近年来,随着光伏产业飞速发展,光伏胶膜粒子(EVA/POE)原料需求快速增加。

据统计,全球胶膜产能几乎全部集中在中国,而EVA与POE作为核心封装材料,我国仍高度依赖进口,2021年我国EVA进口依存度仍超过50%,POE更是被海外厂商垄断,基本依赖进口,下游需求的高速扩张与国产率低都为EVA与POE材料的发展带来广阔的市场空间。

1.光伏胶膜种类及对比

中国光伏产业起步早,发展程度高,在产业链多个环节均有较高的产能比重,现已成为全球光伏产业发展的推动者和引领者,尤其是光伏胶膜行业在经历行业洗牌后,国外企业已基本退出市场,根据福斯特年报数据,企业光伏胶膜生产成本中,约90%为直接原料成本。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
EVA/POE作为光伏胶膜的核心原料,国产化程度偏低。截止2021年,中国EVA产能合计177.2万吨,占全球的27%;而POE/POP全球产能超过100万吨,由于聚合工艺、茂金属催化剂、a-烯烃等多个环节存在较高的技术壁垒,中国当前仍未实现POE大规模工业化应用
目前市场上的光伏胶膜主要有4种:透明EVA胶膜、白色EVA胶膜、POE胶膜、共挤型EPE胶膜
透明EVA胶膜因价格优势、加工性能优势成为当前市场主流封装材料,占比约为52%;白色胶膜EVA是在EVA树脂中加入一定量的钛白粉等白色填料,以提高二次光线的反射率,主要用于单玻、双玻组件的背面封装,使用白色EVA替代透明EVA时,双玻组件功率增益可达7-10W,单玻组件功率增益1-3W。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
不同封装材料市场占比(%)
POE胶膜由于其独特的抗PID性能,同时其电阻率高、不易水解,是双玻组件的主流封装原料;EPE胶膜通过共挤工艺将EVA与POE树脂挤出制造,兼具EVA良好的加工性能与POE良好的抗PID性能、耐水汽性能。
根据CPIA的预测,未来几年,透明EVA及白色EVA胶膜市场比重下滑,EPE胶膜市场份额将明显提高。

EVA需求情况

得益于光伏等行业的迅速发展,中国EVA消费量快速增长,2021年,中国EVA消费量达到205.3万吨,近5年复合增长率9.52%。
EVA应用广泛,主要集中在光伏、纺织鞋材、电气等领域,下游消费结构:光伏料37%、发泡料28%、电缆料17%、热熔胶7%、涂覆7%、农膜1%,光伏料作为第一大消费下游,未来占比仍然有望扩大。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
我国EVA下游消费情况
根据CPIA全球光伏装机容量的预测,并结合胶膜材料份额变化趋势,对EVA的未来的需求进行测算,均值情况下:
1.从装机数据来看,全球光伏装机增速在2021-2023年达到高峰期,之后增速相对回落。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
 我国光伏年度新增装机规模及预测(GW)
2.均值情况下对EVA树脂的需求增量分别达到24万吨(2021年)、21万吨(2022年)、15万吨(2023年)、10万吨(2024年),结合全球新增光伏料产能来看,2022年光伏料仍供不应求,景气度有望延续。
3.后续随着国内EVA投产加快,EVA自给率会逐渐上升,但仍保持较高的进口依赖度。

2.POE市场现状及展望

高端产品中的典型代表是聚烯烃弹性体(POE)和聚烯烃塑性体(POP),国内总需求量近50万t/a,除少量POP可自主生产外其余完全依赖进口。
聚烯烃类弹性体是由乙烯与丙烯或其他a-烯烃(如1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等)共聚而成的一类聚烯烃材料。
与聚烯烃塑料相比,其分子链内共聚单体的含量更高,密度更低。聚烯烃弹性体主要有乙丙共聚物和乙烯/a-烯烃共聚物两大类,其中乙丙共聚物弹性体包括二元乙丙橡胶(EPM)和三元乙丙橡胶(EPDM)两种,乙烯/a-烯烃共聚物弹性体则主要有乙烯/a-烯烃无规共聚物(POE)和乙烯/a-烯烃嵌段共聚物(OBC)两种。
POP和POE没有本质区别,只是共聚α-烯烃单体的含量有所区别,共聚单体的含量直接导致POE和POP的密度差异。通常POE共聚单体质量分数大于20%,而POP共聚单体质量分数小于20%,因此POP的密度高于POE
POE由于其特殊的分子结构,具有良好的流变性能、力学性能、抗紫外线性能,低温韧性好,同时与聚烯烃具有较好的亲和性,广泛的应用于改性及胶膜制备领域。
从终端应用来看,国内市场以汽车行业为主,消费占比达到68%,聚合物改性领域占比19%,电线电缆领域9%,其它领域4%左右。我国POE基本依赖进口,消费市场仍有待培育,后续可取代一部分橡胶及塑料。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
我国POE下游消费

