BNEVA复合导热太阳能电池组件设计与特性分析

BN/EVA复合导热太阳能电池组件设计与特性分析引言当今社会，人类文明与科学技术快速发展，许多方面都得到了很大的突破，但随着化石能源的大量开发使用，也随之出现了许多问题，如生态环境破坏、大气污染、温室效应、全球变暖、海平面上升等各种问题。能源形式也正在向“新能源与可持续发展”演变。因此发展可再生能源技术成为应对这些问题的重要方式，太阳能光伏发电被认为是最有发展前景的可再生能源技术之一。近年来,光伏发电正在飞速发展，发电成本逐步降低，光伏组件安装量快速增加。效率影响因素：光伏发电的温度效应是制约光伏发电效率的重要因素，光伏组件只能利用太阳光中的光能部分，无法利用光热部分，只有不到15%的光能被太阳能电池电池利用转换成电能，剩余的大部分能量都不能被利用，太阳光的热能被组件吸收后能使太阳能组件的温度升高，且长时间保持高温状态。同时，太阳能电池在进行光伏发电过程中会产生大量热量使电池温度升高。而光伏组件的工作温度每升高1℃，发电效率降低0.45%。太阳能电池内部的温度过高，高温不仅会大幅降低电池的光电转化效率，还会影响电池组件的使用寿命[9]。因此，如何将太阳能电池组件内部的多余热量及时疏散成为一个十分重要而又有意义的课题。如果能提高组件中EVA胶膜的导热性，就可最大限度提高组件的散热性。SiC、ZnO、Al2O3等可改善EVA的导热性［1-5］。研究历程：相关学者提出通过对常规EVA材料掺杂改性以提高太阳能电池组件EVA膜的热导率，达到及时带走光伏组件发电产生的热量以降低其工作温度提高、发电效率的目的。乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）热熔胶膜是一种低温黏接胶膜，具有良好的透光性，常温条件下无黏性，热压可以熔融黏结和交联固化，广泛应用于光伏面板、玻璃工艺品等行业。应用于光伏组件的EVA胶膜，其乙酸乙烯酯含量在28%～33%（w）。EVA胶膜的主要作用是将光伏玻璃、电池片、背板黏在一起，起到保护电池片、隔绝空气的作用[6]。太阳光中的大部分能量并没有通过光伏组件产生光生电流，而是以非辐射的方式转变为热能，热量使光伏组件的温度升高，而

EVA

胶中的增塑剂和稳定剂会随着温度的升高而迁移到EVA胶表面，从而降低了

EVA

材料的热稳定性，光伏组件效率随之下降[7]。因此，在

EVA

胶中添加高热导率材料有利于保证组件的转化效率和使用可靠性。为了提高聚合物材料的热导率，可在其中加入一些导热性材料，在

EVA

材料中加入一定量的BN，可增大其热导率。有学者研究发现，在硅片下方的EVA封装材料中添加

SiC、ZnO

和BN

的纳米颗粒后，EVA材料的热导率分别升高了2.62、2.03和

1.85W·m－1·K－1,提高了组件的散热能力和光电转换效率[8]。应用前景：随着科技的不断发展，人们对导热材料的需求也越来越高，因此，寻求一种高性能、高质量的导热材料变得尤为重要，复合导热材料组件具有广阔的应用前景。BN/EVA复合导热材料能够提高导热性能，提高组件的散热能力，降低温度对组件效率的影响。本文以提高EVA胶膜导热性为目的，BN作为导热填料，通过对EVA掺杂不同含量的BN，最终实现提高EVA胶膜的导热性和热稳定性。并且组件背板选取PVDF作为背板材料，并对其进行BN的掺杂，进一步实现复合导热太阳能电池组件的散热能力，通过散热降温降低温度对组件效率的影响。01.复合导热材料的制备1.1实验材料EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）是一种常用的导热绝缘材料，具有温度稳定性好、韧性好、耐化学性强等特点。然而，单纯的EVA导热性能不够高，无法满足某些应用的要求。为了提高EVA导热性能和绝缘性能，我们尝试将其与其他材料进行复合制备。BN，属于半导体材料，它一般被用作高温、高压和高频场的绝缘材料，也常常被应用于制作高效热导材料和高强度的复合材料等。BN结构紧密稳定，硬度高，化学稳定性好，同时也是一种很好的电绝缘体材料，热传导性能高，因此是制造热导材料和绝缘材料的主要原料之一。BN作为填料掺入EVA中，可以有效提高EVA的热稳定性和耐候性，使其具有更好的耐高温、耐老化和耐紫外线等特性。2.

