低銀含量有機(jī)硅疊瓦導(dǎo)電膠的制備及其性能

董 波

（愛(ài)博斯迪科化學(xué)（上海）有限公司，上海 201200）

隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于能源的需求越來(lái)越大。傳統(tǒng)的火力發(fā)電對(duì)于環(huán)境污染較大，且消耗了大量的不可再生資源，所以并不符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，因此開(kāi)發(fā)新型綠色的能源成為人類(lèi)共同的目標(biāo)。太陽(yáng)能作為一種能源，儲(chǔ)量巨大，收集方便，并且綠色無(wú)污染，因此太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用近些年來(lái)備受人們的關(guān)注，而光伏發(fā)電則是人們對(duì)于太陽(yáng)能利用的最直接的方式之一[1]。

半導(dǎo)體界面能夠產(chǎn)生光伏效應(yīng)，這就是光伏發(fā)電的基本原理。單塊電池片的發(fā)電量很小，因此需要將許多單塊的電池片并聯(lián)或者串聯(lián)形成組件才能實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的工業(yè)價(jià)值。傳統(tǒng)的方式是使用錫鉛焊帶對(duì)光伏組件進(jìn)行封裝處理[2]，但是這種方式存在很大的局限性：①由于焊帶材質(zhì)與電池片材質(zhì)差異較大，因此在陽(yáng)光照射下熱脹冷縮的程度不同，極其容易在連接處產(chǎn)生應(yīng)力。由于應(yīng)力的存在，電池片厚度不能太薄，否則極易崩裂電池片。②焊帶不會(huì)產(chǎn)生光伏效應(yīng)，因此焊帶的存在會(huì)對(duì)電池片造成遮擋，從而降低發(fā)電效率。③焊帶是金屬材料，長(zhǎng)期的戶外使用極易造成焊帶的腐蝕，從而降低組件的使用壽命。④焊帶主要是錫鉛合金，在焊接過(guò)程中由于高溫會(huì)形成錫鉛蒸汽，對(duì)生產(chǎn)組件的工人造成一定的身體危害。

為了解決焊帶給組件帶來(lái)的一系列問(wèn)題，人們開(kāi)始研究無(wú)焊帶的光伏組件設(shè)計(jì)。后來(lái)使用導(dǎo)電膠黏接疊瓦組件的方式被越來(lái)越多的應(yīng)用起來(lái)[3]。而有機(jī)硅膠黏劑因?yàn)槠鋬?yōu)異的耐老化性能，低模量膨脹系數(shù)小，綠色無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)成為導(dǎo)電膠體系的首選材料[4-5]。

有機(jī)硅膠黏劑自身不導(dǎo)電，因此需要加入導(dǎo)電填料從而賦予其導(dǎo)電性能[6]。由于膠體本身的電阻大小對(duì)于光伏組件的發(fā)電功率影響較大，因此普遍需要使用金屬粉體作為導(dǎo)電填料才能滿足使用需求。常用的金屬導(dǎo)電粉主要有銀粉、鎳粉、鐵粉以及銅粉等[7]，而太陽(yáng)能組件使用基本在室外，因此通常選擇銀粉作為導(dǎo)電填料。因?yàn)殂y粉相比于其他金屬不容易被氧化和腐蝕，且銀的氧化物導(dǎo)電性良好，其他幾種金屬的氧化物基本不導(dǎo)電。但是銀粉的成本較高，因此如果能夠在滿足導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上降低銀粉用量，那么導(dǎo)電膠的成本就能大幅降低。目前普遍認(rèn)為導(dǎo)電膠的體積電阻率需要小于1×10-3Ω·cm才能夠滿足光伏組件的使用要求。目前市面上大多數(shù)導(dǎo)電膠的體積電阻率為了達(dá)到上述要求，通常銀含量在75%～85%。本文介紹了一種銀含量為64%～67%的導(dǎo)電膠并對(duì)其主要性能進(jìn)行測(cè)試和研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

①甲基乙烯基液體硅橡膠A，新安天玉有機(jī)硅有限公司；②甲基乙烯基液體硅橡膠B，新安天玉有機(jī)硅有限公司；③塊狀銀粉，粒徑5～15μm，日本同和控股（集團(tuán)）有限公司；④片狀銀粉，粒徑5～15μm，蘇州思美特表面材料科技有限公司；⑤球狀銀粉，粒徑20～100nm，上海超威納米科技有限公司；⑥γ甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，江西藍(lán)星星火有機(jī)硅有限公司；⑦癸基三甲氧基硅烷，信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社；⑧脫芳烴溶劑油，?？松梨冢虎峥ㄊ酱呋瘎?，2 000×10-6，上海賀利氏工業(yè)技術(shù)材料有限公司；⑩乙炔基環(huán)己醇，廣州大熙化工原材料有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)及表征儀器

