太陽能電池背板用氟材料的應(yīng)用研究

摘要：背板是光伏組件的重要組成部件，本研究通過對不同類型背板技術(shù)、生產(chǎn)及綜合環(huán)境測試情況的介紹，重點(diǎn)分析了不同類型背板的發(fā)展過程及優(yōu)缺點(diǎn)，不同背板生產(chǎn)技術(shù)的對比、背板測試技術(shù)的要點(diǎn)及未來可能提升的關(guān)鍵，綜合對比顯示中等表面能四氟型太陽電池雙面涂氟型背板技術(shù)（FFC）及其產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢，雙面涂氟技術(shù)已發(fā)展成為太陽電池背板主流技術(shù)。提出了針對太陽能光伏應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)出符合光伏組件復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境要求下的含氟樹脂及涂料的要求，認(rèn)為涂氟型太陽電池背板功能化、平臺化將是未來組件及背板發(fā)展的主流趨勢。 　　太陽能光伏組件主要由玻璃蓋板、乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA）、電池片、背板、接線盒和邊框等組成。由于背板對電池片起支撐和保護(hù)作用，且背板作為直接與外界自然環(huán)境大面積接觸的封裝材料，其性能直接決定了光伏組件的發(fā)電效率和使用壽命，背板必須具備優(yōu)異的絕緣性、水汽阻隔性和耐候性等，因此背板生產(chǎn)及測試技術(shù)的進(jìn)步對太陽能光伏組件的影響十分重要。 　　1背板類型 　　現(xiàn)有的背板主要是以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為基板，在其單面或雙面復(fù)合或涂覆具有功能性的氟材料，從而使背板具有良好阻隔、耐候及絕緣性能，不同類型背板其功能性差異較大，因此選擇價格合理、性能優(yōu)良的背板對組件廠商生產(chǎn)合格、性能優(yōu)良的太陽能光伏組件就顯得尤為關(guān)鍵。圖1為不同類型背板市場應(yīng)用變化趨勢。 　　從圖1可以看出，隨著太陽能電池背板技術(shù)的發(fā)展，2013年全球含氟背板和非氟背板的比例為8：2，2014年預(yù)計將達(dá)到9：1。氟材料中由于氟元素電負(fù)性大，碳氟鍵之間的鍵能非常強(qiáng)，加上氟材料結(jié)構(gòu)中分子排列緊密、剛硬、平滑，使氟材料表現(xiàn)優(yōu)異的耐候、耐熱、耐溫及耐化學(xué)品等性能，可滿足組件在戶外長期使用的要求。因此，氟材料是目前市場上背板中重要的支撐材料之一。 　　1、1含氟復(fù)合型背板 　　含氟復(fù)合型背板現(xiàn)主要有TPT、KPK、TPE和KPE這4種類型。其中T是指美國杜邦的聚氟乙烯（PVF）薄膜，P指PET基材，K為聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜，E為EVA。含氟復(fù)合型背板是在背板的單面（TPE和KPE）或雙面（TPT和KPK）復(fù)合氟膜，屬于第1代背板。因成本壓力，2008年以后，TPT、KPK內(nèi)層用聚乙烯（PE）/EVA等非氟材料替代，制成單面含氟復(fù)膜背板，稱之為TPE和KPE，該類型背板受光面為不含氟膜，用其他烯烴聚合物或PE、EVA等材料替代，但這些材料在使用過程中很容易在紫外等環(huán)境下分解，組件背板進(jìn)行加速UV老化測試，并通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)KPE／TPE內(nèi)層E層（E為EVA層）有明顯的微裂紋（如圖2），組件背板很快出現(xiàn)變黃、脆化等老化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響組件的長期發(fā)電效率，雖然單面含氟背板具有成本上的優(yōu)勢，但由于其自身固有的缺陷，其很難適合組件封裝長期使用需要。 　　另外，雙面復(fù)合型背板由于其氟膜制造成本較高，且目前仍為少數(shù)國外企業(yè)所壟斷，并且單面和雙面含氟復(fù)膜都存在復(fù)膜與PET基板或EVA之間的粘結(jié)問題，復(fù)膜層與PET之間是通過膠粘劑實(shí)現(xiàn)粘結(jié)，由于膠粘劑與PET和PVF（或PVDF）間的浸潤性不同，且當(dāng)前膠粘劑固化均是通過整卷熟化方式，存在較大不確定性，因此，長期使用出現(xiàn)分層現(xiàn)象的風(fēng)險較大，影響組件長期可靠性。