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導電膠(ECAs)是目前光伏組件產(chǎn)品中電池互聯(lián)焊接工藝的一項非常有前景的替代應用技術。ECAs是一種環(huán)境友好的解決方案，并提供了傳統(tǒng)焊接互連技術沒有的優(yōu)勢，例如更低的工藝溫度、更強壯的應力特性，并避免了有毒物質(zhì)鉛的使用。當建議在重要工藝上-例如將電池串生產(chǎn)的焊接工藝轉換到粘結技術，需要對材料特性-例如材料兼容性和其在光伏組件內(nèi)互連的長期可靠性進行深入的分析。

因此我們對材料性能、質(zhì)量和可靠性進行了研究:1)使用ECAs的絕緣粘接接頭，以及2)測試組件內(nèi)使用ECA連接的電池之間的互連特性。除此之外，我們還開發(fā)了新的具有更高聚合物連接柔韌性的ECA成分以增強該材料對熱應力負載和分層的應對能力。為了更好地理解相關材料的相互作用和影響因素，我們制定了一套綜合的測試計劃。使用熱重量分析(TGA)和熱解析/氣體層析法-質(zhì)譜分析(TD/GC-MS)表征純導電膠在揮發(fā)性低分子化合物的排氣和遷移行為。為此我們探究了結合不同焊帶和封裝以及背板材料的單電池測試組件。該測試組件被安排在不同結合應力因子的加速老化測試上，包括高溫高濕(DH)、輻射和熱循環(huán)(TC)。

從試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，即使是由人工操作完成的ECA絲網(wǎng)印刷以及組件加工，其組件電學特性結果仍然顯示出了良好的可重復性。所有的焊帶類型(覆Ag、裸Cu和覆SnAgCu)都可以兼容目前的光伏組件層壓工藝，并且不出現(xiàn)任何問題。在進行加速老化測試的時候，ECA連接單電池和6片電池樣品組件分別出現(xiàn)1%和4%的輕微功率損失。因此ECAs將有潛力替代電池串的焊接工藝。我們發(fā)現(xiàn)分子化合物的排氣現(xiàn)象較輕微，未發(fā)現(xiàn)與任何一種焊帶和封裝材料存在不兼容現(xiàn)象。

基于樹脂成分的電子封裝和互連材料目前被廣泛應用在電子器件的制造上，但還很少被用在晶體硅光伏組件的電池互連上。

通過印刷導電膠(ECAs)的方式實現(xiàn)電池互連相比于傳統(tǒng)焊接工藝有多種優(yōu)勢，例如工藝溫度更低、印刷分辨率更高和操作更簡單等。

基于錫鉛焊料的傳統(tǒng)焊接工藝需要210℃的工藝溫度，而無鉛焊料則甚至更高。這些高溫工藝通常導致電池碎裂和晶體硅電池微裂紋的引入。因此焊接工藝也限制了進一步降低硅片厚度的可能。而ECAs的固化反應溫度通常低于180℃，并且可以通過改變基本聚合物粘結劑將溫度進一步降低。因此，改為使用粘膠互連技術可以進一步降低硅片厚度，同時為創(chuàng)新電池設計開啟了新的大門。另一個優(yōu)勢是黏膠可以使用絲網(wǎng)印刷工藝直接涂在電池子柵網(wǎng)格上，而不需要在電池正表面使用額外的主柵設計。

相比于含鉛焊料合金，ECA是一種環(huán)境友好的的互連解決方案[1]。因此，通過替換含鉛焊料，可以省去廢物管理和回收工作。此外，使用非焊接材料—例如被用作陷光的涂銀焊帶—為創(chuàng)新電池和光伏組件設計帶來新的可能。不過使用ECAs替代焊帶焊接工藝也存在一些弊端。其主要的缺點是高昂的銀材料價格，這也是為什么高填充粘膠比焊料昂貴得多的原因；不過這可以通過降低主柵數(shù)目進行抵消。另一項挑戰(zhàn)是對其在特定區(qū)域承受嚴酷戶外環(huán)境能力的考驗，在這些區(qū)域我們觀察到其抗沖擊能力有限、機械強度變?nèi)鹾徒佑|電阻增加(當選擇了不合適的焊帶涂層時)等問題。

一般來說，ECAs是由導電填充物和絕緣聚合物黏膠組成的復合材料。可以使用熱固性或熱塑性樹脂作為基質(zhì)材料；其中環(huán)氧樹脂、有機硅或聚氨酯都是廣泛使用的熱固材料，而聚酯酰胺則是ECAs常用的熱塑性材料。在導電填充物中，銀(Ag)是使用最廣泛的；它有著最高的導電率，并且在銀顆粒出現(xiàn)氧化的情況下仍然能保持高的導電性能。除此之外，以各種尺寸和形狀涂覆著金(Au)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錫(Sn)、錫鉍(SnBi)或SnIn的銅也被發(fā)現(xiàn)可作為填充材料[2]。

