太陽能光伏組件邊緣脫層原因研究及改善措施

刁維村　別紅玲　何杰峰　丁金安

摘 要：本文介紹了微尺度彈性粘著接觸理論，并將該理論應用到層壓組件邊緣分層原因的分析；分別從剝離數的主要影響因素，包括背板的楊氏模量、EVA交聯度、背板電暈值等方面進行試驗，并根據試驗結果提出了相應的改善措施。

關鍵詞：太陽能光伏組件；邊緣脫層；剝離數；微尺度彈性粘著接觸

1 概述

自2011年歐債危機以來，歐洲對太陽能補貼的不斷削減，全球光伏市場需求迅速萎縮，占全球60%左右光伏產能的國內光伏行業產能已過剩50%；美國雙反的實施，更使寒冬中的國內光伏產業雪上加霜。高利潤驅使下的光伏產業盲目擴張已是昨日黃花，高效率、低成本已成為太陽能光伏發電的發展趨勢。其中，保證組件成品的質量，提高成品組件一次加工合格率，減少成品組件的維修降級，也是降低成本的方法之一。據了解，某公司在冬季使用某些背板時，邊緣分層組件占一次加工不合格組件（占總組件數1%-2%）的半數，導致較多組件維修、降級，人力和資源的浪費；另外，在室外使用過程中由于溫度的變化，未分層和輕微分層的組件邊緣存在內應力以及背板與EVA熱膨脹系數的不同而產生的熱應力共同作用會使背板與EVA分層，從而導致組件邊緣的密封性顯著降低，最終影響組件的耐候性。本文就層壓組件邊緣的分層問題從微尺度彈性粘著接觸理論的角度分析了原因，并提出改善措施。

2 理論分析

2.1 微尺度彈性粘著接觸理論 宏觀接觸理論在研究接觸問題時由于表面作用力和彈性力相比很弱，沒有考慮表面力的影響。當研究對象特征尺度減小到一定范圍時，將出現很多傳統宏觀接觸理論所無法解釋的現象，究其原因就是兩物體間表面力的作用。從眾所周知的尺度率關系來看，隨著尺寸的減小，與特征長度L成2次方標度的表面力將大于與L成3次方標度的體積力；當表面力成為主導因素時，傳統的連續介質力學方法顯示出明顯的不足；此時將表面力（或表面能）所引起 的粘著與經典接觸力學相結合，形成了微尺度粘著接觸理論[1-2]。

表面之間粘著力的作用將產生粘附能，當粘著作用大于使微結構產生變形的彈性恢復力時，將發生粘附。這種體系中存在結構產生的彈性變形能和使表面粘附到一起的表面粘附能。Mastrangel[3]等在討論微結構中的粘附現象時引入了無量綱數剝離數（peel number）作為微結構發生粘附的重要判據。

E為楊氏模量，Δγ是界面粘附能

其物理意義是懸臂梁的撓曲彈性應變能與粘附能的比值，當Np>1，彈性能大于粘附能，懸臂梁和基底產生剝離；當Np<1，彈性能小于粘附能，懸臂梁和基底產生粘附[2]。

當長、短懸臂梁在粘著力作用下，會出現如圖 1 所示的兩種粘附情形：對于長懸臂梁（如圖 a），（公式1）

對于短懸臂梁（如圖 b），（公式 2）[4]

2.2 微觀接觸理論在層壓組件邊緣分層問題上的應用 背板作為直接與外界環境大面積接觸的光伏封裝材料，具有保護功能外，還應具備25年之久的可靠的絕緣性能、水汽阻隔性能，耐長期濕熱、溫度、紫外老化等性能[5]，現今主流的太陽能背板都是三層復合膜結構，其中間層PET作為主要基體力學性能，兩外層膜結構起主要的抗紫外等耐候性能以及與EVA的粘附性能。

背板與EVA的接觸表面看是宏觀接觸（組件層壓時的情形如圖2所示）。但是，背板與EVA粘接時的表面力已然大于背板的彈性恢復力，因此，需要從表面力與經典接觸力學相結合即微尺度粘著接觸理論角度分析背板與EVA粘接問題。

本文將微尺度粘著接觸理論應用到層壓組件邊緣分層原因分析中時，將背板視為單層膜結構，力學性能考察總體三層膜的彈性模量（對于TPE 結構背板，若其E層較厚則將其剝掉）， 粘附情況考察外層膜的粘附性能。

從公式1和2中可以看出，背板剝離數與其彈性模量、背板厚度的三次方以及墊起的高度h的平方成正比，這些數值愈大，Np 愈大于1，會導致背板與EVA剝離；剝離數與弧形跨度S的四次方和粘附能成反比，即s和粘附能愈大，粘附效果愈好。并且，采用質量更好的層壓膠皮，在層壓膠皮嚴重彎曲，而是整面平整，S變大從而Np減小，有利于粘附。

