一种新型膜胶一体化太阳能光伏背板

摘 要

本文展示了一种基于流延切线卷涂技术和等离子技术而设计制造的光伏组件专用膜胶一体化背板。背板以PET为基材，经等离子体表面刻蚀和活化后，双面涂以特殊研制的反应性功能氟碳涂料，经热固化后得到具有聚氨酯结构的膜胶一体化背板。最后，通过等离子体增强化学沉积技术在涂层表面共价接枝一单分子短链硅烷层，从而赋予背板中等表面能，使之与EVA具有长期的绝佳粘合性。扫描电镜（SEM）显示，等离子体表面刻蚀和活化显著增加了PET与涂层之间的相容性，使它们之间得到十分紧密而强有力的整合。SEM充分证明膜层和胶层之间的整合趋于完美、无明显界面，显著区别于传统层压复合型背板。这种独特的膜胶一体化结构已被许多恶劣环境条件下的实际应用所证明较其它背板在避免分层、起泡和色变方面具有明显的优势。测试表明，这种新型背板具有优良的阻隔性、耐候性、力学性能和电气绝缘性。作为一种有前途的光伏材料，该新型背板在中国已经被广泛应用于光伏组件封装，并获得了客户的广泛赞誉。


前 言

光伏组件包含多种不同材料，从硅晶片到封装材料，比如保护性前板、背板和密封胶。这些材料几乎占具了薄膜光伏组件材料成本的一半，并且与相当大比例的组件失效密切相关 [1]。为了适应恶劣的操作环境，光伏组件必须依赖于封装材料，以提供所需的耐久性。一般来说，光伏组件被嵌入柔软的EVA片中，并通过玻璃 / 玻璃或玻璃 / 塑料技术进行封装。随着需求数量和质量两个方面的不断增长，玻璃 / 塑料封装层压结构已经被越来越多地推广和接受 [2]。将玻璃背板更换成柔软的聚合物材料可以消除玻璃背板的破碎问题，提供一种更持久有效的机械封装。此外，更轻的重量使安装更为容易、成本更低。光伏组件需要有至少25年的寿命。组件被暴露在各种应力环境下（例如紫外辐射、温度、大气污染物、湿热循环），这些都可能会降低组件的稳定性和性能。性能上的额外损失可能源于雨水、灰尘、风、雹、水的冷凝和蒸发及热膨胀 [3]。因此，背板必须提供以下主要功能：

物理防护：提供抗穿刺和耐磨损能力

防湿保护：最大限度地减少水分和水蒸汽渗入

电气绝缘：将电池片与环境进行隔离

长期保护：在组件的寿命范围内展示足够的抗紫外稳定性和湿气稳定性

颜色：提供使组件与环境相匹配的颜色

更多的输出功率：通过优化内部反射来提高工作效率

为了满足这些要求，人们通常使用多层层压式复合背板，如用含氟聚合物: 聚氟乙烯（PVF）和聚偏二氟乙烯（PVDF）作为保护层，提供耐候性， 用聚酯，如PET提供机械强度。

最流行的背板结构要数由聚酯膜和两层Tedlar膜（杜邦公司）所构成的'三明治'结构。也就是通常所说的Tedlar/聚酯/Tedlar （TPT）结构。目前为止，由于其优异的强度、耐候性、抗紫外线、防潮性能，多层层压式复合背板占据背板市场的主导地位。然而，与复合背板相关的光伏组件失效的事例频繁见诸报道。这些失效主要包括与EVA粘合性的散失以及背板分层。众多研究表明， 分层问题是光伏组件失效的主要原因 [4-6]。光伏组件的分层现象包括背板自身层与层之间的分离和背板与EVA之间的剥离两种情况。大量的研究只侧重于EVA与背板界面的分离。在实际应用过程中，由于含氟聚合物的非粘附性（低表面能）导致光伏组件封装材料和基料之间的粘接力被削弱，从而导致脱层和湿气侵入。然而，背板自身层与层之间的分离可以显著增加光伏组件封装的失效率，而这样的失效归根结底是由于组件封装材料中较差的层间整合，即基材和含氟层之间的整合。这种较差的层间整合使水蒸汽由组件的边缘渗入，导致降解和氧化，以及半导体的电化学腐蚀和最终的组件失效。因此，开发一款具有优异性价比的背板仍然是光伏业的强烈需求。本文呈现了一种独创膜胶一体化背板，并用各种现代技术对其进行了广泛的表征和测试。结果表明，该新型背板具备作为光伏组件封装材料所要求的各种优异性能，性价比高，具有广阔的前景。

