背板材料關(guān)鍵性能分析科普帖

光伏晶硅組件中的背板作為保護(hù)電池片和封裝材料的直接屏障，對(duì)組件的安全性、長(zhǎng)期可靠性和耐久性起著至關(guān)重要的作用。要達(dá)到保護(hù)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。

　　而實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵性能，與背板材料密不可分。

　　自20世紀(jì)八十年代NASA晶硅組件研究項(xiàng)目完成以來，玻璃前板+EVA+雙面Tedlar® PVF薄膜復(fù)合背板的經(jīng)典光伏組件封裝結(jié)構(gòu)經(jīng)過了各類氣候條件的實(shí)踐檢驗(yàn)，并被沿用至今。其中，特能®（Tedlar®） PVF薄膜作為唯一具有30年以上廣泛戶外實(shí)績(jī)驗(yàn)證的背板材料也已被系統(tǒng)開發(fā)商、金融保險(xiǎn)等投融資機(jī)構(gòu)認(rèn)可，能夠?yàn)楣夥M件提供長(zhǎng)期可靠保護(hù)，確保投資回報(bào)。

　　完美材料需結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)與獨(dú)特加工工藝

　　由雙面Tedlar® PVF薄膜組成的TPT背板 (Tedlar®/PET聚酯薄膜/Tedlar®)已經(jīng)成為了行業(yè)標(biāo)桿，盡管市面上不斷有各種山寨品出現(xiàn)，但無一能超越其優(yōu)異的產(chǎn)品性能。

　　那么問題來了，為什么是聚氟乙烯(PVF)薄膜？

　　首先，聚氟乙烯(PVF)薄膜采用雙向拉伸制造工藝，所制備的薄膜在橫向和縱向兩個(gè)方向都經(jīng)過強(qiáng)化，機(jī)械性能均衡沒有弱點(diǎn)。由于PVF薄膜加工溫度和分解溫度接近，要求極高的工藝控制，并且投資巨大，這也是目前只有杜邦公司能夠生產(chǎn)的主要原因，從而保證了Tedlar®薄膜產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和一致性。

　　相對(duì)而言，聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜主要使用吹膜和流延兩種成型工藝。這兩種成型工藝制備的薄膜在縱向方面有不同程度的拉伸，但在橫向的拉伸都很弱或甚至沒有拉伸，造成薄膜橫向機(jī)械性能均較差。另外，PVDF自身難以成膜，必須添加其他材料—不低于30%的PMMA，俗稱亞克力，固有脆性很強(qiáng)。 添加亞克力之后容易造成PVDF薄膜橫向力學(xué)性能差的缺陷，主要表現(xiàn)為斷裂伸長(zhǎng)率低，一般低于30%。

　　為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，個(gè)別廠家在配方中添加彈性體，使得這類PVDF薄膜在力學(xué)性能測(cè)試時(shí)產(chǎn)生“藕斷絲連”般的效果，以達(dá)到更高的測(cè)試結(jié)果，但對(duì)實(shí)際的戶外耐老化性能毫無幫助。另外，由于PVDF薄膜加工難度和門檻相對(duì)較低，每家的工藝、配方和膜結(jié)構(gòu)也有所差異，導(dǎo)致不同PVDF薄膜性能參差不齊。但很難從外觀或一般的成分分析區(qū)別不同的PVDF薄膜，因此監(jiān)管難度大。

　　力學(xué)性能欠佳容易導(dǎo)致開裂，嚴(yán)重影響組件安全性

　　眾所周知，力學(xué)性能和耐候性是背板用氟膜最重要的性能，PVDF薄膜具有橫向斷裂伸長(zhǎng)率低的缺陷，該問題已逐漸在測(cè)試和應(yīng)用中暴露出來。雖然添加彈性體材料有助于PVDF薄膜在初始力學(xué)性能測(cè)試時(shí)由于拉絲效果顯示較高的斷裂伸長(zhǎng)率，但是在輕微的老化測(cè)試后，所有PVDF薄膜橫向斷裂伸長(zhǎng)率均低于10%，基本失去了高分子材料應(yīng)有的韌性，極易開裂。而同樣測(cè)試條件下的PVF薄膜力學(xué)性能保持良好，仍然能維持60%以上的保持率(如圖1和圖2 )。

　　圖1 五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar® PVF薄膜在紫外500和1000小時(shí)紫外老化測(cè)試后的橫向斷裂伸長(zhǎng)率比較（紫外測(cè)試條件QUVA，1.25W/m2@340nm, 65W/m2 @ 300-400nm, 70oC BPT）

　　圖2五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar®薄膜在濕熱老化500和1000小時(shí)后的橫向斷裂伸長(zhǎng)率比較

　?。駸釡y(cè)試條件85oC, 85%RH）

　　PVDF薄膜不僅在紫外和濕熱老化測(cè)試后橫向斷裂伸長(zhǎng)率下降嚴(yán)重，在其他測(cè)試如PCT測(cè)試或耐溫測(cè)試后也出現(xiàn)了同樣的問題。大量研究文獻(xiàn)及報(bào)道表明，這些問題與PVDF薄膜在老化時(shí)易產(chǎn)生再結(jié)晶有關(guān)，導(dǎo)致其力學(xué)性能變差。

　　PVDF薄膜的橫向脆性導(dǎo)致其在戶外存在較高的開裂風(fēng)險(xiǎn)，一旦背板開裂代表絕緣性能失效，很容易引發(fā)漏電、電弧、火災(zāi)等安全性事故，甚至導(dǎo)致人員與財(cái)產(chǎn)的損失。圖3是在北美地區(qū)戶外使用4年的PVDF背板形貌，平均開裂比例約57%，裂紋方向均沿縱向形成。

　　圖3 戶外使用4年的PVDF背板外層開裂形貌

1  2