光伏组件如何保证使用超25年？且看它的背板内层材料

背板作为晶硅太阳能组件的关键部分,对提高组件的安全性、使用寿命和降低功率衰减起着至关重要的作用。

要达到保护电池片的目的,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。

最近几年,在降本的压力下,一些未经过户外实绩验证的背板材料被使用在组件上,导致使用这些背板的组件在户外工作仅几年后就开始出现大规模失效问题,使得组件厂家需要面对巨额索赔。同时,电站开发商也蒙受损失。由此可见,从源头上对背板材料把好关,对于降低组件的户外失效风险具有重要意义。

背板结构大致可分为外层(也叫空气层)、中间层和内层。每一层材料的选择和搭配都影响着背板的整体性能。目前,背板外层主要使用含氟薄膜,尤其是经过户外实绩验证过的杜邦?Tedlar?薄膜,以确保背板外层在户外综合老化应力的作用下可以使用25年以上。而背板内层由于不直接接触户外环境应力,其重要性往往容易被忽视。而且,目前市场上背板的内层材料种类较多,性能也参差不齐。

如何才能正确选择背板内层材料呢?回答这一问题之前,我们有必要先了解下背板内层材料需具备哪些性能。

需具备三大优异性能

首先,背板内层材料需要具有优异的耐候性及机械强度。如果内层材料自身都已发生老化开裂,其保护作用就无从谈起。

图1. 背板中间PET聚酯材料断裂伸长率保持率与紫外剂量的关系(试验条件:UVA,1.2W/m2@340nm, 70oC BPT, 紫外照射在PET表面)温和气候环境,组件正面每年紫外剂量为57 kWh/m2

其次,背板内层作为中间层PET聚酯材料的保护层之一,需要具有良好的紫外阻隔作用,以避免PET遭受紫外破坏。图1是市面上常用的一款250微米PET紫外测试数据。从图中可以看出,PET聚酯材料只接受不到5 kWh的紫外照射后,其断裂伸长率就下降50%以上; 紫外剂量达到6 kWh时,PET力学性能基本完全丧失(温和气候环境,组件正面每年紫外剂量为57 kWh/m2)。这说明PET容易发生光老化,需要背板内外层的保护。背板中间层的PET聚酯材料主要起着电气绝缘、化学阻隔及力学支撑作用。如果PET发生破坏,这些功能都将丧失,因此背板内层需要将组件正面的紫外阻隔掉,以达到保护中间层PET的目的。

此外,背板内层作为PET与EVA之间的粘结层,还需要具有良好的粘接性能,以免出现脱层等失效风险。

了解了背板内层需要具备的性能,那我们不禁要问,目前市面上的内层材料是否都能满足这些性能呢?我们再来对市面上这些内层材料分类并讨论其优缺点。

不同背板内层材料特性不一

第一类为含氟薄膜,主要有Tedlar? PVF薄膜和PVDF薄膜。PVF薄膜,又名聚氟乙烯薄膜,因其优异的抗紫外、耐高温、耐腐蚀性能而被广泛应用于太阳能、航空航天和交通等领域。杜邦? Tedlar? PVF薄膜是目前光伏领域唯一具有30年以上广泛户外实绩验证的背板材料,其户外应用经验丰富,且经受过多种气候条件的长期考验。PVF薄膜是双向拉伸工艺制备的,在横向和纵向两个方向都经过强化,机械性能均衡,耐老化性能好,因此经受湿热、紫外、温度循环等多种环境因素长期作用后,仍保持优异。

PVDF薄膜,又名聚偏氟乙烯薄膜,PVDF薄膜在横向的拉伸都很弱或甚至没有拉伸,容易造成横向机械性能均较差,成膜过程中加入大量亚克力也会导致固有脆性强。这些因素导致了PVDF薄膜在户外多种复合应力下容易出现开裂等失效风险。由于其技术门槛相对较低,目前生产厂家较多,虽各家膜产品都含PVDF,但因配方体系及生产工艺不同,不同厂家膜的耐老化性能差异很大。

