光伏背板用PET薄膜濕熱老化性能研究

樂凱膠片股份有限公司 ■ 李茜茜 吳常良

0 引言

太陽電池組件的結(jié)構(gòu)一般為玻璃、EVA、電池片、背板，四周用鋁框封裝。背板位于組件背面最外層，在戶外環(huán)境下，具有良好的絕緣性，保護太陽電池不受水汽侵蝕，阻隔氧氣；耐高低溫和耐老化性能；耐腐蝕性能。背板的結(jié)構(gòu)一般為TPT或TPE結(jié)構(gòu)，總厚約為300～350 μm，其中P為PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)，厚約250 μm，是背板的主體結(jié)構(gòu)。大部分長時間濕氣的滲入是組件失效的原因。水蒸氣在電池板或電路上的冷凝會導(dǎo)致短路或腐蝕[1]。隨著濕熱老化時間的延長，背板會脫層從而導(dǎo)致背板失效。為了讓組件在戶外能有效使用25年，背板必須按標(biāo)準經(jīng)過一系列嚴格的濕熱老化測試。這就要求背板的主體結(jié)構(gòu)PET也要經(jīng)受住濕熱老化測試。所以研究濕熱老化過程中，PET薄膜的各項性能如何變化，以及最終對背板層間粘結(jié)力的影響，具有一定的參考價值。

1 試驗設(shè)備和材料

試驗設(shè)備：恒溫恒濕箱(85 ℃，85%RH)、差示掃描量熱儀(DSC)、新三思拉力機。

試驗材料：同一廠家不同批次的PET，為了保密，不公布廠家和批次，批次用a、b、c代替。復(fù)合背板所用其他材料保密，在此不公開。

2 試驗方法

取a、b、c批次的PET薄膜放入恒溫恒濕箱，分別在500 h、1000 h、1500 h取出，測PET薄膜的表面張力、拉伸強度、結(jié)晶度。將老化后的PET薄膜在實驗室復(fù)合成TPE結(jié)構(gòu)的背板，測背板的層間粘結(jié)力。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 PET薄膜表面張力的變化

表面張力取決于塑料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，表示塑料薄膜表面自由能的大小，是決定聚合物粘結(jié)性的一個重要因素[2]。PET類屬于極性高聚物，其表面自由能大，本身能達到42 dyn/cm，但為了提高PET薄膜與其他材料的粘結(jié)力，仍需進一步提高，一般通過電暈處理方法，處理后能達到52 dyn/cm或更高[3]。電暈處理指在非真空(空氣存在)條件下用電磁能將空氣激發(fā)、電離，使PET表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成醇、羧基極性基團[4]，從而改善PET薄膜表面的附著性。電暈處理深度一般只有零點幾納米，處理后應(yīng)盡快使用，否則易失效。

從表1可看出，各個批次的PET薄膜在放入濕熱老化箱500 h后，表面張力就已大幅下降，約從48 dyn/cm降到42 dyn/cm；1500 h后，表面張力已降到36 dyn/cm以下。

PET薄膜表面張力的大小隨著老化時間的延長而降低，這與電暈處理和PET水解有關(guān)。濕熱老化初期，電暈效果開始失效，PET水解速率較慢[5]，500 h時電暈效果已完全失效。隨著老化時間的延長，水解速率加快，PET加速降解，由大分子變成小分子，PET化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，所以表面張力下降。

3.2 PET薄膜拉伸強度變化

拉伸強度是材料能承受的最大拉伸應(yīng)力，通常出現(xiàn)在材料的屈服點或斷裂點。從表1和圖1可看出，a、b、c批次的PET薄膜在1000 h老化后，拉伸強度的下降幅度都不大，這是PET的結(jié)晶度和水解作用共同作用的結(jié)果。水解反應(yīng)造成PET的降解對拉伸強度產(chǎn)生負面影響，但結(jié)晶度的增大(由表1和圖2可看出)可抵消大部分影響，所以整體表現(xiàn)為拉伸強度下降幅度不大。而老化1000 h后，拉伸強度大幅下降，主要原因是雖然結(jié)晶度仍在增加，但是水解反應(yīng)造成的分子鏈下降占主導(dǎo)作用，從而引起拉伸強度大幅下降[6]。

