固化特性對光伏組件用封裝膠膜的幾點影響

:研究過氧化二異丙苯 ( DCP) 、復配交聯(lián)劑 ( T-50) 兩種固化劑與太陽能光伏發(fā)電組件用乙烯－醋酸乙烯共聚物 ( EVA) 封裝膠膜各項性能的關(guān)系。結(jié)果表明，工藝條件選取固化溫度為 120 ℃，固化時間為 16 min，固化壓力為 5 MPa 時，以 T-50 交聯(lián)的 EVA 膠膜的初始流變性無變化; 固化后，當 T-50 加入量為 1. 6%時，EVA 膠膜交聯(lián)度增至 96. 94%，拉伸強度增至 14. 56 MPa，斷裂伸長率降至 466%。熱重分析顯示以 T-50 為交聯(lián)劑時 EVA 膠膜的熱穩(wěn)定性略有提高。T-50 可替代 DCP 作為 EVA 膠膜的固化劑使用，且可降低光伏發(fā)電組件的組裝溫度。

全球范圍內(nèi)倡導資源循環(huán)利用以解決日益突出的生態(tài)環(huán)境問題的影響下，具有環(huán)保、可再生特質(zhì)的新能源因其環(huán)保、可再生的優(yōu)勢，躍入人們的視野，備受矚目。太陽能電池組件即是作為光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的載體將太陽能這一新能源為人類所利用。在使用過程中，研究者發(fā)現(xiàn)太陽能電池組件中的封裝材料在很大程度上會影響其光電轉(zhuǎn)換效率、使用壽命等。而有機高分子乙烯－醋酸乙烯酯 ( EVA) 膠膜以其突出的綜合性價比，以絕對優(yōu)勢占據(jù)了太陽能電池封裝材料的市場。

作為封裝的關(guān)鍵材料，膠膜的主要作用是保護太陽能電池并將電池與蓋板、背板材料緊密貼合成為一個整體。EVA 封裝膠膜屬于熱固性材料，在封裝層壓過程中在一定溫度、壓力下發(fā)生化學交聯(lián)反應，進而實現(xiàn)良好的粘接。交聯(lián)劑常采用過氧化二異丙苯( DCP) ，而 DCP 需在 140 ～ 160 ℃的高溫條件下發(fā)揮作用，此時會因各組件間的線膨脹系數(shù)的差異，產(chǎn)生一部分內(nèi)應力，封裝完成組件溫度降至室溫，因各組件導熱系數(shù)的差異，又產(chǎn)生一部分內(nèi)應力，兩部分內(nèi)應力累積，最終將導致各組件間脫層、起泡、褶皺等現(xiàn)象的發(fā)生，降低太陽能電池的使用壽命。因此，選用合適的助劑，盡量降低 EVA 膠膜的封裝層壓溫度，避免因此帶來的產(chǎn)品缺陷，延長太陽能電池組件的使用壽命，也成為研究者們亟待需要解決的問題之一。

本文研究了一種可用于固化 EVA 膠膜，且固化溫度較 DCP 低，力學性能無顯著下降的固化劑 T-50 對EVA 材料性能的影響，以期為今后太陽能電池更有效地開發(fā)利用提供一定的理論指導。

1 實驗部分

1.1 主要原料

乙烯－醋酸乙烯酯 ( EVA) : 14-2，北京東方石油化工有機化工廠; 硅烷偶聯(lián)劑: Si69，衡水恒信化工有限公司; 抗氧劑: 1010，鄭州聚力化工產(chǎn)品有限公司; 三烯丙基異氰尿酸酯: TAIC，山東佰仟化工有限公司; DCP: 中國石化上海高橋化工公司; 復配交聯(lián)劑: T-50，衡水信華化工公司; 氧化鋅 ( ZnO) :石家莊宏達鋅業(yè)有限公司; 二甲苯: 天津市恒興化學試劑制造有限公司。

配方組成 ( %) : EVA，100; Si69，0. 1; 抗氧劑 1010，0. 2; TAIC: 0. 4; DCP，0. 4 ～ 1. 6; T-50，0.4 ～ 1. 6; 其他，3. 3。

