雙玻光伏組件邊緣產(chǎn)生氣泡？

:摘要：針對(duì)雙玻光伏組件量產(chǎn)工藝中所出現(xiàn)的邊緣氣泡問(wèn)題進(jìn)行研究, 通過(guò)對(duì)比分析得出邊緣氣泡問(wèn)題主要由組件在層壓過(guò)程中邊緣過(guò)壓導(dǎo)致, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)得到邊緣氣泡析出的規(guī)律, 通過(guò)使用層壓工裝, 可有效解決氣泡問(wèn)題, 為后續(xù)雙玻光伏組件批量生產(chǎn)提供一種技術(shù)支持。

0 引言

在光伏制造領(lǐng)域中, 高可靠性、高通用性、高發(fā)電量的組件, 一直是市場(chǎng)的寵兒, 同樣也是無(wú)數(shù)光伏研發(fā)人員為之努力和奮斗的目標(biāo)。隨著各類(lèi)定制化和互補(bǔ)型電站的興起, 以及一些光伏建筑一體化 (BIPV, Building Integrated Photovoltaic) 建筑設(shè)計(jì)的使用, 雙玻光伏組件的市場(chǎng)需求度逐漸越來(lái)越高。

1 結(jié)構(gòu)差異分析

1.1 常規(guī)光伏組件結(jié)構(gòu)

常規(guī)光伏組件是由玻璃、上層EVA、電池片、下層EVA、背板敷設(shè)而成[1], 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 雙玻光伏組件結(jié)構(gòu)

雙玻光伏組件是由上層玻璃、上層EVA、電池片、下層EVA、下層玻璃敷設(shè)而成, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.3 差異化分析

通過(guò)圖1與圖2的敷設(shè)示意圖可看出, 兩種類(lèi)型的光伏組件在組成結(jié)構(gòu)上的較大差異在于背面材質(zhì)的不同。傳統(tǒng)光伏組件的背面材質(zhì)采用柔韌性較好的多層PET復(fù)合背板, 使用鋁邊框進(jìn)行固定和密封;而雙玻光伏組件背面則采用壓延鋼化玻璃替代背板, 根據(jù)實(shí)際需求決定是否加裝邊框。

由于玻璃本身的特性與背板存在較大的差異, 相比背板更薄更柔韌, 玻璃的厚度較大和剛性較強(qiáng)的特性都給層壓工序帶來(lái)了新的問(wèn)題。在組件層壓過(guò)程中, 層壓皮緊緊包裹在組件上, 利用真空泵創(chuàng)造的真空環(huán)境使熔化的EVA中的氣泡順利排出。常規(guī)光伏組件背板的柔性較好, 在層壓皮的作用下, EVA中的氣泡在真空環(huán)境中可較為輕松地被擠壓出;而雙玻光伏組件在實(shí)際生產(chǎn)中, 使用傳統(tǒng)的工藝和參數(shù)卻不能達(dá)到該效果, 具體表現(xiàn)是層壓后有氣泡產(chǎn)生, 這給目前光伏組件制造過(guò)程帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

光伏組件在制造過(guò)程中, 不允許組件內(nèi)有任何大小、形態(tài)和數(shù)量的氣泡存在[2]。傳統(tǒng)雙玻光伏組件在生產(chǎn)過(guò)程中, 層壓工序未針對(duì)雙玻光伏組件制定特殊的層壓工藝, 導(dǎo)致氣泡頻現(xiàn), 嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)直徑超過(guò)15 mm、數(shù)量多達(dá)30個(gè)以上的情況發(fā)生, 且一旦出現(xiàn)氣泡, 雙玻光伏組件無(wú)法進(jìn)行修復(fù), 導(dǎo)致雙玻光伏組件在生產(chǎn)過(guò)程中良率很難保證。

2 氣泡產(chǎn)生原理

傳統(tǒng)光伏組件在層壓過(guò)程中產(chǎn)生氣泡的原因主要為原材料異常和設(shè)備異常[3]。原材料庫(kù)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、材料發(fā)生老化或到貨批次不合格、內(nèi)部雜質(zhì)較多時(shí)都易引起層壓氣泡的產(chǎn)生;而設(shè)備運(yùn)行異常、抽真空能力不足等, 也會(huì)引起氣泡問(wèn)題。

而雙玻光伏組件產(chǎn)生氣泡除了上述常規(guī)因素外,其固有的背面玻璃結(jié)構(gòu)特性, 在層壓腔體內(nèi)受到邊緣過(guò)壓和出腔冷卻時(shí)背面玻璃彎曲應(yīng)力的恢復(fù), 都可引起氣泡問(wèn)題[4]。

