光伏組件背板用高反射率PET薄膜性能

祝炬燁，周玉波，裴旺，王雄偉，劉海波，徐瑞玉，汪緒，鄭小偉，艾誠，劉小青

(1.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315031； 2.寧波長陽科技股份有限公司，浙江寧波 315201)

背板作為光伏組件的重要組成部分，是光伏組件25年設(shè)計(jì)壽命的關(guān)鍵材料，背板需要滿足耐候性及電絕緣性的要求[1]。隨著光伏電池技術(shù)的發(fā)展，單結(jié)單晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率[2]慢慢接近理論極限[3]，通過光伏組件技術(shù)的優(yōu)化來提高組件轉(zhuǎn)換效率及輸出功率越來越被人們重視，其中高反射率背板就是其中一重要措施[4-5]。

圖1是光伏組件的斷面示意圖，從上往下分別是玻璃、電池片、乙烯－乙酸乙烯酯塑料(EVAC)、背板。電池片與電池片之間有空隙，如果背板具有高反射率，就可以將電池片之間的光重新反射回組件，再經(jīng)過玻璃的反射從而被電池片利用，因此可增加組件的短路電流密度[6-8]。

圖1 光伏組件斷面示意圖

背板主要由三層結(jié)構(gòu)組成，最典型的就是聚氟乙烯(PVF)／聚對苯二甲酸乙二酯(PET)／PVF，背板一般選用半透型的PET薄膜作為基膜，半透型PET薄膜的反射率小于50%，跟PVF膜貼合后反射率為80%～85%[9]。N. Kim等[7]對四種白色背板進(jìn)行了測試分析，發(fā)現(xiàn)背板反射率越高，組件的轉(zhuǎn)換效率越高，但經(jīng)過老化，背板的反射率下降并出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象。筆者利用聚甲基戊烯與PET的不相容性，在PET中加入聚甲基戊烯，使PET在雙向拉伸過程中與聚甲基戊烯分離形成微米級孔，最終得到光伏組件背板用高反射率的PET薄膜，在420～1 200 nm波長范圍內(nèi)平均反射率為95.9%。然后對PET薄膜進(jìn)行高壓加速濕熱老化(PCT) 48 h并測試，結(jié)果顯示，老化處理后高反射率PET薄膜的反射率并未明顯下降，黃色指數(shù)(YI)變化值(ΔYI)為0.49，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率保持率在50%以上。光伏組件背板用高反射率PET薄膜的開發(fā)，對獲得高性能光伏組件具有重要意義[5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PET樹脂：BG60，中國石油遼陽石化分公司；

聚甲基戊烯：RT18，三井化學(xué)株式會(huì)社；

聚丙烯：B4902，中國石化燕山石化公司；

鈦白粉：R104，杜邦中國有限公司；

耐水解劑：Hymax1010，上海朗億功能材料有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：ZSE 135 MT-32L／D型，Leistritz 公司；

雙向拉伸設(shè)備：定制；

場發(fā)射掃描電子顯微鏡：Sirion200型，F(xiàn)EI 公司；

紫外／可見／近紅外分光光度計(jì)：Lambda 950型，Perkin-Elmer公司；

色差儀：UltraScan VIS型，Hunter Lab公司；

拉力試驗(yàn)機(jī)：GBH-1型，廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司；

PCT加速老化試驗(yàn)箱：PCT-35型，東莞市泓進(jìn)檢測儀器有限公司；

差示掃描量熱(DSC)儀：DSC214型，Netzsch公司；

擊穿電壓測試儀：IBV-50型，桂林彰信檢測設(shè)備有限公司；

分析天平：XS205型，搭配AL／AB-N電子天平密度測定組件，Mettler Toledo公司。

1.3 樣品制備

將PET樹脂切片投入一臺雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度分9段控制，溫度控制在180～280℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速為500～800 r／min。將所用原材料按一定配比充分?jǐn)嚢?、混合均勻后投入另一臺雙螺桿擠出機(jī)中，料筒溫度分9段控制，溫度控制在180～280℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速為500～800 r／min，熔融混合后通過分配器，再經(jīng)衣架式模頭混合擠出形成鑄片，再經(jīng)縱向拉伸，溫度為80～85℃，拉伸比為3；橫向拉伸，溫度為125～130℃，拉伸比為3，最后制備得到樣品，樣品厚度250 μm。

其中，制備半透型PET薄膜時(shí)，所用原材料為PET樹脂切片、聚丙烯、耐水解劑，配比為94%，5%，1%；制備高反射型PET薄膜時(shí)，所用原材料為PET樹脂切片、聚丙烯、聚甲基戊烯、鈦白粉、耐水解劑，配比為85%，5%，4%，5%，1%。

