光伏组件背板的内外层材料选择及户外实证分析

  • 2018年02月07日
  • 作者: Xin Yin

    Xin Yin

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图1 截止2016年底杜邦户外电站调研可视缺陷率统计结果

图1 截止2016年底杜邦户外电站调研可视缺陷率统计结果

图2  PVF与PVDF力学性能对比

图2 PVF与PVDF力学性能对比

图3 PVF与PVDF的耐化学性测试

图3 PVF与PVDF的耐化学性测试

图4 改性PET型背板内层老化测试后开裂

图4 改性PET型背板内层老化测试后开裂

图5 紫外阻隔层厚度与紫外线穿透率的关系

图5 紫外阻隔层厚度与紫外线穿透率的关系

图6 某PVDF/PET/FEVE背板内层FEVE涂层只有1.3微米

图6 某PVDF/PET/FEVE背板内层FEVE涂层只有1.3微米

图7 在北美户外使用4年的PVDF背板开裂及脱层

图7 在北美户外使用4年的PVDF背板开裂及脱层

图8 PVDF序列老化测试后开裂

图8 PVDF序列老化测试后开裂

图9  PA背板开裂案例

图9 PA背板开裂案例

图10 背板内层户外开裂案例

图10 背板内层户外开裂案例

图11 PVDF和PET背板黄变案例

图11 PVDF和PET背板黄变案例

图12 序列老化测试

图12 序列老化测试

Tedlar® PVF薄膜的各项关键性能最为均衡没有短板,而且是目前唯一具有30年以上户外实绩验证的背板材料,是背板内外层材料的明智选择,确保电站的长期可靠运行和投资回报。

Tedlar® PVF薄膜的各项关键性能最为均衡没有短板,而且是目前唯一具有30年以上户外实绩验证的背板材料,是背板内外层材料的明智选择,确保电站的长期可靠运行和投资回报。

背板作为保护光伏组件的最外部材料,尤其容易受到环境气候应力的影响。背板材料的粘接性能、抗紫外能力和机械强度都是影响其可靠性的关键因素,甚至影响整个组件的功率输出和使用寿命。

近年来,杜邦公司对在北美、欧洲、亚太地区约200个电站进行了现场调研,涵盖了来自45个组件厂、不同气候类型、运行时间在0到30年、总功率超过450MW的组件。调研数据显示,有22%的组件存在明显的老化和可视失效。其中电池的失效率最高,为11.3%,背板的失效率其次,为7.4%。如图1所示。

背板虽然只占组件和电站总成本很小一部分,但起着保护组件工作25年的重要作用,所以对于背板材料的选择就显得尤为重要。目前,市面上绝大部分背板为多层复合结构,并采用PET聚酯为中间层,起到绝缘和机械支撑的作用。而在背板外层(空气面)和内层(EVA面)的材料选择上,则显得鱼龙混杂,对背板材料的质量与长期可靠性带来了很大隐患。上述统计中背板高居第二的失效率即体现了行业现状。本文拟针对背板内外层材料的性能要求和不同材料体系的优缺点进行探讨和分析,以期拨乱反正,解答迷思。

光伏背板外层(空气面)材料的选择

从性能要求上,光伏背板外层主要起到耐候(紫外、温湿度、冷热应力、化学品腐蚀、风沙磨损等)、提供机械支撑和方便粘接接线盒与边框的作用。因此,背板外层材料需要具备优异的耐候性、良好的机械强度与韧性、以及可粘接性等特点。

由于耐候性和长期可靠性要求高,氟塑料在背板外层中的应用占据主导地位。其中,主要分为聚氟乙烯(PVF)薄膜、聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜和少量氟碳涂料(FEVE)。这几类材料由于材料特性、加工工艺和成分的不同,在性能上亦有较大差别,不能一概论之,亦即“此氟非彼氟”。分析如下:

1. 薄膜成分:Tedlar® PVF纯氟树脂对比PVDF混合树脂

Tedlar®PVF薄膜的有机成分为100% PVF树脂,不添加任何其他非氟树脂进行共混,原料来源统一,质量管控严格。

随着光伏行业的高速发展,聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜由于投资小技术门槛低,生产厂家如雨后春笋般不断涌现,各家配方、工艺、厚度不尽相同。但是由于纯PVDF树脂成膜性很差,这些PVDF薄膜无一例外地需要添加质量分数20%~30%的PMMA(俗称亚克力)树脂辅助其成型。更有甚者,个别厂商为了掩盖PVDF薄膜初始横向断裂伸长率低的缺陷,在配方中添加橡胶或弹性体,这些成分能使PVDF薄膜在初始力学性能测试时表现得更好,但这样的改性方法对实际的户外老化性能毫无帮助。众所周知,橡胶类高分子在一定剂量紫外照射后,性能会剧烈下降,这样的改性方法会降低质量。

