太陽能電池組件層壓封裝工藝的分析與研究

武紅剛 楊弟 秦曉婷 劉栓啟 賈現寧

摘要：21世紀能源危機日益嚴重，尋找新的可持續能源時不我待，而太陽能作為清潔可持續能源尤為受到關注。從太陽能電池的生產到最后組裝完成建立電站，每一個環節都很重要，要保證電池安全、穩定、長期的工作就需要嚴格的封裝工藝，而組件的層壓就是封裝工藝中的關鍵一環。文章從太陽能電池組件層壓機（下述簡稱層壓機）的基本構造與工作原理著手，介紹了與層壓效果息息相關的EVA交聯度有關的工藝試驗，同時結合層壓機實際生產中出現的問題與產品異常類型，如氣泡、背板褶皺、背板脫層等異常展開論述，論述的內容主要借鑒實際工作中的真實案例，通過對異常的分析與處理，及再次驗證，得出結論。

關鍵詞：太陽能電池；組件；層壓機；EVA；交聯度；剝離強度

1 研究背景

由圖1可知，目前世界各國還是以常規能源為主，常規能源主要有石油、天然氣、煤炭等，其特點為不可持續、污染嚴重。隨著社會經濟的發展，人類對能源的需求也越來越多。以我國為例，我國的常規能源儲量僅占世界總儲量的10%，如表1，我國與世界能源對比。在我國常規能源中以煤炭最多，而我國又是世界上最大的煤炭消費國，燃煤所排放的二氧化碳、氮氧化合物等溫室效應氣體嚴重影響人類生存環境，其中二氧化碳排放量居世界第二[2]。

為了我國經濟的可持續，人民居住環境更加適宜，大力發展可持續能源和新能源將是我國今后能源發展的出路，同時又符合我國堅持可持續發展的道路[3]。而太陽能作為可持續能源之一，近年來也得到我國政府的關注。為了發展太陽能我國也出臺了相關政策，如光伏電價扶持政策和“領跑者”計劃等。如今，在可持續能源發展領域中，太陽能光伏發電已經成為發展最大、最快的領域[4]。產業化發展特別是蓬勃發展的太陽能行業必然促進了與其發展相匹配的專業化、自動化、智能化設備的發展。而太陽能電池組件層壓機就在這個過程中應運而生。

2 太陽能電池組件層壓機的發展概況與結構原理

2.1 層壓機發展概況

目前，光伏企業所使用的層壓機種類主要有三種，分別為單層層壓機、多層層壓機和混合層壓機，而按照層壓機的加熱方式可以分為導熱油加熱層壓機和電加熱層壓機兩種。導熱油加熱層壓機是利用導熱油在加熱板中循環來完成對加熱板升溫加熱，通過PID來控制和調節溫度，而電加熱是利用電能直接對加熱板加熱。這兩種層壓機相比，電加熱層壓機具有平均能耗低、啟動升溫快、溫度均勻性好、占地面積小和效率高等優勢，從大規模生產角度來看，電加熱層壓機有取代導熱油加熱層壓機的趨勢，并且將來的層壓機必將向自動化程度高、穩定性高、效率高、低故障率和壽命長的方向發展。

目前，國內大多數企業多使用的是油加熱層壓機，例如我司使用奧瑞特層壓機和羿珩層壓機。不同廠家層壓機參數對比見圖2。

2.2 層壓機的結構和工作原理

層壓機的作用就是將背板、EVA、電池串和玻璃通過層壓工藝封裝在一起，層壓過程如圖3所示，其中主要為抽真空和熱層壓過程。

如圖4為層壓機簡單的真空系統原理圖，層壓機抽真空貫穿整個工作過程。抽真空的目的一是為了排除組件封裝材料之間的空氣，防止層壓后組件出現氣泡等不良，二是為了在層壓機腔室產生一個壓力差，保證層壓階段的順利完成以及最后完成層壓后開蓋的動作。

