光伏組件背板用氟塑料薄膜耐老化性能研究

楊勇洲，姚方剛，王曉鷗，張 月

（1.黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司，青海 西寧 810000；2.青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司，青海 西寧 810000）

光伏市場(chǎng)在過(guò)去幾年間的快速增長(zhǎng)帶動(dòng)了封裝材料市場(chǎng)的爆發(fā)，并導(dǎo)致供應(yīng)鏈的暫時(shí)性短缺，組件的價(jià)格與此同時(shí)也出現(xiàn)顯著下降，促使光伏組件各部分原輔材料朝著新型材料和創(chuàng)新供應(yīng)商轉(zhuǎn)變[1]，其中通過(guò)優(yōu)化電池金屬柵線來(lái)減少遮擋和阻抗損失[2]，從而提高光伏電池和組件的效率，多主柵搭配圓焊帶可減少遮光面積，將光有效反射到電池上，提高組件的短路電流，焊帶區(qū)域光學(xué)利用率由5%以下提高到40%以上。由于主柵線數(shù)量的增加，且寬度變得更細(xì)，因此相同電池片上需要的焊絲數(shù)量明顯增加，且焊絲的規(guī)格不同，其對(duì)組件性能影響不同，隨著焊絲直徑的增加，電池的焊接拉力逐漸增大；焊絲直徑越大，與電池接觸面積就越大，焊接拉力也就逐漸增加，使得多主柵光伏組件應(yīng)力更大、更集中[3]。加上與戶外嚴(yán)苛環(huán)境的雙重作用，終端對(duì)封裝用氟塑料薄膜提出了更高要求，尤其是耐低溫性能和耐老化性能[4]。

為了滿足現(xiàn)有多主柵+圓焊帶技術(shù)的要求，同時(shí)縮小PVDF 薄膜與PVF 薄膜性能之間的差距，國(guó)內(nèi)外PVDF 薄膜生產(chǎn)廠家對(duì)現(xiàn)有普通PVDF 薄膜配方進(jìn)行調(diào)整，改善其耐高低溫以及其他一系列耐老化性能。為了對(duì)其性能和可靠性有全面的了解，本文選擇國(guó)內(nèi)普通的PVDF 薄膜、進(jìn)口PVDF薄膜、PVF 薄膜以及國(guó)內(nèi)某公司三代PVDF 薄膜，通過(guò)耐低溫、紫外高溫高濕、紫外、濕熱、濕凍、長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)嵫趵匣约靶蛄欣匣确绞?，研究上述四種樣品的耐老化能力，分析失效原因。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用品

試驗(yàn)材料：國(guó)內(nèi)普通PVDF 薄膜-1#，進(jìn)口PVDF 薄膜-2#，PVF 膜-3#，三代耐低溫PVDF 薄膜-4#。

儀器設(shè)備：千分臺(tái)式測(cè)厚儀，CH-1-ST；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，3367；2 kN 微機(jī)控制高低溫電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，UTM4203-GD；紫外高溫高濕試驗(yàn)機(jī)(UV+DH)，GRO-SUV500TH；紫外老化試驗(yàn)箱(UV)，SUV250S；恒溫恒濕箱(DH)，SEWTH-Z-150HS；壓力蒸煮老化試驗(yàn)箱(PCT)，PCT-40F；溫濕度循環(huán)環(huán)境試驗(yàn)箱(HF)，EH-225；溫濕度循環(huán)環(huán)境試驗(yàn)箱(TC)，EH-225；精密恒溫箱，DF611C；分光測(cè)色儀，Color Quest XE。

1.2 性能表征

1.2.1 耐低溫性能

按照GB/T 1040.3-2006，采用2 型試樣。橫向和縱向各取5 個(gè)樣條，待箱體內(nèi)溫度降低至(-40±2) ℃保溫1 h 后，以50 mm/min 的拉伸速度施加負(fù)荷，直到試樣被破壞，記錄試樣的縱向(MD)和橫向(TD)斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)值。

