太陽(yáng)能電池組件用PVDF薄膜背板材料可靠性研究

王坤 王會(huì)曉

（英利能源（中國(guó)）有限公司 河北省保定市 071051）

近年來(lái)，我國(guó)光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大。光伏背板廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池組件，位于組件背面，在戶外環(huán)境下保護(hù)太陽(yáng)能電池組件不受水汽侵蝕、阻礙氧化防止組件內(nèi)部氧化，具有絕緣性，阻水性，耐老化型，耐高溫性，耐腐蝕性。此外，背板內(nèi)層可以反射陽(yáng)光，提升組件轉(zhuǎn)換效率[1]。為了良好耐候性，背板外層材料為含氟材料。光伏組件背板用保護(hù)膜首先由PVF(聚氟乙烯)薄膜推廣應(yīng)用而成功，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的驅(qū)動(dòng)下，眾多生產(chǎn)企業(yè)先后開(kāi)發(fā)出PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜、PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）薄膜、ECTFE(聚乙烯-三氟氯乙烯共聚物)薄膜、ETFE(聚乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜等用于PVF 薄膜的替代品。在性能、價(jià)格、可獲取性等多重因素和市場(chǎng)長(zhǎng)期檢驗(yàn)的影響下，PVDF 薄膜已成為市場(chǎng)主流。

近年來(lái)，在光伏平價(jià)上網(wǎng)的大趨勢(shì)下，降低組件成本促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)氟膜的發(fā)展。PVDF 氟膜生產(chǎn)廠家逐漸增多，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。作為需要使用25年的長(zhǎng)久性光伏電站，要獲得良好收益，電站安全、可靠、長(zhǎng)久性運(yùn)行是首要前提，背板性能起著至關(guān)重要的作用。為了研究背板在不同環(huán)境下的性能表現(xiàn)，曾湘安等[2]將四種不同類型背板置于濕熱氣候環(huán)境下，對(duì)比背板的性能表現(xiàn)確定其性能優(yōu)劣。Yu-tai Li 等[3]通過(guò)加速試驗(yàn)與紫外試驗(yàn)、紫外試驗(yàn)與濕熱試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了環(huán)境因素疊加對(duì)不同背板性能的影響。G. Oreski等[4]研究了共擠型背板在濕熱環(huán)境下的性能表現(xiàn)。夏文進(jìn)等[5]研究了含氟復(fù)合型背板、不含氟背板、含氟涂覆型背板在紫外、加速、濕熱等條件下的性能表現(xiàn)。研究文獻(xiàn)中，對(duì)于背板整體性研究較多，但缺乏對(duì)不同氟膜的性能對(duì)比。本文從背板氟膜性能角度考慮，通過(guò)紫外與高低溫環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)比不同氟膜性能差異，為背板選型及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制作

本次試驗(yàn)選擇PVDF 薄膜復(fù)合型背板（KPC 結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)分為五層，核心3 層。外層為PVDF 薄膜，中間層為改性PET 材料，內(nèi)層為改性的含氟涂層材料。

選擇2 個(gè)背板廠家6 種不同型號(hào)背板樣品，其中S1/S2/S3/S4為同一廠家同型號(hào)背板，僅PVDF 氟膜來(lái)源于4 個(gè)供應(yīng)商（供應(yīng)商A/B/C/D）。S5/S6 為另一廠家背板，PVDF 氟膜來(lái)源于供應(yīng)商A/供應(yīng)商B。所用背板中間PET 厚度為250μm±10μm，PVDF 氟膜厚度18μm±2μm。

