太陽能電池組件層壓封裝工藝的分析與研究

武紅剛 楊弟 秦曉婷 劉栓啟 賈現(xiàn)寧

摘要：21世紀(jì)能源危機(jī)日益嚴(yán)重，尋找新的可持續(xù)能源時(shí)不我待，而太陽能作為清潔可持續(xù)能源尤為受到關(guān)注。從太陽能電池的生產(chǎn)到最后組裝完成建立電站，每一個(gè)環(huán)節(jié)都很重要，要保證電池安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期的工作就需要嚴(yán)格的封裝工藝，而組件的層壓就是封裝工藝中的關(guān)鍵一環(huán)。文章從太陽能電池組件層壓機(jī)（下述簡(jiǎn)稱層壓機(jī)）的基本構(gòu)造與工作原理著手，介紹了與層壓效果息息相關(guān)的EVA交聯(lián)度有關(guān)的工藝試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合層壓機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題與產(chǎn)品異常類型，如氣泡、背板褶皺、背板脫層等異常展開論述，論述的內(nèi)容主要借鑒實(shí)際工作中的真實(shí)案例，通過對(duì)異常的分析與處理，及再次驗(yàn)證，得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：太陽能電池；組件；層壓機(jī)；EVA；交聯(lián)度；剝離強(qiáng)度

1 研究背景

由圖1可知，目前世界各國(guó)還是以常規(guī)能源為主，常規(guī)能源主要有石油、天然氣、煤炭等，其特點(diǎn)為不可持續(xù)、污染嚴(yán)重。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求也越來越多。以我國(guó)為例，我國(guó)的常規(guī)能源儲(chǔ)量?jī)H占世界總儲(chǔ)量的10%，如表1，我國(guó)與世界能源對(duì)比。在我國(guó)常規(guī)能源中以煤炭最多，而我國(guó)又是世界上最大的煤炭消費(fèi)國(guó)，燃煤所排放的二氧化碳、氮氧化合物等溫室效應(yīng)氣體嚴(yán)重影響人類生存環(huán)境，其中二氧化碳排放量居世界第二[2]。

為了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)，人民居住環(huán)境更加適宜，大力發(fā)展可持續(xù)能源和新能源將是我國(guó)今后能源發(fā)展的出路，同時(shí)又符合我國(guó)堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的道路[3]。而太陽能作為可持續(xù)能源之一，近年來也得到我國(guó)政府的關(guān)注。為了發(fā)展太陽能我國(guó)也出臺(tái)了相關(guān)政策，如光伏電價(jià)扶持政策和“領(lǐng)跑者”計(jì)劃等。如今，在可持續(xù)能源發(fā)展領(lǐng)域中，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)展最大、最快的領(lǐng)域[4]。產(chǎn)業(yè)化發(fā)展特別是蓬勃發(fā)展的太陽能行業(yè)必然促進(jìn)了與其發(fā)展相匹配的專業(yè)化、自動(dòng)化、智能化設(shè)備的發(fā)展。而太陽能電池組件層壓機(jī)就在這個(gè)過程中應(yīng)運(yùn)而生。

2 太陽能電池組件層壓機(jī)的發(fā)展概況與結(jié)構(gòu)原理

2.1 層壓機(jī)發(fā)展概況

目前，光伏企業(yè)所使用的層壓機(jī)種類主要有三種，分別為單層層壓機(jī)、多層層壓機(jī)和混合層壓機(jī)，而按照層壓機(jī)的加熱方式可以分為導(dǎo)熱油加熱層壓機(jī)和電加熱層壓機(jī)兩種。導(dǎo)熱油加熱層壓機(jī)是利用導(dǎo)熱油在加熱板中循環(huán)來完成對(duì)加熱板升溫加熱，通過PID來控制和調(diào)節(jié)溫度，而電加熱是利用電能直接對(duì)加熱板加熱。這兩種層壓機(jī)相比，電加熱層壓機(jī)具有平均能耗低、啟動(dòng)升溫快、溫度均勻性好、占地面積小和效率高等優(yōu)勢(shì)，從大規(guī)模生產(chǎn)角度來看，電加熱層壓機(jī)有取代導(dǎo)熱油加熱層壓機(jī)的趨勢(shì)，并且將來的層壓機(jī)必將向自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性高、效率高、低故障率和壽命長(zhǎng)的方向發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)多使用的是油加熱層壓機(jī)，例如我司使用奧瑞特層壓機(jī)和羿珩層壓機(jī)。不同廠家層壓機(jī)參數(shù)對(duì)比見圖2。

