你真的了解PVDF薄膜吗?

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  太阳能取之不尽用之不竭,作为最重要的清洁能源太阳能越来越受到人们的重视。随着光伏平价上网脚步的日益临近,产业链各个环节都有着降本提效的巨大压力,作为太阳能组件最重要的封装材料-太阳能电池背板也面临巨大压力。目前市场上的太阳能电池背板种类繁多,设计寿命一般为25年,满足组件生命周期的使用需求。从总体上来说,背板主要分为复合、涂覆及其他三种类型。

  复合型太阳能电池背板以中间层PET聚酯薄膜为基础在内外侧通过胶黏剂贴合含氟薄膜制得(部分厂家为降低成本内层也会选用非氟E层),所用含氟薄膜主要分为两大类,一类是PVF薄膜(简称T膜),又名聚氟乙烯薄膜,另一类是PVDF薄膜(简称K膜),即聚偏氟乙烯薄膜。涂覆型太阳能电池背板也是以中间层PET聚酯薄膜为基础在内外层涂覆含氟树脂涂料制得,其无需胶黏剂与复合型背板相比具有生产周期短、性价比高等特点。其他类型的背板主要是以聚酰胺(俗称尼龙)为材料通过共挤工艺制得。背板内外层材料选择使用含氟薄膜或含氟树脂涂层业内已有共识,但并不是所有氟材料都有长期的户外实际使用经验,目前经过25年以上户外实际验证的氟材料只有美国杜邦公司的Tedlar? PVF含氟薄膜以及日本大金公司的Zeffle四氟树脂。PVDF薄膜虽然也是含氟材料,但户外实际应用年限较短,且目前能批量生产PVDF薄膜厂家的产品性能表现参差不齐,主要表现为结构、厚度、配方不同以及其原材料PVDF和亚克力来源不同,使其在户外使用中存在较大不确定性。

  PVDF薄膜的由来

  在光伏行业起步的前些年,光伏背板材料端一直是杜邦的Tedlar? PVF薄膜(简称T膜)占据了市场的主流,各大终端、组件厂也是在这个时候认识了T膜这种材料,并且也在实际的产品中大规模应用。由于杜邦T膜的产能限制,相应背板产品满足不了市场快速扩张的需求,另外杜邦T膜产品售价较高,促使行业开始探索寻求一款低成本的含氟薄膜替代杜邦T膜,这就给了PVDF薄膜一个发展的良好窗口期,2009年左右,法国阿科玛公司开发了三层结构的Kynar? PVDF薄膜(简称K膜),并注册商标KPK?,其产品定价低于杜邦T膜产品,产能也快速扩张,业内客户逐渐接受并开始采用此K膜产品,但由于三层结构的PVDF制作工艺较为复杂,成本仍然高于市场预期,于是工艺更为简单的单层PVDF薄膜应需而生,同样简称为K膜,成本随工艺简化大幅降低,受市场扩张及低成本需求影响,韩国,日本地区几家公司迅速加入到单层K膜的生产行列并占领了部分细分市场。时间来到2014年,中国部分企业察觉商机也纷纷加入到单层K膜生产行列,以更低的价格博取市场的青睐,但由于质量还无法达到进口K膜水平,迟迟未被市场普遍接受,仅受限应用于小型项目或冒充进口K膜被采用。截止2016年底K膜类复合背板整体市占率接近50%,凭借低廉的价格K膜也成为重要的背板复合材料之一。

  PVDF薄膜的配方及工艺

  PVDF是目前使用量第二大的氟塑料,PVDF颗粒自身难以成膜,如若要把PVDF颗粒制成薄膜必须添加其他材料—30%左右的聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA,俗称亚克力)作为增塑剂以提高其成膜性,加入PMMA后的PVDF在熔融状态下更容易成膜。关于PVDF薄膜的成膜工艺市场上以吹膜和流延两种成型工艺为主,这两种工艺在食品、药品、日用品等包装材料上有较为成熟的生产经验,因此操作难度与工艺控制相对简单。

  PVDF薄膜的性能隐患

  1.断裂伸长率

  PVDF中加入大量PMMA后会影响薄膜的抗老化性能,主要表现为断裂伸长率低,一般低于30%。为了弥补这个缺陷,个别厂家在配方中添加弹性体以达到更高的测试结果。通过这两种成型工艺制备的薄膜在纵向有不同程度的拉伸,但在横向的拉伸都很弱或甚至没有拉伸,造成薄膜横向机械性能均较差,这也是目前为止PVDF薄膜从根本上较难解决的问题,面临着巨大的开裂风险。如下图1、图2摘自杜邦(中国)研发中心论文《光伏背板加速老化测试方法研究及相关国内外标准进展》。

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  图1:PVDF薄膜湿热老化前后机械性能变化

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  图2:户外使用4年的PVDF背板外层开裂形貌

2.结构与厚度

  法国阿科玛公司研发生产的三层K膜产品标称厚度为30um, 韩国和日本为主进口的单层K膜产品标称厚度为25um, 随着市场降本需求日趋激烈,K膜厂家纷纷降低产品厚度,三层K膜降至25um,单层K膜降至20um, 有个别厂家甚至降至15-18um。结构和厚度的变化差异势必会导致PVDF薄膜本身性能不稳定和在太阳能电池组件端应用的一系列问题, 同样到背板生产复合端也会出现K膜开裂和针孔等一系列生产问题。

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  图3:不同供应商生产PVDF氟膜结构和厚度

  3.配方

  从图3可以看出不同厂家在PVDF薄膜结构上有不同的厚度,层数,材料用量,但是统一的是都加了大量的亚克力。常规K膜配方采用70%PVDF加30%亚克力,PVDF远远高于亚克力的价格, 除采取减薄降本之外,减少PVDF含量并相应增加亚克力含量也是隐形降本方法之一,使用方不会每批次检测成分,从而不易察觉。据某权威结构检测,某些K膜厂家配方比例已经实际变为各50%含量,亚克力含量超过30%后,K膜的耐候性能会大幅降低,K膜的耐候性能要求PCT等级达到96小时以上,而很多K膜的实际耐候等级已经降至PCT 72小时以下,更有甚者达不到PCT 48小时。迫于价格下行压力,K膜厂商势必进一步调整配方比例并更换PVDF与亚克力供应商,寻求更低成本的原材料来源。

  结语:

  2016年以来随着光伏行业成本下行压力,PVDF薄膜国产化呼声越来越强烈,国内部分一线组件大厂已经开始把国产PVDF薄膜录入合格供应商BOM, 但仍有质量要求较为严格的部分一线组件大厂坚持使用进口PVDF薄膜,并愿意付出稍高的成本(进口与国内PVDF薄膜价差在1元/平米左右)坚守质量底限。光伏市场瞬息万变,唯一不变的是业内同仁对降低度电成本的不懈努力。如今PVDF薄膜随着结构、厚度和配方的不断变化已然不是之前的PVDF薄膜,唯一保留的也就是PVDF薄膜的名称而已,质量一降再降的PVDF薄膜如何应对25年要求不变的质保期?度电成本的测算以及电站投资收益也逐渐停留在草稿上难以实际兑现。对于光伏电站投资者而言,测算项目收益的前提是选择最能保障其项目投资收益率的材料,安全可靠基础上的降本才是真降本,优选具有长期户外实证并坚持品质不变的材料才是电站投资回报的最大保证。


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