BNEVA复合导热太阳能电池组件设计与特性分析

楚雄师范学院新能源科学与工程（非师范）本科论文本科生毕业论文题目：BN/EVA复合导热太阳能电池组件设计与特性分析目录5820摘要 Ⅰ5820关键词 ⅠAbstract5820 ⅡKeywords5820 Ⅱ23094引言 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，随着化石能源的大量开发使用，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。发展可再生能源技术成为应对这些问题的重要方式，太阳能光伏发电成为了一种极具发展潜力的新能源，\o""近几年，我国光伏发电发展迅速，发电成本不断下降，安装规模也在迅速扩大。影响光伏发电效率的一个主要因素是温度效应。在光伏发电领域，仅有部分太阳光中的光能可被光伏组件所利用，只有不到15%的光能被太阳能电池转化为电能，而其余的大部分能量则被组件吸收，导致温度升高，从而降低了其转换效率。光伏组件的工作温度每升高1℃，发电效率降低0.4%[1]。同时，太阳能电池内部的温度过高，还会影响电池组件的使用寿命。因此，如何解决太阳能电池组件过热是一个很重要的问题，增加组件中EVA板块的热传导将能很大限度的进行散热，降低温度进而提升组件效率[2]。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。在硅片下方的EVA封装材料中添加

SiC、MgO

、AL2O3等纳米颗粒后，可以有效提升复合胶膜的导热性能[3]。孙林等[4]采用氧化镁为导热填料，制备出了一种具有较高导热系数的MgO/EVA导热绝缘复合胶膜，并对其导热性能、绝缘性能和粘结性进行了试验研究。研究发现，随着MgO含量的增大，MgO/EVA绝缘导热复合胶膜的热导率也随之增大。但是，在MgO含量高于50%之后，其绝缘性能和粘结性就越来越不能满足作为光伏封装材料的要求。沈明霞等[5]以氧化铝为导热填料，结果表明，Al2O3的掺杂，EVA胶膜的导热性能得到明显提升。褚路轩等[6]选取了粉状ZnO和晶须ZnO作为导热填充材料，制备了ZnO/EVA导热复合胶膜。最终得出，与粉状ZnO粒子相比，ZnO晶须具有更强的互相接触能力，使得其粘接性和结合力更强，从而使得ZnO/EVA复合胶膜的导热性得到进一步改善。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）热熔胶膜是一种低温黏接胶膜，具有良好的透光性，组成结构较均一，且密封良好，常温条件下无黏性，热压可以熔融黏结和交联固化，广泛应用于光伏组件、玻璃工艺品等行业。EVA胶膜能将光伏玻璃、电池片、背板粘在一起，对电池片有保护作用。制备光伏组件使用的EVA胶膜，其乙酸乙烯酯含量一般在28%～33%（w）［7］。太阳光中的大多数能量不能经过光伏组件形成光生电流，而是以非辐射的方式转变为热能，这些热能会导致光伏组件的温度升高，而

EVA

胶中的增塑剂、稳定剂等物质会在温度上升的同时迁移到EVA胶表面，EVA

材料的热稳定性下降，光伏组件效率随之下降[7]。所以，将高导热率材料添加到EVA胶膜中，对确保组件效率、使用可靠性等是很有帮助的[8]。增强聚合物材料的导热性能，加入导热性材料是很好的方法，通过向

EVA

中添加一定量的BN，可增大其热导率[9]。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，进一步提高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。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。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，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。氮化硼，一种高导热、高绝缘的材料，利用BN作为填料制备的BN/EVA导热胶膜具有高导热、高绝缘的特性。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重要材料之一。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。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。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CP413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高低温交变湿热试验箱SDS50BGKJ-2200*2200TYD-PD1PROVA-200AGDJS-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工艺步骤步骤1：所需原材料的称取：使用电子天平对EVA和BN粉末进行称量，分别选取五组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。选取聚偏氟乙烯（PVDF）60g与BN40g组合一组，作为背板材料。将称好的材料放入袋中，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，使用一定量干净的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60g，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1-5制备好的BN/EVA复合材料膜实物图图1-6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：掺杂量为百分之十时，拉断力迅速下降，大于百分之十后，拉断力平缓下降。当掺杂量到达百分之五十，拉断位移迅速减小，耐拉能力骤减。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2-4热导率测试图图2-5热导率测试圆片实物图

