【刘工总结】光伏组件封装材料总结之.pdf
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1、【刘工总结】光伏组件封装材料总结之一、功能背板(Backsheet)是用在太阳能组件背面,直接与外环境大面积接触的光伏封装材料,其应具备卓越的耐长期老化(湿热、干热、紫外)、耐电气绝缘、水蒸气阻隔等性能。因此,背膜要在耐老化、耐绝缘、耐水气等方面满足太阳电池组件25年的环境考验,起到封装组件原辅料、保护太阳能组件、隔绝汇流带的作用。1.1、封装太阳能组件生产工艺是将钢化玻璃、EVA、电池片、EVA、背板按照从下到上的顺序经过层压粘合在一起,背板与钢化玻璃将电池片和 EVA 封装在内部,通过铝边框和硅胶密封边缘。作为组件的背部封装材料,对背板的相应性能有较高的要求,比如抗渗水性等。1.2、保护太
2、阳能组件的使用年限是 25 年,而且太阳能组件的工作环境非常恶劣,有的安装在在荒凉的戈壁沙漠,昼夜温差大,飞沙走石;有的组件工作的地方经常有雷雨,冰雹等恶劣天气;有的组件安装在海拔很高的高原,紫外线辐射量非常大。因此,对于组件的保护就显得非常重要,不仅要求组件的原辅料要有至少 25年的使用年限,作为背面保护材料,背板更要有优异的抗老化,抗紫外线,抗渗水,抗高温高湿,防火绝缘等性能。1.3、隔绝背板具有优异的绝缘性,在组件生产过程中,为了避免汇流带短路,经常使用背板作为隔绝填充材料。而且,为了组件美观,背部颜色一致,因此背板是最佳选择。二、分类光伏背板的分类有多种,最常用的有两种,即按制造工艺分
3、为涂布型和复合型;按含氟材料分为双面含氟背板、单面含氟背板、无氟背板三种。2.1、制造工艺背板的加工方式有 2 种:涂布和复合。涂布相对复合来说成本相对较低,工艺相对简单。两种工艺都是成熟工艺,做出来好产品没什么大问题,关键是背膜表面的氟(F)材料。背板的主要特性是靠氟材料来体现的,一般来说,氟材料无论是复合膜还是涂料,只要加工得当,氟元素含量足够,背板的耐侯性和阻隔性都不是问题。但是组件厂家先是使用聚氟乙烯(PVF)复合膜,并且也通过 20多年的使用验证,所以目前使用 PVF 等类似的氟膜背板接受程度还是比使用氟涂料涂布形成的背板高。但是从原理上来说,其实是差不多,F 涂料在跨海大桥等一些对
4、耐侯性要求高的地方使用年限也有 30 多年了。当前,国内背膜产业还处于起步发展阶段,其开发生产企业多分布于中国大陆长三角地区。以台虹、赛伍、乐凯、汇通为代表的背膜企业主要采取以 PVF、PVDF 或 ETFE 等氟膜与 PET 基材通过胶粘剂粘结复合而制备复胶型背膜,其氟膜基本依赖进口,背膜制造成本较高。以苏州中来、哈氟龙、福斯特等为代表的背膜企业通过以四氟树脂(PTFE)或三氟氯乙烯树脂(CTFE)为主体树脂的涂料采取涂覆方式与 PET 基材复合而开发制备涂覆型背膜,在背膜成本与技术方面具有较大优势。由于国内复合型背膜制造企业在主要原材料和核心技术方面不具备成本和质量的优势,造成产品整体的核
5、心竞争力与利润空间较低。而苏州中来公司通过自主研发,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面和四氟涂层(FFC)表面分别采取全球首创的等离子体硅钛化处理技术和等离子体氟硅氧烷化处理技术,显著增加了 PET 和 FFC 的表面能和活性化学基团数量,使 PET 与 FFC 之间、FFC 与 EVA 之间不但具有物理吸附,还产生化学分子的接枝,使得 FFC 氟涂层与 PET结合力超强,与 EVA 的粘结力大幅度提高,经过85*85%RH2000 小时老化测试它们之间不分层不脱层。目前,苏州中来四氟型太阳电池背膜已通过了 TUV、SGS、UL 等国际认证,并在国内外光伏企业得到广泛应用。2.1.1、涂布氟
