淺析光伏組件接線盒灌封膠氣泡成因及解決思路

摘 要：通過對存在固化氣泡的不良光伏組件接線盒進行整體的剖切研究，梳理出3種類型的氣泡及其產生機理。通過調整灌封膠的物理特性，設計對照實驗，找到徹底解決灌封膠氣泡的方法。實驗結果表明：通過延長攪拌時間、提高攪拌速度、填料加熱處理3種物理方式，可有效降低灌封膠粘度，提高流平性能；可有效降低小體積接線盒灌膠后產生氣泡的概率。在提升灌封膠流平性方面，提高攪拌速度可提升5.4%，延長攪拌時間可提高10.1%，預加熱疊加提高攪拌速度和延長攪拌時間可提高15.5%。

關鍵詞：光伏組件；小型化接線盒；灌封膠；硅膠氣泡；流動性

中圖分類號：TB302.1/TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著光伏組件的大規模商業化使用，其在應用端的問題越來越被大家關注。統計發現，在組成光伏組件的8大主材中，接線盒單項的客訴率已超過30%，其質量問題大部分是由密封不良導致的[1]。

硅膠是光伏組件封裝材料中不可缺少的組成部分之一，其通過有效的密封性延長光伏組件的戶外使用壽命，降低光伏組件以外的系統（BOS）成本。接線盒的灌封膠是由基礎聚合物、填料、交聯劑、催化劑、偶聯劑及固化促進劑等經過加工而成，是由A、B兩組分膠組成的雙組分成型硅膠，即雙組分灌封膠。隨著光伏組件新產品、新設計的廣泛應用，逐漸出現某些雙組分灌封膠無法兼容部分高精度3分體光伏組件接線盒的狀況，究其原因為灌封膠的流動性無法滿足更高設計要求的接線盒。新一代光伏組件接線盒的設計結構更為精密緊湊[2]，縫隙更狹窄，對灌封膠的流動性能要求也更加嚴苛。如果灌封膠不能對光伏組件接線盒起到絕對的密封保護作用，會導致光伏組件在戶外工作時受到環境中水汽及其他物質的滲入侵蝕，致使光伏組件的整體使用壽命縮短、提前損壞，最終影響項目的收益。

本文主要是對光伏組件封裝材料中的雙組分灌封膠在應用過程中存在的氣泡、縫隙和空洞等問題進行研究，結合理論分析和實驗驗證，從而獲得合適的灌封膠粘度、流動性和填充能力，提升光伏組件的密封可靠性。

1" 接線盒結構差異分析

1.1" 光伏組件中接線盒與灌封膠的作用

光伏組件主要由玻璃、膠膜、太陽電池、焊帶、背板/背玻、硅膠、接線盒、鋁邊框等主、輔材料封裝組成，其中，太陽電池和焊帶分別為主要的發電和電流收集部件，其余材料均是為了保護光伏組件經受戶外長期可靠性考驗而存在的，主要功能體現在密封性能和鋼韌性能上。接線盒的主要作用是收集太陽電池產生的電力并連接傳導給外部電路，與灌封膠配合使用，能有效密封保護電路并傳遞熱量[3]，延長光伏組件使用壽命，達成理想的BOS成本。

1.2" 常規一體式和分體式接線盒結構設計

常規一體式接線盒包含：注塑外殼、一體銅件、底座、二極管等零部件，零部件在接線盒體內的排布寬松，空間覆蓋率低。常見的分體式接線盒多為3分體結構（下文簡稱為“3分體接線盒”），主要包含注塑外殼、底座、一體銅件、二極管、預留錫和壓線板等部件。二者結構對比圖如圖1所示。

1.3" 接線盒結構差異化分析

3分體接線盒設計之初，除了為滿足半片光伏組件的版型設計需求外，同時也擔負著降低材料物料清單（BOM）成本的功能。通過圖1可以發現，相比于常規一體式接線盒50 mL的內部空間容量，3分體接線盒的單體內部空間容量僅約為8 mL，總內部空間容量不超過25 mL，極限的空間設計決定了其內部結構更為緊密，零部件在盒體內更復雜的排布造成零部件間的縫隙結構（間隔和數量）復雜度遠高于一體式接線盒。計算底座與外殼間隙、銅件（或一體銅件）與外殼縫隙、二極管與銅件（或一體銅件）及外殼的縫隙數量和部件在空白區域的排列密度，某品牌的一體式接線盒與3分體接線盒部件排列密度及縫隙（間隔≤2 mm）數量如表1所示。

