EVA封装胶膜研究进展与发展趋势_周先国

三 ＥＶＡ 封装胶膜及其工艺分析 目前，市场上电池封装材料普遍采用 EVA 胶
膜。EVA 是乙烯与醋酸乙烯酯(VA)的共聚物，其 结构如图 3 所示。
(CH 2
—
CH2)m
—(CH
—
CH2)m
—O—
O ＝ C — CH3
图 3 EVA 聚合物结构式
EVA 是一种热熔性塑料，其性能与 VA 含量 及熔融指数(MI)有关。当 MI 一定时，VA 的含量 增高，EVA 的弹性、柔软性、粘合性、透明性和 溶解性提高；VA 的含量降低，EVA 则接近于 PE (聚乙烯)的性能，刚性变大、耐磨及电绝缘性上 升。当 VA 含量一定时，MI 增加，分子量降低，软 化点下降而加工性及光泽性改善，但强度低；反之 MI 降低，分子量增大，可提高耐冲击性和应力开 裂性[8,9]。目前太阳电池 EVA 封装胶膜 VA 含量一 般在 30%～33%，是一种热固性的膜状热熔胶，常 温下不发粘，便于操作。
60,000
120
111.52%
50,000
全球EVA需求量 需求增长率
100
40,000
80
30,000
60
20,000 10,000
24.27%
40 31.17%
13.63% 20
0
7.81%
12.18%
0
2010 年 2011 年 2012 年 2013 年 2014 年 2015 年
图 1 2010～2015 年全球太阳能 EVA 胶膜 市场需求量与增长率及预测（EPIA）
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委员会召开光伏组件用高性能 EVA 胶膜评审会。 经讨论认定，由温州瑞阳光伏材料有限公司和杜邦 公司合作研制的“瑞福REVAX”EVA 胶膜性能达 到国际先进水平，产品分别经1000h 紫外老化、热 老化和湿热老化试验后，黄变指数均小于2[12,13]。此 外，国内很多高校及科研机构也对 EVA 封装胶膜 行了相关研究，如华东理工大学、华南理工大学、 中国科学技术大学和南京大学等也相继开展了相 关科研项目。国内科研机构及企业在 EVA 胶膜研 发方面申请国家发明专利和实用新型专利多达几 百个。可见，国内太阳能 EVA 封装胶膜的研发实 力与产品质量都在不断提升。
中国是世界上最大的太阳电池及组件的生产
表１ ２０１０～２０１５年全球太阳能新增装机容量与对应ＥＶＡ胶膜市场需求量及预测
项目 新增装机容量 /MW 1MW 对应 EVA 需求量 / 万 m2 全球 EVA 需求量 / 万 m2 需求增长率 /%
2010 年 16629 1.32 21950.28 111.52
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ＥＶＡ 封装胶膜研究进展与发展趋势
江苏爱康太阳能科技股份有限公司 ■ 周先国 韩继昌 康裾昆 王永德 中国科学技术大学核科学技术学院 ■ 张 军
摘 要：介绍了光伏组件的封装过程，ＥＶＡ 封装胶膜的特点、生产工艺及发展历程，并分析和探讨了 近年来 ＥＶＡ 封装胶膜国内外研究进展与未来发展趋势。
四 国内外研究进展 各国学者和企业界人士都强烈意识到，太阳
电池的封装材料是提高光伏组件寿命、降低系统 成本的一个关键因素。为推进光伏发电产业的发 展，早在 20 世纪 70 年代，美国 Jet Propulsion 和 Springborn 实验室就开始研究太阳电池封装材料， 国家可再生能源实验室(NREL)的 F.J.Pern 等在太 阳电池封装材料研制领域中也做了大量卓有成效 的工作。在太阳电池封装材料的发展过程中，如有 机硅树脂、环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙 烯－丙烯酸甲酯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等聚 合物都曾被试用，但因成本、性能、施工方式等各 种原因，都被淘汰或仅在小范围内应用。如 PVB 早在20世纪70年代就已开始用于太阳电池封装材 料，其抗紫外线老化、透明性、与玻璃粘接力以及 存放时间(可长达 4 年，而 EVA 仅为 6个月)都优于 目前应用最广的封装材料EVA，但因其成本较高、
