背板作為保護(hù)光伏組件的最外部材料，尤其容易受到環(huán)境氣候應(yīng)力的影響。
背板材料的粘接性能、抗紫外能力和機(jī)械強(qiáng)度都是影響其可靠性的關(guān)鍵因素，甚至影響整個(gè)組件的功率輸出和使用壽命。
近年來(lái)，杜邦公司對(duì)在北美、歐洲、亞太地區(qū)約200個(gè)電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，涵蓋了來(lái)自45個(gè)組件廠、不同氣候類型、運(yùn)行時(shí)間在0到30年、總功率超過(guò)450MW的組件。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，有22%的組件存在明顯的老化和可視失效。其中電池的失效率最高，為11.3%，背板的失效率其次，為7.4%。如圖1所示。
背板雖然只占組件和電站總成本很小一部分，但起著保護(hù)組件工作25年的重要作用，所以對(duì)于背板材料的選擇就顯得尤為重要。目前，市面上絕大部分背板為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，并采用PET聚酯為中間層，起到絕緣和機(jī)械支撐的作用。而在背板外層(空氣面)和內(nèi)層(EVA面)的材料選擇上，則顯得魚龍混雜，對(duì)背板材料的質(zhì)量與長(zhǎng)期可靠性帶來(lái)了很大隱患。上述統(tǒng)計(jì)中背板高居第二的失效率即體現(xiàn)了行業(yè)現(xiàn)狀。本文擬針對(duì)背板內(nèi)外層材料的性能要求和不同材料體系的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討和分析，以期撥亂反正，解答迷思。
光伏背板外層(空氣面)材料的選擇
從性能要求上，光伏背板外層主要起到耐候(紫外、溫濕度、冷熱應(yīng)力、化學(xué)品腐蝕、風(fēng)沙磨損等)、提供機(jī)械支撐和方便粘接接線盒與邊框的作用。因此，背板外層材料需要具備優(yōu)異的耐候性、良好的機(jī)械強(qiáng)度與韌性、以及可粘接性等特點(diǎn)。
由于耐候性和長(zhǎng)期可靠性要求高，氟塑料在背板外層中的應(yīng)用占據(jù)主導(dǎo)地位。其中，主要分為聚氟乙烯(PVF)薄膜、聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜和少量氟碳涂料(FEVE)。這幾類材料由于材料特性、加工工藝和成分的不同，在性能上亦有較大差別，不能一概論之，亦即“此氟非彼氟”。分析如下：
1. 薄膜成分：Tedlar? PVF純氟樹脂對(duì)比PVDF混合樹脂
Tedlar?PVF薄膜的有機(jī)成分為100% PVF樹脂，不添加任何其他非氟樹脂進(jìn)行共混，原料來(lái)源統(tǒng)一，質(zhì)量管控嚴(yán)格。
隨著光伏行業(yè)的高速發(fā)展，聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜生產(chǎn)廠家如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，各家配方、工藝、厚度不盡相同。但是由于純PVDF樹脂成膜性很差，這些PVDF薄膜無(wú)一例外地需要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%~30%的PMMA(俗稱亞克力)樹脂輔助其成型。
2. 成型工藝：Tedlar?PVF雙向拉伸對(duì)比PVDF傳統(tǒng)流延和吹膜
聚氟乙烯薄膜(Tedlar?，PVF)采用雙向拉伸制造工藝，所制備的薄膜在橫向和縱向兩個(gè)方向都經(jīng)過(guò)取向強(qiáng)化，機(jī)械性能均衡沒(méi)有弱點(diǎn)。由于PVF薄膜加工溫度和分解溫度接近，要求極高的工藝控制，并且投資巨大，只有具備很高技術(shù)能力的大企業(yè)才可以生產(chǎn)，這也保證了Tedlar? 薄膜產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和一致性。
聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和傳統(tǒng)流延兩種成型工藝。
3. 薄膜性能：
(1)機(jī)械性能：Tedlar? PVF 性能均衡
Tedlar?PVF薄膜縱向(MD)和橫向(TD)兩個(gè)方向機(jī)械性能均很優(yōu)異，這是因?yàn)镻VF采用雙向拉伸成型工藝，且配方中不添加其他聚合物樹脂共混，有著優(yōu)異的機(jī)械性能。如圖2所示。
(2) 耐磨性能：Tedlar?PVF 耐磨性好
光伏組件，尤其是大型地面電站，很多都建設(shè)于氣候嚴(yán)苛、風(fēng)沙較大的地區(qū)。所以，背板所用的氟膜還需要有較好的耐風(fēng)沙磨損性能。
目前，耐風(fēng)沙磨損一般采用落砂試驗(yàn)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照ASTM D968，以0.25-0.65mm標(biāo)準(zhǔn)砂為例，38微米的PVF薄膜通常需要250L以上才可以落穿，而PVDF薄膜依厚度和工藝不同落砂量大約為100～250L，而FEVE涂覆型背板一般只有50L左右落砂量。