1.4 性能測試

(1)老化性能試驗(yàn)。

將樣品放入PCT加速老化試驗(yàn)箱中PCT 48 h，條件：2個(gè)大氣壓，溫度121℃，相對濕度100%。

(2)力學(xué)性能測試。

按照GB／T 1040-2006測試PCT 48 h前后樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，拉伸速度100 mm／min。

(3)反射率測試。

按照GB／T 3979-2008測試PCT 48 h前后樣品的反射率，波長范圍為380～1 200 nm。

(4) YI測試。

按照GB／T 2409-1980測試PCT 48 h前后樣品的YI。

(5)形貌觀察。

使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察PCT 48 h前后樣品的斷面形貌。

(6)密度測試。

使用分析天平測試PCT 48 h前后樣品的密度。

(7)熔融及結(jié)晶行為測試。

稱取PCT 48 h前后的樣品5 mg左右，從室溫以10℃／min升溫到300℃，保溫5 min，再從300℃以10℃／min降溫到室溫。

(8)擊穿電壓(油)測試。

按照GB／T 507-2002測試樣品PCT 48 h前后的擊穿電壓(油)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PET薄膜的光學(xué)性能

半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的反射率如圖2所示。

圖2 半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的反射率

由圖2可以看出，在波長420～1 200 nm范圍內(nèi)，高反射型PET薄膜的反射率均大于90%，平均反射率為95.9%，550 nm左右達(dá)到最大值，反射率為97%。當(dāng)波長小于420 nm時(shí)，高反射型PET薄膜的反射率急劇下降。高反射率主要是由于薄膜中間大量微米級孔的引入，微米級孔里是空氣，當(dāng)光線進(jìn)入薄膜，遇到微米級孔時(shí)會(huì)發(fā)生反射或折射，部分會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，大量的微米級孔能使光線發(fā)生多次反射，從而使得薄膜在420～1200 nm波長范圍內(nèi)的反射率大于90%。經(jīng)過PCT 48 h老化處理，高反射型PET薄膜的反射率并未明顯下降，說明老化并未破壞PET薄膜的微米級孔結(jié)構(gòu)。在420～1 200 nm波長范圍內(nèi)，隨著波長的增加，半透型PET薄膜的反射率從53%降低到20%，平均反射率為34.8%。半透型PET薄膜經(jīng)過PCT 48 h老化處理，反射率沒有明顯變化。

一般來說，ΔYI越大，說明材料耐環(huán)境老化性能越差，材料會(huì)出現(xiàn)變黃現(xiàn)象[10]。半透型PET薄膜PTC 48 h前的YI是2.74，PTC 48 h后的YI變?yōu)?.32，ΔYI=0.58。高反射型PET薄膜PCT 48 h前的YI是0.53，PCT 48 h后的YI變?yōu)?.02，ΔYI=0.49。由此可見，高反射型PET薄膜和半透型PET薄膜的ΔYI都比較小，PCT 48 h后不會(huì)變黃。

2.2 PET薄膜的斷面形貌

半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后斷面的SEM照片如圖3所示。

圖3 半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后斷面的SEM照片

由圖3a、圖3b可以看出，PCT 48 h前，半透型PET薄膜的斷面呈密實(shí)狀態(tài)，經(jīng)過PCT 48 h后，樣品并沒有出現(xiàn)分層、斷裂等現(xiàn)象。由圖3c可以看出，PCT 48 h前，高反射型PET薄膜的斷面中間呈多孔形貌，主要是由于中間層聚甲基戊烯的添加造成的，由于聚甲基戊烯與PET不相容，使PET與聚甲基戊烯分離產(chǎn)生微小泡孔，微小泡孔經(jīng)過雙向拉伸形成微米級孔，微米級孔的直徑大約3～8 μm，高度大約0.2～0.8 μm。由于微米級孔中是空氣，其折射率與PET的折射率不同，光線在微米級孔界面處會(huì)發(fā)生部分全反射現(xiàn)象，大量微米級孔的存在，使得反射率增強(qiáng)，從而達(dá)到高反射率的目的。由圖3d可以看出，微米級孔結(jié)構(gòu)經(jīng)過PCT 48 h后并未收縮或坍塌，PET薄膜也沒有出現(xiàn)分層、斷層等現(xiàn)象。微米級孔的直徑大約3～8 μm，高度大約0.2～0.8 μm，與未經(jīng)過PCT 48 h的微米級孔大小基本一致。由此可見，PET薄膜中微米級孔的引入提高了反射率，但并未降低PET薄膜的老化性能。

同時(shí)測得半透型PET薄膜PCT 48 h前后的密度均為1.4 g／cm3，而高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的密度均為1.2 g／cm3。由此可見，高反射型PET薄膜不僅提高了反射率，而且降低了密度，使得背板單位面積的質(zhì)量降低，從而降低了組件的安裝運(yùn)輸成本。

