太陽能電池背板結(jié)構(gòu)及性能分析

1、講解人：姚元毅 2013/08/10太太 陽陽 能能 電電 池池 背背 板板-結(jié)構(gòu)及性能分析目錄：目錄：一、太陽能電池背板概述二、太陽能電池背板的組成三、太陽能電池背板的加工工藝四、太陽能電池背板的性能及檢測五、太陽能電池背板使用過程中常遇到的問題Page 2一、太陽能電池背板概述Page 3 太陽能電池背板位于組件背面的最外層，在戶外環(huán)境下保護太陽能電池組件不受水汽的侵蝕，阻隔氧氣防止氧化、耐高低溫、良好的絕緣性和耐老化性能、耐腐蝕性能，可以反射陽光，提高組件的轉(zhuǎn)化效率，具有較高的紅外發(fā)射率，可以降低組件的溫度。Page 4晶體硅晶體硅EVA 膠膠玻璃玻璃EVA 膠膠PEVA背板背板 PET

2、PVDF太陽能組件結(jié)構(gòu)太陽能組件結(jié)構(gòu)耐高低耐高低溫高濕溫高濕抗氧化抗氧化高絕緣性高絕緣性耐腐蝕耐腐蝕Page 5 太陽能電池背板位于太陽能電池板的背面，對電池片起保護和支撐作用，具有可靠的絕緣性、阻水性、耐老化性。一般具有三層結(jié)構(gòu)，外層保護層具有良好的抗環(huán)境侵蝕能力(防止水氣侵蝕、抗紫外線等)，中間層為PET 聚脂薄膜(聚對苯二甲酸乙二醇酯)具有良好的絕緣性能和強度，內(nèi)層薄膜PEVA或PE與EVA 膠膜具有良好的粘接性能。二、太陽能電池背板的組成Page 61.1.外層保護層：外層保護層：為了有良好的耐候性，一般要求背板外層材料為含氟材料，PVF和PVDF為最常見的兩種含氟材料，在所有高分子材

3、料中是眾所周知的耐侯性最佳產(chǎn)品。氟樹脂獨特的性能源于其特殊的分子結(jié)構(gòu)C-F。C-F鍵是有機化合物共價鍵中鍵能最大的，C-F鍵能485KJ/mol，太陽光中紫外光波長200380nm，220nm的光子的能量為544KJ/mol，只有小于220nm的光子才能離解C-F鍵。在陽光中，小于220nm的光子比例很?。ú坏?%），而且這些短波紫外線容易被大氣圈外臭氧層吸收，能到達地面的極少，所以太陽光幾乎對氟聚合物沒有任何影響。其缺點就是價格高昂，同時不易粘接，全球許多大型材料公司做了多年的材料研究，尋找可替代產(chǎn)品，但目前尚未找到理想的替代品。Page 7 PVF薄膜，學(xué)名聚氟乙烯（polyvinyl f

4、luoride ），由氟和氟碳分子的共聚體擠壓而成。為含氟或氟碳的共聚物，比其它任何聚合物具有更大的化學(xué)結(jié)合力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對日照、化學(xué)溶劑、酸堿腐蝕、濕氣和氧化作用的抵抗力和耐久性效果顯著。做PVF薄膜最為出名的為美國杜邦公司，杜邦公司的注冊商標Tedlar就是現(xiàn)光伏行業(yè)做背板用的最多PVF薄膜，TPT或TPE等背板中的T層指的就是這里所說的Tedlar ，其有第一代和第二代之分，從實際使用情況而言第一代產(chǎn)品質(zhì)量更好一些，其厚度在30um左右，目前較多供應(yīng)歐美市場。第二代產(chǎn)品成本低一些，厚度為25um，表面有肉眼可見的針孔，供應(yīng)亞洲市場較多。第一代含氟膜用的是擠出吹塑法，第二代用的是流延法。

