內(nèi)容導(dǎo)讀：太陽(yáng)電池發(fā)電利用的是硅等半導(dǎo)體材料的量子效應(yīng)，直接把太陽(yáng)光譜中的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔??？墒枪杈糁苯颖┞队诖髿庵?，其光電轉(zhuǎn)換機(jī)能會(huì)衰減。為此采用透明、耐光老化、粘接性好、能承受大氣變化且具有彈性的EVA膠層將硅晶片組包封，并和上層保護(hù)材料玻璃、下層保護(hù)材料TPT(聚氟乙烯復(fù)合膜)粘合為一體，構(gòu)成太陽(yáng)電池板。
前言
太陽(yáng)電池發(fā)電利用的是硅等半導(dǎo)體材料的量子效應(yīng)，直接把太陽(yáng)光譜中的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔??？墒枪杈糁苯颖┞队诖髿庵?，其光電轉(zhuǎn)換機(jī)能會(huì)衰減。為此采用透明、耐光老化、粘接性好、能承受大氣變化且具有彈性的EVA膠層將硅晶片組包封，并和上層保護(hù)材料玻璃、下層保護(hù)材料TPT(聚氟乙烯復(fù)合膜)粘合為一體，構(gòu)成太陽(yáng)電池板。
晶體硅太陽(yáng)電池行業(yè)用的封裝粘接材料為膠粘劑。上世紀(jì)80年代前，國(guó)內(nèi)外曾試過(guò)用液態(tài)硅樹脂和聚乙烯醇縮丁醛樹脂片(PVB)，但因價(jià)格高、施工條件苛刻、物性不好而被淘汰。80年代起國(guó)外開(kāi)始研制EVA膠膜，它是一種熱熔粘接膠膜，常溫下無(wú)粘性而具抗粘連性，經(jīng)一定條件熱壓便發(fā)生熔融粘接與交聯(lián)固化。其在太陽(yáng)電池封裝與戶外使用上均獲得了相當(dāng)滿意的效果。
我國(guó)于上世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，陸續(xù)從美國(guó)引進(jìn)單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)線七條，并逐年從美國(guó)進(jìn)口EVA膠膜。為改變每年進(jìn)口封裝材料的被動(dòng)局面，國(guó)家科委將EVA膠膜國(guó)產(chǎn)化列入"八五"攻關(guān)計(jì)劃。為實(shí)現(xiàn)EVA膠膜國(guó)產(chǎn)化，浙江化工研究院于80年代后期著手研究，目標(biāo)是取代進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。浙江化工研究院從小試到中試，建立了一套試產(chǎn)能力達(dá)5萬(wàn)m2/a的裝置進(jìn)行了配方研究、EVA改性技術(shù)研究、膠膜制造的工藝技術(shù)與試產(chǎn)設(shè)備的研究。邊試驗(yàn)邊出產(chǎn)品供太陽(yáng)電池廠試用，由用戶反饋意見(jiàn)，再研究再提高，獲得了太陽(yáng)電池廠家的認(rèn)可。EVA膠膜的研究成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了攻關(guān)目標(biāo)。1995年11月由國(guó)家科委委托浙江省科委在杭州通過(guò)了成果鑒定與攻關(guān)驗(yàn)收。該成果獲得浙江省1996年度科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。研究論文被美國(guó)化學(xué)文摘收錄(CA127:51758b)。
1998年浙江化工研究院建成了國(guó)內(nèi)第一條自控程度較高、年產(chǎn)30萬(wàn)m2、幅寬達(dá)1000mm以上太陽(yáng)能電池EVA膠膜標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線，同時(shí)將第二代快速固化膠膜產(chǎn)品推向市場(chǎng)，獲得大量使用。2002年獲國(guó)家發(fā)改委/世界銀行/GEF技術(shù)進(jìn)步項(xiàng)目支持。目前，浙江化工科技集團(tuán)有三條生產(chǎn)線，年產(chǎn)能力100余萬(wàn)m2以上。
EVA材料
1.1EVA樹脂
EVA是乙烯與醋酸乙烯脂的共聚物，它的結(jié)構(gòu)如下：
EVA具有優(yōu)良的柔韌性、耐沖擊性、彈性、光學(xué)透明性、低溫繞曲性、粘著性、耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性、耐候性、耐腐蝕性、熱密封性以及電性能等。