1.2 儀器與設(shè)備

開煉 機: SK-160，大 連 嘉 爾; 硫 化 儀: MZ-4010B1，江蘇明珠; 平板硫化機: XLB-D1. 00MN，青島嘉瑞; 電子萬能試驗機: UTM4204，深圳三思縱橫; 熱重 ( TG) 分析儀: TGA4000，美國 PE; 場發(fā)射掃描電鏡 ( SEM) : Merlin compact，德國卡爾蔡司; 熱機械 ( DMA) 分析儀: DMA8000，美國 PE。

1.3 性能測試

交聯(lián)度: 溶劑回流法; 拉伸性能按照 GB /T 1040－1992，II 型試樣，拉伸速度 500 mm /min; DMA測試: 頻率 2 Hz，振幅 0. 03 mm，溫度范圍－75 ℃ ～75 ℃，升溫速率 10 ℃ /min; TG 測試: 溫度 50 ～ 600 ℃，升溫速率 20 ℃ /min; SEM 測試: 電壓 10 kV，放大倍數(shù)為 3 000。

2 結(jié)果與討論

2. 1 流變性能

圖 1 為 EVA 交聯(lián)前后的表面結(jié)構(gòu)。未交聯(lián) EVA表面有模壓成型時因模具表面有劃痕所產(chǎn)生的橫縱條紋，溶于溶劑全部溶解; 交聯(lián)后的 EVA 因產(chǎn)生不溶于溶劑的體型交聯(lián)結(jié)構(gòu)而部分溶解，不溶部分的結(jié)構(gòu)隨 T-50 用量的增加而更趨于均勻、規(guī)整化。

表 2 數(shù)據(jù)表明，無交聯(lián)劑添加的 EVA 為線型結(jié)構(gòu)，交聯(lián)度為 0，添加 DCP 的 EVA 因在 120 ℃ 不發(fā)生化學交聯(lián)反應，交聯(lián)度也為 0，加入 T-50 時，交聯(lián)度隨 T-50 加入量的增加而增加，這是由于 T-50 在EVA 中的含量增加，可以形成更多的化學交聯(lián)鍵，一定長度的大分子鏈上的交聯(lián)鍵數(shù)目增加，形成了更密集的體型交聯(lián)結(jié)構(gòu)所致，與 SEM 的定性分析相符。

力學性能方面，因 DCP 在 EVA 未發(fā)生化學交聯(lián)反應，僅起到了填充劑的作用，可視為在 EVA 中引入了雜質(zhì)，破壞了 EVA 整體的規(guī)整結(jié)構(gòu)，故 Ts、Eb均較未添加固化劑的純 EVA 的 Ts、Eb低。隨著 T-50用量的增加，以其交聯(lián)的 EVA 的 Ts 增大，且均高于純 EVA; Eb降低。原因為 T-50 用量增加，形成了更多的分布較均勻的交聯(lián)鍵，連接于 EVA 大分子鏈之間，當 EVA 在外力作用下產(chǎn)生變形時，交聯(lián)鍵的存在可防止大分子鏈間的滑脫，同時還可分擔部分由大分子鏈傳導來的外力，從而使得 EVA 整體上承受外力的能力增強，即 Ts 增大; 同時，交聯(lián)鍵的存在也限制了 EVA 大分子鏈的空間運動，使其柔順性下降，剛性增加，外力作用下，較小的伸長變形即可使EVA 聚集較大的力，即材料發(fā)生斷裂破壞時的 Eb 會隨交聯(lián)鍵數(shù)目的增加而下降。

2. 3 熱重分析

由以上信息可知，EVA 的熱降解分兩步進行，第一階段降解溫度在 300 ～ 400 ℃，主要發(fā)生的是醋酸乙烯結(jié)構(gòu)中的羧酸脫除，生成酮、一氧化碳、二氧化碳、水等; 第二階段降解溫度在 400 ～ 500 ℃， EVA 主鏈以隨機斷裂的形式生成乙烯、丁烯等不飽和脂肪烴。溫度至 600 ℃時，均降解徹底。