(3) 耐化學(xué)性：Tedlar? PVF耐化學(xué)性優(yōu)
此實(shí)驗(yàn)依據(jù)ASTM D543 塑料耐化學(xué)試劑的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行測(cè)試，將PVF和PVDF薄膜分別浸入丙酮，硫酸(1 mol/L)和飽和氨水中進(jìn)行測(cè)試，時(shí)長(zhǎng)為168小時(shí)(一周)。結(jié)果表明，不論是硫酸、堿性的氨水還是溶劑丙酮實(shí)驗(yàn)，PVF均顯示了優(yōu)異的耐溶劑性。
所以從上述薄膜原料組成，成型工藝和薄膜性能等方面來(lái)看，Tedlar? PVF薄膜綜合性能均衡，最適合光伏背板應(yīng)用。
光伏背板內(nèi)層(EVA面)材料的選擇
從性能要求上，背板內(nèi)層材料需要具備良好的粘接性(與EVA)、耐候性和一定的機(jī)械性能，以期達(dá)到背板與EVA粘接可靠、阻擋從組件正面照射進(jìn)來(lái)的紫外線并保護(hù)中間層PET的作用。
目前市面上常見的光伏背板內(nèi)層材料包括氟膜類、非氟薄膜類和氟碳涂層類三種。其中氟膜類內(nèi)層主要有Tedlar? 聚氟乙烯(PVF)薄膜和聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜。非氟薄膜類內(nèi)層主要包括聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚酰胺(PA)和聚烯烴(PO)等，這類材料最大的優(yōu)勢(shì)是與EVA粘接性好，戶外不易脫層。氟碳樹脂(FEVE)涂層作為背板內(nèi)層材料，其優(yōu)點(diǎn)是耐候性和耐高溫性能相對(duì)E層較好。
對(duì)于背板內(nèi)層來(lái)講，耐紫外性能也很重要。所以選擇產(chǎn)品已在戶外長(zhǎng)期使用的品牌，是十分必要的。
如果選擇含氟涂層作為背板內(nèi)層，那么為了有效阻擋紫外線并保護(hù)中間層PET免受紫外破壞，涂層厚度將非常關(guān)鍵。
涂層厚度與紫外線穿透率的關(guān)系符合Beer定律，如圖5數(shù)據(jù)所示，氟碳涂層厚度如果低于10微米，紫外線開始穿透阻隔層到達(dá)PET中間層，穿透比率隨厚度減薄而指數(shù)級(jí)升高。所以即使選用涂覆型背板，涂層的厚度也必須大于10微米，才能起到對(duì)PET的有效保護(hù)。力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明，當(dāng)接受1000-1380小時(shí)的紫外照射后，如果內(nèi)層厚度<10微米，背板斷裂伸長(zhǎng)率將顯著下降。一些背板廠商為了降低成本，將背板內(nèi)層涂層的厚度減至2微米以下(圖6)，這會(huì)大大增加背板中間層PET的紫外老化變脆和背板脫層風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)序列老化測(cè)試(MAST)對(duì)背板材料進(jìn)行驗(yàn)證
現(xiàn)有的IEC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)還不能很好地模擬戶外實(shí)際環(huán)境。針對(duì)上述現(xiàn)狀，杜邦提出了一種新的組件測(cè)試方法，名為“組件加速序列老化測(cè)試”(圖7)，包括一系列應(yīng)用在同一個(gè)組件上的應(yīng)力測(cè)試，可以重現(xiàn)不同的背板材料的戶外失效模式。每項(xiàng)應(yīng)力的測(cè)試時(shí)間是通過(guò)戶外曝曬程度和對(duì)戶外組件的分析結(jié)果共同決定的。
較傳統(tǒng)測(cè)試方法而言，使用組件加速序列老化測(cè)試預(yù)測(cè)組件材料的長(zhǎng)期性能準(zhǔn)確度更高，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀察的情況大部分一致。
綜上所述，結(jié)合各類材料的理論分析和戶外實(shí)證經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，不僅需要關(guān)注背板外層材料，內(nèi)層材料的選擇也同樣非常關(guān)鍵。外層材料需要具備優(yōu)異的耐候性(紫外、溫濕度、冷熱應(yīng)力、化學(xué)品腐蝕、風(fēng)沙磨損等)、機(jī)械性能(拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率)和良好的粘接能力，而背板內(nèi)層材料需要提供可靠的粘接性能、一定的耐候性能和機(jī)械性能。
目前的第三方測(cè)試僅注重單一老化應(yīng)力的加嚴(yán)測(cè)試，并不能很好的反應(yīng)戶外多老化應(yīng)力的實(shí)際情況，而加速序列老化測(cè)試方法可以很好的模擬戶外失效模式，所以在背板材料選擇時(shí)，需進(jìn)行序列老化測(cè)試，使組件可靠性得到保障，達(dá)到長(zhǎng)跑的目的。
來(lái)源：索比光伏網(wǎng)
