太陽電池蓋片膠殘余應(yīng)力的分析

張淑嬌 等

摘 要：為了獲得太陽電池蓋片膠殘余應(yīng)力的影響因素，利用有限元分析軟件Nastran對(duì)太陽電池進(jìn)行了建模，通過力學(xué)和熱力耦合計(jì)算，分析了蓋片膠的厚度和固化溫度等因素對(duì)太陽電池殘余應(yīng)力的影響，并針對(duì)性的提出了相應(yīng)的控制方法和措施。

關(guān)鍵詞：太陽電池；蓋片膠；殘余應(yīng)力；仿真

目前，全世界已發(fā)射的航天器大多采用空間太陽電池陣作為電源系統(tǒng)主電源。太陽電池陣處于地球150km以外的宇宙空間，環(huán)境非常惡劣，影響因素通常包括熱環(huán)境、輻射環(huán)境、原子氧、空間等離子體、紫外線等，其中輻射環(huán)境是影響太陽電池性能的主要因素之一。為了減少空間粒子等輻射環(huán)境對(duì)太陽電池的影響，在太陽電池布貼前，必須進(jìn)行抗輻射玻璃蓋片的封裝操作，以達(dá)到保護(hù)太陽電池的目的。其中，蓋片膠是實(shí)現(xiàn)電池與玻璃蓋片封裝必備的粘貼材料。

在電池與蓋片粘貼過程中，由于蓋片膠固化前后的形變和固化前后溫度差異，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可能導(dǎo)致太陽電池在生產(chǎn)過程中殘余應(yīng)力過大，出現(xiàn)電池開裂、蓋片開裂的現(xiàn)象。

為了明確蓋片膠對(duì)太陽電池片開裂的影響，由于電池片成本很高，本文利用有限元軟件Nastran，針對(duì)蓋片膠進(jìn)行模擬仿真分析。分析和研究蓋片膠的厚度、固化溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，從而分析出可行的變化規(guī)律，以優(yōu)化工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

1 實(shí)驗(yàn)過程

針對(duì)實(shí)際工程的物理模型，通過有限元分析軟件Nastran構(gòu)建有限元分析模型，加載邊界條件，進(jìn)行力和熱力耦合分析，找出太陽電池殘余應(yīng)力的影響因素。

1.1 建立模型

有限元模型的構(gòu)建基于太陽電池的物理模型。如圖1所示，太陽電池為多層結(jié)構(gòu)材料，主要由三層構(gòu)成，分別是蓋片、蓋片膠和電池片，每層厚度如圖中所示。

由于太陽電池的模型在長寬方向與厚度方向形成較大的長度比例，如按照真實(shí)的物理模型進(jìn)行建模，容易造成網(wǎng)格畸變，網(wǎng)格數(shù)量過多，對(duì)計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間都會(huì)造成影響。同時(shí)考慮到太陽電池為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)太陽電池的四分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，同樣可以得到比較準(zhǔn)確的整體模型的分析結(jié)果。因此，在建立有限元模型時(shí)進(jìn)行簡化，最終利用Nastran軟件建立了10 mm×15 mm×0.4 mm的三維有限元模型，如圖2所示。

太陽電池中建模時(shí)各材料的參數(shù)如表1所示。

1.2 邊界條件

蓋片膠的固化過程實(shí)際包括本身形態(tài)的變化（由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)），彈性模量的變化，由于固化工藝引起的溫度的變化，這三方面的變化成為了模塊在蓋片膠固化過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的主要來源。

1.2.1 對(duì)蓋片膠形變的加載

對(duì)蓋片膠施加位移載荷，位移量由蓋片膠體積變化量與蓋片膠的表面積的比決定，并對(duì)位移變量擬合時(shí)間函數(shù)曲線，如圖3所示，90%的位移量發(fā)生在前20 min。位移方向?yàn)樯w片方向，即對(duì)蓋片形成擠壓作用。這樣，我們就完成了將蓋片膠固化過程對(duì)模塊造成的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)化為蓋片膠產(chǎn)生形變?cè)斐蓺堄鄳?yīng)力。

1.2.2 對(duì)蓋片膠性能的加載

這一過程的物理特性變化，進(jìn)行了最為簡單的簡化假設(shè)，即認(rèn)為蓋片膠在整個(gè)固化過程中遵循彈性形變的規(guī)律，符合胡克定律，可以作為彈性體進(jìn)行處理。同時(shí)，假設(shè)彈性模量呈均勻的直線變化，即由一個(gè)較低的彈性模量變化到膠體固化后正常的彈性模量（圖4）。

1.2.3 膨脹系數(shù)不匹配的加載

太陽電池模塊由多種不同材料組成，而各部分材料的熱膨脹系數(shù)不同，以溫度的變化作為加載條件，將模塊的初始溫度設(shè)為60 ℃，而程序結(jié)束溫度為20 ℃。這樣溫度上的差異，對(duì)軟件來說就能計(jì)算出各部分材料熱脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 蓋片膠厚度對(duì)太陽電池殘余應(yīng)力的影響