EVA的性能主要取決于分子量(可以用熔融指數(shù)MI表示)和醋酸乙烯酯(以VA表示)的含量。當(dāng)MI一定時(shí)，VA的含量增高，EVA的彈性、柔軟性、粘結(jié)性、相溶性和透明性提高;VA的含量降低，EVA則接近于聚乙烯的性能。當(dāng)VA含量一定時(shí)，分子量降低則軟化點(diǎn)下降，而加工性及表面光澤改善，但強(qiáng)度降低;分于量增大，可提高耐沖擊性和應(yīng)力開(kāi)裂性。
用于封裝硅太陽(yáng)電池組件的EVA，主要根據(jù)透光性能和加工成膜性能進(jìn)行選擇，美國(guó)Springborn實(shí)驗(yàn)室首先研究出一種EVA成膜配方，美國(guó)各生產(chǎn)廠家選擇了杜邦公司生產(chǎn)的ElvaxEVA樹脂。
1.2EVA太陽(yáng)電池膠膜
EVA成膜采用的是擠壓成型工藝。根據(jù)不同的EVA的配方，選擇不同的擠壓溫度。選用優(yōu)質(zhì)的EVA基料對(duì)提高膠膜透光率甚為重要，其膠膜經(jīng)加熱封裝后，變得完全透明，它和玻璃粘合后能提高玻璃的透光率，起著增透的作用，并對(duì)太陽(yáng)電池組件功率輸出有增益作用。
EVA膠膜是一種熱固性的膜狀熱熔膠，常溫下不發(fā)粘，便于操作;在熔融狀態(tài)下，它和硅晶片、玻璃、TPT產(chǎn)生粘接，成為太陽(yáng)電池板。
未經(jīng)改性的EVA具有透明、柔軟、有熱熔粘接性、熔融溫度低(<80℃)、熔融流動(dòng)性好等特點(diǎn)。這些特征滿足了膠膜制造與太陽(yáng)電池封裝的需求，但其耐熱性差，易延伸而低彈性，內(nèi)聚強(qiáng)度低而抗蠕變性差，易產(chǎn)生熱脹冷縮致硅晶片碎裂。為此要對(duì)EVA進(jìn)行改性，其辦法是采取化學(xué)交聯(lián)，即在EVA中添加有機(jī)過(guò)氧化物交聯(lián)劑，當(dāng)EVA膠膜加熱到一定溫度時(shí)，交聯(lián)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)EVA分子間的結(jié)合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使EVA膠層交聯(lián)化，當(dāng)交聯(lián)度達(dá)到60%以上時(shí)就能承受大氣的變化，不再發(fā)生熱脹冷縮。
此外，生產(chǎn)廠家和用戶比較關(guān)心的問(wèn)題是，EVA是否能經(jīng)得住紫外光老化。如果EVA膠膜未經(jīng)改性，它必定會(huì)受紫外線破壞，發(fā)生龜裂，或降解變色，或和玻璃、TPT脫膠，尤其用于高原地區(qū)的太陽(yáng)電池更應(yīng)重視此問(wèn)題。因此還要采取抗紫外光老化措施。使EVA膠層內(nèi)含有吸收紫外光的主、輔劑配合的復(fù)合光穩(wěn)定劑，能起到吸收紫外光的協(xié)同效應(yīng)。EVA膠膜具有吸收紫外光性能，除保護(hù)EVA膠層本身外，還可保護(hù)電池背材TPT，從而能保障太陽(yáng)電池長(zhǎng)年正常工作。
綜上所述，EVA膠膜不僅是起粘接密封作用，而且對(duì)太陽(yáng)電池的質(zhì)量與壽命起著至關(guān)重要的作用，從某種意義上說(shuō)，太陽(yáng)電池板的壽命由EVA決定。而EVA的質(zhì)量又決定于它的配方與改性技術(shù)，這不是從EVA膠膜的表現(xiàn)上或僅從粘接得好壞上就能判斷的。
為了EVA膠膜在太陽(yáng)電池中充分發(fā)揮應(yīng)有的作用，在使用過(guò)程中，要注意防潮防塵，免與帶色物體接觸;不要將脫去外包裝的整卷膠膜暴露在空氣中;分切成片的膠膜如不能當(dāng)日用完，應(yīng)遮蓋緊密。若吸潮，會(huì)影響EVA和玻璃的粘接力;若吸塵，必影響透光率;和帶色、不潔的物體接觸，由于EVA膠膜的吸附能力強(qiáng)，易被污染。
層壓工藝
2.1主要工藝步驟
(1)疊層：依次將蓋板玻璃、EVA膜、互相連接好的太陽(yáng)電池、玻璃纖維(Scrim)薄片、EVA膜、聚氟乙烯膜(或復(fù)合膜)疊在一起。
(2)抽真空：把上述疊層件放到雙真空層壓器的下室。層壓器的上、下兩室同時(shí)抽真空，約5min。
(3)加熱：層壓器的上下兩室保持真空，加熱疊層件。