5、Page 8 PVDF聚偏氟乙烯，除具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐候性、耐射線輻射性能外，還具有壓電性、介電性、熱電性等特殊性能，是目前含氟材料中產(chǎn)量名列第二位的大產(chǎn)品。做PVDF薄膜最為出名的為法國阿科瑪公司，阿科瑪公司的注冊商標Kynar就是現(xiàn)光伏行業(yè)做背板用的最多PVDF薄膜，KPK或KPE等背板中的K層指的就是這里所說的Kynar 。 由于PVDF的密度是PVF的1.3-1.4倍，在分子結(jié)構(gòu)上多一個氟原子，所以比PVF更致密、更耐候、阻隔性更好。純PVDF薄膜的透水率只有同等厚度的PVF薄膜的1/5左右，所以通常情況下使用PVDF薄膜的厚度可以比PVF薄，但是PVDF成

6、型較困難，一般需要添加丙烯酸類材料，此材料會造成局部老化。Page 92.PET2.PET：是聚對苯二甲酸乙二醇酯的簡稱,又稱聚酯薄膜，乳白色或淺黃色、高度結(jié)晶的聚合物，表面平滑有光澤。具有優(yōu)良的物理機械性能，長期使用溫度可達120，短期使用可耐150高溫，可耐-70低溫，且高、低溫時對其機械性能影響很小。電絕緣性優(yōu)良，甚至在高溫高頻下，其電性能仍較好，抗蠕變性、耐疲勞性、耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性都很好。氣體和水蒸氣滲透率低，但是在高溫高濕中容易水解，在紫外光照下易發(fā)生光降解反應(yīng)。背板一般都用PET膜來作為支持體。由多層PET復(fù)合而成的背板也有一定的市場應(yīng)用，TPT、TPE、KPK、KPE等材料中

7、的P層指的就是這里的PET,目前只有少數(shù)公司可以生產(chǎn)背板用PET。Page 103.3.背板內(nèi)層：背板內(nèi)層：在背板中，未經(jīng)改性的含氟薄膜和PET與EVA膠膜粘結(jié)牢度差，因此背板與電池片接觸面需要有粘結(jié)層材料，一般可以使用改性過的含氟薄膜和PET，或是粘結(jié)性強的PEVA膜或PE膜，使用PEVA膜或PE膜作為背板內(nèi)層對組件耐候性有很大的影響，但是它可以大大降低成本，但在非特別關(guān)鍵的組件上客戶還是愿意使用的。TPT、KPK等材料中使用的背板內(nèi)層就是指改性過的含氟薄膜、TPE、KPE等材料中的E層指的就是粘結(jié)性強的PEVA膜或PE膜。PE = Polyethylene，聚乙烯，是結(jié)構(gòu)最簡單的高分子有機

8、化合物，當今世界應(yīng)用最廣泛的高分子材料，由乙烯聚合而成，因其粘合在組件里面，不接觸空氣，僅有正面電池間隙漏過的部分光線對其有老化作用，故此雖然在一定程度上降低了使用年限。Page 11 所以根據(jù)背板各層所使用的不同材料，背板可以分為TPT、KPK、TPE、KPE以及多層PET壓合而成的背板等。 多層PET組成的背板：最外層是耐老化PET,加上阻隔PET等組成的，現(xiàn)在日本還有多層PET復(fù)合的背板,就是外面是抗老化的PET,中間是絕緣和阻隔的PET,與EVA接觸面是膠或者其他的。但是這種結(jié)構(gòu)一個最大的問題使用年限一般不會超過10年,再好的改性PET也不能在室外這么強的光照和惡劣條件下超過10年的。

