太陽能電池組件用 PVDF 薄膜背闆材料可靠性研究摘要:本文選取 6 種不同型号背闆按常規工藝制備的晶矽光伏組件,放入環境試驗箱進行紫外、溫度循環測試,通過環境疊加試驗和加嚴測試方法,對不同背闆組件的性能進行對比分析。結果表明:在 2 倍的高低溫循環試驗以及紫外與高低溫循環疊加試驗後,廠家 C和廠家 D 氟膜在焊帶位置出現開裂問題,裂紋深度貫穿于氟膜層,此種問題通過背闆整體的力學性能測試并不能反映出來。本文研究結果,爲背闆可靠性驗證和生産選用提供了數據基礎。 關鍵詞:光伏組件;背闆;PVDF 薄膜;電池組件 近年來,我國光伏發電行業發展迅速,裝機容量不斷擴大。光伏背闆廣泛應用于太陽能電池組件,位于組件背面,在戶外環境下保護太陽能電池組件不受水汽侵蝕、阻礙氧化防止組件内部氧化,具有絕緣性,阻水性,耐老化型,耐高溫性,耐腐蝕性。此外,背闆内層可以反射陽光,提升組件轉換效率 [1]。 爲了良好耐候性,背闆外層材料爲含氟材料。光伏組件背闆用保護膜首先由 PVF( 聚氟乙烯 ) 薄膜推廣應用而成功,在市場競争的驅動下,衆多生産企業先後開發出PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜、 PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)薄膜、 ECTFE( 聚乙烯 - 三氟氯乙烯共聚物 ) 薄膜、 ETFE( 聚乙烯 -氟乙烯共聚物 ) 薄膜等用于 PVF 薄膜的替代品。在性能、價格、可獲取性等多重因素和市場長期檢驗的影響下, PVDF 薄膜已成爲市場主流。 近年來,在光伏平價上網的大趨勢下,降低組件成本促進了國産氟膜的發展。PVDF 氟膜生産廠家逐漸增多,産品質量良莠不齊。作爲需要使用 25 年的長久性光伏電站,要獲得良好收益,電站安全、可靠、長久性運行是首要前提,背闆性能起着至關重要的作用。爲了研究背闆在不同環境下的性能表現,曾湘安等 [2] 将四種不同類型背闆置于濕熱氣候環境下,對比背闆的性能表現确定其性能優劣。 Yu-tai Li 等 [3] 通過加速試驗與紫外試驗、紫外試驗與濕熱試驗相結合的方法,研究了環境因素疊加對不同背闆性能的影響。G. Oreski [4] 研究了共擠型背闆在濕熱環境下的性能表現。夏文進等 [5] 研究了含氟複合型背闆、不含氟背闆、含氟塗覆型背闆在紫外、加速、濕熱等條件下的性能表現。研究文獻中,對于背闆整體性研究較多,但缺乏對不同氟膜的性能對比。本文從背闆氟膜性能角度考慮,通過紫外與高低溫環境試驗,對比不同氟膜性能差異,爲背闆選型及應用提供數據基礎。 1 實驗部分 1.1 樣品制作 本次試驗選擇 PVDF 薄膜複合型背闆(KPC 結構),結構分爲五層,核心 3 層。外層爲 PVDF 薄膜,中間層爲改性 PET 材料,内層爲改性的含氟塗層材料。選擇 2 個背闆廠家 6 種不同型号背闆樣品,其中 S1/S2/S3/S4同一廠家同型号背闆,僅 PVDF 氟膜來源于 4 個供應商(供應商A/B/C/D)。S5/S6 爲另一廠家背闆, PVDF 氟膜來源于供應商 A/供應商 B。所用背闆中間 PET 厚度爲 250μm±10μm, PVDF 氟膜厚 度 18μm±2μm。 匹配相同的電池片、焊帶、 EVA、玻璃,按照正常的生産工藝,制成 27cm×50cm 的小組件,每種匹配制作組件 2 塊,具體樣品類型見表 1。 1.2 測試儀器及試驗方法 本文試驗采用金盾 KD-UV01-2224-YL 紫外試驗箱以及科名KMH-7187S 環境老化試驗箱進行紫外及高低溫環境試驗,試驗結果通過 VK-9710K 共聚焦顯微鏡進行微觀測量。