太陽能電池組件用PVDF薄膜背板材料可靠性研究

王坤 王會曉

（英利能源（中國）有限公司 河北省保定市 071051）

近年來，我國光伏發電行業發展迅速，裝機容量不斷擴大。光伏背板廣泛應用于太陽能電池組件，位于組件背面，在戶外環境下保護太陽能電池組件不受水汽侵蝕、阻礙氧化防止組件內部氧化，具有絕緣性，阻水性，耐老化型，耐高溫性，耐腐蝕性。此外，背板內層可以反射陽光，提升組件轉換效率[1]。為了良好耐候性，背板外層材料為含氟材料。光伏組件背板用保護膜首先由PVF(聚氟乙烯)薄膜推廣應用而成功，在市場競爭的驅動下，眾多生產企業先后開發出PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜、PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）薄膜、ECTFE(聚乙烯-三氟氯乙烯共聚物)薄膜、ETFE(聚乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜等用于PVF 薄膜的替代品。在性能、價格、可獲取性等多重因素和市場長期檢驗的影響下，PVDF 薄膜已成為市場主流。

近年來，在光伏平價上網的大趨勢下，降低組件成本促進了國產氟膜的發展。PVDF 氟膜生產廠家逐漸增多，產品質量良莠不齊。作為需要使用25年的長久性光伏電站，要獲得良好收益，電站安全、可靠、長久性運行是首要前提，背板性能起著至關重要的作用。為了研究背板在不同環境下的性能表現，曾湘安等[2]將四種不同類型背板置于濕熱氣候環境下，對比背板的性能表現確定其性能優劣。Yu-tai Li 等[3]通過加速試驗與紫外試驗、紫外試驗與濕熱試驗相結合的方法，研究了環境因素疊加對不同背板性能的影響。G. Oreski等[4]研究了共擠型背板在濕熱環境下的性能表現。夏文進等[5]研究了含氟復合型背板、不含氟背板、含氟涂覆型背板在紫外、加速、濕熱等條件下的性能表現。研究文獻中，對于背板整體性研究較多，但缺乏對不同氟膜的性能對比。本文從背板氟膜性能角度考慮，通過紫外與高低溫環境試驗，對比不同氟膜性能差異，為背板選型及應用提供數據基礎。

1 實驗部分

1.1 樣品制作

本次試驗選擇PVDF 薄膜復合型背板（KPC 結構），結構分為五層，核心3 層。外層為PVDF 薄膜，中間層為改性PET 材料，內層為改性的含氟涂層材料。

選擇2 個背板廠家6 種不同型號背板樣品，其中S1/S2/S3/S4為同一廠家同型號背板，僅PVDF 氟膜來源于4 個供應商（供應商A/B/C/D）。S5/S6 為另一廠家背板，PVDF 氟膜來源于供應商A/供應商B。所用背板中間PET 厚度為250μm±10μm，PVDF 氟膜厚度18μm±2μm。

表1：實驗樣品信息

圖1：S3 樣品實驗后的10x 顯微鏡照片、共聚焦圖片

圖2：S4 樣品實驗后10 倍下顯微鏡照片、共聚焦圖片

圖3：6 種背板樣品橫向斷裂伸長率

匹配相同的電池片、焊帶、EVA、玻璃，按照正常的生產工藝，制成27cm×50cm 的小組件，每種匹配制作組件2 塊，具體樣品類型見表1。

1.2 測試儀器及試驗方法

本文試驗采用金盾KD-UV01-2224-YL 紫外試驗箱以及科名KMH-7187S 環境老化試驗箱進行紫外及高低溫環境試驗，試驗結果通過VK-9710K 共聚焦顯微鏡進行微觀測量。本次試驗樣品均進行如下試驗：試驗一，6 種樣品均先進行紫外光（UVA+UVB）60KW?h/m2處理，然后進行高低溫度循環200 次試驗。試驗二：6種樣品進行兩個循環的高低溫度循環200 次（TC200）測試，環境試驗箱條件為-40℃～85℃[6]。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

試驗1：紫外60KWh 測試后，所有樣品組件背板外觀良好，無黃變、開裂、脫層等不良。再繼續進行TC200 測試后，S3 與S4出現表面細小裂紋，其他背板外觀良好。通過對裂紋位置及程度進行觀察，所有裂紋均出現在焊帶位置。

試驗2：高低溫度循環200 次測試后，所有樣品組件背板外觀良好。繼續第二個溫度循環200 次測試后，與試驗一結果相同，S3與S4 樣品組件背板氟膜表面出現細小裂紋。

從問題背板開裂位置取小樣，使用共聚焦顯微鏡進行觀察，結果顯示：S3 表面裂紋深度6μm-9μm，PVDF 氟膜未全部開裂，僅表面出現開裂現象，測試結果如圖1 所示。S4 表面裂紋深度18μm -20μm，基本貫穿整個氟膜厚度，測試結果如圖2 所示。

2.2 結果與討論

PVDF 氟膜原料主要為添加劑、鈦白粉、氟樹脂、膠水、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等，PMMA 作為增塑劑可以提高其熔融狀態下成膜性。但有研究表明隨著Ti02 含量的變化，其對Ti02/PVDF 共混膜的流動性能、結晶性能、力學性能、親水性能等都有影響；而隨著PMMA 的含量變化，PMMA 的加入對PMMA/PVDF共混膜的流動性能、加工性能、結晶能力、力學性能等都有較大影響[7]。

PVDF 成膜工藝主要有流延法、吹膜法，流延膜是通過熔體流涎驟冷生產的一種無拉伸、非定向的平擠薄膜，而吹塑膜是有取向的，通過控制速度、擠出量、壓力控制氟層厚度及寬幅。PVDF 成膜過程由于橫向沒有壓力，導致PVDF 氟膜橫向斷裂伸長率低，且紫外老化和溫度循環老化后性能會進一步下降變脆。焊帶本身金屬材料，在高低溫條件下，其熱膨脹對背板氟膜產生較強的機械應力作用，因此裂紋多發生在焊帶位置，且沿縱向開裂。

力學性能方面，對6 種背板樣品進行力學性能測試，分別對初始樣品、TC200 后、TC400 后背板樣品進行橫向、縱向斷裂伸長率測試，結果如圖3 所示。由此實驗結果可以看出：6 種背板材料性能無明顯差異。由于背板的力學性能主要受PET 材料性能影響，氟膜性能對其橫向斷裂伸長率測試結果影響甚微。因此，背板材料的斷裂伸長率無法反映出氟膜性能的優劣，還需要綜合性的老化試驗進行評估。

3 結論

本文從通過對6 種不同型號背板進行紫外及高低溫循環試驗測試，對PVDF 氟膜復合型背板的可靠性進行了研究分析，得出以下結論：

（1）經過紫外和高低溫循環測試后，S3 及S4 兩種型號背板出現不同程度的氟膜開裂問題，開裂深度貫穿或未貫穿整個氟膜，開裂均位于焊帶位置，沿焊帶方向延伸，與高低溫試驗環境下焊帶對背板氟膜產生較強的機械應力作用有關。

（2）背板為復合型材料，其機械性能受PET 等材料影響較大，對背板材料的力學性能測試，并不能充分反映出氟膜性能的優劣。

（3）經過紫外處理后的組件試樣再經過高低溫循環測試，與雙倍的高低溫循環測試結果一致，通過設計綜合的環境老化試驗，可以更為有效反饋背板性能。