透明背板材料的可靠性研究

楊小旭，潘建軍，曹詩易，李楠楠，侯宏兵

(1. 蘇州福斯特光伏材料有限公司，蘇州 215500；2. 浙江福斯特新材料研究院，杭州 311300)

0 引言

近幾年來，由于p-PERC+、n-PERT 等結(jié)構(gòu)的高效太陽電池轉(zhuǎn)換效率提升，雙面光伏組件的應(yīng)用得以規(guī)?；占埃l(fā)展非常迅速。以玻璃作為背板是目前雙面光伏組件的主流選擇，但對高分子復(fù)合背板封裝材料的需求也越來越多。傳統(tǒng)高分子復(fù)合背板采用的耐候保護層是以PVF 薄膜、PVDF 薄膜、超耐候氟涂層膜等為主，作為高分子復(fù)合背板的一種形式，透明背板可優(yōu)選上述的氟保護層材料。當(dāng)前面對玻璃的成本和供貨壓力，在這些可靠的聚合物材料中，選擇合適的材料、合理的結(jié)構(gòu)搭配來滿足組件客戶的降本要求迫在眉睫。

本文對比分析了幾種氟保護層材料各自的優(yōu)劣，對其耐紫外、耐濕熱、紫外+濕熱(UV+DH)同步老化等性能進行了對比，選擇出性能更可靠的原材料及透明背板材料。

1 透明氟材料膜的性能對比

FEVE 氟樹脂是一種氟碳烯烴鏈段與烷基乙烯基醚或酯鏈段的共聚物[1-2]，F(xiàn)EVE 氟樹脂的碳-碳主鏈被交替的碳-氟鍵保護，側(cè)鏈存在的各種極性基團使得涂層具有良好的溶劑可溶性，與紫外助劑有優(yōu)異的相容性。FEVE 氟樹脂具有較好的耐溶劑性、耐高溫高濕性，以及超強的耐紫外抗黃變性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在常規(guī)晶硅光伏組件使用的背板材料中。

本實驗樣品的制備方法為：先將FEVE 氟樹脂溶解，加入各種紫外助劑、固化劑，經(jīng)過預(yù)混合、二次砂磨分散后制成透明涂料，將涂料以絲棒涂布在離型薄膜上，通過異氰酸酯交聯(lián)固化，經(jīng)過180 ℃烘干后，剝離可得到透明氟FEVE 涂層膜。該涂層膜具有良好的透光性、機械柔韌性和紫外光截止性[3-4]。

實驗制備了厚度為2、5、7、9、11、13、15、17 μm 的透明FEVE 氟涂層膜，考察不同厚度的透明FEVE 氟涂層膜對280～400 nm 紫外光波段的截止性，具體如圖1 所示。

圖1 不同厚度的透明FEVE 氟涂層膜的透光率曲線Fig. 1 Transmittance of transparent FEVE films with different thickness

從圖1 可以看出，厚度低于10 μm 的透明FEVE 氟涂層膜不能完全阻隔380 nm 以下的紫外光；隨著FEVE 氟涂層膜厚度的加厚，紫外助劑絕對重量份增加，厚度大于13 μm 的透明FEVE 氟涂層膜已可以完全阻隔380 nm 以下的紫外光。

透明氟材料作為背板的最外層，紫外截止能力尤為重要。實驗選取了厚度為25 μm 的透明PVF薄膜(采用杜邦公司氟膜品牌Tedlar)、厚度為15 μm 的FEVE 氟涂層膜和2 種透明PVDF 薄膜進行性能對比。不同透明氟材料膜的全波段透光率曲線如圖2 所示。

圖2 不同透明氟材料膜的全波段透光率曲線Fig. 2 Full band transmittance curve of different transparent fluorine films

從圖2 可以看出，在可見光280～1100 nm波段，各種透明氟材料膜的透光率區(qū)別不大，400 nm波長后的透光率均值均可達到90%以上。

為了進一步驗證，通過加速高溫高濕(PCT)老化(121℃、100%RH 飽和蒸汽)測試、紫外(UV)老化測試，以及高溫高濕(85℃、85%RH)環(huán)境下同步紫外老化等測試手段，對不同透明氟材料膜進行了性能對比。