2.2 層壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

層壓機(jī)的作用就是將背板、EVA、電池串和玻璃通過層壓工藝封裝在一起，層壓過程如圖3所示，其中主要為抽真空和熱層壓過程。

如圖4為層壓機(jī)簡(jiǎn)單的真空系統(tǒng)原理圖，層壓機(jī)抽真空貫穿整個(gè)工作過程。抽真空的目的一是為了排除組件封裝材料之間的空氣，防止層壓后組件出現(xiàn)氣泡等不良，二是為了在層壓機(jī)腔室產(chǎn)生一個(gè)壓力差，保證層壓階段的順利完成以及最后完成層壓后開蓋的動(dòng)作。

抽真空是熱層壓過程的前提與保證，而熱層壓的層壓溫度需要根據(jù)層壓材料改變，以油加熱層壓機(jī)為例，層壓過程的熱量計(jì)算公式如下[5，6]：

式中，Q1為達(dá)到層壓溫度所需要的導(dǎo)熱油傳導(dǎo)的熱量，S為層壓腔有效層壓面積，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，λ取值為0.1W/m·K；T1為組件進(jìn)入層壓腔的溫度，T2為層壓機(jī)設(shè)定溫度，δ為傳導(dǎo)層厚度。

層壓過程中的溫度通過導(dǎo)熱油循環(huán)來提供，為了使層壓溫度達(dá)標(biāo)，導(dǎo)熱油循環(huán)泵需要供給的熱量計(jì)算公式如下：

式中，Q2為導(dǎo)熱油有效供給熱量，V為油泵輸油速率，T3為導(dǎo)熱油進(jìn)入熱油管路中要求的最高溫度，T4為導(dǎo)熱油進(jìn)入回油管路中的最低要求溫度，H為導(dǎo)熱油的熱焓值。

因?yàn)橛图訜釋訅簷C(jī)的加熱系統(tǒng)為半封閉式供系統(tǒng)，所以需要考慮到供熱能力的穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)達(dá)到設(shè)定層壓溫度需要的熱量Q1和熱油泵供給的熱量Q2進(jìn)行驗(yàn)證，常用的驗(yàn)證公式為：

式中，ε為供熱能力儲(chǔ)備系數(shù)，ε=1.3。

若忽略因自動(dòng)散發(fā)而損失的熱量，則通過此公式可以粗略計(jì)算加熱油熱量與層壓溫度的關(guān)系。

層壓工藝是太陽能電池組件生產(chǎn)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。層壓后的組件除了外觀上不允許有氣泡、褶皺和脫層等不良外，EVA的斷裂強(qiáng)度、EVA與背板和EVA與玻璃的粘連強(qiáng)度都是衡量層壓品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。一般情況下要求EVA的交聯(lián)度在75%到95%之間，EVA與背板的剝離強(qiáng)度大于40N/cm，EVA與玻璃的剝離強(qiáng)度大于50N/cm[7]（我司要求大于60N/cm）。而溫度以及溫度的均勻性是影響交聯(lián)度的重要因素，一般而言交聯(lián)度與溫度稱正相關(guān)關(guān)系，即交聯(lián)度隨著溫度的升高而升高，但是達(dá)到一定值之后交聯(lián)度就不再升高。而交聯(lián)度是通過測(cè)試出EVA樣品中的凝膠含量的百分率來表征。例如我司是通過萃取法來計(jì)算交聯(lián)度的，具體計(jì)算過程如下：

