EVA膠膜對晶硅太陽電池的封裝特性研究

太陽電池是現(xiàn)代社會新型能源材料之一，其通過將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)化為電能而實現(xiàn)供電，商業(yè)化光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率已達到24%。太陽電池除具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率之外，還具有環(huán)保特點。基于太陽電池顯著的能效和環(huán)保優(yōu)勢，我國截至目前光伏組件總的裝機量已經(jīng)達到了205GW。

盡管光伏電池材料很多，但晶硅太陽電池組件占據(jù)已有裝機量的80%以上。進一步提高晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率和耐候性，有助于充分利用現(xiàn)有產(chǎn)線產(chǎn)能。周大良等比較了現(xiàn)有晶硅鑄錠技術(shù)，發(fā)現(xiàn)全熔多晶鑄錠工藝和半熔多晶鑄錠工藝可用于提升晶硅晶片的質(zhì)量。

商業(yè)化的光伏組件一般要求25～30年的有效期，深入研究電池結(jié)構(gòu)，對于太陽電池光電性能和耐候性的提高有重要意義。

太陽電池組件由英利能源（中國）有限公司提供；組件經(jīng)人工方法去除玻璃和邊框后，其基本結(jié)構(gòu)依次為上蓋EVA膠膜、晶硅電池片、下鋪EVA膜和TPT背板（多層復(fù)合膜，Tedlar聚氟乙烯聚合物PVF/PET膜/PVF）。晶硅太陽電池片經(jīng)層壓工藝，與上蓋EVA膜和下鋪EVA膜形成封裝結(jié)構(gòu)。

本文分別對樣品進行表面和剖面制樣，利用光學(xué)顯微鏡（BX53M，日本OLYMPUS公司）和掃描電子顯微鏡（FEINovaNanoSEM450，美國FEI公司）對樣品進行檢測，以獲得晶硅組件封裝體系的微觀形貌，進而利用熱重測試系統(tǒng)（SetlineSTA，法國塞塔拉姆儀器公司）對封裝膠膜相變特性進行分析，設(shè)置升溫速率10℃/min，溫度范圍為室溫至750℃。

晶硅電池片表面結(jié)構(gòu)見圖1a所示。較細的金屬線為銀電極，較粗的金屬線為銅柵線，晶硅表面整體呈現(xiàn)藍色，是SiN減反膜的光學(xué)效應(yīng)所致。

圖1 （a）晶硅電池片的表面結(jié)構(gòu)；（b）晶硅電池片的微觀形貌

當晶硅電池吸收太陽光子并在內(nèi)部產(chǎn)生自由電子后，銀電極收集其鄰域的電子，然后匯流到銅柵線。隨著制備技術(shù)的發(fā)展，銀柵線的寬高比逐漸降低，以期在不影響導(dǎo)電效果基礎(chǔ)上，提高太陽光對晶硅表面的有效輻照面積。

圖1b給出了銀電極的微觀結(jié)構(gòu)，銀柵線呈現(xiàn)出點線結(jié)構(gòu)，最大寬度約為10.3微米、最小寬度約為2微米。這是由于銀電極經(jīng)絲網(wǎng)印刷，正銀漿料通過絲網(wǎng)空隙印涂到晶體表面，然后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)以滲透過晶硅表面SiN減反膜并與硅片形成歐姆接觸。印刷及燒結(jié)共同導(dǎo)致銀漿料在柵線局部出現(xiàn)團聚，進而形成點線結(jié)構(gòu)。

晶硅電池片剖面微觀形貌見圖2a所示。上蓋EVA膜厚度約為452.8微米（L1層），晶硅電池片厚度約為180微米（L2層），下鋪EVA膜厚約448.3微米（L3層），TPT背板厚度為251.2微米（L4層）。

