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)，只為光伏護航。
光伏材料的革新歷經(jīng)十多年，今天我們在為如何讓材料助力更高的組件效率時，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！或許有人說現(xiàn)在的背板、高透/白色EVA不都是組件BOM標配嗎？組件良率99.9%不是標準工藝要求嗎？正值2019光伏聚合物國際大會召開前夕，讓我們來聽一聽光伏前輩、十多年前的無錫尚德副總工程師溫建軍先生講述當年為了做出一塊合格的組件所做的各種努力。
01當年的EVA，多來自日本
眾所周知，EVA熱熔膠膜是封裝晶體硅太陽電池組件的重要材料之一。目前，各種性能優(yōu)良、價格低廉的國產(chǎn)EVA產(chǎn)品為制造質(zhì)高價低的太陽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?？墒窃谑畮啄昵埃闆r并不是這樣，當時國內(nèi)僅有個別廠家生產(chǎn)EVA產(chǎn)品，組件生產(chǎn)大多是用日本歐洲等國外的EVA膠膜。
如今的你，是否聽說過三井、勝邦、普利司通、Sanvic、3M？2008年前，全球范圍內(nèi)EVA膠膜市場占有率前三分別是美國勝邦(STR)、日本三井化學、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膠膜市場份額。
美國勝邦STR擁有美國、西班牙和馬來西亞三家工廠，截止2011年底，公司EVA膠膜產(chǎn)能達到1.5億平米。三井化學、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。
為何進口產(chǎn)品中尤以日本的居多？原因之一是由于EVA產(chǎn)品運輸過程中需要冷藏，還有一定期限的保質(zhì)期，日本距離較近，海運周期短，相當于延長了EVA膠膜的使用期，運輸費用也相對低廉。所以，美國勝邦在鼎盛時期已經(jīng)在常熟選址（就在現(xiàn)在的中來對面、騰暉隔壁）準備建廠。
02當年的EVA，都讓人頭疼
然而不僅國產(chǎn)，即使是進口的EVA膠膜，也都存在諸多讓人頭疼的問題，只是在程度上有所不同而已。
l 問題多：主要問題有：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、裁切不準確、交聯(lián)固化時間長、交聯(lián)度不均勻且測試方法復雜等等。
l 型號少：作為保護太陽電池“上鋪下墊”的EVA膠膜，無論是國產(chǎn)還是進口的，那時各個生產(chǎn)廠家都只有一種型號，品種單一，且質(zhì)量良莠不齊，雖然總體上進口比國產(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)帶來很多麻煩。
l 進口產(chǎn)品價格高。
這些問題的存在，讓EVA很難滿足迅速發(fā)展的太陽電池組件制造需求。
03當年的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。無錫尚德是國內(nèi)首家大規(guī)模量產(chǎn)組件的企業(yè)，下面講幾個尚德公司與改善EVA膠膜品質(zhì)、解決組件生產(chǎn)過程中問題的故事。這些對于現(xiàn)在的組件生產(chǎn)來說可能不值一提，而在當時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)帶來了很大問題。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，嚴重時并串甚至重疊。電池位移則導致電池間互連條凸起，在組件背面形成鼓包，嚴重時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，在組件剛出層壓機還有余熱時，用一塊類似彈棉花時壓棉絮的圓形壓板來回壓磨組件背面，或者用電熨斗來壓磨鼓包，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，這樣匯流條位移問題雖然解決了，但物料和人工成本增加不說，還增加了電池隱裂的風險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玻璃纖維，位移情況有所改善，但增加了成本，有時會因玻璃纖維內(nèi)的異物引起組件內(nèi)產(chǎn)生氣泡，同時還影響生產(chǎn)線員工的健康。