9、 為了防止水蒸氣進入組件，有些公司在以上各類型的背板中會加入一個鋁層，比如在TPE的T和P中加入鋁層，就成為了TAPE，這種結(jié)構(gòu)的背板也有一定的市場。Page 12 以上介紹的是最為常見的幾種背板構(gòu)成，隨著步入背板行業(yè)公司的增加，還有許多其他結(jié)構(gòu)的背板相繼面世：備注1* Primer：底漆或底涂* PO：Polyolefin，指各類聚烯烴，包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和其共聚物或合金Page 13 備注21.ECTFE:聚三氟氯乙烯，乙烯和三氟氯乙烯1:1的交替共聚物，此材料從低溫到330 的性能良好，其強度、耐磨性、抗蠕變性優(yōu)良。它在室溫和高溫下耐大多數(shù)腐蝕性化學(xué)品和有機溶劑。在上述幾

10、種雙氟薄膜結(jié)構(gòu)中，ECTFE的水氣阻隔能力是最強的，但成本也最高。2.SIOX-PET真空濺射氧化硅的PET層以增強背板的隔水性。3.THV:四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)與偏氟乙烯(VDF)的共聚物。THV是美國Dyneon公司在20世紀80年代開發(fā)出的性能優(yōu)異的氟塑料，除具有氟塑料耐候性、不燃性、不粘性外，還可以象常見聚合物一樣容易加工，是一種極具發(fā)展前景的氟塑料。4.FEVE：目前唯一能真正室溫固化的氟碳涂料，但是FEVE是否適合做背板還是需要長時間的可靠性實驗來驗證，另外兩種氟涂料PTEE，PVDF由于需要370-400 高溫?zé)Y(jié)成膜，高于PET熔點280，故此兩種涂料無法在背

11、板上使用。Page 141.復(fù)合法：復(fù)合法是現(xiàn)在光伏行業(yè)里比較接受的背板加工工藝，所以將重點介紹。三、太陽能電池背板的加工工藝 基材供卷基材供卷 (PET原料原料) 涂膠涂膠 干燥干燥 復(fù)復(fù) 合合 涂膠涂膠 F膜供卷膜供卷 配制膠液配制膠液 包裝出貨包裝出貨收卷收卷 熟化熟化（包括松、緊卷）（包括松、緊卷） 半成品半成品半成品預(yù)固化半成品預(yù)固化 干燥干燥 復(fù)復(fù) 合合F膜、膜、E膜供卷膜供卷配制膠液配制膠液第一面第一面：預(yù)固化后預(yù)固化后 的半成品的半成品第二面第二面：收卷收卷 分切分切（裁邊、去廢）（裁邊、去廢） 成 品 檢 驗成 品 檢 驗（卷、片材）（卷、片材）Page 15Page 16背

12、板復(fù)合生產(chǎn)線Page 17影響復(fù)合法成型背板品質(zhì)的因素有以下兩大類：1）生產(chǎn)設(shè)備及工藝參數(shù)：a.涂布方式：要求厚度均勻，以保證粘接效果。目前涂布行業(yè)最先進的涂布方式為定量擠壓式涂布方式，因其涂布料液采用定量并由PLC(可編程邏輯控制器)進行自控，不受環(huán)境溫度影響，涂布精度高，故而在高精度涂布的產(chǎn)品中得以應(yīng)用，遠比常規(guī)的凹版涂布方式和逗號刮刀方式精確。b.干燥過程控制：干燥過程控制是涂布生產(chǎn)的關(guān)鍵，否則溶劑殘留過多，會引起背板雙85老化測試中起泡，分層，從而影響使用壽命，其重點是由涂布生產(chǎn)中各項工藝參數(shù)綜合平衡來控制的。Page 18 2）粘接體系： a.粘接物料體系： 粘接物料體系由粘合劑，稀