因此，復(fù)合型背板技術(shù)正在被其他新技術(shù)所取代。 　　1.2不含氟背板 　　迫于成本壓力，2011-2013年背板材料出現(xiàn)以強(qiáng)化PET取代TPE／KPE外層耐候氟膜的背板。強(qiáng)化PET采用在PET表面修飾、添加助劑或者其他改性的方法來改善PET的耐UV性能，但由于PET分子鏈中含有大量的酯基，其與水直接接觸易產(chǎn)生水增塑，導(dǎo)致PET分子鏈降解，同時PET在直接應(yīng)用中結(jié)晶度會增加，使材料變脆，耐沖擊性降低。另外，在濕氣環(huán)境下，溫度升高、紫外輻射和熱循環(huán)作用下PET分解更加迅速，物理機(jī)械性能急劇下降。因此基于PET材料自身的缺陷，不含氟背板并不能滿足復(fù)雜自然環(huán)境下組件應(yīng)用要求。試驗(yàn)樣品PET在65℃，相對濕度65％的條件下，用超強(qiáng)紫外（SUV）氙燈輻照60KWH后，對其進(jìn)行500倍金相顯微鏡拍攝照片，結(jié)果見圖3。 　　從圖3可見，PET表面出現(xiàn)嚴(yán)重開裂現(xiàn)象。該類型背板復(fù)合技術(shù)采用PET與PET復(fù)合和PET與PE／EVA復(fù)合，是屬于剛－剛復(fù)合和剛－柔復(fù)合2種類型，在界面上形成缺陷要大于單一的剛－柔復(fù)合方式。圖4是復(fù)合型背板橫截面掃描電鏡圖，最外層PET面對應(yīng)空氣面。 　　從圖4可以明顯看出PET與PET復(fù)合的剛－剛復(fù)合界面缺陷明顯大于PET與PE／EVA復(fù)合的剛－柔復(fù)合界面。因此，該類型背板長期使用可靠性還存在較大風(fēng)險。 　　1.3含氟復(fù)涂型背板 　　為了解決雙面含氟背板的成本壓力，同時又避免單面含氟背板存在的固有缺陷，近年來很多背板廠家開始生產(chǎn)一面復(fù)合氟膜，另一面涂覆含氟涂料的復(fù)涂型背板，如TFB結(jié)構(gòu)背板（從空氣面至粘結(jié)面依次為杜邦Tedlar PVF膜、膠粘劑層、PET基材層、等離子體化學(xué)結(jié)合層、含氟粘結(jié)保護(hù)層組成的5層復(fù)合材料）和KFB結(jié)構(gòu)背板（同TFB結(jié)構(gòu)背板，空氣面保護(hù)層為PVDF氟膜），這種類型背板迎合了客戶對傳統(tǒng)雙面氟膜背板的習(xí)慣性，且與傳統(tǒng)TPT背板相比具有明顯的價格優(yōu)勢，屬于第1.5代背板。 　　1.4含氟涂覆型背板 　　雙面含氟涂覆型背板是未來主要應(yīng)用的背板形式之一，屬于第2代背板技術(shù)，其主要是在PET雙面涂覆含氟涂料實(shí)現(xiàn)背板的功能化。本研究通過膜膠一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該類型背板（FFC）生產(chǎn)的突破，其與傳統(tǒng)背板光濕熱性能的對比結(jié)果見表1。 　　表1給出了層壓件（即背板、EVA、玻璃150℃，20min通過層壓機(jī)熱壓后制成的模擬測試樣件）和背板的相關(guān)黃變參數(shù)。 　　從表1可見，F(xiàn)FC技術(shù)制成的雙面涂氟型背板及其層壓件在SUV1000MJ／M2抗UV老化試驗(yàn)中，黃變指數(shù)小，沒有出現(xiàn)明顯的黃變；金相顯微鏡圖片顯示FFC表面沒有出現(xiàn)微裂紋（見圖5）。 　　TPT與FFC的壓力鍋蒸煮試驗(yàn)（PCT老化試驗(yàn)）后水蒸氣透過率測試結(jié)果見表2。 　　從表2可以看出，F(xiàn)FC經(jīng)過PCT老化試驗(yàn)后其水蒸氣透過率較低，水蒸氣透過率從初期的1.87g／（M2·d）增加到1.95g／（M2·d），增加幅度較小，而TPT的水蒸氣透過率從初始的1.33g／（M2·d）增加到14.29g／（M2·d），增幅非常大，衰減率達(dá)到974.4％，TPT性能下降明顯。主要原因是大多數(shù)公司應(yīng)用的ＰＥＴ基板材料耐水解性差，在PCT老化60h以后，PET基板發(fā)生水解，背板脆裂，因而導(dǎo)致水蒸氣阻隔性能衰減非常嚴(yán)重，而本研究利用特殊的工藝技術(shù)，采用強(qiáng)耐水解性能的PET基材，水蒸氣阻隔性優(yōu)異。 　　