太陽(yáng)能電池背板

前 言

太陽(yáng)能電池背板有內(nèi)層 (EVA面) 和外層 (空氣面) 之分。外層由于直接與外界環(huán)境接觸而廣泛受到重視，所以背板產(chǎn)家往往會(huì)選用耐候性比較優(yōu)異的材料諸如含氟薄膜或含氟涂料作為背板的外層，比較典型的是用杜邦的Tedlar膜或四氟樹(shù)脂配制的氟碳涂料，以阻隔外界環(huán)境對(duì)基材和電池片的侵蝕。而背板內(nèi)層由于不直接與外界接觸，其重要性往往容易受到忽視。然而，實(shí)際的情況是，內(nèi)層所受到的來(lái)自外界的破壞是不容忽視的。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，一年之中照射到組件表面的紫外光輻照量約為91.7kWh/m2, 其中大約10%的紫外線能夠透過(guò)前板玻璃和封裝材料EVA而到達(dá)背板的內(nèi)層，這樣一來(lái)背板內(nèi)層25年中所要承受的紫外輻射量大約為91.7x10%x25=229.25 kWh/m2, 這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了3倍IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的45 kWh/m2的輻射量，可見(jiàn)背板內(nèi)層的性能尤其是耐紫外性能，絕對(duì)不能被忽視，否則會(huì)給終端電站的使用壽命帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)!光伏組件的設(shè)計(jì)壽命為25年，這種設(shè)計(jì)壽命嚴(yán)重依賴(lài)于組件各個(gè)部件的長(zhǎng)期可靠性。任何一個(gè)部件的性能下降或散失都會(huì)導(dǎo)致”短板效應(yīng)”，使25年的設(shè)計(jì)壽命大打折扣，給投資者帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重?fù)p壞了光伏作為清潔能源的聲譽(yù)。鑒于氟材料特殊的組成和卓越的耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的介電性、不燃性和不粘性等優(yōu)點(diǎn)，毫無(wú)疑問(wèn)，如果將有機(jī)氟材料也導(dǎo)入背板的內(nèi)層將極大地提高背板的整體可靠性。但是，用什么樣的有機(jī)氟材料以及如何導(dǎo)入背板內(nèi)層中將會(huì)直接影響氟材料在背板中的存在形式和分布狀況，并將進(jìn)一步影響氟材料功能的發(fā)揮和背板的整體性能，最終將決定終端電站的使用壽命。2015年至今，越來(lái)越多的組件廠和電站投資商把雙面含氟背板作為優(yōu)先選擇，于是許多背板供應(yīng)商紛紛宣稱(chēng)自己的背板是雙面含氟，因此，如何判斷和識(shí)別背板的含氟內(nèi)層，是組件商需要十分謹(jǐn)慎的加以對(duì)待的問(wèn)題。不幸的是，目前市面上含氟背板的種類(lèi)繁多，質(zhì)量也參差不齊，給組件商的選擇帶來(lái)比較大的困惑，因此有必要就這一問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。從而回答”什么樣的背板內(nèi)層才是真正的、經(jīng)得起考驗(yàn)的含氟內(nèi)層”這一根本問(wèn)題。

反應(yīng)性氟材料和非反應(yīng)性氟材料

與背板的外層材料相似，用于背板內(nèi)層的氟材料從大類(lèi)來(lái)分可以分為反應(yīng)性氟材料和非反應(yīng)性氟材料。前者是指大分子側(cè)鏈中含有可反應(yīng)的活性基團(tuán)，例如羥基 (-OH) (圖1)，因此可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方式將氟材料導(dǎo)入背板內(nèi)層并固定在基材表面。反應(yīng)性氟材料在涂覆型背板中用得比較多，尤其是在等離子體增強(qiáng)的涂層技術(shù)中，通過(guò)固化劑將反應(yīng)性氟材料牢牢地固定在背板的內(nèi)層。

