太阳能电池组件封胶工艺研究

收稿日期 2008 - 03 - 10作者简介 李云虎 1979 - ,男 ,河南渑池人 ,南华大学机械学院硕士研究生 . 主要研究方向 太阳能电池组件封胶 . 3 通讯作者 .第 22卷第 2期 南华大学学报 自然科学版 Vol . 22 No. 22008 年 6月 Journal of University of South China Science and Technology Jun. 2008文章编号 1673 - 0062 2008 02 - 0088 - 07太阳能电池组件封胶工艺研究李云虎 ,张春良 3 ,赵 辉 ,彭 媛南华大学 机械工程学院 ,湖南 衡阳 421001 摘 要 针对太阳能电池组件封胶工艺进行工业化生产的可行性在设备 、 技术 、 生产 、工艺条件 、 材料 、 可靠性等方面进行研究 . 此课题还针对封胶工艺不良产生及解决方法进行了深入的理论和试验研究 . 试验证明 ,封胶生产工艺是可行的 .关键词 组件 ;封胶 ;太阳能电池片中图分类号 TM914. 4 文献标识码 BA Feasibility Study for Industr ialManufacture ofSolar Cell Epoxy Resin Pouri ng SealantL I Y un 2hu, ZHANG Chun 2liang3 , ZHAO Hu i, PENG Y uan SchoolofMechanical Engineering,University of South China, Hengyang,Hunan 421001, ChinaAbstract The study was to researchon the processesin solar cell epoxy resin pouringsealantmanufacturing in term s of p roduction equipment, tools, techniques, p roductionskills, production conditions, raw material and production reliabilities etc. It looked fur2ther into thosep roduction defectives, related issuesand reasons behind the p roblem s. Theexperiment made prove of the proper soluti ons for solar cell epoxy resin p roduction.Key words Solarmodule; pouring sealant; Solar battery cell胶封太阳能电池组件是一种光电器件 ,其主要部件是太阳能电池片 . 但由于太阳能电池片自身的缺陷 ,暴露在阳光 、 雨水等自然条件下就会造成永久性破坏 [ 1 ] . 因此 ,要实现太阳能发电的工业化应用 ,就要求对其进行保护性封装 ,从而形成太阳能电池组件 . 具体是使用高透光率的环氧树脂胶水对其进行保护性固化封装 . 此工艺成本低廉 、 结构简单 ,因而有着广泛的应用和独特的发展优势 .1 概念1. 1 太阳能电池工作原理光伏发电是利用半导体 P - N 结的光生伏特效应 ,将光能直接转变为电能的一种技术 [ 2 ] .其工作原理是 在光照条件下 ,具有足够能量的光子进入 P - N 结区附近产生电子 - 空穴对 .在 P - N结的内建电场作用下 , n区的空穴向 p区运动 ,而 p区的电子向 n区运动 ,最后造成在太阳电池受光面 上表面 有大量负电荷 电子 积累 ,而在电池背光面 下表面 有大量正电荷 空穴 积累 . 如在电池上 、 下表面做上金属电极 ,并用导线接上负载 ,在负载上就有电流通过 . 只要太阳光照不断 ,负载上就一直有电流通过 [ 3 ] . 工作原理图详见图 1图 1 晶体硅太阳电池工作原理示意图F ig. 1 W ork in g elem ents of sili con solar cells1. 2 封胶工艺介绍胶封太阳能电池组件一共需要 26道工序 ,封胶是其中非常重要的一个工序环节 . 