淺析光伏組件背板材料的技術(shù)發(fā)展及選型建議

李媛媛，苗 林，張銀環(huán)

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽能電力分公司，陜西西安 710100）

1 背景

光伏組件是使用光伏電池和各種材料封裝而成的發(fā)電模組，其中主要封裝材料包括正面蓋板材料、電池連接材料、封裝材料、邊框材料、背面蓋板材料等。光伏組件背面蓋板材料主要是玻璃與有機高分子材料，主要作用有阻隔空氣、阻隔水汽、阻隔紫外線、提供電學(xué)絕緣性能、提供力學(xué)支撐性能、耐沙磨、與封裝材料保證粘接強度等[1]。中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2021年版）對背面蓋板材料占有率作了分析和預(yù)測（如圖1所示），可以看出背板材料種類較多，多種的選擇同時也帶來了選擇上的困難，因此本文主要以除玻璃蓋板材料外的有機高分子背板材料為例，對目前市場上的有機高分子背板材料進(jìn)行調(diào)研分析，為材料的選擇提供參考。

圖 1 背面蓋板材料市場占有率分析及預(yù)測Fig. 1 Analysis and forecast of market share of back cover material

2 光伏組件背板生產(chǎn)工藝及結(jié)構(gòu)

主流光伏組件背板為三層結(jié)構(gòu)：內(nèi)層（電池片）、中間層及外層（空氣面）。生產(chǎn)工藝可分為復(fù)合法、涂覆法、共擠法三種。

2.1 生產(chǎn)工藝

2.1.1 復(fù)合法生產(chǎn)工藝

復(fù)合法為使用比例最高的生產(chǎn)工藝，常見的TPT、KPK、TPE、KPE、TPO、KPO、TPX、KPX、PPE均采用復(fù)合法生產(chǎn)，該方法使用膠水將外層和內(nèi)層粘結(jié)在中間層，工藝流程如圖2所示。

圖 2 背板復(fù)合法生產(chǎn)工藝流程圖Fig. 2 Composite production process flow chart of backsheet

2.1.2 涂覆法生產(chǎn)工藝

而對于雙面氟涂層的CPC類型背板，以上工藝并不適用，需要使用涂覆法，該方法不使用膠水，工藝流程如圖3所示。

圖 3 背板涂覆法生產(chǎn)工藝流程圖Fig. 3 Production process flow chart of backsheet coating method

2.1.3 其他生產(chǎn)工藝

對于TPC、KPC類型背板，需要涉及以上兩種工藝，由于涂覆工藝溫度較高，所以通常使用涂覆工藝將氟涂層附著于中間層，再將外層使用膠水粘結(jié)在中間層。除以上主流工藝外，還有“小眾”的共擠法，將聚合物多層薄膜擠出的復(fù)合技術(shù)，代表為AOE、OOO類型背板。

2.2 結(jié)構(gòu)

根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，背板分類見表1。

表 1 背板生產(chǎn)工藝與結(jié)構(gòu)對比Table 1 Comparison of production process and structure of backsheet

3 光伏組件背板類型與特點

按照背板三層結(jié)構(gòu)的內(nèi)層和外層是否含氟，可區(qū)分為雙面含氟背板、單面含氟背板及無氟背板。

常見的外層結(jié)構(gòu)有PVF、PVDF等含氟材料，也有使用改性PET作為背板外層；以上的PVF、PVDF等材料可同時用于內(nèi)層，做成對稱的三明治結(jié)構(gòu)，例如常見的TPT和KPK結(jié)構(gòu)的雙面含氟背板；同時很多背板也在內(nèi)層使用PE結(jié)構(gòu)，例如常見的TPE和KPE結(jié)構(gòu)的單面含氟背板；同時也有在背板內(nèi)層使用氟碳涂層以及兩側(cè)均使用氟碳涂層，例如常見的KPC、CPC和TPC結(jié)構(gòu)的雙面含氟背板；無氟背板通常在內(nèi)層使用PE和聚烯烴，外層搭配PA和聚烯烴通過共擠法生產(chǎn)而成[2]，例如常見的AOE和OOO。

3.1 各層材料介紹

3.1.1 PET

PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯），俗稱聚酯薄膜，由對苯二甲酸乙二醇酯發(fā)生脫水縮合反應(yīng)而來。對苯二甲酸乙二醇酯是由對苯二甲酸和乙二醇發(fā)生酯化反應(yīng)所得。在背板結(jié)構(gòu)中通常簡稱為“P”。

3.1.2 PVF

PVF（聚氟乙烯），由氟和氟碳分子的共聚體擠壓而成的共聚物，美國杜邦公司是PVF薄膜的知名生產(chǎn)商，杜邦的注冊商標(biāo)TEDLAR是光伏行業(yè)現(xiàn)在使用最多的PVF薄膜，TPT或TPE中的T指的是TEDLAR，在背板結(jié)構(gòu)中簡稱為“T”。

3.1.3 PVDF

PVDF（聚偏二氟乙烯），法國阿科瑪公司是PVDF薄膜的知名生產(chǎn)商，阿科瑪為其PVDF注冊了商標(biāo)KYNAR，KPK或KPE中的K指的是KYNAR。PVDF薄膜也已完全國產(chǎn)化，例如南通中天、杭州福膜等公司?，F(xiàn)是否是阿科瑪公司的PVDF，一般需強調(diào)K膜來源。

3.1.4 氟涂層

氟涂層與PVF、PVDF氟膜的區(qū)別在于，直接使用以氟樹脂為主要成分的氟碳涂料涂覆在PET基材表面成膜，常用的氟樹脂有PCTFE(三氟氯乙烯樹脂)、PTFE(聚四氟乙烯)、FEVE(氟乙烯與乙烯基醚共聚物)。在背板結(jié)構(gòu)中簡稱為“C”或“F”[3]。