13、釋溶劑及部份填加的助劑形成，其主體是粘合劑的作用。 目前國內(nèi)外背板企業(yè)選用的粘合劑體系基本上均為雙組份聚氨酯體系，因其既要有優(yōu)異的抗UV、耐水解等抗老化要求，又要對難粘接的含氟膜有良好的粘接性，故目前全球也僅有幾家專業(yè)的粘合劑公司可以生產(chǎn)。 粘接體系中影響剝離強度的另一因素，就是稀釋溶劑，常規(guī)選用的為:乙酸乙酯，酮類等，但對其純度要求極高，因為其中所含的水份，醇類等羥基（-OH）雜質(zhì)會與粘合劑中固化劑所含有的異氰酸根（-NCO）發(fā)生直接反應(yīng)，導(dǎo)致粘合劑性能下降，嚴重的甚至失效，故而雖然溶劑是常規(guī)溶劑，但其中對羥基類雜質(zhì)含量要求必須控制嚴格，這也是同粘合劑生產(chǎn)公司一樣，是使用溶劑行業(yè)中的最高標準

14、要求。工藝調(diào)試期間的注意事項：工藝調(diào)試期間的注意事項：Page 19 b.膜材料的表面性能： 首先是膜表面處理的因素，目前主流均為電暈處理，甚至需要特定的等離子處理方式，通過高頻電火花對膜表面沖擊，一方面形成微小凹坑增加粘接的表面積，另一方面將薄膜表面分子的化學(xué)鍵打斷，形成與粘合劑中活性鏈的交聯(lián)反應(yīng)，但電暈處理不能過度，否則造成膜表面損壞，同樣也會造成粘接性能的下降。故此膜復(fù)合前的表面處理極為關(guān)鍵，要求其處理設(shè)備（電暈或等離子）運行穩(wěn)定，放電均勻一致，并達到相應(yīng)的瓦特密度性和合適的處理深度。 其次是膜本身的因素，因此行業(yè)要求高耐侯性，故此在膜材料中都添加了相應(yīng)的助劑，以提高其性能，下面就三種膜

15、進行逐一分類比較： PET膜分為半透與白色兩類，相對來講，半透膜要易粘接，而白色膜中添加了各種助劑會影響一定粘接性能。Page 20 PF薄膜是難以粘接的物質(zhì)，尤其是PVDF膜含有雙C-F鍵，比杜邦的PVF膜單C-F鍵更難以粘接，同進粘接效果還受膜中助劑成分、成型工藝等因素影響。 PEVA膜或PE膜是TPE、KPE類背板中的薄弱環(huán)節(jié)，因其本身耐侯性并不理想，但出于對背板產(chǎn)品的成本考慮，將與層壓EVA面的膜材料換成PE或EVA膜，以犧牲部分抗老化性能換取成本的降低，這是目前絕大部分中型組件公司的首選。Page 21 2.涂覆法：組件廠家先是使用復(fù)合法成型的背板,并且也通過20多年的使用驗證,所以

16、目前使用PVF、PVDF等F膜的背板接受程度還是比使用氟涂料涂覆形成的背板高。 基材供卷基材供卷 (PET原料原料) 涂膠涂膠 干燥干燥 涂膠涂膠 包裝出貨包裝出貨收卷收卷 熟化熟化（包括松、緊卷）（包括松、緊卷） 半成品半成品半成品預(yù)固化半成品預(yù)固化 干燥干燥配制氟涂料配制氟涂料第一面第一面：預(yù)固化后預(yù)固化后 的半成品的半成品第二面第二面：收卷收卷 分切分切（裁邊、去廢）（裁邊、去廢） 成 品 檢 驗成 品 檢 驗（卷、片材）（卷、片材）配制氟涂料配制氟涂料Page 22 2.涂布法和復(fù)合法的差別： 盡管二者化學(xué)組成基本相同，但因形成過程和涂布方式的差別造成二者使用性能上的差別：a. 裝飾保

