背板作為晶硅太陽(yáng)能組件的關(guān)鍵部分,對(duì)提高組件的安全性、使用壽命和降低功率衰減起著至關(guān)重要的作用。

要達(dá)到保護(hù)電池片的目的,背板需具備良好的機(jī)械強(qiáng)度與韌性、耐候性、絕緣、水汽阻隔、耐腐蝕和耐風(fēng)沙磨損等各種平衡的性能。

最近幾年,在降本的壓力下,一些未經(jīng)過戶外實(shí)績(jī)驗(yàn)證的背板材料被使用在組件上,導(dǎo)致使用這些背板的組件在戶外工作僅幾年后就開始出現(xiàn)大規(guī)模失效問題,使得組件廠家需要面對(duì)巨額索賠。同時(shí),電站開發(fā)商也蒙受損失。由此可見,從源頭上對(duì)背板材料把好關(guān),對(duì)于降低組件的戶外失效風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

背板結(jié)構(gòu)大致可分為外層(也叫空氣層)、中間層和內(nèi)層。每一層材料的選擇和搭配都影響著背板的整體性能。目前,背板外層主要使用含氟薄膜,尤其是經(jīng)過戶外實(shí)績(jī)驗(yàn)證過的杜邦?Tedlar?薄膜,以確保背板外層在戶外綜合老化應(yīng)力的作用下可以使用25年以上。而背板內(nèi)層由于不直接接觸戶外環(huán)境應(yīng)力,其重要性往往容易被忽視。而且,目前市場(chǎng)上背板的內(nèi)層材料種類較多,性能也參差不齊。

如何才能正確選擇背板內(nèi)層材料呢?回答這一問題之前,我們有必要先了解下背板內(nèi)層材料需具備哪些性能。

需具備三大優(yōu)異性能

首先,背板內(nèi)層材料需要具有優(yōu)異的耐候性及機(jī)械強(qiáng)度。如果內(nèi)層材料自身都已發(fā)生老化開裂,其保護(hù)作用就無(wú)從談起。

圖1. 背板中間PET聚酯材料斷裂伸長(zhǎng)率保持率與紫外劑量的關(guān)系(試驗(yàn)條件:UVA,1.2W/m2@340nm, 70oC BPT, 紫外照射在PET表面)溫和氣候環(huán)境,組件正面每年紫外劑量為57 kWh/m2

其次,背板內(nèi)層作為中間層PET聚酯材料的保護(hù)層之一,需要具有良好的紫外阻隔作用,以避免PET遭受紫外破壞。圖1是市面上常用的一款250微米PET紫外測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖中可以看出,PET聚酯材料只接受不到5 kWh的紫外照射后,其斷裂伸長(zhǎng)率就下降50%以上; 紫外劑量達(dá)到6 kWh時(shí),PET力學(xué)性能基本完全喪失(溫和氣候環(huán)境,組件正面每年紫外劑量為57 kWh/m2)。這說明PET容易發(fā)生光老化,需要背板內(nèi)外層的保護(hù)。背板中間層的PET聚酯材料主要起著電氣絕緣、化學(xué)阻隔及力學(xué)支撐作用。如果PET發(fā)生破壞,這些功能都將喪失,因此背板內(nèi)層需要將組件正面的紫外阻隔掉,以達(dá)到保護(hù)中間層PET的目的。

此外,背板內(nèi)層作為PET與EVA之間的粘結(jié)層,還需要具有良好的粘接性能,以免出現(xiàn)脫層等失效風(fēng)險(xiǎn)。

了解了背板內(nèi)層需要具備的性能,那我們不禁要問,目前市面上的內(nèi)層材料是否都能滿足這些性能呢?我們?cè)賮?lái)對(duì)市面上這些內(nèi)層材料分類并討論其優(yōu)缺點(diǎn)。

不同背板內(nèi)層材料特性不一

第一類為含氟薄膜,主要有Tedlar? PVF薄膜和PVDF薄膜。PVF薄膜,又名聚氟乙烯薄膜,因其優(yōu)異的抗紫外、耐高溫、耐腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能、航空航天和交通等領(lǐng)域。杜邦? Tedlar? PVF薄膜是目前光伏領(lǐng)域唯一具有30年以上廣泛戶外實(shí)績(jī)驗(yàn)證的背板材料,其戶外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富,且經(jīng)受過多種氣候條件的長(zhǎng)期考驗(yàn)。PVF薄膜是雙向拉伸工藝制備的,在橫向和縱向兩個(gè)方向都經(jīng)過強(qiáng)化,機(jī)械性能均衡,耐老化性能好,因此經(jīng)受濕熱、紫外、溫度循環(huán)等多種環(huán)境因素長(zhǎng)期作用后,仍保持優(yōu)異。

PVDF薄膜,又名聚偏氟乙烯薄膜,PVDF薄膜在橫向的拉伸都很弱或甚至沒有拉伸,容易造成橫向機(jī)械性能均較差,成膜過程中加入大量亞克力也會(huì)導(dǎo)致固有脆性強(qiáng)。這些因素導(dǎo)致了PVDF薄膜在戶外多種復(fù)合應(yīng)力下容易出現(xiàn)開裂等失效風(fēng)險(xiǎn)。由于其技術(shù)門檻相對(duì)較低,目前生產(chǎn)廠家較多,雖各家膜產(chǎn)品都含PVDF,但因配方體系及生產(chǎn)工藝不同,不同廠家膜的耐老化性能差異很大。

