BNEVA復合導熱太陽能電池組件設計與特性分析

BN/EVA復合導熱太陽能電池組件設計與特性分析引言當今社會，人類文明與科學技術快速發(fā)展，許多方面都得到了很大的突破，但隨著化石能源的大量開發(fā)使用，也隨之出現(xiàn)了許多問題，如生態(tài)環(huán)境破壞、大氣污染、溫室效應、全球變暖、海平面上升等各種問題。能源形式也正在向“新能源與可持續(xù)發(fā)展”演變。因此發(fā)展可再生能源技術成為應對這些問題的重要方式，太陽能光伏發(fā)電被認為是最有發(fā)展前景的可再生能源技術之一。近年來,光伏發(fā)電正在飛速發(fā)展，發(fā)電成本逐步降低，光伏組件安裝量快速增加。效率影響因素：光伏發(fā)電的溫度效應是制約光伏發(fā)電效率的重要因素，光伏組件只能利用太陽光中的光能部分，無法利用光熱部分，只有不到15%的光能被太陽能電池電池利用轉換成電能，剩余的大部分能量都不能被利用，太陽光的熱能被組件吸收后能使太陽能組件的溫度升高，且長時間保持高溫狀態(tài)。同時，太陽能電池在進行光伏發(fā)電過程中會產生大量熱量使電池溫度升高。而光伏組件的工作溫度每升高1℃，發(fā)電效率降低0.45%。太陽能電池內部的溫度過高，高溫不僅會大幅降低電池的光電轉化效率，還會影響電池組件的使用壽命[9]。因此，如何將太陽能電池組件內部的多余熱量及時疏散成為一個十分重要而又有意義的課題。如果能提高組件中EVA膠膜的導熱性，就可最大限度提高組件的散熱性。SiC、ZnO、Al2O3等可改善EVA的導熱性［1-5］。研究歷程：相關學者提出通過對常規(guī)EVA材料摻雜改性以提高太陽能電池組件EVA膜的熱導率，達到及時帶走光伏組件發(fā)電產生的熱量以降低其工作溫度提高、發(fā)電效率的目的。乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）熱熔膠膜是一種低溫黏接膠膜，具有良好的透光性，常溫條件下無黏性，熱壓可以熔融黏結和交聯(lián)固化，廣泛應用于光伏面板、玻璃工藝品等行業(yè)。應用于光伏組件的EVA膠膜，其乙酸乙烯酯含量在28%～33%（w）。EVA膠膜的主要作用是將光伏玻璃、電池片、背板黏在一起，起到保護電池片、隔絕空氣的作用[6]。太陽光中的大部分能量并沒有通過光伏組件產生光生電流，而是以非輻射的方式轉變?yōu)闊崮?，熱量使光伏組件的溫度升高，而

