EVA封裝膠膜研究進展與發展趨勢

江蘇愛康太陽能科技股份有限公司 ■ 周先國 韓繼昌 康裾昆 王永德

中國科學技術大學核科學技術學院 ■ 張 軍

一 引言

近年來世界光伏發電產業呈現出良好的發展趨勢，光伏組件的產量、安裝量都在不斷增加。2010年全球太陽電池產量約24GW，并網光伏系統安裝量累計將達到40GWp，光伏發電以其獨特的優勢備受青睞[1,2]。世界各國都非常重視光伏產業的發展，目前美國、歐洲和日本等都制訂了中長期太陽能光伏發展計劃。按照這些計劃，到2020年全球光伏裝機容量將達到1000GW，其發電量將占總發電量的5%左右。隨著技術的進步，或許未來的實際進程還將超出這一規劃。

表1 2010～2015年全球太陽能新增裝機容量與對應EVA膠膜市場需求量及預測

圖1 2010～2015年全球太陽能EVA膠膜市場需求量與增長率及預測（EPIA）

中國是世界上最大的太陽電池及組件的生產基地。2007年中國太陽電池產量已經躍居世界第一，到2010年產量達到10.7GW，已占據全球產量的半壁江山。我國涉及太陽能的生產企業也達到3000多家，從業人員多達百萬人，產業發展迅速。從表1與圖1中可以看出，伴隨著世界和中國光伏發電產業的快速發展，太陽電池組件封裝材料EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)膠膜市場也得到快速增長，許多企業紛紛進入這一行業。本文將重點介紹近年來太陽電池EVA封裝膠膜的研究進展和未來發展趨勢。

二 光伏組件的封裝

光伏組件是光伏發電系統的核心部分，其作用是將太陽能轉換為電能。太陽電池若直接暴露于大氣中，其光電轉換效率易衰減，性能會大大降低。良好的電池封裝不僅可使組件的壽命得到保證，而且還可增強組件的抗擊強度。封裝流程在光伏組件生產中起著至關重要的作用，其封裝材料的選擇也顯得尤為重要。

目前，除小功率(5W以下)的光伏組件表面采用環氧樹脂進行膠封外，對大功率的光伏組件，常見封裝結構如圖2所示，表面用透過率大于90%的玻璃，厚3mm，太陽電池的上、下兩層為抗老化的高分子聚合物(EVA膠膜)，襯底用復合塑料膜(TPT塑料)，五層材料經層壓機高溫層壓后加上鋁合金框密封就得到完整的光伏組件[3]。上表面封裝材料也可用高分子薄膜來代替封裝玻璃，例如表面采用一層PET聚酯薄膜，襯底改為印制電路板加強其牢度，PET的透過率在85%以上，這種封裝模式可減輕光伏組件的質量，并降低成本。同時，也有上下表面都用太陽能玻璃封裝，光伏組件與建筑材料相結合的光伏幕墻(BIPV)式封裝就是一種雙層玻璃結構，把光伏組件作為建筑的一部分，與整個建筑物融為一體，對建筑物既起到裝飾作用又達到了光伏發電的目的。

光伏組件封裝方式雖稍有差異，但普遍采用的封裝膠膜都是高分子聚合物，目前主要是EVA膠膜。因高分子聚合物和太陽電池及其他材料的熱膨脹系數存在差異，會導致電池開裂、封裝材料的斷裂或與其他材料分離，因此封裝膠膜必須能包容組件中不同材料的熱膨脹系數差異，不會對太陽電池和其他材料有內應力作用[4]。為達到此要求，封裝膠膜需具有很好的黏彈性。同時，為保證太陽電池可較好地利用太陽光，還要求封裝膠膜在太陽電池可利用光譜范圍內具有良好的透光率。此外，從經濟和實際應用考慮，封裝膠膜還應滿足的要求為：低成本、低吸水性和滲水率、良好的抗紫外線降解和熱氧化能力，從而為光伏組件室外應用提供物理隔離、電絕緣、抗老化等作用，提高組件的使用壽命[5～7]。

