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  1. 光伏組件密封膠應用介紹及標準概要

          近年來,世界性的資源緊缺以及因使用石化燃料而產生的日益嚴重的生態破壞、環境污染,迫使人類加大探索清潔能源和可再生能源的力度。發達國家紛紛關注光伏太陽能,相繼實施“陽光計劃”。世界太陽電池組件產業的高速增長,位于世界發電市場增長率的首位。
          隨著太陽電池組件的迅速發展,其技術的不斷革新,產品逐步向美觀、時尚化、高可靠性、高性能方向發展,使用膠粘劑的粘接技術實現電池片封裝、邊框粘接密封、接線盒與背板粘接、接線盒灌封、匯流條背板切口密封已經成為發展趨勢,也被越來越多的制造廠家所采用,應用膠粘劑所取得的技術經濟效益引起了太陽電池組件行業的極大重視和關注。
          硅橡膠密封劑使用方便,粘接強度高,密封性能好,粘接材料范圍廣,電絕緣性能好,優良的耐候性,廣泛用于太陽電池組件的粘接與密封。EVA系列膠粘劑具有優異的透光性能,普遍用于太陽電池片與玻璃和背板的封裝。
          一、太陽電池組件用膠粘劑應具備的性能
          1.粘接性能
    膠粘劑的主要功能是將被粘接材料連接在一起。太陽電池片通過EVA和背板及玻璃層壓后,需要用膠粘劑將其和鋁合金邊框粘接,粘接組件需要承受自重、風載、積雪、冰雹等機械載荷,因此膠粘劑應具備足夠的粘接強度,以滿足太陽電池組件承受機械載荷的要求。粘接組件內的應力傳遞與傳統的機械連接方式相比,應力分布更均勻,而且粘接的組件結構比機械連接(鉚接、焊接、用膠條過
          盈連接和螺栓連接等方式)強度高、成本低、質量輕。太陽電池片、玻璃、背板等薄壁易變形或易碎件通過粘接復合后可充分發揮各部件的全部強度。
          2.光學性能
          未經保護的太陽電池片置于自然環境當中會影響其穩定性、可靠性和使用壽命,必須加以封裝與外界環境隔絕才能保證其長期穩定發電,用于太陽電池片封裝的膠粘劑應當是具有高透光性能,此外封裝用膠粘劑的折射率也應和玻璃、太陽電池片相匹配,保證光的吸收效率。在太陽電池組件封裝工藝中普遍采用EVA材料,其光學性能能夠滿足當前的封裝工藝要求。
          3.密封性能
          密封實際上是防止產生破壞作用的液體和氣體的滲入。在太陽電池組件裝配工藝過程中對膠粘劑的密封性要求是極其嚴格的,膠粘劑本身必須具備無氣孔汽泡,而且固化后的膠粘劑在結構上應當是連續、均質且致密的,具有阻隔介質透過的性能。膠粘劑對材料的粘接界面性能對防止液體和氣體的滲透起到阻止作用,對密封可靠性也有直接影響。膠粘劑的密封性能是影響組件可靠性和穩定性的一個極其關鍵指標。
          4.對不同質材料的粘接性能
          太陽電池組件制造的主要材料如玻璃、鋁合金邊框、背板和接線盒,由于供貨廠商不同,因而其表面狀態和材質都有很大差別,各種品牌的膠粘劑的實際粘接效果也有很大的差異性,根據我們幾年來積累的實驗數據和經驗,任何一種材料的改變都要作充分的粘接試驗,以驗證結果的適用性和符合性。
          5.變形能力
          太陽電池組件在使用過程中,因風載、積雪、冰雹等外力載荷和溫度變化會使部件之間產生一定變形和相對位移,因此膠粘劑應當具有良好的吸收變形的能力,來調節被粘接物的受外力變形能力防止太陽電池組件在使用環境中造成損壞。如果太陽電池組件在交變溫度中使用,膠粘劑可在不同材料間進行微量伸縮或變形,通過微量伸縮或變形的過程可有效調節不同質材料間的熱膨脹差異,從而達到牢固粘接成一體之目的。
          6.耐老化性能
          太陽電池組件生產廠家及客戶對太陽電池組件壽命要求年限有很大差別,通常來講壽命要求達到25年。粘接部位在漫長的使用過程中,受到光、熱、水、氧(臭氧)以及鹽類和微生物的作用性能會逐漸下降,這一過程就是所謂的老化。太陽電池組件裝配用到的膠粘劑經過老化過程后其物理、機械、電氣和光學性能必須在一定的指標之上,才能保證太陽電池組件在承諾的壽命期限內穩定、可靠、安全地工作。
          7.相容性能
          太陽電池組件裝配用到的各種膠粘劑應具備良好的相容性,即膠粘劑在固化過程中或固化后與太陽電池組件上的所有材料都不能發生不良反應,如膠體變黃、EVA變黃、接線端子腐蝕等負面反應。
          8.電氣絕緣性能
          電氣絕緣性能是太陽電池組件內帶電元器件使用的膠粘劑的一個重要指標,特別是并入電網發電的太陽電池組件,膠粘劑的絕緣性能已成為關系到人身安全的一個重要問題,這一性能通常用體積電阻率和擊穿電壓來衡量。
          二、膠粘劑在太陽電池組件制造過程中的應用
          1.層壓件與邊框的粘接和密封