2. 成型工艺:Tedlar®PVF双向拉伸对比PVDF传统流延和吹膜

聚氟乙烯薄膜(Tedlar®,PVF)采用双向拉伸制造工艺,所制备的薄膜在横向和纵向两个方向都经过取向强化,机械性能均衡没有弱点。由于PVF薄膜加工温度和分解温度接近,要求极高的工艺控制,并且投资巨大,只有具备很高技术能力的大企业才可以生产,这也保证了Tedlar® 薄膜产品质量的可靠性和一致性。

聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和传统流延两种成型工艺。这两种成型工艺制备的薄膜在纵向有不同程度的拉伸,但在横向的拉伸都很弱或甚至没有拉伸,造成薄膜横向机械性能均较差。另外,由于PVDF薄膜加工难度和技术门槛较低,截至目前国内外有十余中小生产厂家,每家的工艺、配方和薄膜结构也有所差异,导致不同PVDF薄膜性能,特别是厚度,参差不齐。但很难从外观或一般的成分分析区分不同的PVDF薄膜,因此监管难度极大。最近,市场上有宣传PVDF吹膜工艺也是双向拉伸,其实是在混淆概念,PVDF成膜工艺根本不存在真正的双向拉伸。薄膜横向机械性能差、尤其是老化后更差,是固有的短板。

3. 薄膜性能:

(1)机械性能:Tedlar® PVF 性能均衡,而PVDF各向异性

Tedlar®PVF薄膜纵向(MD)和横向(TD)两个方向机械性能均很优异,而PVDF/PMMA共混薄膜TD方向性能很差,这是因为PVF采用双向拉伸成型工艺,且配方中不添加其他聚合物树脂共混,有着优异的机械性能。而PVDF/PMMA共混薄膜由于加工工艺和树脂本身的性能,使其横向力学性能很差,主要表现为断裂伸长率非常低,一般低于30%。如图2所示。

(2) 耐磨性能:Tedlar®PVF 耐磨性好,相比之下PVDF户外减薄严重

光伏组件,尤其是大型地面电站,很多都建设于气候严苛、风沙较大的地区。所以,背板所用的氟膜还需要有较好的耐风沙磨损性能。

近期收集到的一些实际案例数据表明,PVDF薄膜在户外的综合减薄速度非常惊人,有些案例居然发现组件背板的PVDF薄膜可以在短短2年内磨损多达5微米,无法保证光伏组件在25年后依旧可以抵挡外界各种环境影响。

目前,耐风沙磨损一般采用落砂试验,测试标准参照ASTM D968,以0.25-0.65mm标准砂为例,38微米的PVF薄膜通常需要250L以上才可以落穿,而PVDF薄膜依厚度和工艺不同落砂量大约为100~250L,而FEVE涂覆型背板一般只有50L左右落砂量。所以PVDF和FEVE涂覆型背板在户外尤其是风沙较大的地区使用,存在极大的失效风险。

(3) 耐化学性:Tedlar® PVF耐化学性优,而PVDF 发生溶胀(如图3)

此实验依据ASTM D543 塑料耐化学试剂的标准评价方法进行测试,将PVF和PVDF薄膜分别浸入丙酮,硫酸(1 mol/L)和饱和氨水中进行测试,时长为168小时(一周)。结果表明,不论是硫酸、碱性的氨水还是溶剂丙酮实验,PVF均显示了优异的耐溶剂性,而不同厂商的PVDF虽然绝对值略有差异,但均发生了溶胀,也表明了其化学品性能较差,不适用于严苛的户外环境。

所以从上述薄膜原料组成,成型工艺和薄膜性能等方面来看,Tedlar® PVF薄膜综合性能均衡,最适合光伏背板应用。而PVDF原料树脂含有不耐候组分,各家配方和厚度参差不齐,机械性能和耐化学性能也不佳,应用于光伏背板失效风险很大。

光伏背板内层(EVA面)材料的选择

从性能要求上,背板内层材料需要具备良好的粘接性(与EVA)、耐候性和一定的机械性能,以期达到背板与EVA粘接可靠、阻挡从组件正面照射进来的紫外线并保护中间层PET的作用。

目前市面上常见的光伏背板内层材料包括氟膜类、非氟薄膜类和氟碳涂层类三种。其中氟膜类内层主要有Tedlar® 聚氟乙烯(PVF)薄膜和聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜。Tedlar® PVF薄膜较PVDF薄膜具有更好的粘接性能和机械性能,是更好的背板内层材料。非氟薄膜类内层主要包括聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚酰胺(PA)和聚烯烃(PO)等,这类材料最大的优势是与EVA粘接性好,户外不易脱层。氟碳树脂(FEVE)涂层作为背板内层材料,其优点是耐候性和耐高温性能相对E层较好。但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。

对于背板内层来讲,耐紫外性能也很重要。目前很多电站中仍然能够看到大量KPE(PVDF/PET/E层)和PET类型背板内层发黄的案例,这是由于部分使用PVDF和PET背板厂家选择的E层材料配方或胶水不合格导致的。通过实验室的紫外老化测试也可以看到(图4),有些厂家的背板内层在紫外老化实验后出现了严重的开裂。所以选择产品已在户外长期使用的品牌,是十分必要的。

