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嘉峪檢測網 2022-11-10 02:08
光伏背板是位于光伏組件背面，對電池片起保護和支撐作用的重要材料，其性能好壞對光伏組件的性能以及使用壽命影響很大。為了保證光伏組件長期可靠性和耐久性，背板應具備卓越的耐候性、電氣絕緣性、水蒸氣阻隔性等。
從20世紀80年代光伏組件的封裝結構定型以來，以杜邦公司的“Tedlar”聚氟乙烯薄膜（PVF）和PET經過復合成型的PVF／PET／PVF（簡稱TPT）背板成為光伏背板的首選。
由于PVF薄膜供應限制，3M、阿科瑪、蘇威等公司開發出了替代產品，如聚偏氟乙烯膜（PVDF）。
但是以其他氟膜制備的復合型含氟背板與TPT背板類似，基本都是由氟膜／膠粘劑／PET／膠粘劑／氟膜5層結構，其中膠粘劑和PET由于自身分子構成的原因，常常存在耐濕熱老化、耐紫外老化性能差的缺點，成為背板的薄弱環節，導致背板在使用時發生脫層、氣泡，從而導致電池片脫落、移位，電池有效輸出功率下降，嚴重時甚至導致組件發生火災。
針對以上問題，我國研究人員開展了用氟涂料制備涂覆型含氟背板的研究，中來、樂凱等公司都有相關產品面市。
由于涂覆型含氟背板面市時間還很短，其對復合型含氟背板在實際使用中的替代性特別是關鍵性能耐候性的對比研究較少，雖然有將紫外與濕熱老化進行結合的實驗室快速對比方法報道，但是其并未對背板材料進行明確說明，供業內直接參考的可能性較小。
本研究采用光伏行業常用的紫外、濕熱、HAST實驗，著重對自制涂覆型含氟背板（背板A）、市售復合型TPT含氟背板（背板B）、市售涂覆型含氟背板（背板C）的耐候性進行對比研究。
實驗部分
01 背板樣品
實驗用背板樣品情況見表1。
表1 實驗用背板樣品
02 主要儀器設備
紫外光老化試驗機（LRHS－UVN），上海林頻儀器股份有限公司；紫外輻照計（UVMETEr），德國WAldMANN公司；濕熱老化試驗箱（DN－54），百年測試設備（東莞）有限公司；高加速濕熱試驗機（PC－422R8），日本HIrAYAMA公司；臺式色差計（SC－80C），北京康光儀器有限公司；電子掃描顯微鏡（ΣIGMAHV－01－043），德國CArlZEISSSMT。
03 測試方法
01 濕熱老化實驗
根據IEC61215中10.13的要求，溫度（85±2）℃、相對濕度（85±5）%。
02 紫外老化實驗
根據IEC61215中10.10的要求，溫度（60±5）℃，波長280～385NM的輻照量≥15KWH／M2，其中，波長280～320NM的輻照量≥5KWH／M2。
03 高加速濕熱試驗（HAST）
溫度120℃，相對濕度RH100％。
04 掃描電鏡測試
截面樣品的制樣方法為切割，斷面噴金150S；掃秒加速電壓為20KV。表面樣品直接在表面噴金150S；掃秒加速電壓為30KV。
05 層間附著力測試
按ASTMD3359—08規定進行，在百格刀劃格后，再用3M600測試膠帶進行粘貼測試，根據涂層剝離程度進行等級判斷。
結果與討論
01 紫外老化后背板性能變化
1）黃變指數
一般來說，黃變指數變化值ΔYI越大，說明材料耐環境老化性能越差。紫外后背板黃變指數變化見表2。
表2 紫外老化后背板黃變指數變化
從表2可以看出，經過紫外光輻照，背板A的ΔYI（0.47）最小，背板C的ΔYI最大（4.37），并且超過3。背板A和背板C的黃變指數在老化后變大，背板B反之（與濕熱老化后現象一致，下文一同分析）。
2）層間附著力
根據GB／T31034—2014，復合型背板的層間附著力采用GB／T2790—1995，而涂覆型背板采用GB／T9286—1998。在本研究中，為了直觀地將復合型背板和涂覆型背板進行對比，采用ASTMD3359—08標準。紫外老化后，背板的層間附著力變化見表3。
表3 紫外老化后背板層間附著力變化
可以看出，經紫外老化后，3種背板的層間附著力都沒有明顯變化。
3）微觀結構
圖1為紫外老化前后背板表面的SEM圖。
從圖中可以看出，經過紫外老化后，背板A表面變化不大，背板B表面顆粒變多、粒徑增大，背板C表面凹坑變多。
這可能是背板A采用的FEVE樹脂，是氟烯烴和烷基乙烯基醚共聚得到的氟碳樹脂，其C—F鍵能很強，而且氟碳樹脂結構交替，氟乙烯結構單元保護了易氧化的乙烯基結構單元，因此，背板A的耐紫外老化性能優異。
背板B的PVF膜在拉伸工藝中，使用較多的助劑，經紫外老化后，助劑發生分解、揮發等改變，造成氟膜收縮、表面塌陷，導致膜中的顏填料等顆粒凸出膜面。
背板C所用的FEVE樹脂可能氟原子含量較少，樹脂結構不夠規整，導致其比背板A更易遭紫外光破壞。
02 濕熱老化后背板性能變化
