光伏晶硅組件中的背板作為保護電池片和封裝材料的直接屏障,對組件的安全性、長期可靠性和耐久性起著至關(guān)重要的作用。要達(dá)到保護的目的,背板需具備良好的機械強度與韌性、耐候性、絕緣、水汽阻隔、耐腐蝕和耐風(fēng)沙磨損等各種平衡的性能。
而實現(xiàn)這些關(guān)鍵性能,與背板材料密不可分。
自20世紀(jì)八十年代NASA晶硅組件研究項目完成以來,玻璃前板+EVA+雙面Tedlar® PVF薄膜復(fù)合背板的經(jīng)典光伏組件封裝結(jié)構(gòu)經(jīng)過了各類氣候條件的實踐檢驗,并被沿用至今。其中,特能®(Tedlar®) PVF薄膜作為唯一具有30年以上廣泛戶外實績驗證的背板材料也已被系統(tǒng)開發(fā)商、金融保險等投融資機構(gòu)認(rèn)可,能夠為光伏組件提供長期可靠保護,確保投資回報。
完美材料需結(jié)合自身優(yōu)勢與獨特加工工藝
由雙面Tedlar® PVF薄膜組成的TPT背板 (Tedlar®/PET聚酯薄膜/Tedlar®)已經(jīng)成為了行業(yè)標(biāo)桿,盡管市面上不斷有各種山寨品出現(xiàn),但無一能超越其優(yōu)異的產(chǎn)品性能。
那么問題來了,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,所制備的薄膜在橫向和縱向兩個方向都經(jīng)過強化,機械性能均衡沒有弱點。由于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,這也是目前只有杜邦公司能夠生產(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。
相對而言,聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和流延兩種成型工藝。這兩種成型工藝制備的薄膜在縱向方面有不同程度的拉伸,但在橫向的拉伸都很弱或甚至沒有拉伸,造成薄膜橫向機械性能均較差。另外,PVDF自身難以成膜,必須添加其他材料—不低于30%的PMMA,俗稱亞克力,固有脆性很強。 添加亞克力之后容易造成PVDF薄膜橫向力學(xué)性能差的缺陷,主要表現(xiàn)為斷裂伸長率低,一般低于30%。
為了彌補這個缺陷,個別廠家在配方中添加彈性體,使得這類PVDF薄膜在力學(xué)性能測試時產(chǎn)生“藕斷絲連”般的效果,以達(dá)到更高的測試結(jié)果,但對實際的戶外耐老化性能毫無幫助。另外,由于PVDF薄膜加工難度和門檻相對較低,每家的工藝、配方和膜結(jié)構(gòu)也有所差異,導(dǎo)致不同PVDF薄膜性能參差不齊。但很難從外觀或一般的成分分析區(qū)別不同的PVDF薄膜,因此監(jiān)管難度大。
力學(xué)性能欠佳容易導(dǎo)致開裂,嚴(yán)重影響組件安全性
眾所周知,力學(xué)性能和耐候性是背板用氟膜最重要的性能,PVDF薄膜具有橫向斷裂伸長率低的缺陷,該問題已逐漸在測試和應(yīng)用中暴露出來。雖然添加彈性體材料有助于PVDF薄膜在初始力學(xué)性能測試時由于拉絲效果顯示較高的斷裂伸長率,但是在輕微的老化測試后,所有PVDF薄膜橫向斷裂伸長率均低于10%,基本失去了高分子材料應(yīng)有的韌性,極易開裂。而同樣測試條件下的PVF薄膜力學(xué)性能保持良好,仍然能維持60%以上的保持率(如圖1和圖2 )。
圖1 五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar® PVF薄膜在紫外500和1000小時紫外老化測試后的橫向斷裂伸長率比較(紫外測試條件:QUVA,1.25W/m2@340nm, 65W/m2 @ 300-400nm, 70oC BPT)
圖2五種不同PVDF薄膜與兩種Tedlar®薄膜在濕熱老化500和1000小時后的橫向斷裂伸長率比較
(濕熱測試條件:85oC, 85%RH)
PVDF薄膜不僅在紫外和濕熱老化測試后橫向斷裂伸長率下降嚴(yán)重,在其他測試如PCT測試或耐溫測試后也出現(xiàn)了同樣的問題。大量研究文獻(xiàn)及報道表明,這些問題與PVDF薄膜在老化時易產(chǎn)生再結(jié)晶有關(guān),導(dǎo)致其力學(xué)性能變差。
PVDF薄膜的橫向脆性導(dǎo)致其在戶外存在較高的開裂風(fēng)險,一旦背板開裂代表絕緣性能失效,很容易引發(fā)漏電、電弧、火災(zāi)等安全性事故,甚至導(dǎo)致人員與財產(chǎn)的損失。圖3是在北美地區(qū)戶外使用4年的PVDF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年的PVDF背板外層開裂形貌
