太阳能光伏组件边缘脱层原因研究及改善措施

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科学实践1 概述自 2011 年欧债危机以来，欧洲对太阳能补贴的不断削减，全球光伏市场需求迅速萎缩，占全球 60％左右光伏产能的国内光伏行业产能已过剩 50 ；美国双反的实施，更使寒冬中的国内光伏产业雪上加霜。高利润驱使下的光伏产业盲目扩张已是昨日黄花，高效率、低成本已成为太阳能光伏发电的发展趋势。其中，保证组件成品的质量，提高成品组件一次加工合格率，减少成品组件的维修降级，也是降低成本的方法之一。据了解，某公司在冬季使用某些背板时，边缘分层组件占一次加工不合格组件（占总组件数 1-2）的半数，导致较多组件维修、降级，人力和资源的浪费；另外，在室外使用过程中由于温度的变化，未分层和轻微分层的组件边缘存在内应力以及背板与 EVA 热膨胀系数的不同而产生的热应力共同作用会使背板与 EVA 分层，从而导致组件边缘的密封性显著降低，最终影响组件的耐候性。本文就层压组件边缘的分层问题从微尺度弹性粘着接触理论的角度分析了原因，并提出改善措施。2 理论分析2.1 微尺度弹性粘着接触理论宏观接触理论在研究接触问题时由于表面作用力和弹性力相比很弱 ,没有考虑表面力的影响。当研究对象特征尺度减小到一定范围时，将出现很多传统宏观接触理论所无法解释的现象，究其原因就是两物体间表面力的作用。从众所周知的尺度率关系来看，随着尺寸的减小，与特征长度 L 成 2 次方标度的表面力将大于与 L 成 3 次方标度的体积力；当表面力成为主导因素时，传统的连续介质力学方法显示出明显的不足；此时将表面力或表面能所引起的粘着与经典接触力学相结合，形成了微尺度粘着接触理论 [1-2]。表面之间粘着力的作用将产生粘附能，当粘着作用大于使微结构产生变形的弹性恢复力时，将发生粘附。这种体系中存在结构产生的弹性变形能和使表面粘附到一起的表面粘附能。 Mastrangel[3]等在讨论微结构中的粘附现象时引入了无量纲数剥离数 peel number作为微结构发生粘附的重要判据。定义为剥离数 peel number），E 为杨氏模量， Δγ 是界面粘附能其物理意义是悬臂梁的挠曲弹性应变能与粘附能的比值，当Np1，弹性能大于粘附能，悬臂梁和基底产生剥离；当 Np1，弹性能小于粘附能，悬臂梁和基底产生粘附 [2]。当长、短悬臂梁在粘着力作用下，会出现如图 1 所示的两种粘附情形对于长悬臂梁（如图 a），（公式 1）对于短悬臂梁（如图 b），（公式 2） [4]2.2 微观接触理论在层压组件边缘分层问题上的应用背板作为直接与外界环境大面积接触的光伏封装材料，具有保护功能外，还应具备 25 年之久的可靠的绝缘性能、水汽阻隔性能，耐长期湿热、温度、紫外老化等性能 [5]，现今主流的太阳能背板都是三层复合膜结构，其中间层 PET 作为主要基体力学性能，两外层膜结构起主要的抗紫外等耐候性能以及与 EVA 的粘附性能。背板与 EVA 的接触表面看是宏观接触（组件层压时的情形如图 2 所示）。但是，背板与 EVA 粘接时的表面力已然大于背板的弹性恢复力，因此，需要从表面力与经典接触力学相结合即微尺度粘着接触理论角度分析背板与 EVA 粘接问题。本文将微尺度粘着接触理论应用到层压组件边缘分层原因分析中时，将背板视为单层膜结构，力学性能考察总体三层膜的弹性模量（对于 TPE 结构背板，若其 E 层较厚则将其剥掉），粘附情况考察外层膜的粘附性能。从公式 1 和 2 中可以看出，背板剥离数与其弹性模量、背板厚度的三次方以及垫起的高度 h 的平方成正比，这些数值愈大， Np 愈大于 1，会导致背板与 EVA 剥离；剥离数与弧形跨度 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，采用质量更好的层压胶皮，在层压胶皮严重弯曲，而是整面平整， S 变大从而 Np减小，有利于粘附。3 实验结果与讨论3.1 背板杨氏模量选择 11 种背板用伺服式万能拉力机，在相同室温和拉力速度条件下做背板拉伸试验（对于 SWS KPE 和 SWAKPE 的 E 层较厚，将其 E 层剥去；其他 PYE、 TPE、 KPE 结构的背太阳能光伏组件边缘脱层原因研究及改善措施刁维村别红玲何杰峰丁金安协鑫集成科技股份有限公司上海２０１４００摘要本文介绍了微尺度弹性粘着接触理论，并将该理论应用到层压组件边缘分层原因的分析；分别从剥离数的主要影响因素，包括背板的杨氏模量、 EVA 交联度、背板电晕值等方面进行试验，并根据试验结果提出了相应的改善措施。关键词太阳能光伏组件；边缘脱层；剥离数；微尺度弹性粘着接触图 1 悬臂梁结构发生粘附的两种情形图 2 组件层压情形表 1 背板厚度与杨氏模量背板厚度 /mm 杨氏模量 /MPa E*t3CWMB PYECWMH PYEXFS KPEXFD KPESWA KPKGR DDFSWS KPESWA KPETB TPTYS HongYS Hei0.2980.280.3720.3720.3420.3320.2880.3030.3150.3150.3411910195420602284236726152795287130063034334050.5542.89106.05117.5894.6895.6966.7779.8793.9694.83132.44· 270·qyglkj.cn中小企业管理与科技科学实践板， E 层均较薄，且相对于 PET 的杨氏模量较小，所以 E 层均未剥去）。