光伏組件用導電膠帶的性質和可靠性研究

國家電投集團西安太陽能電力有限公司 ■ 劉建達 胡丹丹

0 引言

目前，p型太陽電池的效率已上升至瓶頸，在PERC工藝后暫無有效的效率提升手段；n型太陽電池成為高效太陽電池的的主流趨勢。

n型高效太陽電池的主要類型有IBC電池和HIT電池，IBC電池所有的電極位于電池一側，高溫焊接后應力集中，易產生彎曲；而HIT電池表面的ITO膜自身不耐受200 ℃以上的高溫，因此，二者均不適用常規焊接工藝。導電膠帶(Conductive Film)具有工藝溫度較低和樹脂粘結應力小的特點，是解決上述問題的途徑之一。本文全面地介紹了導電膠帶的原理和材料特性，并對此進行了實驗驗證。

1 導電膠帶的結構及工作原理

導電膠帶主要由基體和導電粒子(conductive particle)構成，基體一般為環氧樹脂材質；導電粒子為金屬球，直徑在5～20 μm之間，有銅、鎳、銀多種材質。

導電膠帶的工作原理為：在溫度和壓力下，基體樹脂固化起粘結作用，導電粒子發生形變與導體接觸，完成電路的連接。對應在組件生產上，其用于焊帶與電池間的電學連接，工藝流程如圖1和圖2所示。

圖1 電池與導電膠帶熱壓焊接工藝圖

圖2 焊接后導電膠帶截面的微觀圖

2 工藝參數影響與檢測方法

不同于傳統焊接中錫合金層同時完成電學和力學連接，導電膠帶熱壓工藝的力學性能和電學性能分別由其組分中的基體樹脂和導電粒子決定。由于導電粒子需受壓變形方可達到理想導電狀態，壓力來源為樹脂基體固化后提供的粘結力，因此，樹脂基體固化后的性能是本文的實驗重點。

本文主要從以下3個方面對導電膠帶進行性能測試和評估。

1)環氧樹脂的反應率：即樹脂發生固化交聯反應的程度，也就是樹脂基體中已發生交聯反應的官能團數目占可固化的官能團總數的百分比。通過FT-IR設備對樹脂紅外圖譜中典型官能團對應位置的吸收峰高度變化值進行測量。

2)拉力：使用萬能拉力機進行測試，剝離角度為 180°。

3)連接電阻：采用導電膠帶和焊接工藝分別將焊帶連接在電池正面主柵上，使用毫歐表測試兩焊帶間的電阻，連接電阻可近似表征為熱壓工藝的電阻值減去焊接工藝的電阻值。

3 實驗

導電膠帶固化工藝涉及3個參數：溫度、壓力和時間，圖3為供應商提供的反應率變化參考圖。考慮到導電膠帶批量化生產時的節拍較快，實驗中統一選用10 s的熱壓時間，著重測試溫度和壓力對導電膠帶性能的影響。在10 s的熱壓時間下，大部分溫度都可得到較好的固化率，并且容易實現量產。

圖3 供應商提供的反應率與熱壓溫度和熱壓時間的對應圖

3.1 溫度對導電膠帶性能的影響

實驗材料：M2型太陽電池、焊帶(1.5 mm×0.25 mm)、導電膠帶(寬1.2 mm，導電粒子粒徑 20 μm)。

實驗條件：熱壓壓力為2 MPa，熱壓時間為10 s，熱壓溫度為150～200 ℃。

本實驗中，反應率、拉力、連接電阻與熱壓溫度的關系如圖4、圖5所示。

圖4 反應率、拉力與熱壓溫度的關系

圖5 連接電阻與熱壓溫度的關系

由圖4、圖5可知：

1)在熱壓時間一定的情況下，反應率與熱壓溫度及拉力都為正相關，其趨勢符合一般環氧樹脂的性質，本文不再詳述。

2)連接電阻隨熱壓溫度升高呈下降趨勢，在180～190 ℃之間達到最小連接電阻，這是因為熱壓溫度直接影響樹脂基體熔化后的流動性，低溫下需要更長的熱壓時間使導體兩接觸面間距足夠小，以便導電粒子進行電學連接。

3)熱壓溫度繼續升高后連接電阻反而有小幅度地上升，推測原因有2點：①樹脂在短時間內達到高反應率，過早固化，導致其在壓力消失后發生回彈，但金屬導電粒子形變后基本不回彈，導致導電粒子與導體的有效接觸面積減小；②溫度過高導致兩個導體接觸面氧化。

