光伏组件封装EVA的湿热老化研究
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Abstract： The damp heat aging of EVA for Photovoltaic module encapsulation was studied with FT － IR technology． The results indicate that the EVA in the module hydrolyze during the damp heat aging，and bring about acetic acid，raise the temperature and humidity will accelerate hydrolysis，and the EVA with higher water absorption rate may hydrolyze easier．
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张增明等 光伏组件封装 EVA 的湿热老化研究
光伏组件封装 EVA 的湿热老化研究
张增明，唐景，吕瑞瑞，林杰，彭丽霞，傅冬华 （ 阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏常熟，215562 ）
摘 要： 对光伏组件封装 EVA 胶膜的湿热老化进行了研究，采用 FT － IR 法对湿热老化中的 EVA 进行 测试和分析。实验结果表明，在湿热老化过程中，EVA 发生了水解反应，产生乙酸，提高温度和相对湿度均 会加快水解； EVA 吸水率越高，越容易发生水解。
表 3 加速湿热老化 EVA 羟基吸收峰强度 Tab． 3 Hydroxyl group absorption strength
under different condition
温度 /℃
相对湿度 /%
时间 /h
羟基吸收峰强度
105
90
12
0． 34
105
90
48
1． 24
105
95
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1． 68Βιβλιοθήκη Baidu
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关键词： EVA； 湿热老化； FTIR； 光伏 中图分类号： TK514
Study on the Damp Heat Aging of EVA for Photovoltaic Module Encapsulation
ZHANG Zeng-ming，TANG Jing，LV Rui-rui，LIN Jie，PENG Li-xia，FU Dong-hua （ CSI Photovoltaic Test Laboratory，Changshu 215562，Jiangshu，China）
图 1 EVA 在紫外照射下的老化机理 Fig． 1 The aging mechanism of EVA under UV irradiation
收稿日期： ： 2011 － 04 － 28
2011 年第 40 卷第 3 期
合成材料老化与应用
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构变化，进而推断 EVA 的湿热老化机理及其对组件 性能的影响，为组件的生产提供实际指导意义。
从图 4 中还可以看出，同样是玻璃面粘接处或 背板面粘接处，2# EVA 的羟基吸收锋较 1 #EVA 强 很多，说明 2#EVA 更容易水解，尤其是与玻璃粘接 处，水解程度很高，说明该 EVA 耐湿热性很差。图 5 是 2#EVA 样件经过不同湿热老化时间后，与玻璃 粘接处 EVA 的红外光谱图。
从图 5 中可以很直观看出 2#EVA 水解严重，除 了出现明显的羟基吸收锋外，经过 200 小时的湿热 老化，在 1561cm － 1 处出现了乙酸特征吸收峰，并且 随着时间的延长，该特征吸收锋越来越高，也就是产 生的乙酸越来越多。充分说明 2# EVA 耐湿热老化 性能较差，经过研究发现，这可能是该 EVA 含有较 多的亲水物 质，导 致 其 吸 水 率 较 高，进 而 更 容 易 水
吸水率测试： 将 EVA 胶膜放入 23℃ 的水中浸 泡 24 小时，测其浸泡前后质量变化率［5］。 1． 4 测试分析
FT － IR 测试： ATR 法，NICOLET Is10 型傅立叶 红外光谱仪
2． 结果与讨论
2． 1 光伏组件湿热老化后 EVA 的红外分析
