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      光伏背板材料 國內外現狀及趨勢分析
      來源: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3ODI3ODI3OQ==&mid=404204944&idx=1&sn=76c9a631bfd6184aef3e66e40b6e2a98&scene=23&srcid=0226G7SGMInR0EyIJ7zKlX3G#rd   發布時間: 2016-02-26 18:51   2655 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px

       摘要:光伏電池是由玻璃、EVA、硅片、背板組成,按照玻璃—EVA—電池片—EVA—背板的結構封裝構成,其中背板位于光伏電池背面的最外層,是光伏電池重要組成部分,不僅起到封裝的作用,同時還起到保證光伏電池不受到環境影響的作用,確保光伏電池的使用壽命。本文將對太陽能電池背板材料、結構的現狀以及發展趨勢作一回顧和分析。
       
        1、光伏背板的類型及優缺點
        按照光伏電池背板整體結構劃分,可將光伏電池背板劃分為FPF,FPE,全PET與PET/聚烯烴結構。其中F為含氟薄膜;P為雙向拉伸工藝制備的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜(即PET薄膜);E為乙烯-醋酸乙烯(即EVA);聚烯烴指各種以碳碳結構為主鏈的塑料。這些結構層之間使用膠粘劑進行粘合,通過復合工藝制備成型。最早的光伏電池背板采用TPT結構,即Tedlar/PET/Tedlar結構,其中Tedlar為杜邦公司所生產的PVF(聚氟乙烯)薄膜,以杜邦公司的Tedlar為基材的背板主導了大部分的光伏背板市場,第一款進入光伏市場的產品為PVF2001,目前杜邦公司的Tedlar產品已經開發出第三代。按照光伏電池背板所采用的薄膜材質區分,可以將背板劃分為Tedlar背板、含氟背板、PET背板與其他一些采用如PE材質的背板產品。
       
        1.1.Tedlar系列
        Tedlar結構的背板被稱為經典的背板結構,已成為國內外太陽能電池組件廠首選背板類型。PVF膜的結構穩定、耐環境變化,但是薄膜表面較易出現針孔,薄膜的水汽阻隔能力較差。同時PVF材料本身含氟量小,所以PVF薄膜需要有足夠的厚度來保證其性能。不過PVF是所有氟材料中成本最低的,非常適合作為大規模推廣應用的太陽能光伏背板材料。
       
        1.2.含氟背板
        在杜邦公司Tedlar產能有限的情況下,光伏電池背板生產企業也采用了其他材質的薄膜來代替Tedlar薄膜生產背板。
       
        1)PVDF(聚偏氟乙烯)此類薄膜的生產商主要有法國的阿科瑪公司,韓國SKC等。PVDF是使用量第二大的氟塑料,其熔點和分解點相差大,可以使用熱塑性塑料加工方法進行加工。PVDF較成熟的制膜技術是使用吹膜的方法。阿克瑪公司擁有專門應用于吹膜的高融體強度級別PVDF樹脂,能吹出厚度僅5μm的薄膜。PVDF中常加入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為增塑劑以提高其成膜性,加入PMMA后的PVDF的在熔融狀態下更容易成膜。國內的一些高校如北京化工等在這方面已做了較多的研究。但PVDF加入PMMA后會影響薄膜的抗老化性能,澳大利亞Leoben大學對采用不同氟塑料薄膜的背板老化結果進行了研究,發現含PMMA(10%~20%)的PVDF薄膜經過1000~2000h濕熱老化后薄膜破損嚴重。歐洲一家公司在中國大力推廣其生產的PVDF薄膜,盡管該公司提供的數據表明耐候性良好,但從紅外圖譜發現該薄膜含有大量的PMMA的成分;該薄膜為三層結構,特別是中間層PMMA—PVDF合金中的PMMA含量,甚至大大超過PVDF含量,所以該產品的實際耐候性如何,需要時間考驗。
       