提高力学性能：BN的添加可以显著提高EVA的硬度、强度和耐磨性，同时降低EVA的变形和蠕变行为，从而增强EVA材料的力学性能。3.

发展新型功能材料：采用EVA掺杂BN的方法，可以研制出具有新型功能的材料，如导热、导电、阻燃、吸波等性能的EVA复合材料，在汽车、电子、建筑等领域有广泛的应用前景。4.

探究掺杂机理：研究EVA掺杂BN的机理，可以深入了解填料对EVA材料性能的影响，为研究和开发其他填料掺杂EVA复合材料提供理论基础和实验数据1.2实验仪器表1-1使用设备种类名称型号用途开炼机KY-3203B-60炼制BN/EVA复合材料压片机PC-15B制作实验样品片导热率测试仪（热流法）DRL-Ⅲ导热率测试智能电子拉力试验机CP413拉断力、剥离力测试电子天平0称量激光机半自动层压机模拟光源太阳能电池分析仪数据采集器真空干燥机高低温交变湿热试验箱SDS50BGKJ-2200*22000PROVA-200A00GDJS-100B电池片切割组件层压提供稳定的光照条件组件伏安特性测试采集、传输温度数据剥离力测试材料制备组件老化实验02.实验材料的制备过程2.1BN/EVA复合材料的制备过程将EVA和BN粉末按照一定比例混合均匀，将二者在高温下进行热压复合，制备出导热绝缘EVA复合材料。2.1.1工艺步骤选取五组EVA和BN的组合材料，一组纯EVA材料，组合材料每组两者的总质量为100g，EVA分别称取90g、80g、70g、60g、50g，BN分别称取50g、40g、30g、20g、10g，组成五个总重量为100g的组合。选取PVDF60g与BN40g组合一组，作为背板材料。因PVDF60g与BN40g组合的热导率、柔韧性等各项数据总体效果要好，故选取此组合。步骤1：不同质量的材料的称取：使用电子天平对EVA和BN粉末进行称量，称好的材料放入袋中，封装并贴标签。使用电子天平对PVDF粉末和BN粉末进行称量，称好后放入袋中，封装并贴标签。步骤2：使用开炼机进行BN/EVA复合材料的制备。开炼机前轴温度调至75℃，后轴温度调至79℃，前轮与后轮间隙不宜太大，避免倒入粉末时掉落。等待前后轮温度升到设置温度后，使用干净的EVA对开炼机的两个滚轮就行清洗，清洗后放入EVA90g，待EVA融化后倒入BN10g粉末，期间用铲子进行铲合，时长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，最后用铲子铲出，放凉装盒贴标签。随后进行剩余四个组合的制备，操作与第一个组合一致。BN/EVA五个组合的复合材料制备完成后，将前轴温度调至175℃，后轴温度调至180℃，待前后轮温度升到设置温度后，使用一定量的PVDF粉末对开炼机的两个滚轮就行清洗，清洗掉残留的EVA，清洗后放入PVDF粉末40g，待PVDF粉末融化后倒入BN40g粉末，期间用铲子进行铲合，时长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，最后用铲子铲出，放凉装盒贴标签。图1-1BN/EVA、BN/PVDF复合材料的制备图1-2制备好的BN/EVA、BN/PVDF复合材料实物图2.1.2导热率测试材料制备使用压片机对混炼成膜后的BN/EVA复合材料进行热压片处理。使用图1-3所示模具对热导率测试材料进行热压，模具厚度为1mm。图1-3热导率测试材料压片模具图

