背板材料關鍵性能分析

光伏晶硅組件中的背板作為保護電池片和封裝材料的直接屏障,對組件的安全性、長期可靠性和耐久性起著至關重要的作用。要達到保護的目的,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。
摩爾光伏     2017-6-16 10:39:10

光伏晶硅組件中的背板作為保護電池片和封裝材料的直接屏障,對組件的安全性、長期可靠性和耐久性起著至關重要的作用。要達到保護的目的,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。

而實現這些關鍵性能,與背板材料密不可分。

自20世紀八十年代NASA晶硅組件研究項目完成以來,玻璃前板+EVA+雙面Tedlar®PVF薄膜復合背板的經典光伏組件封裝結構經過了各類氣候條件的實踐檢驗,并被沿用至今。其中,特能®(Tedlar®)PVF薄膜作為唯一具有30年以上廣泛戶外實績驗證的背板材料也已被系統開發商、金融保險等投融資機構認可,能夠為光伏組件提供長期可靠保護,確保投資回報。

完美材料需結合自身優勢與獨特加工工藝

由雙面Tedlar®PVF薄膜組成的TPT背板(Tedlar®/PET聚酯薄膜/Tedlar®)已經成為了行業標桿,盡管市面上不斷有各種山寨品出現,但無一能超越其優異的產品性能。

那么問題來了,為什么是聚氟乙烯(PVF)薄膜?

首先,聚氟乙烯(PVF)薄膜采用雙向拉伸制造工藝,所制備的薄膜在橫向和縱向兩個方向都經過強化,機械性能均衡沒有弱點。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,這也是目前只有杜邦公司能夠生產的主要原因,從而保證了Tedlar®薄膜產品質量的可靠性和一致性。

相對而言,聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和流延兩種成型工藝。這兩種成型工藝制備的薄膜在縱向有不同程度的拉伸,但在橫向的拉伸都很弱或甚至沒有拉伸,造成薄膜橫向機械性能均較差。另外,PVDF自身難以成膜,必須添加其他材料—30%左右的PMMA(俗稱亞克力,固有脆性很強)作為增塑劑。添加亞克力之后容易造成PVDF薄膜橫向力學性能差的缺陷,主要表現為斷裂伸長率低,一般低于30%。

為了彌補這個缺陷,個別廠家在配方中添加彈性體,使得這類PVDF薄膜在力學性能測試時產生“藕斷絲連”般的效果,以達到更高的測試結果,但這樣的改性對實際的戶外耐老化性能毫無幫助。另外,由于PVDF薄膜加工難度和門檻相對較低,每家的工藝、配方和膜結構也有所差異,導致不同PVDF薄膜性能參差不齊。但很難從外觀或一般的成分分析區別不同的PVDF薄膜,因此監管難度大。

力學性能欠佳容易導致開裂,嚴重影響組件安全性

眾所周知,力學性能和耐候性是背板用氟膜最重要的性能,PVDF薄膜具有橫向斷裂伸長率低的缺陷,該問題已逐漸在測試和應用中暴露出來。雖然添加彈性體材料有助于PVDF薄膜在初始力學性能測試時由于拉絲效果顯示較高的斷裂伸長率,但是在輕微的老化測試后,所有PVDF薄膜橫向斷裂伸長率均低于10%,基本失去了高分子材料應有的韌性,極易開裂。而同樣測試條件下的PVF薄膜力學性能保持良好,仍然能維持60%以上的保持率(如圖1和圖2)。

 

圖1五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar®PVF薄膜在紫外500和1000小時紫外老化測試后的橫向斷裂伸長率比較(紫外測試條件:QUVA,1.25W/[email protected],65W/[email protected],70oCBPT)

圖2五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar®薄膜在濕熱老化500和1000小時后的橫向斷裂伸長率比較(濕熱測試條件:85oC,85%RH)

PVDF薄膜不僅在紫外和濕熱老化測試后橫向斷裂伸長率下降嚴重,在其他測試如PCT測試或耐溫測試后也出現了同樣的問題。大量研究文獻及報道表明,這些問題與PVDF薄膜在老化時易產生再結晶有關,導致其力學性能變差。

PVDF薄膜的橫向脆性導致其在戶外存在較高的開裂風險,一旦背板開裂代表絕緣性能失效,很容易引發漏電、電弧、火災等安全性事故,甚至導致人員與財產的損失。圖3是在北美地區戶外使用4年的PVDF背板形貌,平均開裂比例約57%,裂紋方向均沿縱向形成。

