不同EVA对太阳电池组件制备工艺及光电特性影响研究

不同EVA对太阳电池组件制备工艺及光电特性影响研究引言能源是每个国家国民经济和社会发展的命脉，是人类社会发展和稳定的基石。近年来，我国新能源发展势头强劲，我国以太阳能发电、风力发电为代表的新能源发展成果较为显著，装机规模也稳居全球首位，发电量占比也稳步提升，成本快速下降。随着能源结构的不断调整，减碳效果得以逐步显现。发展新能源产业是迫切需要我们转变发展方式和用能方式，更好地调整能源结构，保护生态环境，因此成为了不可避免的要求。我们需要在保障能源供应安全的同时，积极推动新能源高质量发展，助力我国由能源大国向能源强国的转型进程。人类可以不断使用而不会枯竭的可再生能源，就是太阳能。它拥有独特的环保特性，具有无限的发展前景。太阳能，悄然成为了人类的永恒之源。由于其可再生性高、污染率低、供应稳定等诸多优点，它在长期的能源战略中地位重要。从20世纪60年代伊始，我国就迈入了太阳电池的研究探索之路。光伏组件在太阳能利用中占据着核心地位，它利用太阳光进行能量转化，是将自然界的光能转化为电能的利器。太阳电池组件的制备工艺与光电特性的深入研究对于推动太阳能利用的发展具有重要意义。目前主流的太阳能电池板结构是由玻璃、EVA、电池片、EVA和TPT背板依次堆叠而成，光透过玻璃后，依次进入各层材料，最终转化为电能。周挺等人在不同EVA材料抗光伏组件PID效应的研究中提出封装材料是光伏组件最为重要的部分。一个出色的封装材料可以为光伏组件提供维护功能，如光学、物理、绝缘、防潮等方面的保护[[]周挺,朱冰洁,怀朝君.不同EVA材料抗光伏组件PID效应的研究[J].科技视界,2017(29):104-105.DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2017.29.048.]。丁盛等人在光伏组件用EVA封装胶膜的性能研究中提到了封装胶膜EVA是太阳能电池组件的重要组成材料，太阳能电池片周围上下两层EVA胶膜起到对电池片的防护作用[[]丁盛,张海鹏.光伏组件用EVA封装胶膜的性能研究[J].粘接,2021,45(01):32-34.]。EVA是重要的密封材料，不仅可用于粘合太阳能电池片、玻璃、TPT背板等材料，而且EVA胶膜性能的高低决定了电池片的发电效率的优劣，而且还影响光伏组件的使用寿命。梁唐兵在光伏组件EVA胶膜的改性技术研究进展中提出了EVA是一种热固性有黏性的胶膜，具有高透明度、低熔点以及良好的耐久性能，因此常用于太阳能电池组件的生产利用之中。并且由于EVA胶膜的吸附能力较强，所以在使用的过程当中我们应该注意防尘防潮，拿取EVA的过程中也应当戴上手套防止手上的油脂和汗水浸染到EVA胶膜，一旦EVA胶膜受到污染，其各方面性能就会出现断崖式的下降[[]梁唐兵,光伏组件EVA胶膜的改性技术研究进展,中国科技期刊数据库.]。何宝华等人研究发现了光伏组件的发电功率基于入射到组件内部电池片表面的光强，经各类封装材料后，真正被电池片利用的光为75.82%，被钢化玻璃及EVA胶膜反射和吸收的光线仅为7.04%，占未被利用光线总数的29.53%[[]何宝华，沈祺珏，赵邦桂，等，晶体硅太阳电池组件低封装损失技术研究：第九届中国太阳级硅及光伏发电研讨会[C].常熟：2013.]。EVA的透光率影响到达电池板的光量。尽量减少光线在玻璃和EVA材料中的损失，能显著提升太阳电池组件的封装效益。准确测量玻璃和EVA层的透光率值，是提升太阳电池组件功率和确保品质的关键。光的穿透率能够直接影响电池的充电效率和寿命，因此精确测量透光率是不可或缺的重要步骤。在太阳电池组件中，光伏背板扮演着保护和支撑太阳电池片的重要角色，位于[]周挺,朱冰洁,怀朝君.不同EVA材料抗光伏组件PID效应的研究[J].科技视界,2017(29):104-105.DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2017.29.048.