值得關(guān)注的是,目前除了在實際案例中發(fā)現(xiàn)大量PVDF薄膜背板開裂的現(xiàn)象外,在實驗室采用序列老化測試(Accelerated Sequential Test)也已經(jīng)可以模擬出PVDF薄膜及背板的開裂現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過序列老化測試后,使用PVDF薄膜背板的小組件和大組件均出現(xiàn)微裂紋,且為縱向開裂,這在過去單一老化的測試中不會發(fā)現(xiàn),然而在實際案例中卻已被證實,因此采用適當(dāng)?shù)男蛄欣匣瘻y試能更好地模擬戶外老化的反應(yīng)。
圖4 使用PVDF背板的小組件(左)和全尺寸組件(右)在序列老化測試(DH1000+UV1000+TC200)后沿縱向開裂
耐熱、耐風(fēng)沙、耐化學(xué)品,缺一不可
作為背板用氟膜,還需要有較好的耐風(fēng)沙磨損、耐熱和耐化學(xué)品等性能。據(jù)了解,目前耐風(fēng)沙磨損一般采用落砂試驗,測試標(biāo)準(zhǔn)參照ASTM D968(亦即GB/T23988-2009),測試時需注意沙子使用次數(shù)不得超過25次以控制測試誤差。
以0.25-0.65mm標(biāo)準(zhǔn)砂為例,38微米的PVF薄膜通常需要250L以上才可以落穿,而PVDF薄膜依厚度和工藝不同落砂量大約為100~250L,即便如此,仍好于涂覆型背板常見的50L左右落砂量。
再看耐熱方面,PVF薄膜的軟化溫度點為190oC,而PVDF只有150oC左右。對于經(jīng)常有熱斑出現(xiàn)的光伏組件應(yīng)用來說,PVF薄膜的耐熱性能顯然更有優(yōu)勢。
與此同時,PVDF薄膜在耐化學(xué)品測試方面也出現(xiàn)了問題,其在丙酮等溶劑浸泡試驗(ASTM D543)中易出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象,而PVF薄膜不存在該現(xiàn)象,對各類化學(xué)品的抵抗性都很優(yōu)異。
認(rèn)清含氟量,以實際為準(zhǔn)
近年來含氟量成為最容易引起爭議與討論的一個環(huán)節(jié),有廠家稱PVDF含氟量59%,而PVF只有41%。然而,這句話正確理解的前提是單純比較100%的PVDF和PVF材料。
事實上,100%的PVDF不能成膜,只能用作涂料。市面上在售的PVDF薄膜都含有亞克力增塑劑,成膜后的PVDF薄膜的含氟量大幅降低。而以PVF制成的Tedlar®薄膜不含有其他樹脂成分,41%為實際含氟量。FEVE涂料也存在有易令人誤解的說法,聲稱含氟量超過70%,但這只是氟樹脂自身的含氟量,不包含非氟的交聯(lián)樹脂部分和其他添加劑,其實際含氟量低于20%。
水汽阻隔力:PET層才是關(guān)鍵
從背板應(yīng)用來看,氟膜的水汽阻隔性能對背板整體的水汽阻隔能力貢獻(xiàn)很小。背板的水汽阻隔主要由PET提供,PET的阻水能力對背板的WVTR起決定作用。
當(dāng)然,如果一定要比較氟膜之間的水汽透過率的話,也有很多實驗數(shù)據(jù)可以參考。圖5是幾種常見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,而兩款Tedlar® PVF薄膜只有35~50,顯著低于PVDF薄膜。
圖5 常見PVDF薄膜和Tedlar® PVF薄膜的水蒸氣透過率 (測試條件:ASTM F1249, 紅外法;38oC,100%RH)
盡管以氟膜為主的背板已經(jīng)被行業(yè)認(rèn)可具有較優(yōu)異的性能,但是此氟非彼氟,對于氟膜材料的認(rèn)識、加工工藝的理解,以及在背板結(jié)構(gòu)中扮演的關(guān)鍵角色,在行業(yè)內(nèi)仍有許多誤解。通過各項測試方法與戶外案例顯示,PVF薄膜具有優(yōu)異的耐候性、力學(xué)性能、耐熱、耐化學(xué)品、耐風(fēng)沙磨損和水汽阻隔性能,產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性好。基于特能®(Tedlar®)PVF薄膜的背板在各種氣候環(huán)境下都有超過25年的的實績驗證,而市面上一些其它背板材料在戶外短期內(nèi)即出現(xiàn)了明顯的開裂、發(fā)黃、脫層等老化或失效現(xiàn)象,甚至產(chǎn)生組件功率加速衰減和安全隱患。
出現(xiàn)這些隱患的根源在于材料本身,通過測試及實際案例證明,PVDF薄膜除了本征橫向力學(xué)性能差的特點外,在紫外、濕熱、PCT或低溫老化測試中也發(fā)現(xiàn),其橫向斷裂伸長率可降到5%以下,大大提高了光伏組件在戶外使用開裂的風(fēng)險。
對于光伏投資者來說,清楚了解材料之間的基本差異,并選擇最能保障其項目投資收益率的材料,才是降低風(fēng)險的關(guān)鍵。
原標(biāo)題:背板材料的關(guān)鍵性能分析科普帖