如果选择含氟涂层作为背板内层,那么为了有效阻挡紫外线并保护中间层PET免受紫外破坏,涂层厚度将非常关键。

涂层厚度与紫外线穿透率的关系符合Beer定律,如图5数据所示,氟碳涂层厚度如果低于10微米,紫外线开始穿透阻隔层到达PET中间层,穿透比率随厚度减薄而指数级升高。所以即使选用涂覆型背板,涂层的厚度也必须大于10微米,才能起到对PET的有效保护。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<10微米,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2微米以下(图6),这会大大增加背板中间层PET的紫外老化变脆和背板脱层风险。

背板户外失效案例

Tedlar® PVF薄膜是目前唯一具有30年以上实绩验证的背板材料,在世界各地和不同气候条件下都有基于Tedlar® PVF薄膜背板的长期使用案例。而PVDF背板和其他一些背板(包括AAA,PET等)面世的时间均不长,但在户外均已发现了大量的失效案例。典型案例如下:

1、PVDF背板开裂案例

PVDF背板在户外出现了大量开裂和脱层的案例(图7),大部分案例的开裂方向是沿着纵向开裂,也就是PVDF氟膜的TD方向,这与我们之前提到的PVDF薄膜的配方和成型工艺的分析的结果是一致的。

通过实验室的序列老化实验来模拟户外的实际情况,也能很好的复现PVDF在户外沿纵向开裂的失效模式。从图8可以看到,实验室序列老化测试后PVDF的开裂非常严重,与户外实际开裂模式一致。

2、PA背板开裂案例

从2010年开始有厂家陆陆续续的开始使用PA(尼龙)背板,但仅仅过了几年时间,就出现了大量失效的案例。图9左为PA背板在意大利使用5年的案例,右图为在中国西部使用4年的PA背板开裂的案例。

目前的行业测试标准均为单因素老化测试,并不能十分有效地模拟材料在户外的实际使用情况。杜邦科学家在PA背板刚面世时就通过大量的实验室老化测试预测了其在户外使用的风险。目前PA背板在户外使用4~5年后出现的大规模开裂,正好验证了组件加速老化测试模型与预测结果。

3、背板内层失效案例

背板内层由于在组件封装的内部,看似不与外部复杂的环境直接接触,这也导致了部分厂家不注重背板内层材料的选择,但实际上背板内层也承受着组件正面透过玻璃和封装材料的紫外、内部电池发热和机械应力等多重影响,在户外也发现了很多背板内层失效的案例。

如图10所示,一些不注重材料选择的厂商,其组件在户外短短几年时间,背板内层就发生了严重的开裂,这种开裂不仅降低了背板作为支撑作用的机械强度,更严重是电气安全性能也失去了原有的保障。

内层黄变的案例在户外更为常见,如图11所示,左图为PVDF为外层的背板在使用2年后,内层观察到严重黄变。右图是在西藏使用了9年的PET型背板内层也发生了黄变。所以,背板内层的选择也是非常关键的。

通过序列老化测试(MAST)对背板材料进行验证

现有的IEC测试标准还不能很好地模拟户外实际环境。针对上述现状,杜邦提出了一种新的组件测试方法,名为“组件加速序列老化测试”(图12),包括一系列应用在同一个组件上的应力测试,可以重现不同的背板材料的户外失效模式。每项应力的测试时间是通过户外曝晒程度和对户外组件的分析结果共同决定的。

较传统测试方法而言,使用组件加速序列老化测试预测组件材料的长期性能准确度更高,其结果与现场观察的情况大部分一致。在现场检测中可以发现很多PET背板开裂和黄变以及PVDF背板开裂的案例,通过组件加速序列老化测试方法可以模拟户外实际使用情况,并将不同背板的失效形式予以很好的重现。

综上所述,结合各类材料的理论分析和户外实证经验来看,不仅需要关注背板外层材料,内层材料的选择也同样非常关键。外层材料需要具备优异的耐候性(紫外、温湿度、冷热应力、化学品腐蚀、风沙磨损等)、机械性能(拉伸强度和断裂伸长率)和良好的粘接能力,而背板内层材料需要提供可靠的粘接性能、一定的耐候性能和机械性能。

目前的第三方测试仅注重单一老化应力的加严测试,并不能很好的反应户外多老化应力的实际情况,而加速序列老化测试方法可以很好的模拟户外失效模式,所以在背板材料选择时,需进行序列老化测试,使组件可靠性得到保障,达到长跑的目的。

Tedlar® PVF薄膜的各项关键性能最为均衡没有短板,而且是目前唯一具有30年以上户外实绩验证的背板材料,是背板内外层材料的明智选择,确保电站的长期可靠运行和投资回报。

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