[]丁盛,张海鹏.光伏组件用EVA封装胶膜的性能研究[J].粘接,2021,45(01):32-34.[]梁唐兵,光伏组件EVA胶膜的改性技术研究进展,中国科技期刊数据库.[]何宝华，沈祺珏，赵邦桂，等，晶体硅太阳电池组件低封装损失技术研究：第九届中国太阳级硅及光伏发电研讨会[C].常熟：2013.[]顾丽争,王建龙,李华锋,胡亚召,柳青.光伏背板粘结涂层与封装胶膜粘结力的研究[J].涂料工业,2019,49(10):39-42.[]张增明,唐景,吕瑞瑞等.光伏组件封装EVA的湿热老化研究[J].合成材料老化与应用,2011,40(03):24-26+31.DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2011.03.002.本文中我们旨在探究不同厚度的EVA对太阳电池组件制备工艺及光电特性的影响研究。1.材料与设备1.1实验材料厚度分别为0.1mm，0.15mm，0.2mm，0.25mm，0.38mm，0.5mm的乙烯醋酸乙烯酯（EVA）；载玻片；铝片；TPT背板；玻璃。1.2实验设备名称用途电热真空干燥箱在真空条件下对物品进行加热处理紫外可见近红外分光光度计测量EVA与载玻片的透光率智能电子拉力试验机用于EVA胶膜剥离率的定量测量半自动层压机封装太阳能电池组件太阳模拟发射器用于太阳能产品室内研究与测试高低温交变湿热试验箱用来模拟光伏组件在气候环境温湿组合条件下太阳能电池分析仪光伏组件I-V特性曲线及电气特性测试2.实验过程与测试2.1不同EVA与载玻片透光率测试2.1.1实验原理太阳电池组件是一种利用太阳光进行发电的装置，如今，主流的太阳电池组件结构是从光入射面起，往内依次为钢化玻璃、EVA胶膜、太阳能电池片、EVA胶膜和光伏背板TPT。在太阳能电池的制作过程中，玻璃和EVA胶膜都扮演了至关重要的角色。其中：玻璃不仅起到密封、增加机械强度的作用，还能让光线顺畅通过。而EVA作为关键的密封材料，能够有效的粘合电池片、玻璃、背板等多种材料，同时EVA的透光性会影响电池片受到的光线总量。正是玻璃与EVA胶膜的协同作用，才让太阳能电池板在能量转化方面具有更大优势。考虑玻璃与EVA的折射率不同，独立测试玻璃和EVA的透光率并不能真实反映太阳光通过层压后的玻璃和EVA的透光率。只有测得层压后玻璃与EVA粘接后的总透光率，才能真正反映太阳光到达电池片的透光率。为此本实验利用载玻片与EVA加热抽取真空后来测试不同厚度EVA的透光率。2.1.2实验步骤步骤一：将不同厚度的EVA胶膜剪裁成与载玻片相同大小，长7.5cm,宽2.5cm。每种EVA胶膜各裁剪出三片，共18片。步骤二：用酒精清洗载玻片，将载玻片、不同厚度的EVA胶膜、载玻片依次叠加，并用长尾夹固定防止位移，如图2-1所示。将每种厚度的EVA各选取一份作为一组，共三组。图3-1完成固定的样品步骤三：将每组样品分别放入电热真空干燥箱中，控制每组的温度不同，分别加热至130℃，140℃，150℃并抽取真空，如图2-2所示。图3-2电热真空干燥箱步骤四：将加热抽取真空结束后的样品取出放置一段时间，如图2-3，最后在放入紫外可见近红外分光光度计中的平行光束和透镜透过率对样品进行数据测量，如图2-4所示。图3-3加热真空抽取后的样品图3-4紫外可见近红外分光光度计2.1.3紫外可见近红外分光光度计波长与透光率图像图3-5130℃样品的透光率图3-6140℃样品的透光率图3-7150℃样品的透光率紫外可见近红外分光光度计波长与透光率图像分析：（1）在紫外光谱范围10nm-380nm之间，随着波长的增长，三组样品的透光率整体都逐渐增高。（2）在可见光谱范围380nm-780nm之间，随着波长的增长，三组样品的透光率先整体增高后逐渐下降。而在可见光的范围内，不同厚度EVA的透光率也达到了最高，整体透光率为95%以上。