效率、功率稳定性、可靠性等方面有着重要的影响。光伏封装材料标准化的推进对研发设计、生产制造、质量管控、供应链管理各个环节起到支撑和引领作用,同时也促进整个行业的发展。 

1光伏封装材料及其应用 
光伏封装材料主要包括EVA(乙烯-醋酸乙烯 脂共聚物封装胶膜)、POE(聚烯烃封装胶膜)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛封装胶膜)封装胶膜。光伏封装胶膜置于光伏组件的玻璃与太阳能电池或背板与太阳能电池之间,用于封装并保护太阳能电池,是光伏组件的关键材料之一。其主要作用包括:为光伏组件材料起到粘接作用及提供结构支撑;为 太阳能电池起到高透光作用及提供最大光耦合;为光伏组件起到物理隔绝作用及提供电气绝缘和水汽阻隔;为光伏组件起到热传导作用及提供优异的耐候性等。

由于光伏组件的结构、使用场景及太阳能电池技术路线的迥异(见图1),对于光伏封装材料的选择及应用亦有所不同。
图一
图1 光伏组件典型的结构及其封装材料应用 

1.1 光伏封装材料之封装胶膜分类 
光伏封装胶膜作为光伏组件重要的封装材料,随着市场的需求和技术的迭代,衍生出不同特性和满足各种使用需求的材料,由于光伏封装胶膜尚没有统一明确的分类方法,通过对市场上已量产的产品的不完全统计,按其颜色、结构、花纹、材质、工艺和交联方式等划分为6大类(见图2),并分别对其特点进行介绍。

EVA胶膜:以EVA树脂为主要原料,通过添加交联剂、硅烷偶联剂、光稳定剂、抗氧剂、紫外吸收剂等多种助剂改性,经熔融加工成型的胶膜。具有优异的透光性及宽泛的工艺窗口,同时由于EVA树脂和助剂均为极性材料,具有很好兼容性和吸收效果。 

POE胶膜:以POE树脂为主要原料,通过添加交联剂、硅烷偶联剂、光稳定剂、抗氧剂、紫外吸收剂等多种助剂改性,经熔融加工成型的胶膜。具有优异的水汽阻隔性和抗PID性能,但因POE为非极性树脂,容易造成助剂析出。 

PVB胶膜:以PVB树脂为主要原料,通过添加增塑剂、硅烷偶联剂、光稳定剂、抗氧剂、紫外吸收剂等多种助剂改性,经熔融加工成型的胶膜。具有优异的机械强度。 

EPE胶膜:EVA和POE共挤熔融加工成型的胶膜。 

透明胶膜:包括高透型和紫外截止型。高透型可透过全波段太阳光,最大化太阳能的转化效率。紫外截止型具有吸收紫外线的能力,能有效改善因紫外线造成的材料老化。 

白色胶膜:包括无纺布复合结构和预交联白膜,主要通过钛白粉着色。无纺布复合结构白膜具有良好缓冲作用、防溢胶效果,零深度反射提升功率增益。预交联白膜通过调整初始的交联度来控制溢胶翻白、起皱,良好的反射率。 

单层结构胶膜:指纯EVA、POE、PVB胶膜。 

多层复合结构胶膜:指EVA、POE与无纺布复合而成的白膜和EPE共挤胶膜。 

磨砂型胶膜:正反两面为磨砂无规则型花纹的胶膜,防粘、防滑。 

棱型胶膜:钢辊面为规则的棱型花纹的胶膜,防粘、防滑,适用高克重胶膜。 

流延胶膜:采用流延方式加工成型的胶膜,目前光伏封装胶膜主要采用流延工艺加工成型。流延膜柔软性较好,流动性较大,内应力小,收缩率低。 

压延胶膜:采用压延方式加工成型的胶膜。压延膜力学强度较大,硬度大,内应力大,平整性较好。 

热固型胶膜:在一定的温度和时间下,通过化学交联反应形成网状结构,产生力学强度和粘结密封作用的胶膜。

EVA为热固型胶膜,POE有热固型和热塑型两种。热固型胶膜主要适用于常规晶硅光伏组件的封装。 

热塑型胶膜:一种非化学交联,无添加过氧化物的热熔胶膜。具有可回收利用、重复加工的特点。PVB为热塑性胶膜,主要适用于BIPV(光伏建筑一体化)光伏组件。热塑型POE主要适用于薄膜光伏组件。 