将压片机的温度设为65℃左右，等待温度升到所设温度的同时，利用电子天平分别称量不同BN含量10g-50g的EVA各8g放入盘中备用。在下加热平台上按一层耐高温PET→模具（模具中均匀放入称量好的BN/EVA材料）→PET的顺序放置，拧紧上加热平台，待温度达到设定温度后，拧紧压力阀，加压到10MPa左右，关闭加热，等待冷却。降温后，拧松压力阀、上加热平台，取出材料，得到55mm×75mm的样品。重复同样的步骤，将所有做好的样品装袋贴标签。

2.1.3拉断力测试材料的制备

使用压片机对拉断力实验材料进行制备。利用电子天平分别称量不同含量BN的EVA各0.6-0.9g左右，用如图1-4所示模具上述重复导热率测试材料制备步骤。得65mm×9mm的样品，将做好的样品装袋贴标签。图1-4拉断力测试材料压片模具图

2.1.4剥离力测试材料的制备使用压片机对拉断力实验材料进行制备。利用电子天平分别称量不同含量BN的EVA和纯EVA各0.8g，用如图1-5所示模具上述重复导热率测试材料制备步骤。得65mm×9mm的样品，将做好的样品装袋贴标签。样品压好后，选取宽度一致、长度为样品长度2倍和3倍的铝片各6块，每个样品使用不同长度的铝片各一块。使用酒精将铝片清洗干净后，将样品贴在铝片的一端，随后将另外一块铝片贴在样品上面，用夹子夹好，做好标记，其余样品使用同样方法。将真空干燥机温度设置为150℃，待温度达到后，关闭加热，放入制作好的样品进行抽真空，直至冷却至室温。最终得到剥离力测试样品。图1-5剥离力测试材料压片模具图

使用压片机对组件所需BN/EVA膜进行制备。利用电子天平分别称量不同含量BN的EVA各3.5g，用如图1-7所示模具上述重复导热率测试材料制备步骤。得65mm×9mm的样品，将做好的样品装袋贴标签2.1.4组件所需BN/EVA膜的制备使用压片机对组件所需BN/EVA膜进行制备。利用电子天平分别称量不同含量BN的EVA各3.5g，用如图1-7所示模具上述重复导热率测试材料制备步骤。得65mm×9mm的样品，将做好的样品装袋贴标签。图1-6制备好的BN/EVA复合材料膜实物图图1-7组件所需BN/EVA膜压片模具图2.2测试2.2.1力学特性测试拉断力测试：使用智能电子拉力测试仪对实验样品进行拉断力测试。将事先压好的材料规定在智能电子拉力测试仪上，将测试选项选为拉断力测试，保存参数，随后点击试验，直至材料被拉断，保存好相关数据后，对剩余材料按照同样步骤进行试验。图2-1拉断力测试图图2-2拉断位移大小结果图图2-3拉断力大小结果图对数据进行分析得：随着掺杂量的不断增加，拉断力值越来越小，拉升长度越来越小。剥离力测试：使用智能电子拉力测试仪对实验样品进行剥离力测试。将事先压好的材料规定在智能电子拉力测试仪上，将测试选项选为剥离力测试，保存参数，随后点击试验，直至材料被拉开，保存好相关数据后，对剩余材料按照同样步骤进行试验。图2-4剥离力测试图对数据进行分析得：2.2.2热学特性测试利用导热率测试仪对已定型的膜片进行导热率测试：取一定量的冰水混合物，将温度探头放入冰水混合物中，用剪子将已热压成型的样品剪成和导热率测试仪样品放置台一样大小的圆片，并用游标卡尺测量出其厚度，将厚度输入手动测量厚度中，随后将圆片放入导热率测试仪中，将热导率测试仪的热极温度设为50℃，点击开始加热，等待温度达到后得到测试结果。图2-5热导率测试圆片实物图