1.2.2 耐老化性能

(1)紫外高溫高濕(UV+DH)試驗(yàn)

UVA 波長(zhǎng)為320～400 nm，UVB 波長(zhǎng)為280～320 nm。其中UVB輻照量占比是總波段輻照量的3%～10%，(UVA+UVB)總輻照強(qiáng)度≥150 W/m2；試驗(yàn)箱內(nèi)高溫高濕，環(huán)境溫度為(85±2)℃，相對(duì)濕度為85%±5%，以高溫高濕運(yùn)轉(zhuǎn)500 h，累計(jì)輻照量為77.5 kWh/m2。輻照面為空氣面，測(cè)試試驗(yàn)后MD、TD 斷裂伸長(zhǎng)率和GB/T 3979 和GB/T 7921 的規(guī)定測(cè)試樣品紫外高溫高濕老化前后的黃色指數(shù)b，并計(jì)算黃變指數(shù)Δb。

(2)紫外(UV)試驗(yàn)

將試樣放入紫外老化試驗(yàn)箱內(nèi)，輻照面為空氣面，試樣表面溫度控制在(60±5)℃，試樣經(jīng)受波長(zhǎng)在280～400 nm 范圍內(nèi)紫外輻照量為300 kWh/m2，其中波長(zhǎng)280～320 nm 的紫外輻照量為總輻照量的3%～10%。測(cè)試試驗(yàn)后MD、TD 斷裂伸長(zhǎng)率和黃變指數(shù)。

(3)壓力蒸煮老化(PCT)試驗(yàn)

將試樣懸空掛在支架上，樣條間不應(yīng)重疊也不應(yīng)與容器內(nèi)壁接觸，將掛好試樣的支架放入PCT 加速老化試驗(yàn)儀的中部，試驗(yàn)溫度121 ℃，壓力0.09～0.11 MPa，試驗(yàn)時(shí)間為96 h。測(cè)試試驗(yàn)后MD、TD 斷裂伸長(zhǎng)率和黃變指數(shù)。

(4)常規(guī)濕熱(DH)試驗(yàn)

將試樣放入恒溫恒濕箱中，試驗(yàn)溫度為(85±2)℃，相對(duì)濕度85%±5%，持續(xù)時(shí)間為2 000 h。測(cè)試試驗(yàn)后MD、TD 斷裂伸長(zhǎng)率和黃變指數(shù)。

(5)濕凍老化(HF)試驗(yàn)

將試樣放入溫濕度循環(huán)環(huán)境試驗(yàn)箱中，溫度在(-40±2)℃和(85±2) ℃之間循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為20 次。測(cè)試試驗(yàn)后MD、TD 斷裂伸長(zhǎng)率和黃變指數(shù)。

(6)耐高溫?zé)嵫踉囼?yàn)

將試樣放進(jìn)150 ℃精密恒溫箱內(nèi)，連續(xù)進(jìn)行熱氧老化500 h，試驗(yàn)結(jié)束后，觀察其表觀和黃變指數(shù)。

(7)序列老化試驗(yàn)(二次循環(huán))

序列1：將試樣放入紫外老化試驗(yàn)箱內(nèi)，設(shè)定試樣表面溫度為(60±5) ℃，輻照強(qiáng)度：波長(zhǎng)在280～400 nm 范圍內(nèi)紫外輻照量為60 kWh/m2，其中波長(zhǎng)280～320 nm 的紫外輻照量為總輻照量的3%～10%。

序列2：序列1結(jié)束后，將試樣取出放入溫濕度循環(huán)環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，設(shè)定溫度在(-40±2)℃和(85±2)℃之間循環(huán)200次。

序列1 和序列2 構(gòu)成一次序列老化循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為2次，輻照面為空氣面。測(cè)試試驗(yàn)后MD、TD 斷裂伸長(zhǎng)率和黃變指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫力學(xué)性能分析