抽真空是熱層壓過程的前提與保證，而熱層壓的層壓溫度需要根據層壓材料改變，以油加熱層壓機為例，層壓過程的熱量計算公式如下[5，6]：

式中，Q1為達到層壓溫度所需要的導熱油傳導的熱量，S為層壓腔有效層壓面積，λ為導熱系數，λ取值為0.1W/m·K；T1為組件進入層壓腔的溫度，T2為層壓機設定溫度，δ為傳導層厚度。

層壓過程中的溫度通過導熱油循環來提供，為了使層壓溫度達標，導熱油循環泵需要供給的熱量計算公式如下：

式中，Q2為導熱油有效供給熱量，V為油泵輸油速率，T3為導熱油進入熱油管路中要求的最高溫度，T4為導熱油進入回油管路中的最低要求溫度，H為導熱油的熱焓值。

因為油加熱層壓機的加熱系統為半封閉式供系統，所以需要考慮到供熱能力的穩定性，應對達到設定層壓溫度需要的熱量Q1和熱油泵供給的熱量Q2進行驗證，常用的驗證公式為：

式中，ε為供熱能力儲備系數，ε=1.3。

若忽略因自動散發而損失的熱量，則通過此公式可以粗略計算加熱油熱量與層壓溫度的關系。

層壓工藝是太陽能電池組件生產中至關重要的一個環節。層壓后的組件除了外觀上不允許有氣泡、褶皺和脫層等不良外，EVA的斷裂強度、EVA與背板和EVA與玻璃的粘連強度都是衡量層壓品質的一個重要指標。一般情況下要求EVA的交聯度在75%到95%之間，EVA與背板的剝離強度大于40N/cm，EVA與玻璃的剝離強度大于50N/cm[7]（我司要求大于60N/cm）。而溫度以及溫度的均勻性是影響交聯度的重要因素，一般而言交聯度與溫度稱正相關關系，即交聯度隨著溫度的升高而升高，但是達到一定值之后交聯度就不再升高。而交聯度是通過測試出EVA樣品中的凝膠含量的百分率來表征。例如我司是通過萃取法來計算交聯度的，具體計算過程如下：

1）事先準備一個200目不銹鋼網袋和已交聯的EVA樣品；

2）在分析天平上稱量網袋重量W1；

3）將已交聯的EVA樣品放在200目不銹鋼網袋里稱量，記為W2，W2=網袋重量+樣品重量；

4）將樣品袋放入二甲苯溶液里萃取5小時后取出，烘干3小時，稱重W3；

5）交聯度（%）=W3W1[]W2W1×100%

前面提到了溫度以及溫度的均勻性是影響交聯度的重要因素，除此之外層壓時間也影響了EVA的光學和力學性能，例如我司使用First EVA層壓溫度為145±2℃，層壓時間大約在18min。

前面簡單介紹了層壓機工作原理，現在對其具體內容再進行進一步的說明：

1）抽真空：組件進入層壓腔室，這時候EVA開始緩慢的熔化，依靠其較好的流動性緩慢交聯，由于此時上室屬于真空狀態，不對組件施加壓力，所以下室抽真空可以容易的將封裝材料之間的空氣抽出。理論上抽真空時間越快，抽真空時的溫度越低越容易把空氣抽干凈，即抽真空時的溫度要低于層壓溫度，但實際生產時考慮到產能等因素，設置的抽真空溫度和層壓溫度相同，即一步到位，下面介紹層壓溫度對EVA交聯度時會具體說明；

2）加壓保壓：層壓腔室的溫度逐漸升高，EVA交聯速率加快，上室開始充氣加壓，直到壓力達到一定值之后開始保壓，這個過程可以使較為疏松的EVA的致密性得到大幅度的提高，EVA與背板和玻璃的粘接力也大大增強；

3）開蓋：EVA固化結束，去掉上室壓力，下室充氣開蓋取出組件。

3 實驗

3.1 交聯劑含量對交聯度的影響

本實驗準備A、B兩種EVA樣品，兩者在相同層壓參數（包含抽真空時間、層壓時間和層壓溫度）下制樣，已知A樣品的交聯劑含量高于B樣品，實驗數據見表2A和表2B，數據趨勢如圖5。

