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背接触光伏组件用有机硅绝缘胶的研究与应用

2024-10-31 5 上传者：管理员

摘要：以不同粘度、不同比例的乙烯基苯基硅树脂与苯基含氢硅树脂作为基体，通过调整配方成分得到4种有机硅绝缘胶的配方，并对不同配方下制得的有机硅绝缘胶进行了太阳电池翘曲高度、铅笔硬度、划格法附着力等物理性能测试，以及湿热试验（DH1000）、热循环试验（TC200）、湿冻试验（HF10）等老化试验测试。测试结果显示：以10 phr的5000 cs乙烯基苯基硅树脂、30 phr的10000 cs乙烯基苯基硅树脂及60 phr的16000 cs苯基含氢硅树脂为基体时制得的有机硅绝缘胶具备高铅笔硬度（9H）、高附着力（划格法附着力等级为0级）、高体积电阻率(1016Ω·cm级)和耐老化性能，与环氧树脂绝缘胶的物理性能相当；且其老化测试后的划格法附着力等级变化不大；其具备比环氧树脂绝缘胶更高的分解温度，太阳电池翘曲高度更低，有助于提高光伏组件制程过程中的良率。

关键词：
有机硅
绝缘胶
耐老化性能
背接触光伏组件
铅笔硬度
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背接触太阳电池是一种新型的太阳电池技术[1-2]，该类太阳电池的正、负电极均分布在太阳电池的背面，正面无遮挡，可以极大提升其光电转换效率。在背接触太阳电池互联成光伏组件的过程中，焊带焊接在焊盘(PAD)点上，而正负极细栅线位于焊带之下，为了避免出现正负极短路的情况，需要在焊带和正负极细栅线之间涂覆一层绝缘胶。

目前，背接触光伏组件常采用环氧树脂类绝缘胶，此类绝缘胶由电路板制造行业的阻焊油墨演变而来，导致其适用性受限。环氧树脂[3-4]的耐高温性差，在焊接过程中很容易软化变形，导致出现漏电现象，从而造成太阳电池短路；此外，环氧树脂的收缩率大[5]，导致印刷后的太阳电池的翘曲高度大，影响光伏组件在制备过程中的良率。而加成型有机硅具有优异的耐高温性和低收缩率，但由于其硬度低，导致制成的绝缘胶的耐焊带刺穿能力差，限制了其在背接触光伏组件中的应用；而在常规的乙烯基甲基硅氧烷侧链中引入苯基可大幅提高有机硅的硬度，从肖氏硬度A提升至肖氏硬度D[6]，使由其制成的绝缘胶具备耐焊带刺穿的能力，且具有更优异的抗紫外线辐射[7-8]。

本文以不同粘度、不同比例的乙烯基苯基硅树脂与苯基含氢硅树脂作为基体，通过调整配方成分得到4种有机硅绝缘胶的配方，并对不同配方下制得的有机硅绝缘胶进行翘曲高度、铅笔硬度、划格法附着力等物理性能测试，以及湿热试验(DH1000)、热循环试验(TC200)、湿冻试验(HF10)等老化试验测试。

1、实验准备

1.1 原料

有机硅绝缘胶的原料如表1所示。

表1 有机硅绝缘胶的原料

1.2 有机硅绝缘胶的制备

通过调整背接触光伏组件用有机硅绝缘胶原料的质量份得到4种配方的有机硅绝缘胶，分别为配方1～配方4，具体如表2所示。

表2 背接触光伏组件用有机硅绝缘胶的配方

1.3 测试项目、仪器及方法

本文所涉及的测试项目及其采用的仪器和方法如表3所示。

表3 测试项目、仪器及方法

2、实验结果与分析

2.1 有机硅绝缘胶的流变特性

在背接触太阳电池印刷过程中，所采用的有机硅绝缘胶需具备合适的粘度，以保证其在印刷过程中不会从网板滴漏且印刷后不会出现图形拓宽现象，从而保证设计图形的尺寸。测试4种配方分别在0.5和5.0 rpm转速下制得的有机硅绝缘胶的流变特性，测试结果如图1所示。