6、碳涂料经过几十年的快速发展,在建筑、化学工业、电器电子工业等各个领域得到广泛应用,成为继丙烯酸涂料、聚氨酯涂料、有机硅涂料等高性能涂料之后,综合性能最高的涂料品种。目前,应用比较广泛的氟树脂涂料主要有聚偏氟乙烯(PVDF)、三氟氯乙烯树脂(CTFE)、四氟树脂(PTFE)三大类型,我国也是继美国、日本之后第三个拥有氟碳涂料合成技术并实现产业化的国家。以氟树脂跨国企业(如日本旭硝子、大金和法国阿科玛等)开发生产的 PVDF、CTFE、PTFE 树脂为主体树脂制备的氟碳涂料,广泛应用于桥梁、大厦、铁路、通信设施的表面防护上,并经受了 40 年以上的户外严酷考验,表现出极佳的耐候性能。同时,目前包括
7、低温等离子体改性技术、辐照改性技术、真空等离子体化学接枝技术在内的材料表面改性技术已较为成熟。因此,将氟碳涂料、PET 表面改性技术、氟涂层表面改性技术等应用于太阳电池背膜的开发,从而实现不使用胶粘剂并具有优异长期耐候性能的低成本高品质涂覆型背膜产品是完全可行的。涂布背膜包括厚度 100350m 的 PET 薄膜基体,基体两面涂覆有 1530m 的含氟聚合物涂层,其中一面含氟聚合物涂层上涂覆有 0.55m 的粘合剂层;所述的含氟聚合物涂层由各原料组分按配比混合后经砂磨处理得到的混合乳液直接涂覆在 PET 薄膜基体上得到,所述含氟聚合物涂层的原料包括如下质量配比的组分:含氟涂料 3055,溶剂2
8、040,交联剂和固化剂 26,填料 1540。2.1.2、复合复合型太阳电池背膜(TPT、TPE 等)多是以欧美一些氟化工企业开发的 PVF 或 PVDF 等氟膜通过胶粘剂与 PET基材粘结复合而成。复合型背膜由于其内部 PET 基材两面存在胶粘剂,而胶粘剂的质量水准不一,加之复合工艺良莠不齐,在电池组件户外长期使用过程中复合型背膜受湿度与温度双重因素的综合影响,易发生粘结胶层水解等损害,最终导致氟膜(PVF 或 PVDF 等)与 PET 基材的层间剥离,影响电池组件长期使用的可靠性。同时,由于制造专利技术制约和氟膜表面的亲水性改性处理技术等原因,目前 PVF 和PVDF等氟膜产品还没有在中国
9、实现国产化。因此,采用PVF或PVDF等氟膜开发生产双面含氟和单面含氟太阳电池背膜的中国企业长期受制于外国氟膜制造商,其背膜制造成本居高不下,且适用于氟膜与 PET 粘结的高品质胶粘剂多为国外极少数厂商技术垄断,很难进口。而国内一些背膜生产企业只能采用一些普通的聚氨酯、环氧或丙烯酸类胶粘剂,这些胶粘剂容易老化,在性能上无法满足 25 年的耐久性要求。太阳能电池背板复合膜,由下述三层材料复合而成:0.0350.045mm 厚的聚氟乙烯膜;0.180.30mm 厚的 PET 膜;0.0250.035mm 厚的 EVA 涂层。上述太阳能电池背板复合膜的制备方法包括下述步骤:在聚氟乙烯膜与 PET 膜
10、表面分别涂覆固化剂,热熔粘合而得基膜,然后再在 PET 膜的另一表面涂布 EVA 涂层即得太阳能电池背板复合膜。2.2、含氟材料如前所述,背板的主要特性是靠氟(F)材料来体现的,背板按照含氟材料可分为双面含氟背板,单面含氟背板,不含氟背板三种。2.2.1、双面含氟背板市面上双面含氟背板最常见的是 TPT(聚氟乙烯复合膜),TPT 采用复合工艺,两面含氟材料为美国杜邦公司生产的 Tedlar 聚氟乙烯聚合物,中间为 PET,通过胶黏剂复合在一起。内层氟材料保护 PET免受紫外线腐蚀,同时经过特殊处理与 EVA 更好的粘结,外层氟材料保护组件背面免受湿、热、紫外线侵蚀。双面含氟背板大同小异,区别只
