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揭开PVDF/PVF膜的性能真相 | PV-Tech每日光伏新闻

揭开PVDF/PVF膜的性能真相

  • 2017年05月19日
  • 作者: frank wei

    frank wei

    frank wei,frank wei

    frank wei

  • 技术翻译: frank wei
表1. C-F、C-H键结构特点

表1. C-F、C-H键结构特点

表2.紫外光波长及能量划分范围

表2.紫外光波长及能量划分范围

表3 背板外层保护材料简介

表3 背板外层保护材料简介

图1 PVDF膜/PVF膜 UVB150KWH老化对比

图1 PVDF膜/PVF膜 UVB150KWH老化对比

2016年全球新增光伏装机量达70GW,全球装机容量达300GW。其中中国新增装机量34GW,累计装机77GW。随着年装机量的不断增长,光伏电站的质量问题频现,涉及光伏背板的问题如:开裂、破损、分层、变色等。

光伏组件由玻璃-EVA-电池片-EVA-背板的结构封装而成,光伏背板是用在太阳能电池组件背面的一种保护性材料,用来保护电池片在户外恶劣环境中25年乃至更长时间的工作寿命,需要具备优异的耐候性、水汽阻隔性、电气绝缘性、尺寸稳定性、易加工性和耐撕裂性等要求。由于复合型背板的外层氟膜的致密性远好于涂覆型背板,所以市场主流是复合型背板,少数是涂覆型背板,且复合背板、涂覆型背板均离不开含氟材料的保护层。含氟材料之所以能成为光伏背板的首选,与其结构特点密不可分。C-F键具较高的键能,F原子具有极低的极化率、高的电负性和较小的范德华半径,能够较好地保护内层C-C键不被破坏,这赋予了含氟材料特殊的结构特点。(详见表1)

由表1可以看出,C-F键特殊的结构特点赋予了其高度的结构稳定性,使其具有较高的键能能量,使得含氟材料具有比一般材料更耐化学侵蚀、耐光辐照破坏、耐氧老化的优点。应用在光伏背板上,主要是含氟材料比一般材料更耐日光长期暴晒。

根据爱因斯坦光子能量理论,可以计算出不同波段的紫外光所对应的能量,波长和所对应的能量划分如下:(详见表2)

由于C-F键键能为485kJ/mol,可由光子能量理论推算出,断裂C-F所需的最大波长约为247nm。即理论而言,只有波长小于247nm波长范围的紫外光才有可能破坏C-F键。而太阳光中这部分的光子含量不到5%,经过长距离传输和大气层臭氧层的吸收作用,紫外光中几乎已无247nm波长的紫外光达到地球表面。因此C-F键的多少即氟含量的多少往往成为评判结构材料户外耐候性的主要技术指标之一。

光伏背板用氟膜主要有PVDF膜(聚偏氟乙烯)、PVF膜(聚氟乙烯)、ETFE膜(乙烯-四氟乙烯共聚物)、ECTFE膜(乙烯-偏氟乙烯共聚物)、THV膜(四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物)等,ETFE、ECTFE、THV由于原料供应能力和成本原因在光伏背板上未能规模化应用,在光伏背板上广泛应用的主要是PVDF膜和PVF膜。

如下为PVDF膜、PVF膜、PET膜的性能描述:(详见表3、图1)

由于PVDF具有优异的加工性、耐候性、阻隔性,同时具有较低的商品化成本,非常适合成为光伏背板耐候材料。与PVF相比,其含氟量更高(59% VS 41%),耐候性更加优异,耐粘污性更强,阻燃等级更高(V0 VS HB)、发烟少的优点。PVDF分子偶极矩较大,易于结晶,同样厚度的PVDF薄膜透水率仅有PVF薄膜的约十分之一。此外,PVDF薄膜加工性更好,其熔融温度与热分解温度差值高达170℃,无需添加潜溶剂或共聚改性即可良好成膜,是含氟塑料中最易加工的品种。

