十年光伏组件材料选型修炼之路--EVA胶膜

　　光伏材料的革新历经十多年，今天我们在为如何让材料助力更高的组件效率时，绝大多数的光伏人都不知道十年前的光伏工程师都经历了什么。

 

　　有人说，现在的背板、高透/白色EVA不都是组件BOM标配吗?组件良率99.9%不是标准工艺要求吗?但若放在十年前，这是难以想象的，通过十年的努力，光伏材料的前辈才为我们铺好了如今的道路。

 

　　01、当年的EVA，多来自日本

 

　　众所周知，EVA热熔胶膜是封装晶体硅太阳电池组件的重要材料之一。目前，各种性能优良、价格低廉的国产EVA产品为制造质高价低的太阳电池组件提供了有力的保障。福斯特、海优威、东方日升在EVA胶膜领域占了全球90%以上的份额。可是在十几年前，情况并不是这样，当时国内仅有个别厂家生产EVA产品，组件生产大多是用日本欧洲等国外的EVA胶膜。

 

　　如今的你，是否听说过三井、胜邦、普利司通、Sanvic、3M?2008年前，全球范围内EVA胶膜市场占有率前三分别是美国胜邦(STR)、日本三井化学、普利斯通，直到2009年杭州福斯特才跻身前三，四家总共占据了全球80%以上的EVA胶膜市场份额。

 

　　美国胜邦STR拥有美国、西班牙和马来西亚三家工厂，截止2011年底，公司EVA胶膜产能达到1.5亿平米。三井化学、普利司通都是日本的老牌巨头，不仅提供EVA粒子，还生产 EVA胶膜。

 

　　为何进口产品中尤以日本的居多?原因之一是由于EVA产品运输过程中需要冷藏，还有一定期限的保质期，日本距离较近，海运周期短，相当于延长了EVA胶膜的使用期，运输费用也相对低廉。所以，美国胜邦在鼎盛时期已经在常熟选址(就在现在的中来对面、腾晖隔壁)准备建厂。

 

　　02、当年的EVA，都让人头疼

 

　　然而不仅国产，即使是进口的EVA胶膜，也都存在诸多让人头疼的问题，只是在程度上有所不同而已。

 

　　问题多：主要问题有：收缩率较大、耐老化性不足，易黄变、厚薄不匀、平整度不好、有杂质、清洁度也有待提高、裁切不准确、交联固化时间长、交联度不均匀且测试方法复杂等等。

 

　　型号少：作为保护太阳电池“上铺下垫”的EVA胶膜，无论是国产还是进口的，那时各个生产厂家都只有一种型号，品种单一，且质量良莠不齐，虽然总体上进口比国产好，但也有很多不足。

 

　　性能差异大：不同厂家产品的性能差异给组件生产带来很多麻烦。

 

　　进口产品价格高。

 

　　这些问题的存在，让EVA很难满足迅速发展的太阳电池组件制造需求。

 

　　03、当年的EVA，创新发展了十年

 

　　直到2015年前后，EVA胶膜的配方才基本定型，不再有太多的变化，成熟应用于常规组件和双玻组件，并在很大程度上帮助改善了PID和蜗牛纹现象。然而2015年之前的EVA，几乎每年都在革新。曾经的种种问题在现在看来可能不值一提，但在当时的确困扰了组件生产线很久。

 

　　1) 改善EVA胶膜产品的收缩率与组件生产的精确层叠工艺方法

 

　　EVA胶膜加热后收缩率比较大，尤其是在长度方向上和宽度方向上收缩率的差异则更大，这给组件生产带来了很大问题。首先是电池串横向、电池竖向位移和汇流条位移。电池串位移使串间距不等，严重时并串甚至重叠。电池位移则导致电池间互连条凸起，在组件背面形成鼓包，严重时引起电池碎片和鼓包刺破背板。记得有些企业为使鼓包不那么明显，在组件刚出层压机还有余热时，用一块类似弹棉花时压棉絮的圆形压板来回压磨组件背面，或者用电熨斗来压磨鼓包，想方设法使鼓包内的互连条平整些，岂不知这样压磨极易造成电池产生隐裂。汇流条位移使间距不等甚至并在一起造成短路也是经常发生的，不得已有些企业则干脆把汇流条做到电池背面，这样汇流条位移问题虽然解决了，但物料和人工成本增加不说，还增加了电池隐裂的风险和组件局部散热不良。为了防止电池串、电池以及汇流条位移，工程师想办法在电池背面加铺过玻璃纤维，位移情况有所改善，但增加了成本，有时会因玻璃纤维内的异物引起组件内产生气泡，同时还影响生产线员工的健康。

 

