低银含量有机硅叠瓦导电胶的制备及其性能

2021-05-26董波

化工设计通讯 2021年5期

董波

（爱博斯迪科化学（上海）有限公司，上海 201200）

随着人类社会的不断发展，人们对于能源的需求越来越大。传统的火力发电对于环境污染较大，且消耗了大量的不可再生资源，所以并不符合可持续发展的战略要求，因此开发新型绿色的能源成为人类共同的目标。太阳能作为一种能源，储量巨大，收集方便，并且绿色无污染，因此太阳能的开发和利用近些年来备受人们的关注，而光伏发电则是人们对于太阳能利用的最直接的方式之一[1]。

半导体界面能够产生光伏效应，这就是光伏发电的基本原理。单块电池片的发电量很小，因此需要将许多单块的电池片并联或者串联形成组件才能实现光伏发电的工业价值。传统的方式是使用锡铅焊带对光伏组件进行封装处理[2]，但是这种方式存在很大的局限性：①由于焊带材质与电池片材质差异较大，因此在阳光照射下热胀冷缩的程度不同，极其容易在连接处产生应力。由于应力的存在，电池片厚度不能太薄，否则极易崩裂电池片。②焊带不会产生光伏效应，因此焊带的存在会对电池片造成遮挡，从而降低发电效率。③焊带是金属材料，长期的户外使用极易造成焊带的腐蚀，从而降低组件的使用寿命。④焊带主要是锡铅合金，在焊接过程中由于高温会形成锡铅蒸汽，对生产组件的工人造成一定的身体危害。

为了解决焊带给组件带来的一系列问题，人们开始研究无焊带的光伏组件设计。后来使用导电胶黏接叠瓦组件的方式被越来越多的应用起来[3]。而有机硅胶黏剂因为其优异的耐老化性能，低模量膨胀系数小，绿色无污染等一系列优点成为导电胶体系的首选材料[4-5]。

有机硅胶黏剂自身不导电，因此需要加入导电填料从而赋予其导电性能[6]。由于胶体本身的电阻大小对于光伏组件的发电功率影响较大，因此普遍需要使用金属粉体作为导电填料才能满足使用需求。常用的金属导电粉主要有银粉、镍粉、铁粉以及铜粉等[7]，而太阳能组件使用基本在室外，因此通常选择银粉作为导电填料。因为银粉相比于其他金属不容易被氧化和腐蚀，且银的氧化物导电性良好，其他几种金属的氧化物基本不导电。但是银粉的成本较高，因此如果能够在满足导电性能的基础上降低银粉用量，那么导电胶的成本就能大幅降低。目前普遍认为导电胶的体积电阻率需要小于1×10-3Ω·cm才能够满足光伏组件的使用要求。目前市面上大多数导电胶的体积电阻率为了达到上述要求，通常银含量在75%～85%。本文介绍了一种银含量为64%～67%的导电胶并对其主要性能进行测试和研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

①甲基乙烯基液体硅橡胶A，新安天玉有机硅有限公司；②甲基乙烯基液体硅橡胶B，新安天玉有机硅有限公司；③块状银粉，粒径5～15μm，日本同和控股（集团）有限公司；④片状银粉，粒径5～15μm，苏州思美特表面材料科技有限公司；⑤球状银粉，粒径20～100nm，上海超威纳米科技有限公司；⑥γ甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，江西蓝星星火有机硅有限公司；⑦癸基三甲氧基硅烷，信越化学工业株式会社；⑧脱芳烃溶剂油，埃克森美孚；⑨卡式催化剂，2 000×10-6，上海贺利氏工业技术材料有限公司；⑩乙炔基环己醇，广州大熙化工原材料有限公司。

1.2 实验及表征仪器

①电子天平，NS-1000，深圳市汉普检测仪器有限公司；②双行星搅拌机，1L容积，罗斯（无锡）设备有限公司；③电热恒温鼓风干燥箱，DZF6020，济南欧莱博电子商务有限公司；④流变仪，MCR302，安东帕（上海）商贸有限公司；⑤高精度直流低电阻测试仪（微欧计），TH2516，东莞市鹏测电子科技有限公司；⑥邵氏硬度计，邵氏A型，扬州市源峰检测设备有限公司；⑦质构仪，CT3，长沙静坤仪器设备有限公司。

1.3 有机硅导电胶的制备

①使用电子天平称取甲基乙烯基液体硅橡胶A和甲基乙烯基液体硅橡胶B各12phr放入搅拌釜中，再加入乙炔基环己醇0.3phr，搅拌均匀。②再称取块状银粉20phr、片状银粉40phr，纳米球粉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搅拌釜中搅拌均匀。③称取6.7phr的脱芳烃溶剂油加入搅拌釜中继续搅拌。④随后加入0.3phr的卡式催化剂，搅拌均匀。⑤最后抽真空出胶。具体配方如表1所示：