在實(shí)際制造過(guò)程中, 對(duì)上述雙玻光伏組件非常規(guī)因素產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行分析和研究發(fā)現(xiàn), 雙玻光伏組件層壓后邊緣氣泡可分為兩種類(lèi)型:殘留氣泡和析出氣泡。

2.1 殘留氣泡

由于雙玻光伏組件的厚度遠(yuǎn)高于常規(guī)光伏組件, 在層壓機(jī)內(nèi)抽真空過(guò)程中, 層壓皮緊壓玻璃四邊, 上層玻璃的邊緣受力明顯大于其他部位, 結(jié)果導(dǎo)致上層玻璃受力不均而發(fā)生形變, 邊緣玻璃向下部變形, 成“凸”形狀態(tài), 導(dǎo)致EVA內(nèi)部的空氣不能及時(shí)排出而在上層玻璃邊緣處聚集, 形成殘留氣泡。流程示意圖見(jiàn)圖3。

2.2 析出氣泡

在層壓過(guò)程中, 由于雙玻光伏組件背面玻璃四邊壓力過(guò)大, 在層壓腔體內(nèi)形成四周低中部高的“凸”形狀態(tài);在開(kāi)蓋的過(guò)程中, 由于EVA尚未完全固化, 玻璃本身的彈性會(huì)使四周玻璃重新復(fù)原, 這時(shí), 邊緣玻璃將會(huì)回彈, 在四周逐漸析出真空氣泡。流程示意圖見(jiàn)圖4。

2.3 解決方法

前文重點(diǎn)介紹了雙玻光伏組件氣泡產(chǎn)生的主要原因是由工藝過(guò)程中組件邊緣過(guò)壓引起的受力不均導(dǎo)致。層壓時(shí)抽真空不完全導(dǎo)致的殘留氣泡和組件冷卻時(shí)玻璃恢復(fù)造成的析出氣泡, 均會(huì)對(duì)雙玻光伏組件的可靠性造成影響。因此, 應(yīng)在基于雙玻光伏組件可靠性設(shè)計(jì)的前提下, 對(duì)其量產(chǎn)化工藝路線進(jìn)行設(shè)計(jì)研究, 從層壓工裝的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 尋求解決量產(chǎn)雙玻光伏組件層壓氣泡問(wèn)題的工藝方法。

2.3.1 層壓工裝實(shí)驗(yàn)研究

層壓工裝是在雙玻光伏組件層壓過(guò)程中, 當(dāng)上腔體充氣時(shí), 為防止組件邊緣受壓不均或過(guò)大的輔助裝置, 如圖5所示。

該工裝與雙玻光伏組件為左右水平關(guān)系放置, 工裝包圍在雙玻光伏組件四周。在層壓機(jī)的上硅膠板加壓過(guò)程中, 硅膠板的壓力突變發(fā)生在工裝四周, 雙玻光伏組件的邊緣由于受到工裝的保護(hù), 其受到的硅膠板的壓力大小及方向基本與組件中心一致。層壓工裝保證了雙玻光伏組件層壓時(shí)的表面受力均勻性。

但是, 層壓工裝僅是雙玻光伏組件層壓無(wú)氣泡的必要非充分條件, 其本身的高度H與雙玻光伏組件高度h, 擺放時(shí)與組件邊緣的距離D以及與層壓壓力之間同樣存在一定的匹配關(guān)系, 如圖6所示。

以下針對(duì)層壓工裝的尺寸H和D進(jìn)行參數(shù)化實(shí)驗(yàn), 探討不同工裝參數(shù)下, 雙玻光伏組件層壓氣泡與層壓參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1) 當(dāng)h>H時(shí) (高度差為2 mm左右) 。如圖7所示, 統(tǒng)計(jì)層壓后雙玻光伏組件內(nèi)的氣泡數(shù)量繪制對(duì)應(yīng)圖形。邊緣氣泡隨著壓力的增大呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì), 前段氣泡的減少與壓力排除氣泡相關(guān), 后端氣泡的增加與過(guò)壓倒吸氣泡相關(guān), 但該情況下, 始終未找到不出氣泡的平衡點(diǎn)。同等層壓壓力下, 邊緣氣泡嚴(yán)重程度隨距離D的減小而增加, 說(shuō)明層壓工裝效果隨D的降低而減弱。由以上分析可知, 無(wú)論怎么調(diào)節(jié)層壓參數(shù)均不能避免出現(xiàn)氣泡。

