光伏組件封裝EVA的熱空氣老化研究

1、16張增明等光伏組件封裝EVA的熱空氣老化研究光伏組件封裝EVA的熱空氣老化研究張增明，彭麗霞，呂瑞瑞，唐景，傅冬華（阿特斯陽光電力科技有限公司，江蘇常熟215562）摘要：對光伏組件封裝EVA膠膜進行了熱空氣老化研究。將EVA膠膜置于不同溫度下進行熱空氣GPC、DSC技術(shù)對老化后的老化，測試了老化過程中EVA的抗拉強度、透光率和黃度指數(shù)，采用FTIR、EVA進行分析。結(jié)果表明，EVA的抗拉強度快速下降，隨著老化的進行，老化溫度越高，抗拉強度下降越快，甚至完全失效，失去彈性；老化過程中EVA會變黃，透光率逐漸下降；老化失效原因主要是發(fā)生氧化降解，EVA的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，進而失去力學性能。關(guān)鍵

2、詞：EVA，熱老化，抗拉強度，透光率，光伏中圖分類號：TK514StudyontheHot-airAgingofEVAforPVModuleEncapsulationZHANGZeng-ming，PENGLi-xia，LVRui-rui，TANGJing，F(xiàn)UDong-hua（CSIPhotovoltaicTestLaboratory，Changshu215562，Jiangsu，China）Abstract：Thepapermainlystudiedthehot-airagingofEVAforPVmoduleencapsulationThetensilestrengthoftheEVAfi

3、lmagingatdifferenttemperaturewastested，andthepropertyofthefilmwasanalyzedbyFTIR，GPC，DSCtechnologyTheresultsindicatethatthetensilestrengthwilldeclineobviouslyduringtheaging，andraisethetemperature，thestrengthdeclinemorequickly，evenloseelasticitycompletely；thefilmwillbecomeyellow，sothelighttransmittanc

4、edecreasegraduallyduringtheaging；theEVAisdegraded，thenetstructureisdestroyedduringaging，sothatthefilmlosemechanicalpropertyKeywords：EVA，hot-airaging，tensilestrength，lighttransmittance，photovoltaic光伏組件長期暴露于光、熱、氧、水等復雜環(huán)境中，這就要求組件材料具有良好的耐熱、耐紫外、耐水、耐氧化等綜合性能。組件中的封裝材料起到固定、保護電池片的作用，目前光伏組件中最常用封裝材料是EVA（乙烯和醋酸乙烯酯

5、的共聚物），它具有粘結(jié)性、操作性、價格便宜，但是該材良好的透光性、料自身化學結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在紫外環(huán)境下容易降解，并容易被氧化和水且分子結(jié)構(gòu)中存在叔氫和醋酸酯，解，雖然EVA在組件內(nèi)部，但是氧氣、水汽仍會透過組件的背板進入封裝材料，對封裝材料造成氧化、腐蝕，尤其在高溫環(huán)境下，這種氧化、腐蝕會進行得更從而導致EVA在使用過程中常出現(xiàn)黃變、脫層、快，氣泡、腐蝕電極等現(xiàn)象，嚴重影響組件的性能和使用15。提高EVA耐候性能的主要方法是在壽命收稿日期：20111125EVA膠膜中添加紫外吸收劑、紫外穩(wěn)定劑、抗氧化劑和交聯(lián)劑等，其中，原材料的選用、配方設(shè)計是關(guān)目前生產(chǎn)EVA膠膜的廠家較多，但是產(chǎn)品質(zhì)量鍵，參差

6、不齊，耐熱氧老化、紫外、濕熱等性能差異較大，本文選用國內(nèi)外最常用的EVA膠膜進行熱空氣老化實驗，研究了力學性能、透光性和熱學性能的變IR、GPC、DSC對老化過程中的EVA化，并采用FT-膠膜的老化失效原因進行分析，為EVA的選用和改進提供指導意義。11實驗部分主要原材料國產(chǎn)某EVA膠膜（1#EVA）和進口某EVA膠膜2012年第41卷第1期（2#EVA）。12合成材料老化與應用17主要設(shè)備WDW-1型微機控層壓機、電熱恒溫鼓風干燥箱、PerkinElmerLambda650紫外-可制電子萬能試驗機、IR）、傅立葉紅外光譜儀（FT-凝膠滲透見分光光度計、色譜儀（GPC）、差示掃描量熱儀（DSC