從此次試驗數據得出結論：層壓參數相同情況下，交聯劑含量越多交聯度越高。從理論上來講，交聯度大小又不是無限制的，它是在達到一定值后就開始趨于平穩，這與EVA含有的過氧化物有關。由于過氧化物的含量有限，當過氧化物在層壓過程中分解完全時，EVA的交聯度也就趨于平穩了[8]。

3.2 層壓溫度對交聯度的影響

本實驗使用同種EVA，同一個層壓機，保持相同的層壓時間（此處的層壓時間為加壓+保壓階段的時間），在不同溫度下制樣，然后測出EVA交聯度（取平均值）。實驗數據如表3：

從此次實驗可以得出結論：交聯度會隨著溫度的升高而升高，但是從理論上來講，交聯度又不是無休止的隨溫度升高而無休止的升高，同時，在工廠實際生產過程中也不是交聯度越高越好，在實驗過程中，交聯度過高時EVA會發黃，交聯度過低時EVA粘接力和抗老化能力就會差，根據生產經驗可知，交聯度在85%到90%之間產品品質最好。

3.3 層壓時間對交聯度的影響

本實驗使用同種EVA，同一個層壓機，保持相同的層壓溫度，在不同層壓時間（此處的層壓時間為加壓+保壓階段的時間）下制樣，然后測出EVA交聯度（取平均值）。實驗數據如表4：

從表4實驗數據可知，相同層壓溫度下，并不是層壓時間越長EVA交聯度越高，即并沒有預想的那樣隨著層壓時間的延長交聯度增加。說明在工業生產中，在保證產品品質的前提下，可以通過縮短層壓時間來提高效率從而減低成本。例如我司就是在保證產品品質前提下，通過縮短層壓時間，來提升產能節約成本。

相同的EVA在不同的層壓溫度下測出硫化曲線如圖6A和6B：

對比兩種溫度下的硫化曲線可知，EVA的交聯度是隨著溫度先下降再快速上升最后趨于平穩。先下降是因為EVA剛開始熔化，并未交聯，具有一定的流動性，再上升過程是EVA開始固化階段，溫度升高固化速率加快，最后趨于平穩。對比在145℃和140℃下EVA固化過程可知，145℃時固化趨于平穩的時間約在18min，140℃時固化趨于平穩的時間約在23min，但是兩種溫度下MH值基本接近。由此可知，溫度升高有利于EVA固化速率加快，這一點可以作為層壓溫度工藝改善的思考方向，即保證MH值相同情況下，可以通過升高溫度來加快固化速率從而提升產能。

3.4 剝離強度實驗

準備50cm×50cm實驗玻璃4塊，分別做交聯度不同的四個模擬組件，用自動拉力計分別測試EVA與背板和EVA與玻璃的剝離強度大小，實驗結果見表5、6：

表中4組實驗數據表明當交聯度為從84.95%增加到87.68%時對應的剝離強度逐漸增大，但是當交聯度增大到90.12%時對應的剝離強度卻下降了，說明在一定條件下，剝離強度隨著交聯度的增大而增大，但并不是交聯度越大剝離強度就越大，即沒有必然的聯系。有趣的是EVA與背板之間的剝離強度小于EVA與玻璃之間的剝離強度。

4 層壓案例分析

層壓組件后的異常類型有：氣泡、未融、背板褶皺、碎片、焊帶偏移、爆件等，其中以氣泡尤為常見，下面就簡單介紹氣泡異常。

4.1 組件滿板氣泡

此種氣泡的原因為層壓機沒有抽真空，而沒有抽真空的原因有：

①真空泵沒有工作；

②密封圈損壞；

③關蓋沒有關到位.