2" 雙組分灌封膠固化氣泡機理分析及解決思路

2.1" 固化氣泡產生機理

光伏組件雙組分灌封膠分為兩種類型：加成型和縮合型。其中，光伏行業多采用縮合型灌封膠，可操作時間約為8～30 min，若灌封膠在接線盒中完全填充的時間在8～30 min之內，則不會出現氣泡、空洞等問題。反之，若灌封膠在接線盒中的填充時間超過可操作時間，灌封膠則處于流動填充同時固化的狀態。若接線盒結構較為簡單，內部部件排布疏松，填充過程會非常順利，但對于結構復雜且排列緊密的接線盒，使用再多灌封膠填充，也無法在第一時間占據空隙，經常出現即使多余灌封膠溢出接線盒仍不能有效填充的狀況。灌膠過程會把接線盒中的氣體緩慢擠出，但可能發生氣泡未完全排出，而灌封膠已逐漸固化的情況，盒體內未能有效排出的空氣則形成了封閉式的氣泡、空洞及與接線盒連通的中空通道，導致光伏組件接線盒未能達到有效的密封效果。通過剖切分析發現，接線盒內會產生的氣泡可以分為3種類型：附著氣泡、懸浮氣泡和表層氣泡，其分布示意圖如圖2所示，存在氣泡的接線盒為不良盒體。

2.2" 灌封膠氣泡解決思路

由于接線盒內部部件均在發電過程中發揮重要作用，縮減或去除這些部件將會帶來接線盒功能性失效的風險。改變接線盒零部件結構或布局的成本及風險都很大，所以解決氣泡的思路可以集中在調整灌封膠流動性上，而決定流動性的根本又在于灌封膠的粘度值。

雙組分灌封膠中，A組分膠是將聚合物和填料攪拌混合，然后通過螺桿脫氣灌裝得到的；B組分膠的制備過程較A組分膠稍顯復雜，首先將聚合物和填料預混、脫水、冷卻，然后加入助劑混合制膠，最后灌裝即可得到成品。兩種組分膠在常溫狀態下處于液體流動狀態，按照一定比例充分混合后開始發生固化反應，實際封裝工藝中通常在專用固化間利用高溫高濕的環境加速其固化。固化是物質的分子濃度從低向高轉化的過程，在未固化時，灌封膠呈現液態，隨著固化的進行其粘度逐漸變大直至轉變為固態[4]。在灌封過程中，灌封膠將逐漸填充接線盒零部件的縫隙，若縫隙數量較多，縫隙間距較小，則極易在填充過程中產生氣泡，若此時灌封膠粘度值較高，氣泡無法順利排出，則會被固化在灌封膠中，最終引發光伏組件可靠性降低的風險。故從灌封膠層面解決該問題的關鍵就是降低混合膠的粘度，提高其流平性。

降低接線盒灌封膠粘度值的方法主要有化學調整法和物理調整法兩種：

1）化學調整法：通過調整灌封膠本身的成分或產品配方，改變其流動性，實現快速填充杜絕氣泡的效果。但由于存在研發周期較長、失敗風險高、耗資巨大的弊端，因此一般不采用此種方法。

2）物理調整法：通過重新設計生產填料過程工藝，使灌封膠中的填料分散度更高，降低其整體粘度，提高流動性，從而實現對接線盒更好的填充密封效果。該方法比化學調整法更靈活，可靠性高，實現過程便捷可靠，被大多數廠家采用。

這兩種方法的最終目標都是提高灌封膠的流動性，以達到更好的填充效果，使光伏組件接線盒完全密封不留縫隙，保持其長期的高可靠性。本文采用物理調整法調節灌封膠流動性能。

采用物理手段調節灌封膠流動性能，主要通過優化雙組分灌封膠中A組分膠的粘度來提升流動性。顧名思義，物理手段調節是以不發生化學式變化的物理方式進行調整優化，通過適當提高A組分膠生產工藝的攪拌速度、延長攪拌時間及在A組分膠填料工序增加熱處理來降低其粘度，實現提高流動性的目標。具體做法為：

1）提高攪拌速度：在填料分散工序中，將分散攪拌速度由500 rpm提高到550 rpm甚至更高。通過適當提高A組分膠生產攪拌速度，在原定時間內使粉料混合更均勻，從而降低粘度，提高流動性。

