光伏電池背板綜述

張傳吉 戴建民 成三弟 俞苗鋒 謝 帆

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

太陽(yáng)能光伏電池（簡(jiǎn)稱光伏電池）用于把太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能，是解決地球污染與能源短缺的有效途徑之一。光伏電池是由玻璃、EVA、硅片、背板組成，按照玻璃-EVA-電池片-EVA-背板的結(jié)構(gòu)封裝構(gòu)成，背板位于光伏電池背面的最外層，是光伏電池非常重要的組成部分，不僅起到封裝的作用，同時(shí)還起到保證光伏電池不受到環(huán)境影響的作用，確保光伏電池的使用壽命。

1 背板結(jié)構(gòu)

按照光伏電池背板整體結(jié)構(gòu)劃分，可將光伏電池背板劃分為FPF、FPE、全PET與PET/聚烯烴結(jié)構(gòu)［1］。其中F指含氟薄膜；P指雙向拉伸工藝制備的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜，即PET薄膜；E指的是乙烯-醋酸乙烯，也就是EVA；聚烯烴指各種以碳碳結(jié)構(gòu)為主鏈的塑料。這些結(jié)構(gòu)層之間使用膠粘劑進(jìn)行粘合，通過(guò)復(fù)合工藝制備成型［2］。

最早的光伏電池背板采用TPT結(jié)構(gòu)，即Tedler/PET/Tedler結(jié)構(gòu)，其中Tedler為杜邦公司所生產(chǎn)的PVF（聚氟乙烯）薄膜，以杜邦公司的Tedler為基材的背板主導(dǎo)了大部分的光伏背板市場(chǎng)，第一款進(jìn)入光伏市場(chǎng)的產(chǎn)品為PVF2001，目前杜邦公司的Tedler產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)發(fā)出第三代。

按照光伏電池背板所采用的薄膜材質(zhì)區(qū)分，可以將背板劃分為T(mén)edler背板、含氟背板、PET背板與其他一些采用如PE材質(zhì)的背板產(chǎn)品。

1.1 Tedler系列

此結(jié)構(gòu)的背板被稱為經(jīng)典的背板結(jié)構(gòu)，也是國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能電池組件廠首選與認(rèn)可的光伏電池背板結(jié)構(gòu)。這也是取決于PVF膜所特有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐環(huán)境變化的特性。由于PVF薄膜的制造工藝的特殊性，其薄膜表面較易出現(xiàn)針孔，使得PVF薄膜的水汽阻隔能力較差。同時(shí)PVF材料本身含氟量小，所以PVF薄膜需要較厚的厚度來(lái)保證其性能。但是PVF是所有氟材料中成本最低的，考慮太陽(yáng)能電池將來(lái)的大規(guī)模使用，其仍是一種非常合適的用于太陽(yáng)能背板的材料。

1.2 含氟背板

在杜邦公司Tedler產(chǎn)能有限的情況下，光伏電池背板企業(yè)也采用了其他材質(zhì)的薄膜來(lái)代替Tedler薄膜生產(chǎn)背板。

1.2.1 PVDF（聚偏氟乙烯）

此類薄膜的生產(chǎn)商主要有法國(guó)的阿科瑪公司，韓國(guó)SKC等。PVDF是使用量第二大的氟塑料，其熔點(diǎn)和分解點(diǎn)相差大，可以使用熱塑性塑料加工方法進(jìn)行加工。無(wú)論從世界范圍內(nèi)的供應(yīng)量、加工適應(yīng)性還是耐候性、阻隔性而言，其都是最合適的太陽(yáng)能電池背板耐候材料。同樣厚度的PVDF薄膜的透濕性大約只有PVF薄膜的十分之一。

