背接觸光伏組件用有機(jī)硅絕緣膠的研究與應(yīng)用

摘 要：以不同粘度、不同比例的乙烯基苯基硅樹脂與苯基含氫硅樹脂作為基體，通過調(diào)整配方成分得到4種有機(jī)硅絕緣膠的配方，并對(duì)不同配方下制得的有機(jī)硅絕緣膠進(jìn)行了太陽(yáng)電池翹曲高度、鉛筆硬度、劃格法附著力等物理性能測(cè)試，以及濕熱試驗(yàn)（DH1000）、熱循環(huán)試驗(yàn)（TC200）、濕凍試驗(yàn)（HF10）等老化試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：以10 phr的5000 cs乙烯基苯基硅樹脂、30 phr的10000 cs乙烯基苯基硅樹脂及60 phr的16000 cs苯基含氫硅樹脂為基體時(shí)制得的有機(jī)硅絕緣膠具備高鉛筆硬度（9H）、高附著力（劃格法附著力等級(jí)為0級(jí)）、高體積電阻率（1016 Ω·cm級(jí)）和耐老化性能，與環(huán)氧樹脂絕緣膠的物理性能相當(dāng)；且其老化測(cè)試后的劃格法附著力等級(jí)變化不大；其具備比環(huán)氧樹脂絕緣膠更高的分解溫度，太陽(yáng)電池翹曲高度更低，有助于提高光伏組件制程過程中的良率。

關(guān)鍵詞：背接觸光伏組件；絕緣膠；有機(jī)硅；鉛筆硬度；耐老化性能

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

背接觸太陽(yáng)電池是一種新型的太陽(yáng)電池技術(shù)[1-2]，該類太陽(yáng)電池的正、負(fù)電極均分布在太陽(yáng)電池的背面，正面無(wú)遮擋，可以極大提升其光電轉(zhuǎn)換效率。在背接觸太陽(yáng)電池互聯(lián)成光伏組件的過程中，焊帶焊接在焊盤（PAD）點(diǎn)上，而正負(fù)極細(xì)柵線位于焊帶之下，為了避免出現(xiàn)正負(fù)極短路的情況，需要在焊帶和正負(fù)極細(xì)柵線之間涂覆一層絕緣膠。

目前，背接觸光伏組件常采用環(huán)氧樹脂類絕緣膠，此類絕緣膠由電路板制造行業(yè)的阻焊油墨演變而來(lái)，導(dǎo)致其適用性受限。環(huán)氧樹脂[3-4]的耐高溫性差，在焊接過程中很容易軟化變形，導(dǎo)致出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，從而造成太陽(yáng)電池短路；此外，環(huán)氧樹脂的收縮率大[5]，導(dǎo)致印刷后的太陽(yáng)電池的翹曲高度大，影響光伏組件在制備過程中的良率。而加成型有機(jī)硅具有優(yōu)異的耐高溫性和低收縮率，但由于其硬度低，導(dǎo)致制成的絕緣膠的耐焊帶刺穿能力差，限制了其在背接觸光伏組件中的應(yīng)用；而在常規(guī)的乙烯基甲基硅氧烷側(cè)鏈中引入苯基可大幅提高有機(jī)硅的硬度，從肖氏硬度A提升至肖氏硬度D[6]，使由其制成的絕緣膠具備耐焊帶刺穿的能力，且具有更優(yōu)異的抗紫外線輻射[7-8]。

本文以不同粘度、不同比例的乙烯基苯基硅樹脂與苯基含氫硅樹脂作為基體，通過調(diào)整配方成分得到4種有機(jī)硅絕緣膠的配方，并對(duì)不同配方下制得的有機(jī)硅絕緣膠進(jìn)行翹曲高度、鉛筆硬度、劃格法附著力等物理性能測(cè)試，以及濕熱試驗(yàn)（DH1000）、熱循環(huán)試驗(yàn)（TC200）、濕凍試驗(yàn)（HF10）等老化試驗(yàn)測(cè)試。