耐熱方面,PVF薄膜的軟化溫度點(diǎn)為190℃,而PVDF只有150℃左右。對(duì)于經(jīng)常有熱斑出現(xiàn)的光伏組件應(yīng)用來(lái)說,PVF薄膜的耐熱性能顯然更有優(yōu)勢(shì)。隨著PERC等高效電池的大量投產(chǎn),熱斑溫度會(huì)更高,對(duì)于薄膜的耐熱性能會(huì)提出更高的要求。

第二類為非氟薄膜,主要包括PE、EVA、PA、PO等。這類材料作為背板內(nèi)層在溫和氣候下已有一定時(shí)間的戶外驗(yàn)證,其較高的厚度在耐紫外、力學(xué)性能和粘接力方面都有一定的優(yōu)勢(shì)。此內(nèi)層材料老化性能與主體樹脂及無(wú)機(jī)填料的種類和含量息息相關(guān),不同背板廠家選擇此種內(nèi)層材料時(shí)都會(huì)結(jié)合自身定位與特色,也導(dǎo)致了所選材料的性能差異較大。同時(shí),與不同耐候性的背板外層材料的搭配,也決定著內(nèi)層材料的表現(xiàn)。

圖2. 某PVDF背板內(nèi)層在戶外不到5年發(fā)生黃變

圖3. 組件正面540 kWh/m2紫外輻照后背板內(nèi)層的變化.

(a) HPET 1聚酯背板內(nèi)層開裂,(b) 基于特能? (Tedlar?) PVF薄膜的TPE背板材料無(wú)變化

(測(cè)試條件:金屬鹵素?zé)? 1.5kW/m2, 360小時(shí))

圖2是某PVDF背板內(nèi)層在戶外不到5年就發(fā)生了內(nèi)層發(fā)黃現(xiàn)象。圖3是使組件正面照射540kWh/m2紫外劑量(相當(dāng)于溫和環(huán)境組件正面9.5年太陽(yáng)光照射),耐水解HPET 1聚酯背板材料內(nèi)層發(fā)生開裂,而對(duì)應(yīng)基于特能? (Tedlar?) PVF薄膜的TPE背板材料無(wú)變化。從以上戶外實(shí)際案例及室內(nèi)老化測(cè)試結(jié)果可以看出,對(duì)于此類背板內(nèi)層材料,盡量搭配使用經(jīng)過戶外驗(yàn)證的PVF薄膜作為背板外層。

第三類為涂覆型FEVE涂層。FEVE是氟烯烴和乙烯基醚(酯)的共聚樹脂,作為背板內(nèi)層材料,其優(yōu)點(diǎn)是耐候性和耐高溫性能相對(duì)E層較好,并且無(wú)需膠水層而直接涂覆于PET表面,省去了膠水成本。由于FEVE的特殊結(jié)構(gòu),使其具備了在酯類和酮類等溶劑中的可溶性。但FEVE中鍵能較弱的酯鍵相對(duì)容易裂解,且涂層的性能受單體、溶劑和固化劑影響較大。與前兩類內(nèi)層材料相比,FEVE涂層的耐候性和致密性不如氟膜,粘接力和力學(xué)性能不如E層,而且戶外驗(yàn)證時(shí)間相對(duì)較短,不建議在溫差大、冷熱應(yīng)力較大的氣候條件下使用。為了保護(hù)中間層PET免受紫外破壞,涂層厚度非常關(guān)鍵,涂層太薄,阻隔紫外和粘接力都會(huì)出現(xiàn)問題。阻隔層厚度與紫外線穿透率的關(guān)系一般符合Beer定律。圖4數(shù)據(jù)顯示,背板內(nèi)層這一紫外阻隔層厚度如果低于10微米,紫外線開始穿透阻隔層到達(dá)PET,穿透比率隨厚度減薄而指數(shù)升高。如果涂層厚度為1微米時(shí),365 nm的紫外線透過率會(huì)高達(dá)11%,這會(huì)對(duì)中間層PET造成毀滅性的破壞。圖5的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明,當(dāng)接受1000-1380小時(shí)的紫外照射后,如果內(nèi)層厚度<10um,背板斷裂伸長(zhǎng)率將顯著下降。一些背板廠商為了降低成本,將背板內(nèi)層涂層的厚度減至極低(如圖6所示,內(nèi)層涂層厚度只有1.3微米),這很容易導(dǎo)致背板中間層PET的紫外老化。從而造成背板內(nèi)層和中間PET層的脫層問題。另外,圖層中鈦白粉的添加量也很重要,有些涂層中加入了過多的鈦白粉,導(dǎo)致涂層的粘接性下降,容易出現(xiàn)脫層問題。

圖4. 紫外阻隔層厚度與紫外線穿透率的關(guān)系

圖5. 斷裂伸長(zhǎng)率損失率與背板內(nèi)層厚度(um)的關(guān)系——當(dāng)接受1000-1380小時(shí)的紫外照射后,如果內(nèi)層厚度<10um,背板斷裂伸長(zhǎng)率將損失嚴(yán)重。

圖6. 某PVDF/PET/FEVE背板內(nèi)層FEVE涂層只有1.3微米

建議:選擇經(jīng)廣泛戶外實(shí)績(jī)驗(yàn)證的背板材料

光伏電站中諸多戶外失效案例顯示,不同類型背板的真實(shí)耐候性差異較大,特別是苛刻環(huán)境下,隨著EVA中紫外吸收劑的消耗導(dǎo)致紫外線穿透組件到達(dá)背板內(nèi)層,容易引起背板的破壞。為了給光伏組件提供長(zhǎng)期可靠保護(hù),以確保投資回報(bào),建議內(nèi)層也使用Tedlar?(特能?)PVF薄膜這種具有30年以上廣泛戶外實(shí)績(jī)驗(yàn)證的背板材料。