編者按:得益于近十年來相關(guān)技術(shù)的突飛猛進(jìn),光伏電站的平價(jià)上網(wǎng)也日益臨近。在光伏組件中,光伏背板是一種保護(hù)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(yàn),因此其材料的可靠性至關(guān)重要。
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(jìn),光伏電站的平價(jià)上網(wǎng)也日益臨近。但是走向光伏電站平價(jià)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(jià)來獲取超額利潤。正如中國光伏協(xié)會(huì)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(gè)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(hù)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(yàn),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(hù)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(hù)層。(見圖1)
(1 )空氣面氟膜保護(hù)層;起作用主要是保護(hù)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(yùn)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(hù)作用;
(3)PET支撐層;主要起機(jī)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(hù)作用;
(4)內(nèi)層氟膜保護(hù)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(duì)內(nèi)層的使用要求不如空氣面保護(hù)膜那么嚴(yán)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(hù)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(gè)組件的使用壽命。因此,氟膜保護(hù)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(dá)485 KJ/mol,極耐受紫外光照射和大氣老化,氟塑料膜是保護(hù)光伏組件在戶外使用的關(guān)鍵封裝材料,這一點(diǎn)已成為業(yè)內(nèi)共識(shí);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(shì)下,某些生產(chǎn)商希望通過降低氟膜厚度以達(dá)到降低成本的目的,卻忽略了降低厚度后對(duì)組件可靠性的影響。可以說是嚴(yán)重違背了行業(yè)協(xié)會(huì)一再呼吁的通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)提質(zhì)降本的初衷。本文將通過考察不同厚度對(duì)產(chǎn)品性能的影響來說明作為氟膜保護(hù)層厚度的重要性。
厚度減薄的機(jī)理
根據(jù)涂料行業(yè)多年的實(shí)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(dá)0.5um/年。并且隨著厚度的減薄,后期減薄的速度會(huì)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(jī)填料、高分子功能助劑等材料,而每種材料對(duì)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(huì)因不斷被磨損而減薄,這與即便是金屬、礦石也會(huì)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(hù)層在紫外輻照作用下表觀也會(huì)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(huì)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(hù)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。(見圖2)
厚度的影響
一般而言,氟膜減薄后各項(xiàng)性能都會(huì)有不同程度的降低,這會(huì)降低對(duì)背板中PET支撐層的保護(hù)作用。而且,若氟膜厚度減薄,后續(xù)背板復(fù)合時(shí)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(duì)初始機(jī)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(yàn)證不同厚度氟膜的性能差異,我司開展了大量的試驗(yàn)研究。(見圖3、圖4)
由圖3和圖4可知,膜厚度減薄至13μm時(shí),與22.5μm膜相比,MD和TD向拉伸強(qiáng)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(huì)大幅下降,不利于膜的長期使用,對(duì)氟膜復(fù)合成背板的過程也有影響。
2)不同厚度對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示,PCT 96h實(shí)驗(yàn)后,MD向拉伸強(qiáng)度,TD向拉伸強(qiáng)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。
UV60KWh+DH1000h+HF30是近年來光伏測(cè)試機(jī)構(gòu)為保障光伏組件質(zhì)量更為可靠而提出的序列加嚴(yán)測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)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(duì)于力學(xué)性能也具有重要影響??紤]到在長期戶外使用后勢(shì)必會(huì)有一定減薄,厚度減薄的氟膜勢(shì)必給光伏組件的長期使用造成隱患。(見圖7、8)
3)不同厚度對(duì)耐磨性能和抗水汽的影響
根據(jù)各地輻照的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),假定地面對(duì)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??量蹋绺邷?、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(duì)氟膜的耐磨性能有嚴(yán)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(huì)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(shí)若厚度太低會(huì)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(duì)老化性能影響顯著;選擇更薄的氟膜保護(hù)層時(shí),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(jì)選擇可靠厚度的氟膜作為保護(hù)層;
在復(fù)雜迥異的不同環(huán)境中,光伏組件背板用保護(hù)膜都會(huì)在綜合作用下有減薄趨勢(shì),從減薄速度和各項(xiàng)性能看,建議在嚴(yán)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(yùn)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(shì)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(chǎng)瞬息萬變,唯一不變的是業(yè)內(nèi)同仁對(duì)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(fā)揮其發(fā)電效能的有利保障。而盲目降低氟膜保護(hù)層厚度,勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定,進(jìn)而影響光伏組件的長久運(yùn)行。
原標(biāo)題:淺談光伏組件背板用氟膜厚度的重要性