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【技术】氟碳涂料在光伏电池背板中的应用

汉水狂客
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  太阳能光伏组件主要由玻璃盖板、热熔胶胶膜(EVA)、电池片、背板、接线盒和边框等组成。由于背板对电池片起支撑和保护作用,且背板作为直接与外界自然环境大面积接触的封装材料,其性能的好坏直接决定了光伏组件的发电效率和使用寿命,背板必须具备优异的绝缘性、水汽阻隔性和耐候性等,因此背板生产及测试技术的发展进步对太阳能光伏组件的影响将十分重要。

  现有的背板主要是以PET为基板,在其单面或双面复合或涂覆具有功能性的氟材料,从而使背板具有良好阻隔、耐候及绝缘性能,不同背板类型其功能性差异较大,因此选择价格合理、质量性能优良的背板对组件厂商生产合格、性能优良的太阳能光伏组件就显得尤为关键。图1给出不同类型背板市场应用变化趋势。

  图1 全球太阳电池背板份额占比变化趋势图(含氟PK非氟)

  从图1中可看出,随着太阳能电池背板技术的发展,2013年全球含氟背板和非氟背板的比例达到8:2,2014年预计将达到9:1,氟材料背板应用占比将越来越大。氟材料中由于氟元素电负性大,碳氟键之间的键能非常强,加之氟材料结构中分子排列紧密、刚硬、平滑,使氟材料表现优异的耐候、耐热、耐温及耐化学品等性能,可满足组件在户外长期使用的要求,是目前市场上背板中重要的支撑材料之一。

  1、含氟复合型背板

  含氟复合型背板现主要含TPT、KPK、TPE和KPE这四种类型。含氟复合型背板是在背板的单面(TPE和KPE)或双面(TPT和KPK)复合氟膜,属于第一代背板。因成本压力,自2008年后,TPT、KPK内层用PE\EVA等非氟材料替代,制成单面含氟复膜背板,称之为TPE和KPE,该类型背板受光面为不含氟膜,用其他烯烃聚合物或PE、EVA等材料替代,由于光照面无含氟材料进行保护,组件在使用过程中很容易在紫外等环境下使PE、EVA分解,组件背板进行加速UV老化测试,并通过金相显微镜观察发现KPE/TPE内层E层有明显的微裂纹(图2),组件背板很快出现变黄、脆化等老化现象,严重影响组件的长期发电效率,虽然单面含氟背板具有成本上的优势,但由于其自身固有的缺陷,其很难适合组件封装长期需要。

  图2 KPE/TPE内层E层加速UV60Kwh老化后金相显微镜照片(×500)

  另外,该类型双面复合型背板由于其氟膜制造成本较高,且目前仍受少数国外企业市场垄断,加之单面和双面含氟复膜都存在复膜与PET基板或EVA之间的粘结问题,复膜层与PET之间是通过胶粘剂实现粘结,由于胶粘剂与PET和PVF(或PVDF)间的浸润性不同,且当前胶黏剂固化均是通过整卷熟化方式,存在较大不确定性,因此长期使用出现分层现象的风险较大,给下游厂家造成了巨大的成本压力和技术瓶颈,影响组件长期可靠性。基于此,复合型背板技术正在被其他新技术所取代。

  2、不含氟背板

  2011-2013年的背板材料选择迫于成本压力,出现以强化PET取代TPE\KPE外层耐候氟膜的背板,强化PET采用在PET表面修饰、添加助剂或者其他改性的方法来改善PET的耐UV性能,但由于PET分子链中含有大量的酯基,其与水直接接触易产生水增塑,导致PET分子链降解,同时PET在直接应用中结晶度会增加,使材料变脆,抗冲击强度降低。另外,在湿气环境下,温度升高、紫外辐射和热循环作用下PET分解更加迅速,PET物理机械性能急剧下降。因此基于PET材料自身的缺陷,不含氟背板并不能满足复杂自然环境下组件应用要求。试验样品PET在65℃*65%RH条件下用SUV氙灯辐照60Kwh后,对其进行500倍金相显微镜拍摄照片,结果见图4,从图4中可见UV强化PET表面出现严重开裂现象。其次该类型背板复合技术采用PET与PET复合和PET与PE\EVA复合,是属于刚-刚复合和刚-柔复合两种类型,在界面上形成缺陷要大于单一的刚-柔复合方式,从图3背板横截面的扫面电镜图片中可以明显看出PET与PET复合的刚-刚复合界面缺陷明显大于PET与PE\EVA复合的刚-柔复合界面。因此,该类型背板长期使用可靠性还存在较大风险。

  图3 复合型背板横截面扫描电镜图

  图4 PET加速UV60Kwh老化后金相显微镜照片(×500)

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