背景

  隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光伏組件已經(jīng)大量應(yīng)用于光伏電站。得益于近十年來相關(guān)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，光伏電站的平價(jià)上網(wǎng)也日益臨近。但是走向光伏電站平價(jià)上網(wǎng)的路途并不是一帆風(fēng)順的，甚*有生產(chǎn)商以犧牲產(chǎn)品質(zhì)量為代價(jià)來獲取超額利潤(rùn)。正如中國(guó)光伏協(xié)會(huì)王勃華秘書長(zhǎng)所冀望的：“光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為與中國(guó)高鐵一樣的亮麗名片，讓全世界刮目相看，希望整個(gè)行業(yè)都能夠珍惜這份來之不易的產(chǎn)業(yè)，將光伏產(chǎn)業(yè)能夠健康地發(fā)展好?！?/p>

  在光伏組件中，光伏背板是一種保護(hù)性材料，主要起到支撐組件、隔絕水汽和氧氣的作用，且要經(jīng)受全球各地十分復(fù)雜而迥異的戶外環(huán)境考驗(yàn)，因此其材料的可靠性*關(guān)重要。其結(jié)構(gòu)如圖所示：由空氣面從外*內(nèi)分別為：1)氟膜保護(hù)層;2)粘結(jié)層1;3)支撐層PET膜;4)粘結(jié)層2;5)內(nèi)面保護(hù)層。

  (1)空氣面氟膜保護(hù)層;起作用主要是保護(hù)PET支撐層不受紫外、風(fēng)沙侵蝕，弱化PET降解速度，以保證作為光伏組件的“心臟”-晶硅組件的高效運(yùn)行;

  (2)粘結(jié)層1和粘結(jié)層2;主要是將氟膜層和PET層粘結(jié)在一起，不因水汽、高溫等作用而弱化粘結(jié)作用，并*終導(dǎo)致氟膜層與PET層的脫離而失去氟膜層應(yīng)有的保護(hù)作用;

  (3)PET支撐層;主要起機(jī)械支撐作用和隔絕水汽和氧氣作用;不因在水汽、氧氣和高低溫作用加速降解或開裂而失去應(yīng)有的支撐和保護(hù)作用;

  (4)內(nèi)層氟膜保護(hù)層;因內(nèi)層不與戶外大氣環(huán)境直接接觸，僅接觸正面太陽(yáng)光的輻照，因此對(duì)內(nèi)層的使用要求不如空氣面保護(hù)膜那么嚴(yán)苛。

  從光伏組件的結(jié)構(gòu)來看，若將晶硅片比喻為組件的“心臟”，那么光伏背板可以比喻為組件的“盔甲”，而空氣面的氟膜保護(hù)層則可以形象地比喻為“防彈衣”?！胺缽椧隆钡拇嬖诳梢燥@著延長(zhǎng)“盔甲”的使用壽命而間接延長(zhǎng)整個(gè)組件的使用壽命。因此，氟膜保護(hù)層的質(zhì)量可靠性*關(guān)重要。

  氟塑料材料中的C-F鍵鍵能高達(dá)485KJ/mol，極耐受紫外光照射和大氣老化，氟塑料膜是保護(hù)光伏組件在戶外使用的關(guān)鍵封裝材料，這一點(diǎn)已成為業(yè)內(nèi)共識(shí);PVDF也因其優(yōu)異的性能在戶外建筑中擁有使用50余年的良好口碑，因而自2005年后開始在光伏組件中得到快速發(fā)展和應(yīng)用。

  但是近兩年來，在光伏行業(yè)提質(zhì)降本的大趨勢(shì)下，某些生產(chǎn)商希望通過降低氟膜厚度以達(dá)到降低成本的目的，卻忽略了降低厚度后對(duì)組件可靠性的影響。可以說是嚴(yán)重違背了行業(yè)協(xié)會(huì)一再呼吁的通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)提質(zhì)降本的初衷。本文將通過考察不同厚度對(duì)產(chǎn)品性能的影響來說明作為氟膜保護(hù)層厚度的重要性。

  厚度減薄的機(jī)理

  根據(jù)涂料行業(yè)多年的實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，即便是耐候性極好的含氟涂料，在較為惡劣的環(huán)境地區(qū)，在風(fēng)沙、高溫、水汽、紫外輻照等多因素侵蝕作用下其涂層的減薄速度可達(dá)0.5um/年。并且隨著厚度的減薄，后期減薄的速度會(huì)越來越快。這是由于無論涂層或是膜層都是由高分子材料改性而成，改性過程中需要復(fù)配多種無機(jī)填料、高分子功能助劑等材料，而每種材料對(duì)抗風(fēng)沙、高溫、水汽、紫外輻照的能力不一而足，在多種因素綜合作用下會(huì)因不斷被磨損而減薄，這與即便是金屬、礦石也會(huì)因生銹、風(fēng)沙侵蝕而減薄道理相似。如圖2所示，兩種不同的氟膜保護(hù)層在紫外輻照作用下表觀也會(huì)產(chǎn)生粉化或疏松程度不一致的現(xiàn)象，一旦產(chǎn)生粉化或表面疏松后薄膜會(huì)更容易減薄。因此，保證薄膜具有一定的厚度是保證背板保護(hù)膜材料經(jīng)多年侵蝕而仍然能夠有效保證光伏組件效率的重要條件。