　　EVA胶膜加热后收缩率大带来的另一个问题是需要加大EVA胶膜的尺寸来防止EVA缩到组件内部，造成组件边缘无EVA胶的情况。以前EVA胶膜和背板尺寸都要大于玻璃四周几厘米，多出来的EVA胶膜不仅浪费材料，还污染了层压机、传送带以及组件自身。层压机和传送带被污染会使后续组件沾污和产生压痕，严重时组件粘在层压机上盖或高温布上掉下来被摔碎。组件割边割下来的废料每天都有好几大包，不仅浪费价格不菲的EVA胶膜和TPT背板，还污染环境。组件自身粘上的EVA胶则需要大量人工来清洁，当时除了手工焊接电池工序的员工比较多以外，整个组件生产线就数清洁组件的员工最多了，用酒精溶解、用美工刀刮、用钢丝球蹭、用无纺布擦，费了好大劲也很难清理干净，消耗了大量人力物力，有时员工还会被割伤，并经常因残留在组件上的EVA胶没清理干净而招来客户投诉。还有来回搬运和翻转组件会导致电池产生隐裂甚至撞碎组件。这些几乎都是EVA胶膜收缩率过大惹的祸。

 

　　大家知道，EVA胶膜生产有压延法和流延法两种不同的工艺，一般情况下压延法生产的收缩率小于流延法，所以初期基本上采用的都是日本公司压延法生产的EVA胶膜。尽管如此，其收缩率依然不稳定，远未达到期望值。后来经与许多国内外厂家反复沟通、试验，不断努力，逐步实现了无论用什么工艺生产的产品收缩率等指标都能达到组件生产的技术要求了，EVA胶膜公司也能生产出更多物美价廉的国产胶膜供组件企业选择。

 

　　除此之外，通过对EVA胶膜和背板的裁剪尺寸和铺设方法的改善，有效地避免了组件在层压工序被污染的发生，并使层压件无需割边，无需清除玻璃和背板上残留的EVA胶，减少了电池产生隐裂的几率，减少了生产工序，节省了人力成本，提高了生产效率，同时，节约了EVA胶膜、背板和其他相关耗材，延长了层压机胶皮的使用寿命，提高了组件的产品质量，降低了生产成本，取得了良好效果和极大的经济收益。

 

　　2) 改善EVA胶膜黄变

 

　　EVA胶膜黄变影响组件转换效率，严重影响组件外观和使用寿命，这是早期EVA胶膜产品的又一大缺陷。其实上世纪80年代国内就在生产EVA产品了，黄变问题困扰了相当长的一段时间。当时即使是国外的进口EVA产品也有黄变严重的，有时在车间看到成卷的EVA胶膜都是淡黄色。有些则是在双85或紫外照射等老化试验后呈现黄色。经过EVA胶膜生产企业的努力，逐步解决了产品黄变的问题，现在已基本不存在这个现象了。

 

　　3) 改善批量生产EVA胶膜的厚度一致性、平整度、清洁度和稳定性

 

　　大家知道，组件内气泡是组件生产过程中经常会发生的一种常见缺陷，就是到现在也会偶有产生，只是以往更为严重些。组件产生气泡的原因除了玻璃等其他原材料、组件生产工艺和设备上的一些问题外，EVA胶膜的厚度一致性、平整度、清洁度、有异物等缺陷也是主要因素之一。在电池背面加铺一层玻璃纤维也是当时解决气泡问题的方法之一。时至今日，因EVA胶膜这些不良而引起的气泡问题已是凤毛麟角了。

 

　　4) 改善EVA胶膜交联固化时间长、交联度不均匀且测试方法复杂的问题

 

　　早期的EVA胶膜属于慢固化型，交联固化的时间相对比较长，国内外厂家一般都使用二次固化工艺进行生产，也就是先在层压机中完成预层压，然后放入烘箱中来使EVA胶膜交联固化。早期层压机加热板的温度均匀性较差，烘箱内的温度也不均匀，这对组件内EVA胶层的交联固化影响极大，EVA胶层交联度不一致将严重影响组件产品质量。为提高组件生产效率、保证EVA胶层交联度均匀，尚德开发了全自动固化炉，组件在固化炉一头进去，从另一头出来，并一直保持旋转，效果良好。后来EVA胶膜逐渐都改成快固型的了，固化炉就被省略。当然现在又开发了两段乃至三段的层压机，包括层压、固化和冷却，这大大加快了生产节奏，提高了生产效率和组件产品的质量。

 