EVA膠膜加熱后收縮率大帶來的另一個問題是需要加大EVA膠膜的尺寸來防止EVA縮到組件內(nèi)部，造成組件邊緣無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，多出來的EVA膠膜不僅浪費材料，還污染了層壓機、傳送帶以及組件自身。層壓機和傳送帶被污染會使后續(xù)組件沾污和產(chǎn)生壓痕，嚴重時組件粘在層壓機上蓋或高溫布上掉下來被摔碎。組件割邊割下來的廢料每天都有好幾大包，不僅浪費價格不菲的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清潔，當時除了手工焊接電池工序的員工比較多以外，整個組件生產(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、用無紡布擦，費了好大勁也很難清理干凈，消耗了大量人力物力，有時員工還會被割傷，并經(jīng)常因殘留在組件上的EVA膠沒清理干凈而招來客戶投訴。還有來回搬運和翻轉(zhuǎn)組件會導致電池產(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，遠未達到期望值。后來經(jīng)與許多國內(nèi)外廠家反復溝通、試驗，不斷努力，逐步實現(xiàn)了無論用什么工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品收縮率等指標都能達到組件生產(chǎn)的技術(shù)要求了，尚德公司也就有了更多的選擇，并開始使用物美價廉的國產(chǎn)EVA膠膜了，同時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，并使層壓件無需割邊，無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，節(jié)約了EVA膠膜、背板和其他相關(guān)耗材，延長了層壓機膠皮的使用壽命，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)濟收益。為此2009年9月8日尚德申請了《一種太陽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。其實上世紀80年代國內(nèi)就在生產(chǎn)EVA產(chǎn)品了，黃變問題困擾了相當長的一段時間。當時即使是國外的進口EVA產(chǎn)品也有黃變嚴重的，有時在車間看到成卷的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后呈現(xiàn)黃色。經(jīng)過EVA膠膜生產(chǎn)企業(yè)的努力，逐步解決了產(chǎn)品黃變的問題，現(xiàn)在已基本不存在這個現(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)過程中經(jīng)常會發(fā)生的一種常見缺陷，就是到現(xiàn)在也會偶有產(chǎn)生，只是以往更為嚴重些。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時解決氣泡問題的方法之一。時至今日，因EVA膠膜這些不良而引起的氣泡問題已是鳳毛麟角了。
4） 改善EVA膠膜交聯(lián)固化時間長、交聯(lián)度不均勻且測試方法復雜的問題
早期的EVA膠膜屬于慢固化型，交聯(lián)固化的時間相對比較長，國內(nèi)外廠家一般都使用二次固化工藝進行生產(chǎn)，也就是先在層壓機中完成預(yù)層壓，然后放入烘箱中來使EVA膠膜交聯(lián)固化。早期層壓機加熱板的溫度均勻性較差，烘箱內(nèi)的溫度也不均勻，這對組件內(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)了全自動固化爐，組件在固化爐一頭進去，從另一頭出來，并一直保持旋轉(zhuǎn)，效果良好。2005年12月31日尚德申請了《晶體硅太陽電池組件全自動固化爐》的實用新型專利。后來EVA膠膜逐漸都改成快固型的了，固化爐就被省略。當然現(xiàn)在又開發(fā)了兩段乃至三段的層壓機，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。該方法測試需時間較長、干擾因素多、反映生產(chǎn)線上的實際狀態(tài)較慢，且操作較復雜，對操作員工的身體也不利，還易燃，需要有較嚴格的防護措施，目前大多廠家還在用此法測試EVA膠層的交聯(lián)度。有不少公司實驗室采用DSC（差示掃描量熱法）來替代二甲苯萃取法，也有廠家用DSC監(jiān)控日常生產(chǎn)時組件內(nèi)交聯(lián)度狀態(tài)的。2013年前后，有家歐洲公司和國內(nèi)的正泰公司推出了EVA交聯(lián)度在線監(jiān)測技術(shù)，備受關(guān)注（光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇2018年光伏聚合物大會專程邀請了德國洪堡大學的教授介紹了在線監(jiān)測EVA交聯(lián)度的原理和開發(fā)過程），但隨著EVA交聯(lián)固化設(shè)備和工藝的不斷成熟，在線監(jiān)測交聯(lián)度盡管很重要，但似乎已經(jīng)沒有太大必要，這項技術(shù)沒有得到太多應(yīng)用。
5） 關(guān)于晶體硅太陽電池組件用前后EVA材料的不同要求和標準
