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YPE htmlhtmlheadtitle data-vue-meta=true【光伏材料】光伏组件封装的背板材料 - 哔哩哔哩完美体育(中国)有限公司发布日期:2023-01-21 浏览次数:

  完美体育光伏组件背面的外层材料称为背板,是光伏组件的关键部件,它将组件内部与外界环境隔离,实现电绝缘,使组件能够在户外长时间运行。组件的可靠性、使用寿命也与背板质量密切相关。背板材料如果失效,则组件内部的封装材料会直接在严苛的户外环境中,引发封装材料水解、电池和焊带腐蚀以及脱层等,迅速降低组件功率输出和使用寿命,严重的还会导致组件绝缘失效,继而引发火灾和伤亡事故。因此,优良的背板材料应该具有良好的机械稳定性、绝缘性、阻隔水气性、粘接性、散热性、耐环境老化性(紫外线、高温、湿热和化学品等),并附加一定的光线反射功能,以增强发电效率。通常可根据组件的不同需求及应用场合选取适当的背板。

  不同结构的背板有不同的功能,可以根据不同的使用区域选择合适的背板。使用含氟背板的组件可用于紫外线强烈的地区;使用耐水解PET的组件可用于高温高湿地区;传统的白色背板能够增强光线反射,从而提高组件发电效率;黑色背板可以满足屋顶等建筑的美学要求;而采用玻璃背板可以做成透光的组件,适用于建筑采光、农业大棚。黑色和透明背板是没有光线反射功能的,与白色背板的组件相比,输出功率会降低2%~3%。

  目前市场对背板提出的要求极高,因为组件的安装地址是未知的,所以在生产时会要求背板具备能够满足所有使用环境要求的功能,从而导致了高成本。然而现实的情况是光伏组件在长达几十年的应用过程中,其运行环境是相对单一的,并不需要采用能够满足所有气候条件的材料。最好的解决方法是开发和选择差异化的背板,满足不同的气候条件,这样可以在一定程度上降低成本,选择性价比更好的材料和产品。

  如前所述,光伏组件对背板的要求很高,目前仅靠一种单一聚合物材料不能满足所有项目要求,一般聚合物背板都是由多层具有不同功能的材料复合而成。典型的三层背板结构如图3-8所示。

  背板三层结构通常分为外层、中间层和内层,这三层的功能有所不同。背板外层一般采用耐候的氟层或者改性的耐候PET,其直接暴露在外界环境中,不仅需要具备良好的耐候性(Weatherability)和耐久性(Durability),即在湿、热、紫外、冷热循环和风吹雨打的条件下保持良好的机械稳定性、外观完好性,并与接线盒以及边缘密封胶可靠粘接,而且还要能够耐受组件层压过程中高达150℃的高温,此外在安装和搬运过程中还要耐机械刮擦。

  背板中间层则主要提供机械性能、电绝缘性能和阻隔性能保证,中间层一般常用的是PET聚酯材料,这种材料耐受紫外光和湿热老化能力较差,因此改性的高阻隔耐水解PET越来越多。背板内层主要保证背板与组件封装材料的可靠粘接,同时因为太阳光透过玻璃会照到这一层,因此内层也需要具备一定的耐候、耐UV能力。此外如果内层有较高的反射率,还能提高组件的输出功率。

  聚合物背板按照材料划分,可以分为含氟背板(如TPT背板、KPA背板等)和不含氟背板(如PET背板、聚酰胺背板等)。2006年以前市场普遍使用双层含氟背板,后来随着太阳能行业的迅速发展,成本竞争越来越激烈,市场上开始出现采用非氟材料的背板,比如以改性耐水解聚酯为外层的PET背板和以聚酰胺(俗称尼龙)为外层的背板。

  聚合物背板按照其生产工艺可以分为复合型背板、涂覆型背板、共挤型背板。复合型背板的三层材料一般单独成膜,然后通过胶水将三层复合,如KPK 型背板;涂覆型背板一般将中间PET的上下两面使用涂层进行涂覆,采用的涂层多为含氟涂层,如CPC型背板;共挤型背板通过将数层聚合物(典型为三层)材料同时从挤出机的模头挤出成型制成,一般要求这几层材料的加工性能相近,如 AAA背板,但是这种背板在实际应用中发生了较严重的开裂问题,因此目前已经停用。

  为了使聚合物背板的外层具有良好的耐候性,常选用氟材料作为背板材料,氣材料具有独特的分子结构,其耐候性、耐热性、耐高低温性和耐化学药品性等均十分优越。氟元素的电负性大,范德华半径小,C-F键能高达439. 2kJ/mol,是高分子材料共价键中键能最大的。太阳光中的紫外光波长短,穿透力较强,对材料的破坏性较大,290nm以下的紫外线几乎都被大气层中的臭氧层吸收,能到达地表的紫外波长一般在290〜400nm。