表1 不同批次PET老化后的各項性能變化

圖1 不同批次PET薄膜的拉伸強度隨老化時間的變化

3.3 PET薄膜的結(jié)晶度變化

聚合物中大分子鏈以三維有序排列的現(xiàn)象稱為結(jié)晶，大分子鏈以一維或二維有序并沿某一特定方向排列的現(xiàn)象稱為取向，大分子鏈在成型時以不平衡構(gòu)象冷卻并固定下來，則會留有殘余應(yīng)力[7]。聚合物的結(jié)晶度反映了結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)的相對數(shù)量。聚合物的很多重要性能都受結(jié)晶度的影響，如不透明性、拉伸強度、滲透性、粘附性、抗撕裂性等。

如圖2所示，PET在濕熱老化過程中結(jié)晶度一直在增加，說明PET薄膜內(nèi)部發(fā)生了結(jié)晶現(xiàn)象。PET薄膜采用雙向拉伸方法制備，分子在橫向和縱向都有取向，冷卻定型后會有殘余應(yīng)力存在。在濕熱老化中，溫度的存在使PET大分子鏈運動加劇，釋放了殘余應(yīng)力，使PET大分子朝三維有序方向排列，所以結(jié)晶度升高。

圖2 不同批次PET的結(jié)晶度隨老化時間的變化

3.4 背板層間粘結(jié)力的變化

復(fù)合型背板一般采用干式復(fù)合法制備。干式復(fù)合是在第一種基材上涂覆一層粘合劑，經(jīng)烘干處理，使粘合劑中的溶劑蒸發(fā)掉，粘合劑在干的狀態(tài)下與第二種基材進行復(fù)合的一種方法[7]。影響背板層間粘結(jié)力的因素有膠黏劑的潤濕性、PET及其他材料的表面張力等。

由表2和圖3可知，隨著PET老化時間的延長，背板的層間粘結(jié)力都在降低。主要原因是濕熱老化后，PET的表面張力下降和結(jié)晶度升高。粘結(jié)本質(zhì)上是一種表面現(xiàn)象，膠黏劑必須能滲入材料表面所有的孔隙和縫隙中，才能達到良好的粘結(jié)。而膠黏劑對PET基材的滲入過程只發(fā)生在無定形區(qū)域，濕熱老化后，結(jié)晶度增加，PET部分分子由無定形變成規(guī)則排列，滲入過程減弱。為了獲得良好的粘結(jié)強度，膠黏劑還必須很好地潤濕被粘結(jié)表面。膠黏劑與被粘結(jié)表面的潤濕特性取決于兩者表面張力的相對大小。膠黏劑的表面張力值必須小于被粘結(jié)表面的臨界表面張力，一般膠黏劑的表面張力至少要比被粘結(jié)物的表面張力小10 dyn/cm。本實驗中，膠黏劑的表面張力不變，PET的表面張力隨老化時間變小，兩者的表面張力越來越相近，導(dǎo)致膠黏劑在PET上的潤濕性不好，所以層間粘結(jié)力降低。

表2 不同批次PET老化后復(fù)合背板的層間粘結(jié)力

圖3 不同批次PET濕熱老化后復(fù)合成背板的層間粘結(jié)力

4 結(jié)論

1)PET濕熱老化，隨著老化時間的延長，PET的表面張力下降、拉伸強度下降、結(jié)晶度升高。

2)PET濕熱老化后復(fù)合成背板，層間粘結(jié)力降低，主要原因是PET的表面張力下降和結(jié)晶度升高。

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