自從用EVA熱熔膠膜制作太陽電池組件以來，很長一段時間內(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阻止紫外線穿過EVA層而照射到背板上。這樣雖然在一定程度上保護了背板，但卻阻止了大部分紫外光到達電池，使得電池無法接收這部分能量，從而降低了組件的輸出功率。近年來電池的方塊電阻越做越高，電池短波響應(yīng)越來越好，不能透過紫外線的EVA層對組件輸出功率的影響越來越大。所以，在確保EVA膠膜本身和背板不會因紫外線透過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的高透過率EVA膠膜，電池背面則采用低紫外線透過甚至是反光良好的白色EVA膠膜就顯得越來越有必要。尚德在十幾年前就給國內(nèi)外生產(chǎn)EVA膠膜的合作廠家提出此建議，只是無奈國外廠家反映極慢，長時間不肯做出改善。而以福斯特為代表的國內(nèi)廠家則積極響應(yīng)，經(jīng)過不斷摸索，反復試驗，于2009年前后推出了高透過率的F406型和低透過率的F806型EVA膠膜產(chǎn)品。近年來所有EVA膠膜的生產(chǎn)廠家，無論是國內(nèi)還是國外廠家，毫無例外地都提供質(zhì)量可靠的高透過率型和截止型兩種EVA膠膜產(chǎn)品，同時組件生產(chǎn)幾乎全行業(yè)都在電池前后分別配合使用高透過率型和截止型兩種EVA膠膜了。當然好像還有極個別的組件生產(chǎn)廠家不肯配合使用，自然也無可厚非。
而對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，雖然當時還存在背面白色EVA在層壓過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，更加增強了對雙玻組件的信心。后來繼續(xù)對白色EVA膠膜翻邊等缺陷不斷進行改善，2015年福斯特正式推出F806W型白色EVA膠膜。現(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報告，報告顯示白色雙玻組件經(jīng)過雙85老化試驗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日申請的實用新型專利《太陽電池雙玻組件》和2012年9月在第12屆光伏大會上發(fā)表的論文《太陽電池組件用前后EVA材料的不同技術(shù)要求和標準討論》中均有闡述。
6） 關(guān)于晶體硅太陽電池組件蝸牛紋和PID現(xiàn)象
晶體硅太陽電池組件產(chǎn)生蝸牛紋和PID現(xiàn)象的因素比較復雜，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)、組件搬運和安裝、系統(tǒng)設(shè)計和防護等多方面來預(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)商也不負眾望，針對這兩個現(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當年的EVA技術(shù)創(chuàng)新，一路護航光伏十年輝煌成就
通過以上對EVA膠膜不斷進行改善的故事，使我們深深地體會到不間斷的改善對提高組件產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的重要性。對于太陽電池組件產(chǎn)品來說，一項可以被廣泛應(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、延長使用壽命和滿足客戶需求這幾項要求，并使其達到和諧統(tǒng)一，也就是常說的性價比要高。這其中，延長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，為什么中國光伏行業(yè)協(xié)會2019年1月28日頒布3月1日起實施的《地面用雙玻晶體硅光伏組件設(shè)計鑒定和定型》標準中規(guī)定將各種環(huán)境試驗后最大功率衰減幅度不大于3%，而不是常規(guī)組件的5%，這都是在基于嚴格的老化試驗的基礎(chǔ)上才制定出來的，而并不是人云亦云，聽風是雨的隨意之為。
無論是創(chuàng)新也好，還是改善也罷，都是要擔風險的。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，更細致。一款產(chǎn)品在上市之前需要經(jīng)過構(gòu)思、研發(fā)、測試、試產(chǎn)、試用、測試、量產(chǎn)這些階段，其中還有多次反復，只有當設(shè)想的產(chǎn)品通過制造并和客戶達到完美的契合，這時才能夠給客戶穩(wěn)定地交付產(chǎn)品，以此來確保我們的組件產(chǎn)品能不斷降低制造成本、提高轉(zhuǎn)換效率、延長使用壽命和滿足客戶需求，為光伏發(fā)電平價上網(wǎng)多做貢獻。
原標題：國產(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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