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導(dǎo)讀： 光伏晶硅組件中的背板作為保護(hù)電池板和包裝材料的直接屏障，在組件的安全性、長(zhǎng)期可靠性和耐久性方面發(fā)揮著*關(guān)重要的作用。為了達(dá)到保護(hù)的目的，背板應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性、耐候性、絕緣性、水蒸氣阻隔性、耐腐蝕性和耐風(fēng)砂磨損性能。
光伏晶硅組件中的背板作為保護(hù)電池板和包裝材料的直接屏障，在組件的安全性、長(zhǎng)期可靠性和耐久性方面發(fā)揮著*關(guān)重要的作用。為了達(dá)到保護(hù)的目的，背板應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性、耐候性、絕緣性、水蒸氣阻隔性、耐腐蝕性和耐風(fēng)砂磨損性能。
這些關(guān)鍵性能的實(shí)現(xiàn)離不開背板材料。
自20世紀(jì)80年代以來NASA自晶硅組件研究項(xiàng)目完成以來，玻璃前板 EVA 雙面Tedlar? PVF經(jīng)典復(fù)合背板的經(jīng)典光伏組件封裝結(jié)構(gòu)經(jīng)過各種氣候條件的實(shí)際檢驗(yàn)，*今仍在使用。其中，特能(Tedlar?) PVF膜作為**具有30多年廣泛戶外業(yè)績(jī)驗(yàn)證的背板材料，也得到了系統(tǒng)開發(fā)商、金融保險(xiǎn)等投融資機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，可以為光伏組件提供長(zhǎng)期可靠的保護(hù)，確保投資回報(bào)。
**的材料需要結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特的加工工藝
由雙面Tedlar? PVF薄膜組成的TPT背板 (Tedlar?/PET聚酯薄膜/Tedlar?)已成為行業(yè)標(biāo)桿，雖然市場(chǎng)上不斷出現(xiàn)各種山寨產(chǎn)品，但沒有一種能超越其優(yōu)異的產(chǎn)品性能。
所以問題來了，為什么是聚氟乙烯？(PVF)薄膜?
首先，聚氟乙烯(PVF)薄膜采用雙向拉伸制造工藝，制備的薄膜在橫向和縱向兩個(gè)方向都得到強(qiáng)，機(jī)械性能平衡無弱點(diǎn)。PVF薄膜加工溫度和分解溫度接近，要求極高的工藝控制，并且投資巨大，這也是能夠生產(chǎn)的主要原因，從而保證了Tedlar?薄膜產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和一致性。
相對(duì)而言，聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要采用吹膜和流延兩種成型工藝。這兩種成型工藝制備的薄膜縱向拉伸程度不同，但橫向拉伸非常弱甚*不拉伸，導(dǎo)致薄膜橫向機(jī)械性能差。另外，PVDF很難成膜，必須添加其他材料-不少于30%PMMA，俗稱亞克力，固有脆性強(qiáng)。 添加亞克力后容易造成PVDF橫向機(jī)械性能差的薄膜缺陷主要表現(xiàn)為斷裂伸長(zhǎng)率低，一般低于30%。
為了彌補(bǔ)這一缺陷，一些制造商在配方中添加了彈性體，使這種缺陷PVDF為了達(dá)到更高的效果，薄膜在機(jī)械性能上產(chǎn)生藕斷絲連的效果，但對(duì)實(shí)際的戶外耐老化性沒有幫助。另外，由于PVDF薄膜加工難度和門檻相對(duì)較低，各工藝、配方和膜結(jié)構(gòu)也不同，導(dǎo)致不同PVDF薄膜性能參差不齊。但很難從外觀或一般成分分析上區(qū)分不同PVDF因此，薄膜監(jiān)管難度大。
機(jī)械性能差容易開裂，嚴(yán)重影響組件的安全
眾所周知，耐候性是背板氟膜*重要的性能，PVDF膜具有橫向斷裂伸長(zhǎng)率低的缺陷，在應(yīng)用中逐漸暴露出來。盡管添加彈性體材料有幫助PVDF在*初的力學(xué)性能中，由于拉絲效果顯示出較高的斷裂伸長(zhǎng)率，但在輕微老化后，所有這些都是PVDF膜的橫向斷裂伸長(zhǎng)率低于10%，基本失去了聚合物材料的韌性，容易開裂。而同樣條件下的PVF薄膜機(jī)械性能保持良好，保持率仍在60%以上(如圖1和圖2所示 )。
圖1 五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar? PVF紫外線老化后500小時(shí)和1000小時(shí)的橫向斷裂伸長(zhǎng)率(紫外線條件:QUVA，1.25W/m2@340nm, 65W/m2 @ 300-400nm, 70oC BPT)
圖2五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar?濕熱老化500和1000小時(shí)后膜的橫向斷裂伸長(zhǎng)率比較
(濕熱條件:85oC, 85%RH)
PVDF紫外線和濕熱老化后，膜的橫向斷裂伸長(zhǎng)率不僅嚴(yán)重下降，而且其他如PCT或者耐溫后也會(huì)出現(xiàn)同樣的問題。大量的研究文獻(xiàn)和報(bào)告表明，這些問題和PVDF薄膜老化時(shí)容易產(chǎn)生再結(jié)晶，導(dǎo)致其力學(xué)性能惡化。
PVDF膜的橫向脆性導(dǎo)致室外開裂風(fēng)險(xiǎn)高。一旦背板開裂代表絕緣性能故障，很容易造成泄漏、電弧、火災(zāi)等安全事故，甚*人員和財(cái)產(chǎn)損失。圖3在北美戶外使用4年P(guān)VDF背板形貌，平均開裂比例約57%，裂紋方向均沿縱向形成。