PVDF制膜較成熟的是使用吹膜的方法。阿克瑪公司專門(mén)有吹膜的高融體強(qiáng)度的PVDF級(jí)別，按其報(bào)道能吹出5 μm厚度的薄膜。PVDF中常加入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為增塑劑以提高其成膜性，加入PMMA后的PVDF的在熔融狀態(tài)下更容易成膜。國(guó)內(nèi)的一些高校如北京化工大學(xué)等在這方面做了較多的研究。但加入PMMA后會(huì)影響薄膜的抗老化性能。澳大利亞Leoben大學(xué)對(duì)采用不同氟塑料薄膜的背板老化后進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)含PMMA（10％～20％）的PVDF薄膜1000～2000h濕熱老化后薄膜破損嚴(yán)重。某歐洲公司在中國(guó)大力推廣其生產(chǎn)的PVDF薄膜以期應(yīng)用于太陽(yáng)能電池背板中，國(guó)內(nèi)有多家背板公司和一些太陽(yáng)能組件工廠嘗試使用。盡管其提供的數(shù)據(jù)表明耐候性良好，但紅外圖譜發(fā)現(xiàn)其薄膜含有大量的PMMA的成分。該薄膜為三層結(jié)構(gòu)，中間層PMMA-PVDF合金中的PMMA含量甚至大大超過(guò)PVDF含量，所以其實(shí)際耐候性如何需要時(shí)間考驗(yàn)。

海優(yōu)威公司使用與歐洲某化學(xué)品公司開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池背板用PVDF薄膜生產(chǎn)背板。該P(yáng)VDF薄膜由PVDF、無(wú)機(jī)顏料和功能性添加劑組成，為單層結(jié)構(gòu)。整個(gè)薄膜內(nèi)外材料均一，白色薄膜能百分之百遮蔽紫外線。經(jīng)2000h的紫外老化測(cè)試，薄膜性能下降忽略不計(jì)，完全滿足了背板對(duì)氟塑料薄膜的要求。

1.2.2 THV（四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物）

美國(guó)3M公司的BBF背板采用此類含氟薄膜。THV是美國(guó)Dyneon公司在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)，目前也只有其生產(chǎn)，其是目前商品化最柔軟的氟塑料，當(dāng)和其它材料復(fù)合成多層結(jié)構(gòu)時(shí)，其優(yōu)異的柔韌性非常突出。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是THV本身容易粘接，無(wú)須表面處理就能和其它材料粘接，這對(duì)生產(chǎn)背板的復(fù)合工藝和用硅膠粘貼接線盒而言都十分重要。在一些對(duì)背板要求柔軟的場(chǎng)合，THV的背板比任何其它材料都更合適。

1.2.3 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）

日本旭硝子株式會(huì)社研發(fā)的ETFE薄膜，由原料到薄膜完全自產(chǎn)，目前應(yīng)用較少，處于推廣狀態(tài)。

1.2.4 ECTFE（乙烯-三氟氯乙烯共聚物）

ECTFE由杜邦公司在1946年開(kāi)發(fā)成功，目前商品化的產(chǎn)品只有蘇威公司提供。ECTFE由CTFE和乙烯的50％：50％的交替共聚物。其有典型的氟塑料的性能 耐化學(xué)腐蝕，沒(méi)有一種溶劑在120℃下能侵蝕ECTFE或使其應(yīng)力開(kāi)裂。高耐候性和阻隔性，ECTFE的阻隔性比其它氟塑料更好。從這兩個(gè)方面而言，在商品化的背板中ECTFE是最好的耐候?qū)拥牟牧稀?/p>

1.2.5 PTFE（聚四氟乙烯）、FEVE（氟乙烯與乙烯基醚的共聚物）

這類背板多采用涂覆法制備，大部分此類背板由國(guó)內(nèi)企業(yè)供應(yīng)。由于前幾年太陽(yáng)能電池背板需求旺盛，國(guó)外公司均不對(duì)中國(guó)供應(yīng)氟塑料薄膜，所以國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了其它國(guó)家沒(méi)有的使用涂料的背板。該類背板的設(shè)計(jì)思路是使用氟碳涂料涂布到PET薄膜上以替代氟塑料薄膜［3］。