3.2 壓力對導電膠帶性能的影響

實驗材料：M2型太陽電池、焊帶(1.5 mm×0.25 mm)、導電膠帶(寬1.2 mm，導電粒子粒徑20 μm)。

實驗條件：熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間為10 s，熱壓壓力為0.5～2.5 MPa。

本實驗中，反應率、拉力、連接電阻與熱壓壓力的關系如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知：

1)反應率和拉力不受熱壓壓力的影響，拉力與反應率依舊具有同一趨勢。

2)連接電阻隨熱壓壓力增加而減小，這是因為熱壓壓力增大可使導電粒子產生更大的形變，增加了接觸面積。

圖6 反應率和拉力與熱壓壓力的關系圖

圖7 連接電阻與熱壓壓力的關系圖

3.3 焊帶截面對導電膠帶電學性能的影響

由于導電膠帶的導電原理是導電粒子進行物理連接，這就需要導電體兩端的接觸面相對平整。而常規的焊帶生產工藝決定了焊帶橫截面不是水平，而是呈中心凸起狀，因此在柵線間與焊帶間存在縫隙，而這個縫隙決定了導電粒子電學連接區域的有效寬度。

下文將用實驗驗證焊帶截面對導電膠帶電學性能的影響。選用銅基材、尺寸相同、鍍錫工藝不同的3種焊帶搭配導電粒子粒徑不同的3種導電膠帶，用相同的參數進行熱壓后測量連接電阻。

實驗材料：M2型太陽電池，純平焊帶、薄錫層焊帶、常規焊帶，導電膠帶(寬1.2 mm，導電粒子粒徑分別為 5、10、20 μm)。

實驗條件：熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間為10 s，熱壓壓力為2 MPa。

不同焊帶熱壓后的截面微觀圖如圖8所示，連接電阻與焊帶種類和導電粒子粒徑的關系如圖9所示。

圖8 不同焊帶熱壓后的截面微觀圖

由圖9可知：

1)大粒徑導電粒子的導電膠帶的連接電阻變化較小，因此其具有更好的焊帶兼容性。

2)純平焊帶可良好兼容各種粒徑的導電膠帶，但由于柵線自身存在高低差，低粒徑導電膠帶的連接電阻略高。常規焊帶由于自身橫截面邊緣與中心的高度差過大，嚴重影響連接電阻，因此無法采用。

圖9 連接電阻與焊帶種類和導電粒子粒徑的關系圖

由于純平焊帶無法用常規的浸鍍錫工藝實現，而多是采用電鍍工藝，需增加額外成本；且目前焊帶廠家已可將常規焊帶的單面錫層厚度降至5 μm。因此，根據實驗結果，推薦薄錫層焊帶搭配大粒徑導電粒子的導電膠帶使用，可達到較好的電學連接效果。此外，焊帶錫層成分應為純錫涂層，可起到防止銅基材氧化的作用，較高的熔點可確保其不會在熱壓過程中熔化。

3.4 環境實驗測試

本部分主要研究導電膠帶可靠性，并初步驗證導致導電膠帶失效的最大因素。

實驗材料：小組件(2串×2片)2塊，其中1塊組件的導電膠帶反應率為85%(簡稱“正常反應率組件”)，另1塊的反應率為60%(簡稱“低反應率組件”)。實驗條件和標準參照IEC 61215。濕熱和熱循環環境實驗結果如圖10、圖11所示。

圖10 導電膠帶工藝小組件濕熱環境實驗結果

由圖10可知，濕熱實驗1000 h后，正常反應率組件衰減很小，而低反應率組件衰減了近10%；繼續增加測試時間至2000 h后，正常反應率組件衰減僅為3%，低反應率組件衰減高達50%。由圖11可知，熱循環實驗200次循環后，2塊組件功率并無太大差距；300次循環后，2塊組件功率衰減均小于5%。

圖11 導電膠帶工藝小組件熱循環環境實驗結果

兩個實驗說明，水汽是導致導電膠帶失效的主要因素。經查閱文獻[1]可知其機理為：導電膠帶吸水膨脹后變形彎曲，所粘接的兩個導電平面縫隙變大，進而導致導電性能變差。

4 結論

本文研究了熱壓溫度和熱壓壓力對導電膠帶性能的影響，并得出以下結論：

1)熱壓溫度和熱壓壓力會共同影響導電性能，熱壓溫度會影響反應率，反應率與拉力呈正相關性。

2)焊帶截面形狀對連接電阻影響很大，薄錫層焊帶與大粒徑導電粒子的導電膠帶的搭配可達到較好的電學連接效果。

3)導電膠帶失效的最大影響因素是水汽，對應在導電膠帶工藝上需要保證其反應率。