（3）在红外光谱范围780nm-2250nm之间，波长在1750nm-2250nm这段范围内可直观看到随着EVA胶膜厚度的减小，EVA的透光率也逐渐增高。也可知这个范围内在不同温度的加热条件下，透光率并不会随着加热温度的变化而变化。2.2不同EVA与TPT背板粘结力测试2.2.1实验原理光伏背板粘结涂层与封装胶膜乙烯醋酸乙烯酯（EVA）的粘结力是决定组件封装效果的关键因素。光伏背板TPT是应用于太阳电池组件的背部的材料，同时也是重要的封装材料之一。太阳能电池组件封装材料TPT背板主要由3层结构组成，最外层为耐候层、中间是绝缘层、最内层是粘结层。本实验通过两种方法通过机器剥离EVA胶膜与铝片，从而了解不同厚度EVA的粘结力。第一种为铝片—EVA—TPT依次叠加的方法；第二种使用铝片—EVA—铝片依次叠加的办法。2.2.2实验步骤（1）铝片—EVA—TPT：步骤一：分别剪裁长度为14.5cm、宽度为2.5cm的TPT光伏背板；长度为6cm、宽度为2.5cm的EVA胶膜，不同厚度的EVA胶膜各裁取一片；长度为7.5cm、宽度为2.5cm的铝片。并用酒精进行清洗。步骤二：将载玻片、TPT背板、不同厚度的EVA胶膜、铝片、载玻片依次叠加，并用长尾夹固定防止位移。叠加过程中应注意EVA胶膜应与TPT背板的粘结层所接触。步骤三：放入电热真空干燥箱中加热至140℃并抽取真空，如图3-8。图3-8电热真空干燥箱步骤四：将加热抽取真空后的样品，如图3-9，放置一段时间后，固定在智能电子拉力试验机上，如图3-10。点击试验开始测量。图3-9加热抽取真空后的样品图3-10智能电子拉力试验机（2）铝片—EVA—铝片：步骤一：剪裁长度为15cm、宽度为2.5cm的铝片；裁剪长度为7.5cm、宽度为2.5cm的EVA胶膜，每种EVA胶膜各一片。并用酒精进行清洗。步骤二：将载玻片、铝片、不同厚度的EVA胶膜、铝片、载玻片依次叠加，并用长尾夹固定防止样品发生位移，如图3-11所示。图3-11完成固定的样品步骤三：放入电热真空干燥箱中加热至140℃并抽取真空。步骤四：将抽取真空后的铝片放置冷却后，在智能电子拉力试验机上固定好，点击试验开始测量。2.2.3智能电子拉力试验机测试力值图像图3-12铝片-EVA-TPT粘结力图像图3-13铝片-EVA-铝片粘结力图像由以上两种试验方法得出的图像可知，粘结力最强的是厚度为0.38mm的EVA，其次是厚度为0.25mm的EVA。随着EVA厚度的减小，它的粘结力也逐步降低。2.3太阳电池组件制备及光电特性测试2.3.1太阳电池发电原理太阳光照射到太阳能电池上，宛如注入了强大的能量，太阳电池就相当于一个巨大的p-n结。太阳光辐射在n区、空间电荷区和p区，然后被吸收,将价带电子激发到导带，分别产生电子-空穴对[[]谢建,马勇刚,廖华，等.太阳电池的原理和性能，2007.04.]。因为从电池表面到内部，入射光的强度逐渐衰减，导致光生载流子在不同位置数目不同，进而形成浓度梯度沿着光强衰减方向扩散运动。在内部电场的作用下，n区的空穴[]谢建,马勇刚,廖华，等.太阳电池的原理和性能，2007.0太阳电池组件构成光伏组件是一种通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。光伏系统的能源输出的稳定性决定于光伏组件的长期稳定性，只有光伏组件具备极高的稳定性，光伏系统在长期的运行过程中才能源源不断地输出电能。聚合物封装材料的化学稳定性直接影响光伏组件的耐久性，因而具有至关重要的作用。主要目的是确保光线能够充分透过，粘结能力强且电绝缘性佳。本研究采用不同厚度的EVA胶膜来制作光伏组件。太阳能电池组件构成（如图3-14）及各部分功能：图3-14太阳能电池组件构成（1）光伏玻璃：低铁超白绒面钢化玻璃是光伏组件的保护屏障。光伏玻璃厚度常见为3.2mm与4mm，然而其透光率无论薄厚都要求达到90％以上。