EVA

膠中的增塑劑和穩(wěn)定劑會隨著溫度的升高而遷移到EVA膠表面，從而降低了

EVA

材料的熱穩(wěn)定性，光伏組件效率隨之下降[7]。因此，在

EVA

膠中添加高熱導率材料有利于保證組件的轉化效率和使用可靠性。為了提高聚合物材料的熱導率，可在其中加入一些導熱性材料，在

EVA

材料中加入一定量的BN，可增大其熱導率。有學者研究發(fā)現(xiàn)，在硅片下方的EVA封裝材料中添加

SiC、ZnO

和BN

的納米顆粒后，EVA材料的熱導率分別升高了2.62、2.03和

1.85W·m－1·K－1,提高了組件的散熱能力和光電轉換效率[8]。應用前景：隨著科技的不斷發(fā)展，人們對導熱材料的需求也越來越高，因此，尋求一種高性能、高質量的導熱材料變得尤為重要，復合導熱材料組件具有廣闊的應用前景。BN/EVA復合導熱材料能夠提高導熱性能，提高組件的散熱能力，降低溫度對組件效率的影響。本文以提高EVA膠膜導熱性為目的，BN作為導熱填料，通過對EVA摻雜不同含量的BN，最終實現(xiàn)提高EVA膠膜的導熱性和熱穩(wěn)定性。并且組件背板選取PVDF作為背板材料，并對其進行BN的摻雜，進一步實現(xiàn)復合導熱太陽能電池組件的散熱能力，通過散熱降溫降低溫度對組件效率的影響。01.復合導熱材料的制備1.1實驗材料EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）是一種常用的導熱絕緣材料，具有溫度穩(wěn)定性好、韌性好、耐化學性強等特點。然而，單純的EVA導熱性能不夠高，無法滿足某些應用的要求。為了提高EVA導熱性能和絕緣性能，我們嘗試將其與其他材料進行復合制備。BN，屬于半導體材料，它一般被用作高溫、高壓和高頻場的絕緣材料，也常常被應用于制作高效熱導材料和高強度的復合材料等。BN結構緊密穩(wěn)定，硬度高，化學穩(wěn)定性好，同時也是一種很好的電絕緣體材料，熱傳導性能高，因此是制造熱導材料和絕緣材料的主要原料之一。BN作為填料摻入EVA中，可以有效提高EVA的熱穩(wěn)定性和耐候性，使其具有更好的耐高溫、耐老化和耐紫外線等特性。2.

提高力學性能：BN的添加可以顯著提高EVA的硬度、強度和耐磨性，同時降低EVA的變形和蠕變行為，從而增強EVA材料的力學性能。3.

發(fā)展新型功能材料：采用EVA摻雜BN的方法，可以研制出具有新型功能的材料，如導熱、導電、阻燃、吸波等性能的EVA復合材料，在汽車、電子、建筑等領域有廣泛的應用前景。4.

探究摻雜機理：研究EVA摻雜BN的機理，可以深入了解填料對EVA材料性能的影響，為研究和開發(fā)其他填料摻雜EVA復合材料提供理論基礎和實驗數(shù)據(jù)1.2實驗儀器表1-1使用設備種類名稱型號用途開煉機KY-3203B-60煉制BN/EVA復合材料壓片機PC-15B制作實驗樣品片導熱率測試儀（熱流法）DRL-Ⅲ導熱率測試智能電子拉力試驗機CP413拉斷力、剝離力測試電子天平0稱量激光機半自動層壓機模擬光源太陽能電池分析儀數(shù)據(jù)采集器真空干燥機高低溫交變濕熱試驗箱SDS50BGKJ-2200*22000PROVA-200A00GDJS-100B電池片切割組件層壓提供穩(wěn)定的光照條件組件伏安特性測試采集、傳輸溫度數(shù)據(jù)剝離力測試材料制備組件老化實驗02.實驗材料的制備過程2.1BN/EVA復合材料的制備過程將EVA和BN粉末按照一定比例混合均勻，將二者在高溫下進行熱壓復合，制備出導熱絕緣EVA復合材料。2.1.1工藝步驟選取五組EVA和BN的組合材料，一組純EVA材料，組合材料每組兩者的總質量為100g，EVA分別稱取90g、80g、70g、60g、50g，BN分別稱取50g、40g、30g、20g、10g，組成五個總重量為100g的組合。選取PVDF60g與BN40g組合一組，作為背板材料。因PVDF60g與BN40g組合的熱導率、柔韌性等各項數(shù)據(jù)總體效果要好，故選取此組合。步驟1：不同質量的材料的稱?。菏褂秒娮犹炱綄VA和BN粉末進行稱量，稱好的材料放入袋中，封裝并貼標簽。使用電子天平對PVDF粉末和BN粉末進行稱量，稱好后放入袋中，封裝并貼標簽。步驟2：使用開煉機進行BN/EVA復合材料的制備。開煉機前軸溫度調至75℃，后軸溫度調至79℃，前輪與后輪間隙不宜太大，避免倒入粉末時掉落。等待前后輪溫度升到設置溫度后，使用干凈的EVA對開煉機的兩個滾輪就行清洗，清洗后放入EVA90g，待EVA融化后倒入BN10g粉末，期間用鏟子進行鏟合，時長40min以上，使其BN粉末更好的融入EVA中，直至BN粉末完全融入EVA膜中，最后用鏟子鏟出，放涼裝盒貼標簽。隨后進行剩余四個組合的制備，操作與第一個組合一致。BN/EVA五個組合的復合材料制備完成后，將前軸溫度調至175℃，后軸溫度調至180℃，待前后輪溫度升到設置溫度后，使用一定量的PVDF粉末對開煉機的兩個滾輪就行清洗，清洗掉殘留的EVA，清洗后放入PVDF粉末40g，待PVDF粉末融化后倒入BN40g粉末，期間用鏟子進行鏟合，時長40min以上，使其BN粉末更好的融入PVDF中，直至BN粉末完全融入PVDF膜中，最后用鏟子鏟出，放涼裝盒貼標簽。圖1-1BN/EVA、BN/PVDF復合材料的制備圖1-2制備好的BN/EVA、BN/PVDF復合材料實物圖2.1.2導熱率測試材料制備使用壓片機對混煉成膜后的BN/EVA復合材料進行熱壓片處理。使用圖1-3所示模具對熱導率測試材料進行熱壓，模具厚度為1mm。圖1-3熱導率測試材料壓片模具圖