11、在氟材料的成分和内层氟材料的特殊处理上。比如,伊索 TPT 背板内层经过特殊处理,以使其更适合与 EVA 粘结,而凸版 TPT 则不分正反面;又比如,DDF 采用 PVDF 作为两面含氟薄膜。从长远来看,如果背膜内层不含氟材料,不能对背膜的 PET 主体基材进行有效保护,组件安装后背膜无法经受长期的紫外老化考验,在几年之内组件就会出现背膜黄变、脆化老化等不良现象,严重影响组件的长期发电效能,因此,双层氟材料背板是完全必要的。2.2.2、单面含氟背板单面含氟背板代表产品为美国 3M背板,为三层结构复合而成,成分为:外层 THV 氟塑料(四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯共聚物),中间 PET 基体,内
12、层 EVA。单面含氟背板厂家虽不同,但结构大同小异,内层EVA 与中间基体基本不变,不同之处可能在于外层氟材料成分不同,比如Tedlar PVF,PVDF 等。由于目前背膜开发生产企业考虑到双面含氟材料给整个背膜生产造成的成本压力,厂商采用了 EVA 材料(或其他烯烃聚合物)替代双面含氟的 TPT 结构背膜中 EVA 粘结面(光照面)的氟材料,从而出现了单面含氟的 TPE 结构的背膜。此类 TPE 结构的背膜在与组件封装用 EVA 胶膜粘结后,由于其光照面无含氟材料,不能对背膜的 PET 主体基材进行有效保护,组件安装后背膜无法经受长期的紫外老化考验,在几年之内组件就会出现背膜黄变、脆化老化等
13、不良现象,严重影响组件的长期发电效能,因此单面含氟的 TPE 结构的背膜是不适用于晶硅太阳电池组件的封装使用的。2.2.3、不含氟背板不含氟背板是通过胶粘剂将多层 PET 胶粘复合而成,主要品种有 PE,DNP 等。不含氟背膜从材料本身特性上无法满足商用晶硅太阳电池组件 25 年的湿热、干热、紫外等环境考验与使用要求,也就很难适合用于晶硅太阳电池组件的封装。但是它适合中短期使用年限的组件,如 510 年期限。三、成分各厂家的背板虽然其成分各有不同,但核心部分不会变,即 PET基体和含氟材料,PET 提供力学性能和绝缘性能,氟材料提供阻隔性和耐候性。背板的主要特性靠氟材料来体现,一般来说氟材料无
14、论是复合膜还是涂料,只要加工得当,F 元素含量足够,背板的耐侯性和阻隔性都不是问题。3.1、PETPET(聚对苯二甲酸乙二醇酯),化学式为-OCH2-CH2OCOC6H4CO-,英文名:polyethyleneterephthalate,简称 PET,俗称聚酯薄膜,为高聚合物,由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来。对苯二甲酸乙二醇酯是由对苯二甲酸和乙二醇发生酯化反应所得。属结晶型饱和聚酯,平均分子量(2-3)104,重均与数均分子量之比为 1.5-1 8。相对密度 1.368,熔点 225,流动温度 243,玻璃化温度 80,马丁耐热 80,热变形温度 98(1.82MPa),分解温度35
