光伏電池背板綜述

張傳吉 戴建民 成三弟 俞苗鋒 謝 帆

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

太陽能光伏電池（簡稱光伏電池）用于把太陽的光能直接轉化為電能，是解決地球污染與能源短缺的有效途徑之一。光伏電池是由玻璃、EVA、硅片、背板組成，按照玻璃-EVA-電池片-EVA-背板的結構封裝構成，背板位于光伏電池背面的最外層，是光伏電池非常重要的組成部分，不僅起到封裝的作用，同時還起到保證光伏電池不受到環境影響的作用，確保光伏電池的使用壽命。

1 背板結構

按照光伏電池背板整體結構劃分，可將光伏電池背板劃分為FPF、FPE、全PET與PET/聚烯烴結構［1］。其中F指含氟薄膜；P指雙向拉伸工藝制備的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜，即PET薄膜；E指的是乙烯-醋酸乙烯，也就是EVA；聚烯烴指各種以碳碳結構為主鏈的塑料。這些結構層之間使用膠粘劑進行粘合，通過復合工藝制備成型［2］。

最早的光伏電池背板采用TPT結構，即Tedler/PET/Tedler結構，其中Tedler為杜邦公司所生產的PVF（聚氟乙烯）薄膜，以杜邦公司的Tedler為基材的背板主導了大部分的光伏背板市場，第一款進入光伏市場的產品為PVF2001，目前杜邦公司的Tedler產品已經開發出第三代。

按照光伏電池背板所采用的薄膜材質區分，可以將背板劃分為Tedler背板、含氟背板、PET背板與其他一些采用如PE材質的背板產品。

1.1 Tedler系列

此結構的背板被稱為經典的背板結構，也是國內外太陽能電池組件廠首選與認可的光伏電池背板結構。這也是取決于PVF膜所特有的結構穩定性與耐環境變化的特性。由于PVF薄膜的制造工藝的特殊性，其薄膜表面較易出現針孔，使得PVF薄膜的水汽阻隔能力較差。同時PVF材料本身含氟量小，所以PVF薄膜需要較厚的厚度來保證其性能。但是PVF是所有氟材料中成本最低的，考慮太陽能電池將來的大規模使用，其仍是一種非常合適的用于太陽能背板的材料。

1.2 含氟背板

在杜邦公司Tedler產能有限的情況下，光伏電池背板企業也采用了其他材質的薄膜來代替Tedler薄膜生產背板。

1.2.1 PVDF（聚偏氟乙烯）

此類薄膜的生產商主要有法國的阿科瑪公司，韓國SKC等。PVDF是使用量第二大的氟塑料，其熔點和分解點相差大，可以使用熱塑性塑料加工方法進行加工。無論從世界范圍內的供應量、加工適應性還是耐候性、阻隔性而言，其都是最合適的太陽能電池背板耐候材料。同樣厚度的PVDF薄膜的透濕性大約只有PVF薄膜的十分之一。

PVDF制膜較成熟的是使用吹膜的方法。阿克瑪公司專門有吹膜的高融體強度的PVDF級別，按其報道能吹出5 μm厚度的薄膜。PVDF中常加入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為增塑劑以提高其成膜性，加入PMMA后的PVDF的在熔融狀態下更容易成膜。國內的一些高校如北京化工大學等在這方面做了較多的研究。但加入PMMA后會影響薄膜的抗老化性能。澳大利亞Leoben大學對采用不同氟塑料薄膜的背板老化后進行比較，發現含PMMA（10％～20％）的PVDF薄膜1000～2000h濕熱老化后薄膜破損嚴重。某歐洲公司在中國大力推廣其生產的PVDF薄膜以期應用于太陽能電池背板中，國內有多家背板公司和一些太陽能組件工廠嘗試使用。盡管其提供的數據表明耐候性良好，但紅外圖譜發現其薄膜含有大量的PMMA的成分。該薄膜為三層結構，中間層PMMA-PVDF合金中的PMMA含量甚至大大超過PVDF含量，所以其實際耐候性如何需要時間考驗。

海優威公司使用與歐洲某化學品公司開發的太陽能電池背板用PVDF薄膜生產背板。該PVDF薄膜由PVDF、無機顏料和功能性添加劑組成，為單層結構。整個薄膜內外材料均一，白色薄膜能百分之百遮蔽紫外線。經2000h的紫外老化測試，薄膜性能下降忽略不計，完全滿足了背板對氟塑料薄膜的要求。