將壓片機的溫度設為65℃左右，等待溫度升到所設溫度的同時，利用電子天平分別稱量不同BN含量10g-50g的EVA各8g放入盤中備用。在下加熱平臺上按一層耐高溫PET→模具（模具中均勻放入稱量好的BN/EVA材料）→PET的順序放置，擰緊上加熱平臺，待溫度達到設定溫度后，擰緊壓力閥，加壓到10MPa左右，關閉加熱，等待冷卻。降溫后，擰松壓力閥、上加熱平臺，取出材料，得到55mm×75mm的樣品。重復同樣的步驟，將所有做好的樣品裝袋貼標簽。

2.1.3拉斷力測試材料的制備

使用壓片機對拉斷力實驗材料進行制備。利用電子天平分別稱量不同含量BN的EVA各0.6-0.9g左右，用如圖1-4所示模具上述重復導熱率測試材料制備步驟。得65mm×9mm的樣品，將做好的樣品裝袋貼標簽。圖1-4拉斷力測試材料壓片模具圖

2.1.4剝離力測試材料的制備使用壓片機對拉斷力實驗材料進行制備。利用電子天平分別稱量不同含量BN的EVA和純EVA各0.8g，用如圖1-5所示模具上述重復導熱率測試材料制備步驟。得65mm×9mm的樣品，將做好的樣品裝袋貼標簽。樣品壓好后，選取寬度一致、長度為樣品長度2倍和3倍的鋁片各6塊，每個樣品使用不同長度的鋁片各一塊。使用酒精將鋁片清洗干凈后，將樣品貼在鋁片的一端，隨后將另外一塊鋁片貼在樣品上面，用夾子夾好，做好標記，其余樣品使用同樣方法。將真空干燥機溫度設置為150℃，待溫度達到后，關閉加熱，放入制作好的樣品進行抽真空，直至冷卻至室溫。最終得到剝離力測試樣品。圖1-5剝離力測試材料壓片模具圖

