DSC法測層壓后EVA交聯(lián)度的可行性分析

常熟阿特斯陽光電力科技有限公司 ■ 許濤 張昌遠 吳潔 徐憫芷 萬俊鵬 陳道遠

一 引言

隨著環(huán)境污染和能源短缺問題日趨嚴重，太陽能作為一種綠色能源逐漸受到重視。太陽電池可以直接將太陽能轉化為電能，特別是隨著研究的深入和技術的改進，一些新材料應用到太陽電池組件中，使組件的光電轉化效率得到了較大提高[1～3]。

EVA(乙烯－醋酸乙烯共聚體)是目前太陽電池封裝工藝中最常用的材料，其主要功能有：封裝組件；連接玻璃與電池片、連接背板與電池片；阻礙外部環(huán)境對電池片的不利影響。

EVA是由聚乙烯(PE)和醋酸乙烯酯(VA)構成的一種熱塑性高分子材料，是線性分子結構的高聚物(圖1)，耐熱性差，易延展而彈性差，抗蠕變性差，易產(chǎn)生熱脹冷縮導致電池片碎裂。為提高太陽能組件性能，要對EVA進行改性，這就需要在EVA中加入各種不同的添加劑，其中交聯(lián)劑使EVA膠膜受熱發(fā)生交聯(lián)反應，形成一種三維網(wǎng)狀結構，提高其耐候性能[3,4]。

為確定EVA的交聯(lián)程度，太陽能行業(yè)主要采用二甲苯萃取法。二甲苯具有一定的毒性，且在萃取的過程中，未交聯(lián)的EVA溶解不充分或萃取時EVA繼續(xù)發(fā)生交聯(lián)反應，會導致測量的結果偏大。目前使用差示掃描量熱(DSC)法對EVA交聯(lián)程度的研究還不成熟，基本處于起步階段，相關報道較少。將上述兩種方法進行對比分析的更少[5～7]。本文主要分析了使用這兩種不同方法測試EVA交聯(lián)程度的差異，并研究了層壓時間對這兩種測量結果的影響。

二 實驗過程

1 實驗材料及設備

實驗中使用的材料主要有EVA膠膜、二甲苯、二叔丁基對甲酚、鋁坩堝。實驗中使用的設備主要有差示掃描量熱儀(Q2000)、層壓機、萃取爐、精密電子天平(精確度：0.01mg)、恒溫干燥箱等。

2 二甲苯萃取法

由于交聯(lián)前的EVA溶于二甲苯，而交聯(lián)后的EVA不溶于二甲苯，根據(jù)萃取前后EVA質量的變化可計算出EVA的交聯(lián)度[8]。

首先，將層壓后的EVA裁剪成2～4mm的小顆粒，并稱取0.15g，記錄下空鐵絲網(wǎng)袋質量W1及裝有EVA小顆粒后的鐵絲網(wǎng)袋質量W2，用銅絲固定鐵絲網(wǎng)袋，懸掛浸入二甲苯沸騰溶液中進行萃取，萃取時間持續(xù)3h左右。最后取出萃取好的網(wǎng)袋和EVA，烘干后稱量鐵絲網(wǎng)袋、剩余EVA質量W3，則交聯(lián)度(Gel Content)為：

3 DSC法

DSC法測量EVA固化度是利用EVA固化段的吸放熱不同，進行計算的一種方法。EVA在交聯(lián)的過程中，交聯(lián)劑(主要為過氧化物類)會受熱分解，促進交聯(lián)反應的進行。通過測量交聯(lián)前后過氧化物的含量可反映出交聯(lián)的程度。

首先，分別準確稱取10mg層壓前和層壓后的EVA放入實驗用的鋁坩堝中，壓緊后放入差示掃描量熱儀中，將一個空的鋁坩堝稱重后放入儀器中的參考盤位置，以10℃/min的升溫速率進行測試。測試層壓前EVA的熱焓值為△H0，層壓后EVA的熱焓值為△H1，則EVA的固化度(Curing Degree)為[9]：