本研究FFC雙面涂覆技術(shù)是利用等離子體技術(shù)對PET進(jìn)行活化處理，雙面涂覆FFC涂料，實(shí)現(xiàn)了FFC涂料與PET基材間的一體化，通過化學(xué)方法解決了物理界面問題。另外，對含氟涂層進(jìn)行等離子體化學(xué)接枝處理，形成共價鍵，解決了背板與EVA間的長期粘結(jié)性難題。對FFC背板橫截面進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果見圖6。圖中A和B均為涂氟層，中間為PET層。 　　從圖6可見，PET與涂層間沒有明顯的界限，解決了傳統(tǒng)背板“三明治”結(jié)構(gòu)問題，降低了成本，提高了背板與EVA間的粘結(jié)強(qiáng)度，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。同時，為了進(jìn)一步驗(yàn)證FFC產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢，將FFC涂氟背板產(chǎn)品與其他類型涂覆型背板分別進(jìn)行了PCT48h、沸水煮100h和雙85／2000h（即氙燈耐氣候老化箱測試參數(shù)為85℃溫度，85％的相對濕度，氙燈壽命2000h）測試，粘結(jié)力測試結(jié)果顯示FFC涂氟技術(shù)背板產(chǎn)品附著力均為0級，與EVA、硅膠粘結(jié)力保持率大于80％，明顯優(yōu)于復(fù)合技術(shù)類型產(chǎn)品。 　　因此，雙面涂氟技術(shù)作為背板的第2代技術(shù)，既滿足了環(huán)境對背板雙面耐候性的要求，又解決了傳統(tǒng)背板依賴膠粘劑從而出現(xiàn)性能短板的缺陷，在長期使用可靠性上具有較大優(yōu)勢，涂覆技術(shù)作為背板功能化的技術(shù)平臺更有利于新型功能化背板的加速研制。 　　1.5導(dǎo)電型背板 　　導(dǎo)電型背板是未來發(fā)展的一種新型背板，其主要是為了滿足太陽能電池將正、負(fù)極轉(zhuǎn)移到電池背面，形成背接觸電池［金屬層穿孔卷繞硅太陽能電池（MWT）、發(fā)射極環(huán)繞穿通硅太陽能電池（EWT）和交錯板接觸太陽能電池（IBC）而開發(fā)的導(dǎo)電型背板，提高組件的發(fā)電效率。該類型背板由于含有導(dǎo)電金屬箔，且需要對金屬箔進(jìn)行激光刻蝕或化學(xué)腐蝕，工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)效率低且成本高，現(xiàn)有的技術(shù)還不能根本解決這些問題，該類型背板還處于研究、開發(fā)、試生產(chǎn)階段，在市場上還不具有明顯的競爭優(yōu)勢，需要技術(shù)的進(jìn)一步突破。 　　2背板的生產(chǎn)技術(shù) 　　各類型背板的生產(chǎn)技術(shù)主要包括復(fù)合技術(shù)、涂覆技術(shù)和熔融共擠技術(shù)等，當(dāng)前主要以復(fù)合技術(shù)和涂覆技術(shù)為主。 　　2.1復(fù)合技術(shù) 　　復(fù)合型背板生產(chǎn)技術(shù)主要是在PET基材上涂膠，經(jīng)烘烤溶劑揮發(fā)，再將氟膜與PET通過膠粘劑進(jìn)行復(fù)合，然后進(jìn)行3-5d的熟化，得到復(fù)合型背板，工藝流程見圖7。 　　當(dāng)前復(fù)合型背板廠家遇到的瓶頸為氟膜、PET、膠粘劑等材料在外，自主研發(fā)空間有限，且復(fù)合技術(shù)制造工藝相對復(fù)雜，工藝周期長，良品率低且能耗高。傳統(tǒng)背板因各界面采用物理粘結(jié)，主要材料如氟膜PVF和PVDF被國外大公司所壟斷；現(xiàn)有氟膜國產(chǎn)化率低、質(zhì)量水平較低，這些都限制了復(fù)合型背板技術(shù)發(fā)展。 　　2.2FFC涂覆技術(shù) 　　蘇州中來作為涂覆型背板生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的代表企業(yè)，通過對PET雙面進(jìn)行等離子體刻蝕活化處理，然后涂覆含氟涂料，通過微波固化、等離子體接枝處理工藝，實(shí)現(xiàn)了膠膜一體化，提高了背板與EVA的粘結(jié)強(qiáng)度，制成涂覆型背板，工藝流程見圖8。 　　該生產(chǎn)技術(shù)的特點(diǎn)是不用膠，在線制氟膜，膜與PET是化學(xué)鍵合，膜膠一體化不分層，良品率高，性價比高。 　　