图 2 DH1000h 后组件中 EVA 的红外光谱图 曲线 1—老化前 EVA； 曲线 2—DH1000 后与背板粘接的 EVA； 曲线 3—DH1000 后与玻璃粘接的 EVA
1． 43
与玻璃粘接的 EVA
3． 97
3． 56
上述结果说明，与玻璃粘接处的 EVA 较与背板
粘接处的 EVA 水解更明显，而我们传统观点认为水 汽主要通过背板进入组件，实验结果与传统观点相 违背，为此我们进行了更细致的实验。 2． 2 小样件湿热老化后的 EVA 的红外分析
1#、2#两种 EVA 制成的小样件湿热老化后，去 除玻璃和背板，分别对与玻璃和背板粘接的 EVA 进
1 实验部分
1． 1 主要原材料 国产 某 EVA 胶 膜 （ 1# ） 和 进 口 某 EVA 胶 膜
（ 2#） 、背板、玻璃。 1． 2 主要仪器
傅立叶红外光谱仪、湿热老化箱。 1． 3 试验方法
湿热老化试验： 将组件或自制小层压样件（ 玻 璃 / EVA / EVA / 背板） 放入一定条件的湿热箱中进行 老化，每隔一段时间后取出，去除玻璃和背板后，采 用傅立叶红外 光 谱 ATR 法 分 别 对 EVA 的 上 下 面 （ 即与玻璃和背板粘结面） 进行测试。
图 3 EVA 湿热老化水解机理 Fig． 3 The hydrolysis mechanism of EVA
组件内 EVA 水 解 产 生 的 乙 酸 不 但 会 腐 蚀 玻 璃［7］和背板，破坏 EVA 与玻璃和背板的粘接，导致 粘接强度下 降，还 会 腐 蚀 电 极 和 焊 带［8］，严 重 影 响 组件的电性能。所以 EVA 的水解对组件危害很大。 从图 2 中还可以看出，经过湿热老化 1000 小时后， 与玻璃和背板粘接的 EVA 水解程度不一样，与玻璃 粘接的 EVA 水解更严重些，采用水平基线法分别测 定羟 基 吸 收 峰 和 乙 酸 特 征 吸 收 强 度，结 果 如 表 1 所示。
（ 下转第 31 页）
2011 年第 40 卷第 3 期
合成材料老化与应用
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in natural rubber with 2，4 － dinitrophenylhydrazine［J］． Rubber． Research Institute of Malaysia，1977，25 （ 2） ： 61 － 68． ［14］ Sin S W． Storage hardening in natural rubber， Chemistry Division Report， No 76， Rubber Research Institute of Malaya，1969． ［15］ Tangpakdee J，Tanaka Y． Characterization of sol and gel in Hevea natural rubber［J］． Rubber Chemistry and Technology，1997，70 （ 5） ： 707 － 713． ［16］ Yunyongwattanakorn J，Tanaka Y． Kawahara S，Klinklai W． Effect of non － rubber components on storage hardening and gel formation of natural rubber during accelerated storage under various conditions［J］． Rubber Chemistry and Technology，2003，76 （ 5） ： 1228 － 1240． ［17］ Gregg E Jr，Macey J． The relationship of properties of synthetic poly（ isoprene） and natural rubber in the factory． The effect of non － rubber constitu-
表 1 组件 DH1000h 后 EVA 的羟基和乙酸特征吸收峰高度 Tab． 1 The absorption strength of hydroxyl group and acetic
acid after DH1000h
羟基吸收高度 乙酸特征吸收峰高度
（ %）
（ %）
与背板粘接的 EVA
2． 07
样品 1# 2#
吸水率（ 24h） / % 0． 23 0． 27
水溶物含量 /% 0． 09 0． 17
2． 3 影响 EVA 水解因素 按背板 / EVA / EVA / 背板制成小样件，放入加速