1）黃變指數
背板黃變指數變化值ΔYI隨濕熱老化時間的變化見圖2。
圖2 背板黃變指數變化值ΔYI隨濕熱老化時間的變化圖
從圖2可以看出，背板A、背板C的ΔYI隨著濕熱時間延長而增大。背板B隨著時間延長而減小。
這和張曉東等的研究一致，他們認為是濕熱環境應力促使TPT背板中的TIO2向表面遷移析出，導致背板黃變指數降低，而TIO2的遷移析出速度先大后小，導致黃變指數變化值也是先大后小。
我們認為，背板B中包裹TIO2的氟膜發生了收縮、粉化及部分脫落等變化，導致TIO2等顆粒狀的無機顏填料大量裸露，而TIO2的白度很高，從而使YI比老化前更小（紫外老化后的現象一致）。
ΔYI隨著濕熱老化的進行逐漸減小的原因，可能是氟膜的收縮、粉化脫落等進程先快后慢，隨著時間延長，樹脂YI增大，導致整體ΔYI減小。
濕熱1000H時，背板A的ΔYI最小（2.25），背板C次之（3.4）、背板B最大（3.8）。2000H時，背板C最大（5.89），背板B次之（3.5），背板A最小（3.12）。在2000H內，背板A的耐濕熱老化黃變性能優于背板B、背板C。
2）層間附著力
在濕熱老化1000H及2000H后，背板的層間附著力見表4。
表4 濕熱老化前后背板層間附著力變化
從表4中可以看出，濕熱1000H，背板A、背板C的層間附著力仍為5B，背板B則降至1B。
濕熱2000H，背板A仍為5B，背板C劃格邊緣有些許脫落，附著力降至4B，背板B脫落面積很大，附著力降至0B。這主要是背板B的膠粘層經濕熱老化后，附著力降低明顯，這也正是復合型含氟背板的弊病之一。
3）微觀結構
圖3為濕熱老化2000H，背板表面的SEM圖。
對比圖3（A）和圖1（A），濕熱老化2000H，背板A表面變化不大。對比圖3（B）和圖1（C），背板B表面顆粒增多、平整度大大下降。
這可能是背板B中的助劑發生揮發、流失、分解等變化，造成氟膜收縮、表面塌陷，導致膜中的顏填料等顆粒凸出膜面。對比圖3（C）、圖1（E）、圖1（F），可以看出背板C對紫外光更敏感，而溫濕度對其的影響稍弱。
無論是復合型還是涂覆型含氟背板，表層氟樹脂耐候性都比較強，背板耐候的薄弱部分主要是PET以及PET和含氟層的結合層（復合型）。因此又考察了老化后背板截面微觀變化（見圖4）。
對比圖4（A）、圖4（B）、圖4（C）、圖4（d），濕熱2000H，背板A的含氟層-PET-含氟層結構緊密，含氟層結構致密、顆粒分散均勻，PET層沒有出現脆裂等情況。
對比圖4（E）、圖4（F）、圖4（G）、圖4（H），老化后背板B含氟層出現明顯脫層，PET發生脆裂，含氟層內部出現很多孔隙。對比圖4（I）、圖4（J）、圖4（K）、圖4（l），背板C在濕熱后，雖然含氟層變化不明顯，也沒有發生明顯脫層，但是PET也出現脆裂，這主要是PET在濕熱老化條件下發生水解。
03 HAST后背板性能變化
1）黃變指數
HAST前后背板的黃變指數變化見表5。
表5 HAST 48H背板黃變指數變化
從上表可以看出，背板A的耐黃變性能最好，背板C的最差。背板B的黃變指數也在HAST后的變小，和紫外、濕熱老化實驗中的規律一致。
2）層間附著力
HAST前后背板層間附著力變化見表6。
表6 HAST 48H背板層間附著力變化
從表6可以看出，HAST48H后，背板層間附著力都有下降，其中背板A和背板C下降較少，背板B下降最大，而且背板B的PET層有明顯粉化現象。HAST比雙85濕熱更苛刻，因此對PET的水解進一步增強，背板性能降低也更明顯。
3）微觀結構
圖5為HAST48H背板表面和截面SEM圖。
對比圖5（A）和圖1（A）、圖5（B）和圖1（C）、圖5（C）和圖1（E），3種背板在HAST后表面顆粒增多，其中背板B和背板C顆粒明顯增多，背板C的表面有明顯凹坑。
對比圖5（A）和圖4（A），圖5（B）和圖4（E），圖5（C）和圖4（I），3種背板在HAST后，PET都出現了脆裂，背板B還出現了明顯脫層。
01 紫外老化后，背板的層間附著力基本無變化；背板A的ΔYI最小，背板C最大；SEM表明，背板B表面顆粒數量增多、粒徑增大，背板C表面出現凹坑。
02 背板A、背板C的ΔYI隨濕熱時間延長而增大，背板B反之；在2000H內，背板A的耐濕熱黃變性能優于背板B、背板C。SEM表明，背板B表面顆粒增多，含氟層和PET出現脫層，PET發生脆裂。背板C的PET也出現脆裂。
03 HAST48H，背板A的耐黃變性能最好，背板C最差。層間附著力背板A和背板C下降較少，背板B下降最大，而且背板B的PET層有明顯脆裂粉化現象。SEM表明背板B顆粒數量明顯增多、明顯脫層，背板C表面出現顆粒、氣孔。3種背板PET層都出現了脆裂。
來源：含氟光伏背板耐候性研究