表1 导电胶配方

2 胶体性能测试表征

2.1 黏度测试

黏度是导电胶的一项重要参数指标，黏度的大小直接影响施胶的工艺性能，不管是采用点胶工艺还是印刷工艺都需要导电胶具有合适的黏度。本实验使用安东帕的MCR302型流变仪进行黏度测试。测试参数为：转子直径25mm，测试温度25℃，转子转速为每秒15°，每1秒一个测试数据。当测试数据稳定后（一般为60s）读出读数即可。本次实验配制的有机硅导电胶测试出的黏度为20Pa·s。

2.2 体积电阻率测试

体积电阻率是恒量导电胶导电性能的决定性因素，可以说评价一款导电胶的优劣主要就是看其导电性能如何。本实验胶条的电阻使用微欧计进行测试，胶条的长度、宽度和厚度使用游标卡尺测量。胶条制作方法为：在长方体的模具中导入导电胶，注意不要混入气泡。将装有胶体的模具放入恒温干燥箱中进行加热固化，条件为180℃，10min。固化完成后取出胶条放于室温下自然冷却，冷却至室温后进行性能测试。测试出胶条电阻值为R，胶条长度为l，宽度为d，厚度为h。计算出胶条的体积电阻率p=R·l·d/h。本实验测试出胶的体积电阻率为6.8×10-4Ω·cm。

2.3 黏接强度测试

除了体积电阻率之外，导电胶的对于电池片的黏接强度也是一项重要指标。导电胶主要是将一块电池片的正银栅线与另一块电池片的背银栅线黏接到一起，因此胶体的黏接基材主要为金属银。本实验将2mm×2mm的银片黏接到银基板上放入恒温干燥箱中进行加热固化，条件为180℃，10min。固化完成后将其取出放于室温下自然冷却，冷却至室温后进行性能测试。本实验通过固定下方银基板，然后使用质构仪对上方4mm2的银片施加一个平行于黏接面积的推力（剪切力）的方法测试胶对于银基材的黏接力。当银片从银基板上剥离时，记录下剪切力为N。那么通过计算可以得到黏接强度P=N/S，S为黏接面积，即4mm2。本次实验测试得出胶的黏接强度为7.5MPa。

2.4 硬度测试

有机硅导电胶硬度相比于环氧导电胶和丙烯酸导电胶的硬度要小很多，因此只需要邵氏A硬度计进行测量即可。导电胶的硬度通常是和模量成正比。硬度越大，模量越高，那么胶体吸收应力的能力就越差。由于太阳能电池片很脆，因此长时间的户外使用，昼夜温差热胀冷缩都会产生应力。较低的硬度和模量更适合于叠瓦组件的应用要求。本实验测试出有机硅导电胶的硬度为邵氏A硬度65。

3 总结与分析

本实验配制的有机硅导电胶性能总结如表2所示。

表2 有机硅导电胶性能总结

从表2中可以看出，本实验的有机硅导电胶各项性能指标都比市售的一般的导电胶好很多，本文将会具体分析原因。

首先在银含只有66%的情况下，体积电阻率只有6.8×10-4Ω·cm。一般的导电胶的体积电阻率想要小于10-3Ω·cm，一般银含量都需要在75%以上。

块状银粉、片状银粉和球状银粉的电阻由小到大应该是块状银粉＜片状银粉＜球状银粉。这主要是由于球粉之间主要是点对点的搭接，片粉之间只要是线与面以及部分的面与面的搭接，而块状银粉之间基本上是面与面的搭接。但是本实验的导电胶配方并没有一味地为了电阻率而大量的使用块状银粉，这主要是因为块状银粉之间相互的摩擦阻力比较大。这就意味着在同样黏度的基胶中如果加入太多的块状银粉，会导致导电胶的黏度比较大，且有机硅基胶不容易完全浸润块状银粉，因此本实验中片状银粉的用量最多，再辅以一定量的块状银粉，可以大幅降低胶的体积电阻率。

一般来讲，纳米级的球粉如果单独使用，体积电阻率会非常大。但是通过研究发现，少量的纳米银粉加入以微米片粉和微米块粉为主体的体系中能够进一步降低整个体系的体积电阻率。这主要是因为纳米球粉粒径小，可以有效地填充块状银粉和片状银粉搭接之后仍然存在的缝隙，从而进一步增加搭接密度，提高填充效果。

因此，本实验中使用40%微米级的片状银粉加上20%微米级的快状银粉再加上6%纳米级的球状银粉，就可以使得整个导电胶的体积电阻率降低至6.8×10-4Ω·cm。

随着银含量的下降，降低的不仅仅是整个导电胶的原料成本，胶体的其他方面的性能都会提升。

对于黏度来讲，银粉作为一种固体无机填料，其用量越多胶体的整体黏度就越大；反之，银粉用量越少，体系的黏度越小。因此低银含量的胶黏度往往比高银含的胶黏度要低。而从一定程度上来说，较低的黏度不管是对于生产工艺还是施胶工艺来说都是有益的。

对于粘接强度来讲，银粉作为无机填料添加进体系中去对于有机胶体而言会降低黏接力。因此低银含的胶对于基材的黏接力比高银含的胶要好。

银含对于硬度的影响也是显而易见的，银粉作为一种金属填料本身硬度较大，添加量越多则导电胶的整体硬度就越大。