①電子天平，NS-1000，深圳市漢普檢測(cè)儀器有限公司；②雙行星攪拌機(jī)，1L容積，羅斯（無(wú)錫）設(shè)備有限公司；③電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DZF6020，濟(jì)南歐萊博電子商務(wù)有限公司；④流變儀，MCR302，安東帕（上海）商貿(mào)有限公司；⑤高精度直流低電阻測(cè)試儀（微歐計(jì)），TH2516，東莞市鵬測(cè)電子科技有限公司；⑥邵氏硬度計(jì)，邵氏A型，揚(yáng)州市源峰檢測(cè)設(shè)備有限公司；⑦質(zhì)構(gòu)儀，CT3，長(zhǎng)沙靜坤儀器設(shè)備有限公司。

1.3 有機(jī)硅導(dǎo)電膠的制備

①使用電子天平稱取甲基乙烯基液體硅橡膠A和甲基乙烯基液體硅橡膠B各12phr放入攪拌釜中，再加入乙炔基環(huán)己醇0.3phr，攪拌均勻。②再稱取塊狀銀粉20phr、片狀銀粉40phr，納米球粉6phr以及6phr的γ甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和6phr的癸基三甲氧基硅烷依次加入攪拌釜中攪拌均勻。③稱取6.7phr的脫芳烴溶劑油加入攪拌釜中繼續(xù)攪拌。④隨后加入0.3phr的卡式催化劑，攪拌均勻。⑤最后抽真空出膠。具體配方如表1所示：

表1 導(dǎo)電膠配方

2 膠體性能測(cè)試表征

2.1 黏度測(cè)試

黏度是導(dǎo)電膠的一項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo)，黏度的大小直接影響施膠的工藝性能，不管是采用點(diǎn)膠工藝還是印刷工藝都需要導(dǎo)電膠具有合適的黏度。本實(shí)驗(yàn)使用安東帕的MCR302型流變儀進(jìn)行黏度測(cè)試。測(cè)試參數(shù)為：轉(zhuǎn)子直徑25mm，測(cè)試溫度25℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為每秒15°，每1秒一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（一般為60s）讀出讀數(shù)即可。本次實(shí)驗(yàn)配制的有機(jī)硅導(dǎo)電膠測(cè)試出的黏度為20Pa·s。

2.2 體積電阻率測(cè)試

體積電阻率是恒量導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能的決定性因素，可以說(shuō)評(píng)價(jià)一款導(dǎo)電膠的優(yōu)劣主要就是看其導(dǎo)電性能如何。本實(shí)驗(yàn)?zāi)z條的電阻使用微歐計(jì)進(jìn)行測(cè)試，膠條的長(zhǎng)度、寬度和厚度使用游標(biāo)卡尺測(cè)量。膠條制作方法為：在長(zhǎng)方體的模具中導(dǎo)入導(dǎo)電膠，注意不要混入氣泡。將裝有膠體的模具放入恒溫干燥箱中進(jìn)行加熱固化，條件為180℃，10min。固化完成后取出膠條放于室溫下自然冷卻，冷卻至室溫后進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試出膠條電阻值為R，膠條長(zhǎng)度為l，寬度為d，厚度為h。計(jì)算出膠條的體積電阻率p=R·l·d/h。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試出膠的體積電阻率為6.8×10-4Ω·cm。

2.3 黏接強(qiáng)度測(cè)試

除了體積電阻率之外，導(dǎo)電膠的對(duì)于電池片的黏接強(qiáng)度也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。導(dǎo)電膠主要是將一塊電池片的正銀柵線與另一塊電池片的背銀柵線黏接到一起，因此膠體的黏接基材主要為金屬銀。本實(shí)驗(yàn)將2mm×2mm的銀片黏接到銀基板上放入恒溫干燥箱中進(jìn)行加熱固化，條件為180℃，10min。固化完成后將其取出放于室溫下自然冷卻，冷卻至室溫后進(jìn)行性能測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)固定下方銀基板，然后使用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)上方4mm2的銀片施加一個(gè)平行于黏接面積的推力（剪切力）的方法測(cè)試膠對(duì)于銀基材的黏接力。當(dāng)銀片從銀基板上剝離時(shí)，記錄下剪切力為N。那么通過(guò)計(jì)算可以得到黏接強(qiáng)度P=N/S，S為黏接面積，即4mm2。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出膠的黏接強(qiáng)度為7.5MPa。

2.4 硬度測(cè)試

有機(jī)硅導(dǎo)電膠硬度相比于環(huán)氧導(dǎo)電膠和丙烯酸導(dǎo)電膠的硬度要小很多，因此只需要邵氏A硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量即可。導(dǎo)電膠的硬度通常是和模量成正比。硬度越大，模量越高，那么膠體吸收應(yīng)力的能力就越差。由于太陽(yáng)能電池片很脆，因此長(zhǎng)時(shí)間的戶外使用，晝夜溫差熱脹冷縮都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。較低的硬度和模量更適合于疊瓦組件的應(yīng)用要求。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試出有機(jī)硅導(dǎo)電膠的硬度為邵氏A硬度65。