圖3 戶外使用4年P(guān)VDF背板外層開裂
值得注意的是，目前除了在實(shí)際情況下發(fā)現(xiàn)了很多PVDF除膜背板開裂外，實(shí)驗(yàn)室采用序列老化(Accelerated Sequential Test)也可以模擬PVDF薄膜和背板開裂。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過序列老化后，使用PVDF薄膜背板的小部件和大部件都有微裂紋和縱向裂紋，這在過去的單一老化中是找不到的，但在實(shí)際情況下已經(jīng)得到證實(shí)，因此適當(dāng)?shù)男蛄欣匣梢愿玫啬M戶外老化的反應(yīng)。
圖4 使用PVDF背板的小組件(左)和全尺寸組件(右)在序列老化(DH1000 UV1000 TC200后沿縱向開裂
耐熱、耐風(fēng)沙、耐化學(xué)品是必不可少的
氟膜作為背板，還需要具有良好的抗風(fēng)砂磨損、耐熱性和耐化學(xué)性。據(jù)了解，目前抗風(fēng)砂磨損一般采用落砂試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)參考ASTM D968(亦即GB/T2398-2009)在使用沙子時(shí)要注意不要超過25次來控制誤差。
以0.25-0.65mm以標(biāo)準(zhǔn)砂為例，38微米PVF薄膜通常需要250L以上可以落穿，而且PVDF根據(jù)薄膜的厚度和工藝，落砂量約為100~250L，即便如此，還是比涂層背板常見的50好L左右落砂量。
再看耐熱性，PVF薄膜的軟化溫度點(diǎn)為190oC，而PVDF只有150oC左右。對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)熱斑的光伏組件應(yīng)用，PVF薄膜的耐熱性明顯更有優(yōu)勢(shì)。
與此同時(shí)，PVDF薄膜在耐化學(xué)性方面也存在問題，在丙酮等溶劑中浸泡試驗(yàn)(ASTM D543)溶脹容易發(fā)生，但是PVF薄膜不存在這種現(xiàn)象，對(duì)各種化學(xué)品都有很好的抵抗力。
以實(shí)際情況為準(zhǔn)
近年來，氟含量已成為*有爭(zhēng)議和討論的環(huán)節(jié)。一些制造商說PVDF含氟量為59%，而且PVF只有41%。然而，正確理解這句話的前提是簡(jiǎn)單地比較100%PVDF和PVF材料。
實(shí)際上，100%PVDF不能成膜，只能用作涂料。在市場(chǎng)上銷售PVDF薄膜都含有亞克力增塑劑，成膜后的PVDF薄膜的氟含量大大降低。而以PVF制成的Tedlar?薄膜不含其他樹脂成分，實(shí)際含氟量為41%。FEVE涂料一種說法說涂料容易被誤解，聲稱氟含量超過70%，但這只是氟樹脂本身的氟含量，不含非氟交聯(lián)樹脂等添加劑，實(shí)際氟含量低于20%。
水汽阻隔力：PET層才是關(guān)鍵
從背板的應(yīng)用來看，氟膜的水蒸氣阻隔性能對(duì)背板的整體水蒸氣阻隔性能貢獻(xiàn)不大。背板的水蒸氣阻隔主要由PET提供，PET背板的阻水能力WVTR起決定作用。
當(dāng)然，如果一定要比較氟膜之間的水蒸氣滲透率，也有很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供參考。圖5是幾種常見的PVDF薄膜和PVF薄膜的WVTR值。從圖中可以看出，PVDF薄膜WVTR值在50~110之間，兩款Tedlar? PVF薄膜只有35~50，明顯低于PVDF薄膜。
圖5 常見PVDF薄膜和Tedlar? PVF水蒸氣透過率薄膜 (條件：ASTM F1249， 紅外法;38oC，100%RH)
雖然以氟膜為主的背板得到了業(yè)界的認(rèn)可，性能優(yōu)異，但這種氟不是氟。業(yè)內(nèi)對(duì)氟膜材料、加工工藝和背板結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用仍存在諸多誤解。通過各種方法和戶外案例，PVF膜具有優(yōu)異的耐候性、機(jī)械性、耐熱性、耐化學(xué)品、耐風(fēng)沙磨損和水蒸氣阻隔性，具有良好的產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性?；谔啬?(Tedlar?)PVF薄膜背板在各種氣候環(huán)境下已經(jīng)驗(yàn)證了25年多，市場(chǎng)上其他一些背板材料在短期內(nèi)出現(xiàn)明顯的開裂、黃色、分層等老化或故障現(xiàn)象，甚*導(dǎo)致部件功率加速衰減和安全風(fēng)險(xiǎn)。
這些隱患的根源在于材料本身，通過實(shí)際案例證明，PVDF除本征橫向力學(xué)性能差外，膜還具有紫外、濕熱、PCT或者在低溫老化過程中也發(fā)現(xiàn)，其橫向斷裂伸長(zhǎng)率可以降低到5%以下，大大提高了光伏組件在的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于光伏投資者來說，降低風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵是要清楚地了解材料之間的基本差異，選擇*能保證項(xiàng)目投資回報(bào)率的材料。
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藍(lán)林笑生
