一些关于EVA参数的研究.pdf

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1、 1基于 EVA 的真空层压工艺 EVA 是晶体硅太阳电池封装中应用最广泛的一种热熔胶，真空层压工艺就是针对 EVA 的特性来设计的。这个工艺的主要目的就是使 EVA 实现最优程度的固化，并防止移位和气泡的产生。本文所关注的就是所有材料准备好了以后，放入层压机中层压的这一个具体过程。1 EVA 的基本特性 1.1 固化温度。EVA 是一种热熔胶，即在常温下，EVA 是固体，没有粘性。当把 EVA加热到一定温度时，EVA 会熔化粘结在与它接触的物体上。用于太阳电池封装的EVA 是专门设计的热固性热熔胶，即在加热熔融的同时会发生固化反应。当温度较低时，交联反应发生的速度很缓慢，完成固化所需要的时间

2、较长，反之需要的时间就比较短。因此要选择一适宜的层压温度，使 EVA 在熔融中获得流动性，同时发生固化反应。随着反应的进行，交联度增加，EVA 失去流动性，起到封装的作用。1.2 交联度。用于太阳电池封装的 EVA 在层压过程中发生了交联反应，形成了三维网状结构。通常，EVA 的交联度用凝胶含量来表示，凝胶含量是交联的 EVA 占总的 EVA 的重量百分含量。实验上的测定方法有很多，常用的是二甲苯萃取法。2 层压机和层压工艺 2.1 层压机。层压机是真空层压工艺使用的主要仪器，它的作用就是在真空条件下对EVA 进行加热加压，实现 EVA 的固化，达到对太阳电池密封的目的。对于层压机来说需要设置

3、的参数主要有四个：?层压温度：对应着 EVA 的固化温度。?抽气时间：对应着加压前的抽气时间。又因为抽气完成后就是充气加压的过程，所以抽气时间又对应着加压的时机。抽气的目的，一是排出封装材料间隙的空气和层压过程中产生的气体，消除组件内的气泡；二是在层压机内部造成一个压力差，产生层压所需要的压力（参见层压机的工作原理）。?充气时间：对应着层压时施加在组件上的压力，充气时间越长，压力越大。因为像 EVA 交联后形成的这种高分子一般结构比较疏松，压力的存在可以使EVA 胶膜固化后更加致密，具有更好的力学性能。同时也可以增强 EVA 与其他材料的粘合力。?层压时间：对应着施加在组件上的压力的保持时间，

4、是整个过程中时间最长的一个阶段。抽气时间，层压时间和抽气时间之和就对应着总的固化时间。2.2 层压工艺。层压工艺要达到的要求是 EVA 交联度在 75-85%；EVA 与玻璃和 TPT粘合紧密（剥离强度，玻璃/EVA 大于 30N/cm，TPT/EVA 大于 15N/cm），电池片无位移，组件无明显的气泡。在具体操作上就是对主要就是对层压机的几个参数进行设置。这几个参数的设置要考虑到很多的因素。下面从理想状况和实际状况两个方面来介绍。2.2.1 理想的层压条件设置。图 1 是一个比较理想的层压过程中的参数设置。它的要点就是在较低温度下进行抽气，然后在较高的温度下使 EVA 固化。这个过程大概可

5、以分成三步：?开始阶段，层压机的温度保持在较低温度，EVA 熔化，有良好的流动性，但是交联速度很慢。真空泵对下室抽真空，于是组件内部的气体迅速并且很容易的被抽走。上室保持真空，组件不受压力。?EVA 固化阶段。层压机温度升高到一个较高温度，EVA 发生快速的交联 2反应。下室继续保持抽真空，及时排出固化过程产生的气体。同时上室充气，上下室之间的压力差使层压机中的橡胶层对组件施加压力。?结束阶段。EVA 固化完成。先是上室抽真空，撤去压力，然后下室充气，开盖。A process cycle diagram(time,temperature and pressure)for a fast-cure