现获得背板的杨氏模量如表 1 所示背板厂家名称不宜透露，现分别以英文代号表示，不涉及任何名称）。将上表中的杨氏模量和 E*t3 数据按 E*t3 递增的顺序转换成如图 3 所示的趋势图图 3 背板杨氏模量与 E*t3 趋势图根据剥离数的定义，剥离数与（ E*t3）成正比，从图中（ E*t3）的趋势图，可以看出各背板理论分层情况从优到劣的顺序依次是 YSHei 、 XFD KPE、 XFS KPE、 GR DDF、 YS Hong、 SW KPK 、 TB TPT、SWA KPE、 SWS KPE、 CWMB PYE、 CWMH PYE。但对于类似 TPE含 E 层结构的背板，其 E 层相当于引进了中间过渡层，增强了薄膜的结合能力 [4]。从某公司生产过程中遇到的各背板分层情况来看，各背板分层情况基本符合了上述理论试验结果。另外，背板作为高分子复合材料，它的动态杨氏模量随温度的变化曲线符合高分子材料的基本特性，杨氏模量随温度的升高呈减小趋势 [6]，于是印证了层压后组件在冷却过程中会有分层现象发生。3.2 EVA 交联度本实验选择一种 EVA 与一种 TPT 结构类背板，分别相同时间不同温度条件下层压做取的 EVA 交联度及其与背板的粘接力。表 2 不同交联度的 EVA 与背板粘接力层压温度 /℃ 交联度 / EVA 与 TPT 剥离强度（ N/cm）110℃120℃125℃130℃135℃140℃00014.0948.8486.571.82.430737787将 EVA 的交联度及与背板剥离强度与层压温度关系绘成图 4图 4 EVA 交联度与粘接力图从上图中可以看出，交联度越高，背板与 EVA 粘接力愈大，也即EVA 与背板界面粘附能 Δ 越大，越有利于粘接。又由于组件在层压时，玻璃受热后四角翘起不利传热，导致组件边缘交联度较中间位置偏低，从而更易发生分层，因此在解决组件边缘分层问题时，提高组件边缘 EVA 交联度是改善途径之一。3.3 背板电晕值本节实验，取不同电晕值的背板与相同 EVA在相同层压条件下做层压后做剥离试验。将背板与 EVA 平均剥离强度汇总见表 3表 3 背板与 EVA 平均剥离强度背板电晕值 /达因 38-40 42-44 44-46 48 52与 EVA 剥离强度 N/cm 49 31 78 112 73将其平均剥离强度绘成如图 5 所示的趋势曲线图 5 背板与 EVA 平均剥离强度趋势图从图中可以看出电晕值从 44 到 52 达因的此背板，剥离强度最佳，也就是此时背板的表面能处于较大的最佳位置，但是图中也可以看出背板并不是电晕值越高，粘接力越大，因为过度的电晕致使背板氟层分解成小分子，粘接力反而降低 [6]。因此在解决层压组件边缘分层问题时，保证背板始终最佳剥离力时的电晕值也是改善措施之一。3.4 加垫条试验当某背板易发生分层时，在组件边缘加垫与组件同样厚度的垫条（如图 6 所示），分层情况也有所改善。该方法是基于将公式 1 和 2 中的弧面高度差 h 趋向于零，从而使剥离数大于 1 而与基体粘附。4 结论公式 1 和公式 2 可以从理论上推出，剥离数与材料的弹性模量和厚度的三次方乘积成正比，与弧面高度差的平方成正比，与弧面宽度 S四次方和界面粘附能 Δγ 成反比。因此对于背板其 E*t3 越处于较低值，越有利于粘附改善边缘分层问题； EVA 的交联度处在较高的位置，和背板的电晕值处在最佳粘附力的位置，均有利于提高背板与 EVA 的界面粘附能 Δγ ，从而改善背板与 EVA 的脱层；加垫垫条可以使弧面高度差 h 减小，改善边缘脱层；选择层压时整个胶皮面更能保持平整的胶皮，使层压件边缘的弧面高度差减小，或弧面宽度 S增大，亦有利于改善层压件边缘分层。总之，各影响因素应该综合考虑 ,选择最佳改善措施。参考文献 [1]Zhao Y P 赵亚溥 ,Wang L S 王立森， Sun K H 孙克豪 .Tabornumber,adhesion parameter and elastic theory of micro -scaleadhesive contactTabor 数、粘着数与微尺度粘着弹性接触理论 [J].Advances in Mechanics力学进展， 2000,30529-537.[2] 亚溥，王立森表面粗糙度对于微结构粘附的影响分析 [J].摩擦学学报， 2002,22（ 4） 339-343.[3]Mastrangelo C H ,Hsu C H.Mechanical stability and adhesion ofmicrostructures under capillary forces-part IIExperiments.Journal ofMicroelectromechanical Systems.1993,244-55.[4]周益春，郑学军 . 材料宏微观力学性能 [M].北京高等教育出版社， 2009.[5]王端．太阳能电池背板市场 [J]．信息记录材料， 20104 28.[6]董萼良，康新，林保平，何小元，汪凤泉 .动态力学热分析法测定合成薄膜的力学性能 [J].振动、测试与诊断 ,2003,234301-302.图 6 加垫垫条示意图· 271·qyglkj.cn中小企业管理与科技