由于涂覆型背板在實(shí)際的使用中面臨許多問(wèn)題，如涂覆PET表面后涂料層易形成針孔，影響水汽阻隔率；涂層之間容易形成反粘；與PET的粘結(jié)強(qiáng)度不夠；多層涂布遇到的層間附著問(wèn)題；涂層開(kāi)裂等問(wèn)題，所以市場(chǎng)內(nèi)依然以復(fù)合型背板為主。

1.3 PET背板

此類背板多采用經(jīng)過(guò)特殊處理的PET，多層復(fù)合而成，多見(jiàn)于日本公司。

1.4 其他類型背板

如PE系列，許多國(guó)內(nèi)小廠采用PE作為背板材質(zhì)，用在小的組件之上，生產(chǎn)燈具等。

各個(gè)氟塑料薄膜對(duì)水汽的阻隔能力不同，其中以ECTFE為最優(yōu)。使用同樣厚度為100μm的膜，在40℃、95％的濕度下，PVF的水汽透過(guò)率超過(guò)10～20g/d·m2，PVDF的水汽透過(guò)率為2g左右，而常用的PET不超過(guò)10g。當(dāng)氟塑料薄膜和PET薄膜復(fù)合成背板后，多數(shù)供應(yīng)商都聲稱其背板的水汽阻隔性能小于2g。表1為各種氟材料的特性［4］。

表1 各種氟材料特性

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國(guó)外最大的光伏電池背板供應(yīng)商Isovolta大部分產(chǎn)品為PVF與PET的復(fù)合體，同時(shí)也提供非PVF與增加鋁層的產(chǎn)品。其他的背板供應(yīng)商，如美國(guó)盾膜、德國(guó)August Krempel Soehne、韓國(guó)SFC、日本Toppan等較大的光伏電池背板供應(yīng)商，也都是供應(yīng)以杜邦Tedler為基材的產(chǎn)品。由于其他能夠取代Tedler的材料較少，所以目前眾多的組件廠依然主流選擇使用以杜邦Tedler為基材的背板產(chǎn)品。

雖然大部分背板生產(chǎn)商都希望使用Tedler，但是由于杜邦公司的Tedler供應(yīng)有限，所以一些背板生產(chǎn)廠開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)新的不含Tedler的背板材料，不僅能夠降低背板的價(jià)格，同時(shí)也減少對(duì)于Tedler的依賴。德國(guó)的bayer材料科學(xué)集團(tuán)采用聚碳酸酯的混合物來(lái)作為背板材料；美國(guó)的Biosolar Inc.則是采用菎麻子來(lái)作為光伏電池背板材料；日本一些公司采用經(jīng)過(guò)特殊處理的三層PET復(fù)合制造光伏電池背板。

國(guó)內(nèi)的企業(yè)中，臺(tái)虹采用杜邦Tedler基材料生產(chǎn)背板，而其他采用復(fù)合法制備背板的企業(yè)則因?yàn)槎虐頣edler供應(yīng)緊張而采用Arkema等公司生產(chǎn)的PVDF或者其他的含氟材料，如江蘇匯通、蘇州賽伍。

由于復(fù)合法制備光伏電池背板的限制，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)采用涂覆法生產(chǎn)光伏電池背板，取得了一定的成果。涂覆型背板多采用氟碳涂料，涂覆于PET之上，形成氟層，由于氟碳涂料優(yōu)越的性能，使得涂覆型的光伏電池背板同樣具有較好的抗環(huán)境老化的效果。國(guó)內(nèi)的蘇州中來(lái)、杭州帆度、哈氟龍、聯(lián)合新材、福斯特等公司皆采用涂覆法制備光伏電池背板，無(wú)論復(fù)合法制備光伏電池背板所采用的氟膜，還是涂覆法制備光伏電池背板所使用的氟碳涂料，國(guó)內(nèi)企業(yè)大多從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格高且供貨不穩(wěn)。尤其是國(guó)外企業(yè)的專利技術(shù)制約，使得國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)的替代產(chǎn)品，不得不受到國(guó)外氟化工企業(yè)的制約。