1）事先準(zhǔn)備一個(gè)200目不銹鋼網(wǎng)袋和已交聯(lián)的EVA樣品；

2）在分析天平上稱量網(wǎng)袋重量W1；

3）將已交聯(lián)的EVA樣品放在200目不銹鋼網(wǎng)袋里稱量，記為W2，W2=網(wǎng)袋重量+樣品重量；

4）將樣品袋放入二甲苯溶液里萃取5小時(shí)后取出，烘干3小時(shí)，稱重W3；

5）交聯(lián)度（%）=W3W1[]W2W1×100%

前面提到了溫度以及溫度的均勻性是影響交聯(lián)度的重要因素，除此之外層壓時(shí)間也影響了EVA的光學(xué)和力學(xué)性能，例如我司使用First EVA層壓溫度為145±2℃，層壓時(shí)間大約在18min。

前面簡(jiǎn)單介紹了層壓機(jī)工作原理，現(xiàn)在對(duì)其具體內(nèi)容再進(jìn)行進(jìn)一步的說明：

1）抽真空：組件進(jìn)入層壓腔室，這時(shí)候EVA開始緩慢的熔化，依靠其較好的流動(dòng)性緩慢交聯(lián)，由于此時(shí)上室屬于真空狀態(tài)，不對(duì)組件施加壓力，所以下室抽真空可以容易的將封裝材料之間的空氣抽出。理論上抽真空時(shí)間越快，抽真空時(shí)的溫度越低越容易把空氣抽干凈，即抽真空時(shí)的溫度要低于層壓溫度，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)考慮到產(chǎn)能等因素，設(shè)置的抽真空溫度和層壓溫度相同，即一步到位，下面介紹層壓溫度對(duì)EVA交聯(lián)度時(shí)會(huì)具體說明；

2）加壓保壓：層壓腔室的溫度逐漸升高，EVA交聯(lián)速率加快，上室開始充氣加壓，直到壓力達(dá)到一定值之后開始保壓，這個(gè)過程可以使較為疏松的EVA的致密性得到大幅度的提高，EVA與背板和玻璃的粘接力也大大增強(qiáng)；

3）開蓋：EVA固化結(jié)束，去掉上室壓力，下室充氣開蓋取出組件。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 交聯(lián)劑含量對(duì)交聯(lián)度的影響

本實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備A、B兩種EVA樣品，兩者在相同層壓參數(shù)（包含抽真空時(shí)間、層壓時(shí)間和層壓溫度）下制樣，已知A樣品的交聯(lián)劑含量高于B樣品，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2A和表2B，數(shù)據(jù)趨勢(shì)如圖5。

從此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：層壓參數(shù)相同情況下，交聯(lián)劑含量越多交聯(lián)度越高。從理論上來講，交聯(lián)度大小又不是無限制的，它是在達(dá)到一定值后就開始趨于平穩(wěn)，這與EVA含有的過氧化物有關(guān)。由于過氧化物的含量有限，當(dāng)過氧化物在層壓過程中分解完全時(shí)，EVA的交聯(lián)度也就趨于平穩(wěn)了[8]。

3.2 層壓溫度對(duì)交聯(lián)度的影響

本實(shí)驗(yàn)使用同種EVA，同一個(gè)層壓機(jī)，保持相同的層壓時(shí)間（此處的層壓時(shí)間為加壓+保壓階段的時(shí)間），在不同溫度下制樣，然后測(cè)出EVA交聯(lián)度（取平均值）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3：

從此次實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：交聯(lián)度會(huì)隨著溫度的升高而升高，但是從理論上來講，交聯(lián)度又不是無休止的隨溫度升高而無休止的升高，同時(shí)，在工廠實(shí)際生產(chǎn)過程中也不是交聯(lián)度越高越好，在實(shí)驗(yàn)過程中，交聯(lián)度過高時(shí)EVA會(huì)發(fā)黃，交聯(lián)度過低時(shí)EVA粘接力和抗老化能力就會(huì)差，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，交聯(lián)度在85%到90%之間產(chǎn)品品質(zhì)最好。

