編者按：歷經(jīng)十幾年革新的光伏材料有如今的發(fā)展，都經(jīng)歷了些什么，一路創(chuàng)新技術(shù)，只為光伏護(hù)航。
光伏材料的革新歷經(jīng)十多年，今天我們?cè)跒槿绾巫尣牧现Ω叩慕M件效率時(shí)，絕大多數(shù)的光伏人都不知道十年前的光伏工程師都經(jīng)歷了什么！或許有人說(shuō)現(xiàn)在的背板、高透/白色EVA不都是組件BOM標(biāo)配嗎？組件良率99.9%不是標(biāo)準(zhǔn)工藝要求嗎？正值2019光伏聚合物國(guó)際大會(huì)召開前夕，讓我們來(lái)聽一聽光伏前輩、十多年前的無(wú)錫尚德副總工程師溫建軍先生講述當(dāng)年為了做出一塊合格的組件所做的各種努力。
01當(dāng)年的EVA，多來(lái)自日本
眾所周知，EVA熱熔膠膜是封裝晶體硅太陽(yáng)電池組件的重要材料之一。目前，各種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)EVA產(chǎn)品為制造質(zhì)高價(jià)低的太陽(yáng)電池組件提供了有力的保障。福斯特、海優(yōu)威、東方日升在EVA膠膜領(lǐng)域占了全球90%以上的份額。可是在十幾年前，情況并不是這樣，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)僅有個(gè)別廠家生產(chǎn)EVA產(chǎn)品，組件生產(chǎn)大多是用日本歐洲等國(guó)外的EVA膠膜。
如今的你，是否聽說(shuō)過(guò)三井、勝邦、普利司通、Sanvic、3M？2008年前，全球范圍內(nèi)EVA膠膜市場(chǎng)占有率前三分別是美國(guó)勝邦(STR)、日本三井化學(xué)、普利斯通，直到2009年杭州福斯特才躋身前三，四家總共占據(jù)了全球80%以上的EVA膠膜市場(chǎng)份額。
美國(guó)勝邦STR擁有美國(guó)、西班牙和馬來(lái)西亞三家工廠，截止2011年底，公司EVA膠膜產(chǎn)能達(dá)到1.5億平米。三井化學(xué)、普利司通都是日本的老牌巨頭，不僅提供EVA粒子，還生產(chǎn) EVA膠膜。
為何進(jìn)口產(chǎn)品中尤以日本的居多？原因之一是由于EVA產(chǎn)品運(yùn)輸過(guò)程中需要冷藏，還有一定期限的保質(zhì)期，日本距離較近，海運(yùn)周期短，相當(dāng)于延長(zhǎng)了EVA膠膜的使用期，運(yùn)輸費(fèi)用也相對(duì)低廉。所以，美國(guó)勝邦在鼎盛時(shí)期已經(jīng)在常熟選址（就在現(xiàn)在的中來(lái)對(duì)面、騰暉隔壁）準(zhǔn)備建廠。
02當(dāng)年的EVA，都讓人頭疼
然而不僅國(guó)產(chǎn)，即使是進(jìn)口的EVA膠膜，也都存在諸多讓人頭疼的問(wèn)題，只是在程度上有所不同而已。
l 問(wèn)題多：主要問(wèn)題有：收縮率較大、耐老化性不足，易黃變、厚薄不勻、平整度不好、有雜質(zhì)、清潔度也有待提高、裁切不準(zhǔn)確、交聯(lián)固化時(shí)間長(zhǎng)、交聯(lián)度不均勻且測(cè)試方法復(fù)雜等等。
l 型號(hào)少：作為保護(hù)太陽(yáng)電池“上鋪下墊”的EVA膠膜，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口的，那時(shí)各個(gè)生產(chǎn)廠家都只有一種型號(hào)，品種單一，且質(zhì)量良莠不齊，雖然總體上進(jìn)口比國(guó)產(chǎn)好，但也有很多不足。
l 性能差異大：不同廠家產(chǎn)品的性能差異給組件生產(chǎn)帶來(lái)很多麻煩。
l 進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格高。
這些問(wèn)題的存在，讓EVA很難滿足迅速發(fā)展的太陽(yáng)電池組件制造需求。
03當(dāng)年的EVA，創(chuàng)新發(fā)展了十年
直到2015年前后，EVA膠膜的配方才基本定型，不再有太多的變化，成熟應(yīng)用于常規(guī)組件和雙玻組件，并在很大程度上幫助改善了PID和蝸牛紋現(xiàn)象。然而2015年之前的EVA，幾乎每年都在革新。無(wú)錫尚德是國(guó)內(nèi)首家大規(guī)模量產(chǎn)組件的企業(yè)，下面講幾個(gè)尚德公司與改善EVA膠膜品質(zhì)、解決組件生產(chǎn)過(guò)程中問(wèn)題的故事。這些對(duì)于現(xiàn)在的組件生產(chǎn)來(lái)說(shuō)可能不值一提，而在當(dāng)時(shí)的確困擾了組件生產(chǎn)線很久
