光伏背板材料国内外现状及趋势分析.pdf

光伏背板材料 国内外现状及趋势分析摘要光伏电池是由玻璃、 EVA 、硅片、背板组成，按照玻璃 EVA 电池片 EVA 背板的结构封装构成， 其中背板位于光伏电池背面的最外层， 是光伏电池重要 组成部分，不仅起到封装的作用，同时还起到保证光伏电池不受到环境影响的作用，确保光伏电池的使用寿命。光伏电池是由玻璃、 EVA、硅片、背板组成，按照玻璃 EVA 电池片 EVA 背板的结构封装构成， 其中背板位于光伏电池背面的最外层， 是光伏电池重要 组成部分，不仅起到封装的作用，同时还起到保证光伏电池不受到环境影响的作用， 确保光伏电池的使用寿命。 本文将对太阳能电池背板材料、 结构的现状以及发展趋势作一回顾和分析。1、光伏背板的类型及优缺点按照光伏电池背板整体结构划分，可将光伏电池背板划分为 FPF， FPE，全PET 与 PET／聚烯烃结构。 其中 F 为含氟薄膜； P 为双向拉伸工艺制备的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜（即 PET 薄膜） ； E 为乙烯－醋酸乙烯（即 EVA） ；聚烯烃指各种以碳碳结构为主链的塑料。 这些结构层之间使用胶粘剂进行粘合， 通过复合工艺制备成型。最早的光伏电池背板采用 TPT 结构，即 Tedlar／ PET／ Tedlar结构，其中 Tedlar 为杜邦公司所生产的 PVF（聚氟乙烯） 薄膜，以杜邦公司的Tedlar为基材的背板主导了大部分的光伏背板市场， 第一款进入光伏市场的产品为 PVF 2001，目前杜邦公司的 Tedlar产品已经开发出第三代。按照光伏电池背板所采用的薄膜材质区分，可以将背板划分为 Tedlar背板、含氟背板、 PET 背板与其他一些采用如 PE 材质的背板产品。1.1. Tedlar系列Tedlar结构的背板被称为经典的背板结构， 已成为国内外太阳能电池组件厂首选背板类型。 PVF 膜的结构稳定、耐环境变化，但是薄膜表面较易出现针孔，薄膜的水汽阻隔能力较差。同时 PVF 材料本身含氟量小，所以 PVF 薄膜需要有足够的厚度来保证其性能。不过 PVF 是所有氟材料中成本最低的，非常适合作为 大规模推广应用的太阳能光伏背板材料。1.2. 含氟背板在杜邦公司 Tedlar产能有限的情况下， 光伏电池背板生产企业也采用了其他材质的薄膜来代替 Tedlar 薄膜生产背板。1） PVDF（聚偏氟乙烯） 此类薄膜的生产商主要有法国的阿科玛公司， 韩国 SKC 等。 PVDF 是使用量第二大的氟塑料，其熔点和分解点相差大，可以使用 热塑性塑料加工方法进行加工。 PVDF 较成熟的制膜技术是使用吹膜的方法。阿克玛公司拥有专门应用于吹膜的高融体强度级别 PVDF 树脂，能吹出厚度仅5μ ｍ的薄膜。 PVDF 中常加入聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ） 作为增塑剂以提高其成膜性，加入 PMMA 后的 PVDF 的在熔融状态下更容易成膜。国内的一些 高校如北京化工等在这方面已做了较多的研究。但 PVDF 加入 PMMA 后会影响薄膜的抗老化性能， 澳大利亚 Leoben大学对采用不同氟塑料薄膜的背板老化 结果进行了研究，发现含 PMMA （ 10％～ 20％）的 PVDF 薄膜经过 1000～ 2000h 湿热老化后薄膜破损严重。欧洲一家公司在中国大力推广其生产的 PVDF 薄膜，尽管该公司提供的数据表明耐候性良好，但从红外图谱发现该薄膜含有大量的PMMA 的成分；该薄膜为三层结构，特别是中间层 PMMA PVDF 合金中的PMMA 含量，甚至大大超过 PVDF 含量，所以该产品的实际耐候性如何，需要时间考验。