低銀含量有機硅疊瓦導電膠的制備及其性能

董 波

（愛博斯迪科化學（上海）有限公司，上海 201200）

隨著人類社會的不斷發展，人們對于能源的需求越來越大。傳統的火力發電對于環境污染較大，且消耗了大量的不可再生資源，所以并不符合可持續發展的戰略要求，因此開發新型綠色的能源成為人類共同的目標。太陽能作為一種能源，儲量巨大，收集方便，并且綠色無污染，因此太陽能的開發和利用近些年來備受人們的關注，而光伏發電則是人們對于太陽能利用的最直接的方式之一[1]。

半導體界面能夠產生光伏效應，這就是光伏發電的基本原理。單塊電池片的發電量很小，因此需要將許多單塊的電池片并聯或者串聯形成組件才能實現光伏發電的工業價值。傳統的方式是使用錫鉛焊帶對光伏組件進行封裝處理[2]，但是這種方式存在很大的局限性：①由于焊帶材質與電池片材質差異較大，因此在陽光照射下熱脹冷縮的程度不同，極其容易在連接處產生應力。由于應力的存在，電池片厚度不能太薄，否則極易崩裂電池片。②焊帶不會產生光伏效應，因此焊帶的存在會對電池片造成遮擋，從而降低發電效率。③焊帶是金屬材料，長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，在焊接過程中由于高溫會形成錫鉛蒸汽，對生產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的一系列問題，人們開始研究無焊帶的光伏組件設計。后來使用導電膠黏接疊瓦組件的方式被越來越多的應用起來[3]。而有機硅膠黏劑因為其優異的耐老化性能，低模量膨脹系數小，綠色無污染等一系列優點成為導電膠體系的首選材料[4-5]。

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

1 實驗部分

1.1 主要原料

①甲基乙烯基液體硅橡膠A，新安天玉有機硅有限公司；②甲基乙烯基液體硅橡膠B，新安天玉有機硅有限公司；③塊狀銀粉，粒徑5～15μm，日本同和控股（集團）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，江西藍星星火有機硅有限公司；⑦癸基三甲氧基硅烷，信越化學工業株式會社；⑧脫芳烴溶劑油，?？松梨?；⑨卡式催化劑，2 000×10-6，上海賀利氏工業技術材料有限公司；⑩乙炔基環己醇，廣州大熙化工原材料有限公司。

1.2 實驗及表征儀器

①電子天平，NS-1000，深圳市漢普檢測儀器有限公司；②雙行星攪拌機，1L容積，羅斯（無錫）設備有限公司；③電熱恒溫鼓風干燥箱，DZF6020，濟南歐萊博電子商務有限公司；④流變儀，MCR302，安東帕（上海）商貿有限公司；⑤高精度直流低電阻測試儀（微歐計），TH2516，東莞市鵬測電子科技有限公司；⑥邵氏硬度計，邵氏A型，揚州市源峰檢測設備有限公司；⑦質構儀，CT3，長沙靜坤儀器設備有限公司。

1.3 有機硅導電膠的制備

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 導電膠配方

2 膠體性能測試表征

2.1 黏度測試

黏度是導電膠的一項重要參數指標，黏度的大小直接影響施膠的工藝性能，不管是采用點膠工藝還是印刷工藝都需要導電膠具有合適的黏度。本實驗使用安東帕的MCR302型流變儀進行黏度測試。測試參數為：轉子直徑25mm，測試溫度25℃，轉子轉速為每秒15°，每1秒一個測試數據。當測試數據穩定后（一般為60s）讀出讀數即可。本次實驗配制的有機硅導電膠測試出的黏度為20Pa·s。

2.2 體積電阻率測試

體積電阻率是恒量導電膠導電性能的決定性因素，可以說評價一款導電膠的優劣主要就是看其導電性能如何。本實驗膠條的電阻使用微歐計進行測試，膠條的長度、寬度和厚度使用游標卡尺測量。膠條制作方法為：在長方體的模具中導入導電膠，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，冷卻至室溫后進行性能測試。測試出膠條電阻值為R，膠條長度為l，寬度為d，厚度為h。計算出膠條的體積電阻率p=R·l·d/h。本實驗測試出膠的體積電阻率為6.8×10-4Ω·cm。

2.3 黏接強度測試

除了體積電阻率之外，導電膠的對于電池片的黏接強度也是一項重要指標。導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。本實驗將2mm×2mm的銀片黏接到銀基板上放入恒溫干燥箱中進行加熱固化，條件為180℃，10min。固化完成后將其取出放于室溫下自然冷卻，冷卻至室溫后進行性能測試。本實驗通過固定下方銀基板，然后使用質構儀對上方4mm2的銀片施加一個平行于黏接面積的推力（剪切力）的方法測試膠對于銀基材的黏接力。當銀片從銀基板上剝離時，記錄下剪切力為N。那么通過計算可以得到黏接強度P=N/S，S為黏接面積，即4mm2。本次實驗測試得出膠的黏接強度為7.5MPa。

2.4 硬度測試

有機硅導電膠硬度相比于環氧導電膠和丙烯酸導電膠的硬度要小很多，因此只需要邵氏A硬度計進行測量即可。導電膠的硬度通常是和模量成正比。硬度越大，模量越高，那么膠體吸收應力的能力就越差。由于太陽能電池片很脆，因此長時間的戶外使用，晝夜溫差熱脹冷縮都會產生應力。較低的硬度和模量更適合于疊瓦組件的應用要求。本實驗測試出有機硅導電膠的硬度為邵氏A硬度65。

3 總結與分析

本實驗配制的有機硅導電膠性能總結如表2所示。

表2 有機硅導電膠性能總結

從表2中可以看出，本實驗的有機硅導電膠各項性能指標都比市售的一般的導電膠好很多，本文將會具體分析原因。

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對點的搭接，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。但是本實驗的導電膠配方并沒有一味地為了電阻率而大量的使用塊狀銀粉，這主要是因為塊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，會導致導電膠的黏度比較大，且有機硅基膠不容易完全浸潤塊狀銀粉，因此本實驗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。

一般來講，納米級的球粉如果單獨使用，體積電阻率會非常大。但是通過研究發現，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一步降低整個體系的體積電阻率。這主要是因為納米球粉粒徑小，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，從而進一步增加搭接密度，提高填充效果。

因此，本實驗中使用40%微米級的片狀銀粉加上20%微米級的快狀銀粉再加上6%納米級的球狀銀粉，就可以使得整個導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導電膠的原料成本，膠體的其他方面的性能都會提升。

對于黏度來講，銀粉作為一種固體無機填料，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。而從一定程度上來說，較低的黏度不管是對于生產工藝還是施膠工藝來說都是有益的。

對于粘接強度來講，銀粉作為無機填料添加進體系中去對于有機膠體而言會降低黏接力。因此低銀含的膠對于基材的黏接力比高銀含的膠要好。

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

4 結論

1）使用40%微米級的片狀銀粉加上20%微米級的塊狀銀粉再加上6%納米級的球狀銀粉就可以使得整個導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驗調配的有機硅導電膠的黏度較低，低黏度有利于工廠的生產以及客戶的現場施膠。

3）較低的銀含量使得本實驗調配的有機硅導電膠對于太陽能電池片具有較好的黏接力，這對于客戶的組件質量是一種更好的保證。

4）較低的銀含量使得本實驗調配的有機硅導電膠硬度較低。而低硬度、低模量對于疊瓦組件的戶外使用可靠性是有益的。