17、護層的致密性： F膜（PVF/PVDF薄膜）由共聚體擠壓而成，這一形成過程保證了裝飾層致密無暇，決無氟涂料噴涂或滾涂過程中經(jīng)常發(fā)生的針孔，發(fā)裂等缺陷。所以：F膜的飾層隔絕性優(yōu)于氟涂料。F膜板可以用在腐蝕環(huán)境更為惡劣的地方（例如，海邊區(qū)域），日本及其它國家更規(guī)定這些地區(qū)的金屬壁板要用F 膜覆蓋！ 曾經(jīng)進行過試驗：將氟涂層鋼板和Tedlar PVF 覆膜鋼板同時置于鹽酸上方，暴露在HCL 氣霧中，30 分鐘以后，HCL 氣體透過氟涂層侵蝕鋼板表面，而PVF 覆膜保護的鋼板絲毫未變。Page 23 b. F膜制造過程中分子晶格沿縱、橫方向擠壓排列大大強化了它的物理強度，所以： F膜具有更大的韌性，1

18、80 折彎試驗后用放大43 倍的放大鏡觀察F膜沒有裂紋，而氟涂層可見明顯裂紋，其原因是：F膜的延伸率可達100% ，而氟涂層沒有,這一微小的差別非同小可，因為日后的腐蝕就會很快從裂紋這里開始！ F膜具有更強的耐磨能力，按ASTM D968 要求進行的落沙耐磨試驗表明37.5 m的F膜相當于100 m 氟涂層的耐磨能力，因此在大氣、風(fēng)沙的沖刷面前，F(xiàn)膜板的壽命將更長！ F膜優(yōu)良的物理性能決定了它優(yōu)良的加工性能,它可承受剪切、沖壓、滾壓、鉆孔、釘釘、軋邊和折邊等各種操作而不產(chǎn)生龜裂、或其它可能影響使用壽命的損害。Page 24 項目復(fù)合型背板涂覆型背板原因分析水汽阻隔性高（2g/d.m2）低（10

19、-20g/d.m2）氟碳涂料中含有大量的溶劑，在烘干過程中溶劑揮發(fā)形成針孔，從而降低了水汽阻隔性能與PET粘結(jié)強度大小，易分層無法形成完整的氟涂膜，故粘結(jié)強度較小，易發(fā)生分層層間附著力大小多次涂覆，各涂層之間粘結(jié)困難延伸性良好無涂覆層無延伸性能（180彎曲后在43倍顯微鏡下可見裂紋）反粘性無有涂覆層在高溫高濕（PCT-60h）下呈熔融狀態(tài)，出現(xiàn)反粘現(xiàn)象耐摩擦性耐磨系數(shù)15L/m耐磨系數(shù)5L/m37.5m的F膜具有100m涂覆層的耐磨能力沾污性不易易涂覆層表面平整性差，易沾污以及滋生細菌，而細菌的分泌物嚴重影響背板的性能和使用壽命有毒性幾乎無毒有毒氟碳涂料中的溶劑為甲苯、二甲苯、乙酸丁酯等有毒溶

20、劑；膠黏劑中使用的溶劑為乙酸乙酯、丙酮等常規(guī)溶劑Page 25 3.還有一種用的比較少的背板加工工藝是交聯(lián)反應(yīng)法：將F3F4含氟樹脂在高溫下通過交聯(lián)劑反應(yīng)，將氟樹脂在PET薄膜表面成膜，成膜后形成無間隙的一體化三層薄膜。F3F4含氟樹脂從日本旭肖子采購，該背板膜最大的特點是通過交聯(lián)反應(yīng)，分子是網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，薄膜表面硬度比復(fù)合和涂布法薄膜高，適宜在野外的太陽能電站，特別是風(fēng)沙較大的地方。Page 26 1.厚度：對于不同的材料，制成的產(chǎn)品厚度也是不一樣的，為了達到一定的絕緣性能，一般而言PET厚度為250m、PVDF薄膜厚度為25m、PEVA薄膜厚度為70m，兩層膠黏劑的厚度均在10m左右。所以