2）延長攪拌時間：在填料分散工序中，將分散攪拌時間由15 min延長至55 min甚至更長。通過該方法也可以達到粉料混合均勻性更佳的效果，最終達成流動性提高的目的。

3）填料工序增加熱處理工藝：在填料分散工序中，先將部分基膠與填料混合，由于液體與粉料的比例值下降，釜內漿料稠度相對較高，此時輔助采用提高攪拌速度和延長攪拌時間的方法，在高速攪拌作用下，釜內相對較稠的漿料的溫度可以升至40～60 ℃，然后再加入剩余部分基膠攪拌均勻。

3" 實驗設計及數據分析

3.1" 準備實驗

準備實驗使用的儀器和物品：秒表、玻璃棒、64#轉子、粘度計、天平、玻璃板、鋼尺及容量為310 mL自重為10 g的塑料環等儀器。選用北京天山新材料技術股份有限公司生產的1521型雙組分灌封膠及正泰新能科技股份有限公司生產的第3代3分體接線盒作為實驗樣品。

3.2" 流平性測試方法

灌封膠的流動性通過流平性測試測得，流平性越高流動性越強。

將玻璃板放在天平上，塑料環平整的一面向下放在玻璃板正中心，在容量為該狀態下將天平歸零。在240 mL的一次性塑料杯中裝入標準比例的A組分灌封膠和B組分灌封膠。

啟動秒表計時，將樣品用攪拌棒以2圈/s的速度快速攪拌1 min，使A、B組分灌封膠混合均勻。將混合好的灌封膠倒入塑料環，等待液體流平，直至天平顯示62 g左右，垂直提起塑料環后，天平顯示50.0±0.5 g，由于部分灌封膠黏附在塑料環上被一并帶走，故玻璃板上的灌封膠凈重為60 g，整個過程要求操作迅速。等待灌封膠自然緩慢流平，秒表顯示3 min時，用鋼尺測量兩個互相垂直方向的直徑（不少于3個位置），所得平均值即為60 g膠的流平直徑及流動性。測試過程照片如圖3所示。

3.3" 粘度測試方法

安裝64#轉子并調整轉速為60 rpm。在容量為240 mL的一次性塑料杯中裝入120 g的A組

分膠，20 g的B組分膠。啟動秒表計后，用玻璃棒以2圈/s的速度攪拌1 min，使A、B組分膠混合均勻，然后迅速將轉子浸入液體內部，啟動粘度計，讀取粘度值。

3.4" 實驗數據分析

取8000 g A組分膠原始產品，均分為4份。第1份不做任何調整，命名為“基礎A組膠”；第2份采用提高攪拌速度的方法進行預處理，形成的A組膠命名為“改善A組膠1”；第3份采用延長攪拌時間的方法進行預處理，形成的A組膠命名為“改善A組膠2”；第4份采用填料工序加熱，并結合改善A組膠1和2的方法進行綜合預處理，形成的A組膠命名為“改善A組膠3”。

待所有A組膠完成物理調整預處理之后，利用混膠裝置將其分別與4份質量均為333 g的B組分膠均勻混合分別形成基礎品、改善品1、改善品2、改善品3。從4組樣品分別取樣進行流動性和粘度測試，再將剩余樣品分別灌封進4組3分體接線盒中，每組接線盒各200個，然后將3分體接線盒放置固化間固化4 h后觀察灌注膠表層氣泡情況并記錄。以基礎品為對照組，得到的粘度變化率與流平變化率及表層氣泡改善率的關系如圖4所示。圖中：正負表示相對對照組增大或減小。

由圖4可知，樣品粘度變化率與流平變化率呈強相關，且二者為反相關，即粘度越低，流平性越高。但粘度變化率與表層氣泡改善率的關系并不明確，甚至出現粘度降低但表層氣泡增加的情況，需進一步分析數據并安排其他檢驗方法進行查看。4種雙組分灌封膠性能及其表層氣泡統計表如表2所示。

對比表2中的基礎樣品和改善品1可知：提高攪拌速度的方法可降低雙組分灌封膠23.3%的粘度，提高其5.4%的流平性，降低其38.5%的不良盒體比例，證明該方法有效。但對于采用高密度布局的3分體接線盒，不能達成100%解決問題的目標。