三 EVA封裝膠膜及其工藝分析

目前，市場上電池封裝材料普遍采用EVA膠膜。EVA 是乙烯與醋酸乙烯酯(VA)的共聚物，其結構如圖3所示。

圖3 EVA聚合物結構式

EVA 是一種熱熔性塑料，其性能與VA含量及熔融指數(MI)有關。當MI一定時，VA 的含量增高，EVA 的彈性、柔軟性、粘合性、透明性和溶解性提高；VA 的含量降低，EVA 則接近于PE(聚乙烯)的性能，剛性變大、耐磨及電絕緣性上升。當VA 含量一定時，MI增加，分子量降低，軟化點下降而加工性及光澤性改善，但強度低；反之MI降低，分子量增大，可提高耐沖擊性和應力開裂性[8,9]。目前太陽電池EVA封裝膠膜VA含量一般在30%～33%，是一種熱固性的膜狀熱熔膠，常溫下不發粘，便于操作。

為滿足光伏組件25 年的使用年限要求，國際電工委員會和美國保險商實驗室等針對光伏組件出臺了IEC 61215及UL 1703 等測試標準，作為封裝材料的EVA膠膜必須滿足各方面的性能測試。為提高太陽能封裝膠膜的各方面性能，需在EVA 膠膜生產過程中添加各種助劑，如抗氧劑、光穩定劑和增粘劑等。但添加助劑與層壓過程中殘留的交聯劑間的緩慢反應會導致生色基團的產生，從而使EVA 膠膜在長期使用過程中變黃，透光率降低。同時，EVA 成膜采用的是雙螺桿擠出機擠壓成型工藝，不同的EVA基料、EVA 膠膜的配方，選擇不同的擠壓溫度等生產工藝，對提高EVA膠膜的各方面性能至關重要。此外，除EVA膠膜本身的質量外，在組件生產過程中層壓機的層壓工藝影響也非常大，如EVA交聯度不達標，EVA與封裝玻璃、背板粘結強度不夠，都會使光伏組件提早老化，影響組件使用壽命。因此，EVA化學組成，膠膜生產配方、結構和性能以及膠膜的應用條件等對光伏組件室外使用壽命、光電轉換效率的關系都需進一步系統研究[10,11]。

四 國內外研究進展

各國學者和企業界人士都強烈意識到，太陽電池的封裝材料是提高光伏組件壽命、降低系統成本的一個關鍵因素。為推進光伏發電產業的發展，早在20世紀70年代，美國Jet Propulsion 和Springborn 實驗室就開始研究太陽電池封裝材料，國家可再生能源實驗室(NREL)的F.J.Pern 等在太陽電池封裝材料研制領域中也做了大量卓有成效的工作。在太陽電池封裝材料的發展過程中，如有機硅樹脂、環氧樹脂、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、乙烯－丙烯酸甲酯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物都曾被試用，但因成本、性能、施工方式等各種原因，都被淘汰或僅在小范圍內應用。如PVB早在20世紀70年代就已開始用于太陽電池封裝材料，其抗紫外線老化、透明性、與玻璃粘接力以及存放時間(可長達4年，而EVA僅為6個月)都優于目前應用最廣的封裝材料EVA，但因其成本較高、生產周期較長，現在也僅占有約15%的市場份額。

目前，世界各地的光伏組件的生產商普遍采用EVA膠膜作為封裝材料。為進一步提高光伏組件使用壽命，促進光伏發電的推廣應用，發達國家己對光伏組件的封裝材料提出了長達30年壽命的研究目標，并為這個目標投入了大量的資金和人力。然而，目前的EVA封裝材料還難以達到這一要求。

我國在20世紀80年代后期開始引進太陽電池生產線，同時從美國進口封裝膠膜。EVA膠膜市場一直被國外化工巨頭(杜邦、三井化學、普利司通等)壟斷，我國的EVA膠膜生產只能滿足部分光伏組件企業的需求，國內市場存在較大缺口。為改變每年進口封裝材料的被動局面，國家科委將EVA膠膜國產化列入“八五”攻關計劃。為實現EVA 膠膜國產化，很多科研單位于20世紀80年代后期都開始EVA封裝膠膜的研究。浙江省化工研究院于20世紀80年代后期開始研發，1998年成功研制JME型EVA膠囊，其透光率、粘接強度、交聯度等性能指標基本達到進口產品水平，隨后建成了國內第一條自控程度較高的EVA膠膜生產線，能夠年產幅度達1m以上的EVA膠膜30萬m2。后又將第二代快速固化膠膜推向市場，現年產能力100余萬m2。