解決辦法：

①排查真空泵是否工作；

②檢查密封圈是否完好，皮拉尼是否正常；

③空運行一次，排查關蓋時是否嚴密。

4.2 組件中間氣泡

此種氣泡為抽真空開始的時間較晚導致。

解決辦法：檢查層壓機是否在關閉上蓋時就開始抽真空，即抽真空時間較晚導致。

4.3 互聯條或者匯流條上的氣泡

①有可能是EVA放置時間過長，濕度過大導致；

②助焊劑用量過大，水分揮發不徹底；

③焊接匯流條直角處使用的模板清潔度不夠。

解決辦法：

①裁切好的EVA及時使用，不要把EVA裸露在空氣中，車間的溫濕度要穩定；

②控制助焊劑的使用量，不易過多；

③焊接匯流條直角模板要清潔，不允許有臟污。

4.4 上下手空白處線狀氣泡

①層壓溫度不均勻；

②硅膠板損壞或者內縮導致抽真空不完全。

解決辦法：

①可以保證品質的前提下試著增加一層四氟布；

②更換老化的硅膠板。

5 結論

本文章從研究背景展開論述，說明了層壓機對組件封裝工藝的重要性，介紹了層壓機的基本結構以及工作原理，為之后的實驗提供了理論依據。通過合理的符合工業生產模式的實驗設計，驗證了層壓溫度、層壓時間對EVA交聯度的關系，實驗得知EVA交聯度并不能通過改善層壓溫度和層壓時間來無限制的提高，同時EVA的交聯度也并不是越高越好，通過實驗可知交聯度最佳區間為85%到90%。而且交聯度與剝離強度之間并沒有必然的聯系。工業生產中，在保證產品品質的前提下，只能通過合理的增加層壓溫度，縮短層壓時間來提升產能，并最終為公司創造效益。最后還通過介紹部分層壓組件異常類型以及與之對應的解決辦法，為生產高品質產品提供了一種異常處理方法。

另外EVA的斷裂強度、伸縮率等也表征了EVA品質的好壞，同時這也與層壓工藝和組件品質具有很大的關系?？傊词瓜嗤膶訅簷C也會存在細微的不同，所以在實際工作和研究中找出它們的差異性，差異對待，要對每臺層壓機的性能特點有所把握，這樣才會在工作生產中避免層壓不良品的產出。

致謝

本文章得到了公司同事和領導的幫助與支持。非常感謝李學民經理和劉月敏主管的支持，非常感謝劉栓啟、楊弟同事提供的層壓機的有關文獻，感謝賈現寧同事給我提供了異常案例，感謝秦曉婷同事在論文內容上不足之處的斧正。

參考文獻：

[1]楊金換，于化叢，葛亮.太陽能光伏發電技術[M].北京：電子工業出版社，2009：2，12，4189，109115.

[2]藍虹，胡樹剛.新型工業化道路是我國可持續發展戰略的必然選擇[J].北京師范大學學報，2006（1）：138145.

[3]楊軍.太陽能光伏發展前景展望[J].沿海企業與科技，2005（8）：110112.

[4]丁國江，袁永春.中國多晶硅產業鏈現狀及發展方向[J].東方電氣評論，2009，23（23）：15.

[5]石磊，陳立東，馬淑英，夏金強，劉巧艷，王秀旦.太陽能電池層壓機加熱系統的設計與試驗[J].河北科技師范學院報，2009，23（4）：33.

[6]劉錦文.制品車間導熱油供熱節能系統的設計.電源技術[J].2007（12）：3334.

[7]邵燕英.太陽電池組件封裝技術的探討[J].能源工程，2008（3）：3234.

[8]李連春.太陽電池用耐老化EVA封裝膠膜的制備、結構與性能研究[D].廣州：華南理工大學，2005.

作者簡介：武紅剛（1991），男，本科，組件工藝工程師，主要負責車間現場異常處理與實驗報告的跟蹤與撰寫。

附：

文章的創新點：本文主要介紹了層壓機的結構與原理，通過對層壓機的了解，設計大量實驗驗證EVA交聯度問題，為以后的工藝改善提供理論和實驗依據，歸納了部分層壓異常現象，總結了產生異常的因素，為異常處理提供思考方向。