表1：實(shí)驗(yàn)樣品信息

圖1：S3 樣品實(shí)驗(yàn)后的10x 顯微鏡照片、共聚焦圖片

圖2：S4 樣品實(shí)驗(yàn)后10 倍下顯微鏡照片、共聚焦圖片

圖3：6 種背板樣品橫向斷裂伸長(zhǎng)率

匹配相同的電池片、焊帶、EVA、玻璃，按照正常的生產(chǎn)工藝，制成27cm×50cm 的小組件，每種匹配制作組件2 塊，具體樣品類型見(jiàn)表1。

1.2 測(cè)試儀器及試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)采用金盾KD-UV01-2224-YL 紫外試驗(yàn)箱以及科名KMH-7187S 環(huán)境老化試驗(yàn)箱進(jìn)行紫外及高低溫環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)VK-9710K 共聚焦顯微鏡進(jìn)行微觀測(cè)量。本次試驗(yàn)樣品均進(jìn)行如下試驗(yàn)：試驗(yàn)一，6 種樣品均先進(jìn)行紫外光（UVA+UVB）60KW?h/m2處理，然后進(jìn)行高低溫度循環(huán)200 次試驗(yàn)。試驗(yàn)二：6種樣品進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)的高低溫度循環(huán)200 次（TC200）測(cè)試，環(huán)境試驗(yàn)箱條件為-40℃～85℃[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)1：紫外60KWh 測(cè)試后，所有樣品組件背板外觀良好，無(wú)黃變、開(kāi)裂、脫層等不良。再繼續(xù)進(jìn)行TC200 測(cè)試后，S3 與S4出現(xiàn)表面細(xì)小裂紋，其他背板外觀良好。通過(guò)對(duì)裂紋位置及程度進(jìn)行觀察，所有裂紋均出現(xiàn)在焊帶位置。

試驗(yàn)2：高低溫度循環(huán)200 次測(cè)試后，所有樣品組件背板外觀良好。繼續(xù)第二個(gè)溫度循環(huán)200 次測(cè)試后，與試驗(yàn)一結(jié)果相同，S3與S4 樣品組件背板氟膜表面出現(xiàn)細(xì)小裂紋。

從問(wèn)題背板開(kāi)裂位置取小樣，使用共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示：S3 表面裂紋深度6μm-9μm，PVDF 氟膜未全部開(kāi)裂，僅表面出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果如圖1 所示。S4 表面裂紋深度18μm -20μm，基本貫穿整個(gè)氟膜厚度，測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

2.2 結(jié)果與討論

PVDF 氟膜原料主要為添加劑、鈦白粉、氟樹(shù)脂、膠水、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等，PMMA 作為增塑劑可以提高其熔融狀態(tài)下成膜性。但有研究表明隨著Ti02 含量的變化，其對(duì)Ti02/PVDF 共混膜的流動(dòng)性能、結(jié)晶性能、力學(xué)性能、親水性能等都有影響；而隨著PMMA 的含量變化，PMMA 的加入對(duì)PMMA/PVDF共混膜的流動(dòng)性能、加工性能、結(jié)晶能力、力學(xué)性能等都有較大影響[7]。

PVDF 成膜工藝主要有流延法、吹膜法，流延膜是通過(guò)熔體流涎驟冷生產(chǎn)的一種無(wú)拉伸、非定向的平擠薄膜，而吹塑膜是有取向的，通過(guò)控制速度、擠出量、壓力控制氟層厚度及寬幅。PVDF 成膜過(guò)程由于橫向沒(méi)有壓力，導(dǎo)致PVDF 氟膜橫向斷裂伸長(zhǎng)率低，且紫外老化和溫度循環(huán)老化后性能會(huì)進(jìn)一步下降變脆。焊帶本身金屬材料，在高低溫條件下，其熱膨脹對(duì)背板氟膜產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力作用，因此裂紋多發(fā)生在焊帶位置，且沿縱向開(kāi)裂。

力學(xué)性能方面，對(duì)6 種背板樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，分別對(duì)初始樣品、TC200 后、TC400 后背板樣品進(jìn)行橫向、縱向斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試，結(jié)果如圖3 所示。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：6 種背板材料性能無(wú)明顯差異。由于背板的力學(xué)性能主要受PET 材料性能影響，氟膜性能對(duì)其橫向斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果影響甚微。因此，背板材料的斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)法反映出氟膜性能的優(yōu)劣，還需要綜合性的老化試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。

3 結(jié)論

本文從通過(guò)對(duì)6 種不同型號(hào)背板進(jìn)行紫外及高低溫循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)PVDF 氟膜復(fù)合型背板的可靠性進(jìn)行了研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)紫外和高低溫循環(huán)測(cè)試后，S3 及S4 兩種型號(hào)背板出現(xiàn)不同程度的氟膜開(kāi)裂問(wèn)題，開(kāi)裂深度貫穿或未貫穿整個(gè)氟膜，開(kāi)裂均位于焊帶位置，沿焊帶方向延伸，與高低溫試驗(yàn)環(huán)境下焊帶對(duì)背板氟膜產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力作用有關(guān)。

（2）背板為復(fù)合型材料，其機(jī)械性能受PET 等材料影響較大，對(duì)背板材料的力學(xué)性能測(cè)試，并不能充分反映出氟膜性能的優(yōu)劣。

（3）經(jīng)過(guò)紫外處理后的組件試樣再經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)測(cè)試，與雙倍的高低溫循環(huán)測(cè)試結(jié)果一致，通過(guò)設(shè)計(jì)綜合的環(huán)境老化試驗(yàn)，可以更為有效反饋背板性能。