图1 不同转速下4种配方制得的有机硅绝缘胶的流变特性

从图1可以看出：两种转速下，随着配方1～配方4中高粘度的苯基含氢硅树脂用量的增加，有机硅绝缘胶的粘度也随之增加。但相对于5.0 rpm转速，采用0.5 rpm转速时制得的有机硅绝缘胶的粘度较高。此外，由于配方1制得的有机硅绝缘胶的粘度较低，其在丝网印刷过程中出现了图形拓宽现象，而配方2～配方4制得的有机硅绝缘胶的粘度相较于配方1制得的有机硅绝缘胶的粘度得到了提升，因此图形拓宽现象得到了改善。由此可知，当转速为0.5 rpm时，有机硅绝缘胶的粘度下限范围在16320～22650 m Pa·s之间，低于此粘度范围后，印刷制得的图形将出现拓宽现象，而印刷图形拓宽将降低有机硅绝缘胶高度。

利用3D显微镜对配方1和配方2制得的有机硅绝缘胶高度进行扫描，扫描图如图2所示。

图2 配方1和配方2制得的有机硅绝缘胶高度的3D扫描图

对不同配方制得的有机硅绝缘胶的印刷湿重、固化后高度及是否出现图形拓宽现象进行测试，测试结果如表4所示。

结合图2与表4可知：在印刷湿重相差较小的情况下，由于配方1制得的有机硅绝缘胶出现图形拓宽现象，其固化后高度仅有39μm，低于标准值(40μm)，导致光伏组件存在短路风险。采用配方2～配方4制得的有机硅绝缘胶固化后高度大于40μm，满足要求。

表4 不同配方制得的有机硅绝缘胶的印刷湿重、固化后高度及图形拓宽现象测试结果

2.2 有机硅绝缘胶的性能

将采用4种配方制得的有机硅绝缘胶在150℃温度下放置1 h固化后测试其性能，并与光伏行业常采用的常规环氧树脂绝缘胶的性能进行对比，结果如表5所示。

从表5可以看出：

1)相较于环氧树脂绝缘胶，配方1～配方3制得的有机硅绝缘胶的铅笔硬度有所降低。虽然配方1～配方3中苯基含氢硅树脂/乙烯基苯基硅树脂比例增加，有机硅绝缘胶的交联密度也随之增加，铅笔硬度得到提升，但仍低于环氧树脂绝缘胶的铅笔硬度。

表5 不同配方制得的有机硅绝缘胶与环氧树脂绝缘胶的性能对比

2)配方1～配方2制得的有机硅绝缘胶的耐焊带刺穿能力较差。通过实际实验发现：将配方1～配方2制得的有机硅绝缘胶用于背接触光伏组件制备，采用这两种配方的光伏组件在层压后出现了短路现象。通过拆解光伏组件发现，焊带刺穿了有机硅绝缘胶，使正负极出现了连接，从而造成了短路。采用配方3与配方4分别制备20块光伏组件，均未出现层压后的短路现象。由此可知，有机硅绝缘胶的铅笔硬度大于等于7H时具备层压过程中耐焊带刺穿的能力。

3)环氧树脂绝缘胶与有机硅绝缘胶的划格法附着力测试结果均能达到最高等级(0级)。

4)有机硅绝缘胶的体积电阻率优于环氧树脂绝缘胶的体积电阻率。

5)印刷后，采用有机硅绝缘胶的背接触太阳电池的翘曲高度明显低于采用环氧树脂绝缘胶的背接触太阳电池的翘曲高度，翘曲高度得到了极大改善，如图3所示。这是因为绝缘胶位于背接触太阳电池单侧，绝缘胶在固化时会发生收缩，太阳电池将往绝缘胶一侧弯曲，而有机硅的收缩率远小于环氧树脂的收缩率。由于加成型有机硅在固化过程中无副产物产生，因此其收缩率一般不超过2‰；但环氧树脂固化过程中环氧键打开，空间重排，分子体积变小，收缩率一般在1%～5%。另外，在背接触光伏组件生产过程中发现，随着背接触太阳电池翘曲高度的降低，因翘曲产生的焊带未压实而导致的虚焊问题得到了改善，串焊不良率从约15%下降至约3%，极大地提高了光伏组件的制程良率，降低了人工返修率。

图3 采用不同绝缘胶的背接触太阳电池的翘曲高度

综上可知，由配方4制得的有机硅绝缘胶具备高铅笔硬度(9H)、高附着力(划格法附着力等级为0级)、高体积电阻率(1016Ω·cm级)和耐焊带刺穿能力。

2.3 有机硅绝缘胶的可靠性

在背接触太阳电池串焊时，焊带焊接过程中需要通过高温使焊料熔化与PAD点上的金属银形成合金，所使用的温度通常大于300℃，并且此过程中压针处会有压力作用在绝缘胶上。若绝缘胶的耐热性差，在热与压力共同作用下易被压薄，降低绝缘胶高度，从而导致光伏组件出现短路，因此，绝缘胶的耐热性尤为重要。