1" 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1" 原料

有機(jī)硅絕緣膠的原料如表1所示。

1.2" 有機(jī)硅絕緣膠的制備

通過調(diào)整背接觸光伏組件用有機(jī)硅絕緣膠原料的質(zhì)量份得到4種配方的有機(jī)硅絕緣膠，分別為配方1～配方4，具體如表2所示。

1.3" 測(cè)試項(xiàng)目、儀器及方法

本文所涉及的測(cè)試項(xiàng)目及其采用的儀器和方法如表3所示。

2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" 有機(jī)硅絕緣膠的流變特性

在背接觸太陽(yáng)電池印刷過程中，所采用的有機(jī)硅絕緣膠需具備合適的粘度，以保證其在印刷過程中不會(huì)從網(wǎng)板滴漏且印刷后不會(huì)出現(xiàn)圖形拓寬現(xiàn)象，從而保證設(shè)計(jì)圖形的尺寸。測(cè)試4種配方分別在0.5和5.0 rpm轉(zhuǎn)速下制得的有機(jī)硅絕緣膠的流變特性，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：兩種轉(zhuǎn)速下，隨著配方1～配方4中高粘度的苯基含氫硅樹脂用量的增加，有機(jī)硅絕緣膠的粘度也隨之增加。但相對(duì)于5.0 rpm轉(zhuǎn)速，采用0.5 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)制得的有機(jī)硅絕緣膠的粘度較高。此外，由于配方1制得的有機(jī)硅絕緣膠的粘度較低，其在絲網(wǎng)印刷過程中出現(xiàn)了圖形拓寬現(xiàn)象，而配方2～配方4制得的有機(jī)硅絕緣膠的粘度相較于配方1制得的有機(jī)硅絕緣膠的粘度得到了提升，因此圖形拓寬現(xiàn)象得到了改善。由此可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0.5 rpm時(shí)，有機(jī)硅絕緣膠的粘度下限范圍在16320～22650 mPa·s之間，低于此粘度范圍后，印刷制得的圖形將出現(xiàn)拓寬現(xiàn)象，而印刷圖形拓寬將降低有機(jī)硅絕緣膠高度。

利用3D顯微鏡對(duì)配方1和配方2制得的有機(jī)硅絕緣膠高度進(jìn)行掃描，掃描圖如圖2所示。

對(duì)不同配方制得的有機(jī)硅絕緣膠的印刷濕重、固化后高度及是否出現(xiàn)圖形拓寬現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

結(jié)合圖2與表4可知：在印刷濕重相差較小的情況下，由于配方1制得的有機(jī)硅絕緣膠出現(xiàn)圖形拓寬現(xiàn)象，其固化后高度僅有39 μm，低于標(biāo)準(zhǔn)值（40 μm），導(dǎo)致光伏組件存在短路風(fēng)險(xiǎn)。采用配方2～配方4制得的有機(jī)硅絕緣膠固化后高度大于40 μm，滿足要求。

2.2" 有機(jī)硅絕緣膠的性能

將采用4種配方制得的有機(jī)硅絕緣膠在150 ℃溫度下放置1 h固化后測(cè)試其性能，并與光伏行業(yè)常采用的常規(guī)環(huán)氧樹脂絕緣膠的性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出：

1） 相較于環(huán)氧樹脂絕緣膠，配方1～ 配方3制得的有機(jī)硅絕緣膠的鉛筆硬度有所降低。雖然配方1～ 配方3中苯基含氫硅樹脂/乙烯基苯基硅樹脂比例增加，有機(jī)硅絕緣膠的交聯(lián)密度也隨之增加，鉛筆硬度得到提升，但仍低于環(huán)氧樹脂絕緣膠的鉛筆硬度。

2） 配方1～ 配方2制得的有機(jī)硅絕緣膠的耐焊帶刺穿能力較差。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：將配方1～配方2制得的有機(jī)硅絕緣膠用于背接觸光伏組件制備，采用這兩種配方的光伏組件在層壓后出現(xiàn)了短路現(xiàn)象。通過拆解光伏組件發(fā)現(xiàn)，焊帶刺穿了有機(jī)硅絕緣膠，使正負(fù)極出現(xiàn)了連接，從而造成了短路。采用配方3與配方4分別制備20塊光伏組件，均未出現(xiàn)層壓后的短路現(xiàn)象。由此可知，有機(jī)硅絕緣膠的鉛筆硬度大于等于7H時(shí)具備層壓過程中耐焊帶刺穿的能力。