为满足光伏组件 25 年的使用年限要求，国际
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电工委员会和美国保险商实验室等针对光伏组件 出台了 IEC 61215 及 UL 1703 等测试标准，作为 封装材料的 EVA 胶膜必须满足各方面的性能测 试。为提高太阳能封装胶膜的各方面性能，需在 EVA 胶膜生产过程中添加各种助剂，如抗氧剂、 光稳定剂和增粘剂等。但添加助剂与层压过程中 残留的交联剂间的缓慢反应会导致生色基团的产 生，从而使 EVA 胶膜在长期使用过程中变黄，透 光率降低。同时，EVA 成膜采用的是双螺杆挤出 机挤压成型工艺，不同的 EVA 基料、EVA 胶膜的 配方，选择不同的挤压温度等生产工艺，对提高 EVA 胶膜的各方面性能至关重要。此外，除 EVA 胶膜本身的质量外，在组件生产过程中层压机的 层压工艺影响也非常大，如 EVA 交联度不达标， EVA 与封装玻璃、背板粘结强度不够，都会使光 伏组件提早老化，影响组件使用寿命。因此，EVA 化学组成，胶膜生产配方、结构和性能以及胶膜的 应用条件等对光伏组件室外使用寿命、光电转换 效率的关系都需进一步系统研究[10,11]。
目前，除小功率(5W 以下)的光伏组件表面采 用环氧树脂进行胶封外，对大功率的光伏组件，常 见封装结构如图2所示，表面用透过率大于90%的 玻璃，厚 3mm，太阳电池的上、下两层为抗老化 的高分子聚合物(EVA 胶膜)，衬底用复合塑料膜 (TPT塑料)，五层材料经层压机高温层压后加上铝 合金框密封就得到完整的光伏组件[3]。上表面封装 材料也可用高分子薄膜来代替封装玻璃，例如表 面采用一层 PET 聚酯薄膜，衬底改为印制电路板 加强其牢度，PET 的透过率在 85% 以上，这种封 装模式可减轻光伏组件的质量，并降低成本。同 时，也有上下表面都用太阳能玻璃封装，光伏组件 与建筑材料相结合的光伏幕墙(BIPV)式封装就是 一种双层玻璃结构，把光伏组件作为建筑的一部 分，与整个建筑物融为一体，对建筑物既起到装饰 作用又达到了光伏发电的目的。
基地。2007 年中国太阳电池产量已经跃居世界第 一，到 2010 年产量达到 10.7GW，已占据全球产 量的半壁江山。我国涉及太阳能的生产企业也达 到 3000 多家，从业人员多达百万人，产业发展迅 速。从表 1 与图 1 中可以看出，伴随着世界和中国 光伏发电产业的快速发展，太阳电池组件封装材 料EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)胶膜市场也得到 快速增长，许多企业纷纷进入这一行业。本文将重
关键词：组件封装；ＥＶＡ 胶膜；研究进展；发展趋势
一 引言 近年来世界光伏发电产业呈现出良好的发展
趋势，光伏组件的产量、安装量都在不断增加。 2010 年全球太阳电池产量约 24GW，并网光伏系 统安装量累计将达到 40GWp，光伏发电以其独特 的优势备受青睐[1,2]。世界各国都非常重视光伏产
业的发展，目前美国、欧洲和日本等都制订了中长 期太阳能光伏发展计划。按照这些计划，到 2020 年全球光伏装机容量将达到 1000GW，其发电量 将占总发电量的 5% 左右。随着技术的进步，或许 未来的实际进程还将超出这一规划。
光伏组件封装方式虽稍有差异，但普遍采用
的封装胶膜都是高分子聚合物，目前主要是 EVA 胶膜。因高分子聚合物和太阳电池及其他材料的 热膨胀系数存在差异，会导致电池开裂、封装材料 的断裂或与其他材料分离，因此封装胶膜必须能 包容组件中不同材料的热膨胀系数差异，不会对 太阳电池和其他材料有内应力作用[4]。为达到此要 求，封装胶膜需具有很好的黏弹性。同时，为保证 太阳电池可较好地利用太阳光，还要求封装胶膜 在太阳电池可利用光谱范围内具有良好的透光率。 此外，从经济和实际应用考虑，封装胶膜还应满足 的要求为：低成本、低吸水性和渗水率、良好的抗 紫外线降解和热氧化能力，从而为光伏组件室外 应用提供物理隔离、电绝缘、抗老化等作用，提高 组件的使用寿命[5～7]。