封胶又分为胶水称重 、 胶水混合搅拌 、 组件灌胶 、 组件脱泡 、 胶面休整 、 胶水固化六个部分组成 [ 4 ] . 胶水采用高透光率的环氧树脂 AB 混合剂胶水 . 高透光率是为了尽量减少入射光在胶水层中的衰减 ,保证太阳能组件的光电转换率 . 由于胶水混合后 15分钟内就会发热并开始固化 ,因此对前 5个工序都要用定时器进行严格的操作时间限制 [ 5 ] .2 影响封胶实验效果的主要因素及注意事项2. 1 胶水称重称重的目的是保证 A、 B 剂胶水质量严格按A ∶ B 2∶ 1 比例混合 ,否则会产生胶水不固化或者固化不彻底的问题 ,质量误差精度要求 0. 01 g.胶水容器采用塑料质容器 . 胶水需求量是由太阳能组件面积和和经验系数相乘而得 ,即胶水需求量 M S mm2 0. 001 29 g/mm2 . 称重时间 ≤2 m in;详见图 2.图 2 胶水称重F ig. 2 W eigh epoxy resin glue2. 2 胶水混合搅拌本道工序是采用混合搅拌机将胶水充分均匀混合 ,普通手工搅拌不彻底 ,会导致封胶后 ,组件表面局部不固化 ,或者固化不彻底 . 搅拌时间控制在 1 m in左右 . 详见图 3太阳能组件混合搅拌 .图 3 环氧树脂胶混合搅拌F ig. 3 Ad m ixture of epoxy resin glue2. 3 组件灌胶组件灌胶就是在待灌胶太阳能组件表面涂一层约 2 mm后的胶水 . 采用尖头型的塑胶壶 ,将尖头的前一端剪掉 ,保留端的内孔经约为 2 mm.将98第 22卷第 2期 李云虎等 太阳能电池组件封胶工艺研究尖头塑胶壶盖拧开 ,把搅拌好的胶水倒入尖头塑胶壶内 ,当胶量达到胶壶容量的 95时停止倒入 ,拧上尖头塑胶壶盖 .将装满胶水的塑胶壶倒置于待涂胶的组件中心点上 ,且塑胶壶尖头前端距组件表面 10 mm高 . 然后取出拨胶棒 要求光滑 ,粗约 1 mm,前端 1 /3 出弯曲 120度角 ,将组件表面上的胶水拔平 ,胶水要完全覆盖组件上的电池片 . 灌胶时间控制在 5 m in左右 . 详见图 4涂胶图解和图 5拨胶图解 .图 4 涂胶图解F ig. 4 Pour epoxy resi n glue2. 4 组件脱泡胶水搅拌工序中会在混合胶水里产生大量气泡 ,又由于胶水有一定的粘度 ,所以气泡很难排出 ,因此需要对灌好胶的组件进行真空脱气泡 . 脱泡使用真空脱泡机 . 端起灌好胶水的组件 ,将其平整的放入脱泡箱内 ,将涂胶壶内预留的胶水也放入脱泡箱内 ,关闭脱泡箱的箱门 ,将抽气阀门打开 、 进气阀门关闭 . 打开真空泵电源开关 ,用手压住脱泡箱门 ,当气压表向左摆动时即可放手 . 打开观察灯电源 ,在真空箱观看窗口处观察抽空情况 ,当组件没有气泡冒出 真空表达到 - 0. 1 MPa后保持 2～ 3 m in时停止抽空 ,关掉真空泵电源 ,同时将抽气阀门关掉 . 将进气阀门慢慢的打开 ,当气压表指针回到 “ 0” 时 ,打开脱泡箱门 . 从脱泡箱中平稳的将组件取出 ,放在水平工作台面上 . 取出预留胶水 ,留作补胶用 . 真空脱泡机的开关示意图和组件真空脱泡状态分别详见见图 6和图 7.图 5 拨胶图解Fig. 5 Adjust epoxy resin glue图 6 真空脱泡机的开关示意图F ig. 6 The switch of vacuu m mach in e2. 5 胶面修整胶面修正工序是将表面胶水拨均匀 ,且胶水要覆盖整个太阳能组件表面 . 具体操作是从上到下 、 从左到右检查脱好泡的组件 ,对组件表面滴胶不到位的地方用拨胶棒将其它地方的胶水拨过来 ,使胶水完全覆盖住电池片组件 . 表面若有灰尘 ,则用拨胶棒挑出 . 发现少胶和黑胶带外露的组件要用预备的胶水再追加胶水 ,杜绝胶带凸出胶水面 ,详见图 8 太阳能组件拨胶 . 打开液化气开关 ,点燃液化气 ,用液化气火在修整好胶水的组件上逐个 “ 烧 ” 一下 ,火焰停留在每个产品上的时间在 2 s左右 ,以便出去胶水表面的水汽和拨胶时09 南华大学学报 自然科学版 2008 年 6月产生的少量气泡 . 如图 9火燎太阳能组件 . 整个过 程时间控制在 4 m in左右 .2. 6 胶水固化胶水固化是将组件在固化炉中以一定的温度和时间进行固化 ,形成坚硬的表面 ,以达到保护太阳能电池片的目的 . 