太阳能电池组件层压封装工艺的分析与研究

摘要：21世纪能源危机日益严重，寻找新的可持续能源时不我待，而太阳能作为清洁可持续能源尤为受到关注。从太阳能电池的生产到最后组装完成建立电站，每一个环节都很重要，要保证电池安全、稳定、长期的工作就需要严格的封装工艺，而组件的层压就是封装工艺中的关键一环。文章从太阳能电池组件层压机（下述简称层压机）的基本构造与工作原理着手，介绍了与层压效果息息相关的EVA交联度有关的工艺试验，同时结合层压机实际生产中出现的问题与产品异常类型，如气泡、背板褶皱、背板脱层等异常展开论述，论述的内容主要借鉴实际工作中的真实案例，通过对异常的分析与处理，及再次验证，得出结论。

关键词：太阳能电池；组件；层压机；EVA；交联度；剥离强度

1 研究背景

由图1可知，目前世界各国还是以常规能源为主，常规能源主要有石油、天然气、煤炭等，其特点为不可持续、污染严重。随着社会经济的发展，人类对能源的需求也越来越多。以我国为例，我国的常规能源储量仅占世界总储量的10%，如表1，我国与世界能源对比。在我国常规能源中以煤炭最多，而我国又是世界上最大的煤炭消费国，燃煤所排放的二氧化碳、氮氧化合物等温室效应气体严重影响人类生存环境，其中二氧化碳排放量居世界第二[2]。

为了我国经济的可持续，人民居住环境更加适宜，大力发展可持续能源和新能源将是我国今后能源发展的出路，同时又符合我国坚持可持续发展的道路[3]。而太阳能作为可持续能源之一，近年来也得到我国政府的关注。为了发展太阳能我国也出台了相关政策，如光伏电价扶持政策和“领跑者”计划等。如今，在可持续能源发展领域中，太阳能光伏发电已经成为发展最大、最快的领域[4]。产业化发展特别是蓬勃发展的太阳能行业必然促进了与其发展相匹配的专业化、自动化、智能化设备的发展。而太阳能电池组件层压机就在这个过程中应运而生。

2 太阳能电池组件层压机的发展概况与结构原理

2.1 层压机发展概况

目前，光伏企业所使用的层压机种类主要有三种，分别为单层层压机、多层层压机和混合层压机，而按照层压机的加热方式可以分为导热油加热层压机和电加热层压机两种。导热油加热层压机是利用导热油在加热板中循环来完成对加热板升温加热，通过PID来控制和调节温度，而电加热是利用电能直接对加热板加热。这两种层压机相比，电加热层压机具有平均能耗低、启动升温快、温度均匀性好、占地面积小和效率高等优势，从大规模生产角度来看，电加热层压机有取代导热油加热层压机的趋势，并且将来的层压机必将向自动化程度高、稳定性高、效率高、低故障率和寿命长的方向发展。

目前，国内大多数企业多使用的是油加热层压机，例如我司使用奥瑞特层压机和羿珩层压机。不同厂家层压机参数对比见图2。

2.2 层压机的结构和工作原理

层压机的作用就是将背板、EVA、电池串和玻璃通过层压工艺封装在一起，层压过程如图3所示，其中主要为抽真空和热层压过程。

如图4为层压机简单的真空系统原理图，层压机抽真空贯穿整个工作过程。抽真空的目的一是为了排除组件封装材料之间的空气，防止层压后组件出现气泡等不良，二是为了在层压机腔室产生一个压力差，保证层压阶段的顺利完成以及最后完成层压后开盖的动作。

抽真空是热层压过程的前提与保证，而热层压的层压温度需要根据层压材料改变，以油加热层压机为例，层压过程的热量计算公式如下[5，6]：

式中，Q1为达到层压温度所需要的导热油传导的热量，S为层压腔有效层压面积，λ为导热系数，λ取值为0.1W/m·K；T1为组件进入层压腔的温度，T2为层压机设定温度，δ为传导层厚度。

层压过程中的温度通过导热油循环来提供，为了使层压温度达标，导热油循环泵需要供给的热量计算公式如下：

式中，Q2为导热油有效供给热量，V为油泵输油速率，T3为导热油进入热油管路中要求的最高温度，T4为导热油进入回油管路中的最低要求温度，H为导热油的热焓值。

因为油加热层压机的加热系统为半封闭式供系统，所以需要考虑到供热能力的稳定性，应对达到设定层压温度需要的热量Q1和热油泵供给的热量Q2进行验证，常用的验证公式为：

式中，ε为供热能力储备系数，ε=1.3。

若忽略因自动散发而损失的热量，则通过此公式可以粗略计算加热油热量与层压温度的关系。

层压工艺是太阳能电池组件生产中至关重要的一个环节。层压后的组件除了外观上不允许有气泡、褶皱和脱层等不良外，EVA的断裂强度、EVA与背板和EVA與玻璃的粘连强度都是衡量层压品质的一个重要指标。一般情况下要求EVA的交联度在75%到95%之间，EVA与背板的剥离强度大于40N/cm，EVA与玻璃的剥离强度大于50N/cm[7]（我司要求大于60N/cm）。而温度以及温度的均匀性是影响交联度的重要因素，一般而言交联度与温度称正相关关系，即交联度随着温度的升高而升高，但是达到一定值之后交联度就不再升高。而交联度是通过测试出EVA样品中的凝胶含量的百分率来表征。例如我司是通过萃取法来计算交联度的，具体计算过程如下：