1.2 各类组件对光伏封装胶膜的适用性需求
图二
图2 光伏封装胶膜分类

1.2.1 光伏组件分类 
结合业内对光伏组件的通称,分别按材料、版 形、电池、玻璃、尺寸将光伏组件分为5大类,以不 交叉统计共分为21小类(见图3)。
图三
图3 光伏组件典型分类

1.2.2 光伏组件对封装材料的技术要求 
光伏封装胶膜作为光伏组件的核心材料之一, 对组件的封装工艺及组件的性能有着极其重要的影响。同时,光伏组件的工作环境主要为室外,长期暴露在阳光、雨水、冰雪、沙尘等自然条件下,且光 伏组件的质保期通常要求25年以上。为此,结合市场上典型组件的特点及其材料搭配、工艺适配、性能要求、可靠性保证等方面的需求深入剖析光伏封装胶膜的技术要求。 

材料选型搭配,普通晶硅组件常用EVA胶膜作为主要封装材料,单玻组件正面选用高透型EVA胶膜,背板面选用紫外截止型EVA胶膜。双玻组件正背面均选用高透型POE胶膜。薄膜组件常用PVB胶膜、紫外截止型POE和热塑型POE胶膜作为主要封装材料。渔光互补场景用组件选用POE胶膜,BIPV 组件选用热塑型胶膜作为封装材料。 

工艺适配性的要求,主要包括封装胶膜的克重、厚度、宽幅、收缩率、表面花纹粗糙度、流动性等技术指标。随着电池片越来越薄及焊带厚度的变化对封装胶膜克重和厚度的要求亦不同,高克重胶膜可有效改善电池片隐裂。胶膜宽幅随着组件版形尺寸的变化而变化,受胶膜热膨胀系数和收缩率的影响,通常胶膜尺寸相比组件玻璃小5mm。为了缓解POE胶膜助剂析出造成打滑的问题,POE胶膜的花纹设计相对更粗,粗花纹也可减缓胶膜表面界面的抗粘连性。热固型封装胶膜的流动性可通过硫化ML(最小扭矩)值来表征,高流动性的胶膜在组件层压时容易被抽出造成边缘缺胶、气泡及电池片裂片。

封装胶膜性能的要求,包括光学性能、电气性能、机械性能等。为了提高组件的光电转换效率需确保封装胶膜的透光率,同时有因为太阳光的紫外线照射会造成碳键、碳氢键裂解而产生黄变,需吸收紫外线。太阳光中相当一部分未转换成电能的太阳能转化成了热能,加上电池电路内阻产生的热量,光伏组件电池的温度会升高,组件功率随着太阳电池工作温度的升高而降低,提高封装胶膜的导热性能将改善太阳电池的散热效果,以减小光伏电池效率的损失。高体积电阻率和低水汽透过率对提升绝缘性减少电流泄漏和抗PID有明显的效果。热固性封装胶膜通过化学交联固化形成致密的网状结构,使组件结构牢固密封。 

可靠性要求,组件25年以上的质保对性能衰 减和材料老化方面都有严格的要求。PID效应造成 组件功率的衰减,水汽的进入又容易导致EVA胶 膜发生水解反应生成醋酸,与玻璃表面析出的碱 反应生产大量的自由移动的Na离子,在外加电场的 作用下向电池片表面移动并富集到减反层产生PID 效应[3] 。水汽和高温也会造成胶膜体积电阻率的下 降和加速电池片焊带的腐蚀,进一步导致PID衰减和组件老化。 