光伏組件用氟塑料薄膜的耐低溫性能是評(píng)判組件長(zhǎng)時(shí)間戶外低溫使用是否出現(xiàn)開(kāi)裂的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。而力學(xué)性能指標(biāo)中的彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率可表征塑料薄膜的彈性變形能力，其中彈性模量值越大，即材料剛性越大，發(fā)生彈性變形越小。由表1 可知，1#和2#的彈性模量偏大，因此其彈性變形偏小，和圖1 所示的趨勢(shì)一致；同理3#和4#彈性模量數(shù)值相對(duì)偏小，因此其彈性形變數(shù)值偏大。由此說(shuō)明，國(guó)產(chǎn)普通的和進(jìn)口的PVDF 薄膜在低溫下均已變脆，基本失去彈性，PVF 薄膜及三代低溫PVDF 薄膜耐低溫性能優(yōu)異。

表1 四種樣品的耐低溫性能

圖1 -40 ℃低溫對(duì)氟塑料薄膜力學(xué)性能的影響

2.2 耐老化性能分析

光伏組件戶外實(shí)際運(yùn)行情況與室內(nèi)試驗(yàn)室單一老化測(cè)試結(jié)果有很大差異[5-7]，主要是由于戶外環(huán)境中同時(shí)含有紫外線、溫度變化、濕度變化等因素[8]，且單一的紫外和高溫高濕測(cè)試周期相對(duì)比較長(zhǎng)，滿足不了當(dāng)今光伏行業(yè)的快速發(fā)展，因此無(wú)錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心在國(guó)內(nèi)首次提出一種加速老化試驗(yàn)方法[9-11]，將紫外和高溫高濕兩個(gè)單純的試驗(yàn)環(huán)境綜合考察，可模擬更真實(shí)的戶外環(huán)境條件[12]。

光伏組件封裝用氟塑料薄膜中由于含有C-F 鍵，而C-F鍵鍵能達(dá)到486 kJ/mol，因此它的抗紫外線性能優(yōu)異，對(duì)波長(zhǎng)200～400 nm 的紫外線輻照穩(wěn)定，其薄膜放置戶外10 年、20 年也不會(huì)變脆和龜裂[13]。但由于氟塑料薄膜中還含有其他高分子材料，因此對(duì)其耐紫外性能監(jiān)控也是評(píng)價(jià)材料可靠性必不可少的一種方法。

圖2 和圖3 所示分別為1#、2#、3#和4#四種樣品分別在紫外高溫高濕77.5 kWh 和干紫外UV 300 kWh 老化后，其MD和TD 力學(xué)性能的變化情況。從圖中可以看出，相對(duì)于單一紫外來(lái)說(shuō)，紫外高溫高濕對(duì)樣品的破壞更強(qiáng)；在兩種老化條件后，4#樣品MD 和TD 斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)值最大，而1#和2#樣品經(jīng)過(guò)老化后，TD 斷裂伸長(zhǎng)率＜15%；由此說(shuō)明，相對(duì)國(guó)產(chǎn)普通的PVDF 膜，三代低溫膜綜合老化能力顯著提高，其絕對(duì)值與PVF 膜相當(dāng)。

圖2 紫外高溫高濕對(duì)氟塑料薄膜力學(xué)性能的影響

圖3 干紫外對(duì)氟塑料薄膜力學(xué)性能的影響

按照IEC61215-2016 標(biāo)準(zhǔn)要求，光伏組件需要進(jìn)行濕熱老化試驗(yàn)。圖4 所示為1#、2#、3#和4#樣品的耐濕熱老化性能，老化條件分別為PCT96h 和DH2000h。從MD 斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)值來(lái)看，1#、2#和4#均>100%，3#也維持在50%左右；從TD斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)值來(lái)看，1#出現(xiàn)明顯衰減，只能維持在20%左右，但4#樣品仍能保持在>100%的斷裂伸長(zhǎng)率。由此說(shuō)明，濕熱老化對(duì)MD 方向的影響較小，對(duì)TD 方向的破壞更強(qiáng)，三代低溫氟膜TD 方向耐濕熱老化性能優(yōu)異，優(yōu)于國(guó)產(chǎn)普通氟膜，有較大的改善。