          邊框和層壓好的層壓件的裝配要求是緊密配合,并且連接牢固。邊框與層壓件之間要有很好的密封性,雖然是緊密配合但要求不損傷玻璃。用壓裝密封條裝配,其優點是裝配簡便快捷,但其粘接強度不高。依靠膠條的彈性變形填充密封間隙內微觀高低不平缺陷,因膠條變形能力有限,特別是微小缺陷不能完全填充,導致密封的可靠性不高。用膠粘劑裝配的優勢有如下幾點:液態膠粘劑充分填充密封間隙,表面的微觀高低不平缺陷可以得到很好的填充,固化后形成彈性膠層,密封能力顯著提高;層壓件與邊框通過膠粘劑實現連續而且是高強度連接,太陽電池組件承載能力和整體剛性大大提高,并且應力分布更均勻;固化后的膠層具有良好的彈性變形能力,以適應太陽電池組件使用中的熱變形和外力變形。電池組件使用中的熱變形和外力變形。


          圖1是采用上述兩種密封裝配工藝的微觀結構圖。

          圖1兩種不同裝配工藝的密封效果圖

          因太陽電池組件工作在戶外極其惡劣的自然環境中,其組裝用的很多材料(鋁合金邊框、超白玻璃、EVA、TPT、PVDF)是采用新技術或者專利保護材料,無論材料本身還是其表面處理工藝都有較高的技術含量。而不同廠商供應的材料之間也有很大的差異,我們對太陽電池組件用到的各類材料(凡是和膠粘劑接觸的或者會產生間接影響的)都做了大量的對比性試驗研究。在選擇材料供應商和制定裝配工藝時有如下幾個方面需要給予關注:

          (a)鋁合金邊框的表面處理工藝與膠

          粘劑的粘接性能
          鋁或鋁合金自身的抗氧化、耐腐蝕能力差,但是經過適當的表面處理后表現出極佳的抗氧化和耐腐蝕能力。組件裝配用的鋁合金邊框表面都是經過一定工藝處理過的,常用的處理工藝有陽極化處理、電泳涂裝、氟碳涂層等。1527太陽電池組件專用密封劑與陽極化處理的鋁合金表面、丙烯酸電泳涂層鋁合金表面都有很好的粘接性能和耐老化性能。表面處理工藝鋁合金與1527的粘接性能處理工藝陽極化處理電泳涂層破壞方式*未經老化C100C100老化后**C100C100 *C=cohesionfailure(內聚破壞),A=adhesionfailure(界面破壞)*85℃、85%RH老化1000h.
         (b)背板材料與膠粘劑的粘接
    TPT幾乎成了背板的代名詞,2007年整個太陽電池組件行業的產能劇增,背板材料的需求與供給矛盾突出,在買不到TPT的情況下,很多廠家試用PET、PVDF等新的背板材料。膠粘劑和背板類高分子材料粘接與否和背板材料的分子結構和表面能有很大關系。如果背板材料表面未經任何處理,其表面能很低,粘接強度很低,這些背板材料的表面只有經過適當的表面處理才可以粘接。這類高分子材料的表處理方法有電暈處理、等離子處理、火焰處理和底劑處理法。