圖3戶外使用4年的PVDF背板外層開裂形貌

值得關注的是,目前除了在實際案例中發現大量PVDF薄膜背板開裂的現象外,在實驗室采用序列老化測試(AcceleratedSequentialTest)也已經可以模擬出PVDF薄膜及背板的開裂現象。研究發現,經過序列老化測試后,使用PVDF薄膜背板的小組件和大組件均出現微裂紋,且為縱向開裂,這在過去單一老化的測試中不會發現,然而在實際案例中卻已被證實,因此采用適當的序列老化測試能更好地模擬戶外老化的反應。

圖4使用PVDF背板的小組件(左)和全尺寸組件(右)在序列老化測試(DH1000+UV1000+TC200)后沿縱向開裂

耐熱、耐風沙、耐化學品,缺一不可

作為背板用氟膜,還需要有較好的耐風沙磨損、耐熱和耐化學品等性能。據了解,目前耐風沙磨損一般采用落砂試驗,測試標準參照ASTMD968(亦即GB/T23988-2009),測試時需注意沙子使用次數不得超過25次以控制測試誤差。

以0.25-0.65mm標準砂為例,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,即便如此,仍好于涂覆型背板常見的50L左右落砂量。

再看耐熱方面,PVF薄膜的軟化溫度點為190oC,而PVDF只有150oC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。

與此同時,PVDF薄膜在耐化學品測試方面也出現了問題,其在丙酮等溶劑浸泡試驗(ASTMD543)中易出現溶脹現象,而PVF薄膜不存在該現象,對各類化學品的抵抗性都很優異。

認清含氟量,以實際為準

近年來含氟量成為最容易引起爭議與討論的一個環節,有廠家稱PVDF含氟量59%,而PVF只有41%。然而,這句話正確理解的前提是單純比較100%的PVDF和PVF材料。

事實上,100%的PVDF不能成膜,市面上在售的PVDF薄膜都含有30%左右的亞克力增塑劑,成膜后的PVDF薄膜含氟量大幅降低。而以PVF制成的Tedlar®薄膜不含有其他樹脂成分,41%為實際含氟量。FEVE涂料也存在有易令人誤解的說法,聲稱含氟量超過70%,但這只是氟樹脂自身的含氟量,不包含非氟的交聯樹脂部分和其他添加劑,其實際含氟量低于20%。

水汽阻隔力:PET層才是關鍵

從背板應用來看,氟膜的水汽阻隔性能對背板整體的水汽阻隔能力貢獻很小。背板的水汽阻隔主要由PET提供,PET的阻水能力對背板的WVTR起決定作用。

圖5常見PVDF薄膜和Tedlar®PVF薄膜的水蒸氣透過率(測試條件:ASTMF1249,紅外法;38oC,100%RH)

當然,如果一定要比較氟膜之間的水汽透過率的話,也有很多實驗數據可以參考。圖5是幾種常見PVDF薄膜和PVF薄膜的WVTR值。從圖中可以看出,PVDF薄膜WVTR值在50~110之間,而兩款Tedlar®PVF薄膜只有35~50,顯著低于PVDF薄膜。

盡管以氟膜為主的背板已經被行業認可具有較優異的性能,但是此氟非彼氟,對于氟膜材料的認識、加工工藝的理解,以及在背板結構中扮演的關鍵角色,在行業內仍有許多誤解。通過各項測試方法與戶外案例顯示,PVF薄膜具有優異的耐候性、力學性能、耐熱、耐化學品、耐風沙磨損和水汽阻隔性能,產品一致性和穩定性好。基于特能®(Tedlar®)PVF薄膜的背板在各種氣候環境下都有超過25年的的實績驗證,而市面上一些其它背板材料在戶外短期內即出現了明顯的開裂、發黃、脫層等老化或失效現象,甚至產生組件功率加速衰減和安全隱患。

出現這些隱患的根源在于材料本身,通過測試及實際案例證明,PVDF薄膜存在本征橫向力學性能差的特點,在紫外、濕熱、PCT或低溫老化測試中也發現,其橫向斷裂伸長率可降到5%以下,大大提高了光伏組件在戶外使用開裂的風險。

對于光伏投資者來說,清楚了解材料之間的基本差異,并選擇最能保障其項目投資收益率的材料,才是降低風險的關鍵。

FR:光能雜志




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