三 結果與分析

1 檢測方法對測試結果的影響

將三塊不同的EVA樣品A、B、C(每塊大小約為70cm×70cm)分別進行層壓，改變層壓參數(shù)，使EVA的交聯(lián)度不同。取出層壓后的EVA樣品，在每個樣品的中心部位上取三個區(qū)域分別采用二甲苯萃取法和DSC法進行交聯(lián)程度的測試，測試結果見表1。從測試結果可以看到，三種樣品的固化度均比交聯(lián)度低，約為27.25%。采用二甲苯萃取法測試的結果比較穩(wěn)定，雖然樣品A的測試差異相對較大，但差異值僅為3%；而采用DSC法測試的三種樣品固化度卻存在較大的波動。由此可見，DSC法測得的結果沒有二甲苯萃取法穩(wěn)定。

2 層壓時間對測試結果影響

表1 不同樣品的兩種測試結果

EVA的交聯(lián)程度與層壓的參數(shù)有關[10]，不同的層壓時間對EVA的交聯(lián)程度的影響不同。為了研究層壓時間對交聯(lián)度和固化度測試結果的影響，在同一塊EVA原料中裁剪出若干份大小相同的樣品，保持層壓溫度不變，依次進行層壓。在每個樣品的中心部位上取三個區(qū)域分別采用二甲苯萃取法和DSC法進行交聯(lián)程度的測試，取三個區(qū)域測試結果的平均值得出三樣品的交聯(lián)度和固化度隨層壓時間變化趨勢，如圖2所示。

從圖2可以看到，交聯(lián)度與固化度隨著層壓時間的增加都呈現(xiàn)上升趨勢，最終趨于穩(wěn)定。二甲苯萃取法得到的交聯(lián)度在0～10min區(qū)間內呈上升趨勢，10min后基本趨于穩(wěn)定；而DSC法測得的固化度在0～25min內一直呈上升趨勢，25min后才趨于穩(wěn)定。在0～25min內，交聯(lián)度與固化度之間的差值從大到小變化，越來越接近，25min時兩者測試值基本相同，約為95%，但固化度略高于交聯(lián)度。繼續(xù)增加層壓時間，固化度值大于交聯(lián)度值，且增加幅度變大。

從圖2中還可以看出EVA的交聯(lián)反應在10min時基本達到了最大程度，故在10min后盡管層壓時間增加，但交聯(lián)反應趨近結束。但EVA中的交聯(lián)劑在層壓后仍然有剩余，Ezrin等人[11]發(fā)現(xiàn)約為30%。隨著層壓時間的增加，交聯(lián)度趨于穩(wěn)定，但由于EVA中剩余交聯(lián)劑會繼續(xù)受熱分解(△H1變小），導致固化度隨著層壓時間的增加而增大(△H0－△H1變大)。

3 DSC法測試EVA原料

層壓后的EVA中仍含有一定量的交聯(lián)劑，這說明EVA原料中的交聯(lián)劑含量超過了交聯(lián)反應所需的量。在交聯(lián)劑充足的情況下，如果其含量發(fā)生輕微的變化，DSC法測得的固化度也會隨之發(fā)生明顯的變化，而交聯(lián)度卻不會有明顯的變化。

DSC法可檢測EVA原料中的交聯(lián)劑含量，若測得的熱焓值越大，則表明EVA原料中的交聯(lián)劑含量越高。將160cm×100cm的EVA原料均分為160塊，每一小塊依次進行DSC測試，得到原料的平均熱焓值，再以每塊的測試結果與平均值進行對比，得到的差異分布如圖3所示。從圖3可以看出，EVA原料中交聯(lián)劑分布不均勻，故實際測試得到的熱焓值存在較大差異。本次實驗的160個測試值中最大值為16.21J/g，最小值為13.8J/g，與平均值的差異分別為7.75%、8.27%。因此，為提高DSC法測得固化度的準確性，須保證EVA原料中交聯(lián)劑能夠均勻分布。

四 結果與討論

采用二甲苯萃取法測得的交聯(lián)度與DSC法測得的固化度，并不滿足一定的規(guī)律，與層壓時間和交聯(lián)劑的含量有關。通過對EVA的原料進行交聯(lián)劑含量檢測發(fā)現(xiàn)EVA中交聯(lián)劑的含量分布不均勻，這雖然對交聯(lián)度不會造成太大的影響，但是對固化度的檢測影響非常大。因此使用DSC法測試EVA固化度，必須保證原料中的交聯(lián)劑分布均勻，并且層壓的時間必須相同。

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