使用壓片機對組件所需BN/EVA膜進行制備。利用電子天平分別稱量不同含量BN的EVA各3.5g，用如圖1-7所示模具上述重復導熱率測試材料制備步驟。得65mm×9mm的樣品，將做好的樣品裝袋貼標簽2.1.4組件所需BN/EVA膜的制備使用壓片機對組件所需BN/EVA膜進行制備。利用電子天平分別稱量不同含量BN的EVA各3.5g，用如圖1-7所示模具上述重復導熱率測試材料制備步驟。得65mm×9mm的樣品，將做好的樣品裝袋貼標簽。圖1-6制備好的BN/EVA復合材料膜實物圖圖1-7組件所需BN/EVA膜壓片模具圖2.2測試2.2.1力學特性測試拉斷力測試：使用智能電子拉力測試儀對實驗樣品進行拉斷力測試。將事先壓好的材料規(guī)定在智能電子拉力測試儀上，將測試選項選為拉斷力測試，保存參數(shù)，隨后點擊試驗，直至材料被拉斷，保存好相關數(shù)據(jù)后，對剩余材料按照同樣步驟進行試驗。圖2-1拉斷力測試圖圖2-2拉斷位移大小結果圖圖2-3拉斷力大小結果圖對數(shù)據(jù)進行分析得：隨著摻雜量的不斷增加，拉斷力值越來越小，拉升長度越來越小。剝離力測試：使用智能電子拉力測試儀對實驗樣品進行剝離力測試。將事先壓好的材料規(guī)定在智能電子拉力測試儀上，將測試選項選為剝離力測試，保存參數(shù)，隨后點擊試驗，直至材料被拉開，保存好相關數(shù)據(jù)后，對剩余材料按照同樣步驟進行試驗。圖2-4剝離力測試圖對數(shù)據(jù)進行分析得：2.2.2熱學特性測試利用導熱率測試儀對已定型的膜片進行導熱率測試：取一定量的冰水混合物，將溫度探頭放入冰水混合物中，用剪子將已熱壓成型的樣品剪成和導熱率測試儀樣品放置臺一樣大小的圓片，并用游標卡尺測量出其厚度，將厚度輸入手動測量厚度中，隨后將圓片放入導熱率測試儀中，將熱導率測試儀的熱極溫度設為50℃，點擊開始加熱，等待溫度達到后得到測試結果。圖2-5熱導率測試圓片實物圖