非反應(yīng)性氟材料是指整個(gè)大分子中不含有任何可反應(yīng)的活性基團(tuán)，例如常見(jiàn)的PTFE， PVDF和PVF都是非反應(yīng)性氟材料 (圖2)。由于分子鏈中沒(méi)有活性基團(tuán)，所以非反應(yīng)性氟材料只能以填料的形式加入到涂料中或與其它成膜性好的材料一起共混成膜，然后通過(guò)涂覆技術(shù)或膠粘復(fù)合技術(shù)將非反應(yīng)性氟材料導(dǎo)入到背板的內(nèi)層。這種加入氟材料的形式會(huì)對(duì)涂料或膜材料的性能產(chǎn)生重大影響，并最終決定了背板內(nèi)層的可靠性。

氟材料在背板內(nèi)層的存在形式及對(duì)背板性能的影響

由于反應(yīng)性氟材料和非反應(yīng)性氟材料的結(jié)構(gòu)上的差異，導(dǎo)入到背板內(nèi)層的形式也不同，致使它們?cè)诒嘲鍍?nèi)層中的存在形式也不一樣，并最終決定背板的可靠性。反應(yīng)性氟材料由于活性基團(tuán)的存在，在固化劑的作用下可以被交聯(lián)固化，并與PET基材表面化學(xué)鍵聯(lián)，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) (圖3) 。這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，耐酸堿， 耐紫外，并且不會(huì)發(fā)生材料的蠕變、遷移和降解，對(duì)背板的基材PET具有長(zhǎng)期的保護(hù)作用。這類(lèi)背板以中來(lái)股份的FFC涂覆型背板最為典型。背板采用四氟樹(shù)脂為反應(yīng)性氟材料，應(yīng)用等離子增強(qiáng)的表面涂覆技術(shù)，將反應(yīng)性氟材料牢牢固定在背板的內(nèi)層和基材PET的表面，得到了性能優(yōu)異、可靠性高的背板。經(jīng)過(guò)紫外高溫、高濕測(cè)試后，F(xiàn)FC涂覆型背板沒(méi)有涂層脫落、粉化和開(kāi)裂現(xiàn)象，并且在戶外有超過(guò)10年的實(shí)證考驗(yàn)，充分證明了它的穩(wěn)定性和可靠性。

相反，非反應(yīng)性氟材料由于沒(méi)有活性基團(tuán)的存在，只能以惰性填料的形式存在于背板內(nèi)層(圖4)。由示意圖可見(jiàn)，化學(xué)鍵的缺失，會(huì)使非反應(yīng)性氟材料產(chǎn)生蠕變和遷移，從而導(dǎo)致非反應(yīng)性氟材料和主體材料之間的微相分離，結(jié)果導(dǎo)致背板內(nèi)層粉化、開(kāi)裂，使基材PET直接暴露在紫外光的照射下，嚴(yán)重影響背板的整體性能。另外，再加上非反應(yīng)性氟材料與其它材料的相容性問(wèn)題，使非反應(yīng)性氟材料的添加量很低，對(duì)背板的基材起不到長(zhǎng)期的保護(hù)作用。目前市面上這類(lèi)背板以XPO和XPM最為典型，這種類(lèi)型的背板往往采用復(fù)合背板典型的三明治結(jié)構(gòu)，外層采用PVDF膜，中間層為PET基材，而內(nèi)層則是聚烯烴和氟材料的共混物。內(nèi)層被命名為含氟的O膜或者M(jìn)膜，以區(qū)別于過(guò)去的純聚烯烴膜，即PE或PO膜。