热导率测试结果：表2-1热导系数和热阻系数样本名称导热系数(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热阻系数数据点线图图2-7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。03.组件的制备过程与特性测试3.1组件设计组件设计为单玻类型，正面选材为玻璃，背板选用掺杂了40%BN的PVDF，电池片与玻璃之间的EVA为标准EVA，电池片与背板之间的材料为掺杂了不同浓度的BN/EVA复合导热胶膜。通过增加背面材料的导热能力，进一步使组件散热降温，提高效率。层叠时按图3-1所示结构层叠，并通过层压机的抽真空和压力实现组件各部分的紧密粘和。图3-1组件层叠顺序图3.2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3-2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：将层压机上层与下层温度设定为140℃，待温度到达，将层叠好的电池组件置于层压机内部，层压结束后取出进行修边处理[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3-3层压好的组件实物图3.3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3-4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：表3-1组件初始电气参数参数EVABN10gBN20gBN30gBN40gBN50gUoc(V)1.3311.3521.2721.3091.3151.318Isc(mA)575.1645.4672.9568.5609.7668.7Pmax(mW)475.9476.5466.4458.4490.7485.7FF0.6210.5460.5450.6160.6120.551Umax(V)0.970.9320.8650.9450.9660.886Imax(mA)490.7511.2539.3485.1508548.3辐照度930温度32表3-2组件50℃电气参数参数EVABN10gBN20gBN30gBN40gBN50gUoc(V)1.2671.2651.2391.2521.2791.265Isc(mA)579.9651.6690.3572612.1676.1Pmax(mW)442.3446.8440.9434470474FF0.6020.5420.5150.6060.60.554Umax(V)0.9230.8820.8480.8910.9070.884Imax(mA)479.3506.5520487.2518.2536.3辐照度930温度50表3-3组件60℃电气参数参数EVABN10gBN20gBN30gBN40gBN50gUoc(V)1.2011.2121.1321.2181.2461.262Isc(mA)583.4654693.6586619.7698.8Pmax(mW)409.9422.5418.5410.1451466FF0.5850.5330.5330.5740.5840.526Umax(V)0.8630.8420.8390.840.8640.882Imax(mA)475501.7498.8488.3522528.3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，组件的功率随着温度上升而下降。但随着掺杂的BN逐渐增多，组件功率下降的值逐渐减少。3.4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3-5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3-6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。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，使用此材料能够明显提高太阳能电池组件的导热性能，使用散热降温的方法，降低温度效应对组件效率的影响，实现提高组件效率的目的，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。参考文献左然‚施明恒‚王希麟．可再生能源概论［M］．北京：机械工业出版社‚2007：36.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.张立群,耿海萍,朱虹,马晓兵,伍社毛,吴崇刚,叶红玉.导热高分子材料的研究和开发进展[J].合成橡胶工业,1998(01):57-62.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.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].高分子材料科学与程,2009,25(10):38-41.DOI:10.16865/ki.1000-7555.2009.10.011.褚路轩,姚伯龙,李祥等.高填充ZnO对EVA胶膜导热性能的影响[J].化工新型材料,2012,40(09):143-145.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.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.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.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.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.周小英,廖卫兵,张发云等.光伏组件用乙烯-醋酸乙烯酯聚合物胶的老化及改性研究进展[J].宜春学院学报,2012,34(12):49-52..致谢总觉得来日方长，毕业遥遥可及。凡是过往，皆为序章，行文至此，思绪繁杂，全文将至，落笔为终。这一年，我二十三