1.2.2 THV（四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物）

美國3M公司的BBF背板采用此類含氟薄膜。THV是美國Dyneon公司在20世紀80年代開發，目前也只有其生產，其是目前商品化最柔軟的氟塑料，當和其它材料復合成多層結構時，其優異的柔韌性非常突出。另一個重要的特點是THV本身容易粘接，無須表面處理就能和其它材料粘接，這對生產背板的復合工藝和用硅膠粘貼接線盒而言都十分重要。在一些對背板要求柔軟的場合，THV的背板比任何其它材料都更合適。

1.2.3 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）

日本旭硝子株式會社研發的ETFE薄膜，由原料到薄膜完全自產，目前應用較少，處于推廣狀態。

1.2.4 ECTFE（乙烯-三氟氯乙烯共聚物）

ECTFE由杜邦公司在1946年開發成功，目前商品化的產品只有蘇威公司提供。ECTFE由CTFE和乙烯的50％：50％的交替共聚物。其有典型的氟塑料的性能 耐化學腐蝕，沒有一種溶劑在120℃下能侵蝕ECTFE或使其應力開裂。高耐候性和阻隔性，ECTFE的阻隔性比其它氟塑料更好。從這兩個方面而言，在商品化的背板中ECTFE是最好的耐候層的材料。

1.2.5 PTFE（聚四氟乙烯）、FEVE（氟乙烯與乙烯基醚的共聚物）

這類背板多采用涂覆法制備，大部分此類背板由國內企業供應。由于前幾年太陽能電池背板需求旺盛，國外公司均不對中國供應氟塑料薄膜，所以國內開發了其它國家沒有的使用涂料的背板。該類背板的設計思路是使用氟碳涂料涂布到PET薄膜上以替代氟塑料薄膜［3］。

由于涂覆型背板在實際的使用中面臨許多問題，如涂覆PET表面后涂料層易形成針孔，影響水汽阻隔率；涂層之間容易形成反粘；與PET的粘結強度不夠；多層涂布遇到的層間附著問題；涂層開裂等問題，所以市場內依然以復合型背板為主。

1.3 PET背板

此類背板多采用經過特殊處理的PET，多層復合而成，多見于日本公司。

1.4 其他類型背板

如PE系列，許多國內小廠采用PE作為背板材質，用在小的組件之上，生產燈具等。

各個氟塑料薄膜對水汽的阻隔能力不同，其中以ECTFE為最優。使用同樣厚度為100μm的膜，在40℃、95％的濕度下，PVF的水汽透過率超過10～20g/d·m2，PVDF的水汽透過率為2g左右，而常用的PET不超過10g。當氟塑料薄膜和PET薄膜復合成背板后，多數供應商都聲稱其背板的水汽阻隔性能小于2g。表1為各種氟材料的特性［4］。

表1 各種氟材料特性

2 國內外現狀

目前國外最大的光伏電池背板供應商Isovolta大部分產品為PVF與PET的復合體，同時也提供非PVF與增加鋁層的產品。其他的背板供應商，如美國盾膜、德國August Krempel Soehne、韓國SFC、日本Toppan等較大的光伏電池背板供應商，也都是供應以杜邦Tedler為基材的產品。由于其他能夠取代Tedler的材料較少，所以目前眾多的組件廠依然主流選擇使用以杜邦Tedler為基材的背板產品。

雖然大部分背板生產商都希望使用Tedler，但是由于杜邦公司的Tedler供應有限，所以一些背板生產廠開始致力于開發新的不含Tedler的背板材料，不僅能夠降低背板的價格，同時也減少對于Tedler的依賴。德國的bayer材料科學集團采用聚碳酸酯的混合物來作為背板材料；美國的Biosolar Inc.則是采用菎麻子來作為光伏電池背板材料；日本一些公司采用經過特殊處理的三層PET復合制造光伏電池背板。

國內的企業中，臺虹采用杜邦Tedler基材料生產背板，而其他采用復合法制備背板的企業則因為杜邦Tedler供應緊張而采用Arkema等公司生產的PVDF或者其他的含氟材料，如江蘇匯通、蘇州賽伍。