  从表3-7可看出,除了 C-F键,其他分子键很容易被紫外线破坏,因此,氟材料是聚合物背板外层材料的最佳选择。常用的氟材料有聚氟乙烯(PVF),聚偏氟乙烯(PVDF)、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物(THV)等,行业内使用PVDF和PVF较多。

  聚氟乙烯(PVF)由杜邦公司研发,并命名为Tedlar。PVF常用的有一代产品和二代产品。PVF在光伏组件背板中的应用迄今至少有25年的历史,因为被杜邦垄断,独家供货,所以成本较高,近年来PVF在光伏行业市场的占有率逐渐走低。PVF加工工艺比较复杂,在制造PVF薄膜时将含潜溶剂的PVF挤出到不锈钢板上,挥发掉溶剂后得到PVF薄膜,其制造工艺的特殊性导致薄膜表面会有较多的针孔状缺陷,所以PVF的水气阻隔能力不高。

  聚偏氟乙烯(PVDF)不易单独成膜,需要加入增塑剂来改善其成膜性。由于增塑剂的加入,其耐老化性能可能会有所下降。法国阿克玛公司为保证这种材料的耐老化性能不降低,创新研发出三层PVDF膜结构,其内外两层为纯PVDF,中间一层为增塑层PVDF。与PVF相比,同样厚度的PVDF薄膜的水气透过率大约是PVF的十分之一。由于PVDF的性价比高,加工适应性强,货源充足,目前在市场上的占有率较高。

  因为氟材料具有较大的电负性,其含氟量越高,材料的表面能越低,黏结性能越差,因此一般都需要进行特殊的表面处理才能与其他材料形成良好的黏结;此外氟材料价格也比较高。目前有多家公司在研究采用具备较强耐候性的不含氟材料作为外层材料。

  PET即聚对苯二甲酸乙二醇酯,PET主要用于制作背板的中间层,为整个背板提供骨架支撑。PET也可通过改性提高其耐候性,用于制作背板的最外层。

  PET具有良好的阻隔性、耐热耐寒性、绝缘性、尺寸稳定性。因为其采用双向拉伸的制造工艺,因此机械性能优异。虽然PET的阻隔性能较好,但是由于其分子主链中含有大量的酯基,容易发生水解反应,会导致力学性能急剧下降,因此,很多厂家通过对其改性处理,大幅提高其耐水解性能,但这会增加生产成本,所以通常在选择耐水解PET时会略微降低对PET厚度的要求,以实现合适的性价比和差异化应用。

  随着上游技术的进步和下游使用场合的多样化发展,各种光伏组件新技术相继出现,光伏组件背板也有了更多的类型。

  玻璃是无机材料,不会老化,不透水。采用玻璃做组件背板,能够提高组件的密封性、绝缘性、抗PID性以及抗黑线、防隐裂性能,从而大大増强组件的可靠性,为高温高湿和盐雾酸敬地区的光伏组件的背板选择提供了良好的解决方案。一般背板玻璃不需要采用超白压花玻璃,使用普通浮法玻璃即可,双面电池组件宜采用超白压花玻璃。

  业内有人认为,釆用玻璃做组件背板.组件内部高分子降解产生的醋酸等小分子气体不易释放出去,会对双玻组件的可靠性产生负面影响。对此,天合光能公司经过大故研究,得出以下结论:高分子材料如EVA等在户外自然条件下老化的主要诱因是水气、热、氧气和紫外辐射,在老化过程中伴有光氧老化、光热老化、水解作用三个互相作用的过程,其中水气起了很大程度的催化剂作用,而双玻组件由于采用玻璃背板,因此能有效阻隔水气渗入组件内部,从而大幅度缓解EVA材料的老化,使得老化过程几乎不会释放醋酸,,也就不会产生小分子气体,所以双玻组件具有非常高的可靠性。

  导电背板(见图3-10)集密封防护功能和电子互连功能于一身,它的制造借鉴了印刷线路板(PCB)技术,采用复合方式将常規光伏组件背板和刻有特定图形的金属傍电路粘接在一起。该类背板主要用于MWT和EWT组件。

  早期的导电背板一般由PCB厂家采用传统光刻方法制备金属电路,成本非常高,故未实现产业化。最近几年有光伏公司开始用机械或者激光加工的方法制备金属电路,而且可以用低成本的铝箔替代传统的电解铜箔作为金属电路层,大幅度降低了生产成本,新型导电背板开始进入大规模化生产。

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