通過有限元軟件計(jì)算得到的電池及蓋片的應(yīng)力情況分布如圖5所示。

（a）電池上的殘余應(yīng)力分布 （b）蓋片上殘余應(yīng)力的分布

圖5 電池及蓋片應(yīng)力情況分布

由圖5可得，無論是電池還是蓋片，容易在邊角處產(chǎn)生殘余應(yīng)力的集中，其他地方殘余應(yīng)力分布比較均勻。

為研究蓋片膠厚度對(duì)太陽電池殘余應(yīng)力的影響，用Nastran軟件參數(shù)化分析蓋片膠厚度分別為0.2 b倍、b倍、2 b倍、5 b倍時(shí)得出的電池和蓋片上的殘余應(yīng)力最大值隨蓋片膠厚度的變化規(guī)律如下：

由圖6得，電池和蓋片上的最大殘余應(yīng)力值都隨著蓋片膠厚度的增大而增大，但當(dāng)厚度達(dá)到一定程度以后，對(duì)電池上殘余應(yīng)力的影響變大，對(duì)應(yīng)的斜率上升；對(duì)蓋片上的殘余應(yīng)力影響變小，對(duì)應(yīng)斜率下降。

2.2 蓋片膠固化溫度對(duì)太陽電池殘余應(yīng)力的影響

為了研究不同的固化溫度對(duì)太陽電池殘余應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)了40℃、60℃、80℃和100 ℃四種溫度條件。在四種溫度條件下，電池和蓋片上的最大殘余應(yīng)力值隨固化溫度的變化規(guī)律如圖7。

由圖7得，隨著固化溫度的增大，電池和蓋片上的最大殘余應(yīng)力值略有增加，針對(duì)該增大趨勢(shì)，求解最大殘余應(yīng)力y（GPa）對(duì)固化溫度x（℃）的擬合方程。

紅線代表電池片上的殘余應(yīng)力擬合的方程為：

y=0.00004x+0.0027（40黑線代表蓋片上的殘余應(yīng)力擬合的方程為：

y=0.001x+0.195（40

從以上幾組表格里的數(shù)據(jù)，可以看到，蓋片膠的厚度對(duì)最終的殘余應(yīng)力值影響較大，而固化溫度對(duì)最終殘余應(yīng)力的影響甚微。因此，在電池粘接蓋片過程中，首要改善的因素為蓋片膠的厚度。

2.4 改善措施及工藝參數(shù)的優(yōu)化

利用電池片和蓋片的斷裂強(qiáng)度作為判據(jù)，可以得到較理想的蓋片膠厚度的工藝參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)可知，蓋片的斷裂強(qiáng)度為200MPa，而電池片的斷裂強(qiáng)度為40MPa。通過表2數(shù)據(jù)可知：

電池方面：

在不改變其他工藝條件的情況下，蓋片膠厚度為b倍時(shí)，電池最大殘余應(yīng)力0.025GPa，最大殘余應(yīng)力的值小于電池的斷裂強(qiáng)度（0.04 GPa），因此電池在蓋片膠固化過程中不容易產(chǎn)生裂紋。

蓋片方面：

蓋片膠厚度為b倍時(shí)，蓋片最大殘余應(yīng)力為0.25 GPa，最大殘余應(yīng)力值略高于蓋片的斷裂強(qiáng)度（0.2 GPa），因此蓋片在蓋片膠固化過程中可能產(chǎn)生裂紋。

利用圖4中的數(shù)據(jù)曲線，通過數(shù)據(jù)擬合分析的方法，可以得知，當(dāng)將蓋片膠厚度降低為0.6b倍原始厚度時(shí)，蓋片上的最大殘余應(yīng)力值不會(huì)超過蓋片的斷裂強(qiáng)度。

因此，降低蓋片膠厚度至0.6 b倍原始厚度時(shí)，在生產(chǎn)過程中能夠有效降低蓋片的殘余應(yīng)力、控制太陽電池開裂、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約調(diào)試成本。

3 結(jié)論

由上述仿真分析可知，在蓋片膠對(duì)太陽電池殘余應(yīng)力的影響因素中，蓋片膠厚度對(duì)于電池片殘余應(yīng)力的影響較大，而固化溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響較小。該仿真成果明確了工藝優(yōu)化方向，優(yōu)化了工藝參數(shù)，采用0.6 b倍蓋片膠原始厚度的工藝參數(shù)，可以保證在粘接強(qiáng)度達(dá)標(biāo)以及電池與蓋片不脫層的前提下，有效降低蓋片的殘余應(yīng)力、控制太陽電池開裂、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約調(diào)試成本。

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