湿热老化箱中进行加速湿热老化，然后剥离背板，对 其中 EVA 进行红外测试，计算各条件下的水解羟基 吸收峰的强度，如表 3 所示。
图 5 与玻璃面粘接处的 2# EVA 在不同湿热时间下 的红外光谱图
Fig． 5 FT － IR of 2# EVA with different aging time
解。表 2 是两种 EVA 胶膜的吸水率和水溶物含量。
表 2 两种 EVA 吸水率 Tab． 2 Absorption rate of EVA
中的 EVA 明显变黄，玻璃与 EVA 粘接界面出现气 泡，与玻璃和背板的粘接强度明显下降。去除玻璃 和背板后，对剩下的电池片正反两面的 EVA（ 即分 别与玻璃粘接和与背板粘接的 EVA） 进行红外 ATR 法测试，结果如图 2 所示。
从图 2 中可以看出，经过湿热老化以后，组件中 的 EVA 在 3400cm － 1 处出现明显的羟基吸收峰，且 在 1561cm － 1 处出现乙酸的特征吸收峰［6］，说明 EVA 已经部分水解，产生部分醇羟基，并产生一定量的乙 酸，水解过程如图 3 所示。
100
48
2． 85
110
95
48
2． 48
120
95
48
3． 12
从表 3 中可以看出，同样在 105℃ 和 90% 的相 对湿度下，老化 48 小时后的羟基吸收峰强度较 12 小时的大； 105℃ ，48 小时下，相对湿度越大，羟基吸 收峰强度也越大； 在相对湿度为 95% ，48 小时下，温 度越高，羟基吸收峰强度越大。说明增加湿度和温 度均会加快 EVA 的水解，延长老化时间，EVA 水解 程度变大。
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张增明等 光伏组件封装 EVA 的湿热老化研究
行红外测试，采用基线法得到羟基吸收峰强度，结果 如图 4 所示。
图 4 羟基吸收峰高度与湿热时间的关系 注： 样件为“玻璃 / EVA / EVA / 背板”层压试件 Fig． 4 Relation between hydroxyl group strength and aging time
Key words： EVA； damp heat aging； FTIR； photovoltaic
作为光电转换的光伏组件需要在户外使用 25 年，长期暴露于光、热、氧、水等复杂环境中，这就要 求组件材料具有良好的耐候性。组件各材料中，起 封装作用的 EVA（ 乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物） ，综 合性能良好，是目前光伏组件中最常用封装材料，但 是该材料自身化学结构不稳定，所以耐老化性能相 对较差，虽然在 EVA 胶膜中添加了紫外吸收剂、紫 外光稳定剂、抗氧化剂和交联剂等各种不同的添加 剂来提高其耐老化性能，但是仍有很多不足，在使用 过程中常出现黄变、脱层、气泡、腐蚀电极等现象，严 重影响组件的性能和使用寿命，所以必须克服这些 缺陷，要克服这些缺陷就必须对 EVA 的使用和老化 过程进行深入研究，特别是 EVA 的老化机理研究， 目前文献中多数报道的是关于 EVA 在紫外照射下 的老化，老化机理是 Norrish Type Ⅰ和 Norrish Type Ⅱ［1 ～ 4］，如图 1 所示。在实际使用中，组件除了暴露 在紫外照射下之外，还会暴露于高温高湿、低温、高 低温交替等较恶劣环境中。高温高湿环境对 EVA
从图 4 中可以看出，随着老化的进行，羟基吸收 峰越来越强，说明随着湿热时间的延长，EVA 水解 越来越严重； 同种型号 EVA 制成的样件，经过湿热 老化后，与玻璃粘接的 EVA 较背板面 EVA 水解程 度高，这也进一步证实了上述组件湿热老化后的现 象，也就是说光伏组件在湿热环境中，与玻璃粘接的 EVA 更容易水解。这可能是因为作为无机材料的 玻璃表面具有良好的亲水性，水汽从组件边缘渗入 玻璃与 EVA 的粘接面，并逐渐往内部扩散，渗入的 水汽 又 不 能 透 过 玻 璃 跑 出，水 汽 逐 渐 富 集，导 致 EVA 与玻璃的粘接强度下降和 EVA 水解。由于水 汽不能透过玻璃进入组件，进入玻璃与 EVA 粘接处 的水汽主要是通过组件边缘逐渐渗入，这就要求组 件在装框时的密封剂具有良好的隔水汽性能，从而 抑制水汽进入组件。
的性能影响很大，长期暴露于这样的环境下的 EVA 会出现气泡、发黄、脱层等现象，大大降低组件的电 性能，甚至 造 成 组 件 完 全 失 效，耐 湿 热 老 化 性 能 是 EVA 的一项重要指标，目前文献中还没有关于 EVA 湿热老化的系统研究报道。本实验采用傅立叶红外 光谱技术，对光伏组件在湿热老化过程中的常见现 象进行了研究，通过测试和分析老化前后 EVA 的结