對比表2中的基礎樣品和改善品2可知：延長攪拌時間方法可以降低雙組分灌封膠33.3%的粘度，提高10.1%的流平性，但不良盒體比例反而增加了23.1%，針對該現象，可結合圖2中的3種不同種類氣泡分布圖分析，氣泡浮現過程也是隨著灌封膠粘度降低從附著氣泡逐步脫離附著物變為懸空氣泡，隨著粘度繼續降低，懸空氣泡徹底析出變為表層可見氣泡。在這個過程中，當粘度降低達到某一水平時，會出現表2中改善品2的結果，即粘度降低后，內部不可見的氣泡逐步浮現在灌封膠表面，變為表層可見氣泡，給實驗者造成該方法無效的錯覺。

對比表2中的基礎樣品和改善品3可知：采用加熱工藝配合延長攪拌時間和提高攪拌速度3種方法共同作用下，粘度可降低43.4%，流平性能提高15.5%，表層氣泡問題得到徹底解決。證明采用該物理調整法，可徹底解決正泰新能科技股份有限公司生產的3代3分體接線盒及同類型設計的接線盒產生的氣泡問題。

特別需要注意的是，采用不同設計方案和布局的接線盒，對灌封膠的粘度和流平性能要求程度不同，在實際使用過程中，不能單純根據某個粘度和流平性下氣泡表現而確定該方法對解決問題的徹底、穩定及有效性，需要多次重復測試，甚至繼續降低粘度提高流平性來驗證氣泡問題被徹底解決。各廠家應根據各自接線盒設計特性選擇合適的灌封膠優化方案進行匹配。

4" 結論

本文通過對光伏接線盒內部結構的差異和氣泡產生的原理進行分析，提出了一種高效可靠的物理調整方法來解決接線盒灌封膠氣泡問題，通過理論分析和實驗驗證得到以下結論：

1） 通過物理方法降低灌封膠粘度，提高流平性能可有效緩解小體積接線盒灌膠后產生氣泡的概率。

2） 提高攪拌速度、延長攪拌時間和填料預加熱疊加方案對灌封膠粘度值的改變程度各不相同。在提升流平性方面，提高攪拌速度可提升5.4%的流平性，延長攪拌時間可提高10.1%的流平性，預加熱疊加提高攪拌速度和延長攪拌時間可提高15.5%的流平性。

3）在實際使用過程中，不同的接線盒對灌封膠的粘度和流平性能要求程度不同，不能單純根據某個粘度和流平性下氣泡表現而確定該方法對解決問題徹底、穩定及有效性，需要多次重復測試。

本研究結果提供了一種有效解決光伏接線盒灌封膠氣泡問題的解決思路，對未來接線盒小型化和高精度化設計下的灌封膠匹配方案的制定提供了一定的參考價值。

[參考文獻]

[1] 張棟兵，孟慶法.戶外光伏組件接線盒鼓包失效分析[J].太陽能，2023（4）：84-88.

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[3] 王穎亭，竺江峰，胡曉飛，等.關于光伏接線盒散熱性影響因素的研究[J].大學物理實驗，2019，32（1）：76-79.

[4] 王依蔓，鄭懷，羅小兵. 大功率LED用熒光粉灌封膠固化過程中的顆粒沉淀現象模擬[J]. 中國科技論文，2014，9（8）：916-919.

ANALYSIS OF CAUSES AND SOLUTIONS OF POTTING GLUES BUBBLES IN PV MODULE JUNCTION BOXES

Cao Jingle

（Chint New Energy Technology Co.，Ltd.，Haining 314415，China）

Abstract：This paper conducts a comprehensive cross-sectional study on poor PV module junction boxes with solidified bubbles，and identifies three types of bubbles and their generation mechanisms. By adjusting the physical properties of the potting compound and designing control experiments，a method to completely solve the potting bubbles was found. The experimental results show that the viscosity of the potting adhesive can be effectively reduced，the leveling performance can be improved，and the frequency of bubbles after filling the miniaturized junction box can be effectively reduced by prolonging the stirring time，increasing the stirring speed and heating treatment of the filler. In terms of improving the leveling of potting compound，increasing the mixing speed can increase the leveling by 5.4%，extending the mixing time can increase by 10.1%，and preheating superposition can increase the mixing speed and extending the mixing time by 15.5%.

Keywords：PV modules；miniaturized junction box；potting glue；silicon bubbles；liquidity