光伏組件用導(dǎo)電膠帶的性質(zhì)和可靠性研究

國家電投集團(tuán)西安太陽能電力有限公司 ■ 劉建達(dá) 胡丹丹

0 引言

目前，p型太陽電池的效率已上升至瓶頸，在PERC工藝后暫無有效的效率提升手段；n型太陽電池成為高效太陽電池的的主流趨勢。

n型高效太陽電池的主要類型有IBC電池和HIT電池，IBC電池所有的電極位于電池一側(cè)，高溫焊接后應(yīng)力集中，易產(chǎn)生彎曲；而HIT電池表面的ITO膜自身不耐受200 ℃以上的高溫，因此，二者均不適用常規(guī)焊接工藝。導(dǎo)電膠帶(Conductive Film)具有工藝溫度較低和樹脂粘結(jié)應(yīng)力小的特點，是解決上述問題的途徑之一。本文全面地介紹了導(dǎo)電膠帶的原理和材料特性，并對此進(jìn)行了實驗驗證。

1 導(dǎo)電膠帶的結(jié)構(gòu)及工作原理

導(dǎo)電膠帶主要由基體和導(dǎo)電粒子(conductive particle)構(gòu)成，基體一般為環(huán)氧樹脂材質(zhì)；導(dǎo)電粒子為金屬球，直徑在5～20 μm之間，有銅、鎳、銀多種材質(zhì)。

導(dǎo)電膠帶的工作原理為：在溫度和壓力下，基體樹脂固化起粘結(jié)作用，導(dǎo)電粒子發(fā)生形變與導(dǎo)體接觸，完成電路的連接。對應(yīng)在組件生產(chǎn)上，其用于焊帶與電池間的電學(xué)連接，工藝流程如圖1和圖2所示。

圖1 電池與導(dǎo)電膠帶熱壓焊接工藝圖

圖2 焊接后導(dǎo)電膠帶截面的微觀圖

2 工藝參數(shù)影響與檢測方法

不同于傳統(tǒng)焊接中錫合金層同時完成電學(xué)和力學(xué)連接，導(dǎo)電膠帶熱壓工藝的力學(xué)性能和電學(xué)性能分別由其組分中的基體樹脂和導(dǎo)電粒子決定。由于導(dǎo)電粒子需受壓變形方可達(dá)到理想導(dǎo)電狀態(tài)，壓力來源為樹脂基體固化后提供的粘結(jié)力，因此，樹脂基體固化后的性能是本文的實驗重點。

本文主要從以下3個方面對導(dǎo)電膠帶進(jìn)行性能測試和評估。

1)環(huán)氧樹脂的反應(yīng)率：即樹脂發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)的程度，也就是樹脂基體中已發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的官能團(tuán)數(shù)目占可固化的官能團(tuán)總數(shù)的百分比。通過FT-IR設(shè)備對樹脂紅外圖譜中典型官能團(tuán)對應(yīng)位置的吸收峰高度變化值進(jìn)行測量。

2)拉力：使用萬能拉力機(jī)進(jìn)行測試，剝離角度為 180°。

3)連接電阻：采用導(dǎo)電膠帶和焊接工藝分別將焊帶連接在電池正面主柵上，使用毫歐表測試兩焊帶間的電阻，連接電阻可近似表征為熱壓工藝的電阻值減去焊接工藝的電阻值。

3 實驗

導(dǎo)電膠帶固化工藝涉及3個參數(shù)：溫度、壓力和時間，圖3為供應(yīng)商提供的反應(yīng)率變化參考圖。考慮到導(dǎo)電膠帶批量化生產(chǎn)時的節(jié)拍較快，實驗中統(tǒng)一選用10 s的熱壓時間，著重測試溫度和壓力對導(dǎo)電膠帶性能的影響。在10 s的熱壓時間下，大部分溫度都可得到較好的固化率，并且容易實現(xiàn)量產(chǎn)。

圖3 供應(yīng)商提供的反應(yīng)率與熱壓溫度和熱壓時間的對應(yīng)圖

3.1 溫度對導(dǎo)電膠帶性能的影響

實驗材料：M2型太陽電池、焊帶(1.5 mm×0.25 mm)、導(dǎo)電膠帶(寬1.2 mm，導(dǎo)電粒子粒徑 20 μm)。

實驗條件：熱壓壓力為2 MPa，熱壓時間為10 s，熱壓溫度為150～200 ℃。

本實驗中，反應(yīng)率、拉力、連接電阻與熱壓溫度的關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 反應(yīng)率、拉力與熱壓溫度的關(guān)系

圖5 連接電阻與熱壓溫度的關(guān)系

由圖4、圖5可知：

1)在熱壓時間一定的情況下，反應(yīng)率與熱壓溫度及拉力都為正相關(guān)，其趨勢符合一般環(huán)氧樹脂的性質(zhì)，本文不再詳述。

2)連接電阻隨熱壓溫度升高呈下降趨勢，在180～190 ℃之間達(dá)到最小連接電阻，這是因為熱壓溫度直接影響樹脂基體熔化后的流動性，低溫下需要更長的熱壓時間使導(dǎo)體兩接觸面間距足夠小，以便導(dǎo)電粒子進(jìn)行電學(xué)連接。

3)熱壓溫度繼續(xù)升高后連接電阻反而有小幅度地上升，推測原因有2點：①樹脂在短時間內(nèi)達(dá)到高反應(yīng)率，過早固化，導(dǎo)致其在壓力消失后發(fā)生回彈，但金屬導(dǎo)電粒子形變后基本不回彈，導(dǎo)致導(dǎo)電粒子與導(dǎo)體的有效接觸面積減?。虎跍囟冗^高導(dǎo)致兩個導(dǎo)體接觸面氧化。