耐热方面,PVF薄膜的软化温度点为190℃,而PVDF只有150℃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。随着PERC等高效电池的大量投产,热斑温度会更高,对于薄膜的耐热性能会提出更高的要求。

第二类为非氟薄膜,主要包括PE、EVA、PA、PO等。这类材料作为背板内层在温和气候下已有一定时间的户外验证,其较高的厚度在耐紫外、力学性能和粘接力方面都有一定的优势。此内层材料老化性能与主体树脂及无机填料的种类和含量息息相关,不同背板厂家选择此种内层材料时都会结合自身定位与特色,也导致了所选材料的性能差异较大。同时,与不同耐候性的背板外层材料的搭配,也决定着内层材料的表现。

图2. 某PVDF背板内层在户外不到5年发生黄变

图3. 组件正面540 kWh/m2紫外辐照后背板内层的变化.

(a) HPET 1聚酯背板内层开裂,(b) 基于特能? (Tedlar?) PVF薄膜的TPE背板材料无变化

(测试条件:金属卤素灯, 1.5kW/m2, 360小时)

图2是某PVDF背板内层在户外不到5年就发生了内层发黄现象。图3是使组件正面照射540kWh/m2紫外剂量(相当于温和环境组件正面9.5年太阳光照射),耐水解HPET 1聚酯背板材料内层发生开裂,而对应基于特能? (Tedlar?) PVF薄膜的TPE背板材料无变化。从以上户外实际案例及室内老化测试结果可以看出,对于此类背板内层材料,尽量搭配使用经过户外验证的PVF薄膜作为背板外层。

第三类为涂覆型FEVE涂层。FEVE是氟烯烃和乙烯基醚(酯)的共聚树脂,作为背板内层材料,其优点是耐候性和耐高温性能相对E层较好,并且无需胶水层而直接涂覆于PET表面,省去了胶水成本。由于FEVE的特殊结构,使其具备了在酯类和酮类等溶剂中的可溶性。但FEVE中键能较弱的酯键相对容易裂解,且涂层的性能受单体、溶剂和固化剂影响较大。与前两类内层材料相比,FEVE涂层的耐候性和致密性不如氟膜,粘接力和力学性能不如E层,而且户外验证时间相对较短,不建议在温差大、冷热应力较大的气候条件下使用。为了保护中间层PET免受紫外破坏,涂层厚度非常关键,涂层太薄,阻隔紫外和粘接力都会出现问题。阻隔层厚度与紫外线穿透率的关系一般符合Beer定律。图4数据显示,背板内层这一紫外阻隔层厚度如果低于10微米,紫外线开始穿透阻隔层到达PET,穿透比率随厚度减薄而指数升高。如果涂层厚度为1微米时,365 nm的紫外线透过率会高达11%,这会对中间层PET造成毁灭性的破坏。图5的力学性能测试数据进一步证明,当接受1000-1380小时的紫外照射后,如果内层厚度<10um,背板断裂伸长率将显著下降。一些背板厂商为了降低成本,将背板内层涂层的厚度减至极低(如图6所示,内层涂层厚度只有1.3微米),这很容易导致背板中间层PET的紫外老化。从而造成背板内层和中间PET层的脱层问题。另外,图层中钛白粉的添加量也很重要,有些涂层中加入了过多的钛白粉,导致涂层的粘接性下降,容易出现脱层问题。

图4. 紫外阻隔层厚度与紫外线穿透率的关系

图5. 断裂伸长率损失率与背板内层厚度(um)的关系——当接受1000-1380小时的紫外照射后,如果内层厚度<10um,背板断裂伸长率将损失严重。

图6. 某PVDF/PET/FEVE背板内层FEVE涂层只有1.3微米

建议:选择经广泛户外实绩验证的背板材料

光伏电站中诸多户外失效案例显示,不同类型背板的真实耐候性差异较大,特别是苛刻环境下,随着EVA中紫外吸收剂的消耗导致紫外线穿透组件到达背板内层,容易引起背板的破坏。为了给光伏组件提供长期可靠保护,以确保投资回报,建议内层也使用Tedlar?(特能?)PVF薄膜这种具有30年以上广泛户外实绩验证的背板材料。