EVA老化机理以及对太阳电池的影响

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EVA（乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物）是目前太阳电池封装工艺中最常用材料，主要是通过在EVA基料中添加紫外吸收剂、紫外稳定剂、抗氧化剂和交联剂等各种不同的添加剂制作而成的。根据添加的交联剂的不同，EVA又分为常规型和快速固化型（又称快固型）两种，主要差别在于固化时所需要的时间不一样。EVA在固化过程中会发生交联反应，形成一种三维网状结构，对太阳电池起到很好的密封作用，但是在太阳电池组件的使用过程中，这种结构会在紫外线、高温、湿气和氧气的作用下缓慢的发生变化，EVA性能不断下降，从而导致太阳电池组件的性能降低。

　　一、EVA主要的老化机理

　　太阳电池组件在户外使用时，在组件内部存在极少量的O2，由于光和热的联合作用EVA内部发生的化学反应主要是Norrish Type II（又称脱乙酰反应，产生乙酸和烯烃）或者Norrish Type I（生成乙醛和CO，CO2，CH4等一些气体），如图1a所示。温度越高、紫外辐照的强度越大、紫外光的波长越短，反应的速度就会越快，并且随着乙酸浓度的增加，反应的速度还会加快。其中的脱乙酰作用也可以在紫外线、热单独作用下和光热联合作用下发生。但是光热联合作用可以大大增加反应速度。多次脱乙酰可以生成长链的共轭烯烃。

　　在太阳电池组件的边缘部分，EVA会和大气中的氧气接触，这时会发生氧化反应使多烯烃的共轭体系变短。氧化反应在高温和低温时都可以发生，但是光照和高温会加快反应的进行。

　　二、EVA老化现象及对太阳电池组件的影响

　　1、EVA变色

　　有机物中颜色主要是由生色团产生的。EVA中的生色团就是共轭烯烃，共轭烯烃的共轭碳链越长，EVA的颜色就会越深。结合上面的老化机理可以看出，EVA材料的变色的直接原因就是光热老化下的化学反应产生了多烯烃生色团，随着生色团的共轭体系的延长，EVA的颜色还会加深，从浅黄（轻微）变到深褐色（严重）。另外，还有其他一些机制会加速EVA的变色，例如随着EVA老化产生的乙酸会促进EVA的变色，EVA配方中的各种添加剂相互作用也会加速变色。

　　影响EVA变色的因素是多种多样的，主要可以分成物理和化学两个方面。

　　化学方面的因素有：（1）EVA的配方：改变各添加剂的配比，或者使用更为稳定的替代品，使EVA内各添加剂之间的相互作用减小或得到抑制，可以降低EVA变色的速度。（2）氧气扩散到层压好的组件中而引起的氧化反应破坏了生色团，可以对EVA起到“漂白”的作用，从而影响到EVA的变色。

　　物理方面的因素有：（1）紫外光的强度：紫外光的强度越大，波长越短，越容易导致EVA的变色。所以当使用V形槽等聚光设施时可以加速EVA的变色，而使用能够吸收紫外线的盖板玻璃能够延缓EVA的变色。（2）聚合物背板材料的气体透过性：背板材料透气性的高低可以影响EVA与氧气的接触，从而影响EVA的变色。（3）太阳电池组件的层压条件：层压条件决定了EVA的交联度，这直接关系到组件的性能。另外层压时的高温环境会导致一系列复杂的反应，对EVA产生不利的影响。

　　EVA变色会降低光学透过率，从而降低组件的输出功率。据报道，由此造成的短路电流和转换效率的降低值分别超过13％和19％。如果变色不均匀，还会导致太阳电池之间、组件之间的不匹配，这种情况比均匀变色引起的影响要坏很多，据相关文献报道，这种原因造成的损失可以达到11.1％。另外详细考察组件光学透过率的变化，会发现它不只是简单的一味的降低，而是先升高，然后再降低。这是因为在组件使用的初期，紫外吸收剂会不断地消耗导致紫外部分的透过率增加，这个效应大于轻微变色导致的透过率的下降，所以总的透过率是上升的，当紫外吸收剂消耗完以后，由变色引起的透过率变化才占据主要地位，导致组件总的透过率随着EVA变色程度的加深而不断地下降。另外这个过程中光学方面的变化不只是透过率的变化，还有光谱的变化，而太阳电池对不同波段的光的响应是不一样的，所以组件的电性能受到的影响与光学性能受到的影响并不一致，但是总体上，也还是先升高再降低。

　　2、EVA的氧化褪色

　　氧化褪色主要是在氧气的参与下，EVA发生了氧化反应，致使多烯烃的部分双键发生断裂，破坏了生色团的结构，使老化的EVA不显示出颜色。另外变色后的EVA也会因为氧化反应重新变得透明。因为氧化反应的存在，上世纪90年代就有人试验用透气性好的材料作为电池组件的正面材料，来防止EVA的变色，直到现在还有这方面的研究，主要是制作“能呼吸”的背板材料。这种材料虽然在减轻EVA变色方面有一定的作用，但是氧气的存在会使聚合物的分子链上形成过氧基团或含氧基团，从而引起分子链的断裂或交联，导致聚合物力学性能损失，包括韧性、冲击强度、弯曲强度等，也可导致聚合物外观发生显著变化，如粉化、产生裂纹、失去光泽、变黄等。

　　3、脱层

　　脱层指的是EVA与盖面材料、背板材料或者太阳电池之间失去粘合性，相互分离。发生脱层的原因可能有：（1）EVA在长期的日光照射和自然条件（空气，湿气）等的作用下粘合力慢慢地降低；（2）太阳电池组件制作过程中EVA与太阳电池就没有很好粘合，原始的粘合力就比较低；（3）层压工艺控制不好，使EVA的交联度没有控制在一个比较合理的范围内（一般认为是75％-85％），EVA的弹性受到影响。这样，在使用过程中，太阳电池组件就会因长期的昼夜交替造成的高低温循环而产生脱层。

　　脱层不但会影响组件的外观，而且脱层处形成的界面还会增加光学的损失，从而影响组件的效率。另外脱层发生在组件的边缘时，空气会顺着脱层处的界面进人到内部，使EVA被氧化。

　　4、产生乙酸，腐蚀电极

　　EVA老化产生的乙酸会腐蚀太阳电池的背板、电极和焊带等金属部分，严重的腐蚀一是可以造成断路，直接导致组件的失效，二是在系统电压比较高时，某处的断路点还会发生打火的现象，频繁的打火会使局域温度上升到很高，甚至引起玻璃的熔化，如果紧挨着易燃物还有可能引起火灾，这就非常严重了。

　　为了解决这个问题，人们进行了很多研究，其中最重要的一项就是上面提到的“能呼吸”的背板材料。这种材料能使EVA老化产生的乙酸扩散到空气中，从而减轻了对太阳电池组件内部金属部分的腐蚀。