6、 EVA cycle【1】。这种工艺的的好处，一是低温阶段抽气，可以得到比较好的抽气效果；二是可以对 EVA 的固化进行比较好的控制。但是实际生产过程中这是很不受欢迎的，因为每层压一次都要降温，降到一定温度然后在开始新的层压过程。这既浪费时间，又浪费能源。所以在实际生产过程中往往是“一步到位”，直接设置到固化温度。2.2.2 实际的参数设置。“一步到位”的层压工艺虽然省时省力，却也带来了很多问题：一是开始阶段温度就很高，EVA 会很快的熔化，这样就不利于组件内部间隙间的空气被抽出，容易造成气泡；二是开始阶段温度就很高，EVA 会很快开始交联，交联度不能得到很好的控制。如何解决这些问题并达到封装

7、的要求，可以从下面几点来看：2.2.2.1 所使用 EVA 的特性。参考 EVA 的固化曲线，对层压参数的设置进行指导。EVA 的固化曲线是在一个恒定的温度下测得的，与实际生产中 EVA 的固化环境相似，近似反映了 EVA 在实际生产环境下的交联过程，所以具有很大的参考价值。图 2 是在直接固化温度下，利用无转子硫化仪测得的某品牌 EVA 的固化曲线（EVA 在固化过程中的粘度不断增大，硫化仪即是在 EVA 固化过程中通过测试扭矩来反应 EVA的粘度变化，并由此来间接测定交联程度的一种仪器。在硫化曲线中，ML 为最小转矩，代表胶料的最低粘度；MH 为最大转矩，代表胶料的最大交联密度，对应的 T

8、m 为理论上的正硫化时间。T10 为焦烧时间，即转矩达到ML+（MH-ML）*10%的时间；T90 为正硫化时间，即转矩达到ML+（MH-ML）*90%的时间。）。从图中可以看出，EVA的扭矩随着时间的变化是先下降，再上升。下降阶段对应着 EVA 熔化阶段，到最低点时 EVA 的流动性最好。上升阶段即为 EVA 的固化阶段，可以看出在开始上升时曲线很陡，表明交联进行的速度很快，随 3着交联剂的消耗，交联剂含量减小，交联速度变慢。图 2 用无转子硫化仪测得的 EVA 的固化（硫化）曲线，横轴为时间，纵轴为转矩 S*。图中所示的测试条件为 测试温度：140；角度：5；测试时间：22min；测试结果

9、：MH：14.739dN.m;ML:1.059dN.m;tc10:1:42;tc90:12:55;ts1:1:38;ts2:2:02.（本图所示的只是一个具体的实例，不同品牌的产品，其固化曲线会有所不同）从这个曲线可以得到以下关于层压工艺的信息：?层压温度。层压温度可以说是最关键的一个因素，直接关系着组件的质量。可以先测试 EVA 在不同固化温度下的固化曲线，然后参考这些曲线确定合适的固化温度。?下室抽真空的设置。这个设置主要有两个方面要注意。?抽气的关键点是动作要快，越早开始抽气越好。图 2 中的 Tc10 为 1：42，在这个时间之前的一段时间内可以认为是最佳的抽气时间。在这段时间内 EV

10、A或者为固态，或者为流动性好的液体状态，组件内部空隙里的残存气体可以比较容易的抽走。过了这段时间，随着 EVA 交联程度的增加，流动性越来越差，残存的气体就被陷在了组件里面，很难再去处掉。这个最佳时间段是很短的，所以在层压机内放置样品时速度一定要快，要做到迅速的放样品，放好样品后马上合盖，合盖后马上开始抽气。抽气之前的这个过程占用的时间越少，抽气效果就会越好。另外由此还得到启发：一，EVA 的改进中可以包括一个指标，即焦烧时间。如果焦烧时间延长，就能增加操作的安全性，减少了气泡的发生；二是增大真空泵的功率，加快抽真空的速度，这也是相当于延长了 tc10。但是这个功率不能太大，否则大的气流可能导