3.1.5 PE

PE是聚乙烯，廣泛用于背板內(nèi)層結(jié)構(gòu)，通常加入EVA材料。在背板結(jié)構(gòu)中簡稱為“E”。

3.1.6 PA

PA是聚酰胺，俗稱尼龍(Nylon)，它是大分子主鏈重復(fù)單元中含有酰胺基團的高聚物的總稱。在背板結(jié)構(gòu)中簡稱為“A”。

3.1.7 PO

PO是聚烯烴，指乙烯、丙烯或高級烯烴的聚合物，是與EVA類似的組件封裝材料，現(xiàn)也用于背板中間層或內(nèi)層。在背板結(jié)構(gòu)中簡稱為“O”或“P”。

3.2 背板類型與對比

使用各種材料，搭配在各結(jié)構(gòu)層，即可生產(chǎn)出多種多樣的背板，現(xiàn)將主流背板類型進(jìn)行對比，詳見表2。

表 2 不同結(jié)構(gòu)的背板類型對比Table 2 Comparison of backsheet types with different structures

4 光伏組件背板選型建議

4.1 PET耐水解等級

PET是由對苯二甲酸乙二醇酯發(fā)生脫水縮合反應(yīng)而來，作為背板芯材，本身結(jié)構(gòu)決定了其在高溫高濕的條件下非常容易水解，且容易受紫外光老化降解。所以在選擇背板中間層所用的PET時首先應(yīng)根據(jù)不同的溫濕度環(huán)境來選擇。目前行業(yè)內(nèi)使用的PET耐水解等級一般為PCT 48和PCT 60[4]（溫度121℃，濕度100%，壓力0.2MPa下實驗48h或60h，PET的斷裂伸長率在10%以上且背板無脆化現(xiàn)象），PCT試驗是一種加速的濕熱老化測試方法，根據(jù)試驗對比，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為PCT 48h測試相當(dāng)于IEC標(biāo)準(zhǔn)的DH 2000h測試，已經(jīng)可以保證一般溫濕度地區(qū)的使用，但是對于高溫高濕的地區(qū)，建議使用PCT 60。

4.2 PET厚度選擇

IEC 61730-1：2016中規(guī)定，DTI值與組件的系統(tǒng)電壓有關(guān)，不同的系統(tǒng)電壓DTI值要求不同，其中1000V組件要求DTI最低為150μm，1500V組件要求DTI最低為300μm。同時規(guī)定DTI計算時，其各層絕緣材料RTI(相對熱指數(shù))至少要滿足90℃要求。目前對于復(fù)合型以及復(fù)合型+涂覆型的背板在計算DTI時，由于膠水層的厚度不計算在內(nèi)，DTI數(shù)值的計算取決于外層、PET以及內(nèi)層的厚度。涂覆型和共擠型的背板由于無膠水粘接，DTI數(shù)值的計算是各層厚度之和，所以針對不同系統(tǒng)電壓下背板的PET選擇，應(yīng)結(jié)合以上不同結(jié)構(gòu)背板類型，除考慮內(nèi)外層絕緣層厚度外，還應(yīng)考慮PET的厚度，以保證背板的絕緣性能。

4.3 不同輻照度下的背板選型

我國的太陽能資源年水平面輻照總量分布不均，因此應(yīng)根據(jù)不同的輻照總量來選擇相應(yīng)的氟膜，結(jié)合以上，建議應(yīng)根據(jù)不同的氣候類型及太陽能資源豐富程度，綜合PET與氟膜來選擇不同背板，按照表2中對背板的分類，從中挑選了相對適合該氣候類型及太陽能資源豐富程度的幾種背板作為參考，見表3。

表 3 不同的氣候類型及太陽能資源豐富程度下的背板選型Table 3 Backsheet selection under different climate types and solar energy resources

5 結(jié)論

光伏背板從上世紀(jì)70年代發(fā)展到今天，市場的主流產(chǎn)品已可滿足背板在組件廠的生產(chǎn)需求，而在戶外環(huán)境25年的應(yīng)用保證，是背板選型的關(guān)鍵?，F(xiàn)在通常的手段是根據(jù)IEC的高溫高濕、濕凍循環(huán)、冷熱循環(huán)等型式試驗，在實驗室對背板進(jìn)行測試和篩選。隨著材料的不斷進(jìn)步，主流產(chǎn)品已均可滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)在背板廠和組件廠為了進(jìn)一步地篩選，通常將實驗強度加倍，甚至加至3倍、5倍[5]，但同時帶來了背板成本的升高。如何能夠平衡性能與成本，成為了新的問題。實際應(yīng)用當(dāng)中，背板根據(jù)組件項目地不同，使用環(huán)境區(qū)別很大，對背板進(jìn)行差異化的選擇，才是正確的背板選型方案。根據(jù)項目地氣候特點與背板測試要求的對應(yīng)關(guān)系[6]，不同的環(huán)境對背板的要求不同，比如：沙漠氣候和高原氣候背板，對耐紫外輻射要求較高，對耐鹽霧幾乎無要求；農(nóng)場背板，對耐氨氣要求較高，對其他要求中等；屋頂背板，對除防火外的各項要求均較低。

因此，背板是雙面含氟、還是單面含氟、甚至無氟，是復(fù)合法生產(chǎn)、還是涂覆法生產(chǎn)、甚至共擠法生產(chǎn)，都不是背板選型的決定性因素，根據(jù)使用環(huán)境對背板進(jìn)行選擇，才是較為科學(xué)的選型方式。