煤和石油的有限供應(yīng)、二氧化碳(CO2)排放引起的環(huán)境問題，讓可再生能源成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。可再生能源（又稱“綠色能源”）的形式多樣，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等。其中，太陽(yáng)能領(lǐng)域的發(fā)展最快。
太陽(yáng)能電池
是一種直接將日光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。基于不同的太陽(yáng)能電池技術(shù)，如晶體硅、有機(jī)光伏和染料敏化太陽(yáng)能電池，人們已開發(fā)出各種不同的太陽(yáng)能電池應(yīng)用。當(dāng)前，最廣泛的商用太陽(yáng)能電池是基于晶體硅技術(shù)。相較于其他的太陽(yáng)能電池技術(shù)，這一技術(shù)較為成熟，且能量轉(zhuǎn)換效率高。
光伏模塊或系統(tǒng)
由許多相連的太陽(yáng)能電池構(gòu)成，這些太陽(yáng)能電池被聚合物密封劑封裝在底板和鋼化玻璃面板之間(見圖1)。聚合物密封劑具有提供機(jī)械支撐、電氣絕緣，并保護(hù)電池免受潮濕、紫外線輻射和熱應(yīng)力等外界環(huán)境因素影響等多種功能。適用的密封材料有很多，但EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)是人們通常使用的一種。
熱固性EVA材料
是一種共聚物彈性體，多以片層狀用于光伏模塊封裝，它有多種理想的性能使其成為這一應(yīng)用的首選材料。
○ 該材料室溫下不粘，便于處理。
○ 當(dāng)膜層被熱壓時(shí)，它能通過(guò)交聯(lián)和增強(qiáng)鍵合，在太陽(yáng)能電池系統(tǒng)內(nèi)形成永久的密封層。
○ 交聯(lián)后，EVA具有較高的透光性，在不同模塊材料上的附著力良好，介電性能和防潮性能優(yōu)異，能很好地適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的熱應(yīng)力。
在PV封裝過(guò)程中，太陽(yáng)能電池和底板/玻璃之間置入了EVA層。經(jīng)一段時(shí)間的高溫加熱、壓制后，材料固化。因?yàn)楣袒牧系淖罱K性能很大程度上取決于固化度，所以了解EVA的固化程度對(duì)優(yōu)化封裝工藝而言十分重要。習(xí)慣上，我們采用差示掃描量熱法(DSC)來(lái)進(jìn)行熱固性樹脂的固化研究。DSC可用于研究固化度和固化動(dòng)力學(xué)。在本文中，我們使用了珀金埃爾默高端DSC 8500設(shè)備，研究不同固化時(shí)間的 EVA 材料。
圖1.晶體太陽(yáng)能電池板圖解(點(diǎn)擊查看大圖)
實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)使用了珀金埃爾默®雙爐體的DSC 8500。該儀器以直接地、準(zhǔn)確地測(cè)量樣品熱流的功率控制設(shè)計(jì)為特點(diǎn)。其冷卻配件是一臺(tái)Intracooler 2P機(jī)械制冷機(jī)。
• 氮?dú)庥米鳂悠反祾邭怏w，流速為20 mL/min。
• 儀器的校準(zhǔn)會(huì)用到兩種金屬參比物質(zhì)：銦和鋅用于溫度校準(zhǔn)，銦的熔化熱用于熱流校準(zhǔn)。
• EVA樣品來(lái)源于某太陽(yáng)能光伏制造商。樣品在高溫、高壓下固化了一段時(shí)間。
○ 每個(gè)不同固化時(shí)長(zhǎng)的EVA樣品稱重約10mg，裝入標(biāo)準(zhǔn)鋁鍋中。
○ DSC程序從-50 °C開始，以10 °C/min的速度，升溫至 220 °C。
結(jié)果
如圖2所示，EVA原料在加熱過(guò)程中發(fā)生多次相轉(zhuǎn)變。在DSC中，材料以10 °C /min的速度，從-50 °C升溫到220 °C；之后以100 °C /min 的速度，迅速冷卻回起始溫度；以相同加熱速率，對(duì)材料進(jìn)行第二次加熱。
○ 第一次加熱曲線顯示了一個(gè)吸熱熔融峰(26 J/g)，緊隨其后的是固化焓為16.6 J/g 的放熱固化峰。
○ 第二次加熱曲線在-35.6 °C出現(xiàn)了玻璃化轉(zhuǎn)變(Tg)；熔融峰減小(12 J/g 對(duì)比之前的26 J/g)，而且未檢測(cè)到固化放熱峰。
通過(guò)對(duì)比第一次加熱曲線和第二次加熱曲線，我們可以看出EVA原料在第一次加熱到220 °C后已經(jīng)完全固化。
圖2.原EVA材料的第一次(紅色)和第二次(藍(lán)色)加熱曲線(點(diǎn)擊查看大圖)
對(duì)于部分固化的EVA樣品，第一次加熱的殘余固化峰介于EVA原料的固化焓和0(EVA完全固化)之間。因此，殘余固化焓可用作判斷EVA材料固化度的一個(gè)指標(biāo)。我們使用DSC對(duì)一系列不同固化時(shí)間的EVA樣品進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖3所示。
圖3.固化時(shí)間不同的部分固化EVA樣品(點(diǎn)擊查看大圖)
計(jì)算的殘余固化焓列于表1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可擬合成圖4的直線。從中可知，殘余固化焓與固化時(shí)間有很好的相關(guān)性(R2= 0.9893)。
圖4.八種不同EVA樣品的固化時(shí)間和殘余固化焓的關(guān)系(點(diǎn)擊查看大圖)
結(jié)論
研究表明，可通過(guò)使用DSC測(cè)量殘余固化焓來(lái)研究EVA樹脂的固化度。數(shù)據(jù)顯示，殘余固化焓與固化時(shí)間呈線性關(guān)系。DSC測(cè)試簡(jiǎn)單、快捷。珀金埃爾默雙爐DSC 8500能提供精確的熱流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可再現(xiàn)性良好。功率控制型設(shè)計(jì)確保了極高的精確度，實(shí)現(xiàn)了真正的等溫測(cè)量，因此適用于EVA樹脂的掃描固化和等溫固化研究。
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