          背板材料
          一代TPT二代TPT未處理PVDF等離子處理PVDF1779底劑處理PVDF, PET * 未經老化C100C100A100C100C100C100 ,老化后**C100C100A100C100C100C100 ,*C=cohesionfailure(內聚破壞),A=adhesionfailure(界面破壞)**85℃、85%RH老化1000h2.電池片與玻璃、背板的封裝電池片未經封裝不能長期穩定發電,作為電源用必須將若干單體電池片串、并聯連接并嚴密封裝成組件。玻璃、電池片、背板材料需要通過膠粘劑進行封裝,這層膠粘劑不僅要提供良好的電絕緣性能,還須具備以下特性:高的透光率;紫外穩定性(不黃變);有一定的彈性,使電池片在熱變形及外力沖擊下不致破裂。目前使用最為廣泛的封裝材料是EVA。EVA是一種熱熔膠粘劑,經過一定條件熱壓發生熔融粘接與交聯固化,并變成高透光材料。固化后的EVA能承受溫度變化且具有彈性,利用EVA將電池片和上層玻璃,下層背板,利用真空層壓技術粘合為一體。
          隨著光伏建筑一體化技術的發展,EVA材料的封裝工藝暴露出一定的局限性,特別是一些異型結構的雙玻璃太陽電池組件,采用常見的層壓工藝進行封裝難度較大。UV固化膠粘劑可以采用濕法灌膠工藝,無需加壓加溫,只需一定波長和光強的UV光照射數十秒鐘即可完全固化,達到封裝的要求,這項技術有望成為今后的發展方向。
           3.接線盒的粘接
          太陽電池組件封裝完成以后,需要通過膠粘劑把接線盒與背板粘接在一起。這就要求膠粘劑對各種背板及接線盒具有很好的粘接性能。為了確保接線盒在局部受力的情況下,即使長期老化后也不會從背板上脫落,要求膠粘劑具有較好的抗撕裂性能及耐老化性能。
          4.接線盒的灌封
          接線盒內元器件的絕緣性能要求很高,太陽電池組件在異常工作條件下會有大量電流通過旁路二極管并使其發熱,為提高接線盒的散熱性能及絕緣性能需要使用灌封膠,并達到防潮抗震的作用。灌封膠應具備以下特點:良好的流動性,能夠流到狹小的縫隙中;有一定的可操作時間和較快的凝膠時間;固化后應具有良好的絕緣性能;對匯流條沒有腐蝕;良好的耐老化性能。雙組分有機硅灌封膠具有良好的絕緣性能、導熱性和耐老化性能,無腐蝕性并具有良好的流動性,目前已被廣泛應用與接線盒的灌封。
          5.匯流條與背板切口處的密封
          未使用灌封膠灌封的接線盒,為了防止外界潮氣從匯流條背板切口處滲透到太陽電池組件內部,需要用膠粘劑來密封。膠粘劑應具有良好的絕緣性,同時對粘度有一定的要求,粘度低膠粘劑堆積厚度不夠,達不到密封的效果;粘度高不能很好的浸潤匯流條,影響密封性。
          三、IEC和UL標準對太陽電池組件用膠要求的解讀
    目前關于太陽電池組件認證的標準主要有IEC61215[1]、IEC61730[2,3]和UL1703[4],下面是這幾個標準對太陽電池組件用膠的要求。
    1.IEC61215對太陽電池組件用膠的要求

          根據10.3條規定,太陽電池組件中的載流部分與邊框或外部之間的絕緣電阻不應低于400M?(組件面積小于0.1m2)或40M?·m2(組件面積大于0.1m2),因此膠粘劑應具有良好的電絕緣性能。根據10.3、10.10條規定,太陽電池組件需要進行室外曝露試驗和紫外預處理試驗,在測試試驗以后要求外觀沒有明顯的變化,并且絕緣電阻同10.3的規定,因此膠粘劑應具有良好的耐紫外光老化性能,并保持良好的電絕緣性能。