不同透明氟材料膜在96 h PCT老化測試前、后的透光率曲線如圖3 所示。

圖3 不同透明氟材料膜PCT 老化前、后(96 h)的透光率曲線Fig. 3 Transmittance of different transparent fluorine films before and after 96 h PCT

通過對比圖3 的透光率曲線可以看出，PCT老化測試后4 種透明氟材料膜的紫外截止能力均有所下降，波段為360～380 nm 時的紫外截止能力變?nèi)?。同時還可以發(fā)現(xiàn)，透明PVDF-1 薄膜的紫外截止性能變化較大，表觀有析出發(fā)白物質(zhì)；透明PVDF-2 薄膜有局部黃變的現(xiàn)象，但紫外截止性能變化不大。

考慮組件在戶外使用過程中氟材料膜紫外助劑消耗的問題，選取了紫外老化300 kWh/m2后的樣品進行對比，實驗后的透光率曲線如圖4所示。

圖4 不同透明氟材料膜300 kWh/m2 紫外老化后的透光率曲線Fig. 4 Transmittance of different fluorine films after 300 kWh/m2 UV aging

紫外老化實驗后，觀察4 種氟材料膜的外觀可以看到，外觀無變化，仍為透明狀。從圖4 可以看出，透明PVF 薄膜和厚度為15 μm 的FEVE 氟涂層膜的紫外截止能力變化不大，但透明PVDF-1 薄膜和透明PVDF-2 薄膜的紫外截止能力均出現(xiàn)較大的下降。

通過以上實驗對比可以看出，厚度為15μm 的FEVE 氟涂層膜和透明PVF 薄膜表現(xiàn)較好，而透明PVDF 薄膜有一定性能缺陷。為此，對組件外層氟材料膜的失效原因進行了分析，不同透明氟材料膜的失效照片如圖5 所示。

圖5 不同透明氟材料膜的失效照片及原因分析Fig. 5 Failure photographs and cause analysis of different transparent fluorine films

從圖5 可以看出，不同透明氟材料膜的主要缺陷是紫外截止能力的衰減和存在表觀問題，進行分析后發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)原因可能有以下幾點：1)紫外助劑在老化過程中過快衰減消耗；2)紫外助劑與氟樹脂的相容性差，導(dǎo)致析出失效；3)紫外助劑與其他添加助劑(如抗氧劑等)相互反應(yīng)，產(chǎn)生了生色基團，表觀體現(xiàn)為黃度指數(shù)的增加。

上述缺陷的產(chǎn)生與氟材料膜的配方及加工工藝存在一定相關(guān)性：由于厚度為15 μm 的FEVE氟涂層膜和透明PVF 薄膜采用的是潛溶劑法，助劑能在潛溶劑中良好地分散，經(jīng)過砂磨等工藝使得紫外助劑與氟樹脂的相容性更好；而透明PVDF 薄膜是采用熔融擠出法，與紫外助劑的混合主要靠螺桿高溫下與熔體混合，容易產(chǎn)生團聚等分散問題，而且也存在相容性較差的問題。

2 TPC 和CPC 透明背板的性能對比

從雙面光伏組件的實際應(yīng)用來看，背板作為組件背面封裝材料，應(yīng)具有與光伏組件25 年使用壽命相當(dāng)?shù)纳踔潦歉L的使用壽命。面對組件應(yīng)用中的各種環(huán)境和地域氣候，背板不僅要保持自身良好的耐老化性能，還要能保護組件內(nèi)層膠膜和太陽電池，以保障組件的正常發(fā)電。

根據(jù)國內(nèi)不同地域的年太陽輻照量數(shù)據(jù)[5]，太陽光中紫外光線占比按最高的5%，雙面光伏組件正、反兩面反射光或透射光比例按最高的20%估算，30 年間，光伏組件在國內(nèi)I 類太陽能資源區(qū)(強紫外地區(qū))的背板紫外輻照量可超過到500 kWh/m2，如表1 所示。

表1 光伏組件在全國不同地域的年太陽輻照量Table 1 Annual solar irradiation of PV modules in different regions in China

