背板作為晶硅太陽能組件的關鍵部分,對提高組件的安全性、使用壽命和降低功率衰減起著至關重要的作用。

要達到保護電池片的目的,背板需具備良好的機械強度與韌性、耐候性、絕緣、水汽阻隔、耐腐蝕和耐風沙磨損等各種平衡的性能。

最近幾年,在降本的壓力下,一些未經過戶外實績驗證的背板材料被使用在組件上,導致使用這些背板的組件在戶外工作僅幾年后就開始出現大規模失效問題,使得組件廠家需要面對巨額索賠。同時,電站開發商也蒙受損失。由此可見,從源頭上對背板材料把好關,對于降低組件的戶外失效風險具有重要意義。

背板結構大致可分為外層(也叫空氣層)、中間層和內層。每一層材料的選擇和搭配都影響著背板的整體性能。目前,背板外層主要使用含氟薄膜,尤其是經過戶外實績驗證過的杜邦?Tedlar?薄膜,以確保背板外層在戶外綜合老化應力的作用下可以使用25年以上。而背板內層由于不直接接觸戶外環境應力,其重要性往往容易被忽視。而且,目前市場上背板的內層材料種類較多,性能也參差不齊。

如何才能正確選擇背板內層材料呢?回答這一問題之前,我們有必要先了解下背板內層材料需具備哪些性能。

需具備三大優異性能

首先,背板內層材料需要具有優異的耐候性及機械強度。如果內層材料自身都已發生老化開裂,其保護作用就無從談起。

圖1. 背板中間PET聚酯材料斷裂伸長率保持率與紫外劑量的關系(試驗條件:UVA,1.2W/m2@340nm, 70oC BPT, 紫外照射在PET表面)溫和氣候環境,組件正面每年紫外劑量為57 kWh/m2

其次,背板內層作為中間層PET聚酯材料的保護層之一,需要具有良好的紫外阻隔作用,以避免PET遭受紫外破壞。圖1是市面上常用的一款250微米PET紫外測試數據。從圖中可以看出,PET聚酯材料只接受不到5 kWh的紫外照射后,其斷裂伸長率就下降50%以上; 紫外劑量達到6 kWh時,PET力學性能基本完全喪失(溫和氣候環境,組件正面每年紫外劑量為57 kWh/m2)。這說明PET容易發生光老化,需要背板內外層的保護。背板中間層的PET聚酯材料主要起著電氣絕緣、化學阻隔及力學支撐作用。如果PET發生破壞,這些功能都將喪失,因此背板內層需要將組件正面的紫外阻隔掉,以達到保護中間層PET的目的。

此外,背板內層作為PET與EVA之間的粘結層,還需要具有良好的粘接性能,以免出現脫層等失效風險。

了解了背板內層需要具備的性能,那我們不禁要問,目前市面上的內層材料是否都能滿足這些性能呢?我們再來對市面上這些內層材料分類并討論其優缺點。

不同背板內層材料特性不一

第一類為含氟薄膜,主要有Tedlar? PVF薄膜和PVDF薄膜。PVF薄膜,又名聚氟乙烯薄膜,因其優異的抗紫外、耐高溫、耐腐蝕性能而被廣泛應用于太陽能、航空航天和交通等領域。杜邦? Tedlar? PVF薄膜是目前光伏領域唯一具有30年以上廣泛戶外實績驗證的背板材料,其戶外應用經驗豐富,且經受過多種氣候條件的長期考驗。PVF薄膜是雙向拉伸工藝制備的,在橫向和縱向兩個方向都經過強化,機械性能均衡,耐老化性能好,因此經受濕熱、紫外、溫度循環等多種環境因素長期作用后,仍保持優異。

PVDF薄膜,又名聚偏氟乙烯薄膜,PVDF薄膜在橫向的拉伸都很弱或甚至沒有拉伸,容易造成橫向機械性能均較差,成膜過程中加入大量亞克力也會導致固有脆性強。這些因素導致了PVDF薄膜在戶外多種復合應力下容易出現開裂等失效風險。由于其技術門檻相對較低,目前生產廠家較多,雖各家膜產品都含PVDF,但因配方體系及生產工藝不同,不同廠家膜的耐老化性能差異很大。