（2）EVA胶膜：是目前太阳能电池组件封装中不可或缺的重要封装材料。光伏电池组件中要加入两层EVA胶膜，分别位于电池片的上下两侧。通过层压工艺后和玻璃黏合，能提高玻璃的透光率，起到增透的作用，并能增大光伏电池组件的功率输出。（3）电池片：光伏组件的核心材料就是太阳能电池片，把光能转化为电能，实现发电这一关键的任务。太阳能电池片的两种类型分别为单晶硅电池片和多晶硅电池片，它们每块电池片所提供的电压大约为0.5V。并且多晶硅的生产成本较低，得到了大量发展与应用。（4）背板：目前太阳能电池组件使用最多的就是TPT复合膜。TPT复合膜具有耐腐蚀、耐老化、不透气、力学性能好、耐高温、与黏结材料结合牢固等优点。这些特点正符合封装光伏电池组件，作为太阳能电池组件的背板材料，它有效地防止水、氧、腐蚀性气体等对EVA胶膜和太阳能电池片的腐蚀及其各种不良影响。2.3.3太阳电池组件制备工艺制作五组规格为80mm×80mm的电池组件。下面为本次所需光伏电池组件主要制作工艺流程[[][]何道清，何涛，丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M]，化学工业出版社，2012.03.光伏电池片测试分选：该实验使用多晶太阳电池片，选用电池片的规格为156mm×156mm。激光划片：使用电池片规格为68mm×32mm的多晶电池片，共划10片备用。电池片单焊并自检验：单个电池片需要两条焊条焊接并进行检验测试是否合格。电池片串焊并自检验：串焊选用两块电池片为一组，共制作五组同规格电池片，检验是否虚焊或脱焊现象并自检验。层叠敷设：每组电池片上下两侧分别使用不同厚度的EVA胶膜，背板统一使用TPT背板。层压：使用半自动层压机进行层压，将半自动层压机的温度预设为140℃，上下真空度为80kPa，在层压前设备检查并进行样板层压观察层压效果，再把组件放入层压机进行层压，后取出削边并清洗。终检测试：检测所制备的电池片电压、电流以及功率等是否符合要求。abcd图3-15光伏组件的制作过程图片a:串焊好的太阳能电池片正面；b:串焊好的太阳能电池片背面；c:组装好的太阳能电池组件；d:层压后的太阳能电池组件。观察图3-15-d，可知当EVA胶膜的厚度较薄时，层压好的组件会产生较多的气泡，且气泡较大，比如厚度为0.15mm的EVA气泡最多且最大；厚度为0.20mm的EVA产生的气泡虽较大但气泡较少。而当EVA胶膜厚度过厚时，也会对层压效果产生影响，当EVA胶膜厚度为0.50mm时，因为厚度较厚，会导致层压时胶膜溢出较多，致使电池片会移动且与焊锡发生些许分离。2.3.4太阳能电池的电气特性在环境温度为33℃，环境湿度为24.3%和总辐射为1062W/㎡的测试条件下，利用太阳模拟发射器和太阳能电池测试仪测量太阳能电池组件的电气特性，如开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子等。步骤一：将光伏组件输出端按正、负极连接到太阳能电池板测试仪上，如图3-16。步骤二：依照顺序正确打开太阳模拟发射器，如图3-17，调整至合适的高度和角度，用辐照仪测试放置组件位置及周围辐照度，其所在位置和周围辐照度不宜差距过大，减小其测试误差。图3-16太阳能电池板测试仪图3-17太阳模拟发射器步骤三：将组件放入调试好的位置上，点击太阳能电池板测试仪的自动扫描模式，等待测试结果，期间注意观察温度的变化，如出现异常，及时调整或停止。