根據(jù)導電填充物的填充量、填充類型和形狀的差異，ECAs被分成各向同性導電膠(ICAs)和各向異性導電膠(ACAs)。因為填充物含量非常高(50-80 wt%)，所以ICAs材料在所有方向上的導電率都是相同的。樹脂的固化溫度通常比較高，目的是為了增強導電性、粘合強度和抗化學腐蝕的能力。ICAs通常在導電互連上被用于替代傳統(tǒng)SnPb焊料合金。相反，ACAs則只在垂直方向提供導電能力；因為黏膠里的球形導電填充物含量非常低(5-20 vol%)[2-4]。

光伏組件使用ECAs要考慮的一項重要特性是凝固樹脂的斷裂韌度。對于高效電池概念以及在降低電池厚度時，有必要考慮機械應力。Pander et.al發(fā)現(xiàn)當ECAs應用在硅太陽能電池領域時能有效降低硅片與焊料路徑的應力[5]。目前有幾種可行的方法使固化黏膠變得更柔性(更少交聯(lián))，例如使用活性稀釋劑，是基于能與固化劑反應成交聯(lián)環(huán)氧系統(tǒng)的單環(huán)氧化物化合物。另一種方法是使用長鏈固化劑降低有效交聯(lián)密度以減少緊致網(wǎng)絡[6-10]。

本文工作的主要目標是探究不同類型導電膠以及由ECA互連電池制備的測試組件的性能、質(zhì)量和可靠性。特別關注的是：

• 固化ECA的釋氣現(xiàn)象。

• 與其他封裝材料的互相作用。

• 疲勞特性。

• 采用ECA互聯(lián)的測試組件的性能。

我們使用單電池組件研究應力-例如溫度、濕度和輻射，以及后續(xù)的輻射-濕度測試后材料之間的互相作用，而6片電池組件則是采用熱循環(huán)(TC)進行測試。

本文研究的主要目的是探究ECAs與組件其他材料，特別是封裝和焊帶材料的兼容性，并嘗試探究光伏組件因使用ECA互連而新引入的失效模式。

首先，探究分別由三種不同環(huán)氧樹脂組成的ECA配方(ECA1、ECA2和ECA3)的釋氣現(xiàn)象；詳細內(nèi)容如表格一所示。此外，還通過循環(huán)疲勞測試探究了ECA1和ECA3的抗疲勞特性。

下一步，還通過在玻璃和封裝材料上印刷三種不同ECA配方以探究不同封裝材料之間可能存在的相互作用，包括了三種不同封裝材料(EVA,TPO,POE)和蓋玻片。

最后，通過使用不同ECAs、焊帶和封裝薄膜組合而成的測試組件來探究組件性能、老化行為和老化引入的材料反應。作為參考，使用標準EVA封裝Cu/SnPb焊帶制作了焊接型測試參考組件。還選擇了三種不同封裝材料以特別探究乙酸(這是EVA衰退的副產(chǎn)品)和增加的交聯(lián)反應鏈的影響(如表格二所示)。此外，還使用了三種不同的焊帶用于組件測試(如表格三所示)。表格四則總結了加速老化測試結果。

表格一:在測試中的ECAs材料。

表格二:用于測試組件的封裝材料。

表格三:用于測試組件的焊帶材料。

表格四:加速老化測試。

本文工作的主要目標是探究不同類型導電膠以及由ECA互連電池制備的測試組件的性能、質(zhì)量和可靠性。

因為光伏組件上導電膠的釋氣現(xiàn)象影響非常大，因此探究了大量在150℃使用熱重分析制備的固化導電膠的易變產(chǎn)品，我們選擇了150℃作為工藝溫度是因為這是光伏組件在層壓工藝期間的溫度。

圖一顯示了來自ECA1不同形態(tài)(通過改變硬化劑的含量)下測量TGA得到的質(zhì)量損失值；從圖中可以看到在150℃下的質(zhì)量損失隨著硬化劑的減少而穩(wěn)定地降低，硬化劑含量降到最低時質(zhì)量損失幾乎達到0 wt%。這一發(fā)現(xiàn)與熱重量分析(TGA)和熱解析/氣體層析法-質(zhì)譜分析(TD/GC-MS)的結果一致，表明ECAs的熱萃取化合物來自硬化劑。在硬化劑比例低于6.5 wt%的情況下還未發(fā)現(xiàn)釋氣現(xiàn)象。

             圖一：類型ECA1改變硬化劑含量與質(zhì)量損失率的關系，數(shù)據(jù)來自TGA在穩(wěn)定溫度150℃下30分鐘測試所得。