        海優威公司使用與歐洲某化學品公司開發的太陽能電池背板用PVDF薄膜生產背板。該PVDF薄膜由PVDF、無機顏料和功能性添加劑組成,為單層結構,整個薄膜內外材料均一,白色薄膜能百分之百遮蔽紫外線,經2000h的紫外老化測試,薄膜的老化性能下降可以忽略不計,其他性能完全可以滿足光伏電池背板對氟塑料薄膜的各種要求。
       
        2)THV(四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物)美國3M公司的BBF背板采用THV含氟薄膜。THV是美國Dyneon公司在20世紀80年代開發,也是目前唯一的生產廠家。THV是目前市場中最柔軟的氟塑料,當和其他材料復合成多層結構時,柔韌性非常突出。THV的另一個重要特點是本身容易粘接,無須表面處理就能與其他材料粘接,背板的復合制作工藝和用硅膠粘貼接線盒都十分簡便,特別適用于對背板要求柔軟的場合。
       
        3)ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)日本旭硝子株式會社研發的ETFE薄膜,由原料到薄膜完全自產,目前還處于試用階段,尚未達到規?;瘧?。4)ECTFE(乙烯-三氟氯乙烯共聚物)ECTFE由杜邦公司在1946年開發成功,目前商品化的產品只有蘇威公司提供。ECTFE是乙烯和三氟氯乙烯1:1的交替共聚物,具有典型的氟塑料的耐化學腐蝕性能,沒有一種溶劑在120℃下能侵蝕ECTFE或使其應力開裂,而且具有很高的耐候性和阻隔性。在商品化光伏電池背板中,ECTFE是最好的耐候層的材料。
       
        5)PTFE(聚四氟乙烯)、FEVE(氟乙烯與乙烯基醚的共聚物)PTFE背板多采用涂覆法制備,大部分由國內企業生產。由于前幾年太陽能電池背板需求旺盛,國外公司均不對中國供應氟塑料薄膜,所以國內開發了其他國家不生產的使用涂料的背板,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涂覆型背板在實際使用中會出現許多問題,如涂覆PET表面后涂料層易形成針孔,影響水汽阻隔率;涂層之間容易形成反粘,同時還存在粘結強度不夠、多層涂布遇到的層間附著問題和涂層開裂等問題。因此,目前實際應用依然以復合型背板為主。
       
        6)PET背板此類背板多采用經過特殊處理的PET,多層復合而成,多見于日本公司生產的產品。
       
        1.3.其他類型背板
        如PE系列,我國許多小廠采用PE作為背板材質,用在小光伏組件上,生產光伏燈具等。
       
        各個氟塑料薄膜對水汽的阻隔能力不同,其中以ECTFE為最優。使用同樣厚度為100μm的薄膜,在氣溫40℃和濕度95%的條件下,PVF每天每平米的水汽透過率超過10~20g,PVDF為2g左右,而常用的PET不超過10g。據多數供應商提供的數據,采用氟塑料薄膜和PET薄膜復合成的背板,其水汽阻隔性能小于2g。下表為各種氟材料的特性。


       2
      、光伏電池背板的性能測試
        一款合格的背板需要具有與EVA良好的粘接性、電氣絕緣性、防水防濕和耐侯性等功能,產品必須經過剝離強度、水汽透過率、熱收縮率、絕緣性能測定和經過耐老化、濕熱、濕凍和熱循環試驗合格后方能使用。
       
        剝離強度主要由電子拉力機來進行測試,而熱收縮率則是在真空烘箱內進行,主要是測定背板的力學性能。
       
        水蒸氣滲透率是衡量背板性能好壞的重要指標之一,若背板阻隔水蒸氣滲透的性能不良,則空氣中的濕氣(尤其是陰雨天)會透過背板進入到電池板內側,水蒸氣的滲透還會影響到EVA的粘結性能,導致背板與EVA脫離,進而使更多濕氣直接接觸電池片而使電池片被氧化。其測試原理為將試驗薄膜隔成兩個獨立的氣流系統,一側為具有穩定相對濕度的氮氣流,并隨著干燥的氮氣流流向紅外檢定傳感器,測量出氮氣中水蒸氣透過率。紅外線檢定法在整個實驗過程中全自動測定,不破壞擴散和滲透的平衡,結果準確可靠,同時由于紅外檢定法檢測傳感器的高靈敏度,因而可以在短時間內測量高阻隔性的材料。
       
