太阳能光伏背板及其所用材料

时间:

2022-12-30


一、光伏背板的概念及结构

太阳能电池背板也称为太阳能电池背板膜、光伏背板、光伏背板膜、太阳能背板。广泛应用于太阳能电池(光伏)组件,位于太阳能电池板的背面,在户外环境下保护太阳能电池组件不受水汽侵蚀,阻碍氧气防止组件内部氧化,具有可靠的绝缘性、阻水性、耐老化性、耐高低温、耐腐蚀性。可以反射阳光,提高组件转换效率;具有较高的红外反射率,可以降低组件温度。

光伏背板的结构如图1所示,一般分为五层,核心有三层:

(1)外层保护层即耐候层:

为了良好的耐候性,一般要求外层材料含氟,PVF和PVDF是众所周知的两种耐候性高分子材料,因其内部存在的C-F键键能是485KJ/mol,是有机化合物共价键中键能最大的。

只有波长小于220nm的光子才能解离C-F键,而阳光中这部分光子只占不到5%,而且容易被臭氧层吸收,能到达地面的极少。也有厂家使用THV及ETFE、ECTFE。涂膜结构的PTFE也很常见。

(2)中间层:

起支撑作用,要求能耐高低温,机械性能要稳定,电绝缘性优良,抗蠕动性、耐疲劳性、耐摩擦性、尺寸稳定性都要好,气体和蒸汽渗透率要低。一般用改性PET材料。

(3)层压粘结层:

未经改性的含氟薄膜及PET,与EVA粘结牢度差,所以需要使用改性的含氟材料或粘结性强的EVA、PE、PA膜。


图1 光伏背板的结构

二、光伏背板的分类

按背板的膜分类,可分为三种:

1.涂胶复合式背板膜

在PET聚酯薄膜两面复合氟膜或者EVA胶膜,三层结构。

2.涂覆背板膜

在PET聚酯薄膜两面涂覆氟树脂,经干燥固化成膜。

3.还有少数厂家采用交联反应法,在PET两面通过交联剂反应制作复合膜或EVA膜。

按材料不同分类,背板可分为FPF(以TPT为代表)、KPK、FPE(以TPE为代表)、KPE及多层PET背板、TAPE(T层和P层之间加入铝层)、TFB(PVF/PET/含氟粘结层)、KFB(PVDF/PET/含氟粘结层)、BBF(THV/PET/EVA)、FFC(PET双面涂改良PTFE)、KPC(PVDF/特殊处理PET)、KPF(苏州塞伍发明,氟皮膜技术,结构是PVDF/PET/氟皮膜)、PPC(特殊处理PET/耐候PET)等。

三、光伏背板中所用的化学材料

1、PVF

PVF,学名聚氟乙烯,由氟和氟碳分子的共聚体挤压而成的共聚物。做PVF薄膜最有名的是美国杜邦公司,杜邦的注册商标TEDLAR就是现在光伏行业用的最多的PVF薄膜。TPT或TPE中的T就是指TEDLAR。美中不足的是涂覆薄膜表面较易出现针孔,且薄膜的水汽阻隔能力也较差。另外,PVF材料本身含氟量低,PVF薄膜需要有足够的厚度来保证其性能。

2、PVDF

PVDF,学名聚偏氟乙烯,密度是PVF的1.3~1.4倍,分子结构上多一个F,所以比PVF耐候性、阻隔性更好,但是PVDF成型困难,需要加20~30%左右的亚克力增塑剂(如PMMA等丙烯酸类材料),容易造成局部老化,横向断裂伸长率低,且热老化和湿热老化后进一步下降变脆,长期户外应力老化下有开裂风险。

3、PET

PET即聚对苯二甲酸乙二醇酯,又称聚酯薄膜,乳白色或浅黄色高度结晶的聚合物。长期使用温度可达120℃,短期使用可耐150℃高温,可耐-70℃低温。但是在高温高湿环境中容易水解,在紫外光下容易发生光降解反应。

4、PE

PE即聚乙烯,由乙烯聚合而成,是应用广泛的高分子材料。化学稳定性好,吸水性小,电绝缘性能优良。

5、EVA

EVA即乙烯-醋酸乙烯共聚物,它的化学稳定性好,吸水性小,高透明,与各种界面均有高粘着力,熔点低、易流动,适用于各种玻璃的夹胶工艺。

6、PA

聚酰胺即尼龙,具有良好的综合性能,包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性,且摩擦系数低,有一定的阻燃性,易于加工,适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性,提高性能和扩大应用范围。

7、THV(四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物)

THV是美国Dyneon公司在20世纪80年代开发的一种新型含氟材料,和其他材料复合成多层结构时,柔韧性非常突出。THV的另一个重要特点是本身容易粘接,无须表面处理就能与其他材料粘接,背板的复合制作工艺和用硅胶粘贴接线盒都十分简便,特别适用于对背板要求柔软的场合。

8、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)

日本旭硝子株式会社研发的ETFE薄膜,由原料到薄膜完全自产,具有良好的耐候性和化学稳定性,不过市场用量并不多。

9、ECTFE(乙烯-三氟氯乙烯共聚物)

ECTFE由杜邦公司在1946年开发成功,是乙烯和三氟氯乙烯1:1的交替共聚物,具有典型的氟塑料的耐化学腐蚀性能,没有一种溶剂在120℃下能侵蚀ECTFE或使其应力开裂,而且具有很高的耐候性和阻隔性。在商品化光伏电池背板中,有些背板产品就是使用的ECTFE这种材料作为外层的耐候材料。

10、PCTFE(三氟氯乙烯树脂)、PTFE(聚四氟乙烯)、FEVE(氟乙烯与乙烯基醚共聚物)

采用PCTFE、PTFE、FEVE材料的背板多采用涂覆法制备。背板采用氟碳涂料涂布到PET薄膜上,替代氟塑料薄膜,具有较好的经济性及较短的生产周期。我国也是继美国、日本之后第三个拥有氟碳涂料合成技术并实现产业化的国家。

对主要含氟材料的性能做了个简单的对比如表1所示。

表1各种含氟材料特性比较


*oxygen index 氧指数(OI)是指在规定的条件下,材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度。以氧所占的体积百分数的数值来表示。氧指数高表示材料不易燃烧,氧指数低表示材料容易燃烧。

四、光伏背板的关键技术参数

由于背板的重要性,组件厂家对背板的测试非常严格,即使一线品牌的背板厂家也经常会通不过测试。

背板通不过测试的原因主要有DH2000(湿热老化 85℃,85%湿度,2000小时)失败、UV测试后黄变、TC200(温度循环-40℃至+85℃)失败、与EVA粘接力低这几类,具体分类及占比如图2所示。测试失败的背板中不乏一线背板厂家的产品。其中DH2000和UV是最容易失败的两个测试项目,所以现在的组件厂家对背板透水率及黄化系数的要求也越来越高了。


图2 光伏背板测试失败的原因

五、 光伏背板的发展趋势

驱动光伏背板行业前进的内在动力主要是性能和成本。

从性能看,高要求组件的背板基本是使用含氟材料来保护PET,不同的只是用的氟材料不同。而氟材料是以膜的形式,还是以涂料直接涂在PET上,是PET类背板发展的两个主要方向。

从成本看,涂膜成本比覆膜的要低很多,且氟膜技术主要被国外企业垄断,在光伏产品利润率持续下降的情况下,涂膜型背板产品的发展是光伏背板的必由之路。但涂膜背板在粘结性、稳定性方面仍需持续改善。

背板的最终趋势应该是找到一种耐候性比较好的材料代替PET类背板。