各層之間未見明顯氣隙、孔洞；晶硅電池片被緊密封裝到了EVA膜之間。這是由于晶硅組件層壓過程在真空、加壓、160℃～180℃加溫下大概持續(xù)10分鐘完成，EVA膠膜發(fā)生了熔融交聯(lián)反應(yīng)，從而與硅片的前后表面緊密結(jié)合，EVA膠膜同時還黏附了TPT背板。

由此可見，光伏組件具有三明治型結(jié)構(gòu)，而EVA膠膜對電池耐候性起到了關(guān)鍵作用。

圖2 晶硅組件封裝結(jié)構(gòu)剖面微觀形貌。

為進一步分析膠膜與電池片的界面結(jié)構(gòu)，本文對組件進行剪切處理，并去掉TPT背板，獲得剪切后樣品剖面的SEM微觀形貌見圖2b所示。圖中白色物質(zhì)為導(dǎo)電膠帶，與導(dǎo)電膠帶相鄰的EVA膠膜橫斷面呈現(xiàn)出疏松結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過剪切后，EVA膜間隙由圖2a中180微米增大到約300微米，EVA膠膜之間的硅片被擊打成了硅顆粒，且顆粒的形狀并不規(guī)則。值得注意的是，與EVA膠膜相鄰的硅粒盡管顆粒尺寸較小，但仍嵌合到膠膜內(nèi)。

這表明EVA膠膜與晶硅片形成了粘合強度較大的界面，該界面難以通過剪切外力完全破環(huán)。外力作用僅將未與膠膜形成粘合界面的硅片處理成為較大顆粒，這部分顆粒可以脫離封裝體系。

EVA膠膜經(jīng)聚合而在晶硅表面形成致密膜層，該膜層應(yīng)能夠耐受較高溫度，這是由光伏組件使用環(huán)境決定的。陽光輻射除一部分轉(zhuǎn)化為電能外，很大一部分長波光將以熱能方式被組件吸收。圖3給出了EVA膜層的熱失重特性。

圖3 EVA膠膜的熱失重曲線

隨溫度升高，EVA膠膜呈現(xiàn)出質(zhì)量基本不變到明顯失重、再到緩慢失重，最終快速失重直至質(zhì)量變?yōu)?的變化。其明顯失重點起始于256℃，此溫度點到373℃的失重現(xiàn)象歸因于EVA作為聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，當溫度超過250℃時，共聚物內(nèi)分子鍵發(fā)生變化，生成醋酸，導(dǎo)致失重。

373℃～342℃溫度區(qū)間內(nèi)，EVA膠膜的醋酸分解過程逐漸結(jié)束。在424℃～492℃溫度區(qū)間，共聚物分子鍵裂解、聚合膜層分解、氣化，直至完全失重?？紤]到EVA膠膜受熱生成醋酸時，其對硅片的封裝致密性和粘結(jié)強度即受到影響，因此EVA膠膜須工作在熱相變溫度256℃以下，以保證封裝體系的耐候性。

EVA膠膜對晶硅電池片的封裝是光伏組件能夠?qū)嵱没幕A(chǔ)。

通過研究晶硅電池片表面結(jié)構(gòu)及組件的剖面結(jié)構(gòu)微觀影像，發(fā)現(xiàn)經(jīng)由層壓后晶硅電池片與EVA膠膜形成了致密粘結(jié)界面，該界面經(jīng)外力剪切仍存在，與EVA膠膜相鄰的硅粒盡管顆粒尺寸較小，但仍嵌合到膠膜內(nèi)，外力作用僅將未與EVA膠膜粘合的電池片部分地處理成較大硅粒。

熱相變分析表明，EVA膠膜須工作在失重溫度256℃以下，超過該溫度則EVA共聚物內(nèi)分子鍵分解生成醋酸，影響封裝強度與致密性；超過424℃，則EVA聚合物分子鍵斷裂，直至492℃通過氣化、升華完全失重。

來源：EVA 膠膜對晶硅太陽電池的封裝特性研究，英利集團有限公司

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