耐熱方面,PVF薄膜的軟化溫度點為190℃,而PVDF只有150℃左右。對于經常有熱斑出現的光伏組件應用來說,PVF薄膜的耐熱性能顯然更有優勢。隨著PERC等高效電池的大量投產,熱斑溫度會更高,對于薄膜的耐熱性能會提出更高的要求。

第二類為非氟薄膜,主要包括PE、EVA、PA、PO等。這類材料作為背板內層在溫和氣候下已有一定時間的戶外驗證,其較高的厚度在耐紫外、力學性能和粘接力方面都有一定的優勢。此內層材料老化性能與主體樹脂及無機填料的種類和含量息息相關,不同背板廠家選擇此種內層材料時都會結合自身定位與特色,也導致了所選材料的性能差異較大。同時,與不同耐候性的背板外層材料的搭配,也決定著內層材料的表現。

圖2. 某PVDF背板內層在戶外不到5年發生黃變

圖3. 組件正面540 kWh/m2紫外輻照后背板內層的變化.

(a) HPET 1聚酯背板內層開裂,(b) 基于特能? (Tedlar?) PVF薄膜的TPE背板材料無變化

(測試條件:金屬鹵素燈, 1.5kW/m2, 360小時)

圖2是某PVDF背板內層在戶外不到5年就發生了內層發黃現象。圖3是使組件正面照射540kWh/m2紫外劑量(相當于溫和環境組件正面9.5年太陽光照射),耐水解HPET 1聚酯背板材料內層發生開裂,而對應基于特能? (Tedlar?) PVF薄膜的TPE背板材料無變化。從以上戶外實際案例及室內老化測試結果可以看出,對于此類背板內層材料,盡量搭配使用經過戶外驗證的PVF薄膜作為背板外層。

第三類為涂覆型FEVE涂層。FEVE是氟烯烴和乙烯基醚(酯)的共聚樹脂,作為背板內層材料,其優點是耐候性和耐高溫性能相對E層較好,并且無需膠水層而直接涂覆于PET表面,省去了膠水成本。由于FEVE的特殊結構,使其具備了在酯類和酮類等溶劑中的可溶性。但FEVE中鍵能較弱的酯鍵相對容易裂解,且涂層的性能受單體、溶劑和固化劑影響較大。與前兩類內層材料相比,FEVE涂層的耐候性和致密性不如氟膜,粘接力和力學性能不如E層,而且戶外驗證時間相對較短,不建議在溫差大、冷熱應力較大的氣候條件下使用。為了保護中間層PET免受紫外破壞,涂層厚度非常關鍵,涂層太薄,阻隔紫外和粘接力都會出現問題。阻隔層厚度與紫外線穿透率的關系一般符合Beer定律。圖4數據顯示,背板內層這一紫外阻隔層厚度如果低于10微米,紫外線開始穿透阻隔層到達PET,穿透比率隨厚度減薄而指數升高。如果涂層厚度為1微米時,365 nm的紫外線透過率會高達11%,這會對中間層PET造成毀滅性的破壞。圖5的力學性能測試數據進一步證明,當接受1000-1380小時的紫外照射后,如果內層厚度<10um,背板斷裂伸長率將顯著下降。一些背板廠商為了降低成本,將背板內層涂層的厚度減至極低(如圖6所示,內層涂層厚度只有1.3微米),這很容易導致背板中間層PET的紫外老化。從而造成背板內層和中間PET層的脫層問題。另外,圖層中鈦白粉的添加量也很重要,有些涂層中加入了過多的鈦白粉,導致涂層的粘接性下降,容易出現脫層問題。

圖4. 紫外阻隔層厚度與紫外線穿透率的關系

圖5. 斷裂伸長率損失率與背板內層厚度(um)的關系——當接受1000-1380小時的紫外照射后,如果內層厚度<10um,背板斷裂伸長率將損失嚴重。

圖6. 某PVDF/PET/FEVE背板內層FEVE涂層只有1.3微米

建議:選擇經廣泛戶外實績驗證的背板材料

光伏電站中諸多戶外失效案例顯示,不同類型背板的真實耐候性差異較大,特別是苛刻環境下,隨著EVA中紫外吸收劑的消耗導致紫外線穿透組件到達背板內層,容易引起背板的破壞。為了給光伏組件提供長期可靠保護,以確保投資回報,建議內層也使用Tedlar?(特能?)PVF薄膜這種具有30年以上廣泛戶外實績驗證的背板材料。