15、3。溶于甲酚、浓硫酸、硝基苯、三氯醋酸、氯苯酚,不溶于甲醇、乙醇、丙酮、烷烃。使用温度-100120。弯曲强度 148-310MPa。吸水性 0.06-0.129,冲击强度 64.1-128Jm,洛氏硬度 M 90-95,伸长率 1.8-2.7。PET 是颜色为乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物,表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能,长期使用温度可达120,电绝缘性优良,甚至在高温高频下,其电性能仍较好,但耐电晕性较差,抗蠕变性,耐疲劳性,耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。研究表明,PET 分子主链中含有大量的酯基,与水具有很好的亲和性,容易产生水增塑,同时即使微量的水分也会导致分
16、子主链的降解。PET 在湿热老化过程中,老化性能的变化受三个因素影响:结晶度、水增塑、水解,各因素自始至终都在起作用,不同的环境和不同的阶段内各种不同因素起主导作用。老化初期,结晶为主导因素,它增加杨氏模量1、最大拉伸应力,但使材料变脆,降低冲击强度;然后水增塑成为主要因素,它使材料韧性增加,但是很快水解反应上升为主要因素,它引起 PET 大分子链断裂,分子量下降,从而引起机械性能的破坏。而温度的升高则会使上述过程明显加快,因此水和热是导致 PET 物理机械性能急剧下降的主要原因。此外,紫外辐射也会使 PET 的分子量、强伸度大幅度下降,结晶度有所提高,从而使材料脆化。通过胶粘剂将多层 PET
17、 胶粘复合而成的不含氟背膜从材料本身特性上就无法满足商用晶硅太阳电池组件 25 年的湿热、干热、紫外等环境考验与使用要求,也就很难适合用于晶硅太阳电池组件的封装。注:1杨氏模量:杨氏模量(Youngsmodulus)是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量,它是沿纵向的弹性模量,也是材料力学中的名词。根据胡克定律,在物体的弹性限度内,应力与应变成正比,比值被称为材料的杨氏模量,它是表征材料性质的一个物理量,仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性,杨氏模量越大,越不容易发生形变。3.2、有机氟材料有机氟材料是指含有氟元素的碳氢化合物,归属一种特殊质料,具有卓然的耐化学性和
18、热稳定性,还具有优良的耐侯性、耐腐蚀性、耐热性、防污性、斥水斥油性、介电性、不燃性和不粘性,磨擦系数极小,为很多其他合成质料所不及,广泛用于于兵工、电子、电器、机械、化工、纺织等各个领域。含氟背膜表面的氟材料由于氟原子电负性大,原子半径小,碳氟键键能极强(高达 485KJ/mol),而且由于相邻氟原子的相互排斥,使氟原子不在同一平面内,主链中 CC C 键角由 112变为 107,氟原子沿碳链作螺旋分布,故碳链四周被一系列性质稳定的氟原子所包围。由于氟原子是对称分布,整个分子呈非极性;又因氟原子极化率低,碳氟化合物的介电常数和损耗因子均很小,所以其聚合物是高度绝缘的,在化学上突出的表现是高热稳
19、定性和化学惰性。表一阐述了氟碳键特征和含氟聚合物特性。另外,通常太阳能中对有机物起破坏作用的是紫外光部分,即波长为 700200nm 之间的光子,而全氟有机化合物的共价键能达 544KJ/mol,接近 220nm 光子所具有的能量。由于太阳光中能量大于 220nm 的光子所占比重极微,所以氟系涂料耐候性极好。全氟碳链中,两个氟原子的范德华半径之和为 0.27nm。基本上将 C C C 键包围填充。这种几乎无空隙的空间屏障使任何原子或基团都不能进入而破坏 C C键。因此,其耐化学性极好。3.2.1、PVF 分子式:-CH2-CHF-学名:聚氟乙烯。白色粉末状,部分结晶性聚合物。氟碳比(F/C):
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