张淑娇 刘松喆 王 莹
中国电子科技集团公司第十八研究所 天津 300384
摘 要：为了获得太阳电池盖片胶残余应力的影响因素，利用有限元分析软件Nastran对太阳电池进行了建模，通过力学和热力耦合计算，分析了盖片胶的厚度和固化温度等因素对太阳电池残余应力的影响，并针对性的提出了相应的控制方法和措施。
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关键词 ：太阳电池；盖片胶；残余应力；仿真
目前，全世界已发射的航天器大多采用空间太阳电池阵作为电源系统主电源。太阳电池阵处于地球150km以外的宇宙空间，环境非常恶劣，影响因素通常包括热环境、辐射环境、原子氧、空间等离子体、紫外线等，其中辐射环境是影响太阳电池性能的主要因素之一。为了减少空间粒子等辐射环境对太阳电池的影响，在太阳电池布贴前，必须进行抗辐射玻璃盖片的封装操作，以达到保护太阳电池的目的。其中，盖片胶是实现电池与玻璃盖片封装必备的粘贴材料。
在电池与盖片粘贴过程中，由于盖片胶固化前后的形变和固化前后温度差异，容易产生残余应力，可能导致太阳电池在生产过程中残余应力过大，出现电池开裂、盖片开裂的现象。
为了明确盖片胶对太阳电池片开裂的影响，由于电池片成本很高，本文利用有限元软件Nastran，针对盖片胶进行模拟仿真分析。分析和研究盖片胶的厚度、固化温度对残余应力的影响，从而分析出可行的变化规律，以优化工艺参数，提高生产效率，节约成本。
1 实验过程
针对实际工程的物理模型，通过有限元分析软件Nastran构建有限元分析模型，加载边界条件，进行力和热力耦合分析，找出太阳电池残余应力的影响因素。
1.1 建立模型
有限元模型的构建基于太阳电池的物理模型。如图1所示，太阳电池为多层结构材料，主要由三层构成，分别是盖片、盖片胶和电池片，每层厚度如图中所示。
由于太阳电池的模型在长宽方向与厚度方向形成较大的长度比例，如按照真实的物理模型进行建模，容易造成网格畸变，网格数量过多，对计算的准确性和计算时间都会造成影响。同时考虑到太阳电池为对称结构，对太阳电池的四分之一结构进行建模，同样可以得到比较准确的整体模型的分析结果。因此，在建立有限元模型时进行简化，最终利用Nastran软件建立了10 mm×15 mm×0.4 mm的三维有限元模型，如图2所示。
太阳电池中建模时各材料的参数如表1所示。
1.2 边界条件
盖片胶的固化过程实际包括本身形态的变化(由液态变为固态)，弹性模量的变化，由于固化工艺引起的温度的变化，这三方面的变化成为了模块在盖片胶固化过程中产生的残余应力的主要来源。
1.2.1 对盖片胶形变的加载
对盖片胶施加位移载荷，位移量由盖片胶体积变化量与盖片胶的表面积的比决定，并对位移变量拟合时间函数曲线，如图3所示，90%的位移量发生在前20 min。位移方向为盖片方向，即对盖片形成挤压作用。这样，我们就完成了将盖片胶固化过程对模块造成的残余应力转化为盖片胶产生形变造成残余应力。
1.2.2 对盖片胶性能的加载
这一过程的物理特性变化，进行了最为简单的简化假设，即认为盖片胶在整个固化过程中遵循弹性形变的规律，符合胡克定律，可以作为弹性体进行处理。同时，假设弹性模量呈均匀的直线变化，即由一个较低的弹性模量变化到胶体固化后正常的弹性模量(图4)。
1.2.3 膨胀系数不匹配的加载
太阳电池模块由多种不同材料组成，而各部分材料的热膨胀系数不同，以温度的变化作为加载条件，将模块的初始温度设为60 ℃，而程序结束温度为20 ℃。这样温度上的差异，对软件来说就能计算出各部分材料热胀系数不匹配产生的热应力。