          根據10.3、10.10條規定,太陽電池組件需要進行室外曝露試驗和紫外預處理試驗,在測試試驗以后要求外觀沒有明顯的變化,并且絕緣電阻同10.3的規定,因此膠粘劑應具有良好的耐紫外光老化性能,并保持良好的電絕緣性能。

          根據10.9和10.18條規定,太陽電池組件需要進行熱斑耐久試驗和旁路二極管熱性能試驗,在試驗過程中太陽電池組件會產生局部過熱的現象,因此膠粘劑應具有良好的耐高溫性能及良好的導熱性能。
          根據10.11和10.12條規定,太陽電池組件需要進行-40℃~85℃的冷熱循環試驗和-40 ℃~85℃、85%RH的濕凍循環試驗,因此膠粘劑應具有良好的彈性來有效調節不同質材料間的熱膨脹差異,并且具有良好的耐高低溫和濕凍老化性能來滿足組件的粘接性能和電絕緣性能。
    根據10.13條規定,太陽電池組件需要進行85℃、85%RH老化試驗,因此膠粘劑應具有良好的耐濕熱老化性能,并保持良好的電絕緣性能。
          根據10.15條規定,要求太陽電池組件浸入一定的水溶液中,其絕緣電阻不應低于400M?(組件面積小于0.1m2)或40M?·m2(組件面積大于0.1m2),因此膠粘劑應具有良好耐濕性及濕漏電性能。
          根據10.16、10.17條規定,太陽電池組件在85℃、85%RH老化試驗以后進行機械載荷和冰雹沖擊試驗,因此膠粘劑在濕熱老化以后仍然具有良好的粘接性能和變形能力。
          2.IEC61730-1對太陽電池組件用膠的要求
          根據5.2條規定,用作帶電部件外殼的膠粘劑應滿足以下的要求:5-V阻燃等級;浸水試驗(IEC60095-1-1)以后仍然保持5-V阻燃等級;如暴露在太陽下使用的,耐紫外老化試驗以后滿足ANSI/UL746-C中的規定(阻燃級別保持5-V,機械性能保持50%);灼熱絲點燃試驗大于30s。根據5.3條規定,用作帶電部件支撐的膠粘劑應滿足以下的要求:具有HB、V-2、V-1和V-0的阻燃級別,并至少達到表3相應的大電流起弧等級;系統電壓小于600V時,相比電痕化指數(CTI)至少達到250V;系統電壓在601~1500V之間,按照ASTMD2303中時間-弧閃測試法在        2.5KV下所測的斜板弧閃標定達到1h;如暴露在太陽光下使用,耐紫外老化試驗以后滿足ANSI/UL746-C中的規定(阻燃級別保持5-V,機械性能保持50%)。

          阻燃級別和大電流起弧等級對應表阻燃級別

          HB、V-2 、V-1 、V-0

          3.IEC61730-2對太陽電池組件用膠的要求
    根據10.6條規定,導電部分和邊框或暴露的外表面應具有良好的絕緣性能,這個測試不但要在未老化以前進行,還要在各項老化驗以后進行,因此膠粘劑在各項耐老化試驗以后HWI60303015 還應具有良好的電絕緣性能。

          根據10.7條規定,太陽電池組件需進行溫度測試試驗,在測試過程中,各部位的溫度需比材料的RTI值小20℃,并不能使材料發生蠕變、扭曲、松弛、碳化或相似的損害,因此膠粘劑應具有較好的耐溫性能。根據10.8條規定,太陽電池組件需進行火焰試驗,因此膠粘劑應具有一定的阻燃性。

          根據10.9條規定,當通過電池板的反向電流為太陽電池組件保險絲額定電流的135%時,接觸到電池板的粗棉布或是薄紙(棉紙)不應該發生燃燒或者碳化及電池板本身也不應該發生燃燒,因此膠粘劑應具有比較高的燃點和良好的耐溫性能。

