光伏組件封裝材料中水和鈉離子的滲透性研究

摘" 要：電勢誘導衰減效應（PID）是光伏組件戶外運行條件下功率衰減的主要因素之一。在多種PID效應中，PID-s的產生機制被認為與玻璃分解釋放的鈉離子遷移相關。因此，以高電阻率的封裝膜取代普遍使用的EVA膠膜是否可以適當抑制PID-s效應是尚無定論的問題。該工作以分子動力學模擬為研究手段，從分子動態擴散特征、分子間相互作用能和聚合物分子的靜電勢分布等角度對POE和EVA膜的水分子和鈉離子滲透能力進行分析，從分子特性層面比較2種膜對電勢誘導衰減效應的抑制機理。該工作旨在為新型光伏組件封裝材料的選擇和組件的PID效應抑制，為提高光伏組件發電效率、延長組件發電壽命提供理論指導。

關鍵詞：電勢誘導衰減效應;鈉離子遷移;分子動力學模擬;光伏組件封裝材料;機理研究

中圖分類號：TK514" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0072-04

Abstract： Potential Induced Degradation （PID） effect is one of the main factors causing power degradation in photovoltaic modules under outdoor operating conditions. Among various PID effects， the generation mechanism of PID-s is believed to be related to the migration of sodium ions released during glass decomposition. Therefore， whether replacing the commonly used EVA film with a high-resistance encapsulation film can effectively suppress PID-s effects remains an unresolved question. In this study， molecular dynamics simulations were used as a research method to analyze the water molecule and sodium ion permeability of POE and EVA films from the perspectives of molecular dynamic diffusion characteristics， intermolecular interaction energy， and electrostatic potential distribution of polymer molecules. The inhibitory mechanisms of the two membranes on potential-induced degradation effects were compared at the molecular level. This work aims to provide theoretical guidance for the selection of encapsulation materials for new photovoltaic modules and the suppression of PID effects in modules， for the improvement of the module power generation efficiency and the elongation of the module service life.

Keywords： potential induced degradation effect; sodium ion migration; molecular dynamics simulation; photovoltaic module encapsulation materials; mechanism study

光伏組件是把太陽能轉化為電能的載體，是光伏電站最重要的組成部件。PID現象是導致光伏組件在戶外運行時發生大面積漏電和功率衰減的重要原因之一[1-3]。現已報道的PID機制包括PID-s[4]、PID-p[5]、PID-c[6]等。其中，PID-s機制是迄今為止研究最透徹的PID現象成因。已有報道顯示，該現象與電勢差驅動的玻璃中分解釋放的鈉離子的遷移[7]并在pn結附近的堆積有直接關聯[8-9]。盡管鈉離子的產生機理至今仍沒有定論，但在這一機制中，鈉離子要從玻璃到達pn結電池，則必須穿過封裝膜。多種熱塑性有機聚合物[10]包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚烯烴彈性體（POE）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等均可作為封裝膜。而EVA憑借其高透射率（大于91%）、粘合強度，耐紫外線輻射等一系列優點[11-12]，成為應用最廣泛的封裝材料。

為有效減輕或防止PID-s，組件制造商和科研工作者進行了多種嘗試。考慮到EVA和POE膜的電阻率分別為1013～1014和1015～1016 Ω·cm，使用電阻率更高的POE材料阻止離子傳輸是方法之一。研究表明，使用EVA作為封裝膜的組件比使用POE或離子聚合物阻隔層構建的組件更容易受到PID-s效應的影響[13]。但也有實驗表明，通過比較用EVA和POE封裝的單電池模塊的性能表明，在沒有Na+或其他離子的情況下，實驗測量的電阻率并不與PID-s的性能相關[14]。

對于此種爭論的證明，更多的是存在于實驗層面，而更深層次的機理分析并未見報道。分子動力學模擬在探索原子分子層面的動態機理過程方面具有無可比擬的優勢。因此本工作通過分子動力學模擬研究了EVA和POE聚合物對于水和鈉離子的阻擋和滲透特性。系統性地分析并比較了EVA和POE聚合物對水分子和鈉離子滲透的阻擋能力，從分子結構特性層面深入闡明以POE膜取代EVA膜對PID-s效應的抑制機理。本工作旨在為新型光伏組件封裝材料的選擇和組件的PID效應抑制提供理論指導。

1" 實驗方法

本工作利用Materials Studio 8.0構建了EVA、POE、水和鈉離子4種初始模型，并采用Hartree-Fock方法和6-31G基組進行了構象優化，量子力學計算以高斯軟件包完成。EVA和POE膜分別由36條鏈組成，膜兩側分別填充100個水分子和鈉離子形成4個復合體系，分別命名為EVA-水、EVA-鈉、POE-水和POE-鈉體系，如圖1所示。所有分子動力學模擬均采用GROMACS 2016.4軟件和OPSL-AA力場模擬。所有體系采用周期性邊界條件（PBC），PME截斷距離為14 ?。模擬體系經過5 000步最陡下降法最小化處理，然后升溫至300 K，1atm下進行100 ns動力學模擬，采用等溫-等壓（NPT）系綜和Berendsen恒溫器和恒壓器算法，時間步長為2 fs。