1） 改善EVA膠膜產(chǎn)品的收縮率與組件生產(chǎn)的精確層疊工藝方法
EVA膠膜加熱后收縮率比較大，尤其是在長(zhǎng)度方向上和寬度方向上收縮率的差異則更大，這給組件生產(chǎn)帶來(lái)了很大問(wèn)題。首先是電池串橫向、電池豎向位移和匯流條位移。電池串位移使串間距不等，嚴(yán)重時(shí)并串甚至重疊。電池位移則導(dǎo)致電池間互連條凸起，在組件背面形成鼓包，嚴(yán)重時(shí)引起電池碎片和鼓包刺破背板。記得有些企業(yè)為使鼓包不那么明顯，在組件剛出層壓機(jī)還有余熱時(shí)，用一塊類似彈棉花時(shí)壓棉絮的圓形壓板來(lái)回壓磨組件背面，或者用電熨斗來(lái)壓磨鼓包，想方設(shè)法使鼓包內(nèi)的互連條平整些，豈不知這樣壓磨極易造成電池產(chǎn)生隱裂。匯流條位移使間距不等甚至并在一起造成短路也是經(jīng)常發(fā)生的，不得已有些企業(yè)則干脆把匯流條做到電池背面，這樣匯流條位移問(wèn)題雖然解決了，但物料和人工成本增加不說(shuō)，還增加了電池隱裂的風(fēng)險(xiǎn)和組件局部散熱不良。為了防止電池串、電池以及匯流條位移，工程師想辦法在電池背面加鋪過(guò)玻璃纖維，位移情況有所改善，但增加了成本，有時(shí)會(huì)因玻璃纖維內(nèi)的異物引起組件內(nèi)產(chǎn)生氣泡，同時(shí)還影響生產(chǎn)線員工的健康。
EVA膠膜加熱后收縮率大帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是需要加大EVA膠膜的尺寸來(lái)防止EVA縮到組件內(nèi)部，造成組件邊緣無(wú)EVA膠的情況。以前EVA膠膜和背板尺寸都要大于玻璃四周幾厘米，多出來(lái)的EVA膠膜不僅浪費(fèi)材料，還污染了層壓機(jī)、傳送帶以及組件自身。層壓機(jī)和傳送帶被污染會(huì)使后續(xù)組件沾污和產(chǎn)生壓痕，嚴(yán)重時(shí)組件粘在層壓機(jī)上蓋或高溫布上掉下來(lái)被摔碎。組件割邊割下來(lái)的廢料每天都有好幾大包，不僅浪費(fèi)價(jià)格不菲的EVA膠膜和TPT背板，還污染環(huán)境。組件自身粘上的EVA膠則需要大量人工來(lái)清潔，當(dāng)時(shí)除了手工焊接電池工序的員工比較多以外，整個(gè)組件生產(chǎn)線就數(shù)清潔組件的員工最多了，用酒精溶解、用美工刀刮、用鋼絲球蹭、用無(wú)紡布擦，費(fèi)了好大勁也很難清理干凈，消耗了大量人力物力，有時(shí)員工還會(huì)被割傷，并經(jīng)常因殘留在組件上的EVA膠沒清理干凈而招來(lái)客戶投訴。還有來(lái)回搬運(yùn)和翻轉(zhuǎn)組件會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)生隱裂甚至撞碎組件。這些幾乎都是EVA膠膜收縮率過(guò)大惹的禍。
大家知道，EVA膠膜生產(chǎn)有壓延法和流延法兩種不同的工藝，一般情況下壓延法生產(chǎn)的收縮率小于流延法，所以尚德公司初期基本上采用的都是日本公司壓延法生產(chǎn)的EVA膠膜。盡管如此，其收縮率依然不穩(wěn)定，遠(yuǎn)未達(dá)到期望值。后來(lái)經(jīng)與許多國(guó)內(nèi)外廠家反復(fù)溝通、試驗(yàn)，不斷努力，逐步實(shí)現(xiàn)了無(wú)論用什么工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品收縮率等指標(biāo)都能達(dá)到組件生產(chǎn)的技術(shù)要求了，尚德公司也就有了更多的選擇，并開始使用物美價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)EVA膠膜了，同時(shí)逐步取消了在電池背面加鋪的玻璃纖維。