PVF膜(聚氟乙烯膜),纯的PVF粒料呈半透明状,基本没有阻隔紫外线的能力,必须要加入无机填料来阻隔紫外线。由于PVF分子的熔点与分解温度只相差20℃,无法采用热熔加工,只能采用一种称为“糊式加工法”的加工方式,即加入潜溶剂来降低熔点进行加工,在PVF成膜后需要将潜溶剂挥发掉,所以PVF膜表面有大量空隙,而且由于膜里潜溶剂的残留使商品化的PVF膜呈灰色。所以PVF膜商品化的含氟量只有29%左右,某些新闻中宣称PVF膜的含氟量为41%纯属无稽之谈。PVF的对油脂、有机溶剂、碱类物质的耐受性良好,但不耐浓盐酸、硫酸、硝酸和氨水。

由图1可以看出PVDF膜(30μm)、PVF膜(38μm)经过UVB 150KWH老化后,PVDF膜表面无粉化、PVF膜表面已粉化。

PMMA是一种刚性硬质的无色透明材料,密度1.18g/cm3,具有良好的综合力学性能(拉伸强度50MPa)介电性、电绝缘性、抗电弧性,是一种用途广泛的通用型塑料,可用于人造大理石、导光板、镜头、机械零件、汽车灯外壳、日化塑料用品、油墨、涂料、添加剂等。产品消按费种类分为通用级、耐热级、高冲击型、光学级、特殊级等。特殊级的PMMA具有7倍于普通亚克力树脂的抗冲击性能,同时具有优异的仅此于含氟材料的抗紫外性能。PMMA也常作为PVDF膜的加工助剂,赋予PVDF膜易加工性、粘结性,并且PVDF膜在添加了高遮蔽性的钛白粉后可以有效的避免PMMA直接暴露在阳光下。PVDF膜配方中对于PMMA品类的选择和配方体系的相容性、协同性很重要。

市场上主流的PVDF膜厚度有20、22.5、25、30μm等几种厚度,PVF膜主流厚度是38μm、25μm两种,这两种氟膜的厚度差异主要源于在制造能力上。PVDF膜主要是吹塑、流延两种热熔加工,可以调整设备的口模的间隙来调整厚度;但PVF的糊式加工法由于设备限制只能生产38μm、25μm两种厚度,不具备生产其他厚度的能力,所以PVF膜的厚度和成本几乎无下降的空间。相反PVDF膜可以根据背板的具体结构来调整、定制相应的厚度和相关的性能来满足背板的性能、价格要求,例如PVDF膜减薄后可以通过结构调整来增强阻水、耐磨能力。所以PVF膜的市场份额逐年缩小,主流背板厂、组件厂除了央企指定订单外,无一例外选择性价比高的PVDF膜。

根据国际能源署光伏系统项目的报告,到2050年废弃的光伏组件会达到0.8亿吨,各国政府都开始着手考虑光伏组件的回收问题。含氟材料由于其C-F键的存在,难以被分解、回收处理,但国内一家PVDF膜制造商杭州福膜创新性的发明了含PVDF膜背板的回收技术,可100%的对含PVDF膜的背板进行回收再利用,奠定了含PVDF膜背板的绿色属性。而PVF由于熔点、分解温度只差20℃,以现有的技术手段无法对其回收再利用,后续含PVF的背板回收将是组件回收的一大难题。

PVDF膜无论是单层结构还是三层结构,所有的耐候性能、阻燃性能都是C-F键赋予的,所以在选择时要首先关注氟含量,其次是选择有品牌、出货的稳定性和有一定市场份额的公司。

PVDF膜经过这么多年的发展有市场知名度的国内外有ARKEMA、SKC、杭州福膜等。

综上,PVDF膜是比PVF膜在耐紫外、阻燃、水汽透过率等方面更优异的耐候性材料。

现在市场上出现一些PVDF膜厂家配方、工艺稳定性差、含氟量低在一定程度上增加了光伏组件的使用风险,所以选择有一定市场份额和品牌的PVDF膜制造商是必要的。

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