隨著我國自主研發生產能力的增強，國內產品也漸漸有所展露，如杭州福斯特熱熔膜有限公司、深圳市斯威克科技有限公司、溫州瑞陽光伏材料有限公司、廣州鹿山新材料股份有限公司、江蘇愛康太陽能科技股份有限公司、臺灣塑膠工業股份有限公司等企業都相繼進入EVA膠膜的研發與生產行列，并且生產規模發展迅速。而國內EVA膠膜的生產原材料供應商也有北京有機化工、北京華美、南京揚巴石化、燕山石化、四川維尼綸廠等企業。其中，杭州福斯特可以說是國內EVA膠膜企業高端產品的代表者，2010年杭州福斯特的銷售額超過3億元，凈利率超過20%。成立于2006年的溫州瑞陽光伏材料有限公司可以說是后起之秀，2009 年8 月，中國可再生能源學會光伏專業委員會召開光伏組件用高性能EVA膠膜評審會。經討論認定，由溫州瑞陽光伏材料有限公司和杜邦公司合作研制的“瑞福REVAX”EVA 膠膜性能達到國際先進水平，產品分別經1000h紫外老化、熱老化和濕熱老化試驗后，黃變指數均小于2[12,13]。此外，國內很多高校及科研機構也對EVA封裝膠膜行了相關研究，如華東理工大學、華南理工大學、中國科學技術大學和南京大學等也相繼開展了相關科研項目。國內科研機構及企業在EVA膠膜研發方面申請國家發明專利和實用新型專利多達幾百個。可見，國內太陽能EVA封裝膠膜的研發實力與產品質量都在不斷提升。

五 未來發展趨勢

長期以來，中國光伏產業“兩頭向外”的特征明顯，一頭產業鏈上游的硅料和硅錠生產等高端原材料和技術需從國外進口，另一頭產業鏈下游的光伏應用產品主要銷往國外。光伏行業排名前五名企業幾乎90%以上的產品都是用于出口國外，而上游的硅料和硅錠生產也在很長時間依靠國外的技術，對國際市場依賴性大，受國際原材料價格影響也很大。最近歐洲各國相繼宣布將下調2012年的光伏補貼，美國商務部也正式宣布對中國出口美國的太陽電池(組件)發起反傾銷和反補貼調查。加上光伏產品價格持續深跌，國內很多光伏企業將可能出現破產或者大幅度虧損，光伏產業的“冬天”已經來臨。

不過，通過光伏企業的產業整合及國內光伏市場的不斷開拓，很多業內人士仍看好光伏產業的發展前景，光伏產業的春天很快會來臨。根據相關機構測算，2020年世界光伏系統累計裝機容量設置為200GWp，這就需要高性能EVA 封裝膠膜約30億m2。所以太陽電池EVA封裝膠膜仍然有廣闊的市場前景。現在國內EVA 封裝膠膜在產品質量上與國外產品相比還有一定差距，知名太陽電池廠家如無錫尚德、浙江昱輝、江蘇CSL、天合光能、江蘇韓華、河北晶澳、中電光伏、江西塞維等在海外上市企業所需膠膜還是以進口為主。進口EVA膠膜的價格是國產膠膜的幾倍，要打開國內EVA封裝膠膜市場，產品國產化已成為必由之路，發展具有自主知識產權的高性能EVA 封裝膠膜將是未來國內發展的整體趨勢，廣闊的市場前景也必然能帶動國內EVA封裝膠膜的研發熱潮。

