太陽能電池背板的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

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 310023）

光伏電池是由玻璃、EVA、硅片、背板組成，按照玻璃—EVA—電池片—EVA—背板的結構封裝構成，其中背板位于光伏電池背面的最外層，是光伏電池重要組成部分，不僅起到封裝的作用，同時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。本文將對太陽能電池背板材料、結構的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢作一回顧和分析。

1 光伏背板的類型及優(yōu)缺點

按照光伏電池背板整體結構劃分，可將光伏電池背板劃分為FPF，F(xiàn)PE，全PET與PET／聚烯烴結構［1]。其中F為含氟薄膜；P為雙向拉伸工藝制備的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜（即PET薄膜）；E為乙烯－醋酸乙烯（即EVA）；聚烯烴指各種以碳碳結構為主鏈的塑料。這些結構層之間使用膠粘劑進行粘合，通過復合工藝制備成型［2]。最早的光伏電池背板采用TPT結構，即Tedlar／PET／Tedlar結構，其中Tedlar為杜邦公司所生產(chǎn)的PVF（聚氟乙烯）薄膜，以杜邦公司的Tedlar為基材的背板主導了大部分的光伏背板市場，第一款進入光伏市場的產(chǎn)品為PVF2001，目前杜邦公司的Tedlar產(chǎn)品已經(jīng)開發(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Tedlar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 Tedlar系列

Tedlar結構的背板被稱為經(jīng)典的背板結構，已成為國內(nèi)外太陽能電池組件廠首選背板類型。PVF膜的結構穩(wěn)定、耐環(huán)境變化，但是薄膜表面較易出現(xiàn)針孔，薄膜的水汽阻隔能力較差。同時PVF材料本身含氟量小，所以PVF薄膜需要有足夠的厚度來保證其性能。不過PVF是所有氟材料中成本最低的，非常適合作為大規(guī)模推廣應用的太陽能光伏背板材料。

1.2 含氟背板

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

1）PVDF（聚偏氟乙烯） 此類薄膜的生產(chǎn)商主要有法國的阿科瑪公司，韓國SKC等。PVDF是使用量第二大的氟塑料，其熔點和分解點相差大，可以使用熱塑性塑料加工方法進行加工。PVDF較成熟的制膜技術是使用吹膜的方法。阿克瑪公司擁有專門應用于吹膜的高融體強度級別PVDF樹脂，能吹出厚度僅5μm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。國內(nèi)的一些高校如北京化工等在這方面已做了較多的研究。但PVDF加入PMMA后會影響薄膜的抗老化性能，澳大利亞Leoben大學對采用不同氟塑料薄膜的背板老化結果進行了研究，發(fā)現(xiàn)含PMMA（10%～20%）的PVDF薄膜經(jīng)過1 000～2 000h濕熱老化后薄膜破損嚴重。歐洲一家公司在中國大力推廣其生產(chǎn)的PVDF薄膜，盡管該公司提供的數(shù)據(jù)表明耐候性良好，但從紅外圖譜發(fā)現(xiàn)該薄膜含有大量的PMMA的成分；該薄膜為三層結構，特別是中間層PMMA—PVDF合金中的PMMA含量，甚至大大超過PVDF含量，所以該產(chǎn)品的實際耐候性如何，需要時間考驗。

海優(yōu)威公司使用與歐洲某化學品公司開發(fā)的太陽能電池背板用PVDF薄膜生產(chǎn)背板。該PVDF薄膜由PVDF、無機顏料和功能性添加劑組成，為單層結構，整個薄膜內(nèi)外材料均一，白色薄膜能百分之百遮蔽紫外線，經(jīng)2 000h的紫外老化測試，薄膜的老化性能下降可以忽略不計，其他性能完全可以滿足光伏電池背板對氟塑料薄膜的各種要求。

2）THV（四氟乙烯－六氟丙烯－偏氟乙烯共聚物） 美國3M公司的BBF背板采用THV含氟薄膜。THV是美國Dyneon公司在20世紀80年代開發(fā)，也是目前唯一的生產(chǎn)廠家。THV是目前市場中最柔軟的氟塑料，當和其他材料復合成多層結構時，柔韌性非常突出。THV的另一個重要特點是本身容易粘接，無須表面處理就能與其他材料粘接，背板的復合制作工藝和用硅膠粘貼接線盒都十分簡便，特別適用于對背板要求柔軟的場合。