我国在20 世纪80 年代后期开始引进太阳电池 生产线，同时从美国进口封装胶膜。EVA胶膜市场 一直被国外化工巨头(杜邦、三井化学、普利司通 等)垄断，我国的 EVA 胶膜生产只能满足部分光伏 组件企业的需求，国内市场存在较大缺口。为改变 每年进口封装材料的被动局面，国家科委将 EVA 胶膜国产化列入“八五”攻关计划。为实现EVA 胶 膜国产化，很多科研单位于 20 世纪 80 年代后期都 开始 EVA 封装胶膜的研究。浙江省化工研究院于 20世纪80年代后期开始研发，1998年成功研制JME 型 EVA 胶囊，其透光率、粘接强度、交联度等性 能指标基本达到进口产品水平，随后建成了国内第 一条自控程度较高的 EVA 胶膜生产线，能够年产 幅度达 1m 以上的 EVA 胶膜 30 万 m2。后又将第二 代快速固化胶膜推向市场，现年产能力100余万m2。
生产周期较长，现在也仅占有约15%的市场份额。 目前，世界各地的光伏组件的生产商普遍采
用 EVA 胶膜作为封装材料。为进一步提高光伏组 件使用寿命，促进光伏发电的推广应用，发达国家 己对光伏组件的封装材料提出了长达30年寿命的 研究目标，并为这个目标投入了大量的资金和人 力。然而，目前的 EVA 封装材料还难以达到这一 要求。
五 未来发展趋势 长期以来，中国光伏产业“两头向外”的特征
明显，一头产业链上游的硅料和硅锭生产等高端原 材料和技术需从国外进口，另一头产业链下游的光 伏应用产品主要销往国外。光伏行业排名前五名企 业几乎90%以上的产品都是用于出口国外，而上游 的硅料和硅锭生产也在很长时间依靠国外的技术， 对国际市场依赖性大，受国际原材料价格影响也很 大。最近欧洲各国相继宣布将下调2012年的光伏补 贴，美国商务部也正式宣布对中国出口美国的太阳 电池(组件)发起反倾销和反补贴调查。加上光伏产 品价格持续深跌，国内很多光伏企业将可能出现破 产或者大幅度亏损，光伏产业的“冬天”已经来临。
2011 年 21145 1.29 27277.05 24.27
2012 年 23155 1.27 29406.85 7.81
2013 年 31360 1.23 38572.80 31.17
2014 年 36670 1.18 43270.60 12.18
2015 年 43900 1.12 49168.00 13.63
随着我国自主研发生产能力的增强，国内产 品也渐渐有所展露，如杭州福斯特热熔膜有限公 司、深圳市斯威克科技有限公司、温州瑞阳光伏材 料有限公司、广州鹿山新材料股份有限公司、江苏 爱康太阳能科技股份有限公司、台湾塑胶工业股 份有限公司等企业都相继进入EVA胶膜的研发与 生产行列，并且生产规模发展迅速。而国内 EVA 胶膜的生产原材料供应商也有北京有机化工、北 京华美、南京扬巴石化、燕山石化、四川维尼纶厂 等企业。其中，杭州福斯特可以说是国内 EVA 胶 膜企业高端产品的代表者，2010 年杭州福斯特的 销售额超过3 亿元，净利率超过20%。成立于2006 年的温州瑞阳光伏材料有限公司可以说是后起之 秀，2009 年 8 月，中国可再生能源学会光伏专业
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EVA需求量/万m2 增长率 / %
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点介绍近年来太阳电池EVA封装胶膜的研究进展 和未来发展趋势。
二 光伏组件的封装 光伏组件是光伏发电系统的核心部分，其作
用是将太阳能转换为电能。太阳电池若直接暴露 于大气中，其光电转换效率易衰减，性能会大大降 低。良好的电池封装不仅可使组件的寿命得到保 证，而且还可增强组件的抗击强度。封装流程在光 伏组件生产中起着至关重要的作用，其封装材料 的选择也显得尤为重要。
不过，通过光伏企业的产业整合及国内光伏 市场的不断开拓，很多业内人士仍看好光伏产业的 发展前景，光伏产业的春天很快会来临。根据相关 机构测算，2020 年世界光伏系统累计装机容量设 置为 200GWp，这就需要高性能 EVA 封装胶膜约 30 亿 m2。所以太阳电池EVA封装胶膜仍然有广阔 的市场前景。现在国内 EVA 封装胶膜在产品质量 上与国外产品相比还有一定差距，知名太阳电池 厂家如无锡尚德、浙江昱辉、江苏CSL、天合光能、 江苏韩华、河北晶澳、中电光伏、江西塞维等在海 外上市企业所需胶膜还是以进口为主。进口 EVA