2.3 PET薄膜的力學(xué)性能

半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的拉伸性能列于表1。

表1 半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的拉伸性能

由表1可以看出，半透型PET薄膜的拉伸性能均優(yōu)于高反射型PET薄膜，主要是由于高反射型PET薄膜中產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)造成拉伸性能的略微下降。半透型PET薄膜經(jīng)過PCT 48 h后，縱向斷裂伸長率從160%降到103%，橫向斷裂伸長率從153%降到74%，斷裂伸長率保持率分別為64%和48%。高反射型PET薄膜經(jīng)過PCT 48 h后，縱向斷裂伸長率從121%降到84%橫向斷裂伸長率從117%降到63%，斷裂伸長率保持率分別為69%和54%。這主要是由于在水氣作用下，PET主鏈中的酯基發(fā)生水解作用，使得PET長鏈斷裂成多段短鏈，分子量下降，導(dǎo)致力學(xué)性能下降[11-15]。高反射型PET薄膜經(jīng)過PCT 48 h后，依舊保持一定的力學(xué)強(qiáng)度，保證了光伏組件20年的使用壽命。

2.4 PET薄膜的結(jié)晶度

為了驗(yàn)證PET薄膜經(jīng)過PCT 48 h后結(jié)晶度的變化，進(jìn)行了DSC測試，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，半透型PET薄膜PCT 48 h前后的熔點(diǎn)分別為256.7℃和258.7℃，高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的熔點(diǎn)分別為256.5℃和257.9℃，可見PCT 48 h后PET薄膜的熔點(diǎn)都得到升高并且熔融峰變得更尖銳。由圖5可以看出，PCT 48 h后，半透型PET薄膜的結(jié)晶溫度從189.1℃提高到201℃，高反射型PET薄膜的結(jié)晶溫度從195.3℃提高到203.7℃。這主要是由于老化導(dǎo)致PET主鏈發(fā)生水解反應(yīng)，主鏈斷裂，小分子鏈發(fā)生重結(jié)晶，從而導(dǎo)致熔點(diǎn)和結(jié)晶度略微增加[16]。結(jié)晶度通過式(1)計(jì)算得到：

圖4 半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的DSC熔融曲線

圖5 半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜PCT 48 h前后的DSC冷卻曲線

根據(jù)(1)式計(jì)算得到半透型PET薄膜PCT 48 h前后的結(jié)晶度從34.4%增加到37.6%，高反射型PET薄膜經(jīng)過PCT 48 h結(jié)晶度從27.8%增加到30.5%。

2.5 PET薄膜的電學(xué)性能

為了減少電站的投資成本，減少線路損耗，光伏系統(tǒng)電壓逐漸從1 000 V提高到1 500 V[3]，這對背板的電絕緣性能提出了更高的要求。使用擊穿電壓測試儀測試PCT 48 h前半透型PET薄膜和高反射型PET薄膜的電學(xué)性能，結(jié)果測得，半透型PET薄膜的擊穿電壓(油)為16.0 kV，高反射型PET薄膜的擊穿電壓(油)為26.0 kV。這可能是由于大量橢球型微米級孔均勻分布，改變了電場分布，提高了耐擊穿電壓。

3 結(jié)論

(1)通過拉伸制孔使得PET薄膜內(nèi)形成大量微米級孔，得到高反射型PET薄膜，大量微米級孔可以將光線大部分反射回去，在420～1 200 nm波長范圍內(nèi)，高反射型PET薄膜的平均反射率為95.9%，550 nm處達(dá)到最大值97%。PCT 48 h后，高反射型PET薄膜的反射率沒有發(fā)生明顯變化。PCT 48 h前后，PET薄膜的ΔYI為0.49，表明并未發(fā)生黃變現(xiàn)象。

(2)半透型PET薄膜的密度為1.4 g／cm3，而高反射型PET薄膜的密度為1.2 g／cm3，能有效減小組件的質(zhì)量。PCT 48 h后，高反射型PET薄膜的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化，未出現(xiàn)分層或分裂現(xiàn)象。PCT 48 h后，高反射型PET薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均有下降，主要是由于水解作用導(dǎo)致主鏈斷裂，分子量下降，但保持率均在50%以上。DSC測試表明，經(jīng)過PCT 48 h，半透型PET薄膜的結(jié)晶度從34.4%增加到了37.6%，高反射型PET薄膜的結(jié)晶度從27.8%增加到了30.5%，主要是由于主鏈斷裂的小分子鏈發(fā)生了重結(jié)晶。半透型PET薄膜的擊穿電壓(油)為16.0 kV，高反射型PET薄膜的擊穿電壓(油)為26.0 kV。