7、）。13試驗方法樣品制備：將EVA膠膜放入規(guī)定溫度的層壓機中層壓，交聯(lián)度85%。熱空氣老化：將層壓好的EVA膠膜放入不同溫度的電熱恒溫鼓風干燥箱中進行老化，每隔一段時間后取出進行拉伸強度測試。14測試分析2006，抗拉強度測試：依據(jù)GB/T1040-啞鈴型寬60mm，厚05mm，拉伸速率500mm/min。試樣，VA含量測試：皂化法6。FT-IR測試：ATR法，NICOLETIs10型傅立葉紅外光譜儀。GPC測試：四氫呋喃流動相，美國waters1515。DSC測試：NETZSCHDSC200F3差示掃描量熱儀。2008，透光率測試：依據(jù)GB/T2410-測試380-780nm范圍透光率，Pe

8、rkinElmerLambda650紫外可見分光光度計。70，黃度指數(shù)測試：依據(jù)ASTMD1925-PerkinElmerLambda650紫外-可見分光光度計。圖2Fig22#EVA的抗拉強度隨老化時間的變化Thetensilestrengthof2#EVAbyagingtimeEVA由圖1、圖2可以看出，隨著老化的進行，的抗拉強度均有明顯的下降，并且老化溫度越高，抗拉強度下降速度越快；1#EVA抗老化性能較差，130下，120僅12小時，膠膜就發(fā)粘、失去彈性，110下，200小時后膠下也僅52小時就失去彈性，90時，膜失去彈性，在老化初期，抗拉強度略有升高，這是因為層壓后的EVA往往不能完

9、全交聯(lián)，在老化初期膠膜會繼續(xù)交聯(lián)，所以抗拉強度有所提高，老化進行到800小時后，膠膜同樣失去彈性；2#EVA的抗拉強度較1#EVA高，抗老化性能也較好，在130下老化100小時，抗拉強度仍然保持原有的70%，90下老化800小時，抗拉強度保持原有的85%，這可能是因為該EVA的分子量（如表1）較大，分子鏈段的運動能力會受到阻礙而下降，從而降低自由基形成、鏈轉(zhuǎn)移等反應活性，所以高分子量的EVA具有較好的耐熱老化性能，光伏組件長期在高溫環(huán)境下使用應選用分子量較大的EVA膠膜。表1Table1樣品1#EVA2#EVA分布指數(shù)2773267821結(jié)果與討論熱空氣老化對EVA力學性能的影響將國產(chǎn)1#EV

10、A和進口2#EVA置于90、110、120、130下進行老化，老化過程中的抗拉強度測試結(jié)果如圖1和2所示。22熱空氣老化對EVA透光率和黃度指數(shù)的影響透光率是EVA的關(guān)鍵指標，直接影響組件的發(fā)電效率，不同廠家生產(chǎn)的EVA膠膜透光率有一定差異，并且EVA在老化過程中透光率會下降，發(fā)黃。圖3和圖4是兩種膠膜老化過程中透光率和黃度指數(shù)的變化圖，可以看出，老化過程中EVA的透光率均有一定的下降，相應的黃度指數(shù)隨著老化的進行1#EVA在120老化52小時，逐漸提高，透光率仍2#接近90%，黃度指數(shù)為2%，但是力學性能喪失，EVA在130老化100小時，透光率為892%，所以圖1Fig11#EVA的抗拉強

11、度隨老化時間的變化Thetensilestrengthchangeof1#EVAbyagingtime18老化過程對透光率影響較小。張增明等光伏組件封裝EVA的熱空氣老化研究與老化前的紅外譜圖無明顯差異，說明EVA分子鏈VA含量測試上的主要官能團沒有發(fā)生明顯變化，也表明，老化失效后的EVA的VA含量無明顯下降（如表2）。表21#EVA的VA含量測試Table2ResultsofVAcontenttestfor1#EVAVA含量/%328321樣品老化前老化失效后圖3Fig3透光率的變化對老化失效前后的1#EVA膠膜用四氫呋喃進行溶解、過濾，對濾液進行GPC測試，結(jié)果如表3所示。表3Table3

12、樣品老化前老化實效后1#EVA的GPC測試GPCtestresultsof1#EVA溶解性（四氫呋喃）不溶部分溶解分子量Mw6668359930分布指數(shù)204883Lighttransmittancechange老化前的EVA幾乎不溶于四氫呋喃，老化后的EVA則可部分溶解于四氫呋喃，GPC測試顯示老化后的EVA的分子量略有下降，分子量分布明顯變寬，這充分說明該EVA老化后發(fā)生降解，交聯(lián)網(wǎng)狀圖4Fig4黃度指數(shù)的變化結(jié)構(gòu)被破壞，并產(chǎn)生較多的低分子量物質(zhì)，使得分子量降低，分子量分布明顯變寬，膠膜具有可溶解性，并發(fā)粘、失去彈性。24EVA熱空氣老化失效機理EVA中存在活性較大的叔氫，叔碳氫鍵能為38