(4)加壓：疊層件加熱到110~120℃時(shí)，層壓器的上室逐漸取消真空回到常壓。這時(shí)層壓器的下室仍處于真空狀態(tài)，也就是使上室對(duì)下室中的層壓件產(chǎn)生一個(gè)大氣壓的壓力。
保溫固化：在固化溫度下，恒溫固化。
(6)冷卻：恒溫固化后，層壓器撤離熱源，層壓器的下室仍處在真空狀態(tài)。循環(huán)冷卻，取消下室真空，取出組合件，用快刀把組合件邊緣多余的EVA切掉。然后封邊框和裝接線盒，組裝成太陽(yáng)電池組件。
2.2典型層壓工藝
2.2.1一步法
(1)方法一
快速固化EVA：層壓機(jī)設(shè)置100～120℃，電池板放入，抽氣5～8min，加壓3min，同時(shí)升溫到135～140℃，恒溫固化15～20min，放氣后即刻取出冷卻。
常規(guī)固化EVA：層壓機(jī)設(shè)置100～120℃，電池板放入，抽氣5～8min，加壓3min，同時(shí)升溫到145～150℃，恒溫固化30min，放氣后即刻取出冷卻。
(2)方法二
快速固化EVA：層壓機(jī)設(shè)置135~140℃，電池板放入，抽氣5～8min，加壓3min，恒溫135～140℃，固化15～20min，放氣后即刻取出冷卻。
2.2.2兩步法
(1)層壓機(jī)設(shè)置100～120℃，電池板放入，抽氣5～8min，加壓3min，放氣后即刻取出冷卻。
(2)層壓后的電池板放入固化爐(烘箱)，然后再：①速固化EVA：135～140℃，固化15～20min(或140℃，固化15min);②常規(guī)固化EVA：145～150℃，固化30min。
幾種典型的層壓工藝如表1所示。
層壓過(guò)程中有關(guān)問(wèn)題及注意事項(xiàng)
層壓、固化溫度選擇，一要視層壓設(shè)備情況，進(jìn)口設(shè)備與國(guó)產(chǎn)設(shè)備有差異，層壓機(jī)溫度分布要均勻，真空系統(tǒng)要可靠;二是看電池板中是否有氣泡，溫度越高越容易產(chǎn)生氣泡，但固化時(shí)間可以短一些。
EVA層壓工藝中，升溫速率是封裝成敗的關(guān)鍵之一。首先加熱使EVA軟化，流動(dòng)和填滿電池間的空隙，然后在較高的溫度下使EVA固化，交聯(lián)成網(wǎng)狀大分子。如果加熱到EVA固化溫度(150℃)的時(shí)間太長(zhǎng)，由于交聯(lián)劑熱分解，使EVA不固化;升溫速度太快，又會(huì)產(chǎn)生氣泡。
EVA層壓工藝中，消除EVA中的氣泡是另一個(gè)關(guān)鍵。疊層時(shí)進(jìn)入的空氣和過(guò)氧化物交聯(lián)劑熱分解產(chǎn)生的氧氣是形成氣泡的主要原因。消除氣泡的辦法是在加熱之前，層壓器的上、下兩室同時(shí)抽空，把空氣從組合疊層件中抽干凈，當(dāng)溫度達(dá)到120℃時(shí)，上室放空逐漸恢復(fù)到常壓，也就是對(duì)下室加壓，這樣的壓力可以阻止過(guò)氧化物分解形成氣泡。另外，在硅太陽(yáng)電池與EVA膜之間有一層未經(jīng)編織的玻璃纖維(Scrim)薄片，它的作用是使氣體通過(guò)它的空隙，容易從疊層件中排出去，尤其是對(duì)大型組件，可以保證把氣體排除干凈，這樣就可以避免在EVA中形成氣泡。
EVA層在封裝過(guò)程中，需要經(jīng)常測(cè)定EVA的凝膠含量來(lái)分析EVA的固化程度，以達(dá)到控制封裝質(zhì)量的目的。通常EVA凝膠含量達(dá)到65%時(shí)，就可以認(rèn)為基本固化了。交聯(lián)度，是指EVA分子經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)達(dá)到不溶不熔的凝膠固化的程度。其測(cè)定原理為，將EVA樣品裝入120目不銹鋼絲網(wǎng)袋內(nèi)，置沸騰二甲苯中萃取。未經(jīng)交聯(lián)的EVA，在二甲苯沸騰液中，樣品迅速全部熔溶到二甲苯中，故交聯(lián)度為0。而交聯(lián)EVA，在萃取操作結(jié)束后，還能清楚觀察到不銹鋼絲網(wǎng)袋中殘留有亮晶的試樣，該殘留試樣量與試樣總量之比即為交聯(lián)度。
EVA膠膜主要技術(shù)指標(biāo)
固化條件：快固膠膜135～140℃、15～20min
常規(guī)膠膜145~150℃、30min
透光率(%)：≥91
剝離強(qiáng)度(N/cm)：玻璃/膠膜≥30
TPT/膠膜≥20
交聯(lián)度(%)：70～85
耐紫外光老化：不龜裂、不變色
耐溫性：-40～85℃
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