11、致电池片的移位。?抽气时间的长短。抽气时间的长短关系到两个问题，一是能否排尽残存气体，二是影响到加压的时机。参考下面的加压时机的说明。?充气的设置。充气对应着加压，有三个地方要注意。?加压的时机。对应着抽空时间，因为对于自动运行的层压机来说抽空后马上对应着上充气，所以抽空时间对应着加压时机。加压时机的控制应该注意几个方面：一，加压不要过早。加压过早的话，EVA 流动性还很好，压力的存在容易导致 EVA 的流动，使电池片移位。二，加压不要过晚。加压过晚的话，EVA交联程度已经很高，高分子的三维网络结构基本形成，压力对于增大 EVA 的密度的作用不大。对于这个问题可以这样考虑，当交联度达到某一个取

12、值范围时加压最好，这个范围对应的时间就是最好的时机。目前就此还没有一个共识，4可以做一些细致的研究。?加压的大小。压力的大小对应着充气时间的长短，充气时间越长，压力就越大，反之越小。压力大小的控制应该注意几个方面：一，压力不能太大。压力太大可能导致电池片被压碎，另外也容易导致 EVA 的流动，造成太阳电池移位。二，压力不能太小。压力太小，对 EVA 固化后的致密度影响很小，起不到什么作用，对去处残存气泡的作用也不大，EVA 与 TPT、EVA 与玻璃之间的粘合力比较小。在操作过程中，应该是在不造成太阳电池破裂和移位的情况下，尽量的增大压力。?层压的时间。层压时间主要关系到 EVA 最后的交联度

13、。交联度的测定由专门的方法，但是在设置层压时间时可以参考 tc90。2.2.3 层压机性能。因为 EVA 的交联速度对温度很敏感，所以层压机的温度的精度（指层压机内部温度相对于设定温度的变化范围）和均匀性（层压机内部不同区域的温度差异）是很重要的。层压机的精度低的话，EVA 的交联速度不是一个稳定的值，会有很大的波动，就不容易对 EVA 的交联度由很好的控制。层压机的温度均匀性影响到层压出的组件内部 EVA 性能的均匀性，包括力学和光学性能的均匀性，这对组件的性能会产生很大的影响。2.2.4 层压组件的结构。主要是普通平板组件（玻璃/EVA/太阳电池/EVA/TPT 结构）和双面玻璃组件（玻璃

14、/EVA/太阳电池/EVA/玻璃结构）。普通平板组件中，TPT 是柔性的并且质量较轻，所以在层压过程中比较容易控制。在双面玻璃组件中，放在上面的玻璃是刚性的，质量大，本身的自重就是对组件的一个压力，这就增加了抽气的难度。同时也使电池片更容易产生移位。另外，一般层压机的加热板是在下面，由于传热的不均匀，放在上面的玻璃很容易产生内应力导致破碎。2.2.5 组件的大小。组件越大，组件内部空隙的残存气体越不容易抽走，尤其是对于尺寸比较大的双面玻璃组件。对于这种情况，就要适当的增加抽气时间。2.2.6 组件选用的封装材料。在封装材料里面影响比较大的就是玻璃的厚度。对于普通平板组件，背面玻璃的厚度增加延长

15、了热量向 EVA 传热的时间，可以适当的增加层压时间。对于双面玻璃组件，上面玻璃厚度的增加加大了玻璃对 EVA 的压力，使抽气变得更加困难。以上所述只是定性的说明如何优化层压工艺，有哪些资料可以供我们参考。因为涉及的变化量太多，很难定量化，所以具体的设置还需要在实际工作中去摸索。参考文献 1.A.W.Czanderna,F.J.Pern。Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant:A critical review。Solar Energy Materials and Solar Cells 43(1996)：101-181。