背板環境老化測試分析之系列—黃變篇

2020-11-23 電子產品世界

目前常規晶體矽光伏組件採取「鋼化玻璃/EVA/電池片/EVA/背板」這種夾心結構封裝，背板是組件中直接與外界環境接觸的封裝材料，其性能的優劣直接影響到整個組件的壽命。

市場上常見的背板類型有複合型、塗覆型和共擠型三類，如表1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/333421.htm

表1 市場上常見的背板

背板類型背板結構描述

複合型TPT/ET：美國杜邦公司生產的特能® （Tedlar®）膜，其成分為PVF（聚氟乙烯）

KPK/EK：特指法國阿克瑪生產的PVDF（聚偏氟乙烯）膜，另外還有一些PVDF膜的生產商，如韓國SKC等，目前也有部分國產PVDF膜應用於光伏背板上

APAA：即PA，聚醯胺材質，俗稱尼龍

塗覆型CPCC：Coating的縮寫，指的是氟碳塗料，主要成分為FEVE（氟烯烴-乙烯基醚共聚物）、PVDF（聚偏氟乙烯）、ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）等氟碳樹脂

共擠型AAA即PA/PA/PA，三層聚醯胺

註：由於氟碳化合物中C-F鍵鍵能高，在紫外輻照下也不易斷裂，所以含氟背板較非氟背板具有更好的耐紫外等耐候性能

針對背板材料的耐候性能，IEC有專門的測試項目和測試標準，如紫外老化，溼熱老化（85度，85%溼度），溼凍試驗（HF，-40度至+85度，85%溼度），溫度循環（TC，-40度至+85度）等。然而依據IEC測試標準對背板材料進行測試時，我們研發團隊發現，在試驗結束時，多數背板都無明顯破壞現象，與組件戶外25年的表現，甚至10年的表現出入較大，致使我們無法對不同的背板的性能進行區分和合理地評價。因此，我們研發團隊決定以IEC測試標準為基準，進行擴展測試。據此，我們從兩方面對背板材料展開了耐候性測試，【1】在原有IEC測試標準上進行加倍；【2】整合多個IEC測試項目，進行序列老化測試。

我們選取市場上主流的TPA、KPK、KPE、CPC、AAA幾種類型的背板作為測試對象，測試結束後，我們以各背板的黃變指數作為材料優劣的評判標準，也作為測試項目嚴苛程度的判定依據。

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一、 針對單個IEC測試項目的加倍測試，

進行了溼熱1500h（1.5倍的IEC標準）、溼熱2000h（2倍的IEC標準）、UV150kWh/m2三項試驗。

溼熱老化（85度，85%溼度）：在溼熱1500h後，塗覆型背板的內層和外層，以及KPE背板的內層E層，即已發生不同程度的黃變（如圖1）。至溼熱2000h時，多數背板的內層及外層黃變程度均有加深，尤其是塗覆型背板的內層，以及KPE背板內層E層。TPA背板的內層A層及AAA背板內外層在溼熱老化過程中有輕微黃變（不明顯）；個別PVDF膜表現較差，如試驗中的背板KPE的外層PVDF，在溼熱老化至2000h時，也發生了明顯黃變；而特能® （Tedlar®）膜，在溼熱老化過程中無明顯黃變現象。總體而言，溼熱老化過程中，塗覆型背板的塗層（尤其是內層塗層）較氟膜PVDF膜和特能® （Tedlar®）膜，以及AAA（聚醯胺）更容易發生黃變。