海优威公司使用与欧洲某化学品公司开发的太阳能电池背板用 PVDF 薄膜生产背板。 该 PVDF 薄膜由 PVDF、 无机颜料和功能性添加剂组成， 为单层结构，整 个薄膜内外材料均一，白色薄膜能百分之百遮蔽紫外线，经 2000h的紫外老化测试， 薄膜的老化性能下降可以忽略不计， 其他性能完全可以满足光伏电池背板对 氟塑料薄膜的各种要求。2） THV （四氟乙烯－六氟丙烯－偏氟乙烯共聚物） 美国 3M 公司的 BBF背板采用 THV 含氟薄膜。 THV 是美国 Dyneon 公司在 20 世纪 80 年代开 发， 也是目前唯一的生产厂家。 THV 是目前市场中最柔软的氟塑料，当和其他材料复合成多层结构时，柔韧性非常突出。 THV 的另一个重要特点是本身容易粘 接，无须表面处理就能与其他材料粘接， 背板的复合制作工艺和用硅胶粘贴接线盒都十分简便，特别适用于对背板要求柔软的场合。3） ETFE（乙烯－四氟乙烯共聚物） 日本旭硝子株式会社研发的 ETFE 薄膜，由原料到薄膜完全自产，目前还处于试用阶段，尚未达到规模化应用。4） ECTFE（乙烯－三氟氯乙烯共聚物） ECTFE 由杜邦公司在 1946 年开发成功， 目前商品化的产品只有苏威公司提供。 ECTFE 是乙烯和三氟氯乙 烯 11的交替共聚物，具有典型的氟塑料的耐化学腐蚀性能，没有一种溶剂在 120℃下能侵蚀 ECTFE 或使其应力开裂， 而且具有很高的耐候性和阻隔性。 在 商品化光伏电池背板中， ECTFE 是最好的耐候层的材料。5） PTFE（聚四氟乙烯） 、 FEVE（氟乙烯与乙烯基醚的共聚物） PTFE 背板多采用涂覆法制备， 大部分由国内企业生产。 由于前几年太阳能电池背板需 求旺盛， 国外公司均不对中国供应氟塑料薄膜， 所以国内开发了其他国家不生产的使用涂料的背板，背板采用氟碳涂料涂布到 PET 薄膜上，替代氟塑料薄膜。由于 PTFE 涂覆型背板在实际使用中会出现许多问题，如涂覆 PET 表面后涂料层易形成针孔， 影响水汽阻隔率； 涂层之间容易形成反粘， 同时还存在粘结强度不够、 多层涂布遇到的层间附着问题和涂层开裂等问题。 因此， 目前实际应用依然以复合型背板为主。6） PET 背板 此类背板多采用经过特殊处理的 PET，多层复合而成，多见于日本公司生产的产品。1.3. 其他类型背板如 PE 系列，我国许多小厂采用 PE 作为背板材质，用在小光伏组件上，生产光伏灯具等。各个氟塑料薄膜对水汽的阻隔能力不同，其中以 ECTFE 为最优。使用同样厚度为 100μ ｍ的薄膜， 在气温 40℃和湿度 95％的条件下， PVF 每天每平米的水汽透过率超过 10～ 20g， PVDF 为 2g 左右， 而常用的 PET 不超过 10g。 据多数供应商提供的数据，采用氟塑料薄膜和 PET 薄膜复合成的背板，其水汽阻隔性能小于 2g。表 1 为各种氟材料的特性。表 1 各种氟材料特性2、光伏电池背板的性能测试一款合格的背板需要具有与 EVA 良好的粘接性、电气绝缘性、防水防湿和耐侯性等功能， 产品必须经过剥离强度、 水汽透过率、 热收缩率、 绝缘性能测定和经过耐老化、湿热、湿冻和热循环试验合格后方能使用。剥离强度主要由电子拉力机来进行测试， 而热收缩率则是在真空烘箱内进行，主要是测定背板的力学性能。水蒸气渗透率是衡量背板性能好坏的重要指标之一， 若背板阻隔水蒸气渗透的性能不良，则空气中的湿气（尤其是阴雨天）会透过背板进入到电池板内侧，水蒸气的 渗透还会影响到 EVA 的粘结性能，导致背板与 EVA 脱离，进而使更多湿气直接接触电池片而使电池片被氧化。 