背板作為一種多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是背板性能的前提保證，針對組件的性能要求，需要對背板材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，規(guī)定各層材料的性能要求，才能滿足雙面光伏組件用背板的綜合性能要求。透明背板各層材料的性能要求如圖6 所示。

圖6 透明背板各層材料的性能要求Fig. 6 Performance requirements for each layer material of transparent backsheet

選擇氟材料膜中性能良好的透明PVF 薄膜和透明FEVE 氟涂層膜作為外層保護層，分別制備了復(fù)合型TPC 透明背板和雙面涂層型CPC透明背板，2 種結(jié)構(gòu)背板的內(nèi)層材料均為透明FEVE 氟涂層膜，只是外層分別采用了透明PVF膜和透明FEVE 氟涂層膜。無論作為透明背板的內(nèi)層還是外層材料，背板常用的PET 薄膜在經(jīng)過表面活化處理后，以異氰酸酯作為橋聯(lián)反應(yīng)助劑，透明FEVE 氟樹脂與PET 膜表面發(fā)生化學(xué)交聯(lián)形成穩(wěn)定化學(xué)鍵，進而實現(xiàn)無需使用膠水即可達到一體化的結(jié)合[3-4]。

在組件的封裝功率方面，在400～1100 nm的可見光波段，TPC 透明背板和CPC 透明背板的透光率均能達到90%，與鋼化玻璃的92%透光率接近，如圖7 所示。根據(jù)透光率差異可預(yù)估組件功率，2 種透明背板的組件封裝功率的差別在1%以內(nèi)。

圖7 TPC 透明背板、CPC 透明背板與玻璃的透光率Fig. 7 Transmittance of TPC/CPC transparent backsheet and glass

為模擬戶外老化情況，對2 種透明背板進行了500 kWh/m2的紫外加速老化實驗，以及90 kWh/m2的紫外+濕熱同步老化實驗，實驗曲線如圖8、圖9 所示。

圖8 TPC、CPC 透明背板紫外加速老化實驗的透光率和黃變曲線Fig. 8 Transmittance and ΔYI of TPC/CPC transparent backsheet after UV aging

圖9 TPC、CPC 透明背板紫外+濕熱同步老化的透光率和黃變曲線Fig. 9 Transmittance and ΔYI of TPC/CPC transparent backsheet after UV+DH aging

從圖8 和圖9 的結(jié)果可以看出，有內(nèi)、外層氟材料的保護，TPC 透明背板和CPC 透明背板即使在500 kWh/m2紫外加速老化實驗后，仍可保持88%的可見光透過率，且觀察可知，背板的黃變程度也非常小。在嚴(yán)苛的紫外+濕熱同步老化實驗中，2 種透明背板的透光率均保持在86%以上，且黃度指數(shù)ΔYI＜3。老化前、后二者的透光率性能衰減不超過5%。

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)，在雙面光伏組件的封裝中，組件背面使用TPC 和CPC 透明背板是完全可行的。

3 CPC 透明背板與玻璃封裝后層壓件的性能對比

考慮到雙面光伏組件的封裝成本，于是選擇成本低于玻璃的CPC 透明背板與玻璃進行封裝后層壓件的性能對比?，F(xiàn)有的雙面光伏組件的封裝均是采用POE 膠膜封裝，實驗選擇杭州福斯特應(yīng)用材料有限公司的TF 系列產(chǎn)品搭配，CPC透明背板與玻璃封裝后層壓件的濕熱老化剝離強度對比如圖10 所示。圖中，TF4 指用于組件上層的POE膠膜，TF8指用于組件下層的POE膠膜。

圖10 CPC 透明背板與玻璃封裝后層壓件的濕熱老化剝離強度對比Fig. 10 Comparison of peeling strength between CPC transparent backsheet and glass laminate after DH aging

從圖10 中可發(fā)現(xiàn)，在層壓后，CPC 透明背板與玻璃均與POE 有良好粘結(jié)，即使在濕熱老化2000 h 后仍能保持80 N/cm 的剝離強度，遠(yuǎn)高于IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)中對組件提出的標(biāo)準(zhǔn)要求。

