涂覆型光伏背板可靠性分析

　　隨著全球性現(xiàn)代化水平的逐年提高，光伏產(chǎn)業(yè)作為可再生能源的重要組成部分，已成為解決全球能源危機(jī)的主要方法。近十年來(lái)，全球太陽(yáng)能電池生產(chǎn)規(guī)模增長(zhǎng)勢(shì)頭非常迅猛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年-2012年間全球年新增光伏裝機(jī)量增長(zhǎng)了66倍以上，年化增長(zhǎng)率為52.04%，而2007-2012五年的年化增長(zhǎng)率高達(dá)為64.58%，總體呈加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。早前據(jù)Displaybank的預(yù)測(cè)：2010年后，背板需求將以年均45%以上的速度增長(zhǎng)，到2013年，背板需求將達(dá)到21，300萬(wàn)平方米。然而事實(shí)上，該預(yù)測(cè)過(guò)于保守，2011年的實(shí)際需求已經(jīng)超過(guò)此數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)EPIA對(duì)全球的光伏需求預(yù)測(cè)，背板需求仍會(huì)呈線性增長(zhǎng)，情況如圖1。

圖1 EPIA對(duì)全球未來(lái)五年背板需求量預(yù)測(cè)

　　在光伏組件的各個(gè)構(gòu)成部件中，背板材料主要應(yīng)用于光伏組件的封裝環(huán)節(jié)，起到隔絕外界侵蝕的作用，一直被認(rèn)為是組件制造和使用過(guò)程中極為重要的材料。由于光伏電池的封裝過(guò)程具有不可逆性，加之電池組件的使用壽命要求在25年以上，一旦電池組件的封裝用背板開(kāi)始黃變、龜裂，則電池易失效報(bào)廢。因而，雖然背板材料的絕對(duì)價(jià)值不高（晶硅電池組件的生產(chǎn)成本中，僅有約3%～5%來(lái)自背板），其阻水性、絕緣性、耐候性等綜合特性卻是決定光伏組件產(chǎn)品質(zhì)量、壽命的關(guān)鍵性因素。

　　最早的背板結(jié)構(gòu)是TPT背板，以PVF氟膜（杜邦公司商品名Tedlar）和PET為組成原料，即將Tedlar、PET、Tedlar三層膜材料依次以膠粘劑粘結(jié)而成的復(fù)合膜。其中Tedlar膜處于外層，起到保護(hù)的作用，PET為中心基底層，起到支撐作用。TPT背板的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖2 TPT背板結(jié)構(gòu)圖

　　隨著光伏行業(yè)的飛速進(jìn)步，以及相關(guān)技術(shù)人員對(duì)背板材料和組件需求的深入了解，背板所起到的作用在業(yè)界越來(lái)越明朗化。其組成結(jié)構(gòu)的功能性越來(lái)越細(xì)化，外層細(xì)分為空氣面層和EVA面（或電池面）層，所用材料不再局限于Tedlar膜，中心基底層材料也發(fā)展為多種材料，因而不同結(jié)構(gòu)、不同類型的背板逐漸衍生出來(lái)。如：

　　1KPK結(jié)構(gòu)背板：結(jié)構(gòu)為Kynar+PET+Kynar，為雙面氟膜多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。K是指法國(guó)阿科瑪?shù)腒ynar，Kynar是阿科瑪?shù)膶＠a(chǎn)品，具有獨(dú)特的三層結(jié)構(gòu)，是由純膜和共混膜復(fù)合而成的PVDF膜，具有與Tedlar相似的功能。但是，PVDF膜也有其他供應(yīng)商，比如蘇威，大金，吳羽等。不同生產(chǎn)工藝得到的PVDF膜，表現(xiàn)出的性能特點(diǎn)有所不同。

　　2TPE/KPE結(jié)構(gòu)背板：為單面氟膜的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。E為EVA或PE，替代PVF或PVDF膜，作為EVA面。該類背板克服了TPT/KPK背板的EVA面與EVA膠膜粘結(jié)性差的缺點(diǎn)，但E層的耐候性較差。

　　3FPF涂覆型背板：用四氟樹(shù)脂或三氟氯乙烯樹(shù)脂等為主體的三維網(wǎng)狀交聯(lián)型氟涂層替代氟膜，形成的雙面氟涂層型背板。該背板在耐候性方便優(yōu)于TPE/KPE背板，逐漸為國(guó)內(nèi)外主流客戶所接受。

