熔融指數(shù)對POE膠膜性能的影響

周雪梅

（浙江利昌科技有限公司,浙江 溫州 325016）

光伏發(fā)電是將太陽能通過光伏組件轉(zhuǎn)換成電能。每1 MW光伏系統(tǒng)，每年可減排CO2900多t，可替代500多t標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)世界自然基金會研究結(jié)果，從減排二氧化碳效果而言，安裝1 m2光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于植樹造林100 m2。自2008年以來，隨著光伏技術(shù)的提升，光伏發(fā)電的價格已下降了90%，目前光伏發(fā)電具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源之一[1]。

光伏組件中封裝膠膜主要用于保護(hù)電池片，提高組件的使用壽命。乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA膠膜）是目前應(yīng)用相對最廣泛的高分子膠膜，其工藝成熟且性價比高[2]。但EVA膠膜水汽透過率低，容易分解釋放醋酸分子，腐蝕玻璃和背板等部件，縮短組件的使用壽命。近年來，發(fā)現(xiàn)在電站使用過程中EVA膠膜存在嚴(yán)重的電勢誘導(dǎo)衰減（PID）現(xiàn)象，導(dǎo)致電站輸出功率大幅下降，嚴(yán)重影響電站運(yùn)營效率[3-5]。可見封裝材料的性能直接決定了電池片和組件的使用壽命。

POE膠膜由茂金屬作催化劑開發(fā)而來，是具有相對窄分子質(zhì)量分布、窄共聚單體分布、結(jié)構(gòu)可控的新型聚烯烴熱塑性彈性體[6]。乙烯-a-烯烴共聚物（POE）為代表的聚烯烴材料具備優(yōu)異的透光性、電絕緣性、水汽阻隔性以及出色的耐候性能和抗PID性能，被認(rèn)定為替代EVA封裝材料的理想材料[7]。自2017年以來光伏組件封裝材料POE膠膜使用量僅次于EVA膠膜，主要原因是POE樹脂成本高于EVA樹脂。近兩年隨著光伏組件持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，受EVA樹脂產(chǎn)能限制，加快了POE樹脂的技術(shù)和市場開發(fā)，目前POE樹脂量升價跌，市場占有率不斷提高。EVA膠膜相對POE膠膜價格優(yōu)勢逐步減弱，當(dāng)POE膠膜生產(chǎn)企業(yè)加速降本增效，將來有望超過EVA膠膜的使用量，促進(jìn)光伏電站效益的提升。本文研究了3種不同熔融指數(shù)對POE膠膜性能的影響，主要從交聯(lián)度、透光率、體積電阻率、剝離強(qiáng)度、耐老化性能和電勢誘導(dǎo)衰減這6個方面進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

乙烯-a-烯烴共聚物（POE），熔指為30 g·(10 min)-1，工業(yè)級，陶氏公司；乙烯-a-烯烴共聚物（POE），熔指為14 g·(10 min)-1，工業(yè)級，陶氏公司；丁烯-a-烯烴共聚物（POE），熔指為10 g·(10 min)-1，工業(yè)級，陶氏公司；過氧化-2-乙基己酯碳酸叔丁酯交聯(lián)劑（TBEC），工業(yè)級，阿科瑪有限公司；三烯丙基異氰尿酸酯助交聯(lián)劑（TAIC），工業(yè)級，湖南民和化工有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷偶（570），工業(yè)級，信越有限公司；抗氧劑1010，工業(yè)級，巴斯夫有限公司；紫外光穩(wěn)定劑770，工業(yè)級，巴斯夫有限公司；紫外光吸收劑81，工業(yè)級，巴斯夫有限公司；TPT背板，蘇州中來光伏新材股份有限公司；鋼化玻璃，厚度3.2 mm，信義光能控股有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

小型擠出機(jī)和流延機(jī)，舟山精科擠出機(jī)廠；立式混色機(jī)，金恒力有限公司；TDCT-BY-5層壓機(jī)，秦皇島市奧瑞特科技有限公司；XD-121電腦拉力機(jī)，信任達(dá)（上海）有限公司；UV3600紫外分光光度計(jì)，島津國際貿(mào)易（上海）有限公司；體積電阻率測試儀，型號DSM8104，日置有限公司；UVTEST紫外濕熱老化箱，ATLS；恒溫恒濕試驗(yàn)箱，上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司；抗PID電源上海質(zhì)衛(wèi)環(huán)?？萍加邢薰荆籄VY-220電子天平，島津國際貿(mào)易（上海）有限公司；單次閃光太陽能模擬器，上海赫爽太陽能科技有限公司；太陽能電池組件電致發(fā)光檢測儀，型號EL-M測試儀，ASICCN。