Fig． 2 FT － IR of EVA after DH1000h curve 1 the initiative EVA； curve 2 the EVA adhesive with backsheet； curve 3 the EVA adhesive with glass
将一块组件放入 85℃ ，相对湿度 85% 的湿热箱 中进行湿热老化 1000 小时（ DH1000h） 后，发现组件
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张增明等 光伏组件封装 EVA 的湿热老化研究
光伏组件封装 EVA 的湿热老化研究
张增明，唐景，吕瑞瑞，林杰，彭丽霞，傅冬华 （ 阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏常熟，215562 ）
摘 要： 对光伏组件封装 EVA 胶膜的湿热老化进行了研究，采用 FT － IR 法对湿热老化中的 EVA 进行 测试和分析。实验结果表明，在湿热老化过程中，EVA 发生了水解反应，产生乙酸，提高温度和相对湿度均 会加快水解； EVA 吸水率越高，越容易发生水解。
表 3 加速湿热老化 EVA 羟基吸收峰强度 Tab． 3 Hydroxyl group absorption strength
under different condition
温度 /℃
相对湿度 /%
时间 /h
羟基吸收峰强度
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关键词： EVA； 湿热老化； FTIR； 光伏 中图分类号： TK514
Study on the Damp Heat Aging of EVA for Photovoltaic Module Encapsulation
ZHANG Zeng-ming，TANG Jing，LV Rui-rui，LIN Jie，PENG Li-xia，FU Dong-hua （ CSI Photovoltaic Test Laboratory，Changshu 215562，Jiangshu，China）
图 1 EVA 在紫外照射下的老化机理 Fig． 1 The aging mechanism of EVA under UV irradiation
收稿日期： ： 2011 － 04 － 28
2011 年第 40 卷第 3 期
合成材料老化与应用
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构变化，进而推断 EVA 的湿热老化机理及其对组件 性能的影响，为组件的生产提供实际指导意义。
从图 4 中还可以看出，同样是玻璃面粘接处或 背板面粘接处，2# EVA 的羟基吸收锋较 1 #EVA 强 很多，说明 2#EVA 更容易水解，尤其是与玻璃粘接 处，水解程度很高，说明该 EVA 耐湿热性很差。图 5 是 2#EVA 样件经过不同湿热老化时间后，与玻璃 粘接处 EVA 的红外光谱图。
从图 5 中可以很直观看出 2#EVA 水解严重，除 了出现明显的羟基吸收锋外，经过 200 小时的湿热 老化，在 1561cm － 1 处出现了乙酸特征吸收峰，并且 随着时间的延长，该特征吸收锋越来越高，也就是产 生的乙酸越来越多。充分说明 2# EVA 耐湿热老化 性能较差，经过研究发现，这可能是该 EVA 含有较 多的亲水物 质，导 致 其 吸 水 率 较 高，进 而 更 容 易 水
吸水率测试： 将 EVA 胶膜放入 23℃ 的水中浸 泡 24 小时，测其浸泡前后质量变化率［5］。 1． 4 测试分析
FT － IR 测试： ATR 法，NICOLET Is10 型傅立叶 红外光谱仪
2． 结果与讨论
2． 1 光伏组件湿热老化后 EVA 的红外分析
图 2 DH1000h 后组件中 EVA 的红外光谱图 曲线 1—老化前 EVA； 曲线 2—DH1000 后与背板粘接的 EVA； 曲线 3—DH1000 后与玻璃粘接的 EVA
1． 43
与玻璃粘接的 EVA
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3． 56
上述结果说明，与玻璃粘接处的 EVA 较与背板
粘接处的 EVA 水解更明显，而我们传统观点认为水 汽主要通过背板进入组件，实验结果与传统观点相 违背，为此我们进行了更细致的实验。 2． 2 小样件湿热老化后的 EVA 的红外分析
1#、2#两种 EVA 制成的小样件湿热老化后，去 除玻璃和背板，分别对与玻璃和背板粘接的 EVA 进
