光伏组件背板内层材料该如何选择？

背板结构大致可分为外层(也叫空气层)，中间层和内层。每一层材料的选择和搭配都影响着背板的整体性能，目前背板外层主要使用含氟薄膜，尤其是经过户外实绩验证过的杜邦™Tedlar® 薄膜，以确保背板外层在户外综合老化应力的作用下可以使用25年以上。而背板内层由于不直接接触户外环境应力，其重要性往往容易被忽视。而且目前市场上背板的内层材料种类较多，性能也参差不齐。如何才能正确选择背板内层材料呢?回答这一问题之前，我们有必要先了解下背板内层材料需具备哪些性能。

背板内层材料性能

首先，背板内层材料需要具有优异的耐候性及机械强度，如果内层材料自身都已发生老化开裂，其保护作用就无从谈起。

其次，背板内层作为中间层PET聚酯材料的保护层之一，需要具有良好的紫外阻隔作用，以避免PET遭受紫外破坏。图1是市面上常用的一款250微米PET紫外测试数据，从图中可以看出，PET聚酯材料只接受不到5 kWh的紫外照射后，其断裂伸长率就下降50%以上; 紫外剂量达到6 kWh时，PET力学性能基本完全丧失(温和气候环境，组件正面每年紫外剂量为57 kWh/m2)。 这说明PET容易发生光老化，需要背板内外层的保护。背板中间层的PET聚酯材料主要起着电气绝缘，化学阻隔及力学支撑作用。如果PET发生破坏，这些功能都将丧失，因此背板内层需要将组件正面的紫外阻隔掉，以达到保护中间层PET的目的。

此外，背板内层作为PET与EVA之间的粘结层，还需要具有良好的粘接性能，以免出现脱层等失效风险。

图1. 背板中间PET聚酯材料断裂伸长率保持率与紫外剂量的关系(试验条件：UVA，1.2W/m2 @340nm, 70oC BPT, 紫外照射在PET表面)温和气候环境，组件正面每年紫外剂量为57 kWh/m2

了解了背板内层需要具备的性能，那我们不禁要问，目前市面上的内层材料是否都能满足这些性能呢?我们再来对市面上这些内层材料分类并讨论其优缺点。

背板内层材料分类及其特性

第一类为含氟薄膜，主要有Tedlar® PVF薄膜和PVDF薄膜。PVF薄膜，又名聚氟乙烯薄膜，因其优异的抗紫外耐高温耐腐蚀性能而被广泛应用于太阳能，航空航天和交通等领域。杜邦™ Tedlar® PVF薄膜是目前光伏领域唯一具有30年以上广泛户外实绩验证的背板材料，其户外应用经验丰富，且经受过多种气候条件的长期考验。PVF薄膜是双向拉伸工艺制备的， 在横向和纵向两个方向都经过强化，机械性能均衡，耐老化性能好，因此经受湿热、紫外、温度循环等多种环境因素长期作用后，仍保持优异;PVDF薄膜，又名聚偏氟乙烯薄膜，PVDF薄膜在横向的拉伸都很弱或甚至没有拉伸，容易造成横向机械性能均较差，成膜过程中加入大量亚克力也会导致固有脆性强。这些因素导致了PVDF薄膜在户外多种复合应力下容易出现开裂等失效风险。由于其技术门槛相对较低，目前生产厂家较多，虽各家膜产品都含PVDF，但因配方体系及生产工艺不同，不同厂家膜的耐老化性能差异很大。耐热方面，PVF薄膜的软化温度点为190oC，而PVDF只有150oC左右。对于经常有热斑出现的光伏组件应用来说，PVF薄膜的耐热性能显然更有优势，随着PERC等高效电池的大量投产，热斑温度会更高，对于薄膜的耐热性能会提出更高的要求。

第二类为非氟薄膜，主要包括PE，EVA，PA，PO等。这类材料作为背板内层在温和气候下已有一定时间的户外验证，其较高的厚度在耐紫外，力学性能和粘接力方面都有一定优势。此内层材料老化性能与主体树脂及无机填料的种类和含量息息相关，不同背板厂家选择此种内层材料时都会结合自身定位与特色，也导致了所选材料的性能差异较大。同时，与不同耐候性的背板外层材料的搭配，也决定着内层材料的表现。图2是某PVDF背板内层在户外不到5年发生内层发黄现象。图3是使组件正面照射540kWh/m2紫外剂量(相当于温和环境组件正面9.5年太阳光照射)，耐水解HPET 1聚酯背板材料内层发生开裂，而对应基于特能® (Tedlar®) PVF薄膜的TPE背板材料无变化。从以上户外实际案例及室内老化测试结果可以看出，对于此类背板内层材料，尽量搭配使用经过户外验证的PVF薄膜作为背板外层。

图2. 某PVDF背板内层在户外不到5年发生黄变

 图3. 组件正面540 kWh/m2紫外辐照后背板内层的变化.

(a)HPET 1聚酯背板内层开裂，(b) 基于特能® (Tedlar®) PVF薄膜的TPE背板材料无变化

(测试条件：金属卤素灯, 1.5kW/m2, 360小时)

第三类为涂覆型FEVE涂层，FEVE是氟烯烃和乙烯基醚(酯)的共聚树脂，作为背板内层材料，其优点是耐候性和耐高温性能相对E层较好，并且无需胶水层而直接涂覆于PET表面，省去了胶水成本。由于FEVE的特殊结构，使其具备了在酯类和酮类等溶剂中的可溶性。但FEVE中键能较弱的酯键相对容易裂解，且涂层的性能受单体、溶剂和固化剂影响较大。与前两类内层材料相比，FEVE涂层的耐候性和致密性不如氟膜，粘接力和力学性能不如E层，而且户外验证时间相对较短，不建议在温差大，冷热应力较大的气候条件下使用。为了保护中间层PET免受紫外破坏，涂层厚度非常关键，涂层太薄，阻隔紫外和粘接力都会出现问题。阻隔层厚度与紫外线穿透率的关系一般符合Beer定律，图4数据显示，背板内层这一紫外阻隔层厚度如果低于10微米，紫外线开始穿透阻隔层到达PET，穿透比率随厚度减薄而指数升高，如果涂层厚度为1微米时，365 nm的紫外线透过率会高达11%，这会对中间层PET造成毁灭性的破坏。图5的力学性能测试数据进一步证明，当接受1000-1380小时的紫外照射后，如果内层厚度<10um，背板断裂伸长率将显著下降。一些背板厂商为了降低成本，将背板内层涂层的厚度减至极低(如图6所示，内层涂层厚度只有1.3微米)，这很容易导致背板中间层PET的紫外老化。从而造成背板内层和中间PET层的脱层问题。另外，图层中钛白粉的添加量也很重要，有些涂层中加入了过多的钛白粉，导致涂层的粘接性下降，容易出现脱层问题。

图4. 紫外阻隔层厚度与紫外线穿透率的关系

图5. 断裂伸长率损失率与背板内层厚度(um)的关系-当接受1000-1380小时的紫外照射后，如果内层厚度<10um，背板断裂伸长率将损失严重。

图6. 某PVDF/PET/FEVE背板内层FEVE涂层只有1.3微米

背板内层材料的选择建议

光伏电站中诸多户外失效案例显示，不同类型背板的真实耐候性差异较大，特别是苛刻环境下，随着EVA中紫外吸收剂的消耗导致紫外线穿透组件到达背板内层，容易引起背板的破坏。为了给光伏组件提供长期可靠保护，以确保投资回报，建议内层也使用Tedlar®(特能®)PVF薄膜这种具有30年以上广泛户外实绩验证的背板材料。

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