3.EVA与POE性能对比

在光伏领域,EVA与POE性能各有优缺点,EVA价格较低、易加工、耐存储、交联速度快、与玻璃&背板粘结性能好;POE优势主要在于材料性能好,抗PID性能优异、电阻率高、水汽阻隔率大、耐低温耐黄变。
EVA的劣势主要在于:醋酸乙烯在在光、氧气、湿热环境下容易发生水解,产生醋酸,对电池片表面、焊带等腐蚀,同时还会与玻璃中的Na反应,可以生成大量的自由移动的Na离子,造成功率衰减;同时EVA容易在光热环境下发生黄变,影响透光性,造成组件整体的功率损失。
POE的劣势在于:POE极性较低,胶膜加工过程中极性助剂溶剂析出至膜表面,造成表面光滑容易移位;加工难度偏大,膜唇容易挂料;POE粒子价格整体较EVA贵。总体认为在未来几年,POE粒子在胶膜粒子中的应用占比有扩大趋势,主要是受以下几点因素的影响:
1. 电池N型化:
当前P型电池光电转化效率已接近24.5%的上限,而N型电池转化效率上限更高;P型电池在硅片中的掺杂的硼氧复合体会引起电势衰减加快,N型电池掺入鱗,抗衰减性能较好。
N型电池的PID效应在受光面更敏感,对PID衰减大的N型组件,在光照恢复后,也会造成不可逆损伤,同时N型电池使用单玻封装时,背板水汽阻隔性较差,因此选择POE胶膜进行封装,能降低组件的整体水汽透过率,延长组件的使用时间,因此,N型电池的推广可以增加POE用量。
2.电池功率大型化:
近年来,不同类型的电池组件功率均有明显的提高,发热量增大,温度会对电池的峰值功率、开路电压等电性能产生较大影响,因此对封装材料的电性能要求要来越高。
3.盖板玻璃减薄化及双玻组件增多:
根据CPIA数据,当前玻璃厚度主要有<2.5mm、2.8mm、3.2mm三个等级;其中厚度<2.5mm的玻璃盖板市场占有率32%,预计到2025年比例将提高到50%左右,玻璃变薄会对封装材料性能要求越来越高,POE具有良好的机械强度及韧性。
EPE胶膜可以兼具EVA和POE的优点,是未来胶膜的重要发展方向。此外,POE优异的材料性能在汽车、电线电缆、机械、鞋底料、热熔胶等领域都有着巨大的应用潜力,随着国产化进程的加快,POE将培育出更大的市场空间。

4.POE的应用

01 POE直接改性应用

POE直接改性主要应用于PP和PE的共混改性。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
POE直接改性应用
POE的内聚能较小,表观黏度的温敏性和聚烯烃树脂比较接近,共混聚烯烃后更容易得到较小的颗粒粒径和较窄的粒径分布,增韧、抗冲击的效果明显。
POE被证明是PP较好的增韧剂,在PP/POE共混体系中,POE会在PP连续相中形成“海-岛”结构,可有效提高PP在低温、常温下的抗冲击强度。
POE直接改性PP是其目前最重要的市场应用,主要针对汽车零配件、家电外壳和口罩领域。
POE直接改性PE主要应用于防水卷材和管材领域。
PE刚性大、抗冲击性能差、硬度低,必须添加POE对其增韧改性,才能达到目标性能要求。

02 POE接枝改性应用

POE接枝后的应用主要是对PA和聚酯类聚合物进行增韧改性。
 
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
 POE接枝改性应用
PA和PT等线性聚合物的主链均由强极性的基团构成,如酰胺键、酯键。该类聚合物具有良好的可加工性、力学性能、耐磨性、耐化学药品性、热稳定性等性能,是重要的工程塑料,广泛应用于建筑、机械、电子、汽车、日用品等领域。
POE与PA、PT共混,是改善该类聚合物冲击性能的有效手段。
由于PA、PT等线性聚合物主链带有极性很强的基团,与非极性的POE共混时相容性较差,相分离情况严重,通常在POE分子链上接枝极性单体来改善POE与该类聚合物的相容性。
POE接枝极性单体目前主要有MAH接枝POE和GMA接枝POE两种形式。

03 POE的发泡改性应用

POE的发泡应用主要是对EVA进行改性,EVA共混POE发泡制作运动鞋中底。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
POE发泡改性应用
中底是运动鞋的核心部分,其作用是提供稳定性、缓冲和回弹,吸收运动中产生的冲击力以提供保护,并带来比较温和的脚感。
EVA具有良好的柔软性、橡胶一样的弹性,是运动鞋中底广泛使用的材料。
POE本身可替代EVA单独发泡作为运动鞋中底,但是EVA具有价格优势(比POE价格低30%),因此POE更多作为EVA的改性材料。
EVA共混POE发泡后的产品质量更轻,压缩回弹更好,触感良好,泡孔均匀细腻,撕裂强度高。

04 POE作为单一材料应用

POE作为单一材料使用,主要应用于光伏组件的封装材料———胶膜。
在光伏组件中,胶膜放在组件钢化玻璃/背板与太阳能电池之间,用于封装并保护电池片。
光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法
光伏组件结构
由于太阳能电池的封装过程具有不可逆性,同时组件的运营寿命通常要求在25a以上,一旦运营期间胶膜的透光率下降或产生黄变等失效问题,都会造成太阳能电池的报废,使得组件无法使用,所以胶膜虽然绝对价值在组件中不高,但其质量直接决定组件与电池的产品质量与寿命。
目前光伏组件用的封装胶膜主要包括EVA胶膜和POE胶膜。EVA胶膜为热固性的胶膜,强度低、水蒸气透过率和吸水率较大、耐候性较差,在正常使用过程中也仍然会有水蒸气透过,导致胶膜雾化,影响透光率,降低组件的发电量;此外,EVA胶膜容易分解释放醋酸分子,腐蚀玻璃和背板等部件,缩短组件的使用寿命。
近年来,在光伏电站运营中还发现EVA胶膜存在严重的电势诱导衰减(PID)现象,导致电站输出功率大幅下降。

相对于EVA胶膜,POE胶膜最大的优势就是低水蒸气透过率和高体积电阻率,保证了光伏组件在高温、高湿环境下运行的安全性及长久的耐老化性,使组件能够长久高效使用。

来源:中化新网、聚烯烃人

原文始发于微信公众号(光伏产业通):光伏用EVA/POE的市场、应用和改性方法

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作者 808, ab