3.3 層壓時(shí)間對(duì)交聯(lián)度的影響

本實(shí)驗(yàn)使用同種EVA，同一個(gè)層壓機(jī)，保持相同的層壓溫度，在不同層壓時(shí)間（此處的層壓時(shí)間為加壓+保壓階段的時(shí)間）下制樣，然后測(cè)出EVA交聯(lián)度（取平均值）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4：

從表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相同層壓溫度下，并不是層壓時(shí)間越長(zhǎng)EVA交聯(lián)度越高，即并沒有預(yù)想的那樣隨著層壓時(shí)間的延長(zhǎng)交聯(lián)度增加。說明在工業(yè)生產(chǎn)中，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，可以通過縮短層壓時(shí)間來提高效率從而減低成本。例如我司就是在保證產(chǎn)品品質(zhì)前提下，通過縮短層壓時(shí)間，來提升產(chǎn)能節(jié)約成本。

相同的EVA在不同的層壓溫度下測(cè)出硫化曲線如圖6A和6B：

對(duì)比兩種溫度下的硫化曲線可知，EVA的交聯(lián)度是隨著溫度先下降再快速上升最后趨于平穩(wěn)。先下降是因?yàn)镋VA剛開始熔化，并未交聯(lián)，具有一定的流動(dòng)性，再上升過程是EVA開始固化階段，溫度升高固化速率加快，最后趨于平穩(wěn)。對(duì)比在145℃和140℃下EVA固化過程可知，145℃時(shí)固化趨于平穩(wěn)的時(shí)間約在18min，140℃時(shí)固化趨于平穩(wěn)的時(shí)間約在23min，但是兩種溫度下MH值基本接近。由此可知，溫度升高有利于EVA固化速率加快，這一點(diǎn)可以作為層壓溫度工藝改善的思考方向，即保證MH值相同情況下，可以通過升高溫度來加快固化速率從而提升產(chǎn)能。

3.4 剝離強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備50cm×50cm實(shí)驗(yàn)玻璃4塊，分別做交聯(lián)度不同的四個(gè)模擬組件，用自動(dòng)拉力計(jì)分別測(cè)試EVA與背板和EVA與玻璃的剝離強(qiáng)度大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5、6：

表中4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明當(dāng)交聯(lián)度為從84.95%增加到87.68%時(shí)對(duì)應(yīng)的剝離強(qiáng)度逐漸增大，但是當(dāng)交聯(lián)度增大到90.12%時(shí)對(duì)應(yīng)的剝離強(qiáng)度卻下降了，說明在一定條件下，剝離強(qiáng)度隨著交聯(lián)度的增大而增大，但并不是交聯(lián)度越大剝離強(qiáng)度就越大，即沒有必然的聯(lián)系。有趣的是EVA與背板之間的剝離強(qiáng)度小于EVA與玻璃之間的剝離強(qiáng)度。

4 層壓案例分析

層壓組件后的異常類型有：氣泡、未融、背板褶皺、碎片、焊帶偏移、爆件等，其中以氣泡尤為常見，下面就簡(jiǎn)單介紹氣泡異常。

4.1 組件滿板氣泡

此種氣泡的原因?yàn)閷訅簷C(jī)沒有抽真空，而沒有抽真空的原因有：

①真空泵沒有工作；

②密封圈損壞；

③關(guān)蓋沒有關(guān)到位.

