EVA胶膜对晶硅太阳电池的封装特性研究

太阳电池是现代社会新型能源材料之一，其通过将太阳光辐射能量转化为电能而实现供电，商业化光伏组件光电转换效率已达到24%。太阳电池除具有较高的能量转化效率之外，还具有环保特点。基于太阳电池显著的能效和环保优势，我国截至目前光伏组件总的装机量已经达到了205GW。

尽管光伏电池材料很多，但晶硅太阳电池组件占据已有装机量的80%以上。进一步提高晶硅太阳电池光电转化效率和耐候性，有助于充分利用现有产线产能。周大良等比较了现有晶硅铸锭技术，发现全熔多晶铸锭工艺和半熔多晶铸锭工艺可用于提升晶硅晶片的质量。

商业化的光伏组件一般要求25～30年的有效期，深入研究电池结构，对于太阳电池光电性能和耐候性的提高有重要意义。

实验内容

01

太阳电池组件由英利能源（中国）有限公司提供；组件经人工方法去除玻璃和边框后，其基本结构依次为上盖EVA胶膜、晶硅电池片、下铺EVA膜和TPT背板（多层复合膜，Tedlar聚氟乙烯聚合物PVF/PET膜/PVF）。晶硅太阳电池片经层压工艺，与上盖EVA膜和下铺EVA膜形成封装结构。

本文分别对样品进行表面和剖面制样，利用光学显微镜（BX53M，日本OLYMPUS公司）和扫描电子显微镜（FEINovaNanoSEM450，美国FEI公司）对样品进行检测，以获得晶硅组件封装体系的微观形貌，进而利用热重测试系统（SetlineSTA，法国塞塔拉姆仪器公司）对封装胶膜相变特性进行分析，设置升温速率10℃/min，温度范围为室温至750℃。

实验结果

02

晶硅电池片表面结构见图1a所示。较细的金属线为银电极，较粗的金属线为铜栅线，晶硅表面整体呈现蓝色，是SiN减反膜的光学效应所致。

图1 （a）晶硅电池片的表面结构；（b）晶硅电池片的微观形貌

当晶硅电池吸收太阳光子并在内部产生自由电子后，银电极收集其邻域的电子，然后汇流到铜栅线。随着制备技术的发展，银栅线的宽高比逐渐降低，以期在不影响导电效果基础上，提高太阳光对晶硅表面的有效辐照面积。

图1b给出了银电极的微观结构，银栅线呈现出点线结构，最大宽度约为10.3微米、最小宽度约为2微米。这是由于银电极经丝网印刷，正银浆料通过丝网空隙印涂到晶体表面，然后经高温烧结以渗透过晶硅表面SiN减反膜并与硅片形成欧姆接触。印刷及烧结共同导致银浆料在栅线局部出现团聚，进而形成点线结构。

晶硅电池片剖面微观形貌见图2a所示。上盖EVA膜厚度约为452.8微米（L1层），晶硅电池片厚度约为180微米（L2层），下铺EVA膜厚约448.3微米（L3层），TPT背板厚度为251.2微米（L4层）。

各层之间未见明显气隙、孔洞；晶硅电池片被紧密封装到了EVA膜之间。这是由于晶硅组件层压过程在真空、加压、160℃～180℃加温下大概持续10分钟完成，EVA胶膜发生了熔融交联反应，从而与硅片的前后表面紧密结合，EVA胶膜同时还黏附了TPT背板。

由此可见，光伏组件具有三明治型结构，而EVA胶膜对电池耐候性起到了关键作用。

(a) 剪切前光学显微图像；(b) 剪切后扫描电镜图像

图2 晶硅组件封装结构剖面微观形貌。

为进一步分析胶膜与电池片的界面结构，本文对组件进行剪切处理，并去掉TPT背板，获得剪切后样品剖面的SEM微观形貌见图2b所示。图中白色物质为导电胶带，与导电胶带相邻的EVA胶膜横断面呈现出疏松结构。

经过剪切后，EVA膜间隙由图2a中180微米增大到约300微米，EVA胶膜之间的硅片被击打成了硅颗粒，且颗粒的形状并不规则。值得注意的是，与EVA胶膜相邻的硅粒尽管颗粒尺寸较小，但仍嵌合到胶膜内。

这表明EVA胶膜与晶硅片形成了粘合强度较大的界面，该界面难以通过剪切外力完全破环。外力作用仅将未与胶膜形成粘合界面的硅片处理成为较大颗粒，这部分颗粒可以脱离封装体系。

EVA胶膜经聚合而在晶硅表面形成致密膜层，该膜层应能够耐受较高温度，这是由光伏组件使用环境决定的。阳光辐射除一部分转化为电能外，很大一部分长波光将以热能方式被组件吸收。图3给出了EVA膜层的热失重特性。

图3 EVA胶膜的热失重曲线

随温度升高，EVA胶膜呈现出质量基本不变到明显失重、再到缓慢失重，最终快速失重直至质量变为0的变化。其明显失重点起始于256℃，此温度点到373℃的失重现象归因于EVA作为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，当温度超过250℃时，共聚物内分子键发生变化，生成醋酸，导致失重。

373℃～342℃温度区间内，EVA胶膜的醋酸分解过程逐渐结束。在424℃～492℃温度区间，共聚物分子键裂解、聚合膜层分解、气化，直至完全失重。考虑到EVA胶膜受热生成醋酸时，其对硅片的封装致密性和粘结强度即受到影响，因此EVA胶膜须工作在热相变温度256℃以下，以保证封装体系的耐候性。

EVA胶膜对晶硅电池片的封装是光伏组件能够实用化的基础。

通过研究晶硅电池片表面结构及组件的剖面结构微观影像，发现经由层压后晶硅电池片与EVA胶膜形成了致密粘结界面，该界面经外力剪切仍存在，与EVA胶膜相邻的硅粒尽管颗粒尺寸较小，但仍嵌合到胶膜内，外力作用仅将未与EVA胶膜粘合的电池片部分地处理成较大硅粒。

热相变分析表明，EVA胶膜须工作在失重温度256℃以下，超过该温度则EVA共聚物内分子键分解生成醋酸，影响封装强度与致密性；超过424℃，则EVA聚合物分子键断裂，直至492℃通过气化、升华完全失重。

来源：EVA 胶膜对晶硅太阳电池的封装特性研究，英利集团有限公司

END

原文始发于微信公众号（光伏产业通）：EVA胶膜对晶硅太阳电池的封装特性研究