3） 環(huán)氧樹脂絕緣膠與有機(jī)硅絕緣膠的劃格法附著力測(cè)試結(jié)果均能達(dá)到最高等級(jí)（0級(jí)）。

4） 有機(jī)硅絕緣膠的體積電阻率優(yōu)于環(huán)氧樹脂絕緣膠的體積電阻率。

5） 印刷后，采用有機(jī)硅絕緣膠的背接觸太陽(yáng)電池的翹曲高度明顯低于采用環(huán)氧樹脂絕緣膠的背接觸太陽(yáng)電池的翹曲高度，翹曲高度得到了極大改善，如圖3所示。這是因?yàn)榻^緣膠位于背接觸太陽(yáng)電池單側(cè)，絕緣膠在固化時(shí)會(huì)發(fā)生收縮，太陽(yáng)電池將往絕緣膠一側(cè)彎曲，而有機(jī)硅的收縮率遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹脂的收縮率。由于加成型有機(jī)硅在固化過程中無(wú)副產(chǎn)物產(chǎn)生，因此其收縮率一般不超過2‰；但環(huán)氧樹脂固化過程中環(huán)氧鍵打開，空間重排，分子體積變小，收縮率一般在1%～5%。另外，在背接觸光伏組件生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著背接觸太陽(yáng)電池翹曲高度的降低，因翹曲產(chǎn)生的焊帶未壓實(shí)而導(dǎo)致的虛焊問題得到了改善，串焊不良率從約15%下降至約3%，極大地提高了光伏組件的制程良率，降低了人工返修率。

綜上可知，由配方4制得的有機(jī)硅絕緣膠具備高鉛筆硬度（9H）、高附著力（劃格法附著力等級(jí)為0級(jí)）、高體積電阻率（1016 Ω·cm級(jí)）和耐焊帶刺穿能力。

2.3" 有機(jī)硅絕緣膠的可靠性

在背接觸太陽(yáng)電池串焊時(shí)，焊帶焊接過程中需要通過高溫使焊料熔化與PAD點(diǎn)上的金屬銀形成合金，所使用的溫度通常大于300 ℃，并且此過程中壓針處會(huì)有壓力作用在絕緣膠上。若絕緣膠的耐熱性差，在熱與壓力共同作用下易被壓薄，降低絕緣膠高度，從而導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)短路，因此，絕緣膠的耐熱性尤為重要。

在相同升溫速率和溫度范圍下，對(duì)環(huán)氧樹脂絕緣膠和4種配方制得的有機(jī)硅絕緣膠進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

對(duì)環(huán)氧樹脂絕緣膠和4種配方制得的有機(jī)硅絕緣膠在TGA下的熱分解溫度和600 ℃時(shí)的殘重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

結(jié)合圖4與表6可知：有機(jī)硅絕緣膠的熱分解溫度與600 ℃時(shí)的殘重都遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂絕緣膠的值，說(shuō)明其耐熱性有明顯提升。這是因?yàn)橛袡C(jī)硅的Si-O鍵鍵能高，賦予材料優(yōu)異的耐熱性。而配方1～配方4制得的有機(jī)硅絕緣膠的熱分解溫度逐漸升高，是因?yàn)殡S著苯基含氫硅樹脂的增加，導(dǎo)致材料的交聯(lián)密度也隨之升高。

測(cè)試環(huán)氧樹脂絕緣膠和配方4制得的有機(jī)硅絕緣膠在高溫與壓力下的變形情況，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：環(huán)氧樹脂絕緣膠被壓針擠壓后變形明顯；而有機(jī)硅絕緣膠未出現(xiàn)變形。由此可知，絕緣膠耐熱性的提升可改善其在焊接過程中高溫與壓力下的變形情況，從而避免光伏組件出現(xiàn)短路。

目前，光伏組件材料的可靠性測(cè)試主要是依據(jù)IEC 61215-2： 2012的要求，通過將絕緣膠直接暴露于環(huán)境箱中，統(tǒng)計(jì)其測(cè)試前后的劃格法附著力等級(jí)變化來(lái)驗(yàn)證絕緣膠的可靠性。

4種配方制得的有機(jī)硅絕緣膠分別在DH1000、TC200、HF10測(cè)試后的劃格法附著力等級(jí)變化如圖6所示。

由圖6可知：有機(jī)硅絕緣膠在TC200測(cè)試后劃格法附著力等級(jí)未出現(xiàn)下降；而在DH1000與HF10測(cè)試后劃格法附著力等級(jí)均出現(xiàn)下降，但等級(jí)僅上升1級(jí)，變化不大。配方3和配方4制得的有機(jī)硅絕緣膠在HF10測(cè)試后劃格法附著力并未下降，這是因?yàn)殡S著材料的交聯(lián)密度提高，絕緣膠的透水率有所下降，耐水粘接有所提高，因此未影響其劃格法附著力等級(jí)。綜上可知，有機(jī)硅絕緣膠具有良好的耐老化性能。

以發(fā)生劃格法附著力等級(jí)下降的配方1制得的有機(jī)硅絕緣膠為樣品，進(jìn)行DH1000與HF10測(cè)試前后的FT-IR光譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：配方1制得的有機(jī)硅絕緣膠在DH1000與HF10測(cè)試前后的FT-IR光譜圖的特征峰并未發(fā)生變化，這表明其化學(xué)結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變。由于DH1000與HF10測(cè)試都是有水環(huán)境，而有機(jī)硅透水率較高，部分水汽透過有機(jī)硅絕緣膠破壞了其與太陽(yáng)電池的粘接面，造成其劃格法附著力等級(jí)下降。