XPO和XPM型背板的這種以聚烯烴/氟材料共混物為背板內(nèi)層的思路其實(shí)是想取代上一代產(chǎn)品，也就是以純聚烯烴PE或PO為內(nèi)層，PVDF膜為外層和PET為基材的背板。聚烯烴為背板內(nèi)層的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)層與EVA有較大的粘合力。但是，聚烯烴的很差的耐紫外能力使背板內(nèi)層在紫外濕熱老化中很快被暴露出來(lái)(圖5)。在高溫高濕和紫外光的照射下，內(nèi)層的PO膜和PE膜很快出現(xiàn)開(kāi)裂和粉化，這種開(kāi)裂和粉化是由聚烯烴的結(jié)構(gòu)決定了的特質(zhì)，是不可避免的。生產(chǎn)產(chǎn)家估計(jì)也認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，為了增加聚烯烴的耐候性，于是想在聚烯烴上進(jìn)行改性嘗試，引入一定的含氟材料制備所謂的M膜或O膜，因?yàn)樗麄円仓离p面含氟的背板具有優(yōu)異的耐候性已是業(yè)內(nèi)共識(shí)。然而由于添加的含氟材料為非反應(yīng)性的氟材料，其成型方式只能是簡(jiǎn)單的機(jī)械共混，再加上氟材料與聚烯烴的相容性很差，這樣的所謂含氟材料不僅含氟量低，而且所添加的氟材料在聚烯烴中存在微相分離，這種微相分離是一種結(jié)構(gòu)松散的、非交聯(lián)的分布狀態(tài)，容易在外界條件的刺激下加速蠕變和遷移，對(duì)背板內(nèi)層的性能帶來(lái)負(fù)面的影響，具體表現(xiàn)在，背板內(nèi)層在高溫、高濕和紫外照射下容易出現(xiàn)出現(xiàn)粉化、黃變和開(kāi)裂現(xiàn)象(圖6)，嚴(yán)重威脅組件的發(fā)電功效。

另外，非反應(yīng)性氟材料與聚烯烴的相容性很差使得它的添加量不僅被限制在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)，致使背板內(nèi)層的含氟量偏低 (圖7，圖8)，而且氟材料的分布及其不均勻(0.00-1.06%)，有的地方氟含量居然為0!很難想象背板如此低的氟含量和如此不均勻的氟分布對(duì)背板的基材PET起到保護(hù)作用。紫外光的破壞例往往會(huì)從氟含量為0的地方開(kāi)始，之后逐級(jí)向氟含量升高的梯度展開(kāi)，因此O膜和M膜的這種低氟氟含量和氟材料非均勻分布的材料并不符合組件長(zhǎng)期可靠性的要求。

而基于反應(yīng)性氟材料為主體的FFC涂層型背板，情況則完全不同，涂層中的反應(yīng)性氟材料為主體材料，不存在與其它材料的相容性問(wèn)題，氟的含量不僅可以維持在一個(gè)較高的水平(~20%)(圖9)，而且分布均與，更重要的是氟材料可以通過(guò)固化交聯(lián)的形式導(dǎo)入背板內(nèi)層，并得到固定，這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)對(duì)PET基材的保護(hù)是徹底的和值得信賴(lài)的。實(shí)驗(yàn)表面，涂層可以有效地阻擋紫外線的透過(guò) (圖10)，對(duì)基材PET起到保護(hù)作用。

結(jié) 語(yǔ)

可見(jiàn)把O膜或M膜稱(chēng)為含氟膜是不科學(xué)和不負(fù)責(zé)任的，因?yàn)樗鼘?yán)重誤導(dǎo)組件商和終端電站的投資商，給他們的投資回報(bào)大打折扣、甚至血本無(wú)歸，也給本來(lái)已經(jīng)規(guī)范的背板市場(chǎng)帶來(lái)混亂。作為氟碳背板當(dāng)仁不讓的領(lǐng)導(dǎo)者，我們責(zé)無(wú)旁貸地對(duì)這種打”擦邊球”的行為給予揭露和曝光，目的是還原真正氟碳背板和含氟背板的本質(zhì)，給背板應(yīng)用商家提供遴選和甄別性能優(yōu)異的含氟背板提供科學(xué)依據(jù)。”泥沙俱下不可怕，大浪淘沙始見(jiàn)金”，真正性能優(yōu)異的氟碳背板/含氟背板是經(jīng)得起時(shí)間和應(yīng)用環(huán)境考驗(yàn)的，是值得組件商和電站投資商信賴(lài)的。