国内外光伏背板材料现状及趋势

目前,国外的光伏电池背板产品占据了我国市场的大部分份额,作为国产背板生产企业,提高自身产品的科技含量、开发具有自主知识产权的产品,提高市场竞争 力,实现可持续发展是摆在当前急需解决的问题。
摩尔光伏     2017-1-20 12:09:48

摩尔光伏讯光伏电池是由玻璃、EVA、硅片、背板组成,按照玻璃—EVA—电池片—EVA—背板的结构封装构成,其中背板位于光伏电池背面的最外层,是光伏电池重要 组成部分,不仅起到封装的作用,同时还起到保证光伏电池不受到环境影响的作用,确保光伏电池的使用寿命。本文将对太阳能电池背板材料、结构的现状以及发展趋势作一回顾和分析。

1、光伏背板的类型及优缺点

按照光伏电池背板整体结构划分,可将光伏电池背板划分为FPF,FPE,全PET与PET/聚烯烃结构。其中F为含氟薄膜;P为双向拉伸工艺制备的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(即PET薄膜);E为乙烯-醋酸乙烯(即EVA);聚烯烃指各种以碳碳结构为主链的塑料。这些结构层之间使用胶粘剂进行粘合,通过复 合工艺制备成型。最早的光伏电池背板采用TPT结构,即Tedlar/PET/Tedlar结构,其中Tedlar为杜邦公司所生产的PVF(聚氟乙烯) 薄膜,以杜邦公司的Tedlar为基材的背板主导了大部分的光伏背板市场,第一款进入光伏市场的产品为PVF 2001,目前杜邦公司的Tedlar产品已经开发出第三代。按照光伏电池背板所采用的薄膜材质区分,可以将背板划分为Tedlar背板、含氟背板、 PET背板与其他一些采用如PE材质的背板产品。

1.1.Tedlar系列

Tedlar结构的背板被称为经典的背板结构,已成为国内外太阳能电池组件厂首选背板类型。PVF膜的结构稳定、耐环境变化,但是薄膜表面较易出现针孔, 薄膜的水汽阻隔能力较差。同时PVF材料本身含氟量小,所以PVF薄膜需要有足够的厚度来保证其性能。不过PVF是所有氟材料中成本最低的,非常适合作为 大规模推广应用的太阳能光伏背板材料。

1.2.含氟背板

在杜邦公司Tedlar产能有限的情况下,光伏电池背板生产企业也采用了其他材质的薄膜来代替Tedlar薄膜生产背板。

1)PVDF(聚偏氟乙烯) 此类薄膜的生产商主要有法国的阿科玛公司,韩国SKC等。PVDF是使用量第二大的氟塑料,其熔点和分解点相差大,可以使用 热塑性塑料加工方法进行加工。PVDF较成熟的制膜技术是使用吹膜的方法。阿克玛公司拥有专门应用于吹膜的高融体强度级别PVDF树脂,能吹出厚度仅 5μm的薄膜。PVDF中常加入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为增塑剂以提高其成膜性,加入PMMA后的PVDF的在熔融状态下更容易成膜。国内的一些 高校如北京化工等在这方面已做了较多的研究。但PVDF加入PMMA后会影响薄膜的抗老化性能,澳大利亚Leoben大学对采用不同氟塑料薄膜的背板老化 结果进行了研究,发现含PMMA(10%~20%)的PVDF薄膜经过1000~2000h湿热老化后薄膜破损严重。欧洲一家公司在中国大力推广其生产的 PVDF薄膜,尽管该公司提供的数据表明耐候性良好,但从红外图谱发现该薄膜含有大量的PMMA的成分;该薄膜为三层结构,特别是中间层PMMA— PVDF合金中的PMMA含量,甚至大大超过PVDF含量,所以该产品的实际耐候性如何,需要时间考验。

海优威公司使用与欧洲某化学品公司开发的太阳能电池背板用PVDF薄膜生产背板。该PVDF薄膜由PVDF、无机颜料和功能性添加剂组成,为单层结构,整 个薄膜内外材料均一,白色薄膜能百分之百遮蔽紫外线,经2000h的紫外老化测试,薄膜的老化性能下降可以忽略不计,其他性能完全可以满足光伏电池背板对 氟塑料薄膜的各种要求。

2)THV(四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物) 美国3M公司的BBF背板采用THV含氟薄膜。THV是美国Dyneon公司在20世纪80年代开 发,也是目前唯一的生产厂家。THV是目前市场中最柔软的氟塑料,当和其他材料复合成多层结构时,柔韧性非常突出。THV的另一个重要特点是本身容易粘 接,无须表面处理就能与其他材料粘接,背板的复合制作工艺和用硅胶粘贴接线盒都十分简便,特别适用于对背板要求柔软的场合。

3)ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物) 日本旭硝子株式会社研发的ETFE薄膜,由原料到薄膜完全自产,目前还处于试用阶段,尚未达到规模化应用。

4)ECTFE(乙烯-三氟氯乙烯共聚物) ECTFE由杜邦公司在1946年开发成功,目前商品化的产品只有苏威公司提供。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学腐蚀性能,没有一种溶剂在120℃下能侵蚀ECTFE或使其应力开裂,而且具有很高的耐候性和阻隔性。在 商品化光伏电池背板中,ECTFE是最好的耐候层的材料。

5)PTFE(聚四氟乙烯)、FEVE(氟乙烯与乙烯基醚的共聚物) PTFE背板多采用涂覆法制备,大部分由国内企业生产。由于前几年太阳能电池背板需 求旺盛,国外公司均不对中国供应氟塑料薄膜,所以国内开发了其他国家不生产的使用涂料的背板,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涂覆型背板在实际使用中会出现许多问题,如涂覆PET表面后涂料层易形成针孔,影响水汽阻隔率;涂层之间容易形成反粘,同时还存在粘结强度不够、多层涂布遇到的层间附着问题和涂层开裂等问题。因此,目前实际应用依然以复合型背板为主。