1 实验部分
1． 1 主要原材料 国产 某 EVA 胶 膜 （ 1# ） 和 进 口 某 EVA 胶 膜
（ 2#） 、背板、玻璃。 1． 2 主要仪器
傅立叶红外光谱仪、湿热老化箱。 1． 3 试验方法
湿热老化试验： 将组件或自制小层压样件（ 玻 璃 / EVA / EVA / 背板） 放入一定条件的湿热箱中进行 老化，每隔一段时间后取出，去除玻璃和背板后，采 用傅立叶红外 光 谱 ATR 法 分 别 对 EVA 的 上 下 面 （ 即与玻璃和背板粘结面） 进行测试。
图 3 EVA 湿热老化水解机理 Fig． 3 The hydrolysis mechanism of EVA
组件内 EVA 水 解 产 生 的 乙 酸 不 但 会 腐 蚀 玻 璃［7］和背板，破坏 EVA 与玻璃和背板的粘接，导致 粘接强度下 降，还 会 腐 蚀 电 极 和 焊 带［8］，严 重 影 响 组件的电性能。所以 EVA 的水解对组件危害很大。 从图 2 中还可以看出，经过湿热老化 1000 小时后， 与玻璃和背板粘接的 EVA 水解程度不一样，与玻璃 粘接的 EVA 水解更严重些，采用水平基线法分别测 定羟 基 吸 收 峰 和 乙 酸 特 征 吸 收 强 度，结 果 如 表 1 所示。
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2011 年第 40 卷第 3 期
合成材料老化与应用
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in natural rubber with 2，4 － dinitrophenylhydrazine［J］． Rubber． Research Institute of Malaysia，1977，25 （ 2） ： 61 － 68． ［14］ Sin S W． Storage hardening in natural rubber， Chemistry Division Report， No 76， Rubber Research Institute of Malaya，1969． ［15］ Tangpakdee J，Tanaka Y． Characterization of sol and gel in Hevea natural rubber［J］． Rubber Chemistry and Technology，1997，70 （ 5） ： 707 － 713． ［16］ Yunyongwattanakorn J，Tanaka Y． Kawahara S，Klinklai W． Effect of non － rubber components on storage hardening and gel formation of natural rubber during accelerated storage under various conditions［J］． Rubber Chemistry and Technology，2003，76 （ 5） ： 1228 － 1240． ［17］ Gregg E Jr，Macey J． The relationship of properties of synthetic poly（ isoprene） and natural rubber in the factory． The effect of non － rubber constitu-
表 1 组件 DH1000h 后 EVA 的羟基和乙酸特征吸收峰高度 Tab． 1 The absorption strength of hydroxyl group and acetic
acid after DH1000h
羟基吸收高度 乙酸特征吸收峰高度
（ %）
（ %）
与背板粘接的 EVA
2． 07
样品 1# 2#
吸水率（ 24h） / % 0． 23 0． 27
水溶物含量 /% 0． 09 0． 17
2． 3 影响 EVA 水解因素 按背板 / EVA / EVA / 背板制成小样件，放入加速
湿热老化箱中进行加速湿热老化，然后剥离背板，对 其中 EVA 进行红外测试，计算各条件下的水解羟基 吸收峰的强度，如表 3 所示。
图 5 与玻璃面粘接处的 2# EVA 在不同湿热时间下 的红外光谱图
Fig． 5 FT － IR of 2# EVA with different aging time
解。表 2 是两种 EVA 胶膜的吸水率和水溶物含量。
表 2 两种 EVA 吸水率 Tab． 2 Absorption rate of EVA
