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編者按：維持和提高氟膜厚度，是保證光伏組件長期使用、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層厚度，勢必會導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，進而影響光伏組件的長久運行。

背景

隨著太陽能產(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，光伏電站的平價上網(wǎng)也日益臨近。但是走向光伏電站平價上網(wǎng)的路途并不是一帆風(fēng)順的，甚至有生產(chǎn)商以犧牲產(chǎn)品質(zhì)量為代價來獲取超額利潤。正如中國光伏協(xié)會王勃華秘書長所冀望的：“光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為與中國高鐵一樣的亮麗名片，讓全世界刮目相看，希望整個行業(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。”

在光伏組件中，光伏背板是一種保護性材料，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，因此其材料的可靠性至關(guān)重要。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：由空氣面從外至內(nèi)分別為：1）氟膜保護層；2）粘結(jié)層1；3）支撐層PET膜；4）粘結(jié)層2；5）內(nèi)面保護層。


（1）空氣面氟膜保護層；起作用主要是保護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，并最終導(dǎo)致氟膜層與PET層的脫離而失去氟膜層應(yīng)有的保護作用；

（3）PET支撐層；主要起機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)有的支撐和保護作用；

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

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層則可以形象地比喻為“防彈衣”。“防彈衣”的存在可以顯著延長“盔甲”的使用壽命而間接延長整個組件的使用壽命。因此，氟膜保護層的質(zhì)量可靠性至關(guān)重要。

氟塑料材料中的C-F鍵鍵能高達485KJ/mol，極耐受紫外光照射和大氣老化，氟塑料膜是保護光伏組件在戶外使用的關(guān)鍵封裝材料，這一點已成為業(yè)內(nèi)共識；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)降本的大趨勢下，某些生產(chǎn)商希望通過降低氟膜厚度以達到降低成本的目的，卻忽略了降低厚度后對組件可靠性的影響?？梢哉f是嚴重違背了行業(yè)協(xié)會一再呼吁的通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)提質(zhì)降本的初衷。本文將通過考察不同厚度對產(chǎn)品性能的影響來說明作為氟膜保護層厚度的重要性。

厚度減薄的機理

根據(jù)涂料行業(yè)多年的實踐數(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0.5um/年。并且隨著厚度的減薄，后期減薄的速度會越來越快。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)配多種無機填料、高分子功能助劑等材料，而每種材料對抗風(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因不斷被磨損而減薄，這與即便是金屬、礦石也會因生銹、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層在紫外輻照作用下表觀也會產(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，氟膜減薄后各項性能都會有不同程度的降低，這會降低對背板中PET支撐層的保護作用。而且，若氟膜厚度減薄，后續(xù)背板復(fù)合時必須改變工藝參數(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）不同厚度對初始機械性能的影響

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，為驗證不同厚度氟膜的性能差異，我司開展了大量的試驗研究。


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

2）不同厚度對老化性能的影響

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


不同厚度PVDF膜的斷裂伸長率

UV60KWh+DH1000h+HF30是近年來光伏測試機構(gòu)為保障光伏組件質(zhì)量更為可靠而提出的序列加嚴測試方法。實驗結(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，說明厚度對于力學(xué)性能也具有重要影響。考慮到在長期戶外使用后勢必會有一定減薄，厚度減薄的氟膜勢必給光伏組件的長期使用造成隱患。


3）不同厚度對耐磨性能和抗水汽的影響

根據(jù)各地輻照的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，假定地面對陽光反射率15%，25年組件發(fā)電，背板接受的陽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，由其在我國西北地區(qū)如新疆、內(nèi)蒙、甘肅等地，降水量＜250~500mm/年、蒸發(fā)量＞600mm/年；風(fēng)沙大，年輸沙量50~500 Kg/m2，因此對氟膜的耐磨性能有嚴格要求。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若厚度太低會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)，對老化性能影響顯著；選擇更薄的氟膜保護層時，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)計選擇可靠厚度的氟膜作為保護層；

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

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產(chǎn)化趨勢也越來越明顯，國內(nèi)部分一線組件大廠已經(jīng)開始把國產(chǎn)PVDF薄膜錄入合格供應(yīng)商BOM。光伏市場瞬息萬變，唯一不變的是業(yè)內(nèi)同仁對降低成本的不懈努力

原標題：光伏組件背板用氟膜厚度將直接影響其使用壽命!