1）事先准备一个200目不锈钢网袋和已交联的EVA样品；

2）在分析天平上称量网袋重量W1；

3）将已交联的EVA样品放在200目不锈钢网袋里称量，记为W2，W2=网袋重量+样品重量；

4）将样品袋放入二甲苯溶液里萃取5小时后取出，烘干3小时，称重W3；

5）交联度（%）=W3W1[]W2W1×100%

前面提到了温度以及温度的均匀性是影响交联度的重要因素，除此之外层压时间也影响了EVA的光学和力学性能，例如我司使用First EVA层压温度为145±2℃，层压时间大约在18min。

前面简单介绍了层压机工作原理，现在对其具体内容再进行进一步的说明：

1）抽真空：组件进入层压腔室，这时候EVA开始缓慢的熔化，依靠其较好的流动性缓慢交联，由于此时上室属于真空状态，不对组件施加压力，所以下室抽真空可以容易的将封装材料之间的空气抽出。理论上抽真空时间越快，抽真空时的温度越低越容易把空气抽干净，即抽真空时的温度要低于层压温度，但实际生产时考虑到产能等因素，设置的抽真空温度和层压温度相同，即一步到位，下面介绍层压温度对EVA交联度时会具体说明；

2）加压保压：层压腔室的温度逐渐升高，EVA交联速率加快，上室开始充气加压，直到压力达到一定值之后开始保压，这个过程可以使较为疏松的EVA的致密性得到大幅度的提高，EVA与背板和玻璃的粘接力也大大增强；

3）开盖：EVA固化结束，去掉上室压力，下室充气开盖取出组件。

3 实验

3.1 交联剂含量对交联度的影响

本实验准备A、B两种EVA样品，两者在相同层压参数（包含抽真空时间、层压时间和层压温度）下制样，已知A样品的交联剂含量高于B样品，实验数据见表2A和表2B，数据趋势如图5。

从此次试验数据得出结论：层压参数相同情况下，交联剂含量越多交联度越高。从理论上来讲，交联度大小又不是无限制的，它是在达到一定值后就开始趋于平稳，这与EVA含有的过氧化物有关。由于过氧化物的含量有限，当过氧化物在层压过程中分解完全时，EVA的交联度也就趋于平稳了[8]。

3.2 层压温度对交联度的影响

本实验使用同种EVA，同一个层压机，保持相同的层压时间（此处的层压时间为加压+保压阶段的时间），在不同温度下制样，然后测出EVA交联度（取平均值）。实验数据如表3：

从此次实验可以得出结论：交联度会随着温度的升高而升高，但是从理论上来讲，交联度又不是无休止的随温度升高而无休止的升高，同时，在工厂实际生产过程中也不是交联度越高越好，在实验过程中，交联度过高时EVA会发黄，交联度过低时EVA粘接力和抗老化能力就会差，根据生产经验可知，交联度在85%到90%之间产品品质最好。

3.3 层压时间对交联度的影响

本实验使用同种EVA，同一个层压机，保持相同的层压温度，在不同层压时间（此处的层压时间为加压+保压阶段的时间）下制样，然后测出EVA交联度（取平均值）。实验数据如表4：

从表4实验数据可知，相同层压温度下，并不是层压时间越长EVA交联度越高，即并没有预想的那样随着层压时间的延长交联度增加。说明在工业生产中，在保证产品品质的前提下，可以通过缩短层压时间来提高效率从而减低成本。例如我司就是在保证产品品质前提下，通过缩短层压时间，来提升产能节约成本。

相同的EVA在不同的层压温度下测出硫化曲线如图6A和6B：

对比两种温度下的硫化曲线可知，EVA的交联度是随着温度先下降再快速上升最后趋于平稳。先下降是因为EVA刚开始熔化，并未交联，具有一定的流动性，再上升过程是EVA开始固化阶段，温度升高固化速率加快，最后趋于平稳。对比在145℃和140℃下EVA固化过程可知，145℃时固化趋于平稳的时间约在18min，140℃时固化趋于平稳的时间约在23min，但是两种温度下MH值基本接近。由此可知，温度升高有利于EVA固化速率加快，这一点可以作为层压温度工艺改善的思考方向，即保证MH值相同情况下，可以通过升高温度来加快固化速率从而提升产能。

