不同结构太阳能电池组件背板的老化原因

　　上海海优威电子技术公司 李民

　　一、背景：

　　太阳能光伏发电越来越多的成为我们生活中的一部分，国家十二五计划把2015年总安装量设定在15GW，这就预示了我们生活用电的一部分会在不久的将来悄然变为来自太阳能发电。作为太阳能发电的主要部件，光伏组件的质量非常的重要，而光伏组件的寿命与其使用的原料密切相关。在所有的原料中，塑料部件寿命是最短的。所以光伏组件中塑料部件的寿命决定了光伏组件的寿命。在所有塑料部件中，背板无疑是最重要的。

　　背板是所有封装材料中成本比重最大的部分，由于硅材料价格的迅速降低,其也成为组件成本重要构成之一。背板的成本由其所用的材料所决定，而不同材料的寿命是不同的，是否能满足组件要求的25年寿命也成为越来越多组件厂和发电用户所关心的问题。

　　二、背板的各种结构：

　　目前常用的背板有多种结构，可以分为TPT、TPE、PET和涂层四类，具体见下表。

　　一般生产TPT结构的工厂都能生产TPE结构的背板。早期氟塑料主要使用杜邦公司生产的聚氟乙烯薄膜（PVF-Tedlar）。由于聚氟乙烯的供应商非常少，所以目前越来越多的工厂使用聚偏氟乙烯（PVDF）。PET结构的背板最早在日本市场开始使用，其使用耐候性PET替代氟塑料，原因是日本对组件的寿命要求低于国际市场要求的25年，在2008到2009年间由于氟塑料薄膜紧缺而在中国得到使用。氟涂层的背板最早由浙化院开发，使用常温交联型的氟塑料涂层涂布于PET上。其从技术原理而言是一种非常有优势的技术替代方案，但在技术扩散过程中由于成本压力，常温交联型氟涂层被替换成低成本的普通型氟涂料，背板性能显著下降。只是由于成本价格低，其仍是目前国内生产量最大的国产背板。

　　在各种背板结构中，耐候性最好的无疑是TPT和TPE结构背板，但氟塑料薄膜受供应商少的限制。耐候性其次的是常温交联型氟涂层背板。常温交联型氟涂料成本较高，此和通常光伏组件厂认为氟涂料背板应低价的观念有矛盾，同时由于制造商的宣传不够导致此类背板尽管质量较好但使用并不广泛。普通氟涂料涂层背板和PET结构的背板耐候性是最差的，但其低价格对一些组件厂非常有吸引力。目前日本一些公司综合成本与耐候性的双方面因素，正在开发在PET结构的背板上涂覆氟涂层的办法来弥补两种背板耐候性都差的缺点，这种办法应该能对该类背板的耐候性有一定的提升。

　　三、背板老化的原因：

　　不同结构背板老化的原因都是塑料的降解，其降解过程按不同结构使用不同塑料而不同。

　　1。氟涂层背板：

　　氟涂料是使用聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯的微小颗粒和基础树脂一起分散在溶剂中而形成。使用时将溶剂挥发，氟塑料颗粒和基础树脂固化在被保护物表面，基础树脂可以交联也可以不交联。氟塑料本身以颗粒形式分散在基础树脂中，相互不接触。
　　水汽或紫外线首先攻击氟塑料颗粒间基础树脂，导致其很快降解。基础树脂为环氧树脂、丙烯酸酯树脂或者是聚氨酯树脂，其耐候性远差于氟塑料。其本身是极性树脂，由于分子链较为复杂而树脂的结晶性低，所以其透水率也较高。水汽会通过涂层中的基础树脂和涂层中的细小裂纹攻击在下层的PET薄膜，而使PET很快降解开裂，而使这类背板在强湿热老化时开裂严重。

　　氟涂料涂层要形成有效的氟塑料层必须烧结，烧结温度在280至350℃之间，比如氟涂料预涂的铝板。而且氟涂料只适用于基材是硬的场合中。背板在使用过程中经常被弯折，会导致涂层中生产很多肉眼看不见的微小裂纹，所以实际使用的背板会比小面积用于老化测试的背板更容易老化失效。制造组件时层压温度较高时，如发现有少量涂层剥落，说明了背板上的涂层已经产生了很多细小的裂纹。