熱導率測試結果：樣本名稱導熱系數(shù)(w/mk)熱阻系數(shù)(km/w)EVA0.2593.856537104EVA_BN10%0.2973.370408058EVA_BN20%0.3233.095974922EVA_BN30%0.3452.895194054EVA_BN40%0.3972.521431923EVA_BN50%0.4192.387774944圖2-6導熱系數(shù)和熱阻系數(shù)數(shù)據(jù)圖圖2-7熱阻系數(shù)數(shù)據(jù)點線圖圖2-8導熱系數(shù)數(shù)據(jù)點線圖由圖得出結論：隨著BN摻雜的含量越來越高，BN/EVA復合材料的導熱系數(shù)越來越高，熱阻系數(shù)越來越低，摻雜BN能夠明顯提升EVA的導熱性能。2.2.3絕緣性測試使用ZC-7型絕緣電阻表對BN/EVA復合材料進行絕緣性測試。取一定量的BN/EVA復合材料，厚度約為0.1mm，將絕緣電阻表的兩極分別接觸上面與下面，隨后搖動絕緣電阻表把手，指針指向無窮大，說明此材料絕緣性較好。圖2-9絕緣電阻表儀器圖2.2.4紅外特性測試XRD測試：使用長度為拉斷力測試材料一半長度的材料進行XRD測試，XRD測試機為XRD-6100。圖2-10XRD測試材料和XRD測試儀實物圖03.組件的制備過程與特性測試3.1組件制作步驟步驟1：電池片的測試分選及激光劃片：選取156mm×156mm規(guī)格的電池片，利用激光切片機將整片的電池片切割成八塊68mm×32mm大小的電池片。步驟2：電池片單焊并檢驗：使用電絡鐵將焊條焊接在單個電池片前后的主柵線處，焊接應平直、牢固，無明顯凸起和曲折，并檢驗焊接后接觸是否良好。步驟3：電池片串焊并檢驗：將兩塊單焊好的電池片用焊條串接起來，焊接時要焊接牢固，不能有虛焊、脫焊情況，同時要注意保證電池片間的間距一致，焊接完成后檢查電池片能否使用。圖3-1焊接好的電池片實物圖步驟4：層疊敷設：本次組件制作選取的玻璃片規(guī)格為80mm×80mm，背板為BN含量為40%的PVDF。BN/EVA使用制作好的BN含量為10-50的膜，按照玻璃-普通EVA-電池片-BN/EVA-BN40%的PVDF從上而下順序層疊。步驟5：組件層壓：將敷設好的電池組件放入層壓機中，層壓機溫度設定為140℃，通過抽真空將組件內的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化并加壓使熔化的EVA流動充滿玻璃、電池片和PVDF背板膜之間的間隙，同時排出中間的氣泡，將電池片、玻璃和背板緊密粘合在一起。[11]步驟6：組件合格測試：對層壓好的電池組件進行電壓、電流及功率測試，檢驗是否存在缺陷，是否符合要求。圖3-2組件層疊順序圖圖3-3層壓好的組件實物圖3.2電氣特性測試使用模擬光源和太陽能電池測試儀對組件的電氣特性進行測試。同時組件的正背面還需連接溫度探頭，對正背面溫度進行采集，以方便查看組件的溫度變化。圖3-3模擬光源和太陽能電池測試儀設備圖打開模擬光源，調節(jié)輻照度大小，使其輻照度穩(wěn)定不變。將組件的正負極連接到太陽能電池測試儀上，隨后調節(jié)參數(shù)，將輻照度調至和模擬光源輻照度一致，使用太陽能電池測試儀的Autoscan功能測出組件的特性，在初始溫度、50℃、60℃時分別測試一次，并記錄好相應的數(shù)據(jù)。測試時保持每個組件放置的位置相同，以減小誤差。對數(shù)據(jù)進行整理得到以下結果：組件初始電氣參數(shù)參數(shù)EVABN10gBN20gBN30gBN40gBN50gUoc(V)1.3311.31.2521.3091.3151.297Isc(mA)575.1594.1574.6568.5609.7567.6Pmax(mW)475.9444.2303.8458.4490.7413.7FF0.6210.5750.4220.6160.6120.562Umax(V)0.970.9270.8180.9450.9660.889Imax(mA)490.7479.2371.5485.1508465.4輻照度930溫度32組件50℃電氣參數(shù)參數(shù)EVABN10gBN20gBN30gBN40gBN50gUoc(V)1.2671.2451.2211.2521.2791.239Isc(mA)579.9597577.8572612.1571.5Pmax(mW)442.3420.6298.1434470398FF0.6020.5650.4220.6060.60.562Umax(V)0.9230.9180.790.8910.9070.901Imax(mA)479.3458.2377.4487.2518.2441.8輻照度930溫度50組件60℃電氣參數(shù)參數(shù)EVABN10gBN20gBN30gBN40gBN50gUoc(V)1.2011.2141.1631.2181.2281.189Isc(mA)583.4603.3581.3586618.4575.7Pmax(mW)409.9400.9286410.1443.5377.9FF0.5850.5470.4230.5740.5840.552Umax(V)0.8630.8450.7540.840.8820.831Imax(mA)475474.5379.4488.3502.9454.8輻照度930溫度60由此表格可得結果：在相同的輻照度、測試條件下，隨著溫度的升高，組件的功率越來越低。