十年光伏組件材料選型修煉之路

　　光伏材料的革新歷經(jīng)十多年，今天我們在為如何讓材料助力更高的組件效率時，絕大多數(shù)的光伏人都不知道十年前的光伏工程師都經(jīng)歷了什么。

　　有人說，現(xiàn)在的背板、高透/白色EVA不都是組件BOM標配嗎?組件良率99.9%不是標準工藝要求嗎?但若放在十年前，這是難以想象的，通過十年的努力，光伏材料的前輩才為我們鋪好了如今的道路。

　　01、當年的EVA，多來自日本

　　眾所周知，EVA熱熔膠膜是封裝晶體硅太陽電池組件的重要材料之一。目前，各種性能優(yōu)良、價格低廉的國產(chǎn)EVA產(chǎn)品為制造質(zhì)高價低的太陽電池組件提供了有力的保障。福斯特、海優(yōu)威、東方日升在EVA膠膜領域占了全球90%以上的份額?？墒窃谑畮啄昵埃闆r并不是這樣，當時國內(nèi)僅有個別廠家生產(chǎn)EVA產(chǎn)品，組件生產(chǎn)大多是用日本歐洲等國外的EVA膠膜。

　　如今的你，是否聽說過三井、勝邦、普利司通、Sanvic、3M?2008年前，全球范圍內(nèi)EVA膠膜市場占有率前三分別是美國勝邦(STR)、日本三井化學、普利斯通，直到2009年杭州福斯特才躋身前三，四家總共占據(jù)了全球80%以上的EVA膠膜市場份額。

　　美國勝邦STR擁有美國、西班牙和馬來西亞三家工廠，截止2011年底，公司EVA膠膜產(chǎn)能達到1.5億平米。三井化學、普利司通都是日本的老牌巨頭，不僅提供EVA粒子，還生產(chǎn) EVA膠膜。

　　為何進口產(chǎn)品中尤以日本的居多?原因之一是由于EVA產(chǎn)品運輸過程中需要冷藏，還有一定期限的保質(zhì)期，日本距離較近，海運周期短，相當于延長了EVA膠膜的使用期，運輸費用也相對低廉。所以，美國勝邦在鼎盛時期已經(jīng)在常熟選址(就在現(xiàn)在的中來對面、騰暉隔壁)準備建廠。

　　02、當年的EVA，都讓人頭疼

　　然而不僅國產(chǎn)，即使是進口的EVA膠膜，也都存在諸多讓人頭疼的問題，只是在程度上有所不同而已。

　　問題多：主要問題有：收縮率較大、耐老化性不足，易黃變、厚薄不勻、平整度不好、有雜質(zhì)、清潔度也有待提高、裁切不準確、交聯(lián)固化時間長、交聯(lián)度不均勻且測試方法復雜等等。

　　型號少：作為保護太陽電池“上鋪下墊”的EVA膠膜，無論是國產(chǎn)還是進口的，那時各個生產(chǎn)廠家都只有一種型號，品種單一，且質(zhì)量良莠不齊，雖然總體上進口比國產(chǎn)好，但也有很多不足。

　　性能差異大：不同廠家產(chǎn)品的性能差異給組件生產(chǎn)帶來很多麻煩。

　　進口產(chǎn)品價格高。

　　這些問題的存在，讓EVA很難滿足迅速發(fā)展的太陽電池組件制造需求。

　　03、當年的EVA，創(chuàng)新發(fā)展了十年

　　直到2015年前后，EVA膠膜的配方才基本定型，不再有太多的變化，成熟應用于常規(guī)組件和雙玻組件，并在很大程度上幫助改善了PID和蝸牛紋現(xiàn)象。然而2015年之前的EVA，幾乎每年都在革新。曾經(jīng)的種種問題在現(xiàn)在看來可能不值一提，但在當時的確困擾了組件生產(chǎn)線很久。