在此基礎(chǔ)上尚德還改善了EVA膠膜和背板的裁剪尺寸和鋪設(shè)方法，在全公司實(shí)施，從而有效地避免了組件在層壓工序被污染的發(fā)生，并使層壓件無(wú)需割邊，無(wú)需清除玻璃和背板上殘留的EVA膠，減少了電池產(chǎn)生隱裂的幾率，減少了生產(chǎn)工序，節(jié)省了人力成本，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)，節(jié)約了EVA膠膜、背板和其他相關(guān)耗材，延長(zhǎng)了層壓機(jī)膠皮的使用壽命，提高了組件的產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，取得了良好效果和極大的經(jīng)濟(jì)收益。為此2009年9月8日尚德申請(qǐng)了《一種太陽(yáng)電池組件及其層疊的方法》的發(fā)明專利。
2） 改善EVA膠膜黃變
EVA膠膜黃變影響組件轉(zhuǎn)換效率，嚴(yán)重影響組件外觀和使用壽命，這是早期EVA膠膜產(chǎn)品的又一大缺陷。其實(shí)上世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)就在生產(chǎn)EVA產(chǎn)品了，黃變問(wèn)題困擾了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。當(dāng)時(shí)即使是國(guó)外的進(jìn)口EVA產(chǎn)品也有黃變嚴(yán)重的，有時(shí)在車間看到成卷的EVA膠膜都是淡黃色。有些則是在雙85或紫外照射等老化試驗(yàn)后呈現(xiàn)黃色。經(jīng)過(guò)EVA膠膜生產(chǎn)企業(yè)的努力，逐步解決了產(chǎn)品黃變的問(wèn)題，現(xiàn)在已基本不存在這個(gè)現(xiàn)象了。
3） 改善批量生產(chǎn)EVA膠膜的厚度一致性、平整度、清潔度和穩(wěn)定性
大家知道，組件內(nèi)氣泡是組件生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生的一種常見缺陷，就是到現(xiàn)在也會(huì)偶有產(chǎn)生，只是以往更為嚴(yán)重些。組件產(chǎn)生氣泡的原因除了玻璃等其他原材料、組件生產(chǎn)工藝和設(shè)備上的一些問(wèn)題外，EVA膠膜的厚度一致性、平整度、清潔度、有異物等缺陷也是主要因素之一。在電池背面加鋪一層玻璃纖維也是當(dāng)時(shí)解決氣泡問(wèn)題的方法之一。時(shí)至今日，因EVA膠膜這些不良而引起的氣泡問(wèn)題已是鳳毛麟角了。
4） 改善EVA膠膜交聯(lián)固化時(shí)間長(zhǎng)、交聯(lián)度不均勻且測(cè)試方法復(fù)雜的問(wèn)題
早期的EVA膠膜屬于慢固化型，交聯(lián)固化的時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外廠家一般都使用二次固化工藝進(jìn)行生產(chǎn)，也就是先在層壓機(jī)中完成預(yù)層壓，然后放入烘箱中來(lái)使EVA膠膜交聯(lián)固化。早期層壓機(jī)加熱板的溫度均勻性較差，烘箱內(nèi)的溫度也不均勻，這對(duì)組件內(nèi)EVA膠層的交聯(lián)固化影響極大，EVA膠層交聯(lián)度不一致將嚴(yán)重影響組件產(chǎn)品質(zhì)量。為提高組件生產(chǎn)效率、保證EVA膠層交聯(lián)度均勻，尚德開發(fā)了全自動(dòng)固化爐，組件在固化爐一頭進(jìn)去，從另一頭出來(lái)，并一直保持旋轉(zhuǎn)，效果良好。2005年12月31日尚德申請(qǐng)了《晶體硅太陽(yáng)電池組件全自動(dòng)固化爐》的實(shí)用新型專利。后來(lái)EVA膠膜逐漸都改成快固型的了，固化爐就被省略。當(dāng)然現(xiàn)在又開發(fā)了兩段乃至三段的層壓機(jī)，包括層壓、固化和冷卻，這大大加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了生產(chǎn)效率和組件產(chǎn)品的質(zhì)量。
測(cè)量組件內(nèi)EVA膠層交聯(lián)度是否均勻一致，是組件產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。二甲苯萃取法是測(cè)試組件層壓后EVA膠層交聯(lián)度常用的傳統(tǒng)方法。該方法測(cè)試需時(shí)間較長(zhǎng)、干擾因素多、反映生產(chǎn)線上的實(shí)際狀態(tài)較慢，且操作較復(fù)雜，對(duì)操作員工的身體也不利，還易燃，需要有較嚴(yán)格的防護(hù)措施，目前大多廠家還在用此法測(cè)試EVA膠層的交聯(lián)度。有不少公司實(shí)驗(yàn)室采用DSC（差示掃描量熱法）來(lái)替代二甲苯萃取法，也有廠家用DSC監(jiān)控日常生產(chǎn)時(shí)組件內(nèi)交聯(lián)度狀態(tài)的。