2) 當(dāng)h=H時(shí)。如圖8所示, 統(tǒng)計(jì)層壓后雙玻光伏組件內(nèi)的氣泡數(shù)量繪制對(duì)應(yīng)圖形。邊緣氣泡隨著壓力的增大呈現(xiàn)出先減少, 而后保持穩(wěn)定, 后再增加的趨勢(shì), 前段氣泡的減少與壓力排除氣泡相關(guān), 直至壓力達(dá)到某壓力區(qū)間內(nèi), 不出現(xiàn)氣泡, 后端氣泡的增加與過(guò)壓倒吸氣泡相關(guān)。該情況下, 存在氣泡為零的壓力窗口, 其中D=0時(shí)壓力窗口最大。當(dāng)壓力大于壓力窗口值的上限時(shí), 同等壓力下, 氣泡嚴(yán)重程度隨D的增大而增加, 說(shuō)明組件邊緣過(guò)壓情況與D成正比。由此可知, 存在一定的壓力窗口, 當(dāng)D=0時(shí)窗口最大, 但該情況下, 存在組件邊緣溢膠與工裝粘接后導(dǎo)致邊緣氣泡無(wú)法排出等問(wèn)題。

3) 當(dāng)h<H時(shí) (高度差為2 mm左右) 。如圖9所示, 統(tǒng)計(jì)層壓后雙玻光伏組件內(nèi)的氣泡數(shù)量繪制對(duì)應(yīng)圖形。邊緣氣泡隨著壓力的增大呈先減少, 后穩(wěn)定的趨勢(shì), 但D≥5 mm時(shí), 氣泡數(shù)量重新增加。前段氣泡的減少與壓力排除氣泡相關(guān), 直至壓力達(dá)到某壓力區(qū)間內(nèi), 不出現(xiàn)氣泡, 后端氣泡的增加與過(guò)壓倒吸氣泡相關(guān)。該情況下, 存在氣泡為零的壓力窗口, 但D=0時(shí), 該壓力窗口不存在, 因?yàn)榇藭r(shí)硅膠板無(wú)法將壓力傳遞到組件邊緣, 氣泡無(wú)法完全排除。當(dāng)壓力大于壓力窗口值的上限時(shí), 同等壓力下, 氣泡嚴(yán)重程度隨D的增大而增加, 說(shuō)明組件邊緣過(guò)壓情況與D成正比。由此可知, D≥2 mm時(shí), 存在層壓壓力窗口, 壓力窗口上下限與D成反比。

2.3.2 小結(jié)

根據(jù)對(duì)層壓工裝與雙玻光伏組件距離和高度差的研究發(fā)現(xiàn), 若要達(dá)到消除殘留氣泡和內(nèi)析氣泡, 需選取合適規(guī)格的層壓工裝來(lái)匹配對(duì)應(yīng)的雙玻光伏組件, 否則無(wú)論如何調(diào)試都不能達(dá)到徹底消除氣泡的問(wèn)題。

3 結(jié)論

本文就雙玻光伏組件層壓工藝中所出現(xiàn)的邊緣氣泡問(wèn)題, 開(kāi)展了層壓工裝幾何參數(shù)與層壓工藝參數(shù)關(guān)于雙玻光伏組件層壓氣泡良率的匹配性實(shí)驗(yàn), 探討層壓工裝幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)下的層壓工藝窗口, 得到結(jié)論如下:

1) 當(dāng)h>H時(shí), 不存在零氣泡的層壓工藝窗口。該情況下, 層壓工裝不能起到避免雙玻光伏組件邊緣過(guò)壓的作用。

2) 當(dāng)h=H時(shí), 氣泡為零的層壓工藝窗口隨著工裝與組件之間距離D的減小而增大, 當(dāng)D趨于零時(shí), 層壓工藝窗口達(dá)到最大。在上述情況下, 雖然可以尋找到大范圍的層壓工藝窗口, 但是距離D的減小, 會(huì)增加組件邊緣膠膜與工裝粘結(jié)后導(dǎo)致氣泡無(wú)法排出的風(fēng)險(xiǎn)。

3) 當(dāng)h<H時(shí), 在2 mm≤D≤10 mm, 可以得到相應(yīng)的氣泡為零的層壓工藝窗口, 但隨著D的減小, 對(duì)應(yīng)窗口下的層壓壓力也會(huì)相應(yīng)增大, 存在導(dǎo)致電池片隱裂的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述, 層壓工裝的厚度H應(yīng)控制在高于組件高度h約2 mm合適, 組件邊緣距層壓工裝的距離D控制在5~10 mm時(shí)較為理想, 如此情況下, 雙玻光伏組件的層壓工藝窗口可以得到有效的控制, 既可避免邊緣氣泡的產(chǎn)生, 又不會(huì)出現(xiàn)因?qū)訅簤毫^(guò)大導(dǎo)致的電池片隱裂的現(xiàn)象。

原標(biāo)題:雙玻光伏組件邊緣產(chǎn)生氣泡？