          根據10.10條規定,太陽電池組件需要進行撞擊試驗,因此膠粘劑應具有較好的粘接性能和變形能力。
          4.UL1703對太陽電池組件用膠的要求
    根據7.1條的規定,對作為會受到火或電沖擊情況下的包封用的膠粘劑應滿足UL746C中關于阻燃性、紫外照射、浸水、灼熱絲點燃的規定的要求。
          根據7.1條的規定,對作為會受到火或電沖擊的支撐或絕緣用膠粘劑應滿足以下要求:具有HB、V-2、V-1和V-0的阻燃級別,并至少達到表3相應的大電流起弧等級;系統電壓小于600V時,相比電痕化指數(CTI)至少達到250V;系統電壓在601~1500V之間,按照ASTMD2303中時間-弧閃測試法在2.5KV下所據第19條的規定,太陽電池組件在溫度測試過程中,各部分的溫度需比材料的RTI值小20℃,并不能使材料發生蠕變、扭曲、松弛、碳化或相似的損害,因此膠粘劑應具有較好的耐溫性能。
          根據第21和26條規定,太陽電池組件需測試漏電電流和絕緣體耐壓試驗,絕緣材料之間的漏電流需小于50μA,這個測試還需要在噴淋試驗、冷熱循環、濕凍循環試驗以后進行,因此膠粘劑應具有良好的耐老化性能和電絕緣性能。
    根據第22條規定,導線或電纜應能在結構的任何方向承受89N力的作用達1分鐘,因此需要膠粘劑具有較好的粘接性能和抗撕裂性能。
          根據第23條規定,太陽電池組件在使用過程中、電池板任何端點在承受以下力(直徑12.7mm鋼棒施加的89N的力的作用,鋼棒末端的半徑為12.7mm;直徑1.6mm的鋼棒施加的17.8N的力的作用,鋼棒末端的半徑為1.6mm)的作用達1分鐘后,不能發生火災、電擊和傷害他人的危險,因此膠粘劑應具有較好的彈性變形能力。根據第27條規定,要求太陽電池組件浸入一定的水溶液中,其絕緣電阻不應低于400M?(組件面積小于0.1m2)或40M?·m2(組件面積大于0.1m2),因此膠粘劑應具有良好耐濕性及濕漏電性能。
          根據第28條規定,當通過電池板的反向電流為太陽電池組件保險絲額定電流的135%時,接觸到電池板的粗棉布或是薄紙(棉紙)不應該出現火焰或者碳化;電池板本身也不應該出現持續15秒鐘或者更長時間的火焰,因此膠粘劑應具有比較高的燃點和良好的耐溫性能。
    根據第31條規定,太陽電池組件需進行火焰試驗,因此膠粘劑應具有一定的阻燃性或較小的火焰蔓延速度。

          根據第33、35、36、37條規定,太陽電池組件需要進行噴淋試驗、冷熱循環試驗、濕凍循環試驗和大氣腐蝕試驗,因此膠粘劑應具有較好的耐水性能、耐老化性能和耐候性能。

          根據第41條規定,太陽電池組件需要進行機械載荷試驗,因此需要膠粘劑具有較好的粘接性能和變形能力。

          根據第42條規定,從背板上分離接線盒的拉力應不小于155.7N或接線盒重量的4倍,這個試驗還需要在冷熱循環試驗、濕凍循環試驗試驗以后,因此需要膠粘劑具有較好的粘接性能和良好的耐老化性能。

          四、小結
          綜上所述,膠粘劑在太陽電池組件的粘接和密封中起著極其重要的作用,已成為太陽電池組件制造過程中必不可少的“成員”之一。隨著太陽電池組件產業的迅速發展,對膠粘劑的性能提出諸多嚴格的要求,尤其是電絕緣性能、阻燃性能和耐老化性能,目前市場上能符合要求的膠粘劑品種寥寥無幾,這就要求我們加大科研力度,不斷推出高性能的膠粘劑品種,才能滿足太陽電池組件產業的高速發展要求。

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    項 目:瑞朗達光伏行業密封應用專題

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