3 總結(jié)與分析

本實(shí)驗(yàn)配制的有機(jī)硅導(dǎo)電膠性能總結(jié)如表2所示。

表2 有機(jī)硅導(dǎo)電膠性能總結(jié)

從表2中可以看出，本實(shí)驗(yàn)的有機(jī)硅導(dǎo)電膠各項(xiàng)性能指標(biāo)都比市售的一般的導(dǎo)電膠好很多，本文將會(huì)具體分析原因。

首先在銀含只有66%的情況下，體積電阻率只有6.8×10-4Ω·cm。一般的導(dǎo)電膠的體積電阻率想要小于10-3Ω·cm，一般銀含量都需要在75%以上。

塊狀銀粉、片狀銀粉和球狀銀粉的電阻由小到大應(yīng)該是塊狀銀粉＜片狀銀粉＜球狀銀粉。這主要是由于球粉之間主要是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的搭接，片粉之間只要是線與面以及部分的面與面的搭接，而塊狀銀粉之間基本上是面與面的搭接。但是本實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)電膠配方并沒(méi)有一味地為了電阻率而大量的使用塊狀銀粉，這主要是因?yàn)閴K狀銀粉之間相互的摩擦阻力比較大。這就意味著在同樣黏度的基膠中如果加入太多的塊狀銀粉，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電膠的黏度比較大，且有機(jī)硅基膠不容易完全浸潤(rùn)塊狀銀粉，因此本實(shí)驗(yàn)中片狀銀粉的用量最多，再輔以一定量的塊狀銀粉，可以大幅降低膠的體積電阻率。

一般來(lái)講，納米級(jí)的球粉如果單獨(dú)使用，體積電阻率會(huì)非常大。但是通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，少量的納米銀粉加入以微米片粉和微米塊粉為主體的體系中能夠進(jìn)一步降低整個(gè)體系的體積電阻率。這主要是因?yàn)榧{米球粉粒徑小，可以有效地填充塊狀銀粉和片狀銀粉搭接之后仍然存在的縫隙，從而進(jìn)一步增加搭接密度，提高填充效果。

因此，本實(shí)驗(yàn)中使用40%微米級(jí)的片狀銀粉加上20%微米級(jí)的快狀銀粉再加上6%納米級(jí)的球狀銀粉，就可以使得整個(gè)導(dǎo)電膠的體積電阻率降低至6.8×10-4Ω·cm。

隨著銀含量的下降，降低的不僅僅是整個(gè)導(dǎo)電膠的原料成本，膠體的其他方面的性能都會(huì)提升。

對(duì)于黏度來(lái)講，銀粉作為一種固體無(wú)機(jī)填料，其用量越多膠體的整體黏度就越大；反之，銀粉用量越少，體系的黏度越小。因此低銀含量的膠黏度往往比高銀含的膠黏度要低。而從一定程度上來(lái)說(shuō)，較低的黏度不管是對(duì)于生產(chǎn)工藝還是施膠工藝來(lái)說(shuō)都是有益的。

對(duì)于粘接強(qiáng)度來(lái)講，銀粉作為無(wú)機(jī)填料添加進(jìn)體系中去對(duì)于有機(jī)膠體而言會(huì)降低黏接力。因此低銀含的膠對(duì)于基材的黏接力比高銀含的膠要好。

銀含對(duì)于硬度的影響也是顯而易見(jiàn)的，銀粉作為一種金屬填料本身硬度較大，添加量越多則導(dǎo)電膠的整體硬度就越大。

4 結(jié)論

1）使用40%微米級(jí)的片狀銀粉加上20%微米級(jí)的塊狀銀粉再加上6%納米級(jí)的球狀銀粉就可以使得整個(gè)導(dǎo)電膠的體積電阻率降低至6.8×10-4Ω·cm。

2）較低的銀含量使得本實(shí)驗(yàn)調(diào)配的有機(jī)硅導(dǎo)電膠的黏度較低，低黏度有利于工廠的生產(chǎn)以及客戶的現(xiàn)場(chǎng)施膠。

3）較低的銀含量使得本實(shí)驗(yàn)調(diào)配的有機(jī)硅導(dǎo)電膠對(duì)于太陽(yáng)能電池片具有較好的黏接力，這對(duì)于客戶的組件質(zhì)量是一種更好的保證。

4）較低的銀含量使得本實(shí)驗(yàn)調(diào)配的有機(jī)硅導(dǎo)電膠硬度較低。而低硬度、低模量對(duì)于疊瓦組件的戶外使用可靠性是有益的。