3 實驗結果與討論

3.1 背板楊氏模量 選擇11種背板用伺服式萬能拉力機，在相同室溫和拉力速度條件下做背板拉伸試驗（對于SWS KPE和SWA KPE的E層較厚，將其E層剝去；其他 PYE、TPE、KPE 結構的背板，E層均較薄，且相對于PET的楊氏模量較小，所以E層均未剝去）?，F獲得背板的楊氏模量如表1所示（背板廠家名稱不宜透露，現分別以英文代號表示，不涉及任何名稱）。

將上表中的楊氏模量和E*t3數據按E*t3遞增的順序轉換成如圖3所示的趨勢圖：

根據剝離數的定義，剝離數與（E*t3）成正比，從圖中（E*t3）的趨勢圖，可以看出各背板理論分層情況從優到劣的順序依次是YS Hei、XFD KPE、XFS KPE、GR DDF、YS Hong、SW KPK、TB TPT、SWA KPE、SWS KPE、CWMB PYE、CWMH PYE。但對于類似TPE含E層結構的背板，其E層相當于引進了中間過渡層，增強了薄膜的結合能力[4]。

從某公司生產過程中遇到的各背板分層情況來看，各背板分層情況基本符合了上述理論試驗結果。

另外，背板作為高分子復合材料，它的動態楊氏模量隨溫度的變化曲線符合高分子材料的基本特性，楊氏模量隨溫度的升高呈減小趨勢[6]，于是印證了層壓后組件在冷卻過程中會有分層現象發生。

3.2 EVA 交聯度 本實驗選擇一種EVA與一種TPT結構類背板，分別相同時間不同溫度條件下層壓做取的EVA交聯度及其與背板的粘接力。

將EVA的交聯度及與背板剝離強度與層壓溫度關系繪成圖4：

從上圖中可以看出，交聯度越高，背板與EVA粘接力愈大，也即EVA與背板界面粘附能Δ？越大，越有利于粘接。又由于組件在層壓時，玻璃受熱后四角翹起不利傳熱，導致組件邊緣交聯度較中間位置偏低，從而更易發生分層，因此在解決組件邊緣分層問題時，提高組件邊緣EVA交聯度是改善途徑之一。

3.3 背板電暈值 本節實驗，取不同電暈值的背板與相同EVA在相同層壓條件下做層壓后做剝離試驗。將背板與EVA平均剝離強度匯總見表 3：

將其平均剝離強度繪成如圖 5 所示的趨勢曲線：

從圖中可以看出電暈值從44到52達因的此背板，剝離強度最佳，也就是此時背板的表面能處于較大的最佳位置，但是圖中也可以看出背板并不是電暈值越高，粘接力越大，因為過度的電暈致使背板氟層分解成小分子，粘接力反而降低[6]。因此在解決層壓組件邊緣分層問題時，保證背板始終最佳剝離力時的電暈值也是改善措施之一。

3.4 加墊條試驗 當某背板易發生分層時，在組件邊緣加墊與組件同樣厚度的墊條（如圖6所示），分層情況也有所改善。該方法是基于將公式1和2中的弧面高度差h趨向于零，從而使剝離數大于1而與基體粘附。

4 結論

公式1和公式2可以從理論上推出，剝離數與材料的彈性模量和厚度的三次方乘積成正比，與弧面高度差的平方成正比，與弧面寬度S四次方和界面粘附能Δγ成反比。因此對于背板其E*t3越處于較低值，越有利于粘附改善邊緣分層問題；EVA的交聯度處在較高的位置，和背板的電暈值處在最佳粘附力的位置，均有利于提高背板與EVA的界面粘附能Δγ，從而改善背板與 EVA 的脫層；加墊墊條可以使弧面高度差 h 減小，改善邊緣脫層；選擇層壓時整個膠皮面更能保持平整的膠皮，使層壓件邊緣的弧面高度差減小，或弧面寬度S增大，亦有利于改善層壓件邊緣分層?？傊?，各影響因素應該綜合考慮，選擇最佳改善措施。

參考文獻：

[1]Zhao Y P（趙亞溥），Wang L S（王立森），Sun K H（孫克豪）.Tabor number，adhesion parameter and elastic theory of micro-scale adhesive contact（Tabor 數、粘著數與微尺度粘著彈 性接觸理論）[J].Advances in Mechanics（力學進展），2000，30：529-537.

[2] 亞溥，王立森 表面粗糙度對于微結構粘附的影響分析[J].摩擦學學報，2002，22（4）：339-343.

[3]Mastrangelo C H ，Hsu C H.Mechanical stability and adhesion of microstructures under capillary forces-part II：Experiments.Journal of Microelectromechanical Systems.1993，2：44-55.

[4]周益春， 鄭學軍. 材料宏微觀力學性能[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]王端.太陽能電池背板市場[J].信息記錄材料，2010（4）：28.

[6]董萼良，康新，林保平，何小元，汪鳳泉.動態力學熱分析法測定合成薄膜的力學性能[J].振動、測試與診斷，2003，23（4）：301-302.