3" 結(jié)論

本文以不同粘度、不同比例的乙烯基苯基硅樹脂與苯基含氫硅樹脂作為基體，通過調(diào)整配方成分得到4種有機(jī)硅絕緣膠的配方，然后對(duì)不同配方下制得的有機(jī)硅絕緣膠進(jìn)行了太陽(yáng)電池翹曲高度、鉛筆硬度、劃格法附著力等物理性能測(cè)試，以及DH1000、TC200、HF10等老化試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：以10 phr的5000 cs乙烯基苯基硅樹脂、30 phr的10000 cs乙烯基苯基硅樹脂及60 phr的16000 cs苯基含氫硅樹脂為基體時(shí)制得的有機(jī)硅絕緣膠具備高鉛筆硬度（9H）、高附著力（劃格法附著力等級(jí)為0級(jí)）、高體積電阻率（1016 Ω·cm級(jí)）和耐老化性能，與環(huán)氧樹脂絕緣膠的物理性能相當(dāng)；且其老化測(cè)試后的劃格法附著力等級(jí)變化不大；其具備比環(huán)氧樹脂絕緣膠更高的分解溫度，太陽(yáng)電池翹曲高度更低，有助于提高光伏組件的制程良率。本文研究的有機(jī)硅絕緣膠不僅可滿足背接觸光伏組件用絕緣膠的基本要求，且相比于環(huán)氧樹脂絕膠更具有優(yōu)勢(shì)，具備應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鄭璐，何鳳琴. 背接觸太陽(yáng)電池絕緣漿料分析及工藝優(yōu)化[J]. 電源技術(shù)，2016，40（11）：2158-2159.

[2] 張偉康，陳群，王敏，等. 叉指背接觸硅太陽(yáng)電池[J]. 自然雜志，2016，38（5）：344-354.

[3] 熊雯雯. 高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣膠黏劑的制備與性能研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2020.

[4] 包穎，黃家騰，朱飛宇，等. 基于雙馬來(lái)酰亞胺樹脂的高耐熱電子封裝模塑料制備[J]. 熱固性樹脂，2023，38（4）：7-13，20.

[5] 劉中國(guó). 高性能電子封裝材料用環(huán)氧樹脂的合成與性能研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[6] 袁志杰. LED封裝硅橡膠及其黏結(jié)性能的研究[D]. 南昌：南昌大學(xué)，2014.

[7] 李元慶. LED封裝用透明環(huán)氧納米復(fù)合材料的制備及性能研究[D]. 北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（理化技術(shù)研究所），2007.

[8] 黃梓英，劉珠，洪鵬，等. 可光固化液態(tài)MTQ硅樹脂的制備[J]. 有機(jī)硅材料，2019，33（6）：427-434.

Research and Application of SiliconE Insulation Adhesive for Back Contact PV Modules

Huang Qiwei，Tan Xiaochun，Xia zhengyue，Meng xiajie，Jiang Hua，Ma Pan

（Tongwei Solar （Chengdu）Co.，Ltd，Chengdu 610200，China）

Abstract：This paper uses vinyl phenyl silicone resin and phenyl hydrogen containing silicone resin with different viscosities and ratios as the matrix. By adjusting the formulation components，four formulations of silicone insulation adhesive are obtained. The physical properties test of the silicone insulation adhesive produced from different formulations，such as solar cell warpage height，pencil hardness，scratch method adhesion，as well as aging tests such as damp heat test （DH1000），thermal cycle test （TC200），and wet freezing test （HF10），are tested. The test results show that the silicone insulation adhesive prepared with 5000 cs of 10 phr vinyl phenyl silicone resin，10000 cs of 30 phr vinyl phenyl silicone resin，and 16000 cs of 60 phr phenyl hydrogen containing silicone resin as the matrix has high pencil hardness （9H）， high adhesion （scratch method adhesion level is 0），high volume resistivity （1016 Ω·cm level），and aging resistance，which are equivalent to the physical properties of epoxy resin. And there is little change in the scratch method adhesion level after its aging test，it has a higher decomposition temperature and lower solar cell warpage height than epoxy resin insulation adhesive，which helps to improve the yield in the PV module manufacturing process.

Keywords：back contact PV modules；insulation adhesive；silicone；pencil hardness；aging resistance performance