  厚度的影響

  一般而言，氟膜減薄后各項(xiàng)性能都會(huì)有不同程度的降低，這會(huì)降低對(duì)背板中PET支撐層的保護(hù)作用。而且，若氟膜厚度減薄，后續(xù)背板復(fù)合時(shí)必須改變工藝參數(shù)如復(fù)合張力、復(fù)合速度等，增加了背板復(fù)合工藝復(fù)雜程度，也間接地增加了生產(chǎn)成本。

  1)不同厚度對(duì)初始機(jī)械性能的影響

  PVDF膜在生產(chǎn)過程中在橫縱向有不同程度的拉伸取向作用，為驗(yàn)證不同厚度氟膜的性能差異，我司開展了大量的試驗(yàn)研究。

  由圖3和圖4可知，膜厚度減薄*13μm時(shí)，與22.5μm膜相比，MD和TD向拉伸強(qiáng)度分別下降24%，18%，MD和TD向斷裂伸長(zhǎng)率分別下降34%，55%，說明膜厚度減薄后，力學(xué)性能會(huì)大幅下降，不利于膜的長(zhǎng)期使用，對(duì)氟膜復(fù)合成背板的過程也有影響。

  2)不同厚度對(duì)老化性能的影響

  在戶外長(zhǎng)期使用過程中，氟膜的耐候性直接決定背板的使用壽命。PCT實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示，PCT 96h實(shí)驗(yàn)后，MD向拉伸強(qiáng)度，TD向拉伸強(qiáng)度隨著膜厚度降低而降低，但膜厚度減薄后，TD向斷裂伸長(zhǎng)率明顯降低。

  UV60KWh+DH1000h+HF30是近年來光伏機(jī)構(gòu)為保障光伏組件質(zhì)量更為可靠而提出的序列加嚴(yán)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8示，13μm，15μm和18μm的膜無論在TD或MD向都明顯小于22.5um、25um和30um，說明厚度對(duì)于力學(xué)性能也具有重要影響?？紤]到在長(zhǎng)期戶外使用后勢(shì)必會(huì)有一定減薄，厚度減薄的氟膜勢(shì)必給光伏組件的長(zhǎng)期使用造成隱患。

  3)不同厚度對(duì)耐磨性能和抗水汽的影響

  根據(jù)各地輻照的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，假定地面對(duì)陽(yáng)光反射率15%，25年組件發(fā)電，背板接受的陽(yáng)光照射量在西部地區(qū)超過300kWH。光伏背板的使用環(huán)境非常苛刻，如高溫、高濕、風(fēng)沙侵蝕等，由其在我國(guó)西北地區(qū)如新疆、內(nèi)蒙、甘肅等地，降水量600mm/年;風(fēng)沙大，年輸沙量50~500 Kg/m2，因此對(duì)氟膜的耐磨性能有嚴(yán)格要求。而在氣溫高，濕度高，溫差小，無風(fēng)或少風(fēng)的地區(qū)，如四川，浙江，廣州等地，由于常年溫度20~27℃且降水量在1500~2000mm/年，水汽透過率則成為影響背板質(zhì)量的關(guān)鍵因素。由圖9可知，水汽透過率和耐磨性能隨著膜厚度減小而降低，因此，減薄膜厚度后會(huì)顯著降低PVDF膜的水汽阻隔和耐風(fēng)沙侵蝕的能力。

  PVDF膜的耐候性能與厚度成正相關(guān)，所以選擇背板用氟膜時(shí)若厚度太低會(huì)大幅降低氟膜和背板的使用壽命。

  結(jié)論

  厚度與薄膜產(chǎn)品性能直接相關(guān)，對(duì)老化性能影響顯著;選擇更薄的氟膜保護(hù)層時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的環(huán)境復(fù)雜性做好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇可靠厚度的氟膜作為保護(hù)層;

  在復(fù)雜迥異的不同環(huán)境中，光伏組件背板用保護(hù)膜都會(huì)在綜合作用下有減薄趨勢(shì)，從減薄速度和各項(xiàng)性能看，建議在嚴(yán)苛環(huán)境中光伏組件背板用PVDF薄膜厚度保證在25um甚*30um以上，方能夠更穩(wěn)妥地保證光伏組件的長(zhǎng)久運(yùn)行。

  結(jié)束語

  隨著近幾年光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏組件背板用氟膜國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)也越來越明顯，國(guó)內(nèi)部分一線組件大廠已經(jīng)開始把國(guó)產(chǎn)PVDF薄膜錄入合格供應(yīng)商BOM。光伏市場(chǎng)瞬息萬變，**不變的是業(yè)內(nèi)同仁對(duì)降低成本的不懈努力。維持和提高氟膜厚度，是保證光伏組件長(zhǎng)期使用、充分發(fā)揮其發(fā)電效能的有利保障。而盲目降低氟膜保護(hù)層厚度，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，進(jìn)而影響光伏組件的長(zhǎng)久運(yùn)行。