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PET背板,创新还是“创心”?

导读: 背板作为晶硅太阳能组件的关键部件,对组件的安全性、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,背板必须具备良好的机械强度与韧性、耐候性、绝缘、水汽阻隔、耐化学腐蚀等各种平衡的性能。

背板作为晶硅太阳能组件的关键部件,对组件的安全性、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,背板必须具备良好的机械强度与韧性、耐候性、绝缘、水汽阻隔、耐化学腐蚀等各种平衡的性能。背板按照材料类别可分为含氟背板和非氟背板两大类,背板材料选择使用含氟薄膜、含氟涂层业内已有共识,目前只有含氟材料经过长期户外实证,含氟背板的市场占有率超过90%。随着光伏平价上网脚步的日益临近,产业链各个环节都有着降本提效的巨大压力,作为太阳能组件最重要的封装材料光伏背板亦是如此。为了进一步降低背板成本,部分企业尝试使用PET材料来替代氟膜或氟涂层作为背板的最外层,省去氟膜或氟涂层成本,从而售价更低。但无氟保护的PET背板还能满足组件性能要求吗?

一、PET背板结构及变化

目前PET背板主要有以下图1两种结构,第一种为三层结构,依次为强化PET(50um)、普通PET(150um)以及E膜粘接层,层与层之间使用胶黏剂粘接,需要两次复合工艺制得。为进一步迎合客户降本需求,只能围绕PET做文章,A/B结构的PET便孕育而生,A/B结构的PET与普通PET的不同之处在于其本身具有较为清晰的两层结构,一般A/B结构的PET总厚度在160um左右,外侧较薄的耐UV层占总厚度的10%,内层为普通PET,通过共挤形成A/B结构,PET内侧再复合上E膜或PO膜粘接层变形成了两层结构的PET背板,其较三层结构PET背板工艺更简单且更薄,售价因此更低。且其总厚度明显减薄,尤其是耐UV层PET厚度大幅减薄,可靠性同样也会大幅降低。

PET背板,创新还是“创心”?

图1:不同PET结构背板

二、PET的老化机理

PET作为一种高分子材料,本身结构决定了其容易发生水解、紫外光老化降解、热老化降解,内部结构表现为分子链氧化、断裂,分子量降低,用在背板最外层则容易出现表面发黄、粉化、脆化甚至开裂。为了改善其耐候性,一般会在最外层PET中加入钛白粉类无机颜料阻挡紫外线侵入,但在户外使用过程中,由于光和水的共同作用,PET表面容易粉化、发白,析出钛白粉,造成PET结构背板性能下降。

PET的湿热老化

从PET受湿热老化的失效机理分析,PET在高温高湿的条件下非常容易水解,H2O分子攻击酯键,如图2所示,使其酯键发生水解断裂,生成带羧基的低聚物,羧基同时又会促进水解反应的进一步进行。PET抗水解的方法为将聚合度提高,分子量加大,分子量分布降低,结晶度适当提高。随着技术的不断进步,目前通过此种方法生产的PET耐水解等级较高,PCT48h后无脆化现象,有些甚至能做到PCT60h以上。

PET背板,创新还是“创心”?

图2:PET水解反应

PET背板的紫外老化

从PET受紫外老化的失效机理分析,PET的紫外老化反应分为光解反应和光氧化反应,在光解反应中,PET经自由基重排反应,大分子主链发生断裂,并产生CO和CO2气体等副产物,材料PET的力学性能发生变化,如拉伸强度和断裂伸长率,如图3所示;在光氧化反应中,PET的芳环上产生氢过氧化基团,并进一步生成一酚羟基或二酚羟基衍生物,PET的发黄也主要是由这些荧光产物引起的,如图4所示。

PET背板,创新还是“创心”?

图3:PET光解反应                         图4:PET光氧反应

增强PET耐紫外性能的方法如加入耐紫外配方,包括紫外吸收剂、紫外稳定剂及抗氧剂,三者协同作用。钛白粉的加入,能散射和吸收部分紫外线;钛白粉与稳定体系的相容性差,两者相互反应,容易降低光稳定剂的作用。向界面分子转移、热斑高温下蒸发升华、雨水冲刷、紫外老化、湿热老化、热氧老化、霉菌污染等,助剂消耗速度随环境恶劣程度而变化、助剂随着PET表面的粉化逐渐消耗。

三、PET背板的户外失效案例分析

如下图5是PET背板在中国西部户外服役6年后的外观表现,在组件正面出现严重黄变现象及在电池片之间的缝隙处出现密集细小裂纹,对组件进行功率及湿漏电测试,结果显示功率衰减高达27.6%且湿漏电结果小于40MΩ·m2的标准,这给投资者带来较大利益损失,也给光伏电站埋下了安全隐患。

PET背板,创新还是“创心”?

图5:PET背板黄变、开裂

其实,PET背板材料在户外老化机理与以上分析的PET材料紫外老化机理类似,图6是实验室经过200kWh/m2紫外老化后PET聚酯材料和强化PET聚酯材料(HPET)的傅立叶红外图谱,紫外老化后两种PET材料均在1690cm-1吸收峰处出现了PET聚酯分解产物对苯二甲酸单体的吸收峰,这表明PET聚酯材料在长期紫外老化后分子链段断裂,这一现象同样出现在以上提到的户外服役六年的PET背板中,如图7。因此PET聚酯背板材料在户外发生的是光解反应与光热反应,应采用紫外老化来评估其在户外老化。

PET背板,创新还是“创心”?

图6:PET材料紫外后傅立叶红外图谱        图7:PET背板服役6年后傅立叶红外图谱

四、背板选择应该回归初衷

PET材料凭借其优异的绝缘和阻水性能作为背板核心骨架被长期应用,但通过以上失效机理和案例我们发现PET材料本身特性决定了其根本无法独立存在为组件防护25年,甚至无法满足组件对背板的十年材料质保要求,为解决其光湿热性能短板必须加以氟材料予以保护,这也是为什么含氟背板长期占领市场主流位置的原因。

对于光伏电站投资者而言,测算项目收益的前提是选择最能保障其项目投资收益率的材料,安全可靠基础上的降本才是真降本。尼龙PA挤出型背板开裂已经给行业内部分企业造成了巨大损失,盲目选择PET背板将给建立在长期收益基础上的光伏系统埋下新的隐患。优选具有长期户外实证并坚持品质不变的材料才是电站投资回报的最大保证。

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