2013年前后，有家歐洲公司和國(guó)內(nèi)的正泰公司推出了EVA交聯(lián)度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，備受關(guān)注（光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇2018年光伏聚合物大會(huì)專程邀請(qǐng)了德國(guó)洪堡大學(xué)的教授介紹了在線監(jiān)測(cè)EVA交聯(lián)度的原理和開發(fā)過(guò)程），但隨著EVA交聯(lián)固化設(shè)備和工藝的不斷成熟，在線監(jiān)測(cè)交聯(lián)度盡管很重要，但似乎已經(jīng)沒有太大必要，這項(xiàng)技術(shù)沒有得到太多應(yīng)用。
5） 關(guān)于晶體硅太陽(yáng)電池組件用前后EVA材料的不同要求和標(biāo)準(zhǔn)
自從用EVA熱熔膠膜制作太陽(yáng)電池組件以來(lái)，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電池前后都是用同一種膠膜。這是為防止EVA膠膜和背板在陽(yáng)光尤其是紫外光的作用下被分解老化和黃變，因此需在EVA膠膜生產(chǎn)原料中加入抗紫外劑來(lái)阻止紫外線穿過(guò)EVA層而照射到背板上。這樣雖然在一定程度上保護(hù)了背板，但卻阻止了大部分紫外光到達(dá)電池，使得電池?zé)o法接收這部分能量，從而降低了組件的輸出功率。近年來(lái)電池的方塊電阻越做越高，電池短波響應(yīng)越來(lái)越好，不能透過(guò)紫外線的EVA層對(duì)組件輸出功率的影響越來(lái)越大。所以，在確保EVA膠膜本身和背板不會(huì)因紫外線透過(guò)而老化黃變的前提下，電池正面采用紫外和可見光都可透過(guò)的高透過(guò)率EVA膠膜，電池背面則采用低紫外線透過(guò)甚至是反光良好的白色EVA膠膜就顯得越來(lái)越有必要。尚德在十幾年前就給國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)EVA膠膜的合作廠家提出此建議，只是無(wú)奈國(guó)外廠家反映極慢，長(zhǎng)時(shí)間不肯做出改善。而以福斯特為代表的國(guó)內(nèi)廠家則積極響應(yīng)，經(jīng)過(guò)不斷摸索，反復(fù)試驗(yàn)，于2009年前后推出了高透過(guò)率的F406型和低透過(guò)率的F806型EVA膠膜產(chǎn)品。近年來(lái)所有EVA膠膜的生產(chǎn)廠家，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外廠家，毫無(wú)例外地都提供質(zhì)量可靠的高透過(guò)率型和截止型兩種EVA膠膜產(chǎn)品，同時(shí)組件生產(chǎn)幾乎全行業(yè)都在電池前后分別配合使用高透過(guò)率型和截止型兩種EVA膠膜了。當(dāng)然好像還有極個(gè)別的組件生產(chǎn)廠家不肯配合使用，自然也無(wú)可厚非。
而對(duì)于電池背面用白色反光型EVA膠膜，福斯特也積極配合，在2010年就為尚德公司提供了樣品，雖然當(dāng)時(shí)還存在背面白色EVA在層壓過(guò)程中溢出到電池邊緣形成翻邊等缺陷，但畢竟為制作白色雙玻組件樣品給予了極大幫助，并取得良好效果，更加增強(qiáng)了對(duì)雙玻組件的信心。后來(lái)繼續(xù)對(duì)白色EVA膠膜翻邊等缺陷不斷進(jìn)行改善，2015年福斯特正式推出F806W型白色EVA膠膜?，F(xiàn)在，白色EVA膠膜不僅在雙玻組件，在常規(guī)組件的制造中也起到很好的效果。圖4和圖5是2010年 8月尚德制作的幾種雙玻組件老化后的檢驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告顯示白色雙玻組件經(jīng)過(guò)雙85老化試驗(yàn)后不僅輸出功率未見下降，反而略有提高。
高透、截止以及白色EVA膠膜的應(yīng)用在尚德2011年11月11日申請(qǐng)的實(shí)用新型專利《太陽(yáng)電池雙玻組件》和2012年9月在第12屆光伏大會(huì)上發(fā)表的論文《太陽(yáng)電池組件用前后EVA材料的不同技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)討論》中均有闡述。