表3-1标准组件的电气特性标准组件的电气特性辐照度1032W/㎡参数EVA0.15mmEVA0.2mmEVA0.25mmEVA0.38mmEVA0.5mm开路电压Uoc1.239V1.300V1.290V1.315V1.315V短路电流Isc703.4mA962.9mA972.8mA1061mA967.9mA最大功率Pm583.1mW799.5mW777.7mW887.4mW868.9mW填充因子FF0.6690.6380.6190.6350.689最大电压Um1.003V1.038V1.034V1.072V1.080V最大电流Im581.4mA770.3mA752.2mA827.8mA804.mA由标准组件电气特性数据表可知，EVA厚度为0.38mm时组件的功率最大，为887.4MW；其次为厚度为0.5mm的EVA功率为868.9MW；厚度为0.15mm的EVA功率最小，仅为583.1MW。EVA厚度为0.15mm的组件电气特性相较于其他组件较低是因为由于胶膜较薄，封装好的组件不可避免内部出现了很多气泡，对组件的电气特性产生了较大的影响。2.4湿热老化试验2.4.1组件老化过程及步骤湿热试验（DH）是最常见的测试，用来评估由于腐蚀的太阳能电池性能退化的影响。WonwookOh等人在85℃/85%相对湿度条件下进行长期的DH试验后，观察到了组件性能下降，并推测可能与电极的腐蚀有关[[][]WonwookOh,SeongtakKim,SoohyunBae,NochangPark,YoonmookKang,Hae-SeokLee,DonghwanKim.Thedegradationofmulti-crystallinesiliconsolarcellsafterdampheattests[J].MicroelectronicsReliability,2014,54(9-10).致谢论文停留在了致谢，人生还在续写。故事始于2019年的金秋，终于2023年的盛夏。这一年，我二十二岁，在我一生的黄金时刻，我知道我的大学生涯会随着这段文字的落笔而结束，但庆幸的是我们的人生不会。饮水思源，感谢我的毕业设计指导老师——何永泰教授。感谢何老师在我写论文过程中给予的帮助，从选题到最终成文，他一直在很认真的指导我们完成毕设和论文，并给出自己的建议，他渊博的知识，耐心的指导，给予我很大的帮助，是一位非常尽职尽责的老师，老师一丝不苟的工作态度和积极自律的生活态度，让我受益终生。在此谨向何老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时也感谢我的班主任——刘廷森老师，他任劳任怨，在整个毕设中给予我们很大的帮助，让我们的毕设得以顺利进行。再此祝愿老师们身体健康，万事如意。父母之恩，感谢父母二十余载的悉心培育，是他们教会了我为人处世的道理，让我懂得了感恩，从小到大，他们总是无条件尊重并支持我的任何决定，从不给我施加压力，尽他们所能给我最好的生活，做我最坚强的后盾。是你们的鼓励与爱护让我更加的坚强与自信，是你们给予我站在你们的肩膀上眺望远方的机会。春晖寸草，山高海深，养育之恩，无以为报，我会继续努力成为他们的骄傲。希望我的家人们永远平安健康。同窗之情，感谢求学期间陪我走过欢声笑语的同学与挚友们，谢谢你们参与我的青春，陪伴我的成长。人海茫茫，庆幸相遇。感谢409实验室的小伙伴们，是大家的互帮互助才能让我们的毕设都顺利完成，与大家的相处都很快乐且美好。感谢大学期间帮助我的学长学姐们，感恩你们给予的帮助与关怀，帮助我解决了学业上和生活上的问题。愿我们今后都能在各自坚持的道路上熠熠生辉，前程似锦，所愿皆所得，大家在更高更远处重逢。青春的路上，想和平凡但努力的自己说一声谢谢，感谢一路跌跌撞撞走来的自己，谢谢自己始终保持对生活的热爱，何惧道阻且长，希望自己能继续保持热忱，坚定前行，奋斗的步伐不会停止，少年应有鸿鹄志，当骑骏马踏平川。回首求学生涯，起起伏伏，是一段逐渐接受自己的平凡但又不甘于平庸的漫长岁月。算得上幸运，有伯乐，亦有知己，似乎在每一个关键的人生节点都能得到一个差强人意的结果；亦难免艰辛，在无数焦虑难眠的夜晚，无数努力却得不到结果的意难平瞬间，总是安慰自己“人生若是无悔，那该多无趣”。往日暗沉不可追，来日之路光明灿烂。愿我们每个人既有重拾过往的力量，又有直面生活的勇气，更有毅然向前的决心，奔赴人生下一个阶段，开启下一段新征程！