21、太陽能電池背板KPK的厚度為32010m，KPE厚度為36510m。 檢測方法：用精度為0.001mm的螺旋測微儀進行厚度檢測。四、太陽能電池背板的性能及檢測Page 27 2.克重：對于不同厚度，不同材料的背板有不同的克重要求，我司KPK背板的克重為45010g/m2，而KPE背板的克重為50010g/m2。 檢測方法：用精度為0.1g的電子臺秤測量。四、太陽能電池背板的性能及檢測Page 28 3.拉伸強度(分為MD、TD向) ：背板試樣發(fā)生斷裂時的最大負荷，對于不同厚度、不同材料的背板有不同的拉伸強度，我司KPK/KPE背板的拉伸強度均120Mpa。檢測方法：微控電子萬能拉力機進行拉力測

22、試。Page 29 4.斷裂伸長率(分為MD、TD向) ：背板試樣發(fā)生斷裂時的最大伸長率，對于不同厚度、不同材料的背板有不同的斷裂伸長率，我司背板KPK/KPE的斷裂伸長率均100%。檢測方法：微控電子萬能拉力機進行拉力測試。Page 30 5.初始層間剝離強度（分MD、TD向和第一、二面）：測試背板各層之間的粘結(jié)強度，最常見標準為4N/cm(1N/cm=1000Pa)。檢測方法：微控電子萬能拉力機進行180剝離強度測試。Page 31 6.水煮后層間剝離強度（分MD、TD向和第一、二面）：將背板放置在沸水浴中浸泡24h后測試背板各層之間的粘結(jié)強度，最常見標準為4N/cm(1N/cm=1000

23、Pa)；水煮后無發(fā)粘、發(fā)黃、褶皺、分層等不良現(xiàn)象。檢測方法：微控電子萬能拉力機進行180剝離強度測試。Page 32 7.背板與EVA膠膜層壓后的剝離強度：測試背板與EVA膠膜層壓后的粘結(jié)強度，此測試是模擬組件生產(chǎn)現(xiàn)狀，不同的背板與不同的EVA膠膜之間的粘結(jié)強度有一定的差距，但普遍的標準為40N/cm。檢測方法：取長度約為300mm，寬度為150mm的鋼化剝離一塊；在鋼化剝離上依次層疊同樣大小的背板和EVA，放入層壓機中層壓。進行層壓固化后放置室溫冷卻4小時以上，將固化件裁割為1*300mm的小條。取其中的幾條，分別手工將背板與EVA分離20mm左右，將樣品固定在拉力測試機上，以速度為100m

24、m/min進行180剝離，每次剝離100mm，記錄其數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果取數(shù)據(jù)的中值。Page 33 8.尺寸穩(wěn)定性（分MD、TD向）：背板在150下烘烤0.5h后測試其在長度方向和寬度方向的收縮率。較為普遍的標準為1.5% 。檢測方法：取A4紙大小樣品，在長度方向畫250mm，寬度方向畫180mm的直線，各5條，記M1；將樣品放入150攝氏度烘箱中(或?qū)訅簷C)加熱30min；取出冷卻至室溫后，量取上述直線的長度M2；按照(M1-M2)/M1計算得樣品收縮率，取平均值。測試所用儀器為游標卡尺或二次元。Page 34 9.水汽透過率：在382、100%RH的條件下，測試背板的水汽透過率。我司標準為1.5g/（.d）。 檢測方法：有三種測試方法，分別是稱重法(杯式法、電解法和紅外傳感器法)，電解法較為普遍。電解法：利用試樣把測試腔隔開，一側(cè)為干燥的氮氣流，另一側(cè)具有一定的濕度，水蒸氣會從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)滲透，透過試樣的水蒸氣被干燥的氮氣載入到電解傳感器，其電解輸出信號與水蒸氣的濃度成正比，通過對信號的處理從而得到試樣的水蒸氣透過量。Page 35 10.擊穿電壓：背板發(fā)生擊穿時的電壓值，測