3）ETFE（乙烯－四氟乙烯共聚物） 日本旭硝子株式會社研發(fā)的ETFE薄膜，由原料到薄膜完全自產(chǎn)，目前還處于試用階段，尚未達到規(guī)模化應用。

4）ECTFE（乙烯－三氟氯乙烯共聚物）ECTFE由杜邦公司在1946年開發(fā)成功，目前商品化的產(chǎn)品只有蘇威公司提供。ECTFE是乙烯和三氟氯乙烯1∶1的交替共聚物，具有典型的氟塑料的耐化學腐蝕性能，沒有一種溶劑在120℃下能侵蝕ECTFE或使其應力開裂，而且具有很高的耐候性和阻隔性。在商品化光伏電池背板中，ECTFE是最好的耐候?qū)拥牟牧稀?/p>

5）PTFE（聚四氟乙烯）、FEVE（氟乙烯與乙烯基醚的共聚物） PTFE背板多采用涂覆法制備，大部分由國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)。由于前幾年太陽能電池背板需求旺盛，國外公司均不對中國供應氟塑料薄膜，所以國內(nèi)開發(fā)了其他國家不生產(chǎn)的使用涂料的背板，背板采用氟碳涂料涂布到PET薄膜上，替代氟塑料薄膜［3]。

由于PTFE涂覆型背板在實際使用中會出現(xiàn)許多問題，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，同時還存在粘結強度不夠、多層涂布遇到的層間附著問題和涂層開裂等問題。因此，目前實際應用依然以復合型背板為主。

6）PET背板 此類背板多采用經(jīng)過特殊處理的PET，多層復合而成，多見于日本公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。

1.3 其他類型背板

如PE系列，我國許多小廠采用PE作為背板材質(zhì)，用在小光伏組件上，生光伏產(chǎn)燈具等。

各個氟塑料薄膜對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的薄膜，在氣溫40℃和濕度95%的條件下，PVF每天每1m2的水汽透過率超過10～20g，PVDF為2g左右，而常用的PET不超過10g。據(jù)多數(shù)供應商提供的數(shù)據(jù)，采用氟塑料薄膜和PET薄膜復合成的背板，其水汽阻隔性能小于2g。表1為各種氟材料的特性［4]。

表1 各種氟材料特性

2 光伏電池背板的性能測試

一款合格的背板需要具有與EVA良好的粘接性、電氣絕緣性、防水防濕和耐侯性等功能，產(chǎn)品必須經(jīng)過剝離強度、水汽透過率、熱收縮率、絕緣性能測定和經(jīng)過耐老化、濕熱、濕凍和熱循環(huán)試驗合格后方能使用。

剝離強度主要由電子拉力機來進行測試，而熱收縮率則是在真空烘箱內(nèi)進行，主要是測定背板的力學性能。

水蒸氣滲透率是衡量背板性能好壞的重要指標之一，若背板阻隔水蒸氣滲透的性能不良，則空氣中的濕氣（尤其是陰雨天）會透過背板進入到電池板內(nèi)側，水蒸氣的滲透還會影響到EVA的粘結性能，導致背板與EVA脫離，進而使更多濕氣直接接觸電池片而使電池片被氧化。其測試原理為將試驗薄膜隔成兩個獨立的氣流系統(tǒng)，一側為具有穩(wěn)定相對濕度的氮氣流，并隨著干燥的氮氣流流向紅外檢定傳感器，測量出氮氣中水蒸氣透過率。紅外線檢定法在整個實驗過程中全自動測定，不破壞擴散和滲透的平衡，結果準確可靠，同時由于紅外檢定法檢測傳感器的高靈敏度，因而可以在短時間內(nèi)測量高阻隔性的材料［5]。

耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環(huán)試驗在紫外光加速老化試驗箱與恒溫恒濕老化箱中進行。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。