圖4 濕熱老化對(duì)氟塑料薄膜MD 和TD 方向力學(xué)性能的影響

濕凍老化主要針對(duì)光伏組件戶外使用濕氣大、溫差大的地區(qū)，通過(guò)引入濕凍試驗(yàn)考查濕氣以及高低溫對(duì)光伏組件最外層耐候?qū)拥挠绊?，保證光伏組件外觀以及正常發(fā)電，通常標(biāo)準(zhǔn)要求為20 個(gè)循環(huán)。圖5 所示為三種氟塑料薄膜在濕凍20 個(gè)循環(huán)后，其MD 和TD 方向斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)。由圖5 可知，1#樣品TD 斷裂伸長(zhǎng)率HF20 后僅有15%，而4#數(shù)值為342%。三代低溫膜耐濕凍老化性能有很大的改善。

圖5 濕凍老化對(duì)氟塑料薄膜MD 和TD 方向力學(xué)性能的影響

由于光伏組件戶外使用環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，試驗(yàn)室單一的常規(guī)老化無(wú)法模擬出戶外組件失效形態(tài)，通過(guò)序列老化(UV60kWh+TC200)二次循環(huán)試驗(yàn)，可以更加有效地評(píng)估出光伏組件封裝材料的可靠性。圖6 所示為四種樣品通過(guò)序列老化二次循環(huán)的MD 和TD 斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果，由圖可知，經(jīng)過(guò)二次循環(huán)后，4#樣品的MD 和TD 斷裂伸長(zhǎng)率均>100%，序列老化后三代低溫氟膜的力學(xué)性能仍能維持在較高水平。

圖6 (UV60kWh+TC200)二次循環(huán)老化對(duì)氟塑料薄膜力學(xué)性能的影響

光伏組件戶外使用時(shí)，一方面關(guān)注老化后的力學(xué)性能，另一方面封裝材料老化后的表觀是否黃變也可以直觀地反映出材料的耐候性。圖7 表示的是單一老化和序列老化兩種情況下氟塑料薄膜的外觀，按照標(biāo)準(zhǔn)黃變指數(shù)Δb≤2.0 的要求，3#樣品在序列老化二次循環(huán)和高溫?zé)嵫趵匣缶霈F(xiàn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的情況，尤其是150 ℃的高溫?zé)嵫趵匣S變指數(shù)達(dá)到7.0 以上，樣品表面已呈現(xiàn)土黃色，可能是長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)崂匣珻-F 鍵發(fā)生斷裂從而產(chǎn)生具有共軛結(jié)構(gòu)的多烯片段，而這種共軛結(jié)構(gòu)的C=C 容易發(fā)生斷裂[14]，因此膜表現(xiàn)出現(xiàn)黃變。相比PVDF 薄膜，PVF 膜在序列老化和UL 熱斑測(cè)試中更容易出現(xiàn)外觀失效。

圖7 不同老化條件對(duì)氟塑料薄膜表觀黃變的影響

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)進(jìn)口PVDF 薄膜、國(guó)產(chǎn)普通PVDF 薄膜、進(jìn)口PVF 薄膜以及國(guó)內(nèi)三代PVDF 薄膜進(jìn)行低溫以及全面的耐候性評(píng)估，證明普通PVDF 與PVF 薄膜的力學(xué)性能確實(shí)存在差異，但通過(guò)物理改性和分子設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)三代PVDF 薄膜綜合性能已達(dá)到PVF 膜水平。