3背板測試技術(shù) 　　如何保障太陽電池組件在戶外高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，除組件自身基于國際電工委會員（IEC）各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)測試外，背板作為電池的重要保護(hù)支撐材料，其老化對組件性能變化具有重要的影響，因而近幾年來在背板的IEC、國標(biāo)、行標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)和針對性的測試方法上做了大量研究，并已經(jīng)形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、方法的報批稿和草案。背板測試技術(shù)對背板質(zhì)量好壞具有反饋?zhàn)饔茫龑?dǎo)、改進(jìn)背板相關(guān)研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)，因而背板測試技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展與測試水平的高低對提高背板質(zhì)量和組件質(zhì)量都具有十分重要的意義。 　　現(xiàn)有背板測試技術(shù)的要求是根據(jù)組件失效的可能影響因素來制定的，且基于組件IEC標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)及差異化的環(huán)境適用性測定。如何快速、高效、準(zhǔn)確測試背板的絕緣性、耐候性、安全性、可靠性，對背板生產(chǎn)廠家和組件生產(chǎn)廠家都非常重要，目前主要包括層間附著力、與EVA粘接強(qiáng)度、擊穿電壓強(qiáng)度、局部放電電壓、水蒸氣透過率、耐沸水性、耐濕熱老化性、耐UV、濕凍、熱循環(huán)、耐酸、耐堿及耐鹽霧等27個測試項(xiàng)目及其組合測試序列。 　　根據(jù)組件的失效和可能使用的場合，未來的背板測試技術(shù)將會拓展到更廣的領(lǐng)域，特別是各種差異化的復(fù)雜環(huán)境下對于背板、組件性能和發(fā)電效率的影響方面。因此，開發(fā)具有功率、發(fā)電效率增溢型功能性、耐候性、阻燃性和長期可靠性的太陽能光伏用雙面涂氟型背板，是今后太陽能背板廠家所需要研究和關(guān)注的新課題，其新型氟樹脂、氟涂料的開發(fā)不僅推動了背板技術(shù)、質(zhì)量的提高，同時也使背板成為組件功能性實(shí)現(xiàn)的重要平臺之一，為差異化的組件系統(tǒng)提供技術(shù)保障。 　　4結(jié)語 　　隨著我國太陽能產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，光伏組件及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也在高速集聚化發(fā)展，背板從傳統(tǒng)一代技術(shù)的單一功能向二代、三代背板技術(shù)的多功能、平臺化的方向發(fā)展，背板技術(shù)也從國外往國內(nèi)轉(zhuǎn)移，經(jīng)過技術(shù)與實(shí)踐驗(yàn)證，以PET為基板的雙面含氟背板作為太陽電池保護(hù)和支撐的重要材料仍將是主流并持續(xù)應(yīng)用，如何在太陽能電池背板產(chǎn)業(yè)中創(chuàng)新的應(yīng)用氟材料，需要繼續(xù)研究探討下列幾方面問題。 　?。?）背板已經(jīng)跨入了涂氟時代，含氟涂覆技術(shù)工藝改進(jìn)優(yōu)化研究。 　?。?）5大典型氣候復(fù)合條件下，如高耐UV加濕熱復(fù)合條件，發(fā)電組件氟材料耐老化性能優(yōu)化的研究。 　?。?）消除氟材料與不同材料界面問題的研究。 　　（4）氟材料阻燃性、阻隔性提升研究。 　?。?）開發(fā)適合太陽能光伏應(yīng)用條件需要的氟樹脂、氟涂料，賦予更多功能化。 　　總之，隨著太陽能電池背板材料的技術(shù)平臺不斷擴(kuò)大、優(yōu)化，太陽電池背板占據(jù)組件背面的最大面積也將發(fā)揮出巨大的功能作用。氟材料的創(chuàng)新應(yīng)用、背板多功能化以及如何改進(jìn)背板的生產(chǎn)和測試技術(shù)等將是今后研發(fā)的重要課題。（本文來源《涂料工業(yè)》，作者來自蘇州中來光伏新材股份有限公司：夏文進(jìn)、唐鄧、章博、張育政、林建偉）