在过去的二十年里，全球对能源的持续的、不断增长的需求有力推动了光伏（PV）组件生产的发展。在组件设计过程中，采用合适的封装材料对电池进行封装是一个关键的问题。封装材料的选用对组件的效率、稳定性和可靠性都有显著的影响。选择封装材料必须在效率和成本之间保持平衡。然而，封装材料必须确保光伏元件与周围环境的良好阻隔，从而保护光伏电池免受湿气、氧气和其它可能危及光伏组件功能的意外损伤。Nadka Tz. Dintcheva等三位作者撰写的《Encapsulant Materials and Their Adoption in PhotovoltaicModules: A Brief Review》一文，综述了不同的封装材料及其在光伏生产应用中的主要优缺点，以及用于电池的封装技术、添加剂以及这些材料与光伏元件的相互作用。新的能原消耗型的社会对可再生能源的需求越来越高。因此绿色能源的供应不仅与能源需求的增长相关，而且与日益增长的社会关注度和全球范围内抑制气候变化的迫切需求相关。可以通过能源领域的脱碳来满足取代化石类资源和减少二氧化碳排放的要求。在过去的二十年里，为了有效地将太阳能转化为电能，光伏组件的设计和生产取得了显著的进步，生产更轻、更低成本的光伏组件成为了主要趋势。光伏组件发展的关键因素是其转换效率、耐久性和稳定性。晶硅（c-Si）光伏组件是目前产能最大和商业上应用最广的光伏组件。它们主要由玻璃、封装胶膜和光伏背板组成。以高分子材料为基材的封装胶膜是光伏组件中极其重要的组成部分。封装胶膜能够提供机械稳定性、保证电气安全，同时保护电池和其它元件免受环境影响。晶硅光伏组件主要由玻璃-封装胶膜-电池-封装胶膜-背板组成，目前，背板被玻璃或其它塑料片材取代，以提高单位面积发电效率，如图1所示。通过使用创新和高性能的材料，光伏组件技术逐渐向更轻和低成本方向发展。薄膜光伏组件的结构设计类似于晶硅组件，也使用到封装胶膜，这是确保光伏组件免受外部环境影响的必要条件。图1. 光伏组件封装方式的发展
然而，正如《国际光伏技术路线图》（ITRPV）-2022中讨论的那样，封装胶膜和背板是关键辅材，两者也是光伏组件制造的主要成本之一。因此，组件结构设计必须在生产成本和组件使用寿命之间取得较好的平衡。根据ITRPV报告，EVA是使用最广泛的封装材料，如图2a 所示。EVA预计将在未来几年保持约60%的市场份额。值得注意的是，聚烯烃（Polyolefin）是EVA的一种替代产品，尤其是当考虑到柔性组件和异质结光伏组件时。聚烯烃封装材料的市场份额会在未来10年翻倍，与此同时，其它封装材料预估依旧保持较低的市场份额。
图2. 全球市场份额：(a)封装材料；(b)组件封装方式
值得注意的是，虽然聚合物封装依旧是主流，但对于双面晶硅组件，双玻封装方式的市场份额会增加，预期在未来10年内能获得约45%的市场份额。随着时间的推移，不同的聚合物材料用于光伏组件的生产，目前最流行的封装材料是基于(i)交联型弹性体，如聚乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA），硅胶（silicone）和聚烯烃弹性体（POE），（ii）热塑性塑料，如聚乙烯基缩丁醛（PVB）和离聚物（ionomer），（iii）热塑性弹性体，如热塑性硅弹性体（TPSE）和热塑性聚烯烃（TPO）。因此，本文综述了上述不同的封装材料及其在光伏组件生产中的主要优缺点，以及封装技术、添加剂以及这些材料与其他光伏元件的相互作用。