2光伏封装材料标准 
2.1光伏封装材料标准体系 
以光伏产业链各环节生产过程和主要产品为对 象分为光伏材料、光伏电池、光伏组件、光伏部件、 光伏发电系统、光伏应用以及光伏设备等七个领域 共35个子项(见图4)[1] 。封装材料作为重要的光伏材料之一,主要涉及的标准包括产品标准和试验方法标准。 

国内外专门从事太阳能光伏领域标准制修订工作的组织主要有SAC/TC 90(全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会)、SAC/TC 203(全国半导体设备和材料标准化技术委员会)、IEC/TC 82(国际电工委员会太阳能光伏能源系统标准化技术委员会)以及团体组织CPIA(中国光伏行业协会)标准化技术委员会。据不完全统计已研制发布和在研的 光伏封装材料相关标准共23项,其中有关产品标准 11项,试验方法标准12项(见表1)。 

表一
 
2.2国际标准
图四
图4 光伏产业标准体系框架
表1 光伏封装材料标准分类统计表
近年来,国际电工委员会太阳能光伏能源系统技术委员会(IEC/TC 82)积极推动光伏封装材料的标准化建设,已发布IEC 62788系列标准7项。目前光伏封装材料的可靠性测试主要还是引用 IEC 61215-2《地面用光伏组件设计鉴定和定型 第2部分:试验程序》的要求。据不完全统计已发布、在研和被引用的光伏封装材料国际标准共9项(见表2)。
表二
表2 光伏封装材料国际标准明细

2.3 国家及行业标准 
我国光伏领域负责光伏封装材料相关标准化 技术的组织主要有SAC/TC 90 (负责光伏材料和光伏设备领域相关标准)和SAC/TC 203(负责光伏电池、光伏组件及部件、光伏系统领域相关标准)。光伏领域封装材料标准的主管部门主要包括工业和信息化部、住房和城乡建设部、国家能源局等。光伏封装材料三大主流材料只有EVA封装胶膜已发布行业和国家标准,国家能源局发布了POE封装胶膜行业标准,住房和城乡建设部分别发布了EVA封装胶膜和PVB封装胶膜行业标准(见表3)。
表三
表3 光伏封装材料国家及行业标准明细 

2.4 地方标准 
为满足地方特殊技术要求,据不完全统计已发布光伏封装材料地方标准共2项(见表4)。 

表四
表4 光伏封装材料地方标准明细

2.5 团体标准 
市场自主制定的团体标准为光伏封装材料国家标准的空缺提供了有效的补给。国内各团体组织(包括中国光伏行业协会、浙江省品牌建设联合 会、江苏省质量协会)也积极制定发布光伏封装材料团体标准4项(见表5)。据调查,CPIA发布的《光伏组件封装用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)胶膜》和《光伏组件封装用共聚烯烃胶膜》得到了较广泛的采用。

表五
表5 光伏封装材料团体标准明细

3光伏封装材料标准解析 
3.1 产品标准解析 
根据光伏封装材料在光伏组件的应用及其对光伏组件质量和可靠性方面的影响关系,在光伏封装材料选型及应用时除了基本特性外应重点关注以下几方面的性能:包括透光率、体积电阻率、交联度、剥离强度、收缩率、水汽透过率和老化性能等。透光率指封装胶膜(EVA/POE/PVB)在AM1.5 的光谱分布下的透过率。体积电阻率指施加在单位面积的封装胶膜(EVA/POE)相对两表面上的两电极间电压与流过两个电极之间的稳态电流之商。交联度指封装胶膜(EVA/POE)加热固化后线状分子交联成网状分子的质量比率。剥离强度指封装胶 膜(EVA/POE/PVB)与玻璃或背板间的粘接强度。收缩率指封装胶膜(EVA/POE/PVB)高温固化后的尺寸变化比率,通常包括纵向收缩率(MD)和横向收缩率(TD)。水汽透过率指单位面积的封装胶膜 (EVA/POE/PVB)在24 小时内透过的水蒸气量。老化性能指封装胶膜(EVA/POE/PVB)受到光、热、氧、水、化学介质等环境因素的综合作用, 而引起材料的化学结构和物理性能的变化,主要包含耐紫外 老化、耐湿热老化等。