　　1) 改善EVA膠膜產(chǎn)品的收縮率與組件生產(chǎn)的精確層疊工藝方法

　　EVA膠膜加熱后收縮率比較大，尤其是在長度方向上和寬度方向上收縮率的差異則更大，這給組件生產(chǎn)帶來了很大問題。首先是電池串橫向、電池豎向位移和匯流條位移。電池串位移使串間距不等，嚴重時并串甚至重疊。電池位移則導致電池間互連條凸起，在組件背面形成鼓包，嚴重時引起電池碎片和鼓包刺破背板。記得有些企業(yè)為使鼓包不那么明顯，在組件剛出層壓機還有余熱時，用一塊類似彈棉花時壓棉絮的圓形壓板來回壓磨組件背面，或者用電熨斗來壓磨鼓包，想方設法使鼓包內(nèi)的互連條平整些，豈不知這樣壓磨極易造成電池產(chǎn)生隱裂。匯流條位移使間距不等甚至并在一起造成短路也是經(jīng)常發(fā)生的，不得已有些企業(yè)則干脆把匯流條做到電池背面，這樣匯流條位移問題雖然解決了，但物料和人工成本增加不說，還增加了電池隱裂的風險和組件局部散熱不良。為了防止電池串、電池以及匯流條位移，工程師想辦法在電池背面加鋪過玻璃纖維，位移情況有所改善，但增加了成本，有時會因玻璃纖維內(nèi)的異物引起組件內(nèi)產(chǎn)生氣泡，同時還影響生產(chǎn)線員工的健康。

　　EVA膠膜加熱后收縮率大帶來的另一個問題是需要加大EVA膠膜的尺寸來防止EVA縮到組件內(nèi)部，造成組件邊緣無EVA膠的情況。以前EVA膠膜和背板尺寸都要大于玻璃四周幾厘米，多出來的EVA膠膜不僅浪費材料，還污染了層壓機、傳送帶以及組件自身。層壓機和傳送帶被污染會使后續(xù)組件沾污和產(chǎn)生壓痕，嚴重時組件粘在層壓機上蓋或高溫布上掉下來被摔碎。組件割邊割下來的廢料每天都有好幾大包，不僅浪費價格不菲的EVA膠膜和TPT背板，還污染環(huán)境。組件自身粘上的EVA膠則需要大量人工來清潔，當時除了手工焊接電池工序的員工比較多以外，整個組件生產(chǎn)線就數(shù)清潔組件的員工最多了，用酒精溶解、用美工刀刮、用鋼絲球蹭、用無紡布擦，費了好大勁也很難清理干凈，消耗了大量人力物力，有時員工還會被割傷，并經(jīng)常因殘留在組件上的EVA膠沒清理干凈而招來客戶投訴。還有來回搬運和翻轉組件會導致電池產(chǎn)生隱裂甚至撞碎組件。這些幾乎都是EVA膠膜收縮率過大惹的禍。

　　大家知道，EVA膠膜生產(chǎn)有壓延法和流延法兩種不同的工藝，一般情況下壓延法生產(chǎn)的收縮率小于流延法，所以初期基本上采用的都是日本公司壓延法生產(chǎn)的EVA膠膜。盡管如此，其收縮率依然不穩(wěn)定，遠未達到期望值。后來經(jīng)與許多國內(nèi)外廠家反復溝通、試驗，不斷努力，逐步實現(xiàn)了無論用什么工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品收縮率等指標都能達到組件生產(chǎn)的技術要求了，EVA膠膜公司也能生產(chǎn)出更多物美價廉的國產(chǎn)膠膜供組件企業(yè)選擇。

　　除此之外，通過對EVA膠膜和背板的裁剪尺寸和鋪設方法的改善，有效地避免了組件在層壓工序被污染的發(fā)生，并使層壓件無需割邊，無需清除玻璃和背板上殘留的EVA膠，減少了電池產(chǎn)生隱裂的幾率，減少了生產(chǎn)工序，節(jié)省了人力成本，提高了生產(chǎn)效率，同時，節(jié)約了EVA膠膜、背板和其他相關耗材，延長了層壓機膠皮的使用壽命，提高了組件的產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，取得了良好效果和極大的經(jīng)濟收益。

　　2) 改善EVA膠膜黃變

　　EVA膠膜黃變影響組件轉換效率，嚴重影響組件外觀和使用壽命，這是早期EVA膠膜產(chǎn)品的又一大缺陷。其實上世紀80年代國內(nèi)就在生產(chǎn)EVA產(chǎn)品了，黃變問題困擾了相當長的一段時間。當時即使是國外的進口EVA產(chǎn)品也有黃變嚴重的，有時在車間看到成卷的EVA膠膜都是淡黃色。有些則是在雙85或紫外照射等老化試驗后呈現(xiàn)黃色。經(jīng)過EVA膠膜生產(chǎn)企業(yè)的努力，逐步解決了產(chǎn)品黃變的問題，現(xiàn)在已基本不存在這個現(xiàn)象了。