        耐老化測試、濕熱測試、濕凍測試、熱循環試驗在紫外光加速老化試驗箱與恒溫恒濕老化箱中進行。背板不僅起到阻隔水汽的作用,還要在自然環境內保證自身的耐候性。
       
        由于背板的結構為多層復合,所以在自然環境中經過長時間的使用后,保持其各層性能與粘結層的效果十分重要。依據IEC標準,光伏電池背板必須進行耐紫外老化、雙85、濕凍等試驗,測試其耐老化性能。
       
        絕緣測試、擊穿電壓測試、最大系統電壓測試是針對光伏電池背板的電性能作出的專業測試,主要采用介電擊穿電壓測試儀、絕緣測試儀、電壓測試機等儀器進行測試,根據ASTM與IEC標準來檢測其性能指標是否達標。
       
        下表為目前國內一些背板企業所生產的光伏電池背板性能參數。

       

       3
      、光伏背板的國內外現狀和發展趨勢
        目前國外最大的光伏電池背板供應商Isovolta大部分產品為PVF與PET的復合體,同時也提供非PVF與增加鋁層的產品。其他的如美國盾膜、德國AugustKrempelSoehne、韓國SFC、日本Toppan等較大的光伏電池背板供應商,也都是供應以杜邦Tedlar為基材的產品。由于能夠取代Tedlar的材料較少,所以目前眾多的組件廠依然以選用以杜邦Tedlar為基材的背板產品為主。雖然大部分背板生產商都希望使用Tedlar,但是由于杜邦公司的Tedlar供應有限,所以一些背板生產廠開始致力于開發新的不含Tedlar的背板材料,希望降低背板的價格,同時減少對于Tedlar的依賴。
       
        德國的Bayer材料科學集團采用聚碳酸酯的混合物來作為背板材料;美國的BiosolarInc.則是采用菎麻子為原料生產光伏電池背板材料;日本一些公司則采用經過特殊處理的三層PET復合制造光伏電池背板。
       
        我國的企業中,臺虹采用杜邦Tedlar基材料生產背板,而江蘇匯通、蘇州賽伍等其他采用復合法制備背板的企業,因為杜邦Tedlar供應緊張而采用Arkema等公司生產的PVDF或者其他的含氟材料。
       
        由于復合法制備光伏電池背板比較困難,國內一些企業改用涂覆法生產光伏電池背板,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,形成氟層,由于氟碳涂料優越的性能,使得涂覆型的光伏電池背板同樣具有較好的抗環境老化的效果。國內的蘇州中來、杭州帆度、哈氟龍、聯合新材、福斯特等公司皆采用涂覆法制備光伏電池背板。
       
        無論復合法制備光伏電池背板所采用的氟膜,還是涂覆法制備光伏電池背板所使用的氟碳涂料,所用原料大多從國外進口,價格高且供貨不穩。尤其是受到國外企業專利技術的制約,使得國內沒有相關的替代產品,不得不受到國外氟化工企業的制約。
       
        4、結語
        目前,國外的光伏電池背板產品占據了我國市場的大部分份額,作為國產背板生產企業,提高自身產品的科技含量、開發具有自主知識產權的產品,提高市場競爭力,實現可持續發展是擺在當前急需解決的問題。全球生產背板的企業日益增多,同時許多塑料相關行業的企業也計劃投入到光伏背板生產行業,未來2—3年將會有更多的企業投產背板,背板產品的競爭將會越來越激烈,因此聚氟乙烯薄膜或其他含氟薄膜的國產化至關重要。

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