13、1KJmol1，很容易被空氣中的氧分子、殘留引發(fā)“初始”劑自由基進攻，產(chǎn)生自由基，相當于引發(fā)；初始自由基進行鏈增長、鏈轉(zhuǎn)移反應，進入自動氧化過，從而導致EVA的降解，按照典型的熱氧老化機理進行降解，反應機理如圖6所示。程7Yellownessindexchange23熱空氣老化下EVA失效原因分析1#EVA在熱空氣老化過程中容易失效，變得發(fā)粘、失去彈性，如果這種失效發(fā)生在組件中，必然導致組件中出現(xiàn)分層、氣泡現(xiàn)象，影響組件的發(fā)電功能。對老化失效后的1#EVA膠膜進行FTIR測試，如圖5所示。圖5Fig51#EVA膠膜紅外圖Spectraof1#EVAfilm圖6Fig6EVA熱氧老化機理Theh

14、eatagingmechanismofEVA從紅外圖中發(fā)現(xiàn)，老化失效后的紅外譜圖首先EVA中的叔氫受到氧的攻擊生成EVA過2012年第41卷第1期合成材料老化與應用19氧化氫，過氧化氫受熱分解生成EVA自由基和羥自這兩個自由基又進一步攻擊EVA，產(chǎn)生一系由基，列反應，破壞了分子原有的主鏈結(jié)構(gòu)，導致性能破壞。25熱空氣老化對EVA熱性能的影響EVA發(fā)生氧化降解，老化過程中，交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)3結(jié)論（1）熱空氣老化對EVA的力學性能影響很大，抗拉強度隨著老化時間的延長而下降，甚至完全失效，喪失彈性，明顯發(fā)粘，溫度越高，抗拉強度下降速率越快；（2）EVA在老化過程中會變黃，透光率逐漸下降，但比力學性能下降的

15、速率慢，力學性能喪失的EVA仍然保持較高的透光率；（3）老化過程中，EVA的熱學性能會發(fā)生明顯變化，老化后的EVA的耐熱性能明顯下降；（4）老化過程造成EVA失效的主要原因是EVA在高溫下與空氣中的氧氣發(fā)生氧化降解，破壞生成大量低分子化合物，導致了交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，EVA的力學性能快速下降，甚至完全失效，提高EVA的分子量有利于提高耐熱氧老化性能。構(gòu)發(fā)生破壞，必然導致EVA的熱學性能發(fā)生變化，對120下老化的1#EVA進行DSC測試，結(jié)果如表4所示。表4Table4時間/h0122452120老化中1#EVA的DSC測試結(jié)果DSCtestresultsof1#EVAagingat120熔點/569

16、457136006熔融焓/（J/g）132131107631放熱焓/（J/g）23112189652溫度/284292304玻璃化轉(zhuǎn)變301，1755434從表4中可以看出，隨著老化的進行，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg逐漸降低，這是因為高溫下EVA出現(xiàn)氧化裂解，產(chǎn)生部分小分子，分子鏈段的運動能力加強，致使Tg降低，老化52小時后的EVA出現(xiàn)兩個Tg，這是因為此時的EVA已經(jīng)嚴重老化降解，產(chǎn)生EVA致使出現(xiàn)兩個Tg；老化過程中，一個共混體系，的熔點會先升高，進行到52小時后，熔點快速下降，熔融焓也大大降低，說明EVA的結(jié)晶度大大降低；值得注意的是，老化過程中在202左右會出現(xiàn)明顯的放熱峰，并且隨著老化的進

17、行，放熱峰會越加明顯（如圖7所示），老化52小時后的EVA的放熱焓EVA高達652J/g，這可能是熱空氣老化過程中，的交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞，在EVA中產(chǎn)生較多的低分子化合物，加熱到一定溫度，這些低分子化合物很容易形進而引發(fā)各種鏈轉(zhuǎn)移、鏈增長反應，放成端自由基，出大量的熱。參考文獻1王響，沈輝，李光吉，等EVA老化機理以及EVA老化對太陽電池的影響J合成材料2008，37（2）：3234老化與應用，2AWCzanderna，F(xiàn)JPernEncapsulationofPVmodulesusingethylenevinylacetatecopolymerasapottant：AcriticalreviewJSolarEnergyMaterialsandSolarCells，1996，43：1011813FJPernFactorsthataffecttheEVAencapsu-lantdiscolorationrateuponacceleratedexposureJSolarenergy