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【科普帖】光伏组件背板材料关键性能分析

文章来源:pv-tech  2016-09-14

标签:光伏组件背板PVDFPVF

光伏晶硅组件中的背板作为保护电池片和封装材料的直接屏障,对组件的安全性、长期可靠性和耐久性起着至关重要的作用。要达到保护的目的,背板需具备良好的机械强度与韧性、耐候性、绝缘、水汽阻隔、耐腐蚀和耐风沙磨损等各种平衡的性能。

而实现这些关键性能,与背板材料密不可分。

自20世纪八十年代NASA晶硅组件研究项目完成以来,玻璃前板+EVA+双面Tedlar® PVF薄膜复合背板的经典光伏组件封装结构经过了各类气候条件的实践检验,并被沿用至今。

其中,特能® (Tedlar®) PVF薄膜作为唯一具有30年以上广泛户外实绩验证的背板材料也已被系统开发商、金融保险等投融资机构认可,能够为光伏组件提供长期可靠保护,确保投资回报。


完美材料需结合自身优势与独特加工工艺

由双面Tedlar® PVF薄膜组成的TPT背板 (Tedlar®/PET聚酯薄膜/Tedlar®)已经成为了行业标杆,尽管市面上不断有各种山寨品出现,但无一能超越其优异的产品性能。

那么问题来了,为什么是聚氟乙烯(PVF)薄膜?

首先,聚氟乙烯(PVF)薄膜采用双向拉伸制造工艺,所制备的薄膜在横向和纵向两个方向都经过强化,机械性能均衡没有弱点。

由于PVF薄膜加工温度和分解温度接近,要求极高的工艺控制,并且投资巨大,这也是目前只有杜邦公司能够生产的主要原因,从而保证了Tedlar® 薄膜产品质量的可靠性和一致性。

相对而言,聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和流延两种成型工艺。这两种成型工艺制备的薄膜在纵向方面有不同程度的拉伸,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。

另外,PVDF自身难以成膜,必须添加其他材料—不低于30%的PMMA,俗称亚克力,固有脆性很强。 添加亚克力之后容易造成PVDF薄膜横向力学性能差的缺陷,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,使得这类PVDF薄膜在力学性能测试时产生“藕断丝连”般的效果,以达到更高的测试结果,但对实际的户外耐老化性能毫无帮助。

另外,由于PVDF薄膜加工难度和门槛相对较低,每家的工艺、配方和膜结构也有所差异,导致不同PVDF薄膜性能参差不齐。但很难从外观或一般的成分分析区别不同的PVDF薄膜,因此监管难度大。

众所周知,力学性能和耐候性是背板用氟膜最重要的性能,PVDF薄膜具有横向断裂伸长率低的缺陷,该问题已逐渐在测试和应用中暴露出来。

虽然添加弹性体材料有助于PVDF薄膜在初始力学性能测试时由于拉丝效果显示较高的断裂伸长率,但是在轻微的老化测试后,所有PVDF薄膜横向断裂伸长率均低于10%,基本失去了高分子材料应有的韧性,极易开裂。

而同样测试条件下的PVF薄膜力学性能保持良好,仍然能维持60%以上的保持率(如图1和图2 )。

图1 五种不同PVDF薄膜与两种Tedlar® PVF薄膜在紫外500和1000小时紫外老化测试后的横向断裂伸长率比较(紫外测试条件:QUVA,1.25W/m2@340nm, 65W/m2 @ 300-400nm, 70oC BPT)

图2五种不同PVDF薄膜与两种Tedlar®薄膜在湿热老化500和1000小时后的横向断裂伸长率比较 (湿热测试条件:85oC, 85%RH)

PVDF薄膜不仅在紫外和湿热老化测试后横向断裂伸长率下降严重,在其他测试如PCT测试或耐温测试后也出现了同样的问题。

大量研究文献及报道表明,这些问题与PVDF薄膜在老化时易产生再结晶有关,导致其力学性能变差。

PVDF薄膜的横向脆性导致其在户外存在较高的开裂风险,一旦背板开裂代表绝缘性能失效,很容易引发漏电、电弧、火灾等安全性事故,甚至导致人员与财产的损失。

图3是在北美地区户外使用4年的PVDF背板形貌,平均开裂比例约57%,裂纹方向均沿纵向形成。

图3  户外使用4年的PVDF背板外层开裂形貌

值得关注的是,目前除了在实际案例中发现大量PVDF薄膜背板开裂的现象外,在实验室采用序列老化测试(Accelerated Sequential Test)也已经可以模拟出PVDF薄膜及背板的开裂现象。