具体操作是打开固化炉门 ,将胶面修整好的组件端起 ,水平的放入固化炉箱体中 . 关闭固化炉密封门 ,然后在 恒温槽来历表 上记录好投入数量与时间等 . 恒温时间到了以后 ,打开固化炉门 ,将烘干的组件小心取出 . 关闭固化炉门 ,在 恒温槽来历表 上做好相关记录 . 烘干的组件取出常温冷却 10 m in. 详见图 10胶水固化 .19第 22卷第 2期 李云虎等 太阳能电池组件封胶工艺研究图 10 胶水固化F ig. 10 Soli d ify ing epoxy resin glue3 实验设定3. 1 实验系统实验系统设备主要为精度 ≥ 0. 01 g的数字天秤 ;功率为 100 W 的搅拌机 ;刻度为 500 mL尖嘴胶壶 ;裕林科技制造的 2 kW 真空脱泡箱和固化炉 ;通风设备 保证工作间排风 、 准无尘车间30P空调负压 ;其他工具有 水平仪 固化炉 ,真空脱泡箱和灌胶台调水平 、 口罩 胶水带有刺鼻气味 、 拨胶棒等 .3. 2 实验设计做两组实验 ,技术指标见表 1表 1 两组胶封太阳能电池组件封胶工艺指标Table 1 D ouble solar m odules techn ique gu idelin e工艺指标 4V /60mA 组件 4V /50mA 组件数量 1043 PCS 179300 PCS封装工艺 封胶 封胶环保要求 非环保 非环保封装材料 环氧树脂 AB 胶 环氧树脂 AB 胶电池片 单晶硅太阳能电池片 多晶硅太阳能电池片电池片光电转换率 ≥ 15 ≥ 14. 3外形 /尺寸 /mm 67. 7 35 0. 20 直径 81. 3 - 0. 30底板厚度 /mm 1. 6 0. 20 1. 2 0. 20封胶厚度 /mm 1. 6 0. 20 1. 8 0. 20组件厚度 /mm 3. 2 0. 20 3. 0 0. 20胶水使用量 /kg 3. 188 1200真空脱泡时间 /m in 3 3固化温度 /℃ 60 50固化时间 /m in 120 1504 实验结果与分析4. 1 4V /60mA 组件不良产品共 12个 ,其中 4个黑胶带发黄 , 8个无输出电压 /电流 .4. 1. 1 黑胶带发黄原因分析将发黄的黑胶带和胶水一起切下 , 100倍的显微镜下观察 ,是由于有黄色物质融到胶水中导致的 . 详见图 11黑胶带部位发黄 .由于封胶后 ,胶水已将整个组件与外界隔离 ,29 南华大学学报 自然科学版 2008 年 6月因此 ,黄色物质只能有 3个来源 ,一是胶水 ,二是黑胶带本身分泌出 ,三是黑胶带和胶水产生化学反应产生 .图 11 黑胶带部位发黄F ig. 11 Y ellow part of black adhesi ve tape由于胶水和黑胶带本身都没有黄色物质 ,因此断定是第三种原因 .问题的确认实验中 ,在 2. 1～ 2. 5工序都没有产生黑胶带发黄现象 ,只有经过 2. 6工序 ,长时间在固化炉固 化 后 才 产 生 . 但 是 ,固 化 炉 是 每 炉1000PCS组件在统一条件下固化 ,而且并不是所有的组件都有黑胶带发黄 ,因此断定是 2. 1～ 2. 5工序的某种原因 ,导致在 2. 6工序产生最终发黄结果 . 因此有必要在 2. 3～ 2. 5工序后分别直接进行 2. 6实验 .实验发现 , 2. 3和 2. 4工序后直接进入 2. 6工序都不会产生黑胶带发黄现象 ,因此断定是 2. 5工序的问题 . 而 2. 5工序中 ,除明火烧组件表面外其他操作与 2. 1～ 2. 4一样 ,都是在常温常压下进行 . 故而 ,最终断定是 2. 5工序中的明火作业使得黑胶带和胶水产生化学反应而释放除某种化学物质 ,该物质在常温常压下不是黄色 ,一旦长时间在高于室温状态下就会发黄 .2. 5工序改善措施 ,明火作业典型的特征是高温 ,因此将明火作业时间 2秒改为 0. 5秒 . 由于明火作用时间短 ,黑胶带和胶水接触面达不到很高的温度 ,因此理论上不会产生化学反应 . 经实验验证 ,改善后没有在出现此问题 .4. 1. 2 无输出电压 /电流原因分析首先判断 ,无电压 /电流输出是断路引起的 .断路是导线和电池片的焊盘处发生了分离 . 然而断路应该在封胶工序前的半成品检查工序中就查出 ,因此排除了前一工序不良流下来的可能性 . 