由于背板的結構為多層復合，所以在自然環(huán)境中經(jīng)過長時間的使用后，保持其各層性能與粘結層的效果十分重要。依據(jù)IEC標準，光伏電池背板必須進行耐紫外老化、雙85、濕凍等試驗，測試其耐老化性能。

絕緣測試、擊穿電壓測試、最大系統(tǒng)電壓測試是針對光伏電池背板的電性能作出的專業(yè)測試，主要采用介電擊穿電壓測試儀、絕緣測試儀、電壓測試機等儀器進行測試，根據(jù)ASTM與IEC標準來檢測其性能指標是否達標。

表2為目前國內(nèi)一些背板企業(yè)所生產(chǎn)的光伏電池背板性能參數(shù)。

3 光伏背板的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前國外最大的光伏電池背板供應商Isovolta大部分產(chǎn)品為PVF與PET的復合體，同時也提供非PVF與增加鋁層的產(chǎn)品。其他的如美國盾膜、德國 August Krempel Soehne、韓國SFC、日本Toppan等較大的光伏電池背板供應商，也都是供應以杜邦Tedlar為基材的產(chǎn)品。由于能夠取代Tedlar的材料較少，所以目前眾多的組件廠依然以選用以杜邦Tedlar為基材的背板產(chǎn)品為主。雖然大部分背板生產(chǎn)商都希望使用Tedlar，但是由于杜邦公司的Tedlar供應有限，所以一些背板生產(chǎn)廠開始致力于開發(fā)新的不含Tedlar的背板材料，希望降低背板的價格，同時減少對于Tedlar的依賴。

德國的bayer材料科學集團采用聚碳酸酯的混合物來作為背板材料；美國的Biosolar Inc.則是采用菎麻子為原料生產(chǎn)光伏電池背板材料；日本一些公司則采用經(jīng)過特殊處理的三層PET復合制造光伏電池背板。

我國的企業(yè)中，臺虹采用杜邦Tedlar基材料生產(chǎn)背板，而江蘇匯通、蘇州賽伍等其他采用復合法制備背板的企業(yè)，因為杜邦Tedlar供應緊張而采用Arkema等公司生產(chǎn)的PVDF或者其他的含氟材料。

由于復合法制備光伏電池背板比較困難，國內(nèi)一些企業(yè)改用涂覆法生產(chǎn)光伏電池背板，也取得了一定的成果。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。國內(nèi)的蘇州中來，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。

無論復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，所用原料大多從國外進口，價格高且供貨不穩(wěn)。尤其是受到國外企業(yè)專利技術的制約，使得國內(nèi)沒有相關的替代產(chǎn)品，不得不受到國外氟化工企業(yè)的制約。

4 結語

目前，國外的光伏電池背板產(chǎn)品占據(jù)了我國市場的大部分份額，作為國產(chǎn)背板生產(chǎn)企業(yè)，提高自身產(chǎn)品的科技含量、開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，提高市場競爭力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是擺在當前急需解決的問題。全球生產(chǎn)背板的企業(yè)日益增多，同時許多塑料相關行業(yè)的企業(yè)也計劃投入到光伏背板生產(chǎn)行業(yè)，未來2—3年將會有更多的企業(yè)投產(chǎn)背板，背板產(chǎn)品的競爭將會越來越激烈，因此聚氟乙烯薄膜或其他含氟薄膜的國產(chǎn)化至關重要。

表2 光伏電池背板性能參數(shù)

［1]A.W.Czanderna，F(xiàn).J.Pern.Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant：a critical review［J].Solar Energy Materials ＆ Solar Cells，1995，（43）.

［2]G.Oreski，G.M.Wallner，Delamination behaviour of multi－layer films for PV encapsulation［J].Solar Energy Materials ＆ Solar Cells，2005，（89）.

［3]溫建軍，劉皎彥.太陽電池組件封裝用國產(chǎn)材料與進口材料的差距及替代的可能性［C]／／21世紀太陽能新技術——2003年中國太陽能學會學術年會論文集，2003.

［4]吳君毅.PVDF樹脂在太陽能電池模組背板上的應用［J].有機氟工業(yè)，2009，（4）.

［5]朱必林.論析太陽能電池背板水蒸汽阻隔性能測試儀器的應用［J].科技風，2010，（7）.