基于EVA胶膜的真空层压工艺

基于EVA胶膜的真空层压工艺

EVA胶膜（以下简称EVA）是晶体硅太阳电池封装中应用最广泛的一种热熔胶，真空层压工艺就是针对EVA的特性来设计的。这个工艺的主要目的就是使EVA实现最优程度的固化，并防止移位和气泡的产生。本文所关注的就是所有材料准备好了以后，放入层压机中层压的这一个具体过程。
一、EVA的基本特性
1、固化温度。EVA 是一种热熔胶，即在常温下，EVA是固体，没有粘性。当把EVA加热到一定温度时，EVA会熔化粘结在与它接触的物体上。用于太阳电池封装的EVA是专门设计的热固性热熔胶，即在加热熔融的同时会发生固化反应。当温度较低时，交联反应发生的速度很缓慢，完成固化所需要的时间较长，反之需要的时间就比较短。因此，要选择适宜的层压温度，使EVA在熔融中获得流动性，同时发生固化反应。随着反应的进行，交联度增加，EVA逐渐失去流动性，起到封装的作用。
2、交联度。用于太阳电池封装的 EVA 在层压过程中发生了交联反应，形成了三维网状结构。通常，EVA的交联度用凝胶含量来表示，凝胶含量是交联的EVA占总的EVA的重量百分比。实验上的测定方法有很多，常用的是二甲苯萃取法。
二、 层压机和层压工艺
1、层压机。层压机是真空层压工艺使用的主要仪器，它的作用就是在真空条件下对EVA进行加热和加压，实现EVA的固化，达到对太阳电池密封的目的。对于层压机来说，需要设置的参数主要有以下四个：
(1)层压温度：对应着EVA的固化温度，不同的EVA生产厂家，给出层压温度可能不同，对于同时采用几家EVA的客户来说，需要及时调整相关参数。
(2)抽气时间：对应着加压前的抽气时间。又因为抽气完成后就是充气加压的过程，所以抽气时间又对应着加压的时机。抽气的目的：一是排出封装材料间隙的空气和层压过程中产生的气体，消除组件内的气泡；二是在层压机内部造成一个压力差，产生层压所需要的压力（参见层压机的工作原理）。
(3)充气时间：对应着层压时施加在组件上的压力，充气时间越长，压力越大。因为像EVA交联后形成的这种高分子一般结构比较疏松，压力的存在可以使EVA 胶膜固化后更加致密，具有更好的力学性能。同时也可以增强EVA与其他材料的粘合力。
(4)层压时间：对应着施加在组件上的压力的保持时间，是整个过程中时间最长的一个阶段。抽气时间，层压时间和抽气时间之和就对应着总的固化时间。
2、层压工艺。层压工艺的要求是：EVA交联度在75-85%；EVA与玻璃和太阳能背板（TPT）粘合紧密（剥离强度，玻璃/EVA大于30N/10cm，TPT/EVA大于15N/10cm，对于EVA和TPT厂家来说，一般要求出厂产品粘接力大于或等于40N/10cm），电池片无位移，组件无明显的气泡。在具体操作上就是对主要就是对层压机的几个参数进行设置，这几个参数的设置要考虑到很多的因素。下面从理想状况和实际状况两个方面来介绍。
（1）理想的层压条件设置。图 1 是一个比较理想的层压过程中的参数设置。它的要点就是在较低温度下进行抽气，然后在较高的温度下使EVA固化。这个过程大概可以分成三步：
a、开始阶段，层压机的温度保持在较低温度，EVA熔化，有良好的流动性，但是交联速度很慢。真空泵对下室抽真空，于是组件内部的气体迅速并且很容易的被抽走。上室保持真空，组件不受压力。
B、EVA固化阶段。层压机温度升高到一个较高温度，EVA 发生快速的交联反应。下室继续保持抽真空，及时排出固化过程产生的气体。同时上室充气，上下室之间的压力差使层压机中的橡胶层对组件施加压力。
C、结束阶段。EVA固化完成。先是上室抽真空，撤去压力，然后下室充气，开盖。

这种工艺的的好处：一是低温阶段抽气，可以得到比较好的抽气效果；二是可以对EVA的固化进行比较好的控制。但是实际生产过程中，这是很不受欢迎的，因为每层压一次都要降温，降到一定温度之后，然后再开始新的层压过程。这既浪费时间，又浪费能源。所以在实际生产过程中往往是“一步到位”，直接设置到固化温度。
（2）实际的参数设置。“一步到位”的层压工艺虽然省时省力，却也带来了很多问题：一是开始阶段温度就很高，EVA过快的熔化，这样就不利于组件内部间隙间的空气被抽出，容易造成气泡；二是开始阶段温度就很高，EVA会快速开始交联，交联度很难得到好的控制。如何解决这些问题并达到封装的要求，可以从下面几点来看：
●所使用 EVA的特性。参考EVA的固化曲线，对层压参数的设置进行指导。EVA的固化曲线是在一个恒定的温度下测得的，与实际生产中EVA的固化环境相似，近似反映了EVA在实际生产环境下的交联过程，所以具有很大的参考价值。图2是在直接固化温度下，利用无转子硫化仪测得的某品牌EVA的固化曲线（EVA在固化过程中的粘度不断增大，硫化仪即是在EVA固化过程中通过测试扭矩来反应EVA的粘度变化，并由此来间接测定交联程度的一种仪器。
在硫化曲线中，ML为最小转矩，代表胶料的最低粘度；MH为最大转矩，代表胶料的最大交联密度，对应的Tm为理论上的正硫化时间。T10为焦烧时间，即转矩达到[ML+（MH-ML）*10%]的时间；T90为正硫化时间，即转矩达到[ML+（MH-ML）*90%]的时间。）。
从图中可以看出，EVA的扭矩随着时间的变化是先下降，再上升。下降阶段对应着EVA熔化阶段，到最低点时EVA的流动性最好。上升阶段即为EVA的固化阶段，可以看出在开始上升时曲线很陡，表明交联进行的速度很快，随着交联剂的消耗，交联剂含量减小，交联速度变慢。