由于电池片的焊盘很小 ,只有 1 mm宽 ,且导线直径只有 0. 1 mm,因此力量稍大的物理接触就能使其发生断路 . 经分析 ,在 2. 1～ 2. 6的封胶工序中 ,只有 2. 3的拨胶和 2. 5的胶面修整中有拨胶棒与焊接处接触 ,并且拨胶棒前端是尖的 ,因此初步判定是在这两个工序中拨胶棒的物理碰撞引起的断路 .2. 3、 2. 5工序改善措施 ,将拨胶帮前端的尖装改成扁平状 ,并有一定的弧度 ,避免硬刮伤 ,另外 ,要求作业者在操作时尽量用力轻 . 改善后 ,再次实验确认 ,无不良产生 .4. 2 4V /50 mA 组件投入 179 300个 .不良 354个 ,不良率 0. 197.54个组件无电压 /电流 ; 68个组件电压偏小 ; 12个组件电流偏小 ; 180个组件黑胶带发黄 . 40个组件背面漏胶 .4. 2. 1 无电压 /电流分析无电压 /电流在 4. 1. 2已经分析 ,此处是由于大批量作业 ,作业者难免的疏忽导致 .且不良率很低 ,不影响此工艺的可靠性 .4. 2. 2 电压偏小原因分析电压偏小首先判定是某片电池片被短路 ,每偏小 0. 5V 就是短路一片 . 对不良品进行显微镜下观察 ,由于电池片很薄且电极靠近电池片边缘 ,在封胶之前的焊接工序中 ,焊锡过多而导致 8片电池片中有几片的正负极被焊锡漫过产生短路 .之所以流入本工序 ,是半成品检查作业者疏忽导致 . 改善方法是 ,增加半成品二次检查工位 ,即半成品要检查两次 ,另外 ,在前一道焊接工序中 ,要求作业者降低用锡量 .4. 2. 3 电流偏小原因分析由电池片的电学特性可知 ,电流大小与电池片面积有关 ,而且 ,几片电流不同的电池片串联时 ,电流服从最小原则 ,即输出电流按最小的 . 由于组件中的 8片电池片是同面积 、 相同转换效率的电池片 ,因此 ,每一片的电压和电流是一样的 .故而可以初步判定是电池片发生断裂 ,导致有效使用面积减小导致 . 而 2. 1～ 2. 6工序中 ,也只有2. 3拨胶工序和 2. 5胶面修整工序中的会有拨胶棒与电池片发生物理碰撞 . 经验证 ,电池片只有180μ m ,且是粘在黑双面胶上 ,中间有架空 ,因此 ,在 2. 3和 2. 5工序中 ,作业人员用力过大将电池片压断 .改善措施是要求作业人员拨胶和胶面修正时 ,使拨胶棒水平运动 ,不要上下运动 . 改善后经验证 ,不良大大减少 .39第 22卷第 2期 李云虎等 太阳能电池组件封胶工艺研究4. 2. 4 黑胶带发黄原因分析已在 4. 1. 1中分析 .4. 2. 5 组件背面漏胶分析背面漏胶是胶水留到底板背面 ,然后固化产生的胶块 . 首先判断 ,胶水流到背面是由于组件在固化过程中发生了倾斜导致 . 再细分析发现 , 2. 1～ 2.5工序中 ,组件都是可见的 ,有漏胶产生是可以立刻发现并改善的 . 因此 ,组件漏胶应该是在 2. 6工序中产生 ,但如果固化炉整体倾斜 ,应该有大批量的漏胶 ,而现实是只有 40个 ,按此数量断定应该是固化炉中的某一层水平发生了变化 . 用水平仪进行逐层验证 ,发现其中一层水平度不达标 ,原因是固化炉内部该层支架在长期的抽拉、 压力作用下固定螺丝发生了松动而产生偏移 . 经水平仪调整水平后 ,再无此不良 . 改善措施是每天固化炉使用后对其进行水平度检查 ,以保证第二天作业 .5 结论太阳能电池组件封胶工艺设计原理 、 工序安排和工艺条件设定是可行的 . 该工艺具有成本低 、可靠性高 、 设备投入小等优点 . 局限性是由于环氧树脂胶水自身的局限性 ,所以只适用于小功率太阳能电池电池组件的封装 ,主要用在消费类电子产品 ,如 太阳能充电器 、 太阳能手电筒 、 太阳能MP3、 太阳能草坪灯等 . 大功率组件 ≥ 3 W 目前采用的是玻璃层压封装 ,不在本文讨论之列 .参考文献 [ 1 ] 贺有德 . 新型太阳能产品生产设计新工艺新技术与质量验收实务全书 [M ]. 北 京 中 国 能源 出 版 社 ,2005.[ 2 ] 施 敏 ,赵鹤鸣 ,钱 敏 ,等 . 半导体器件物理与工艺[M ]. 2版 . 苏州 苏州大学出版社 , 2002.[ 3 ] Robert F. 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