热导率测试结果：样本名称导热系数(w/mk)热阻系数(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图2-6导热系数和热阻系数数据图图2-7热阻系数数据点线图图2-8导热系数数据点线图由图得出结论：随着BN掺杂的含量越来越高，BN/EVA复合材料的导热系数越来越高，热阻系数越来越低，掺杂BN能够明显提升EVA的导热性能。2.2.3绝缘性测试使用ZC-7型绝缘电阻表对BN/EVA复合材料进行绝缘性测试。取一定量的BN/EVA复合材料，厚度约为0.1mm，将绝缘电阻表的两极分别接触上面与下面，随后摇动绝缘电阻表把手，指针指向无穷大，说明此材料绝缘性较好。图2-9绝缘电阻表仪器图2.2.4红外特性测试XRD测试：使用长度为拉断力测试材料一半长度的材料进行XRD测试，XRD测试机为XRD-6100。图2-10XRD测试材料和XRD测试仪实物图03.组件的制备过程与特性测试3.1组件制作步骤步骤1：电池片的测试分选及激光划片：选取156mm×156mm规格的电池片，利用激光切片机将整片的电池片切割成八块68mm×32mm大小的电池片。步骤2：电池片单焊并检验：使用电络铁将焊条焊接在单个电池片前后的主栅线处，焊接应平直、牢固，无明显凸起和曲折，并检验焊接后接触是否良好。步骤3：电池片串焊并检验：将两块单焊好的电池片用焊条串接起来，焊接时要焊接牢固，不能有虚焊、脱焊情况，同时要注意保证电池片间的间距一致，焊接完成后检查电池片能否使用。图3-1焊接好的电池片实物图步骤4：层叠敷设：本次组件制作选取的玻璃片规格为80mm×80mm，背板为BN含量为40%的PVDF。BN/EVA使用制作好的BN含量为10-50的膜，按照玻璃-普通EVA-电池片-BN/EVA-BN40%的PVDF从上而下顺序层叠。步骤5：组件层压：将敷设好的电池组件放入层压机中，层压机温度设定为140℃，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化并加压使熔化的EVA流动充满玻璃、电池片和PVDF背板膜之间的间隙，同时排出中间的气泡，将电池片、玻璃和背板紧密粘合在一起。[11]步骤6：组件合格测试：对层压好的电池组件进行电压、电流及功率测试，检验是否存在缺陷，是否符合要求。图3-2组件层叠顺序图图3-3层压好的组件实物图3.2电气特性测试使用模拟光源和太阳能电池测试仪对组件的电气特性进行测试。同时组件的正背面还需连接温度探头，对正背面温度进行采集，以方便查看组件的温度变化。图3-3模拟光源和太阳能电池测试仪设备图打开模拟光源，调节辐照度大小，使其辐照度稳定不变。将组件的正负极连接到太阳能电池测试仪上，随后调节参数，将辐照度调至和模拟光源辐照度一致，使用太阳能电池测试仪的Autoscan功能测出组件的特性，在初始温度、50℃、60℃时分别测试一次，并记录好相应的数据。测试时保持每个组件放置的位置相同，以减小误差。对数据进行整理得到以下结果：组件初始电气参数参数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辐照度930温度32组件50℃电气参数参数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辐照度930温度50组件60℃电气参数参数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辐照度930温度60由此表格可得结果：在相同的辐照度、测试条件下，随着温度的升高，组件的功率越来越低。3.3应用特性测试太阳能电池在进行光伏发电过程中会产生大量热量使电池温度升高，温度越高效率就越低，温度的升高大大降低了太阳能电池的效率，使其本就不高的转化效率进一步降低。因此，组件的散热能够减少温度对效率的影响。组件温度测试：使用模拟光源、温度变送器和数据采集器对组件正背面温度进行测试。将温度探头粘在组件的正背面，温度连接温度变送器，温度变送器连接数据采集器。