1.3 樣品制備

POE膠膜的配方如表1所示。按表1將POE樹脂與各助劑在立式混色機(jī)內(nèi)精細(xì)共混，混合好后陳化放置24 h，再將混合料加入小型擠出機(jī)，通過流延法制備厚度為0.5 mm的POE膠膜。

表1 POE膠膜的配方

1.4 樣品制備

將制作的POE膠膜按照層壓固化條件145℃下，制作交聯(lián)度、透光率、剝離強(qiáng)度、體積電阻率、紫外老化性能、濕熱老化性能和電勢誘導(dǎo)衰減抗PID性能測試樣。

電勢誘導(dǎo)衰減抗PID性能按照IEC62804中電勢誘導(dǎo)衰減測試方法進(jìn)行：測試條件溫度85 ℃，濕度85%，-1 000 V電壓，測試時間96 h。其他性能均按照《光伏組件封裝用共聚烯烴膠膜》（T/CPIA 0006—2017）標(biāo)準(zhǔn)[8]進(jìn)行測試，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同POE膠膜的交聯(lián)度

POE是非極性分子結(jié)構(gòu)，通過化學(xué)交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可有效提高其力學(xué)性能和耐老化性能[9]。層壓固化條件的溫度和時間均影響交聯(lián)度?！豆夥M件封裝用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）膠膜》（GB/T29848—2018）標(biāo)準(zhǔn)[10]要求EVA膠膜交聯(lián)度≥75%，行業(yè)內(nèi)一般層壓固化條件140 ℃、20 min即可達(dá)到國標(biāo)要求。但POE分子屬于非極性分子，導(dǎo)致在相同條件下層壓固化，其交聯(lián)度低于極性的EVA膠膜?！豆夥M件封裝用共聚烯烴膠膜》（T/CPIA 0006—2017）標(biāo)準(zhǔn)要求交聯(lián)型共聚烯烴膠膜的交聯(lián)度≥60%。目前行業(yè)內(nèi)POE膠膜的層壓固化條件一般為145℃、20 min，圖1是在此條件下不同POE膠膜交聯(lián)度變化趨勢，A樣品交聯(lián)度75.1%相對最大。

熔融指數(shù)（MI）是反映樹脂流動性能的重要指標(biāo)，MI越高，樹脂的流動性能越好，越有利于加工。由圖1可知，在相同溫度和層壓時間下，MI越高，流動性越好，POE分子鏈段和自由基碰撞速率越快，故交聯(lián)度越高?？梢娫谄渌麠l件相同時，熔融指數(shù)在一定程度上影響POE膠膜的交聯(lián)度。

圖1 不同POE膠膜的交聯(lián)度

2.2 不同POE膠膜的透光率

不同POE膠膜的透光率如表2所示。

表2 不同POE膠膜的透光率

由表2可知，POE膠膜在200～1 100 nm波長范圍內(nèi)透光率均在91%～92%之間，差異不大?？梢姴牧系耐腹饴手饕刹牧系慕Y(jié)晶性能決定，而結(jié)晶性是由材料內(nèi)部分子規(guī)則性和分子之間的對稱性決定，材料的流動性能對材料的結(jié)晶性能無影響，故POE膠膜透光率不隨熔融指數(shù)變化，由材料的本體結(jié)構(gòu)決定。

2.3 不同POE膠膜的剝離強(qiáng)度

POE膠膜的黏結(jié)性能如圖2所示。A的剝離強(qiáng)度為209 N·cm-1，B的剝離強(qiáng)度為145 N·cm-1，C的剝離強(qiáng)度為211 N·cm-1，可見POE膠膜的剝離強(qiáng)度不隨MI線性變化。由于POE本身的結(jié)晶度高、相對分子質(zhì)量很大，分子鏈不易運(yùn)動和擴(kuò)散，其表面分子排列非常精密，孔隙率低[6]。在一定范圍內(nèi)隨著MI增大，表面能增大，剝離強(qiáng)度增加。但MI減小到一定范圍，材料表面能雖然降低了，材料的本體強(qiáng)度卻隨之增大，所以POE膠膜的剝離強(qiáng)度也會增大。

