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編者按：光伏晶硅組件中的背板作為保護(hù)電池片和封裝材料的直接屏障，對組件的安全性、長期可靠性和耐久性起著至關(guān)重要的作用。要達(dá)到保護(hù)的目的，背板需具備良好的機(jī)械強(qiáng)度與韌性、耐候性、絕緣、水汽阻隔、耐腐蝕和耐風(fēng)沙磨損等各種平衡的性能。

光伏晶硅組件中的背板作為保護(hù)電池片和封裝材料的直接屏障，對組件的安全性、長期可靠性和耐久性起著至關(guān)重要的作用。要達(dá)到保護(hù)的目的，背板需具備良好的機(jī)械強(qiáng)度與韌性、耐候性、絕緣、水汽阻隔、耐腐蝕和耐風(fēng)沙磨損等各種平衡的性能。

而實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵性能，與背板材料密不可分。

自20世紀(jì)八十年代NASA晶硅組件研究項(xiàng)目完成以來，玻璃前板+EVA+雙面Tedlar® PVF薄膜復(fù)合背板的經(jīng)典光伏組件封裝結(jié)構(gòu)經(jīng)過了各類氣候條件的實(shí)踐檢驗(yàn)，并被沿用至今。其中，特能®(Tedlar®) PVF薄膜作為唯一具有30年以上廣泛戶外實(shí)績驗(yàn)證的背板材料也已被系統(tǒng)開發(fā)商、金融保險(xiǎn)等投融資機(jī)構(gòu)認(rèn)可，能夠?yàn)楣夥M件提供長期可靠保護(hù)，確保投資回報(bào)。

完美材料需結(jié)合自身優(yōu)勢與獨(dú)特加工工藝

由雙面Tedlar® PVF薄膜組成的TPT背板 (Tedlar®/PET聚酯薄膜/Tedlar®)已經(jīng)成為了行業(yè)標(biāo)桿，盡管市面上不斷有各種山寨品出現(xiàn)，但無一能超越其優(yōu)異的產(chǎn)品性能。

那么問題來了，為什么是聚氟乙烯(PVF)薄膜?

首先，聚氟乙烯(PVF)薄膜采用雙向拉伸制造工藝，所制備的薄膜在橫向和縱向兩個(gè)方向都經(jīng)過強(qiáng)化，機(jī)械性能均衡沒有弱點(diǎn)。由于PVF薄膜加工溫度和分解溫度接近，要求極高的工藝控制，并且投資巨大，這也是目前只有杜邦公司能夠生產(chǎn)的主要原因，從而保證了Tedlar®薄膜產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和一致性。

相對而言，聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和流延兩種成型工藝。這兩種成型工藝制備的薄膜在縱向方面有不同程度的拉伸，但在橫向的拉伸都很弱或甚至沒有拉伸，造成薄膜橫向機(jī)械性能均較差。另外，PVDF自身難以成膜，必須添加其他材料—不低于30%的PMMA，俗稱亞克力，固有脆性很強(qiáng)。 添加亞克力之后容易造成PVDF薄膜橫向力學(xué)性能差的缺陷，主要表現(xiàn)為斷裂伸長率低，一般低于30%。

為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，個(gè)別廠家在配方中添加彈性體，使得這類PVDF薄膜在力學(xué)性能測試時(shí)產(chǎn)生“藕斷絲連”般的效果，以達(dá)到更高的測試結(jié)果，但對實(shí)際的戶外耐老化性能毫無幫助。另外，由于PVDF薄膜加工難度和門檻相對較低，每家的工藝、配方和膜結(jié)構(gòu)也有所差異，導(dǎo)致不同PVDF薄膜性能參差不齊。但很難從外觀或一般的成分分析區(qū)別不同的PVDF薄膜，因此監(jiān)管難度大。

力學(xué)性能欠佳容易導(dǎo)致開裂，嚴(yán)重影響組件安全性

眾所周知，力學(xué)性能和耐候性是背板用氟膜最重要的性能，PVDF薄膜具有橫向斷裂伸長率低的缺陷，該問題已逐漸在測試和應(yīng)用中暴露出來。雖然添加彈性體材料有助于PVDF薄膜在初始力學(xué)性能測試時(shí)由于拉絲效果顯示較高的斷裂伸長率，但是在輕微的老化測試后，所有PVDF薄膜橫向斷裂伸長率均低于10%，基本失去了高分子材料應(yīng)有的韌性，極易開裂。而同樣測試條件下的PVF薄膜力學(xué)性能保持良好，仍然能維持60%以上的保持率(如圖1和圖2 )。



PVDF薄膜不僅在紫外和濕熱老化測試后橫向斷裂伸長率下降嚴(yán)重，在其他測試如PCT測試或耐溫測試后也出現(xiàn)了同樣的問題。大量研究文獻(xiàn)及報(bào)道表明，這些問題與PVDF薄膜在老化時(shí)易產(chǎn)生再結(jié)晶有關(guān)，導(dǎo)致其力學(xué)性能變差。

PVDF薄膜的橫向脆性導(dǎo)致其在戶外存在較高的開裂風(fēng)險(xiǎn)，一旦背板開裂代表絕緣性能失效，很容易引發(fā)漏電、電弧、火災(zāi)等安全性事故，甚至導(dǎo)致人員與財(cái)產(chǎn)的損失。圖3是在北美地區(qū)戶外使用4年的PVDF背板形貌，平均開裂比例約57%，裂紋方向均沿縱向形成。