3 背板測(cè)試

一款合格的背板需要具有與EVA良好的粘接性，電氣絕緣性，防水防濕，耐候性等功能，涉及到的相關(guān)測(cè)試有：剝離強(qiáng)度測(cè)試、水汽透過(guò)率測(cè)試、熱收縮率測(cè)試、絕緣測(cè)試、擊穿電壓測(cè)試、最大系統(tǒng)電壓測(cè)試、耐老化測(cè)試、濕熱測(cè)試、濕凍測(cè)試、熱循環(huán)測(cè)試等。

剝離強(qiáng)度拉力測(cè)試主要由電子拉力機(jī)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，而熱收縮率則是在真空烘箱內(nèi)進(jìn)行，主要是測(cè)定背板的力學(xué)性能。

水蒸汽滲透率是衡量背板性能好壞的重要指標(biāo)之一，根據(jù)ASTM D-1249-2006標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。若背板阻隔水蒸汽滲透的性能不良，則空氣中的濕氣（尤其是陰雨天濕氣更大）會(huì)透過(guò)背板進(jìn)入到內(nèi)側(cè)，水蒸汽的滲透會(huì)影響到EVA的粘結(jié)性能，導(dǎo)致背板與EVA脫離，進(jìn)而使更多濕氣直接接觸電池片而使電池片被氧化。其測(cè)試原理為將試驗(yàn)薄膜隔成兩個(gè)獨(dú)立的氣流系統(tǒng)，一側(cè)為具有穩(wěn)定相對(duì)濕度的氮?dú)饬?，并隨著干燥的氮?dú)饬髁飨蚣t外檢定傳感器，測(cè)量出氮?dú)庵兴魵馔高^(guò)率。紅外線檢定法在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中全自動(dòng)測(cè)定，不破壞擴(kuò)散和滲透的平衡，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，同時(shí)由于紅外檢定法檢測(cè)傳感器的高靈敏度，因而可以在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量高阻隔性的材料［5］。

耐老化測(cè)試、濕熱測(cè)試、濕凍測(cè)試、熱循環(huán)測(cè)試在紫外光加速老化試驗(yàn)箱與恒溫恒濕老化箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是評(píng)判光伏電池背板老化性能的重要指標(biāo)。背板不僅起到阻隔水汽的作用，還要在自然環(huán)境內(nèi)保證自身的耐候性。由于背板的結(jié)構(gòu)為多層復(fù)合，所以在自然環(huán)境中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，保持其各層性能與粘結(jié)層效果十分重要。依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行紫外老化、雙85、濕凍等試驗(yàn)，測(cè)試光伏電池背板的老化性能。

絕緣測(cè)試、擊穿電壓測(cè)試、最大系統(tǒng)電壓測(cè)試、是針對(duì)光伏電池背板的電性能作出的專業(yè)測(cè)試，主要采用介電擊穿電壓測(cè)試儀、絕緣測(cè)試儀、電壓測(cè)試機(jī)等儀器進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)ASTM與IEC標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量其數(shù)據(jù)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。

表2 光伏電池背板性能參數(shù)

4 小結(jié)

目前國(guó)外的光伏電池背板企業(yè)占據(jù)了市場(chǎng)的大部分份額，作為國(guó)產(chǎn)背板來(lái)講，提高自身產(chǎn)品的科技含量與核心競(jìng)爭(zhēng)力依然是擺在當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。全球生產(chǎn)背板的企業(yè)日益增多，同時(shí)許多塑料相關(guān)行業(yè)的企業(yè)也計(jì)劃投入到光伏背板行業(yè)，未來(lái)2～3年將會(huì)有更多的企業(yè)投產(chǎn)背板，背板產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)越來(lái)越激烈，因此PVF或其他含氟薄膜的國(guó)產(chǎn)化至關(guān)重要。

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［3］溫建軍，劉皎彥.太陽(yáng)電池組件封裝用國(guó)產(chǎn)材料與進(jìn)口材料的差距及替代的可能性［A］.21世紀(jì)太陽(yáng)能新技術(shù)--2003年中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.2003，335-337.

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［5］朱必林.論析太陽(yáng)能電池背板水蒸汽阻隔性能測(cè)試儀器的應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2010，（7）：135-136.