前路漫漫亦灿灿。是结束，也是开始。谨以此篇致谢我美好的四年大学学习生涯。将太阳电池组件放入型号为GDJS-100B的高低温交变湿热试验箱，如图3-18所示，试验箱是用来模拟光伏组件在气候环境温湿组合条件。将仪器温度调为75℃，湿度调为85%进行环境模拟试验。同时要观察水箱水位情况，若水位较低要及时加纯净水以保证机器的正常运行。并且每100h要停止环境模拟试验，取出太阳电池组件进行各项数据测试。图3-18高低温交变湿热试验箱步骤一：利用太阳模拟发射器和太阳能电池板测试仪进行电气特性数据测量。分别在光伏组件正背面同一位置放上温度探头pt100，在依次连接到24V供电的温度变送器上，然后在连接到数据采集器上，最后连接到计算机上。步骤二：光伏组件输出端按正负极连接到太阳能电池板测试仪。步骤三：依照顺序正确打开太阳模拟发射器，调整至合适的高度和角度，用辐照仪测试放置组件位置及周围辐照度，其所在位置和周围辐照度不宜差距过大，减小其测试误差。步骤四：将组件放入调试好的位置上，点击程序的运行和太阳能电池板测试仪的自动扫描模式，等待测试结果，期间注意观察温度的变化，如出现异常，及时调整或停止机器。步骤五：结束测试后，将组件再次放入高低温交变湿热试验箱进行100h的环境模拟试验。2.4.2100h老化数据表3-2100h湿热老化后组件的电气特性100h湿热老化后组件的电气特性辐照度873W/㎡参数EVA0.15mmEVA0.2mmEVA0.25mmEVA0.38mmEVA0.5mm开路电压Uoc1.334V1.328V1.314V1.342V1.316V短路电流Isc639.1mA835.2mA834.6mA868.3mA890.3mA最大功率Pm509.6mW618.7mW515.6mW631.6mW623.8mW填充因子FF0.5970.5570.470.5420.532最大电压Um0.997V0.911V0.835V0.873V0.904V最大电流Im511.2mA679.2mA617.6mA723.5mA712.2mA图3-19100h老化后组件正背面温差2.4.3200h老化数据表3-3200h湿热老化后组件的电气特性200h湿热老化后组件的电气特性辐照度870W/㎡参数EVA0.15mmEVA0.2mmEVA0.25mmEVA0.38mmEVA0.5mm开路电压Uoc1.301V1.293V1.294V1.323V1.315V短路电流Isc501.6mA667.5mA694.0mA689.4mA926.6mA最大功率Pm406.2mW489.4mW469.3mW544.8mW513.4mW填充因子FF0.6220.5670.5220.5970.421最大电压Um0.972V0.909V0.867V0.956V0.875V最大电流Im418.0mA538.4mA541.3mA569.9mA586.8mA图3-20200h老化后组件正背面温差2.4.4300h老化数据表3-4300h湿热老化后组件的电气特性300h湿热老化后组件的电气特性辐照度890W/㎡参数EVA0.15mmEVA0.2mmEVA0.25mmEVA0.38mmEVA0.5mm开路电压Uoc1.319V1.319V1.293V1.320V1.327V短路电流Isc499.9mA622.0mA659.2mA665.0mA662.6mA最大功率Pm387.5mW488.6mW426.3mW540.1mW470.8mW填充因子FF0.5870.5950.50.6150.535最大电压Um0.938V0.966V0.890V0.962V0.919V最大电流Im413.2mA505.8mA479.0mA567.4mA512.4mA图3-21300h老化后组件正背面温差分析老化100h、200h、300h的电气特性，可以分析得出：随着湿热老化时间逐渐变长，每个光伏组件的短路电流、最大输出功率和最大电流都在