光伏组件中的封装聚合物材料必须具备机械稳定性、电气安全，并保护电池及其元件免受环境影响。因此在产业化生产中，最常用的封装材料是： (i)交联型弹性体，如聚乙烯-乙酸乙烯酯（EVA），硅胶(silicones)和聚烯烃弹性体（POE），（ii）热塑性塑料，如聚乙烯基缩丁醛（PVB）和离聚物(ionomer)，（iii）热塑性弹性体，如热塑性硅弹性体（TPSE）、热塑性聚烯烃（TPO），因为它们在性能和成本之间有较好的平衡。所有这些聚合物封装材料都必须通过适当的技术进行处理，并且必须使用适当的添加剂进行处理，如交联剂、稳定剂和粘接促进剂，以确保给电池封装提供充分的保护。封装聚合物材料的主要技术规范包括熔融温度、玻璃化转变温度和体积电阻率等。图3显示了聚合物封装材料的分类。根据它们的化学结构和化学键，形成了封装膜的化学交联或物理交联结构。本文对所有这些封装聚合物材料进行了讨论，表1总结了光伏组件封装材料的主要物理性能，以及它们作为封装胶膜的优缺点。
图3. 光伏组件中的封装聚合物及物性
表1. 光伏组件封装材料的主要物理性能，以及它们的优缺点
█ 交联型弹性体
在过去的二十年里，EVA是使用最广泛的封装材料，但尽管其配方得到了显著的改进，但它仍然表现出易黄变及相关的缺陷。EVA的降解现象也已经得到了广泛的研究和描述，根据文献，它的降解过程主要是去乙酰化、水解和光热分解。此外，紫外吸收剂、稳定剂和抗氧剂等添加剂的光热降解也可以加速EVA的光热降解。需要强调的是，光伏组件由于内部缺陷造成的局部温度就会上升，形成热斑，热斑的温度可以达到350℃，这个问题对所有聚合物封装材料都是一个巨大的问题，特别是对EVA。由于醋酸形成和挥发，导致组件分层和电子器件腐蚀。EVA必须通过加入合适的交联剂转变成交联型弹性体。EVA的过氧化物自由基交联是一个随机过程，考虑到低分子量交联剂的高挥发性，这个过程通常是在层压过程中发生的。EVA是一种很好的封装材料，因为它在具有良好的性价比。但是，EVA的易降解，以及乙酸的形成、黄变，使得光伏组件的生产商始终试图寻找其它性价比更好的材料。硅胶封装是基于硅、氢和氧原子（-Si（X，Y）-O-）组成的的无机-有机复合材料。其非常有应用前景，但由于其成本高和需要高度专业化的设备，硅胶封装很少有大规模应用。这些封装材料更适合于特殊条件下的应用，例如封装可供外太空使用的设备。众所周知，硅胶具有良好的化学稳定性、抗氧化性和耐热性，在紫外线范围内具有良好的透明度，以及极低的吸水性。但是，由于硅胶的性质，这些封装材料需要特定的加工条件和设备，更普遍地用于特殊的高性能应用场合。POE是乙烯和其它烯烃的共聚物，如丁烯或辛烯烃的共聚物，具有广阔的应用前景。POE可以通过茂金属催化合成，控制乙烯/共聚单体序列和共聚单体含量可以生产出具有特定弹性的聚合物。共聚单体单元的存在大大降低了聚乙烯的结晶度，因而POE的宏观力学行为可以通过分子量来控制。此外，POE具有很好的抗紫外线老化能力，而且暴露在阳光下不会变色，但POE本身浸润性较差，需要通过添加粘结助剂来改善其与玻璃和电池之间的粘接。此外，POE具有良好的电绝缘性能及阻水性能，可以保护光伏组件的电气性能和长期的耐候性。█ 热塑性塑料
聚乙烯醇缩丁醛（PVB）
