涂覆型光伏背板可靠性分析

　　随着全球性现代化水平的逐年提高，光伏产业作为可再生能源的重要组成部分，已成为解决全球能源危机的主要方法。近十年来，全球太阳能电池生产规模增长势头非常迅猛。据统计，2002年-2012年间全球年新增光伏装机量增长了66倍以上，年化增长率为52.04%，而2007-2012五年的年化增长率高达为64.58%，总体呈加速增长的趋势。早前据Displaybank的预测：2010年后，背板需求将以年均45%以上的速度增长，到2013年，背板需求将达到21，300万平方米。然而事实上，该预测过于保守，2011年的实际需求已经超过此数据。

　　根据EPIA对全球的光伏需求预测，背板需求仍会呈线性增长，情况如图1。

图1 EPIA对全球未来五年背板需求量预测

　　在光伏组件的各个构成部件中，背板材料主要应用于光伏组件的封装环节，起到隔绝外界侵蚀的作用，一直被认为是组件制造和使用过程中极为重要的材料。由于光伏电池的封装过程具有不可逆性，加之电池组件的使用寿命要求在25年以上，一旦电池组件的封装用背板开始黄变、龟裂，则电池易失效报废。因而，虽然背板材料的绝对价值不高（晶硅电池组件的生产成本中，仅有约3%～5%来自背板），其阻水性、绝缘性、耐候性等综合特性却是决定光伏组件产品质量、寿命的关键性因素。

　　最早的背板结构是TPT背板，以PVF氟膜（杜邦公司商品名Tedlar）和PET为组成原料，即将Tedlar、PET、Tedlar三层膜材料依次以胶粘剂粘结而成的复合膜。其中Tedlar膜处于外层，起到保护的作用，PET为中心基底层，起到支撑作用。TPT背板的具体结构如图2所示

图2 TPT背板结构图

　　随着光伏行业的飞速进步，以及相关技术人员对背板材料和组件需求的深入了解，背板所起到的作用在业界越来越明朗化。其组成结构的功能性越来越细化，外层细分为空气面层和EVA面（或电池面）层，所用材料不再局限于Tedlar膜，中心基底层材料也发展为多种材料，因而不同结构、不同类型的背板逐渐衍生出来。如：

　　1KPK结构背板：结构为Kynar+PET+Kynar，为双面氟膜多层复合结构。K是指法国阿科玛的Kynar，Kynar是阿科玛的专利产品，具有独特的三层结构，是由纯膜和共混膜复合而成的PVDF膜，具有与Tedlar相似的功能。但是，PVDF膜也有其他供应商，比如苏威，大金，吴羽等。不同生产工艺得到的PVDF膜，表现出的性能特点有所不同。

　　2TPE/KPE结构背板：为单面氟膜的多层复合结构。E为EVA或PE，替代PVF或PVDF膜，作为EVA面。该类背板克服了TPT/KPK背板的EVA面与EVA胶膜粘结性差的缺点，但E层的耐候性较差。

　　3FPF涂覆型背板：用四氟树脂或三氟氯乙烯树脂等为主体的三维网状交联型氟涂层替代氟膜，形成的双面氟涂层型背板。该背板在耐候性方便优于TPE/KPE背板，逐渐为国内外主流客户所接受。

　　2PET背板：用两层或三层改性PET复合而成，层与层之间用胶黏剂粘合或共挤成型。为了提高耐候性，通常在EVA面和空气面进行底涂。该类背板成本低廉，随着PET性能的不断提升及改进，PET型背板的市场份额在上升。

　　5A型背板：用两层或三层聚酰胺（PA）互相贴合或PA与PET干法复合而成。该背板尺寸稳定性和水汽阻隔性方面较差，逐渐退出市场。

　　尽管背板的结构类型在不断变化，大三层结构依旧是背板材料永恒的主题，即需要耐候层（空气面）、阻水层（中间层）、粘结层（EVA面）三层具有不同功能的材料相辅相成相互组合而成。若在应用过程中，某一层结构存在缺陷，进而会导致背板的功能受到破坏甚至整体失效。在氟膜型复合背板中，由于氟膜与PET膜的层与层间的粘结性较弱，在湿热环境中极易出现层间分层现象，则会导致整体性能失效。对于PET背板和A型背板，其自身的内部化学结构决定了其不能具有长期的耐候性，通常需要依靠添加剂来达到所需要求。因而相比之下，FPF涂覆型背板在兼具耐候性和三层结构一体性方面具有无可比拟的优势。

　　涂覆型背板的结构以及长期可靠性

图3 涂覆型背板BEC-301结构图

　　图3所示为涂覆型背板BEC-301结构示意图，背板由F-coating/PET/F-coating三层结构组成。PET经双向拉伸后具有很高的结晶性，表面张力低、极性弱，需通过等离子处理或电晕处理，以提高其表面极性，使其表面产生可以反应的功能基团（如OH、COOH等）。这些功能基团能够与涂层中的固化剂发生化学反应，使得氟树脂与PET间产生稳定的化学桥联结构，从而形成涂层与PET间三层化学键接的一体化结构。这种稳定的化学结合方式使涂覆型背板充分克服了TPT/KPK/TPE/KPE等氟膜型背板易层间易分层的缺点，赋予BEC-301背板优秀的层间粘结特性。如图4所示，经长期湿热老化（85℃，85RH%）后，涂层的附着力一直保持在0级水平，不会出现随老化时间的延长，涂层脱落的现象。从而，表明了涂层与PET间化学键接作用的稳定性和长效性。

图4 涂层附着力测试结果

　　涂覆型背板BEC-301为双面氟涂层，双面均具有优秀的长期耐候性（图5）。经长期紫外老化（QUVA300kwh/m2）后，空气面和EVA面的黄变指数均小于2，无分层、起泡、粉化现象出现。经长期紫湿热老化（双85，3000h）后，空气面和EVA面的黄变指数均小于3，无分层、起泡、开裂现象出现。

　　图5 背板空气面老化前（左图）及双85老化3000h后（右图）的表面形貌

　　涂覆型背板的可靠性主要依赖于其合理的结构设计和精细的工艺控制。其独特的三维网状化学交联型内部结构，赋予了其在F-coating/PET/F-coating三层结构一体化方面的突出优势，同时兼具在耐候、耐磨等方面优良的综合性能和更高的性价比，已经得到越来越多的太阳能电池组件技术人员的青睐。