6） 關(guān)于晶體硅太陽(yáng)電池組件蝸牛紋和PID現(xiàn)象
晶體硅太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生蝸牛紋和PID現(xiàn)象的因素比較復(fù)雜，如蝸牛紋現(xiàn)象最主要的原因是電池隱裂，PID現(xiàn)象最主要的原因是組件表面的高電壓（P型硅片的電池為負(fù)高壓，N型硅片的電池為正高壓），而僅靠改善EVA膠膜的性能則是不夠的，需要從電池制造、熱熔膠膜原料、組件結(jié)構(gòu)、組件搬運(yùn)和安裝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防護(hù)等多方面來(lái)預(yù)防蝸牛紋和PID現(xiàn)象的發(fā)生。盡管如此，在硅料為王、電池為爺、材料為孫的年代，組件廠把巨大的壓力轉(zhuǎn)給了材料供應(yīng)商，而EVA膠膜供應(yīng)商也不負(fù)眾望，針對(duì)這兩個(gè)現(xiàn)象，從自身做了一些改善，配合電池的一些改善，也取得了很好的效果。2012年，通過(guò)提高EVA的體積電阻，海優(yōu)威率先、其他廠家陸續(xù)在行業(yè)推出了高抗PID和蝸牛紋的EVA膠膜。
04當(dāng)年的EVA技術(shù)創(chuàng)新，一路護(hù)航光伏十年輝煌成就
通過(guò)以上對(duì)EVA膠膜不斷進(jìn)行改善的故事，使我們深深地體會(huì)到不間斷的改善對(duì)提高組件產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的重要性。對(duì)于太陽(yáng)電池組件產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，一項(xiàng)可以被廣泛應(yīng)用的技術(shù)、工藝或材料一定要滿足降低制造成本、提高轉(zhuǎn)換效率、延長(zhǎng)使用壽命和滿足客戶需求這幾項(xiàng)要求，并使其達(dá)到和諧統(tǒng)一，也就是常說(shuō)的性價(jià)比要高。這其中，延長(zhǎng)使用壽命是保證組件產(chǎn)品質(zhì)量的底線，所有改善后的結(jié)果，都必須滿足組件產(chǎn)品戶外使用大于25年且衰減小于20%這個(gè)最基本的條件，這樣的例子太多了。僅舉一例，最典型的就是雙玻組件，為什么幾乎所有生產(chǎn)雙玻組件的廠家都有底氣號(hào)稱雙玻組件保質(zhì)期到30年，而不是常規(guī)組件的25年，為什么中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)2019年1月28日頒布3月1日起實(shí)施的《地面用雙玻晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定將各種環(huán)境試驗(yàn)后最大功率衰減幅度不大于3%，而不是常規(guī)組件的5%，這都是在基于嚴(yán)格的老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上才制定出來(lái)的，而并不是人云亦云，聽風(fēng)是雨的隨意之為。
無(wú)論是創(chuàng)新也好，還是改善也罷，都是要擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的。而穩(wěn)定的技術(shù)才是最關(guān)鍵的，我們需要在現(xiàn)有的條件下，把工作做得更縝密，更細(xì)致。一款產(chǎn)品在上市之前需要經(jīng)過(guò)構(gòu)思、研發(fā)、測(cè)試、試產(chǎn)、試用、測(cè)試、量產(chǎn)這些階段，其中還有多次反復(fù)，只有當(dāng)設(shè)想的產(chǎn)品通過(guò)制造并和客戶達(dá)到完美的契合，這時(shí)才能夠給客戶穩(wěn)定地交付產(chǎn)品，以此來(lái)確保我們的組件產(chǎn)品能不斷降低制造成本、提高轉(zhuǎn)換效率、延長(zhǎng)使用壽命和滿足客戶需求，為光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)多做貢獻(xiàn)。
原標(biāo)題：國(guó)產(chǎn)化十年修煉，光伏材料EVA膠膜創(chuàng)新發(fā)展之路
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