　　3) 改善批量生產(chǎn)EVA膠膜的厚度一致性、平整度、清潔度和穩(wěn)定性

　　大家知道，組件內(nèi)氣泡是組件生產(chǎn)過程中經(jīng)常會發(fā)生的一種常見缺陷，就是到現(xiàn)在也會偶有產(chǎn)生，只是以往更為嚴重些。組件產(chǎn)生氣泡的原因除了玻璃等其他原材料、組件生產(chǎn)工藝和設備上的一些問題外，EVA膠膜的厚度一致性、平整度、清潔度、有異物等缺陷也是主要因素之一。在電池背面加鋪一層玻璃纖維也是當時解決氣泡問題的方法之一。時至今日，因EVA膠膜這些不良而引起的氣泡問題已是鳳毛麟角了。

　　4) 改善EVA膠膜交聯(lián)固化時間長、交聯(lián)度不均勻且測試方法復雜的問題

　　早期的EVA膠膜屬于慢固化型，交聯(lián)固化的時間相對比較長，國內(nèi)外廠家一般都使用二次固化工藝進行生產(chǎn)，也就是先在層壓機中完成預層壓，然后放入烘箱中來使EVA膠膜交聯(lián)固化。早期層壓機加熱板的溫度均勻性較差，烘箱內(nèi)的溫度也不均勻，這對組件內(nèi)EVA膠層的交聯(lián)固化影響極大，EVA膠層交聯(lián)度不一致將嚴重影響組件產(chǎn)品質(zhì)量。為提高組件生產(chǎn)效率、保證EVA膠層交聯(lián)度均勻，尚德開發(fā)了全自動固化爐，組件在固化爐一頭進去，從另一頭出來，并一直保持旋轉，效果良好。后來EVA膠膜逐漸都改成快固型的了，固化爐就被省略。當然現(xiàn)在又開發(fā)了兩段乃至三段的層壓機，包括層壓、固化和冷卻，這大大加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了生產(chǎn)效率和組件產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　測量組件內(nèi)EVA膠層交聯(lián)度是否均勻一致，是組件產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。二甲苯萃取法是測試組件層壓后EVA膠層交聯(lián)度常用的傳統(tǒng)方法。該方法測試需時間較長、干擾因素多、反映生產(chǎn)線上的實際狀態(tài)較慢，且操作較復雜，對操作員工的身體也不利，還易燃，需要有較嚴格的防護措施，目前大多廠家還在用此法測試EVA膠層的交聯(lián)度。有不少公司實驗室采用DSC(差示掃描量熱法)來替代二甲苯萃取法，也有廠家用DSC監(jiān)控日常生產(chǎn)時組件內(nèi)交聯(lián)度狀態(tài)的。2013年前后，有家歐洲公司和國內(nèi)的正泰公司推出了EVA交聯(lián)度在線監(jiān)測技術，備受關注，但隨著EVA交聯(lián)固化設備和工藝的不斷成熟，在線監(jiān)測交聯(lián)度盡管很重要，但似乎已經(jīng)沒有太大必要，這項技術沒有得到太多應用。

　　5) 關于晶體硅太陽電池組件用前后EVA材料的不同要求和標準

　　自從用EVA熱熔膠膜制作太陽電池組件以來，很長一段時間內(nèi)，電池前后都是用同一種膠膜。這是為防止EVA膠膜和背板在陽光尤其是紫外光的作用下被分解老化和黃變，因此需在EVA膠膜生產(chǎn)原料中加入抗紫外劑來阻止紫外線穿過EVA層而照射到背板上。這樣雖然在一定程度上保護了背板，但卻阻止了大部分紫外光到達電池，使得電池無法接收這部分能量，從而降低了組件的輸出功率。近年來電池的方塊電阻越做越高，電池短波響應越來越好，不能透過紫外線的EVA層對組件輸出功率的影響越來越大。所以，在確保EVA膠膜本身和背板不會因紫外線透過而老化黃變的前提下，電池正面采用紫外和可見光都可透過的高透過率EVA膠膜，電池背面則采用低紫外線透過甚至是反光良好的白色EVA膠膜就顯得越來越有必要。近年來所有EVA膠膜的生產(chǎn)廠家，無論是國內(nèi)還是國外廠家，毫無例外地都提供質(zhì)量可靠的高透過率型和截止型兩種EVA膠膜產(chǎn)品，同時組件生產(chǎn)幾乎全行業(yè)都在電池前后分別配合使用高透過率型和截止型兩種EVA膠膜了。當然好像還有極個別的組件生產(chǎn)廠家不肯配合使用，自然也無可厚非。