在相同升温速率和温度范围下，对环氧树脂绝缘胶和4种配方制得的有机硅绝缘胶进行质量测试，测试结果如图4所示。

图4 不同绝缘胶在相同升温速率和温度范围下的质量

对环氧树脂绝缘胶和4种配方制得的有机硅绝缘胶在TGA下的热分解温度和600℃时的残重进行统计，统计结果如表6所示。

表6 不同绝缘胶的热分解温度和600℃时的残重

结合图4与表6可知：有机硅绝缘胶的热分解温度与600℃时的残重都远高于环氧树脂绝缘胶的值，说明其耐热性有明显提升。这是因为有机硅的Si-O键键能高，赋予材料优异的耐热性。而配方1～配方4制得的有机硅绝缘胶的热分解温度逐渐升高，是因为随着苯基含氢硅树脂的增加，导致材料的交联密度也随之升高。

测试环氧树脂绝缘胶和配方4制得的有机硅绝缘胶在高温与压力下的变形情况，测试结果如图5所示。

图5 两种绝缘胶在高温与压力下的变形情况

由图5可知：环氧树脂绝缘胶被压针挤压后变形明显；而有机硅绝缘胶未出现变形。由此可知，绝缘胶耐热性的提升可改善其在焊接过程中高温与压力下的变形情况，从而避免光伏组件出现短路。

目前，光伏组件材料的可靠性测试主要是依据IEC 61215-2:2012的要求，通过将绝缘胶直接暴露于环境箱中，统计其测试前后的划格法附着力等级变化来验证绝缘胶的可靠性。

4种配方制得的有机硅绝缘胶分别在DH1000、TC200、HF10测试后的划格法附着力等级变化如图6所示。

由图6可知：有机硅绝缘胶在TC200测试后划格法附着力等级未出现下降；而在DH1000与HF10测试后划格法附着力等级均出现下降，但等级仅上升1级，变化不大。配方3和配方4制得的有机硅绝缘胶在HF10测试后划格法附着力并未下降，这是因为随着材料的交联密度提高，绝缘胶的透水率有所下降，耐水粘接有所提高，因此未影响其划格法附着力等级。综上可知，有机硅绝缘胶具有良好的耐老化性能。

图6 4种配方制得的有机硅绝缘胶可靠性测试后的划格法附着力等级变化

以发生划格法附着力等级下降的配方1制得的有机硅绝缘胶为样品，进行DH1000与HF10测试前后的FT-IR光谱测试，测试结果如图7所示。

图7 配方1制得的有机硅绝缘胶在DH1000与HF10测试前后的FT-IR光谱图

由图7可知：配方1制得的有机硅绝缘胶在DH1000与HF10测试前后的FT-IR光谱图的特征峰并未发生变化，这表明其化学结构并未发生改变。由于DH1000与HF10测试都是有水环境，而有机硅透水率较高，部分水汽透过有机硅绝缘胶破坏了其与太阳电池的粘接面，造成其划格法附着力等级下降。

3、结论

本文以不同粘度、不同比例的乙烯基苯基硅树脂与苯基含氢硅树脂作为基体，通过调整配方成分得到4种有机硅绝缘胶的配方，然后对不同配方下制得的有机硅绝缘胶进行了太阳电池翘曲高度、铅笔硬度、划格法附着力等物理性能测试，以及DH1000、TC200、HF10等老化试验测试。测试结果显示：以10 phr的5000 c s乙烯基苯基硅树脂、30 p h r的10000c s乙烯基苯基硅树脂及60 p h r的16000 c s苯基含氢硅树脂为基体时制得的有机硅绝缘胶具备高铅笔硬度(9H)、高附着力(划格法附着力等级为0级)、高体积电阻率(1016Ω·c m级)和耐老化性能，与环氧树脂绝缘胶的物理性能相当；且其老化测试后的划格法附着力等级变化不大；其具备比环氧树脂绝缘胶更高的分解温度，太阳电池翘曲高度更低，有助于提高光伏组件的制程良率。本文研究的有机硅绝缘胶不仅可满足背接触光伏组件用绝缘胶的基本要求，且相比于环氧树脂绝胶更具有优势，具备应用前景。

参考文献:

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文章来源:黄琪伟,谭小春,夏正月,等.背接触光伏组件用有机硅绝缘胶的研究与应用[J].太阳能,2024,(10):77-84.