3.4 剥离强度实验

准备50cm×50cm实验玻璃4块，分别做交联度不同的四个模拟组件，用自动拉力计分别测试EVA与背板和EVA与玻璃的剥离强度大小，实验结果见表5、6：

表中4组实验数据表明当交联度为从84.95%增加到87.68%时对应的剥离强度逐渐增大，但是当交联度增大到90.12%时对应的剥离强度却下降了，说明在一定条件下，剥离强度随着交联度的增大而增大，但并不是交联度越大剥离强度就越大，即没有必然的联系。有趣的是EVA与背板之间的剥离强度小于EVA与玻璃之间的剥离强度。

4 层压案例分析

层压组件后的异常类型有：气泡、未融、背板褶皱、碎片、焊带偏移、爆件等，其中以气泡尤为常见，下面就简单介绍气泡异常。

4.1 组件满板气泡

此种气泡的原因为层压机没有抽真空，而没有抽真空的原因有：

①真空泵没有工作；

②密封圈损坏；

③關盖没有关到位.

解决办法：

①排查真空泵是否工作；

②检查密封圈是否完好，皮拉尼是否正常；

③空运行一次，排查关盖时是否严密。

4.2 组件中间气泡

此种气泡为抽真空开始的时间较晚导致。

解决办法：检查层压机是否在关闭上盖时就开始抽真空，即抽真空时间较晚导致。

4.3 互联条或者汇流条上的气泡

①有可能是EVA放置时间过长，湿度过大导致；

②助焊剂用量过大，水分挥发不彻底；

③焊接汇流条直角处使用的模板清洁度不够。

解决办法：

①裁切好的EVA及时使用，不要把EVA裸露在空气中，车间的温湿度要稳定；

②控制助焊剂的使用量，不易过多；

③焊接汇流条直角模板要清洁，不允许有脏污。

4.4 上下手空白处线状气泡

①层压温度不均匀；

②硅胶板损坏或者内缩导致抽真空不完全。

解决办法：

①可以保证品质的前提下试着增加一层四氟布；

②更换老化的硅胶板。

5 结论

本文章从研究背景展开论述，说明了层压机对组件封装工艺的重要性，介绍了层压机的基本结构以及工作原理，为之后的实验提供了理论依据。通过合理的符合工业生产模式的实验设计，验证了层压温度、层压时间对EVA交联度的关系，实验得知EVA交联度并不能通过改善层压温度和层压时间来无限制的提高，同时EVA的交联度也并不是越高越好，通過实验可知交联度最佳区间为85%到90%。而且交联度与剥离强度之间并没有必然的联系。工业生产中，在保证产品品质的前提下，只能通过合理的增加层压温度，缩短层压时间来提升产能，并最终为公司创造效益。最后还通过介绍部分层压组件异常类型以及与之对应的解决办法，为生产高品质产品提供了一种异常处理方法。

另外EVA的断裂强度、伸缩率等也表征了EVA品质的好坏，同时这也与层压工艺和组件品质具有很大的关系。总之，即使相同的层压机也会存在细微的不同，所以在实际工作和研究中找出它们的差异性，差异对待，要对每台层压机的性能特点有所把握，这样才会在工作生产中避免层压不良品的产出。

致谢

本文章得到了公司同事和领导的帮助与支持。非常感谢李学民经理和刘月敏主管的支持，非常感谢刘栓启、杨弟同事提供的层压机的有关文献，感谢贾现宁同事给我提供了异常案例，感谢秦晓婷同事在论文内容上不足之处的斧正。

参考文献：

[1]杨金换，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电技术[M].北京：电子工业出版社，2009：2，12，4189，109115.

[2]蓝虹，胡树刚.新型工业化道路是我国可持续发展战略的必然选择[J].北京师范大学学报，2006（1）：138145.

[3]杨军.太阳能光伏发展前景展望[J].沿海企业与科技，2005（8）：110112.

[4]丁国江，袁永春.中国多晶硅产业链现状及发展方向[J].东方电气评论，2009，23（23）：15.

[5]石磊，陈立东，马淑英，夏金强，刘巧艳，王秀旦.太阳能电池层压机加热系统的设计与试验[J].河北科技师范学院报，2009，23（4）：33.

[6]刘锦文.制品车间导热油供热节能系统的设计.电源技术[J].2007（12）：3334.

[7]邵燕英.太阳电池组件封装技术的探讨[J].能源工程，2008（3）：3234.

[8]李连春.太阳电池用耐老化EVA封装胶膜的制备、结构与性能研究[D].广州：华南理工大学，2005.

作者简介：武红刚（1991），男，本科，组件工艺工程师，主要负责车间现场异常处理与实验报告的跟踪与撰写。

附：

文章的创新点：本文主要介绍了层压机的结构与原理，通过对层压机的了解，设计大量实验验证EVA交联度问题，为以后的工艺改善提供理论和实验依据，归纳了部分层压异常现象，总结了产生异常的因素，为异常处理提供思考方向。