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纯POE胶膜:光伏组件封装的王者!

近年来,光伏行业的快速发展,特别是组件制造的更新换代,带动了相关产业不断升级优化,封装材料就是其中之一,双面双玻组件销量的快速上升,就带动了光伏胶膜从EVA胶膜升级为POE胶膜。


虽然EVA一统光伏胶膜市场多年,为了适应双面双玻组件市场接受度逐年提高的市场需要,也是为了满足新型电池技术的封装要求,纯POE胶膜应运而生,经过多年在产线上的使用和实证检验,纯POE胶膜获得了市场的认可,市占率逐年上升。



但部分纯POE胶膜在工艺窗口和生产效率上不如EVA胶膜,使得组件制造商希望能有另外一种封装材料来帮助他们提高生产良率,EPE(EVA/POE/EVA)这种特殊材料的胶膜应运而生,虽然EPE胶膜的性能还缺乏实证的验证,但由于工艺上的优势,依然获得了一定程度的认可。


但我们说,纯POE胶膜才是封装材料真正的王者,为什么呢?


EVA和POE的差异


本质上来说,EVA胶膜和POE胶膜实际上是完全不同的两种高分子材料,现有的EPE产品只是是简单地将两者共挤出在一起,这种生产工艺意味着一定的品质风险。


如下是光伏级EVA和POE材料的主要性能对比:



上表展示的性能中,分子极性的差异使得EVA和POE材料对助剂的吸收程度和速率有显著不同。


玻璃化转变温度的差异,也会使得在环境温度低于零下20度的时候EVA硬化,与此同时POE仍然保持着弹性特征。


而水汽透过率的差异也会使得当EVA和POE结合的时候,水汽容易富集在两个材料的界面。


所以,EPE封装胶膜,基本无视了这两个材料之间的本质不同,在各个维度上都会产生一定的品质风险。


EPE产品的风险点


第一、厚度控制风险:


在EPE胶膜生产过程中的一个关键指标就是三层厚度的控制能力。材料的流动性匹配还有设备精度与厚度的控制关系密切。


流动性的关系在于,EVA和POE的流动性要相互匹配后才能在挤出模具中形成完美的三明治结构,而流动性和材料的熔融指数、设备温度、挤出压力等有比较复杂的关系,任意一个因素的波动都会带来厚度管控的风险。


尤其POE原材料由于供应问题,当胶膜厂家不能采购到熔融指数相符合的POE粒子,而不得不调整已经成熟的工艺参数,加之EPE的厚度无法在线监测,使得EPE胶膜的品质稳定性更让人担忧。


第二、助剂迁移风险:


如前所诉,EVA和POE在交联速率上的固有差异,使得配方设计时需要在两种材料中引入不同比例的功能助剂。


矛盾的是,不像纯的POE胶膜或者EVA胶膜,交联配方加入以后不会随时间而发生显著变化。EPE胶膜生产完成以后,因为EVA的极性特征和大部分助剂更加相互兼容,这就使得其中的EVA层将会不断吸收POE层中的有效助剂。


所以现在EPE胶膜的保质期都比较短。但是,即便在保质期内,不同的环境温度、存储条件、运输条件等都会对助剂迁移产生不稳定的影响。


生产出来的EPE胶膜,与组件厂最终上线使用的EPE胶膜将产生无法监控的差异。这种差异目前缺乏系统论证其风险程度。


第三、脱层风险:


EPE胶膜的脱层主要来自于两个方面。第一,助剂迁移以后,POE的交联速度变慢,层压工艺使得EPE胶膜中的POE被两侧的EVA挤出,从而产生脱层风险。



左图为1:2:1的EPE层压前厚度。 右图为其层压后,厚度变成1:1:1。显示POE和EVA交联速度在不匹配的情况下(配方不成熟或者助剂迁移),层压前后POE厚度将有显著差异。


另外一个就是长期老化过程中,各种物质在两种材料层间的富集,使得界面粘接强度越来越弱,引发脱层风险。


由于EPE胶膜存在着以上的风险,使得越来越多的光伏电站终端客户都明确指定所用组件要采用纯POE胶膜封装。


POE在新电池技术中的优势


EVA胶膜作为光伏组件封装材料,是上个世纪八十年代开发完成的。随着晶硅光伏技术的不断进步,对封装材料的要求也日渐提高。POE作为下一代的封装材料已经隐隐有取代EVA的趋势。具体表现在:


第一、N型TOPCON技术。N型电池正面银浆内含其他金属成分,会导致电气腐蚀电池正面银铝细栅线,造成电池片周围EL栅线发黑和功率衰减现象。这就要求封装材料要有更低的水气透过率和更高的化学稳定性。这方面纯POE胶膜显著优于EVA胶膜或者EPE胶膜。


第二、低硅片厚度和SMBB。迫于成本的压力,硅片厚度和银浆单瓦耗量这几年一直在降低。现有N型电池技术,无论TOPCON还是HJT,如果要量产的话,减薄硅片厚度和使用SMBB(超多主栅线)是必然的降本之路。


这些变化对封装胶膜提出了低克重的需求,而POE一方面在密度上比较低,相同单位克重的POE胶膜比EVA胶膜厚了近10%。另一方面,由于EPE胶膜中的POE是抗PID衰减的核心,在降低EPE胶膜的厚度时,不能三层一起减薄,所以纯POE胶膜具有更多的降低厚度空间,从而使得其具有成本和性能上的双重优势。



EPE在等比例降低厚度的同时,其抗PID性能将显著下降


第三、钙钛矿电池。由于钙钛矿电池惧怕高温,其组件需要在较低温度下层压封装。传统的EVA胶膜必须在140度左右的温度下进行交联,从而限制了其在钙钛矿电池下的使用。而POE材料可以挑选一类特殊的粒子牌号,加以配方上的设计,形成热塑性的POE胶膜。而热塑性POE胶膜在层压过程中不用发生交联反应,在120度就能完成组件的层压。


纯POE胶膜未来发展方向


目前的组件制造商对纯POE胶膜的主要顾虑点在于工艺上的滑移问题和POE粒子的供应限制上面。


方向一,关于纯POE胶膜的滑移问题,非常明确的原因是其中添加剂析出造成的,而不是POE材料本身的问题。增加助剂相容性是纯POE胶膜配方一个亟待解决的方向。


多年来,祥邦科技依托3M公司的研发体系,对纯POE胶膜防滑的问题已有显著改进。


方向二,开发低克重的生产工艺,一方面能满足组件厂对低克重低成本的需求,另外一方面,也能够在POE粒子供应受限的情况下,增加纯POE胶膜的供应量。


方向三,POE粒子国产化。POE产生于20世纪90年代初,长时间被跨国公司所垄断。但好消息是,随着国内企业的成长和国家整体科研实力的加强,我们已经可以看到,在万华等一批优秀企业的全力攻关下,在未来3-5年时间内,POE粒子必将实现国产化。到那时,无论是成本还是供应都不再成为纯POE发展的限制。


而在国产化POE粒子成熟之前,纯POE胶膜将成为各大组件厂发展新型组件必须争夺的资源。


小结


因为EPE胶膜在助剂迁移、厚度控制、降本空间等方面的限制,将无法挑战纯POE胶膜的地位。


纯POE胶膜将在光伏电池和组件更新换代中扮演越来越重要的角色。


未来纯POE胶膜将往低克重、防滑移和国产化粒子方向发展。