数据采集时采集间隔为1秒，从初始温度（即放到模拟光源下开始时）一直采集到70℃，每块组件放置的位置一致，以减少误差，并保存好相应数据。图3-4组件正背面温度采集实验图对组件温差进行分析，结果如图3-5所示：图3-5不同含量的BN/EVA组件正背面温差图由图可得：随着EVA中掺杂的BN含量越来越高，组件的正背面温差也越来越大。因此BN/EVA复合导热材料能够提高导热性能，提高组件的散热能力，通过背面散热，降低温度对组件效率的影响。3.4老化测试3.4.1老化原理：乙烯－醋酸乙烯酯共聚物（EVA）导热性能较差，且温度升高会进一步促进EVA胶膜的黄变老化[11]湿热试验可以用来评估太阳电池组件在高温、高湿环境下抗老化性能的有效方法，在组件的表面上施加大量水蒸汽，并将其驱动到了模块中去，使组件的背板发生分层和脆化，以及焊带、汇流条等内部的电气连接部分发生腐蚀，还可以观察到组件性能的退化，看其下降损失3.4.2大阳电池组件加速老化试验和分析步骤1:把太阳能电池组件放入GDJS-100B高低温交变湿热试驰箱中，打开电源开关及补充干净的水源在水箱之中，并每日补存已消耗的水，将温度设置为75℃，湿度为85%，为组件制造一个湿热、高紫外线的环境，以促进组件的老化。步骤2:湿热100h后从高低温交变湿热箱中取出组件，观察组件老化前后组件的外观缺陷。步骤3:老化完成后的组件，对其再次进行温差测试和电气特性测试，并保存好相关数据。如图3-6高低温交变湿热试验箱步骤4:整理数据，并通过数据分析其特性规律和画出相关的图形，最后计算出组件的老化率。04.结论本文通过介绍BN/EVA复合导热材料组件的制备方法和特性分析，得出结论：机械制备法可以制备出高性能、高质量的BN/EVA复合导热材料组件，该材料具有较高的热传导性能、机械强度和热稳定性能，并且其性能表现稳定，使用此材料能够提高太阳能电池组件的散热能力，通过背板散热降低组件温度，减小温度对太阳能电池组件效率的影响，从而提高组件效率，具有很好的应用前景。在未来的研究中，我们将进一步探索新型材料复合、制备工艺优化等方面，以获得更高性能、高质量的导热材料，推动导热材料领域的发展。参考文献[1]李宾,李壮,郑彬等.聚合物基导热绝缘复合材料的性能及界面效应[J].华东理工大学学报(自然科学版),2008(02):219-224+241.DOI:10.14135/ki.1006-3080.2008.02.018.[2]申明霞,崔寅鑫,何辉,李红香,陈庆民.高含量氧化铝对EVA胶膜导热性能的影响[J].高分子材料科学与工程,2009,25(10):38-41.DOI:10.16865/ki.1000-7555.2009.10.011.[3]姜建新.氮化硼及其导热复合材料的制备研究[D].哈尔滨理工大学,2012.[4]孙林.高填充EVA功能复合胶膜的制备及性能研究[D].华东理工大学,2012.[5]MichaelD.Kempe,GaryJ.Jorgensen,KentM.Terwilliger,TomJ.McMahon,CherylE.Kennedy,TheodoreT.Borek.Aceticacidproductionandglasstransitionconcernswith[6]范文豹.光伏封装用EVA导热复合胶膜的制备与性能研究[D].浙江:浙江理工大学,2012.[7]郭贤明.光伏组件用EVA胶膜的改性技术研究进展[J].合成树脂及塑料,2022,39(02):83-86.DOI:10.19825/j.issn.1002-1396.2022.02.20.[8]齐锴亮,雷蕊英.光伏组件封装用EVA胶膜的研究进展[J].粘接,2017,38(10):65-68.[9]卢洪宝,席晓军.论太阳能光伏发电系统原理[J].企业家天地,2012(05):73-75.[10]傅家勤.光伏组件层压机的加热方式研究及发展趋势展望[J].太阳能,2021,No.332(12):26-29.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20200826.03.[11]周小英,廖卫兵,张发云等.光伏组