本次試驗樣品均進行如下試驗:試驗一, 6 種樣品均先進行紫外光(UVA+UVB)60KW•h/m2 處理,然後進行高低溫度循環 200 次試驗。試驗二:6樣品進行兩個循環的高低溫度循環 200 次(TC200)測試,環境試驗箱條件爲 -40℃~ 85℃ [6]。 2 結果與讨論 2.1 實驗結果 試驗 1:紫外 60KWh 測試後,所有樣品組件背闆外觀良好,無黃變、開裂、脫層等不良。再繼續進行 TC200 測試後, S3 與 S4現表面細小裂紋,其他背闆外觀良好。通過對裂紋位置及程度進行觀察,所有裂紋均出現在焊帶位置。 試驗 2:高低溫度循環 200 次測試後,所有樣品組件背闆外觀良好。繼續第二個溫度循環 200 次測試後,與試驗一結果相同, S3 S4 樣品組件背闆氟膜表面出現細小裂紋。從問題背闆開裂位置取小樣,使用共聚焦顯微鏡進行觀察,結果顯示:S3 表面裂紋深度 6μm-9μm, PVDF 氟膜未全部開裂,僅表面出現開裂現象,測試結果如圖 1 所示。S4 表面裂紋深度 18μm-20μm,基本貫穿整個氟膜厚度,測試結果如圖 2 所示。 2.2 結果與讨論 PVDF 氟膜原料主要爲添加劑、钛白粉、氟樹脂、膠水、PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯 ) 等, PMMA 作爲增塑劑可以提高其熔融狀态下成膜性。但有研究表明随着 Ti02 含量的變化,其對 Ti02/PVDF 共混膜的流動性能、結晶性能、力學性能、親水性能等都有影響;而随着 PMMA 的含量變化, PMMA 的加入對 PMMA/PVDF混膜的流動性能、加工性能、結晶能力、力學性能等都有較大影響 [7]。 PVDF 成膜工藝主要有流延法、吹膜法,流延膜是通過熔體流涎驟冷生産的一種無拉伸、非定向的平擠薄膜,而吹塑膜是有取向的,通過控制速度、擠出量、壓力控制氟層厚度及寬幅。PVDF 成膜過程由于橫向沒有壓力,導緻 PVDF 氟膜橫向斷裂伸長率低,且紫外老化和溫度循環老化後性能會進一步下降變脆。焊帶本身金屬材料,在高低溫條件下,其熱膨脹對背闆氟膜産生較強的機械應力作用,因此裂紋多發生在焊帶位置,且沿縱向開裂。 力學性能方面,對 6 種背闆樣品進行力學性能測試,分别對初始樣品、 TC200 後、 TC400 後背闆樣品進行橫向、縱向斷裂伸長率測試,結果如圖 3 所示。由此實驗結果可以看出:6 種背闆材料性能無明顯差異。由于背闆的力學性能主要受 PET 材料性能影響,氟膜性能對其橫向斷裂伸長率測試結果影響甚微。因此,背闆材料的斷裂伸長率無法反映出氟膜性能的優劣,還需要綜合性的老化試驗進行評估。 3 結論 本文從通過對 6 種不同型号背闆進行紫外及高低溫循環試驗測試,對 PVDF 氟膜複合型背闆的可靠性進行了研究分析,得出以下結論: (1)經過紫外和高低溫循環測試後, S3 及 S4 兩種型号背闆出現不同程度的氟膜開裂問題,開裂深度貫穿或未貫穿整個氟膜,開裂均位于焊帶位置,沿焊帶方向延伸,與高低溫試驗環境下焊帶對背闆氟膜産生較強的機械應力作用有關。 (2)背闆爲複合型材料,其機械性能受 PET 等材料影響較大,對背闆材料的力學性能測試,并不能充分反映出氟膜性能的優劣。 (3)經過紫外處理後的組件試樣再經過高低溫循環測試,與雙倍的高低溫循環測試結果一緻,通過設計綜合的環境老化試驗,可以更爲有效反饋背闆性能。 來源:光伏學術文獻研讀
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