图2用无转子硫化仪测得的EVA的固化（硫化）曲线，横轴为时间，纵轴为转矩S*。图中所示的测试条件为测试温度：140℃；角度：±5°；测试时间：22min；测试结果：MH：14.739dN.m；ML:1.059dN.m;tc10:1:42；tc90:12:55；ts1:1:38； ts2:2:02。（本图所示的只是一个具体的实例，不同品牌的产品，其固化曲线会有所不同。）
从这个曲线可以得到以下关于层压工艺的信息：
a、层压温度。层压温度可以说是最关键的一个因素，直接关系着组件的质量。可以先测试EVA在不同固化温度下的固化曲线，然后参考这些曲线确定合适的固化温度。
下室抽真空的设置。这个设置主要有两个方面要注意。抽气的关键点是动作要快，越早开始抽气越好。图2中的Tc10 为1：42，在这个时间之前的一段时间内可以认为是最佳的抽气时间。在这段时间内EVA或者为固态，或者为流动性好的液体状态，组件内部空隙里的残存气体可以比较容易的抽走。
过了这段时间，随着EVA交联程度的增加，流动性越来越差，残存的气体就被陷在了组件里面，很难再去处掉。这个最佳时间段是很短的，所以在层压机内放置样品时速度一定要快，要做到迅速的放样品，放好样品后马上合盖，合盖后马上开始抽气。抽气之前的这个过程占用的时间越少，抽气效果就会越好。
另外由此还得到启发：一是EVA 的改进中可以包括一个指标，即焦烧时间。如果焦烧时间延长，就能增加操作的安全性，减少了气泡的发生；二是增大真空泵的功率，加快抽真空的速度，这也是相当于延长了tc10。但是这个功率不能太大，否则大的气流可能导致电池片的移位。
b、抽气时间的长短。抽气时间的长短关系到两个问题，一是能否排尽残存气体，二是影响到加压的时机。参考下面的加压时机的说明。
充气的设置。充气对应着加压，有三个地方要注意。
●加压的时机。对应着抽空时间，因为对于自动运行的层压机来说抽空后马上对应着上充气，所以抽空时间对应着加压时机。加压时机的控制应该注意几个方面：一是加压不要过早。加压过早的话，EVA流动性还很好，压力的存在容易导致EVA的流动，导致电池片移位。二是加压不要过晚。加压过晚的话，EVA交联程度已经很高，高分子的三维网络结构基本形成，压力对于增大EVA的密度的作用不大。对于这个问题可以这样考虑，当交联度达到某一个取值范围时加压最好，这个范围对应的时间就是最好的时机。目前就此还没有一个共识，可以做一些细致的研究。
●加压的大小。压力的大小对应着充气时间的长短，充气时间越长，压力就越大，反之越小。压力大小的控制应该注意几个方面：一是压力不能太大。压力太大可能导致电池片被压碎，另外也容易导致EVA的流动，造成太阳电池移位。二是压力不能太小。压力太小，对EVA固化后的致密度影响很小，起不到什么作用，对去处残存气泡的作用也不大，EVA与TPT太阳能背板、EVA与玻璃之间的粘合力比较小。在操作过程中，应该是在不造成太阳电池破裂和移位的情况下，尽量的增大压力。
●层压的时间。层压时间主要关系到 EVA最后的交联度。交联度的测定有专门的方法，但是在设置层压时间时可以参考tc90。
（3）层压机性能。因为EVA的交联速度对温度很敏感，所以层压机的温度的精度（指层压机内部温度相对于设定温度的变化范围）和均匀性（层压机内部不同区域的温度差异）是很重要的。层压机的精度低的话，EVA的交联速度不是一个稳定的值，会有很大的波动，就不容易对EVA的交联度有很好的控制。层压机的温度均匀性影响到层压出来的组件内部EVA性能的均匀性，包括力学和光学性能的均匀性，这对组件的性能会产生很大的影响。
（4）层压组件的结构。主要是普通平板组件（玻璃/EVA/太阳电池/EVA/太阳能背板TPT结构）和双面玻璃组件（玻璃/EVA/太阳电池/EVA/玻璃结构）。普通平板组件中，太阳能背板（TPT）是柔性的并且质量较轻，所以在层压过程中比较容易控制。在双面玻璃组件中，放在上面的玻璃是刚性的，质量大，本身的自重就是对组件的一个压力，这就增加了抽气的难度。同时也使电池片更容易产生移位。另外，一般层压机的加热板是在下面，由于传热的不均匀，放在上面的玻璃很容易产生内应力导致破碎。
（5）组件的大小。组件越大，组件内部空隙的残存气体越不容易抽走，尤其是对于尺寸比较大的双面玻璃组件。对于这种情况，就要适当的增加抽气时间。组件选用的封装材料。在封装材料里面影响比较大的就是玻璃的厚度。对于普通平板组件，背面玻璃的厚度增加延长了热量向EVA传热的时间，可以适当的增加层压时间。对于双面玻璃组件，上面玻璃厚度的增加加大了玻璃对EVA的压力，使抽气变得更加困难。以上所述只是定性的说明如何优化层压工艺，有哪些资料可以供我们参考。因为涉及的变化量太多，很难定量化，所以具体的设置还需要在实际工作中去摸索。
来源：兆丰光伏网