由于復合法制備光伏電池背板的限制，國內一些企業采用涂覆法生產光伏電池背板，取得了一定的成果。涂覆型背板多采用氟碳涂料，涂覆于PET之上，形成氟層，由于氟碳涂料優越的性能，使得涂覆型的光伏電池背板同樣具有較好的抗環境老化的效果。國內的蘇州中來、杭州帆度、哈氟龍、聯合新材、福斯特等公司皆采用涂覆法制備光伏電池背板，無論復合法制備光伏電池背板所采用的氟膜，還是涂覆法制備光伏電池背板所使用的氟碳涂料，國內企業大多從國外進口，價格高且供貨不穩。尤其是國外企業的專利技術制約，使得國內沒有相關的替代產品，不得不受到國外氟化工企業的制約。

3 背板測試

一款合格的背板需要具有與EVA良好的粘接性，電氣絕緣性，防水防濕，耐候性等功能，涉及到的相關測試有：剝離強度測試、水汽透過率測試、熱收縮率測試、絕緣測試、擊穿電壓測試、最大系統電壓測試、耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環測試等。

剝離強度拉力測試主要由電子拉力機來進行測試，而熱收縮率則是在真空烘箱內進行，主要是測定背板的力學性能。

水蒸汽滲透率是衡量背板性能好壞的重要指標之一，根據ASTM D-1249-2006標準測定。若背板阻隔水蒸汽滲透的性能不良，則空氣中的濕氣（尤其是陰雨天濕氣更大）會透過背板進入到內側，水蒸汽的滲透會影響到EVA的粘結性能，導致背板與EVA脫離，進而使更多濕氣直接接觸電池片而使電池片被氧化。其測試原理為將試驗薄膜隔成兩個獨立的氣流系統，一側為具有穩定相對濕度的氮氣流，并隨著干燥的氮氣流流向紅外檢定傳感器，測量出氮氣中水蒸氣透過率。紅外線檢定法在整個實驗過程中全自動測定，不破壞擴散和滲透的平衡，結果準確可靠，同時由于紅外檢定法檢測傳感器的高靈敏度，因而可以在短時間內測量高阻隔性的材料［5］。

耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環測試在紫外光加速老化試驗箱與恒溫恒濕老化箱中進行實驗，是評判光伏電池背板老化性能的重要指標。背板不僅起到阻隔水汽的作用，還要在自然環境內保證自身的耐候性。由于背板的結構為多層復合，所以在自然環境中經過長時間的使用后，保持其各層性能與粘結層效果十分重要。依據IEC標準，進行紫外老化、雙85、濕凍等試驗，測試光伏電池背板的老化性能。

絕緣測試、擊穿電壓測試、最大系統電壓測試、是針對光伏電池背板的電性能作出的專業測試，主要采用介電擊穿電壓測試儀、絕緣測試儀、電壓測試機等儀器進行測試，根據ASTM與IEC標準來衡量其數據指標是否達標。

表2 光伏電池背板性能參數

4 小結

目前國外的光伏電池背板企業占據了市場的大部分份額，作為國產背板來講，提高自身產品的科技含量與核心競爭力依然是擺在當前急需解決的問題。全球生產背板的企業日益增多，同時許多塑料相關行業的企業也計劃投入到光伏背板行業，未來2～3年將會有更多的企業投產背板，背板產品的競爭將會越來越激烈，因此PVF或其他含氟薄膜的國產化至關重要。

［1］Czanderna A W，Pern F J.Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant：a critical review［J］.Solar Energy Materials＆Solar Cells，1995，43（2）：101-181.

［2］Oreski G，Wallner G M.Delamination behaviour of multi-layer films for PV encapsulation［J］.Solar Energy Materials＆Solar Cells，2005，89（2-3）：139-151.

［3］溫建軍，劉皎彥.太陽電池組件封裝用國產材料與進口材料的差距及替代的可能性［A］.21世紀太陽能新技術--2003年中國太陽能學會學術年會論文集［C］.2003，335-337.

［4］吳君毅.PVDF樹脂在太陽能電池模組背板上的應用［J］，有機氟工業，2009，（4）：32-34.

［5］朱必林.論析太陽能電池背板水蒸汽阻隔性能測試儀器的應用［J］.科技風，2010，（7）：135-136.