均方根偏差（RMSD）用于表征不同溶劑中各條EVA和POE鏈相對于初始體系的擴散狀態，采用GROMACS分析工具包中的gmx rms模塊計算。聚合物與溶劑之間的相互作用能是通過gmx energy模塊獲得的，總相互作用能（ETotal）包括范德華作用能（ELJ）貢獻和靜電作用能（ECoul）貢獻，如公式（1）所示。

ETotal=ELJ+ECoul" "。（1）

2" 結果與討論

2.1" EVA和POE膜的水分子滲透性比較

如圖2和圖3所示，隨著模擬的進行，水分子沒有進入或者穿過EVA和POE膜的內部，而是呈逐漸擴散遠離膜表面。

為進一步分析水分子在動力學過程中與聚合物膜結構的相互作用，分別選取30個初始位置在EVA和POE聚合物孔洞內部或表面附近的水分子進行分析。由圖4可知，整個模擬過程中，除去初始時刻體系結構的調整導致的變化外，EVA膜孔洞和表面水分子的RMSD數值基本穩定在2.4 ?附近，而POE體系中，水分子的RMSD值則基本穩定在3.0 ?附近，即比較而言POE體系中水分子擴散程度更大。

分別計算2個含水體系中30個水分子與聚合物間的相互作用，見表1。對于EVA體系，庫倫作用平均值為-128.10 kJ/moL，范德華作用為-84.50 kJ/moL，平均總相互作用為-212.60 kJ/moL。而對于POE體系，平均庫倫作用僅為-0.22 kJ/moL，平均范德華作用為-56.48 kJ/moL，平均總相互作用為-56.70 kJ/moL。2種聚合物與水分子的總相互作用均為負值，表現為吸引作用。但明顯地，EVA與水分子間的作用更強烈，且主要表現為庫倫作用為主導，這是因為EVA結構包含極性的醋酸乙烯結構單元，而POE結構中則整體為疏水性的C-H結構單元，表現出比EVA更好的疏水作用。因此，作為光伏組件所采用的封裝材料，POE比EVA會表現出更好的防潮作用，有利于阻止水分子滲透。

2.2" EVA和POE的離子穿透性比較

同樣，在EVA-Na+和POE-Na+體系的模擬過程中，選取孔洞內部或膜表面的30個Na+作為研究對象。如圖5所示，除去初始時刻結構的變化導致的RMSD變化外，EVA膜孔洞附近和內部的Na+的RMSD在0.2 ?附近保持穩定波動，而POE膜孔洞附近和內部的Na+的RMSD曲線則在0～0.3 ?內波動，說明鈉離子在EVA的內部移動相對更加活躍。

分別計算EVA和POE與鈉離子的相互作用能，見表1。EVA和Na+之間的平均庫倫作用強度為-671.91 kJ/moL，平均范德華作用強度為149.47 kJ/moL，平均總相互作用強度為-522.44 kJ/moL。而對于POE體系，POE和Na+之間的平均庫倫作用強度僅為-1.36 kJ/moL，平均范德華作用強度為29.22 kJ/moL，平均總相互作用強度為27.86 kJ/moL。

因此，2種膜與鈉離子的相互作用差別非常明顯：EVA與鈉離子之間的相互作用強烈，且總相互作用力為負值，表現為相互吸引，由庫倫作用主導。由靜電勢表面分析（圖6）可知，EVA的醋酸乙烯結構單元為負靜電電勢集中的區域，而鈉離子為正電荷中心，故二者表現為庫倫吸引作用。反觀POE，靜電勢表面主要分布在中性區，故聚合物與鈉離子之間的相互作用較弱，且總體表現為相互排斥。

3" 結論

本研究采用分子動力學模擬研究了EVA和POE對水和鈉離子的滲透阻擋作用機理。研究顯示，由于EVA結構中極性的醋酸乙烯結構單元的存在，導致EVA對水分子和鈉離子均具有較強的吸引作用;而POE分子整體為均勻的中性靜電勢表面，對極性的水分子和帶正電荷的鈉離子均具有較強的阻隔作用。因此，本組模擬表明，即使不從電阻率的角度，而是從分子結構特性層面而言，以POE為封裝膜的組件對PID-s現象應具有一定的延緩或抑制作用，可有效延長光伏組件的工作壽命，提升發電效率。

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第一作者簡介：曲彥東（1991-），男，工程師。研究方向為光伏封裝材料。

*通信作者：楊明明（1983-），男，工程師。研究方向為動力學模擬。