　　唯一可以常温交联的氟塑料涂层是乙烯基醚氟涂料，比如日本旭硝子的Lumifilon。由于其含氟分子主链即提供了能溶解于溶剂的基团又提供可以常温交联的基团，所以其在常温下含氟分子链可以进行交联而形成致密的氟膜，是一种非常好的氟薄膜背板的替代方案。

　　2.耐候性PET背板：

　　耐候性PET背板使用一层耐候性的PET替代氟塑料薄膜。PET学名是聚对苯二甲酸乙二醇酯，其在湿热环境下特别容易降解而分解成酸和醇，而生成的酸会进一步加剧分解的速度。通过添加碱性物质进行封端或中和降解生产的酸可以减缓PET的降解速度，但由于添加剂是消耗性的，所以一段时间以后PET仍然会逐步降解。PET薄膜的透湿性较高，其透湿性是同样厚度的PVDF薄膜的4至5倍，所以PET型的背板透湿率一般较高。水汽可以透过耐候性PET层攻击下层的普通PET而导致背板开裂。



　　加速老化实验中可以看到耐候性PET薄膜性能的下降趋势。耐候性PET只延缓了老化的过程，与氟塑料的耐候性相比是远远不够的。
　　老化条件：85℃85%湿度

　　日本某些公司在开发氟涂层加耐候性PET的背板综合两者的耐候性，性能应该比单独使用任何一个方式都能有较高的提升。

　　3.氟塑料背板：

　　氟塑料由于其分子链中的氟原子大、极性强完美的保护了碳碳分子主链，其耐候性、耐腐蚀性是目前塑料中最好的。氟塑料由于分子结构简单，结晶度高，导致其薄膜的气密性好，水汽透过率低，能充分保护下层的PET。氟塑料无疑是背板材料最好的选择。

　　下表为某公司透明PVDF薄膜在美国亚利桑那实验场实际暴晒后的部分测试结果。薄膜厚度为80微米。

　　不同氟塑料薄膜水汽透过率如下表，测试条件是40℃，95%湿度，100微米。

　　如果不考虑成本因素，仅从性能而言，

　　PVDF、THV和ECTFE薄膜的耐候性和阻隔性更优异一些。

　　四、氟塑料背板、PET背板、氟涂料背板老化对比：

　　使用7.5千瓦的紫外卤素灯对层压在光伏玻璃上的不同背板同时进行老化。光照强度为15KW，UVA和UVB的比例为1：1。颜色变化如
　　实验A为透过玻璃、EVA胶膜测到的变色情况；实验B为背板变色情况。

　　紫外老化后背板表面完好，肉眼无法发现任何损伤，在靠电池侧（胶膜侧）的变色非常轻微。所以三种背板在层压后的静态情况下，耐紫外线能力类似。

　　使用强高温高湿老化考察三种背板的耐老化情况。测试条件为129.4℃/1.7大气压/96小时。每隔24小时，将试样从老化箱中取出拍照，情况如下。

　　A：氟涂料背板
　　B：TPE背板（PVDF薄膜）
　　D：PET背板

　　氟涂料背板和PET背板在老化72小时后都发生开裂。通过直接测试耐候性PET薄膜发现，其在老化50小时后物理性能出现明显的拐点，然后性能迅速下降并在90小时前丧失物理性能而完全粉化。

图表1老化前背板照片

 

图表2湿热老化24小时后背板照片

图表3湿热老化48小时后背板照片

图表4湿热老化72小时后背板照片

 

图表5湿热老化96小时后背板照片

　　综合各种性能考虑，使用氟塑料薄膜的背板仍然是目前能大规模使用的最合适的太阳能光伏组件材料。

　　由于目前光伏行业进入严冬，各个氟塑料薄膜供应商因前期产能扩张过度而导致生产能力过剩，导致氟塑料薄膜价格下降很快，由此引起TPT、TPE型背板的价格随之下降。其价格与PET背板和氟涂料背板迅速接近，后两者的价格优势也不再明显。同时随着国产氟塑料薄膜的逐渐投入使用，TPT、TPE型背板仍将继续作为市场主流得到广泛应用。 参考技术资料：

1）三菱商社技术资料
2）苏威公司技术资料
3）海优威电子公司实验数据