解決辦法：

①排查真空泵是否工作；

②檢查密封圈是否完好，皮拉尼是否正常；

③空運(yùn)行一次，排查關(guān)蓋時(shí)是否嚴(yán)密。

4.2 組件中間氣泡

此種氣泡為抽真空開始的時(shí)間較晚導(dǎo)致。

解決辦法：檢查層壓機(jī)是否在關(guān)閉上蓋時(shí)就開始抽真空，即抽真空時(shí)間較晚導(dǎo)致。

4.3 互聯(lián)條或者匯流條上的氣泡

①有可能是EVA放置時(shí)間過長(zhǎng)，濕度過大導(dǎo)致；

②助焊劑用量過大，水分揮發(fā)不徹底；

③焊接匯流條直角處使用的模板清潔度不夠。

解決辦法：

①裁切好的EVA及時(shí)使用，不要把EVA裸露在空氣中，車間的溫濕度要穩(wěn)定；

②控制助焊劑的使用量，不易過多；

③焊接匯流條直角模板要清潔，不允許有臟污。

4.4 上下手空白處線狀氣泡

①層壓溫度不均勻；

②硅膠板損壞或者內(nèi)縮導(dǎo)致抽真空不完全。

解決辦法：

①可以保證品質(zhì)的前提下試著增加一層四氟布；

②更換老化的硅膠板。

5 結(jié)論

本文章從研究背景展開論述，說明了層壓機(jī)對(duì)組件封裝工藝的重要性，介紹了層壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理，為之后的實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。通過合理的符合工業(yè)生產(chǎn)模式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了層壓溫度、層壓時(shí)間對(duì)EVA交聯(lián)度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)得知EVA交聯(lián)度并不能通過改善層壓溫度和層壓時(shí)間來無限制的提高，同時(shí)EVA的交聯(lián)度也并不是越高越好，通過實(shí)驗(yàn)可知交聯(lián)度最佳區(qū)間為85%到90%。而且交聯(lián)度與剝離強(qiáng)度之間并沒有必然的聯(lián)系。工業(yè)生產(chǎn)中，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，只能通過合理的增加層壓溫度，縮短層壓時(shí)間來提升產(chǎn)能，并最終為公司創(chuàng)造效益。最后還通過介紹部分層壓組件異常類型以及與之對(duì)應(yīng)的解決辦法，為生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品提供了一種異常處理方法。

另外EVA的斷裂強(qiáng)度、伸縮率等也表征了EVA品質(zhì)的好壞，同時(shí)這也與層壓工藝和組件品質(zhì)具有很大的關(guān)系?？傊词瓜嗤膶訅簷C(jī)也會(huì)存在細(xì)微的不同，所以在實(shí)際工作和研究中找出它們的差異性，差異對(duì)待，要對(duì)每臺(tái)層壓機(jī)的性能特點(diǎn)有所把握，這樣才會(huì)在工作生產(chǎn)中避免層壓不良品的產(chǎn)出。

致謝

本文章得到了公司同事和領(lǐng)導(dǎo)的幫助與支持。非常感謝李學(xué)民經(jīng)理和劉月敏主管的支持，非常感謝劉栓啟、楊弟同事提供的層壓機(jī)的有關(guān)文獻(xiàn)，感謝賈現(xiàn)寧同事給我提供了異常案例，感謝秦曉婷同事在論文內(nèi)容上不足之處的斧正。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊金換，于化叢，葛亮.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：2，12，4189，109115.

[2]藍(lán)虹，胡樹剛.新型工業(yè)化道路是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（1）：138145.

[3]楊軍.太陽能光伏發(fā)展前景展望[J].沿海企業(yè)與科技，2005（8）：110112.

[4]丁國(guó)江，袁永春.中國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].東方電氣評(píng)論，2009，23（23）：15.

[5]石磊，陳立東，馬淑英，夏金強(qiáng)，劉巧艷，王秀旦.太陽能電池層壓機(jī)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].河北科技師范學(xué)院報(bào)，2009，23（4）：33.

[6]劉錦文.制品車間導(dǎo)熱油供熱節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電源技術(shù)[J].2007（12）：3334.

[7]邵燕英.太陽電池組件封裝技術(shù)的探討[J].能源工程，2008（3）：3234.

[8]李連春.太陽電池用耐老化EVA封裝膠膜的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

作者簡(jiǎn)介：武紅剛（1991），男，本科，組件工藝工程師，主要負(fù)責(zé)車間現(xiàn)場(chǎng)異常處理與實(shí)驗(yàn)報(bào)告的跟蹤與撰寫。

附：

文章的創(chuàng)新點(diǎn)：本文主要介紹了層壓機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理，通過對(duì)層壓機(jī)的了解，設(shè)計(jì)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證EVA交聯(lián)度問題，為以后的工藝改善提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，歸納了部分層壓異常現(xiàn)象，總結(jié)了產(chǎn)生異常的因素，為異常處理提供思考方向。