值得關(guān)注的是，目前除了在實(shí)際案例中發(fā)現(xiàn)大量PVDF薄膜背板開裂的現(xiàn)象外，在實(shí)驗(yàn)室采用序列老化測試(Accelerated Sequential Test)也已經(jīng)可以模擬出PVDF薄膜及背板的開裂現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過序列老化測試后，使用PVDF薄膜背板的小組件和大組件均出現(xiàn)微裂紋，且為縱向開裂，這在過去單一老化的測試中不會發(fā)現(xiàn)，然而在實(shí)際案例中卻已被證實(shí)，因此采用適當(dāng)?shù)男蛄欣匣瘻y試能更好地模擬戶外老化的反應(yīng)。



耐熱、耐風(fēng)沙、耐化學(xué)品，缺一不可

作為背板用氟膜，還需要有較好的耐風(fēng)沙磨損、耐熱和耐化學(xué)品等性能。據(jù)了解，目前耐風(fēng)沙磨損一般采用落砂試驗(yàn)，測試標(biāo)準(zhǔn)參照ASTM D968(亦即GB/T23988-2009)，測試時(shí)需注意沙子使用次數(shù)不得超過25次以控制測試誤差。

以0.25-0.65mm標(biāo)準(zhǔn)砂為例，38微米的PVF薄膜通常需要250L以上才可以落穿，而PVDF薄膜依厚度和工藝不同落砂量大約為100～250L，即便如此，仍好于涂覆型背板常見的50L左右落砂量。

再看耐熱方面，PVF薄膜的軟化溫度點(diǎn)為190oC，而PVDF只有150oC左右。對于經(jīng)常有熱斑出現(xiàn)的光伏組件應(yīng)用來說，PVF薄膜的耐熱性能顯然更有優(yōu)勢。

與此同時(shí)，PVDF薄膜在耐化學(xué)品測試方面也出現(xiàn)了問題，其在丙酮等溶劑浸泡試驗(yàn)(ASTM D543)中易出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象，而PVF薄膜不存在該現(xiàn)象，對各類化學(xué)品的抵抗性都很優(yōu)異。

認(rèn)清含氟量，以實(shí)際為準(zhǔn)

近年來含氟量成為最容易引起爭議與討論的一個(gè)環(huán)節(jié)，有廠家稱PVDF含氟量59%，而PVF只有41%。然而，這句話正確理解的前提是單純比較100%的PVDF和PVF材料。

事實(shí)上，100%的PVDF不能成膜，只能用作涂料。市面上在售的PVDF薄膜都含有亞克力增塑劑，成膜后的PVDF薄膜的含氟量大幅降低。而以PVF制成的Tedlar®薄膜不含有其他樹脂成分，41%為實(shí)際含氟量。FEVE涂料也存在有易令人誤解的說法，聲稱含氟量超過70%，但這只是氟樹脂自身的含氟量，不包含非氟的交聯(lián)樹脂部分和其他添加劑，其實(shí)際含氟量低于20%。

水汽阻隔力:PET層才是關(guān)鍵

從背板應(yīng)用來看，氟膜的水汽阻隔性能對背板整體的水汽阻隔能力貢獻(xiàn)很小。背板的水汽阻隔主要由PET提供，PET的阻水能力對背板的WVTR起決定作用。

當(dāng)然，如果一定要比較氟膜之間的水汽透過率的話，也有很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以參考。圖5是幾種常見PVDF薄膜和PVF薄膜的WVTR值。從圖中可以看出，PVDF薄膜WVTR值在50～110之間，而兩款Tedlar® PVF薄膜只有35～50，顯著低于PVDF薄膜。


盡管以氟膜為主的背板已經(jīng)被行業(yè)認(rèn)可具有較優(yōu)異的性能，但是此氟非彼氟，對于氟膜材料的認(rèn)識、加工工藝的理解，以及在背板結(jié)構(gòu)中扮演的關(guān)鍵角色，在行業(yè)內(nèi)仍有許多誤解。通過各項(xiàng)測試方法與戶外案例顯示，PVF薄膜具有優(yōu)異的耐候性、力學(xué)性能、耐熱、耐化學(xué)品、耐風(fēng)沙磨損和水汽阻隔性能，產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性好?；谔啬?reg;(Tedlar®)PVF薄膜的背板在各種氣候環(huán)境下都有超過25年的的實(shí)績驗(yàn)證，而市面上一些其它背板材料在戶外短期內(nèi)即出現(xiàn)了明顯的開裂、發(fā)黃、脫層等老化或失效現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生組件功率加速衰減和安全隱患。

出現(xiàn)這些隱患的根源在于材料本身，通過測試及實(shí)際案例證明，PVDF薄膜除了本征橫向力學(xué)性能差的特點(diǎn)外，在紫外、濕熱、PCT或低溫老化測試中也發(fā)現(xiàn)，其橫向斷裂伸長率可降到5%以下，大大提高了光伏組件在戶外使用開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

對于光伏投資者來說，清楚了解材料之間的基本差異，并選擇最能保障其項(xiàng)目投資收益率的材料，才是降低風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。

原標(biāo)題：背板材料的關(guān)鍵性能分析科普帖