如何選擇背板內(nèi)層材料

:背板作為晶硅太陽能組件的關(guān)鍵部分，對組件的安全性、使用壽命和降低功率衰減起著至關(guān)重要的作用。要達到保護電池片的目的，背板需具備良好的機械強度與韌性、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)過戶外實績驗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巨額索賠，同時電站開發(fā)商也蒙受損失。由此可見，從源頭上對背板材料把好關(guān)，對于降低組件戶外失效風(fēng)險具有重要意義。

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)過戶外實績驗證過的杜邦™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。

背板內(nèi)層材料性能

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

其次，背板內(nèi)層作為中間層PET聚酯材料的保護層之一，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紫外測試數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，PET聚酯材料只接受不到5kWh的紫外照射后，其斷裂伸長率就下降50%以上；紫外劑量達到6kWh時，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57kWh/m2）。這說明PET容易發(fā)生光老化，需要背板內(nèi)外層的保護。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，以達到保護中間層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。

圖1.背板中間PET聚酯材料斷裂伸長率保持率與紫外劑量的關(guān)系（試驗條件：UVA，1.2W/m2@340nm,70oCBPT,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57kWh/m2

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？我們再來對市面上這些內(nèi)層材料分類并討論其優(yōu)缺點。

背板內(nèi)層材料分類及其特性

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年以上廣泛戶外實績驗證的背板材料，其戶外應(yīng)用經(jīng)驗豐富，且經(jīng)受過多種氣候條件的長期考驗。PVF薄膜是雙向拉伸工藝制備的，在橫向和縱向兩個方向都經(jīng)過強化，機械性能均衡，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，容易造成橫向機械性能均較差，成膜過程中加入大量亞克力也會導(dǎo)致固有脆性強。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。由于其技術(shù)門檻相對較低，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薄膜的軟化溫度點為190oC，而PVDF只有150oC左右。對于經(jīng)常有熱斑出現(xiàn)的光伏組件應(yīng)用來說，PVF薄膜的耐熱性能顯然更有優(yōu)勢，隨著PERC等高效電池的大量投產(chǎn)，熱斑溫度會更高，對于薄膜的耐熱性能會提出更高的要求。

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間的戶外驗證，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優(yōu)勢。此內(nèi)層材料老化性能與主體樹脂及無機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)層材料時都會結(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，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是某PVDF背板內(nèi)層在戶外不到5年發(fā)生內(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年太陽光照射），耐水解HPET1聚酯背板材料內(nèi)層發(fā)生開裂，而對應(yīng)基于特能®(Tedlar®)PVF薄膜的TPE背板材料無變化。從以上戶外實際案例及室內(nèi)老化測試結(jié)果可以看出，對于此類背板內(nèi)層材料，盡量搭配使用經(jīng)過戶外驗證的PVF薄膜作為背板外層。

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540kWh/m2紫外輻照后背板內(nèi)層的變化.

(a)HPET1聚酯背板內(nèi)層開裂，(b)基于特能®(Tedlar®)PVF薄膜的TPE背板材料無變化

（測試條件：金屬鹵素?zé)?1.5kW/m2,360小時）

第三類為涂覆型FEVE涂層，F(xiàn)EVE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)點是耐候性和耐高溫性能相對E層較好，并且無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，F(xiàn)EVE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，而且戶外驗證時間相對較短，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，365nm的紫外線透過率會高達11%，這會對中間層PET造成毀滅性的破壞。圖5的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)進一步證明，當(dāng)接受1000-1380小時的紫外照射后，如果內(nèi)層厚度<10um，背板斷裂伸長率將顯著下降。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小時的紫外照射后，如果內(nèi)層厚度<10um，背板斷裂伸長率將損失嚴重。

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

背板內(nèi)層材料的選擇建議

光伏電站中諸多戶外失效案例顯示，不同類型背板的真實耐候性差異較大，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背板內(nèi)層，容易引起背板的破壞。為了給光伏組件提供長期可靠保護，以確保投資回報，建議內(nèi)層也使用Tedlar®（特能®）PVF薄膜這種具有30年以上廣泛戶外實績驗證的背板材料。