　　當時背面白色EVA在層壓過程中會出現(xiàn)溢出到電池邊緣形成翻邊等缺陷，白色EVA膠膜仍為制作白色雙玻組件樣品給予了極大幫助，并取得良好效果，更加增強了對雙玻組件的信心。后來繼續(xù)對白色EVA膠膜翻邊等缺陷不斷進行改善，現(xiàn)在，白色EVA膠膜不僅在雙玻組件，在常規(guī)組件的制造中也起到很好的效果。

　　6) 關于晶體硅太陽電池組件蝸牛紋和PID現(xiàn)象

　　晶體硅太陽電池組件產(chǎn)生蝸牛紋和PID現(xiàn)象的因素比較復雜，如蝸牛紋現(xiàn)象最主要的原因是電池隱裂，PID現(xiàn)象最主要的原因是組件表面的高電壓(P型硅片的電池為負高壓，N型硅片的電池為正高壓)，而僅靠改善EVA膠膜的性能則是不夠的，需要從電池制造、熱熔膠膜原料、組件結構、組件搬運和安裝、系統(tǒng)設計和防護等多方面來預防蝸牛紋和PID現(xiàn)象的發(fā)生。盡管如此，在硅料為王、電池為爺、材料為孫的年代，組件廠把巨大的壓力轉給了材料供應商，而EVA膠膜供應商也不負眾望，針對這兩個現(xiàn)象，從自身做了一些改善，配合電池的一些改善，也取得了很好的效果。

　　04、當年的EVA技術創(chuàng)新，一路護航光伏十年輝煌成就

　　通過以上對EVA膠膜不斷進行改善的故事，使我們深深地體會到不間斷的改善對提高組件產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的重要性。對于太陽電池組件產(chǎn)品來說，一項可以被廣泛應用的技術、工藝或材料一定要滿足降低制造成本、提高轉換效率、延長使用壽命和滿足客戶需求這幾項要求，并使其達到和諧統(tǒng)一，也就是常說的性價比要高。這其中，延長使用壽命是保證組件產(chǎn)品質(zhì)量的底線，所有改善后的結果，都必須滿足組件產(chǎn)品戶外使用大于25年且衰減小于20%這個最基本的條件，這樣的例子太多了。僅舉一例，最典型的就是雙玻組件，為什么幾乎所有生產(chǎn)雙玻組件的廠家都有底氣號稱雙玻組件保質(zhì)期到30年，而不是常規(guī)組件的25年，為什么中國光伏行業(yè)協(xié)會2019年1月28日頒布3月1日起實施的《地面用雙玻晶體硅光伏組件設計鑒定和定型》標準中規(guī)定將各種環(huán)境試驗后最大功率衰減幅度不大于3%，而不是常規(guī)組件的5%，這都是在基于嚴格的老化試驗的基礎上才制定出來的，而并不是人云亦云，聽風是雨的隨意之為。

　　無論是創(chuàng)新也好，還是改善也罷，都是要擔風險的。而穩(wěn)定的技術才是最關鍵的，我們需要在現(xiàn)有的條件下，把工作做得更縝密，更細致。一款產(chǎn)品在上市之前需要經(jīng)過構思、研發(fā)、測試、試產(chǎn)、試用、測試、量產(chǎn)這些階段，其中還有多次反復，只有當設想的產(chǎn)品通過制造并和客戶達到完美的契合，這時才能夠給客戶穩(wěn)定地交付產(chǎn)品，以此來確保我們的組件產(chǎn)品能不斷降低制造成本、提高轉換效率、延長使用壽命和滿足客戶需求，為光伏發(fā)電平價上網(wǎng)多做貢獻。