3.3應用特性測試太陽能電池在進行光伏發(fā)電過程中會產生大量熱量使電池溫度升高，溫度越高效率就越低，溫度的升高大大降低了太陽能電池的效率，使其本就不高的轉化效率進一步降低。因此，組件的散熱能夠減少溫度對效率的影響。組件溫度測試：使用模擬光源、溫度變送器和數(shù)據(jù)采集器對組件正背面溫度進行測試。將溫度探頭粘在組件的正背面，溫度連接溫度變送器，溫度變送器連接數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集時采集間隔為1秒，從初始溫度（即放到模擬光源下開始時）一直采集到70℃，每塊組件放置的位置一致，以減少誤差，并保存好相應數(shù)據(jù)。圖3-4組件正背面溫度采集實驗圖對組件溫差進行分析，結果如圖3-5所示：圖3-5不同含量的BN/EVA組件正背面溫差圖由圖可得：隨著EVA中摻雜的BN含量越來越高，組件的正背面溫差也越來越大。因此BN/EVA復合導熱材料能夠提高導熱性能，提高組件的散熱能力，通過背面散熱，降低溫度對組件效率的影響。3.4老化測試3.4.1老化原理：乙烯－醋酸乙烯酯共聚物（EVA）導熱性能較差，且溫度升高會進一步促進EVA膠膜的黃變老化[11]濕熱試驗可以用來評估太陽電池組件在高溫、高濕環(huán)境下抗老化性能的有效方法，在組件的表面上施加大量水蒸汽，并將其驅動到了模塊中去，使組件的背板發(fā)生分層和脆化，以及焊帶、匯流條等內部的電氣連接部分發(fā)生腐蝕，還可以觀察到組件性能的退化，看其下降損失3.4.2大陽電池組件加速老化試驗和分析步驟1:把太陽能電池組件放入GDJS-100B高低溫交變濕熱試馳箱中，打開電源開關及補充干凈的水源在水箱之中，并每日補存已消耗的水，將溫度設置為75℃，濕度為85%，為組件制造一個濕熱、高紫外線的環(huán)境，以促進組件的老化。步驟2:濕熱100h后從高低溫交變濕熱箱中取出組件，觀察組件老化前后組件的外觀缺陷。步驟3:老化完成后的組件，對其再次進行溫差測試和電氣特性測試，并保存好相關數(shù)據(jù)。如圖3-6高低溫交變濕熱試驗箱步驟4:整理數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析其特性規(guī)律和畫出相關的圖形，最后計算出組件的老化率。04.結論本文通過介紹BN/EVA復合導熱材料組件的制備方法和特性分析，得出結論：機械制備法可以制備出高性能、高質量的BN/EVA復合導熱材料組件，該材料具有較高的熱傳導性能、機械強度和熱穩(wěn)定性能，并且其性能表現(xiàn)穩(wěn)定，使用此材料能夠提高太陽能電池組件的散熱能力，通過背板散熱降低組件溫度，減小溫度對太陽能電池組件效率的影響，從而提高組件效率，具有很好的應用前景。在未來的研究中，我們將進一步探索新型材料復合、制備工藝優(yōu)化等方面，以獲得更高性能、高質量的導熱材料，推動導熱材料領域的發(fā)展。參考文獻[1]李賓,李壯,鄭彬等.聚合物基導熱絕緣復合材料的性能及界面效應[J].華東理工大學學報(自然科學版),2008(02):219-224+241.DOI:10.14135/ki.1006-3080.2008.02.018.[2]申明霞,崔寅鑫,何輝,李紅香,陳慶民.高含量氧化鋁對EVA膠膜導熱性能的影響[J].高分子材料科學與工程,2009,25(10):38-41.DOI:10.16865/ki.1000-7555.2009.10.011.[3]姜建新.氮化硼及其導熱復合材料的制備研究[D].哈爾濱理工大學,2012.[4]孫林.高填充EVA功能復合膠膜的制備及性能研究[D].華東理工大學,2012.[5]MichaelD.Kempe,GaryJ.Jorgensen,KentM.Terwilliger,TomJ.McMahon,CherylE.Kennedy,TheodoreT.Borek.Aceticacidproductionandglasstransitionconcernswith[6]范文豹.光伏封裝用EVA導熱復合膠膜的制備與性能研究[D].浙江:浙江理工大學,2012.[7]郭賢明.光伏組件用EVA膠膜的改性技術研究進展[J].合成樹脂及塑料,2022,39(02):83-86.DOI:10.19825/j.issn.1002-1396.2022.02.20.[8]齊鍇亮,雷蕊英.光伏組件封裝用EVA膠膜的研究進展[J].粘接,2017,38(10):65-68.[9]盧洪寶,席曉軍.論太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理[J].企業(yè)家天地,2012(05):73-75.[10]傅家勤.光伏組件層壓機的加熱方式研究及發(fā)展趨勢展望[J].太陽能,2021,No.332(12):26-29.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20200826.03.[11]周小英,廖衛(wèi)兵,張發(fā)云等.光伏組