其测试原理为将试验薄膜隔成两个独立的气流系 统，一侧为具有稳定相对湿度的氮气流，并随着干燥的氮气流流向红外检定传感器， 测量出氮气中水蒸气透过率。 红外线检定法在整个实验过程中全自动测定，不破 坏扩散和渗透的平衡，结果准确可靠，同时由于红外检定法检测传感器的高灵敏度，因而可以在短时间内测量高阻隔性的材料。耐老化测试、 湿热测试、 湿冻测试、 热循环试验在紫外光加速老化试验箱与恒温恒湿老化箱中进行。 背板不仅起到阻隔水汽的作用， 还要在自然环境内保证自身的耐候性。由于背板的结构为多层复合， 所以在自然环境中经过长时间的使用后， 保持其各层性能与粘结层的效果十分重要。依据 IEC 标准，光伏电池背板必须进行耐紫外老化、双 85、湿冻等试验，测试其耐老化性能。绝缘测试、 击穿电压测试、 最大系统电压测试是针对光伏电池背板的电性能作出的专业测试， 主要采用介电击穿电压测试仪、 绝缘测试仪、 电压测试机等仪器进行测试，根据 ASTM 与 IEC 标准来检测其性能指标是否达标。表 2 为目前国内一些背板企业所生产的光伏电池背板性能参数。表 2 光伏电池背板性能参数3、光伏背板的国内外现状和发展趋势目前国外最大的光伏电池背板供应商 Isovolta 大部分产品为 PVF 与 PET 的复合体， 同时也提供非 PVF 与增加铝层的产品。 其他的如美国盾膜、 德国 August Krempel Soehne、韩国 SFC、日本 Toppan等较大的光伏电池背板供应商，也都是供应以杜邦 Tedlar 为基材的产品。由于能够取代 Tedlar的材料较 少，所以目前众多的组件厂依然以选用以杜邦 Tedlar为基材的背板产品为主。 虽然大部分背板生产商都希望使用 Tedlar， 但是由于杜邦公司的 Tedlar 供应有限， 所以一些背板生产厂开始致力于开发新的不含 Tedlar的背板材料， 希望降低背板的价格， 同时减少对于 Tedlar 的依赖。德国的 Bayer 材料科学集团采用聚碳酸酯的混合物来作为背板材料； 美国的Biosolar Inc.则是采用菎麻子为原料生产光伏电池背板材料；日本一些公司则采用经过特殊处理的三层 PET 复合制造光伏电池背板。我国的企业中， 台虹采用杜邦 Tedlar基材料生产背板， 而江苏汇通、 苏州赛伍等其他采用复合法制备背板的企业，因为杜邦 Tedlar供应紧张而采用 Arkema等公司生产的 PVDF 或者其他的含氟材料。由于复合法制备光伏电池背板比较困难， 国内一些企业改用涂覆法生产光伏电池背板，也取得了一定的成果。涂覆型背板多采用氟碳涂料，涂覆于 PET 之上，形成 氟层，由于氟碳涂料优越的性能，使得涂覆型的光伏电池背板同样具有较好的抗环境老化的效果。国内的苏州中来、杭州帆度、哈氟龙、联合新材、福斯特等公司皆 采用涂覆法制备光伏电池背板。无论复合法制备光伏电池背板所采用的氟膜， 还是涂覆法制备光伏电池背板所使用的氟碳涂料， 所用原料大多从国外进口， 价格高且供货不稳。 尤其是受到国外企业专利技术的制约， 使得国内没有相关的替代产品， 不得不受到国外氟化工企业的制约。4、结语目前， 国外的光伏电池背板产品占据了我国市场的大部分份额， 作为国产背板生产企业， 提高自身产品的科技含量、 开发具有自主知识产权的产品， 提高市场竞争 力，实现可持续发展是摆在当前急需解决的问题。全球生产背板的企业日益增多， 同时许多塑料相关行业的企业也计划投入到光伏背板生产行业， 未来2 3 年将会 有更多的企业投产背板，背板产品的竞争将会越来越激烈，因此聚氟乙烯薄膜或其他含氟薄膜的国产化至关重要。