　　测量组件内EVA胶层交联度是否均匀一致，是组件产品质量的重要保证。二甲苯萃取法是测试组件层压后EVA胶层交联度常用的传统方法。该方法测试需时间较长、干扰因素多、反映生产线上的实际状态较慢，且操作较复杂，对操作员工的身体也不利，还易燃，需要有较严格的防护措施，目前大多厂家还在用此法测试EVA胶层的交联度。有不少公司实验室采用DSC(差示扫描量热法)来替代二甲苯萃取法，也有厂家用DSC监控日常生产时组件内交联度状态的。2013年前后，有家欧洲公司和国内的正泰公司推出了EVA交联度在线监测技术，备受关注，但随着EVA交联固化设备和工艺的不断成熟，在线监测交联度尽管很重要，但似乎已经没有太大必要，这项技术没有得到太多应用。

 

　　5) 关于晶体硅太阳电池组件用前后EVA材料的不同要求和标准

 

　　自从用EVA热熔胶膜制作太阳电池组件以来，很长一段时间内，电池前后都是用同一种胶膜。这是为防止EVA胶膜和背板在阳光尤其是紫外光的作用下被分解老化和黄变，因此需在EVA胶膜生产原料中加入抗紫外剂来阻止紫外线穿过EVA层而照射到背板上。这样虽然在一定程度上保护了背板，但却阻止了大部分紫外光到达电池，使得电池无法接收这部分能量，从而降低了组件的输出功率。近年来电池的方块电阻越做越高，电池短波响应越来越好，不能透过紫外线的EVA层对组件输出功率的影响越来越大。所以，在确保EVA胶膜本身和背板不会因紫外线透过而老化黄变的前提下，电池正面采用紫外和可见光都可透过的高透过率EVA胶膜，电池背面则采用低紫外线透过甚至是反光良好的白色EVA胶膜就显得越来越有必要。近年来所有EVA胶膜的生产厂家，无论是国内还是国外厂家，毫无例外地都提供质量可靠的高透过率型和截止型两种EVA胶膜产品，同时组件生产几乎全行业都在电池前后分别配合使用高透过率型和截止型两种EVA胶膜了。当然好像还有极个别的组件生产厂家不肯配合使用，自然也无可厚非。

 

　　当时背面白色EVA在层压过程中会出现溢出到电池边缘形成翻边等缺陷，白色EVA胶膜仍为制作白色双玻组件样品给予了极大帮助，并取得良好效果，更加增强了对双玻组件的信心。后来继续对白色EVA胶膜翻边等缺陷不断进行改善，现在，白色EVA胶膜不仅在双玻组件，在常规组件的制造中也起到很好的效果。

 

　　6) 关于晶体硅太阳电池组件蜗牛纹和PID现象

 

　　晶体硅太阳电池组件产生蜗牛纹和PID现象的因素比较复杂，如蜗牛纹现象最主要的原因是电池隐裂，PID现象最主要的原因是组件表面的高电压(P型硅片的电池为负高压，N型硅片的电池为正高压)，而仅靠改善EVA胶膜的性能则是不够的，需要从电池制造、热熔胶膜原料、组件结构、组件搬运和安装、系统设计和防护等多方面来预防蜗牛纹和PID现象的发生。尽管如此，在硅料为王、电池为爷、材料为孙的年代，组件厂把巨大的压力转给了材料供应商，而EVA胶膜供应商也不负众望，针对这两个现象，从自身做了一些改善，配合电池的一些改善，也取得了很好的效果。

 

　　04、当年的EVA技术创新，一路护航光伏十年辉煌成就

 

　　通过以上对EVA胶膜不断进行改善的故事，使我们深深地体会到不间断的改善对提高组件产品质量和降低成本的重要性。对于太阳电池组件产品来说，一项可以被广泛应用的技术、工艺或材料一定要满足降低制造成本、提高转换效率、延长使用寿命和满足客户需求这几项要求，并使其达到和谐统一，也就是常说的性价比要高。这其中，延长使用寿命是保证组件产品质量的底线，所有改善后的结果，都必须满足组件产品户外使用大于25年且衰减小于20%这个最基本的条件，这样的例子太多了。仅举一例，最典型的就是双玻组件，为什么几乎所有生产双玻组件的厂家都有底气号称双玻组件保质期到30年，而不是常规组件的25年，为什么中国光伏行业协会2019年1月28日颁布3月1日起实施的《地面用双玻晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》标准中规定将各种环境试验后最大功率衰减幅度不大于3%，而不是常规组件的5%，这都是在基于严格的老化试验的基础上才制定出来的，而并不是人云亦云，听风是雨的随意之为。

 

　　无论是创新也好，还是改善也罢，都是要担风险的。而稳定的技术才是最关键的，我们需要在现有的条件下，把工作做得更缜密，更细致。一款产品在上市之前需要经过构思、研发、测试、试产、试用、测试、量产这些阶段，其中还有多次反复，只有当设想的产品通过制造并和客户达到完美的契合，这时才能够给客户稳定地交付产品，以此来确保我们的组件产品能不断降低制造成本、提高转换效率、延长使用寿命和满足客户需求，为光伏发电平价上网多做贡献。