圖1.溼熱老化過程中各背板黃變情況

UV150kWh/m2（60℃-試驗箱內空氣溫度，輻照度45W/m2）：UV試驗時，背板外層對著紫外燈。在UV150kWh/m2後（圖2），塗覆型背板的內層和外層均發生了顯著黃變；個別PVDF膜，如試驗的KPK背板的內層PVDF層，也發生了顯著黃變；而特能® （Tedlar®）膜和較好的PVDF膜，無明顯黃變；KPE內層E層及AAA背板，也無明顯黃變。之所以背板外層對著紫外燈，而背板內層仍然發生黃變，是由於試驗箱中，紫外燈燈管沿箱子一側的箱壁從上之下依次裝配，背板材料只能也採取外層面向紫外燈管從上至下依次懸掛放置，而背板另一側的箱壁（不鏽鋼製作）會不可避免反射紫外線至背板的內層，如此造成背板內層黃變現象的發生。總體而言，加強UV輻照下，塗覆型背板的塗層和一些PVDF膜，容易發生黃變，特能® （Tedlar®）膜則表現較好。

圖2.UV150kWh/m2後，各背板黃變情況

二、 序列老化測試

進行了TC200+HF40和UV30kWh/m2+TC100+HF20兩項試驗。

TC200+HF40：經過TC200+HF40擴展序列測試後（圖3），塗覆型背板的內層發生了比較明顯的黃變，而外層塗層黃變程度相對較輕，但△b仍接近2；複合型背板，無論是氟膜PVDF或特能® （Tedlar®），還是內層E層，均無明顯黃變；而TPA的A層，以及AAA的外層，均發生了輕微的黃變（不明顯）。總體而言，擴展的高低溫序列測試，只有塗覆型背板的內塗層發生了一定程度的黃變。

圖3. TC200+HF40後，各背板黃變情況

UV30kWh/m2+TC100+HF20：IEC標準中，針對組件的序列測試，有UV15KWh/m2 +TC50+HF10序列測試項目，我們進行的這項擴展序列測試，相當於2倍的IEC測試標準。試驗時，首先對背板（外層對著紫外燈管）進行30kWh/m2的UV輻照，接著進行TC50+HF10，再進行TC50+HF10。試驗結束時（圖4），塗覆型背板的內層和外層均發生了明顯黃變；複合型背板中，特能® （Tedlar®）膜只有輕微黃變（不明顯），而PVDF膜則發生了顯著黃變；AAA也發生了一定程度的黃變；儘管是背板外層對著紫外燈，來自箱壁反射的紫外線也造成了KPE的內層E層，TPA的內層A層發生了不同程度的黃變。與TC200+HF40的結果對比，可以發現，在TC+HF之前加上UV輻照，在縮短TC+HF序列測試強度後，背板黃變程度反而更加嚴重，甚至超過了UV150kWh/m2輻照完後背板的黃變程度，表明UV+TC+HF對背板耐黃變性能的檢測力度要高於單純的加強UV輻照和單純的加強TC+HF序列測試。

圖4 UV30kWh/m2+TC100+HF20後，各背板黃變情況

綜合以上試驗結果，可以看出，無論是單純的溼熱老化、UV輻照，還是序列測試TC+HF，包括嚴苛的綜合序列測試UV+TC+HF，塗覆型背板的塗層較複合型背板的特能® （Tedlar®）膜，PVDF膜，以及A（聚醯胺）膜更易於發生黃變；在較嚴苛的UV+TC+HF綜合序列測試下，PVDF膜及AAA（聚醯胺）也發生了明顯黃變，而特能® （Tedlar®）膜則仍然無顯著黃變（輕微，不明顯）。相對而言，整合UV測試和TC+HF序列測試的UV+TC+HF綜合序列測試，比單純的加強UV輻照及單純的加強TC+HF測試，能更有效更快速地區分不同類型背板的耐黃變性能，特別適用於組件廠家快速地對背板材料的性能進行評判。

綜合性表現來看，特能® （Tedlar®）膜表現得分最高，不同廠家的PVDF膜由於F含量不一而表現各異，有光澤度保持較好，亦有黃變較嚴重的現象。

此外，我們也進行了UV+HF序列測試，發現進行完UV60kWh/m2+HF10序列測試後，多種背板出現不同尋常的黃變，這一測試方法有待進一步的研究。具體是何種測試方法可以在最短時間內最大化模擬出背板戶外黃變情況還需再驗證。

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