在更嚴(yán)格的序列老化中，CPC 透明背板與POE 膠膜的剝離強度略低于玻璃，但同樣是可以滿足IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于層壓后各層材料的層間剝離強度的要求的。CPC 透明背板與玻璃封裝后層壓件的序列老化剝離強度對比如圖11 所示。圖中，TF4(P) 指用于組件上層的抗PID 型POE 膠膜。

圖11 CPC 透明背板與玻璃封裝后層壓件的序列老化剝離強度對比Fig. 11 Comparison of peeling strength between CPC transparent backsheet and glass laminate after sequence aging

CPC 透明背板與玻璃封裝后層壓件的濕熱老化后的黃變對比如圖12 所示。從圖中可以看出，經(jīng)過濕熱老化2000 h 的測試，CPC 透明背板封裝的層壓件的黃變程度略大，但仍在ΔYI＜3 的范圍內(nèi)，表觀上肉眼不可見黃變，說明材料降解輕微，屬于高分子材料的正常老化所致。

圖12 CPC 透明背板與玻璃封裝后層壓件的濕熱老化后的黃變程度對比Fig. 12 Comparison of ΔYI between CPC transparent backsheet and glass laminate after DH aging

在層壓件背面的紫外輻照老化測試中，CPC透明背板與玻璃封裝后層壓件的紫外老化后的黃變程度對比情況如圖13 所示。

圖13 CPC 透明背板與玻璃封裝后層壓件的紫外老化后的黃變程度對比Fig. 13 Comparison of ΔYI between CPC transparent backsheet and glass laminate after UV aging

從圖13 可以看出，使用玻璃封裝的層壓件的黃變程度略高，這是因為背面玻璃不會截止紫外光，紫外對玻璃下面的POE 膠膜有一定的破壞。而CPC 透明背板具有波長380 nm 以下的紫外截止能力，因此能保護下層的POE 膠膜不受紫外老化的影響。

綜合上述幾個實驗結(jié)果，并對比玻璃和CPC透明背板的性能，可以得出：

1)相較于玻璃，CPC 透明背板的重量是玻璃的1/10，則同等版型的雙面光伏組件可減輕7～8 kg 的重量(減重約30%)，有利于安裝和運輸；采用CPC 透明背板，能將雙面光伏組件的重量控制在30 kg 左右，確保組件安裝的便捷和高效。

2)雙玻雙面光伏組件普遍采用高透POE 膠膜，無法阻擋背面透射紫外對背面封裝材料和太陽電池的傷害，而CPC 透明背板能夠很好地阻隔紫外線，在高紫外輻射地區(qū)，雙面光伏組件背面采用CPC 透明背板、正面采用玻璃時風(fēng)險更低。

3)玻璃在堿性環(huán)境中易被腐蝕形成白斑，難以清洗除去，CPC 透明背板則不懼鹽堿。

4)玻璃表面親水，在長期戶外使用中，雙玻雙面光伏組件會有積灰與雨水混合干燥后形成的泥斑，而CPC 透明背板表面能低，具有優(yōu)異抗臟污性能，易于通過雨水沖刷和簡單清洗除去，可降低在后期運維過程中背面清理等費用。

綜上所述，CPC 透明背板憑借更輕的重量、更優(yōu)的發(fā)電性能、更低的系統(tǒng)成本，作為雙面光伏組件的背面封裝方式之一，已經(jīng)獲得了光伏行業(yè)的廣泛認(rèn)可。

4 結(jié)論

本文從各種透明氟材料膜的性能對比出發(fā)，篩選出可靠的內(nèi)外保護層，透明FEVE 氟涂層膜與PVF 溶劑成膜原理相似，與紫外助劑相容性好，老化前后的持續(xù)保護性能好，透明PVDF 膜則仍需要進行配方改進；采用可靠氟保護層材料的TPC 和CPC 透明背板各項指標(biāo)均可達到組件的標(biāo)準(zhǔn)要求，老化前、后二者的透光率性能衰減不超過5%。與玻璃作為背面封裝材料相比，CPC透明背板無論從成本上，還是從模擬層壓組件的各項性能上，均有較大的優(yōu)勢。