一方面目前EVA封裝膠膜主要的原材料供應商在國外，主要依靠進口，可能會面臨原材料短缺和EVA封裝膠膜市場快速增長的矛盾，所以要加強EVA高分子母粒合成和EVA膠膜的改性方法的研究，從原材料和生產技術上提高國內EVA膠膜的質量。另一方面，尋找可替代EVA封裝膠膜性能更優越的新材料也是一個研究熱點。例如拜耳材料科技公司曾成功開發出一種耐光熱塑性聚氨酯，利用這種聚氨酯制成太陽能封裝膠膜，可減少膠粘過程，縮短生產周期；另外這種封裝膠膜封裝后可重新熔融，很方便地更換壞掉的組件，使太陽電池可重復利用。杜邦公司也在研發一種新型太陽電池封裝材料，以Surlyn樹脂為主要原料，它也是一種熱塑性樹脂，具有高透明、優良的耐候性能等特點，也有可能取代EVA 封裝膠膜[14,15]，所以，國內也應該加強EVA封裝膠膜可替代新材料的研發。此外，隨著市場的不斷細分，滿足個性化需求的太陽能封裝材料是一個發展趨勢，例如根據太陽能組件不同地區應用溫度、濕度等差異，應用不同配方的太陽能EVA封裝材料，從而提高組件使用穩定性。當然，加強企業與科研院所及高校的技術合作，采用產學研相結合的模式使EVA研發方面的新材料、新配方、新技術快速進行產業化也是一個發展趨勢。例如廣州鹿山新材料股份有限公司就與中國科學院廣州能源研究所、華南理工大學聯合開發太陽電池用EVA封裝膠膜，目前在企業建立了國家級博士后科研工作站。江蘇愛康太陽能光伏材料研究所聘請了游效曾院士為愛康研發中心首席顧問，加拿大阿爾伯特大學、日本高知大學張發饒博士為愛康研發中心首席科學家，與國家級實驗室共建實驗平臺，與知名院校共建產學研基地，致力于光伏組件專用EVA膠膜的研究和發展。

六 結語

太陽電池EVA封裝膠膜雖然在整個光伏組件系統中所占比重不大，但它的作用卻非常重要。EVA封裝膠膜的性能直接決定了太陽組件的使用效率及壽命。因此，隨著太陽電池技術的發展，市場的需求不斷增加，對新型EVA封裝膠膜的研發和產業化勢在必行、迫在眉睫。國內需要加大新產品研發與產業化進程，快速發展具有自主知識產權的高穩定性、可靠性、耐用性的高性能EVA 封裝膠膜。

[1]Goetzberger A, Heblinga H, Schock H W. Photovoltaic materials,history, status and outlook[J]. Materials Science and Engineering,2003, 40: 1－46.

[2]趙玉文. 光伏產業發展現狀、趨勢及思考[J]. 太陽能, 2011,(18): 34－39.

[3]趙爭鳴, 劉建政, 孫曉瑛, 等. 太陽能光伏發電及其應用[M]. 北京: 科學教育出版社, 2005.

[4]徐雪青, 沈輝, 鄧潤坤, 等. 若干太陽電池封裝用粘接劑的耐老化性能評價[J]. 太陽能學報, 2004, 25(4): 438－442.

[5]李國雄, 許妍, 林安中, 等. 太陽電池中EVA膠層的性能研究[J]. 太陽能學報, 1998, 19(1): 98－101.

[6]陳小青, 申明霞. 光伏組件用EVA封裝膠膜的老化研究進展[J]. 粘接, 2010, (12): 65－69.

[7]申明霞, 李紅香, 何輝. 光伏組件用密封劑研究進展[J]. 粘接,2008, (7): 29－32.

[8]Czanderna A W, Pern F J. Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant: a critical review[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996, 43(2): 101－181.

[9]Van Dyk E E, Audouard A, Meyer E L, et al. Investigation of the degradation of a thin film hydrogenated amorphous silicon photovoltaic module[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, 91(2/3):167－173.

[10]劉耀華, 周志英, 鄭紅亞, 等. 太陽電池封裝材料( EVA)簡介[J]. 中國建設動態：陽光能源, 2007, (1): 45－47.

[11]李連春, 李光吉. 太陽電池用EVA膠膜的制備與性能研究[A].第八屆光伏會議論文集[C], 2004: 617－620.

[12]張臻, 沈輝, 李光吉, 等. 太陽組件用EVA膠膜在紫外光老化中的性能變化[J]. 太陽能學報, 2007, 28(11): 1221－1226.

[13]詹顯光, 蔣祥吉, 詹茸茸, 等. 光伏組件用高性能EVA膠膜的研發[J]. 中國建設動態：陽光能源, 2009, (6): 40－41.

[14]余鵬, 李偉博, 唐舫成, 等. 太陽能電池封裝材料研究進展[J].廣州化工, 2011, 39(3): 34－35.

[15]伍桂松，張曉茹. 我國乙烯－醋酸乙烯共聚物現狀及發展建議[J]. 化工技術經濟, 2003, 21(7): 23－28.