3.2 壓力對導(dǎo)電膠帶性能的影響

實驗材料：M2型太陽電池、焊帶(1.5 mm×0.25 mm)、導(dǎo)電膠帶(寬1.2 mm，導(dǎo)電粒子粒徑20 μm)。

實驗條件：熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間為10 s，熱壓壓力為0.5～2.5 MPa。

本實驗中，反應(yīng)率、拉力、連接電阻與熱壓壓力的關(guān)系如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知：

1)反應(yīng)率和拉力不受熱壓壓力的影響，拉力與反應(yīng)率依舊具有同一趨勢。

2)連接電阻隨熱壓壓力增加而減小，這是因為熱壓壓力增大可使導(dǎo)電粒子產(chǎn)生更大的形變，增加了接觸面積。

圖6 反應(yīng)率和拉力與熱壓壓力的關(guān)系圖

圖7 連接電阻與熱壓壓力的關(guān)系圖

3.3 焊帶截面對導(dǎo)電膠帶電學(xué)性能的影響

由于導(dǎo)電膠帶的導(dǎo)電原理是導(dǎo)電粒子進(jìn)行物理連接，這就需要導(dǎo)電體兩端的接觸面相對平整。而常規(guī)的焊帶生產(chǎn)工藝決定了焊帶橫截面不是水平，而是呈中心凸起狀，因此在柵線間與焊帶間存在縫隙，而這個縫隙決定了導(dǎo)電粒子電學(xué)連接區(qū)域的有效寬度。

下文將用實驗驗證焊帶截面對導(dǎo)電膠帶電學(xué)性能的影響。選用銅基材、尺寸相同、鍍錫工藝不同的3種焊帶搭配導(dǎo)電粒子粒徑不同的3種導(dǎo)電膠帶，用相同的參數(shù)進(jìn)行熱壓后測量連接電阻。

實驗材料：M2型太陽電池，純平焊帶、薄錫層焊帶、常規(guī)焊帶，導(dǎo)電膠帶(寬1.2 mm，導(dǎo)電粒子粒徑分別為 5、10、20 μm)。

實驗條件：熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間為10 s，熱壓壓力為2 MPa。

不同焊帶熱壓后的截面微觀圖如圖8所示，連接電阻與焊帶種類和導(dǎo)電粒子粒徑的關(guān)系如圖9所示。

圖8 不同焊帶熱壓后的截面微觀圖

由圖9可知：

1)大粒徑導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電膠帶的連接電阻變化較小，因此其具有更好的焊帶兼容性。

2)純平焊帶可良好兼容各種粒徑的導(dǎo)電膠帶，但由于柵線自身存在高低差，低粒徑導(dǎo)電膠帶的連接電阻略高。常規(guī)焊帶由于自身橫截面邊緣與中心的高度差過大，嚴(yán)重影響連接電阻，因此無法采用。

圖9 連接電阻與焊帶種類和導(dǎo)電粒子粒徑的關(guān)系圖

由于純平焊帶無法用常規(guī)的浸鍍錫工藝實現(xiàn)，而多是采用電鍍工藝，需增加額外成本；且目前焊帶廠家已可將常規(guī)焊帶的單面錫層厚度降至5 μm。因此，根據(jù)實驗結(jié)果，推薦薄錫層焊帶搭配大粒徑導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電膠帶使用，可達(dá)到較好的電學(xué)連接效果。此外，焊帶錫層成分應(yīng)為純錫涂層，可起到防止銅基材氧化的作用，較高的熔點可確保其不會在熱壓過程中熔化。

3.4 環(huán)境實驗測試

本部分主要研究導(dǎo)電膠帶可靠性，并初步驗證導(dǎo)致導(dǎo)電膠帶失效的最大因素。

實驗材料：小組件(2串×2片)2塊，其中1塊組件的導(dǎo)電膠帶反應(yīng)率為85%(簡稱“正常反應(yīng)率組件”)，另1塊的反應(yīng)率為60%(簡稱“低反應(yīng)率組件”)。實驗條件和標(biāo)準(zhǔn)參照IEC 61215。濕熱和熱循環(huán)環(huán)境實驗結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 導(dǎo)電膠帶工藝小組件濕熱環(huán)境實驗結(jié)果

由圖10可知，濕熱實驗1000 h后，正常反應(yīng)率組件衰減很小，而低反應(yīng)率組件衰減了近10%；繼續(xù)增加測試時間至2000 h后，正常反應(yīng)率組件衰減僅為3%，低反應(yīng)率組件衰減高達(dá)50%。由圖11可知，熱循環(huán)實驗200次循環(huán)后，2塊組件功率并無太大差距；300次循環(huán)后，2塊組件功率衰減均小于5%。

圖11 導(dǎo)電膠帶工藝小組件熱循環(huán)環(huán)境實驗結(jié)果

兩個實驗說明，水汽是導(dǎo)致導(dǎo)電膠帶失效的主要因素。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[1]可知其機(jī)理為：導(dǎo)電膠帶吸水膨脹后變形彎曲，所粘接的兩個導(dǎo)電平面縫隙變大，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)電性能變差。

4 結(jié)論

本文研究了熱壓溫度和熱壓壓力對導(dǎo)電膠帶性能的影響，并得出以下結(jié)論：

1)熱壓溫度和熱壓壓力會共同影響導(dǎo)電性能，熱壓溫度會影響反應(yīng)率，反應(yīng)率與拉力呈正相關(guān)性。

2)焊帶截面形狀對連接電阻影響很大，薄錫層焊帶與大粒徑導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電膠帶的搭配可達(dá)到較好的電學(xué)連接效果。

3)導(dǎo)電膠帶失效的最大影響因素是水汽，對應(yīng)在導(dǎo)電膠帶工藝上需要保證其反應(yīng)率。