中的 EVA 明显变黄，玻璃与 EVA 粘接界面出现气 泡，与玻璃和背板的粘接强度明显下降。去除玻璃 和背板后，对剩下的电池片正反两面的 EVA（ 即分 别与玻璃粘接和与背板粘接的 EVA） 进行红外 ATR 法测试，结果如图 2 所示。
从图 2 中可以看出，经过湿热老化以后，组件中 的 EVA 在 3400cm － 1 处出现明显的羟基吸收峰，且 在 1561cm － 1 处出现乙酸的特征吸收峰［6］，说明 EVA 已经部分水解，产生部分醇羟基，并产生一定量的乙 酸，水解过程如图 3 所示。
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从表 3 中可以看出，同样在 105℃ 和 90% 的相 对湿度下，老化 48 小时后的羟基吸收峰强度较 12 小时的大； 105℃ ，48 小时下，相对湿度越大，羟基吸 收峰强度也越大； 在相对湿度为 95% ，48 小时下，温 度越高，羟基吸收峰强度越大。说明增加湿度和温 度均会加快 EVA 的水解，延长老化时间，EVA 水解 程度变大。
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张增明等 光伏组件封装 EVA 的湿热老化研究
行红外测试，采用基线法得到羟基吸收峰强度，结果 如图 4 所示。
图 4 羟基吸收峰高度与湿热时间的关系 注： 样件为“玻璃 / EVA / EVA / 背板”层压试件 Fig． 4 Relation between hydroxyl group strength and aging time
Key words： EVA； damp heat aging； FTIR； photovoltaic
作为光电转换的光伏组件需要在户外使用 25 年，长期暴露于光、热、氧、水等复杂环境中，这就要 求组件材料具有良好的耐候性。组件各材料中，起 封装作用的 EVA（ 乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物） ，综 合性能良好，是目前光伏组件中最常用封装材料，但 是该材料自身化学结构不稳定，所以耐老化性能相 对较差，虽然在 EVA 胶膜中添加了紫外吸收剂、紫 外光稳定剂、抗氧化剂和交联剂等各种不同的添加 剂来提高其耐老化性能，但是仍有很多不足，在使用 过程中常出现黄变、脱层、气泡、腐蚀电极等现象，严 重影响组件的性能和使用寿命，所以必须克服这些 缺陷，要克服这些缺陷就必须对 EVA 的使用和老化 过程进行深入研究，特别是 EVA 的老化机理研究， 目前文献中多数报道的是关于 EVA 在紫外照射下 的老化，老化机理是 Norrish Type Ⅰ和 Norrish Type Ⅱ［1 ～ 4］，如图 1 所示。在实际使用中，组件除了暴露 在紫外照射下之外，还会暴露于高温高湿、低温、高 低温交替等较恶劣环境中。高温高湿环境对 EVA
从图 4 中可以看出，随着老化的进行，羟基吸收 峰越来越强，说明随着湿热时间的延长，EVA 水解 越来越严重； 同种型号 EVA 制成的样件，经过湿热 老化后，与玻璃粘接的 EVA 较背板面 EVA 水解程 度高，这也进一步证实了上述组件湿热老化后的现 象，也就是说光伏组件在湿热环境中，与玻璃粘接的 EVA 更容易水解。这可能是因为作为无机材料的 玻璃表面具有良好的亲水性，水汽从组件边缘渗入 玻璃与 EVA 的粘接面，并逐渐往内部扩散，渗入的 水汽 又 不 能 透 过 玻 璃 跑 出，水 汽 逐 渐 富 集，导 致 EVA 与玻璃的粘接强度下降和 EVA 水解。由于水 汽不能透过玻璃进入组件，进入玻璃与 EVA 粘接处 的水汽主要是通过组件边缘逐渐渗入，这就要求组 件在装框时的密封剂具有良好的隔水汽性能，从而 抑制水汽进入组件。
的性能影响很大，长期暴露于这样的环境下的 EVA 会出现气泡、发黄、脱层等现象，大大降低组件的电 性能，甚至 造 成 组 件 完 全 失 效，耐 湿 热 老 化 性 能 是 EVA 的一项重要指标，目前文献中还没有关于 EVA 湿热老化的系统研究报道。本实验采用傅立叶红外 光谱技术，对光伏组件在湿热老化过程中的常见现 象进行了研究，通过测试和分析老化前后 EVA 的结
Fig． 2 FT － IR of EVA after DH1000h curve 1 the initiative EVA； curve 2 the EVA adhesive with backsheet； curve 3 the EVA adhesive with glass
将一块组件放入 85℃ ，相对湿度 85% 的湿热箱 中进行湿热老化 1000 小时（ DH1000h） 后，发现组件