6)PET背板 此类背板多采用经过特殊处理的PET,多层复合而成,多见于日本公司生产的产品。

1.3.其他类型背板

如PE系列,我国许多小厂采用PE作为背板材质,用在小光伏组件上,生产光伏灯具等。

各个氟塑料薄膜对水汽的阻隔能力不同,其中以ECTFE为最优。使用同样厚度为100μm的薄膜,在气温40℃和湿度95%的条件下,PVF每天每平米的水汽透过率超过10~20g,PVDF为2g左右,而常用的PET不超过10g。据多数供应商提供的数据,采用氟塑料薄膜和PET薄膜复合成的背板,其水汽阻隔性能小于2g。表1为各种氟材料的特性。

表1 各种氟材料特性

2、光伏电池背板的性能测试

一款合格的背板需要具有与EVA良好的粘接性、电气绝缘性、防水防湿和耐侯性等功能,产品必须经过剥离强度、水汽透过率、热收缩率、绝缘性能测定和经过耐老化、湿热、湿冻和热循环试验合格后方能使用。

剥离强度主要由电子拉力机来进行测试,而热收缩率则是在真空烘箱内进行,主要是测定背板的力学性能。

水蒸气渗透率是衡量背板性能好坏的重要指标之一,若背板阻隔水蒸气渗透的性能不良,则空气中的湿气(尤其是阴雨天)会透过背板进入到电池板内侧,水蒸气的 渗透还会影响到EVA的粘结性能,导致背板与EVA脱离,进而使更多湿气直接接触电池片而使电池片被氧化。其测试原理为将试验薄膜隔成两个独立的气流系 统,一侧为具有稳定相对湿度的氮气流,并随着干燥的氮气流流向红外检定传感器,测量出氮气中水蒸气透过率。红外线检定法在整个实验过程中全自动测定,不破 坏扩散和渗透的平衡,结果准确可靠,同时由于红外检定法检测传感器的高灵敏度,因而可以在短时间内测量高阻隔性的材料。


耐老化测试、湿热测试、湿冻测试、热循环试验在紫外光加速老化试验箱与恒温恒湿老化箱中进行。背板不仅起到阻隔水汽的作用,还要在自然环境内保证自身的耐候性。

由于背板的结构为多层复合,所以在自然环境中经过长时间的使用后,保持其各层性能与粘结层的效果十分重要。依据IEC标准,光伏电池背板必须进行耐紫外老化、双85、湿冻等试验,测试其耐老化性能。

绝缘测试、击穿电压测试、最大系统电压测试是针对光伏电池背板的电性能作出的专业测试,主要采用介电击穿电压测试仪、绝缘测试仪、电压测试机等仪器进行测试,根据ASTM与IEC标准来检测其性能指标是否达标。

表2为目前国内一些背板企业所生产的光伏电池背板性能参数。

表2 光伏电池背板性能参数

3、光伏背板的国内外现状和发展趋势

目前国外最大的光伏电池背板供应商Isovolta大部分产品为PVF与PET的复合体,同时也提供非PVF与增加铝层的产品。其他的如美国盾膜、德国 August Krempel Soehne、韩国SFC、日本Toppan等较大的光伏电池背板供应商,也都是供应以杜邦Tedlar为基材的产品。由于能够取代Tedlar的材料较 少,所以目前众多的组件厂依然以选用以杜邦Tedlar为基材的背板产品为主。虽然大部分背板生产商都希望使用Tedlar,但是由于杜邦公司的 Tedlar供应有限,所以一些背板生产厂开始致力于开发新的不含Tedlar的背板材料,希望降低背板的价格,同时减少对于Tedlar的依赖。

德国的Bayer材料科学集团采用聚碳酸酯的混合物来作为背板材料;美国的Biosolar Inc.则是采用菎麻子为原料生产光伏电池背板材料;日本一些公司则采用经过特殊处理的三层PET复合制造光伏电池背板。

我国的企业中,台虹采用杜邦Tedlar基材料生产背板,而江苏汇通、苏州赛伍等其他采用复合法制备背板的企业,因为杜邦Tedlar供应紧张而采用Arkema等公司生产的PVDF或者其他的含氟材料。

由于复合法制备光伏电池背板比较困难,国内一些企业改用涂覆法生产光伏电池背板,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 氟层,由于氟碳涂料优越的性能,使得涂覆型的光伏电池背板同样具有较好的抗环境老化的效果。国内的苏州中来、杭州帆度、哈氟龙、联合新材、福斯特等公司皆 采用涂覆法制备光伏电池背板。

无论复合法制备光伏电池背板所采用的氟膜,还是涂覆法制备光伏电池背板所使用的氟碳涂料,所用原料大多从国外进口,价格高且供货不稳。尤其是受到国外企业专利技术的制约,使得国内没有相关的替代产品,不得不受到国外氟化工企业的制约。

4、结语

目前,国外的光伏电池背板产品占据了我国市场的大部分份额,作为国产背板生产企业,提高自身产品的科技含量、开发具有自主知识产权的产品,提高市场竞争 力,实现可持续发展是摆在当前急需解决的问题。全球生产背板的企业日益增多,同时许多塑料相关行业的企业也计划投入到光伏背板生产行业,未来2—3年将会 有更多的企业投产背板,背板产品的竞争将会越来越激烈,因此聚氟乙烯薄膜或其他含氟薄膜的国产化至关重要。


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