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背板材料关键性能分析科普帖

2016-07-06 11:14
蓝林笑生
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  光伏晶硅组件中的背板作为保护电池片和封装材料的直接屏障,对组件的安全性、长期可靠性和耐久性起着至关重要的作用。要达到保护的目的,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。

  而实现这些关键性能,与背板材料密不可分。

  自20世纪八十年代NASA晶硅组件研究项目完成以来,玻璃前板+EVA+双面Tedlar® PVF薄膜复合背板的经典光伏组件封装结构经过了各类气候条件的实践检验,并被沿用至今。其中,特能®(Tedlar®) PVF薄膜作为唯一具有30年以上广泛户外实绩验证的背板材料也已被系统开发商、金融保险等投融资机构认可,能够为光伏组件提供长期可靠保护,确保投资回报。

  完美材料需结合自身优势与独特加工工艺

  由双面Tedlar® PVF薄膜组成的TPT背板 (Tedlar®/PET聚酯薄膜/Tedlar®)已经成为了行业标杆,尽管市面上不断有各种山寨品出现,但无一能超越其优异的产品性能。

  那么问题来了,为什么是聚氟乙烯(PVF)薄膜?

  首先,聚氟乙烯(PVF)薄膜采用双向拉伸制造工艺,所制备的薄膜在横向和纵向两个方向都经过强化,机械性能均衡没有弱点。由于PVF薄膜加工温度和分解温度接近,要求极高的工艺控制,并且投资巨大,这也是目前只有杜邦公司能够生产的主要原因,从而保证了Tedlar®薄膜产品质量的可靠性和一致性。

  相对而言,聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和流延两种成型工艺。这两种成型工艺制备的薄膜在纵向方面有不同程度的拉伸,但在横向的拉伸都很弱或甚至没有拉伸,造成薄膜横向机械性能均较差。另外,PVDF自身难以成膜,必须添加其他材料—不低于30%的PMMA,俗称亚克力,固有脆性很强。 添加亚克力之后容易造成PVDF薄膜横向力学性能差的缺陷,主要表现为断裂伸长率低,一般低于30%。

  为了弥补这个缺陷,个别厂家在配方中添加弹性体,使得这类PVDF薄膜在力学性能测试时产生“藕断丝连”般的效果,以达到更高的测试结果,但对实际的户外耐老化性能毫无帮助。另外,由于PVDF薄膜加工难度和门槛相对较低,每家的工艺、配方和膜结构也有所差异,导致不同PVDF薄膜性能参差不齐。但很难从外观或一般的成分分析区别不同的PVDF薄膜,因此监管难度大。

  力学性能欠佳容易导致开裂,严重影响组件安全性

  众所周知,力学性能和耐候性是背板用氟膜最重要的性能,PVDF薄膜具有横向断裂伸长率低的缺陷,该问题已逐渐在测试和应用中暴露出来。虽然添加弹性体材料有助于PVDF薄膜在初始力学性能测试时由于拉丝效果显示较高的断裂伸长率,但是在轻微的老化测试后,所有PVDF薄膜横向断裂伸长率均低于10%,基本失去了高分子材料应有的韧性,极易开裂。而同样测试条件下的PVF薄膜力学性能保持良好,仍然能维持60%以上的保持率(如图1和图2 )。

  图1 五种不同PVDF薄膜与两种Tedlar® PVF薄膜在紫外500和1000小时紫外老化测试后的横向断裂伸长率比较(紫外测试条件:QUVA,1.25W/m2@340nm, 65W/m2 @ 300-400nm, 70oC BPT)

  图2五种不同PVDF薄膜与两种Tedlar®薄膜在湿热老化500和1000小时后的横向断裂伸长率比较

  (湿热测试条件:85oC, 85%RH)

  PVDF薄膜不仅在紫外和湿热老化测试后横向断裂伸长率下降严重,在其他测试如PCT测试或耐温测试后也出现了同样的问题。大量研究文献及报道表明,这些问题与PVDF薄膜在老化时易产生再结晶有关,导致其力学性能变差。

  PVDF薄膜的横向脆性导致其在户外存在较高的开裂风险,一旦背板开裂代表绝缘性能失效,很容易引发漏电、电弧、火灾等安全性事故,甚至导致人员与财产的损失。图3是在北美地区户外使用4年的PVDF背板形貌,平均开裂比例约57%,裂纹方向均沿纵向形成。

  图3 户外使用4年的PVDF背板外层开裂形貌

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