研究发现,经过序列老化测试后,使用PVDF薄膜背板的小组件和大组件均出现微裂纹,且为纵向开裂,这在过去单一老化的测试中不会发现,然而在实际案例中却已被证实,因此采用适当的序列老化测试能更好地模拟户外老化的反应。

图4 使用PVDF背板的小组件(左)和全尺寸组件(右)在序列老化测试(DH1000+UV1000+TC200)后沿纵向开裂


耐热、耐风沙、耐化学品,缺一不可

作为背板用氟膜,还需要有较好的耐风沙磨损、耐热和耐化学品等性能。

据了解,目前耐风沙磨损一般采用落砂试验,测试标准参照ASTM D968(亦即GB/T23988-2009),测试时需注意沙子使用次数不得超过25次以控制测试误差。

以0.25-0.65mm标准砂为例,38微米的PVF薄膜通常需要250L以上才可以落穿,而PVDF薄膜依厚度和工艺不同落砂量大约为100~250L,即便如此,仍好于涂覆型背板常见的50L左右落砂量。

再看耐热方面,PVF薄膜的软化温度点为190oC,而PVDF只有150oC左右。对于经常有热斑出现的光伏组件应用来说,PVF薄膜的耐热性能显然更有优势。

与此同时,PVDF薄膜在耐化学品测试方面也出现了问题,其在丙酮等溶剂浸泡试验(ASTM D543)中易出现溶胀现象,而PVF薄膜不存在该现象,对各类化学品的抵抗性都很优异。


认清含氟量,以实际为准

近年来含氟量成为最容易引起争议与讨论的一个环节,有厂家称PVDF含氟量59%,而PVF只有41%。然而,这句话正确理解的前提是单纯比较100%的PVDF和PVF材料。

事实上,100%的PVDF不能成膜,只能用作涂料。市面上在售的PVDF薄膜都含有亚克力增塑剂,成膜后的PVDF薄膜的含氟量大幅降低。而以PVF制成的Tedlar®薄膜不含有其他树脂成分,41%为实际含氟量。

FEVE涂料也存在有易令人误解的说法,声称含氟量超过70%,但这只是氟树脂自身的含氟量,不包含非氟的交联树脂部分和其他添加剂,其实际含氟量低于20%。


水汽阻隔力 ET层才是关键

从背板应用来看,氟膜的水汽阻隔性能对背板整体的水汽阻隔能力贡献很小。背板的水汽阻隔主要由PET提供,PET的阻水能力对背板的WVTR起决定作用。

当然,如果一定要比较氟膜之间的水汽透过率的话,也有很多实验数据可以参考。

图5是几种常见PVDF薄膜和PVF薄膜的WVTR值。从图中可以看出,PVDF薄膜WVTR值在50~110之间,而两款Tedlar® PVF薄膜只有35~50,显著低于PVDF薄膜。

图5 常见PVDF薄膜和Tedlar® PVF薄膜的水蒸气透过率 (测试条件:ASTM F1249, 红外法;38oC,100%RH)

尽管以氟膜为主的背板已经被行业认可具有较优异的性能,但是此氟非彼氟,对于氟膜材料的认识、加工工艺的理解,以及在背板结构中扮演的关键角色,在行业内仍有许多误解。

通过各项测试方法与户外案例显示,PVF薄膜具有优异的耐候性、力学性能、耐热、耐化学品、耐风沙磨损和水汽阻隔性能,产品一致性和稳定性好。

基于特能®(Tedlar®)PVF薄膜的背板在各种气候环境下都有超过25年的的实绩验证,而市面上一些其它背板材料在户外短期内即出现了明显的开裂、发黄、脱层等老化或失效现象,甚至产生组件功率加速衰减和安全隐患。

出现这些隐患的根源在于材料本身,通过测试及实际案例证明,PVDF薄膜除了本征横向力学性能差的特点外,在紫外、湿热、PCT或低温老化测试中也发现,其横向断裂伸长率可降到5%以下,大大提高了光伏组件在户外使用开裂的风险。

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