　　2PET背板：用兩層或三層改性PET復(fù)合而成，層與層之間用膠黏劑粘合或共擠成型。為了提高耐候性，通常在EVA面和空氣面進(jìn)行底涂。該類背板成本低廉，隨著PET性能的不斷提升及改進(jìn)，PET型背板的市場(chǎng)份額在上升。

　　5A型背板：用兩層或三層聚酰胺（PA）互相貼合或PA與PET干法復(fù)合而成。該背板尺寸穩(wěn)定性和水汽阻隔性方面較差，逐漸退出市場(chǎng)。

　　盡管背板的結(jié)構(gòu)類型在不斷變化，大三層結(jié)構(gòu)依舊是背板材料永恒的主題，即需要耐候?qū)樱諝饷妫?、阻水層（中間層）、粘結(jié)層（EVA面）三層具有不同功能的材料相輔相成相互組合而成。若在應(yīng)用過(guò)程中，某一層結(jié)構(gòu)存在缺陷，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致背板的功能受到破壞甚至整體失效。在氟膜型復(fù)合背板中，由于氟膜與PET膜的層與層間的粘結(jié)性較弱，在濕熱環(huán)境中極易出現(xiàn)層間分層現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致整體性能失效。對(duì)于PET背板和A型背板，其自身的內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了其不能具有長(zhǎng)期的耐候性，通常需要依靠添加劑來(lái)達(dá)到所需要求。因而相比之下，F(xiàn)PF涂覆型背板在兼具耐候性和三層結(jié)構(gòu)一體性方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　涂覆型背板的結(jié)構(gòu)以及長(zhǎng)期可靠性

圖3 涂覆型背板BEC-301結(jié)構(gòu)圖

　　圖3所示為涂覆型背板BEC-301結(jié)構(gòu)示意圖，背板由F-coating/PET/F-coating三層結(jié)構(gòu)組成。PET經(jīng)雙向拉伸后具有很高的結(jié)晶性，表面張力低、極性弱，需通過(guò)等離子處理或電暈處理，以提高其表面極性，使其表面產(chǎn)生可以反應(yīng)的功能基團(tuán)（如OH、COOH等）。這些功能基團(tuán)能夠與涂層中的固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得氟樹(shù)脂與PET間產(chǎn)生穩(wěn)定的化學(xué)橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而形成涂層與PET間三層化學(xué)鍵接的一體化結(jié)構(gòu)。這種穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)合方式使涂覆型背板充分克服了TPT/KPK/TPE/KPE等氟膜型背板易層間易分層的缺點(diǎn)，賦予BEC-301背板優(yōu)秀的層間粘結(jié)特性。如圖4所示，經(jīng)長(zhǎng)期濕熱老化（85℃，85RH%）后，涂層的附著力一直保持在0級(jí)水平，不會(huì)出現(xiàn)隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層脫落的現(xiàn)象。從而，表明了涂層與PET間化學(xué)鍵接作用的穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性。

圖4 涂層附著力測(cè)試結(jié)果

　　涂覆型背板BEC-301為雙面氟涂層，雙面均具有優(yōu)秀的長(zhǎng)期耐候性（圖5）。經(jīng)長(zhǎng)期紫外老化（QUVA300kwh/m2）后，空氣面和EVA面的黃變指數(shù)均小于2，無(wú)分層、起泡、粉化現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)長(zhǎng)期紫濕熱老化（雙85，3000h）后，空氣面和EVA面的黃變指數(shù)均小于3，無(wú)分層、起泡、開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)。

　　圖5 背板空氣面老化前（左圖）及雙85老化3000h后（右圖）的表面形貌

　　涂覆型背板的可靠性主要依賴于其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精細(xì)的工藝控制。其獨(dú)特的三維網(wǎng)狀化學(xué)交聯(lián)型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，賦予了其在F-coating/PET/F-coating三層結(jié)構(gòu)一體化方面的突出優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼具在耐候、耐磨等方面優(yōu)良的綜合性能和更高的性價(jià)比，已經(jīng)得到越來(lái)越多的太陽(yáng)能電池組件技術(shù)人員的青睞。