光伏封装材料属于高分子改性材料,主要通过配方来实现预期的性能,根据其机理并结合大量的实验分析总结出光伏封装材料关键技术指标的影响因素(见表6)及其对在光伏组件应用中对工艺、性能和可靠性的相关性(见表7)。
表六
表6 光伏封装材料关键技术指标的影响因素

表七
表7 光伏封装材料与光伏组件工艺、性能及可靠性的相关性
 
3.2 试验方法解析 
试验方法标准是指在适合指定目的的精密度范围内和给定环境下,全面描述试验活动以及得出结论的方式的标准[2] 。光伏封装材料试验方法是对光伏封装材料(EVA、POE、PVB胶膜)所要求的各种 质量特性进行检查、测量、试验、分析、计算、演示、仿真所用的各种方法,同时为判定光伏封装材料是否符合规定的要求提供证据。本文重点就光伏封装材料三款常用材料(EVA、POE、PVB胶膜)所涉及 的试验方法标准进行解析。 

深入分析光伏封装材料各项技术指标试验方法标准,同时通过收集国内外光伏封装材料代 表性企业的产品技术规格书和COA(Certificate of Analysis)梳理出关键技术指标及采用的试验方法(见表8)。 

表八
表8 光伏封装材料技术指标及试验方法对比

4 分析及建议 
4.1 光伏封装材料标准现状分析 
通过对光伏封装材料已发布的系列国际标准、国家标准、行业标准、地方标准、团体标准及部分 代表性企业的企业标准分析有以下几点发现: 
标准体系有待完善:关于产品标准方面,目前已发布的国家标准只有EVA胶膜,POE胶膜和PVB胶膜都还未发布国家标准。光伏封装材料国际标准之产品标准IEC 62788-1-1封装材料用聚合物的研制进程较慢,目前还处在CDV阶段【IEC标准制定程序NP(新项目建议)→WG(成立工作组)→CD(委 员会草案)→CDV(CD提交表决草案)→DIS(国际 标准草案)→FDIS(最终DIS)→标准正式发布)】。 关于试验方法标准方面,主要采用的塑料和橡胶领域的试验方法,缺少针对性的光伏封装材料试验方法标准,有关光伏封装材料试验方法的国际标准比国内标准更丰富,研制进程更快。虽然IEC已发布 IEC 62788光伏组件用材料测试程序之封装材料系列标准,由于发布时间的原因,在光伏封装材料产品标准中还没有被积极采用。光伏级的光伏封装胶膜用树脂原材料标准缺乏,目前发布的只有T/JSQA105—2021光伏胶膜用乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)树脂团体标准。 

标准更新迭代滞后:标准制修订的速度滞后于光伏行业技术的发展,从目前我国已发布的光伏封装材料相关标准可发现,产品标准技术指标主要是依据当时标准研制时光伏组件的技术要求来展开的,EVA胶膜PVB胶膜国标、行标的研制主要集中在2013年~2014年,2018年完成EVA胶膜国标的修订,当时的光伏组件主要是普通的单玻组 件,2019年完成POE胶膜行标的研制,此时双面双玻组件已开始得到较大规模的推广,但随着叠瓦技术、异质结电池、210大硅片电池等技术的发展,以及抗PID和组件可靠性要求的提升,均对封装胶膜 提出了新的要求。此外,大部分产品技术指标的试验方法采用的是塑料制品的试验方法,存在一定的局限性。 

标准采用存在差异:由于光伏封装胶膜国际标准还未正式发布(IEC 62788-1-1封装材料用聚合物)以及国标的缺位,国内内资企业普遍采用是 EVA胶膜国标和CPIA发布的EVA胶膜、POE胶膜团 体标准,国外企业及国内外资企业普遍采用的是IEC标准和ASTM标准。 

4.2 光伏封装材料标准在实际应用中存在的问题 
由于封装材料标准体系的不完善和产品在使用中的实际需求,各企业在制定企业标准都不同程度的在所采用的标准基础上做了修改,包括技术指标的增加、指标值的修正和试验方法的选择,以满足应用 需求和质量保证要求。主要表现在以下几个方面:

产品标准技术指标涵盖范围不全:例如,热膨胀系数、邵式硬度、粗糙度、摩擦系数、粘连性、硫化指标、导热系数、预交联白膜的预交联度、共挤胶膜厚度等技术指标在现行发布的国标、行标和团体标准中都没有规定。用于BIPV组件的POE、PVB封 装胶膜对建筑材料关注的安全、防火、外观等方面的要求没有明确定义。 

产品标准技术指标值及关联性不合理:例如,GB/T 29848-2018《伏组件封装用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)胶膜》标准中体积电阻率的标准值≥1.0*1015 Ω.cm,T/CPIA 0006-2017《光伏组件封装用共聚烯烃胶膜》标准中体积电阻率的标准值 ≥5.0*1014 Ω.cm,已无法满足抗PID的要求。厚度范围与面密度偏差公差不匹配等。 

试验方法的差异对质量判定的影响:例如,体积电阻率的测试条件中对测试电压和时间没有统 一的规定,又由于不同材料的极化时间不同,为了能取得准确的测试结果,应分别定义测试条件。交联度测试有二甲苯萃取法、热焓法和熔融/结晶三种方法。剥离强度和收缩率的测试条件也同样存在差异。这些差异都对最终的测试结果和质量判定带来重大的影响。 

4.3 光伏封装材料标准及其应用发展建议 
结合工业和信息化部制定的《太阳能光伏产业 综合标准化技术体系》完善光伏封装胶膜标准体系,建议各团体组织、标准化技术组织、企业及科研机构尽快推动制修订光伏封装胶膜国家标准,同时加快转化IEC 62788系列国际标准。 

组织光伏产业链上下游企业充分参与到标准的制修订中,提高标准的适应性和技术指标的先进性,充分考虑到材料应用于不同的场景、不同的产业,产业链之间由原来的界限相对清晰和独立向交织融合的方向发展,进而形成多维的、动态的、复杂的、网络化生态结构[4] 。促使标准能同时满足不同应用、不同产业的需求、具有更好的兼容性,以提升标准对光伏封装材料发展的支撑和引领作用。
推动标准的宣贯和实施评估,持续跟进实施效果、发现问题并不断完善光伏封装胶膜标准体系。 

5 结 论 
我国光伏行业从1958年研制出首块单晶硅算起,经过60多年的发展,特别是从2004年起我国光伏行业进入快速发展的时期,逐步建立了光伏全产业链体系,也推动了光伏封装材料的技术革新和促 进了标准的发展。自1987年成立SAC/TC 90(全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会)以来,我国逐步完善了光伏行业标准化体系,其中发布和在研光伏封装材料标准12项,IEC/TC 82(国际电工委员 会太阳能光伏能源系统标准化技术委员会)也研制发布了IEC 62788《光伏组件用材料测试程序封装材料》系列标准。但光伏封装材料主要材料EVA胶膜、POE胶膜、PVB胶膜的国际标准仍在研制中,除EVA胶膜外另两款封装胶膜还未发布国家标准。然而随着光伏产业的快速发展,新技术的推广应用,产品的更新换代,更高的产品质量要求,也逐步暴露了现行标准的适用性问题,需加快推动光伏封装材料标准的制修订工作,同时,通过对现行光伏封装材料标准的研究和关键技术指标的解析,梳理了光伏封装材料的关键技术要求及试验方法,为 光伏封装材料的技术发展、产品应用和质量评价提供了依据,也为推进光伏封装材料标准化工作提供参考。 

参考文献 
[1]工业和信息化部办公厅.关于印发《太阳能光伏产业综合标准化技术体系》的通知[EB/OL]. [ 2017-05-19].
[2]标准编写规则第4部分:试验方法标准:GB/T 20001.4-2015[S].
[3]刘燕武.太阳能电池封装用抗PID型EVA胶膜的制备与性能表征[D].华东理工大学,2015年.
[4]周立军,郑素丽.工业革命进程与标准化发展-回顾与展望[J].标准科学,2019(1):52.