材料视界 | 通过DSC测定太阳能电池板用EVA的固化

2025-11-03 10:13:47, 珀金埃尔默珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司

煤和石油的有限供应、二氧化碳（CO₂）排放引起的环境问题，让可再生能源成了人们关注的焦点。可再生能源（又称“绿色能源”）的形式多样，如太阳能、风能、地热能、生物质能等。其中，太阳能领域的发展最快。

太阳能电池

是一种直接将日光能转化为电能的装置。基于不同的太阳能电池技术，如晶体硅、有机光伏和染料敏化太阳能电池，人们已开发出各种不同的太阳能电池应用。当前，最广泛的商用太阳能电池是基于晶体硅技术。相较于其他的太阳能电池技术，这一技术较为成熟，且能量转换效率高。

光伏模块或系统

由许多相连的太阳能电池构成，这些太阳能电池被聚合物密封剂封装在底板和钢化玻璃面板之间（见图1）。聚合物密封剂具有提供机械支撑、电气绝缘，并保护电池免受潮湿、紫外线辐射和热应力等外界环境因素影响等多种功能。适用的密封材料有很多，但EVA（乙烯-醋酸乙烯酯）是人们通常使用的一种。

热固性EVA材料

是一种共聚物弹性体，多以片层状用于光伏模块封装，它有多种理想的性能使其成为这一应用的首选材料。

该材料室温下不粘，便于处理。

当膜层被热压时，它能通过交联和增强键合，在太阳能电池系统内形成永久的密封层。

交联后，EVA具有较高的透光性，在不同模块材料上的附着力良好，介电性能和防潮性能优异，能很好地适应系统内部热膨胀系数不同而导致的热应力。

在PV封装过程中，太阳能电池和底板/玻璃之间置入了EVA层。经一段时间的高温加热、压制后，材料固化。因为固化材料的最终性能很大程度上取决于固化度，所以了解EVA的固化程度对优化封装工艺而言十分重要。习惯上，我们采用差示扫描量热法（DSC）来进行热固性树脂的固化研究。DSC可用于研究固化度和固化动力学。在本文中，我们使用了珀金埃尔默高端DSC 8500设备，研究不同固化时间的 EVA 材料。

图1.晶体太阳能电池板图解（点击查看大图）

实验

本实验使用了珀金埃尔默^®双炉体的DSC 8500。该仪器以直接地、准确地测量样品热流的功率控制设计为特点。其冷却配件是一台Intracooler 2P机械制冷机。

氮气用作样品吹扫气体，流速为20 mL/min。

仪器的校准会用到两种金属参比物质：铟和锌用于温度校准，铟的熔化热用于热流校准。

EVA样品来源于某太阳能光伏制造商。样品在高温、高压下固化了一段时间。

每个不同固化时长的EVA样品称重约10mg，装入标准铝锅中。

DSC程序从-50 °C开始，以10 °C/min的速度，升温至 220 °C。

结果

如图2所示，EVA原料在加热过程中发生多次相转变。在DSC中，材料以10 °C /min的速度，从-50 °C升温到220 °C；之后以100 °C /min 的速度，迅速冷却回起始温度；以相同加热速率，对材料进行第二次加热。

第一次加热曲线显示了一个吸热熔融峰（26 J/g），紧随其后的是固化焓为16.6 J/g 的放热固化峰。

第二次加热曲线在-35.6 °C出现了玻璃化转变（Tg）；熔融峰减小（12 J/g 对比之前的26 J/g），而且未检测到固化放热峰。

通过对比第一次加热曲线和第二次加热曲线，我们可以看出EVA原料在第一次加热到220 °C后已经完全固化。

图2.原EVA材料的第一次（红色）和第二次（蓝色）加热曲线（点击查看大图）

对于部分固化的EVA样品，第一次加热的残余固化峰介于EVA原料的固化焓和0（EVA完全固化）之间。因此，残余固化焓可用作判断EVA材料固化度的一个指标。我们使用DSC对一系列不同固化时间的EVA样品进行了研究，结果如图3所示。

图3.固化时间不同的部分固化EVA样品（点击查看大图）

计算的残余固化焓列于表1，试验数据可拟合成图4的直线。从中可知，残余固化焓与固化时间有很好的相关性（R²= 0.9893）。

图4.八种不同EVA样品的固化时间和残余固化焓的关系（点击查看大图）

结论

研究表明，可通过使用DSC测量残余固化焓来研究EVA树脂的固化度。数据显示，残余固化焓与固化时间呈线性关系。DSC测试简单、快捷。珀金埃尔默双炉DSC 8500能提供精确的热流数据，数据可再现性良好。功率控制型设计确保了极高的精确度，实现了真正的等温测量，因此适用于EVA树脂的扫描固化和等温固化研究。