EVA 降解兩個階段中的最大失重速率分別出現(xiàn)在約 353 ℃ 及 463 ～ 469 ℃ 處。第一階段的降解與EVA 是否有化學交聯(lián)結(jié)構(gòu)無明顯關(guān)系，降解溫度無明顯變化，但失重速率隨化學交聯(lián)結(jié)構(gòu)的增加稍有降低，可能是交聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在可在一定程度上阻礙了EVA 的側(cè)基消除降解過程，熱穩(wěn)定性略有改善。第二階段的降解特點是隨著 T-50 的含量增加，出現(xiàn)最大失重速率的溫度稍有增加，但最大失重速率均高于純 EVA。原因可能為未完全發(fā)生交聯(lián)反應的 T-50 在此溫度下產(chǎn)生了可加速 EVA 主鏈斷鏈降解的物質(zhì)，該物質(zhì)的催化降解作用隨著化學交聯(lián)結(jié)構(gòu)的越來越完整、緊密而有所下降，但與化學交聯(lián)相比，仍占據(jù)優(yōu)勢地位，最終出現(xiàn)交聯(lián)的 EVA，最大失重速率較純EVA 的為高。

2. 4 熱機械分析

結(jié)合圖、表中信息，存在化學交聯(lián)結(jié)構(gòu)的 EVA的 Tg較無交聯(lián)結(jié)構(gòu)的 EVA 的 Tg高，且隨著 T-50 用量的增加，Tg向高溫方向偏移。產(chǎn)生該結(jié)果的原因為T-50 用量增加，會使 EVA 形成更多的化學交聯(lián)結(jié)構(gòu)，化學鍵的存在不僅使大分子鏈之間得以結(jié)合，自身的體積也占據(jù)了大分子鏈的運動空間，兩種作用最終均使 EVA 大分子鏈的運動受阻，進而 Tg 升高。此外， EVA 的損耗模量隨 T-50 用量的增加而降低，表明因T-50 的加入而生成的化學交聯(lián)結(jié)構(gòu)在一定程度上阻礙了 EVA 分子鏈的運動，縮短了交聯(lián)點之間的分子鏈長，降低了分子鏈之間的摩擦損耗，使得 EVA 的黏性下降，剛性有所增加。

3 展望

光伏產(chǎn)業(yè)在全球大力開發(fā)清潔新能源的環(huán)境背景下，得到了異常迅速的發(fā)展。我國已是世界上最大的太陽電池及組件的生產(chǎn)基地，封裝膠膜無論從研發(fā)實力、產(chǎn)品質(zhì)量方面均在不斷地提高，但高性能EVA 膠膜仍需依賴進口，嚴重制約我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此研究出高性能的封裝膠膜，從改進配方、改進工藝、改性 EVA、開發(fā) EVA 替代品等方面出發(fā)，優(yōu)化改善封裝膠膜的透光、散熱、粘接、耐老化等性能，最終減緩光伏電池的衰竭速率、提高使用壽命、降低進口依存度，是研究者們需要加大力度攻關(guān)的課題。

4 結(jié)論

1) 120 ℃ 條件下，T-50 可與 EVA 發(fā)生化學交聯(lián)，隨加入量 0% ～ 1. 6%的增加，EVA 初始黏度無變化，固化時間縮短，固化效率增加。

2) T-50 用量 0% ～ 1. 6%的增加，EVA 的交聯(lián)度增加，含量 1. 6%時達 96. 94%; 拉伸強度增大，含量 1. 6% 時達 14. 56 MPa; 斷裂伸長率下降，含量1.6%時達 446%。

3)采用 T-50 固化的 EVA 對其熱穩(wěn)定性略有提高。

4) 采用 T-50 固化的 EVA 的 Tg隨 T-50 用量的增加而提高，剛性增加。

5) T-50 固化劑可用于 EVA 的交聯(lián)，與 DCP 相比，可降低固化溫度，進而降低生產(chǎn)成本。

原標題:固化特性對光伏組件用封裝膠膜的幾點影響