2 结果与讨论
2.1 盖片胶厚度对太阳电池残余应力的影响
通过有限元软件计算得到的电池及盖片的应力情况分布如图5所示。
由图5可得，无论是电池还是盖片，容易在边角处产生残余应力的集中，其他地方残余应力分布比较均匀。
为研究盖片胶厚度对太阳电池残余应力的影响，用Nastran软件参数化分析盖片胶厚度分别为0.2 b倍、b倍、2 b倍、5 b倍时得出的电池和盖片上的残余应力最大值随盖片胶厚度的变化规律如下：
由图6得，电池和盖片上的最大残余应力值都随着盖片胶厚度的增大而增大，但当厚度达到一定程度以后，对电池上残余应力的影响变大，对应的斜率上升；对盖片上的残余应力影响变小，对应斜率下降。
2.2 盖片胶固化温度对太阳电池残余应力的影响
为了研究不同的固化温度对太阳电池残余应力的影响，设计了40℃、60℃、80℃和100 ℃四种温度条件。在四种温度条件下，电池和盖片上的最大残余应力值随固化温度的变化规律如图7。
由图7得，随着固化温度的增大，电池和盖片上的最大残余应力值略有增加，针对该增大趋势，求解最大残余应力y(GPa)对固化温度x(℃)的拟合方程。
红线代表电池片上的残余应力拟合的方程为：
y=0.00004x+0.0027(40<x<100)
黑线代表盖片上的残余应力拟合的方程为:
y=0.001x+0.195(40<x<100)
由以上两组方程可以看出，对于不同的固化温度，电池片和盖片上的残余应力呈简单的线性增大变化，但是由于系数较小，变化幅度有限，即固化温度对电池和盖片上的残余应力值影响不大。
2.3 影响因素分析
通过以上仿真分析计算，发现太阳电池残余应力影响因素中，盖片胶的厚度对电池的残余应力影响较大，固化温度对电池残余应力影响较小。对模拟结果进行了数据整理分析，选取各个变量下的盖片和电池片上的最大残余应力值，如表2,表3。
从以上几组表格里的数据，可以看到，盖片胶的厚度对最终的残余应力值影响较大，而固化温度对最终残余应力的影响甚微。因此，在电池粘接盖片过程中，首要改善的因素为盖片胶的厚度。
2.4 改善措施及工艺参数的优化
利用电池片和盖片的断裂强度作为判据，可以得到较理想的盖片胶厚度的工艺参数。通过实验可知，盖片的断裂强度为200MPa，而电池片的断裂强度为40MPa。通过表2数据可知：
电池方面：
在不改变其他工艺条件的情况下，盖片胶厚度为b倍时，电池最大残余应力0.025GPa，最大残余应力的值小于电池的断裂强度(0.04 GPa)，因此电池在盖片胶固化过程中不容易产生裂纹。
盖片方面:
盖片胶厚度为b倍时，盖片最大残余应力为0.25 GPa，最大残余应力值略高于盖片的断裂强度(0.2 GPa)，因此盖片在盖片胶固化过程中可能产生裂纹。
利用图4中的数据曲线，通过数据拟合分析的方法，可以得知，当将盖片胶厚度降低为0.6b倍原始厚度时，盖片上的最大残余应力值不会超过盖片的断裂强度。
因此，降低盖片胶厚度至0.6 b倍原始厚度时，在生产过程中能够有效降低盖片的残余应力、控制太阳电池开裂、提高生产效率、节约调试成本。
3 结论
由上述仿真分析可知，在盖片胶对太阳电池残余应力的影响因素中，盖片胶厚度对于电池片残余应力的影响较大，而固化温度对残余应力的影响较小。该仿真成果明确了工艺优化方向，优化了工艺参数，采用0.6 b倍盖片胶原始厚度的工艺参数，可以保证在粘接强度达标以及电池与盖片不脱层的前提下，有效降低盖片的残余应力、控制太阳电池开裂、提高生产效率、节约调试成本。
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