PVB成本与EVA相似，但是PVB需要高温和高压进行层压封装。目前，通过对PVB成分的精准控制，PVB可以在较为温和的条件下，以及在较低的温度下，并在较短的真空层压时间内进行层压，这使得PVB封装性能得到一定的改善。与EVA相比，PVB具有良好的耐热，、耐光和耐氧化性，尽管改善了低压和低温度工艺，但依然需要使用不同的添加剂。此外，PVB容易吸水，从而表现出较高的水解倾向，这一点影响到了其大规模量产应用。当前有一种成本较高的光伏封装材料，基于乙烯和不饱和羧酸共单体，如乙烯-甲基丙烯酸共聚物。离聚物的合成生产成本很高，在过去的十年中，由于其良好的紫外稳定性，一直被认为是适用于电线和电缆。离聚物具有极性，自身能够物理交联，因此无需做化学交联。在某些特定的情况下，由于共构单体的化学性质，可能需要延长工艺时间，以确保封装膜和电池之间形成良好的粘接力。离聚物具有良好的机械性能和电学性能，小规模应用在薄膜太阳能组件，但对于晶硅组件的封装性价比较低。█ 热塑性弹性体
这种新型的封装材料结合了硅材料的良好的耐候性和易加工的热塑性。目前TPSE的合成和生产成本相对较高，因此还没有大规模应用，但有应用的前景。TPSE可以形成物理交联结构，通过控制塑料和弹性体单元的顺序和长度可以使其具备优异的机械性能、高阻水和电气绝缘。通过引入更多的硅单元，可以合成具有更宽应用温度范围的材料。TPO是一种新型的非交联的封装胶膜，用于替代EVA封装。据文献报道，TPO在人工加速老化测试后具有低变色，较好的光学性能和耐热老化。TPO封装胶膜是以乙烯-丙烯橡胶和乙烯-辛烯橡胶为基础的共聚物，其合成具有成本优势。其具有良好的力学性能和抗紫外线性能，根据文献记载，与EVA类似，其也会表现出变色和耐老化性降低，但是TPO降解不会产生挥发性和腐蚀性的副产物，如醋酸。醋酸可能会导致金属焊带和电池的腐蚀。太阳能电池可以使用不同的技术封装，如真空层压、高压釜辊压和铸造工艺，如表2所示。
表2. 当前晶硅光伏组件的封装工艺
应用最多的是真空层压，几乎可以应用于所有封装材料，如EVA，POE，TPSE，TPO，PVB和离聚物。温度一般控制在140~170℃，时间在7-20分钟。高压辊压常用于玻璃封装工艺，适用于PVB和TPSE，温度一般控制在140~170℃，时间在7-20分钟。硅胶常用浇铸工艺来封装光伏组件，在经过热处理和紫外处理之后形成三维结构。通常这个工艺只需要控制在80℃的温度，时间在20分钟。无论使用哪种封装材料或哪种工艺，封装材料必须提供足够的机械强度，电气安全性，同时保护光伏电子元件免受环境影响。4
本文主要介绍了晶硅电池光伏组件的封装材料，这里也简要介绍有机和钙钛矿太阳能电池的封装材料。关于有机和钙钛矿太阳能电池组件，大多表现出较差的稳定性。因此，在有机和钙钛矿太阳能电池的大规模工业生产和商业化之前，必须很好地解决组件稳定性差的问题。据文献记载，有机太阳能电池（单结）的功率转换效率已超过14%，有机-异质结组件的功率转换效率已超过17%，而钙钛矿太阳能电池的功率转换效率为23%，与传统的晶硅太阳能电池类似。根据文献报道，有机和钙钛矿太阳能电池的封装材料，主要在于防止水气和氧气的渗透是至关重要的。光伏组件的开发与组件功率的提效有关。晶硅光伏组件开发的主要方向是走向更轻和成本更低的组件，显然，这需要为下一代光伏组件提供更高性能的材料。目前，EVA尽管存在一些缺陷，但依旧是应用最广泛的封装材料。但对新封装材料的研究仍在继续。EVA降解会形成醋酸，这将导致电池和金属焊带的腐蚀，始终会影响这种封装材料的使用。因此TPO、POE等材料的的开发依旧在持续，对比EVA已经展现出更好的可靠性的优势。特别声明：索比光伏网所转载其他内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。—结束—
