利用自由基引发剂改善聚烯烃弹性体封装剂的物理性能，以打造可靠的光伏组件

《Polymer Testing》：Improving the Physical Properties of Polyolefin Elastomer Encapsulants by Radical Initiators for Reliable Photovoltaic Modules

本研究提出在聚烯烃弹性体（POE）封装材料中添加自由基引发剂（Luperox 101）和硅烷偶联剂（VTMS），优化引发剂浓度至0.2%，使POE与玻璃的附着力显著提升至294 N/10 mm，超过商业标准，同时保持光透率＞90%、延展性＞400%和热稳定性。该材料有望作为高效、长寿命双面晶体硅光伏模块的封装替代传统EVA材料。

　　随着太阳能技术的不断发展，光伏组件（PV modules）在大规模太阳能发电场和住宅屋顶系统中的应用日益广泛。这些组件需要在长达30年的服务周期内保持稳定性和高效性，因此，封装材料的选择至关重要。封装材料不仅需要具备良好的粘附性和密封性，还必须能够保护内部的电气元件免受腐蚀性环境因素的影响，防止组件出现脱层、腐蚀和变色等问题。目前，聚烯烃弹性体（POE）作为一种具有优异耐湿性和热稳定性的材料，正在成为晶体硅光伏组件的有希望的封装材料。然而，POE固有的粘附性较差，尤其是在双面晶体硅光伏组件中，需要强效的玻璃粘附性能，这限制了其广泛应用。

为了克服这一限制，研究人员提出了一种创新策略，通过引入一种自由基引发剂（Luperox 101）与硅烷偶联剂（VTMS）的结合，显著提升POE的粘附性能。这一策略的核心在于利用自由基引发剂促进POE链上的化学反应，从而增强其与玻璃表面的结合力。硅烷偶联剂则通过形成Si–O–Si键，进一步加强封装材料与玻璃之间的化学键合。通过优化引发剂的浓度，研究团队发现添加0.2%引发剂的配方能够显著提高粘附强度，达到294.0 N/10 mm，远超商业标准，同时保持关键的物理性能，如光透射率超过90%、拉伸率超过400%以及收缩率低于1.5%。这表明，该配方在提升粘附性的同时，未牺牲POE的其他重要特性。

为了验证这种增强效果，研究团队还进行了热分析和结构分析。差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析结果显示，添加自由基引发剂并未影响POE的热稳定性和化学完整性。DSC分析进一步揭示了材料在不同引发剂浓度下的结晶行为变化，而FTIR则表明材料的化学结构在添加VTMS和引发剂后几乎没有显著变化。这些结果支持了该配方在保持材料原有优势的同时，成功改善了粘附性能的假设。

除了粘附性，封装材料的耐久性也是评估其性能的重要指标。研究团队在湿热条件下（85°C，85%相对湿度）对封装材料进行了长达500小时的测试，以模拟实际应用中的环境应力。测试结果显示，添加0.3%自由基引发剂的封装材料在湿热条件下表现出最低的性能下降，这表明其在恶劣环境下的稳定性更优。同时，通过太阳能模拟器测试，研究团队还评估了封装材料在长时间光照下的表现。测试条件包括模拟标准阳光（1000 W/m2，AM 1.5G光谱），并在500小时和3000小时后测量短路电流（Isc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）和最大功率（Pmax）。结果显示，封装材料在添加自由基引发剂后，其电气性能未受到明显影响，进一步验证了其在长期应用中的可靠性。

在实际应用中，封装材料的粘附性直接关系到光伏组件的使用寿命和效率。传统的封装材料如乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）虽然成本低廉、易于加工，但其长期耐久性较差，容易产生挥发性有机化合物（VOCs），导致封装材料的降解。此外，EVA在湿热条件下会吸收水分，引发醋酸的形成，进而腐蚀金属接触点，增加串联电阻，严重损害组件的性能。相比之下，POE由于其优异的耐湿性和热稳定性，被认为是更理想的封装材料，但其粘附性不足限制了其在某些高要求应用场景中的使用。通过引入自由基引发剂和硅烷偶联剂，研究团队成功解决了这一问题，使POE能够满足双面晶体硅光伏组件对玻璃粘附性的需求。

在实验设计方面，研究团队采用了一系列科学方法来评估封装材料的性能。首先，他们通过调整POE树脂与自由基引发剂的比例，制备了四种不同的封装材料配方（POE1–POE4），其中VTMS的含量固定为4.9%，而自由基引发剂的浓度分别设定为0%、0.1%、0.2%和0.3%。通过标准的挤出工艺，这些配方被加工成厚度为350 μm的薄膜，并进行了多种性能测试。粘附性测试采用180°剥离测试法，使用Instron 5944测试机进行测量，结果显示添加0.2%自由基引发剂的配方在粘附强度方面表现最佳。此外，为了评估封装材料的加工性能，研究团队还测量了其熔融指数（MI），发现随着自由基引发剂浓度的增加，MI逐渐降低，尤其是在0.3%浓度时，MI降至2.9 g/10 min，表明材料的流动性受到限制，可能影响其挤出过程的顺利进行。因此，0.2%的浓度被认为是最佳选择，既能保证足够的粘附性，又不会显著降低材料的加工性能。

除了粘附性，封装材料的其他物理性能也受到关注。光透射率、拉伸强度、拉伸率和收缩率等指标均需满足光伏组件的应用要求。研究团队发现，添加自由基引发剂和硅烷偶联剂后的POE封装材料在这些方面与商业产品相比并无明显差异，说明其在保持原有性能的同时，成功提升了粘附性。这一发现对于推动POE在光伏行业中的应用具有重要意义，尤其是在需要高粘附性的双面组件中。

研究团队还通过红外光谱（FTIR）分析了封装材料的化学结构变化。结果显示，即使在较高浓度的VTMS和自由基引发剂存在的情况下，封装材料的红外光谱变化也非常有限，表明其化学结构基本保持稳定。这进一步支持了材料在加工和使用过程中不会发生显著降解的结论。

此外，为了全面评估封装材料的性能，研究团队还进行了湿热测试和太阳能模拟器测试。湿热测试模拟了高温高湿环境下的长期使用情况，结果显示添加0.3%自由基引发剂的封装材料在湿热条件下表现出最高的耐久性，其性能下降最小。太阳能模拟器测试则评估了封装材料在长时间光照下的表现，结果表明，即使在3000小时的光照条件下，封装材料的电气性能仍然保持稳定，进一步验证了其在实际应用中的可靠性。

总的来说，这项研究通过引入自由基引发剂和硅烷偶联剂，成功提升了POE封装材料的粘附性能，使其能够满足双面晶体硅光伏组件的高要求。同时，研究团队确保了材料在加工和使用过程中的稳定性，使其成为一种更具竞争力的封装材料。这一成果不仅为光伏行业提供了新的材料选择，也为未来高效率、长寿命的光伏组件开发奠定了基础。