是誰影響了光伏組件背板壽命?用氟膜厚度或是直接原因

背景

隨著太陽能產業的不斷發展，光伏組件已經大量應用於光伏電站。得益於近十年來相關技術的突飛猛進，光伏電站的平價上網也日益臨近。但是走向光伏電站平價上網的路途並不是一帆風順的，甚至有生產商以犧牲產品質量為代價來獲取超額利潤。正如中國光伏協會王勃華秘書長所冀望的：「光伏產業已經成為與中國高鐵一樣的亮麗名片，讓全世界刮目相看，希望整個行業都能夠珍惜這份來之不易的產業，將光伏產業能夠健康地發展好。」

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，且要經受全球各地十分複雜而迥異的戶外環境考驗，因此其材料的可靠性至關重要。其結構如圖所示：由空氣面從外至內分別為：1)氟膜保護層;2)粘結層1;3)支撐層PET膜;4)粘結層2;5)內面保護層。

(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、風沙侵蝕，弱化PET降解速度，以保證作為光伏組件的「心臟」-晶矽組件的高效運行;

(2)粘結層1和粘結層2;主要是將氟膜層和PET層粘結在一起，不因水汽、高溫等作用而弱化粘結作用，並最終導致氟膜層與PET層的脫離而失去氟膜層應有的保護作用;

(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有的支撐和保護作用;

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

從光伏組件的結構來看，若將晶矽片比喻為組件的「心臟」，那麼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，氟膜保護層的質量可靠性至關重要。

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鍵封裝材料，這一點已成為業內共識;PVDF也因其優異的性能在戶外建築中擁有使用50餘年的良好口碑，因而自2005年後開始在光伏組件中得到快速發展和應用。

但是近兩年來，在光伏行業提質降本的大趨勢下，某些生產商希望通過降低氟膜厚度以達到降低成本的目的，卻忽略了降低厚度後對組件可靠性的影響。可以說是嚴重違背了行業協會一再呼籲的通過技術創新實現提質降本的初衷。本文將通過考察不同厚度對產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

根據塗料行業多年的實踐數據表明，即便是耐候性極好的含氟塗料，在較為惡劣的環境地區，在風沙、高溫、水汽、紫外輻照等多因素侵蝕作用下其塗層的減薄速度可達0.5um/年。並且隨著厚度的減薄，後期減薄的速度會越來越快。這是由於無論塗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、礦石也會因生鏽、風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生粉化或疏鬆程度不一致的現象，一旦產生粉化或表面疏鬆後薄膜會更容易減薄。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，氟膜減薄後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，後續背板複合時必須改變工藝參數如複合張力、複合速度等，增加了背板複合工藝複雜程度，也間接地增加了生產成本。

1)不同厚度對初始機械性能的影響

PVDF膜在生產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。
 

圖3

圖4

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%，說明膜厚度減薄後，力學性能會大幅下降，不利於膜的長期使用，對氟膜複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實驗結果如圖5和圖6所示，PCT 96h實驗後，MD向拉伸強度，TD向拉伸強度隨著膜厚度降低而降低，但膜厚度減薄後，TD向斷裂伸長率明顯降低。

圖5

圖6

UV60KWh+DH1000h+HF30是近年來光伏測試機構為保障光伏組件質量更為可靠而提出的序列加嚴測試方法。實驗結果如圖7、圖8示，13μm，15μm和18μm的膜無論在TD或MD向都明顯小於22.5um、25um和30um，說明厚度對於力學性能也具有重要影響。考慮到在長期戶外使用後勢必會有一定減薄，厚度減薄的氟膜勢必給光伏組件的長期使用造成隱患。

圖7

圖8

3)不同厚度對耐磨性能和抗水汽的影響

根據各地輻照的統計數據，假定地面對陽光反射率15%，25年組件發電，背板接受的陽光照射量在西部地區超過300kWH。光伏背板的使用環境非常苛刻，如高溫、高溼、風沙侵蝕等，由其在我國西北地區如新疆、內蒙、甘肅等地，降水量<250~500mm/年、蒸發量>600mm/年;風沙大，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，溼度高，溫差小，無風或少風的地區，如四川，浙江，廣州等地，由於常年溫度20~27℃且降水量在1500~2000mm/年，水汽透過率則成為影響背板質量的關鍵因素。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，減薄膜厚度後會顯著降低PVDF膜的水汽阻隔和耐風沙侵蝕的能力。

圖9

PVDF膜的耐候性能與厚度成正相關，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。

結論

厚度與薄膜產品性能直接相關，對老化性能影響顯著;選擇更薄的氟膜保護層時，應根據不同地區的環境複雜性做好產品結構設計選擇可靠厚度的氟膜作為保護層;

在複雜迥異的不同環境中，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，方能夠更穩妥地保證光伏組件的長久運行。

結束語

隨著近幾年光伏行業的發展，光伏組件背板用氟膜國產化趨勢也越來越明顯，國內部分一線組件大廠已經開始把國產PVDF薄膜錄入合格供應商BOM。光伏市場瞬息萬變，唯一不變的是業內同仁對降低成本的不懈努力。維持和提高氟膜厚度，是保證光伏組件長期使用、充分發揮其發電效能的有利保障。而盲目降低氟膜保護層厚度，勢必會導致產品性能不穩定，進而影響光伏組件的長久運行。

光伏行業最新動態，請關注索比光伏網微信公眾號：solarbe2005

投稿與新聞線索聯繫：010-68027865 劉小姐：[e-mail]

掃碼關注