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”PET ─ 一种在绝缘行业中广泛应用的材料被用作基材: 因为其良好的机械性能和低成本使其作为组件封装材料而具有强大的吸引力”

膜胶一体化背板的设计和制造

要得到一款性能优异的背板，合理的设计是至关重要的。在我们的设计中，PET ─ 一种在食品包装工业中广泛应用的材料被用作基材: 因为其良好的机械性能和低成本使其作为组件封装材料而具有强大的吸引力。然而，未经涂层（未修饰）的PET水气透过性很高 [7]。在实际应用中容易产生各种降解，例如水解和热氧化，这将导致PET的各种性能变差。因此，PET不能直接作为背板使用，而必须进行涂层或表面修饰。含氟聚合物已被证明具备多个作为涂层所必须拥有的性质，比如优良的疏水性和疏油性（耐污染性）、低摩擦系数、优异的耐化学品性和良好的耐候性 [8-12]。传统的含氟聚合物涂料，如聚四氟乙烯（PTFE）和聚偏二氟乙烯（PVDF），除了其高成本外，还因为其化学惰性，不溶于大部分有机溶剂而使加工处理变得很困难。经过广泛筛选，一种含氟反应性聚合物被选做涂料的主体材料来制造新型的膜胶一体化背板。图1给出了含氟反应性聚合物的化学结构示意图。

由图1可见，含氟反应性聚合物是以四氟乙烯（TFE）为主要单体的三元聚合物。四氟乙烯单元（单体1）为聚合物提供优异的耐候性、抗污性及阻隔性; 单体2含有羟基（-OH）,为聚合物提供可固化性和粘合性; 单体3含有机基团（主要是醚基），主要为聚合物提供溶解性和透明度。含氟反应性聚合物被用作主体成分连同其它组分，例如颜料和交联剂一起形成一个特殊的功能涂料配方。涂料被施加到PET基材的两面，并随之进行热固化，从而在PET的两面形成膜胶整合的涂层。

为了提高涂层与PET基材的粘合性，在涂覆之前，用等离子体对PET进行表面处理。许多研究证明等离子体处理可以通过以下一个或几个现象来有效地改善聚合物表面的粘合性: 清除材料表面的小分子物质、脱氢，链段的断裂和交联、自由基的产生和融合及材料表面形态结构的修饰 [13]。等离子体表面修饰的重要特征是可以同时改变材料表面的化学组成和形态结构而不改变材料的本体性质。

经过等离子体处理后，PET的表面得到刻蚀和活化，导致了涂层和基材之间的强粘接性。这种强粘接性必将减少，甚至完全消除在实际应用过程中涂层和基材之间的分层。从以上的工艺描述可以清楚地看出，整个制造过程是一无胶（粘合剂）过程，这种工艺明显区别于传统的复膜层压方法。涂层是一个膜胶整合系统，同时具有膜和胶的功能。从高分子化学的角度来说，涂层具有聚氨酯（PU）的结构，因为六亚甲基二异氰酸酯（HDI）被用作固化剂（交联剂）。在热固化过程中，HDI的异氰酸酯基团与含氟反应性聚合物的-OH反应生成具有聚氨酯键的高分子网络。一般而言，聚氨酯是一种独特的材料，具有橡胶的弹性和金属的韧性和耐久性。

含氟聚氨酯涂层具备作为光伏背板所要求的优良的阻隔性能和耐久性。需要强调的是，在等离子体处理过程中，许多活性基团例如羟基和氨基也被大量引入到基材PET表面。这些活性基团能参与固化反应，导致涂层和基材之间牢固的化学键合。这种共价键确保了涂层和基材之间的紧密整合，减少了传统层压复合背板所面临的分层问题。