圖2 不同POE膠膜的剝離強(qiáng)度

2.4 不同POE膠膜的體積電阻率

不同POE膠膜的體積電阻率如圖3所示。由圖3可知，體積電阻率的變化趨勢和交聯(lián)度趨勢相同，隨著熔融指數(shù)的降低，POE膠膜的體積電阻率隨之降低。

圖3 不同POE膠膜的體積電阻率

A的體積電阻率相對最大5.8×1015Ω·cm，C的體積電阻率相對最小1.13×1015Ω·cm。從以上結(jié)果可以看出，熔融指數(shù)越高，交聯(lián)度越高，分子間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越致密，膠膜的絕緣性能越好，體積電阻率越高。

2.5 不同POE膠膜的耐老化性能

光伏組件在戶外使用過程中，會經(jīng)歷風(fēng)吹日曬雨淋，故對耐候性能有較高的要求。POE膠膜具有優(yōu)異的水汽阻隔能力和粒子阻隔能力，水汽透過率僅為EVA膠膜的1/8左右，由于分子鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，老化過程不會分解產(chǎn)生酸性物質(zhì)，導(dǎo)致其具有優(yōu)異的抗老化性能，是高效高可靠光伏封裝膠膜的首先材料[11]。不同POE膠膜濕熱和紫外老黃變指數(shù)如表3所示。由表3可知，不同熔融指數(shù)的POE膠膜濕熱老化黃變指數(shù)在0.5～1.0之間，紫外黃變指數(shù)在0.1～0.3之間波動，老化性能差異不大。這是由于影響POE膠膜耐老化性能內(nèi)因主要是POE膠膜的物理結(jié)構(gòu)，由凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)以及配方條件決定，而熱、氧、陽光以及濕汽是引起高分子材料老化的外在因素[12]。由于實(shí)驗(yàn)過程中POE膠膜僅熔融指數(shù)不同，其他條件均相同，故耐老化性能相差不大。

表3 不同POE膠膜濕熱和紫外老黃變指數(shù)

2.6 不同POE膠膜的抗PID性能

PID全稱電勢誘導(dǎo)衰減，PID效應(yīng)使得大量電荷聚集在電池表面，使電池表面鈍化失效，從而導(dǎo)致電池組件的功率驟降[13]。組件的封膠膠膜EVA材料無法做到100%絕緣，使用過程中，水汽透過硅膠板、背板等滲透到組件內(nèi)部，EVA材料遇水后發(fā)生分解，從而產(chǎn)生只有移動的醋酸和玻璃表面析出的堿反應(yīng)后，會形成鈉離子[14]，在外加電場作用下，向電池片表面移動，聚集到電池表面的減反射層從而導(dǎo)致PID現(xiàn)象的發(fā)生。PID現(xiàn)象導(dǎo)致光伏電站發(fā)電效率降低，使用壽命縮短，嚴(yán)重影響了光伏電站的運(yùn)營效率，故目前各組件廠對抗PID性能愈發(fā)重視，其已成為衡量組件質(zhì)量和電站壽命的重要性能指標(biāo)。

將樣品A、B和C分別在相同條件下用來封裝光伏組件，然后測試其抗PID性能，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，這3款POE膠膜均具有優(yōu)異的抗PID性能，96 h抗PID性能均小于0.5%。同時發(fā)現(xiàn)熔指越高POE膠膜的抗PID性能相對越好，樣品A抗PID衰減僅0.27%，這是由于A的交聯(lián)度和體積電阻率最高，其致密性和絕緣性能相對最好，可減少電荷聚集到電池表面的減反射層，從而降低電勢誘導(dǎo)衰減。

圖4 不同POE膠膜的抗PID衰減

3 結(jié)論

采用精細(xì)共混、陳化以及熔融共擠流延法制得不同熔融指數(shù)下的POE膠膜，指出熔融指數(shù)對交聯(lián)度、體積電阻率、剝離強(qiáng)度和抗PID性能均有影響，對透光率和耐候性能影響較小。用3種不同熔融指數(shù)POE粒子制成的POE膠膜實(shí)驗(yàn)中，得出熔指最大的A樣品其交聯(lián)度、體積電阻率、抗PID性能最好。這說明熔融指數(shù)不僅影響生產(chǎn)的加工性能，對產(chǎn)品交聯(lián)度、體積電阻率、抗PID性能也產(chǎn)生了積極作用，生產(chǎn)上可以利用該特點(diǎn)，有針對性地選擇熔融指數(shù)來提高產(chǎn)品某方面性能。