背板作為保護光伏組件的最外部材料，尤其容易受到環(huán)境氣候應力的影響。背板材料的粘接性能、抗紫外能力和機械強度都是影響其可靠性的關鍵因素，甚至影響整個組件的功率輸出和使用壽命。

近年來，杜邦公司對在北美、歐洲、亞太地區(qū)約200個電站進行了現(xiàn)場調研，涵蓋了來自45個組件廠、不同氣候類型、運行時間在0到30年、總功率超過450MW的組件。調研數(shù)據(jù)顯示，有22%的組件存在明顯的老化和可視失效。其中電池的失效率最高，為11.3%，背板的失效率其次，為7.4%。如圖1所示。



背板雖然只占組件和電站總成本很小一部分，但起著保護組件工作25年的重要作用，所以對于背板材料的選擇就顯得尤為重要。目前，市面上絕大部分背板為多層復合結構，并采用PET聚酯為中間層，起到絕緣和機械支撐的作用。而在背板外層（空氣面）和內層（EVA面）的材料選擇上，則顯得魚龍混雜，對背板材料的質量與長期可靠性帶來了很大隱患。上述統(tǒng)計中背板高居第二的失效率即體現(xiàn)了行業(yè)現(xiàn)狀。本文擬針對背板內外層材料的性能要求和不同材料體系的優(yōu)缺點進行探討和分析，以期撥亂反正，解答迷思。

光伏背板外層（空氣面）材料的選擇

從性能要求上，光伏背板外層主要起到耐候（紫外、溫濕度、冷熱應力、化學品腐蝕、風沙磨損等）、提供機械支撐和方便粘接接線盒與邊框的作用。因此，背板外層材料需要具備優(yōu)異的耐候性、良好的機械強度與韌性、以及可粘接性等特點。
由于耐候性和長期可靠性要求高，氟塑料在背板外層中的應用占據(jù)主導地位。其中，主要分為聚氟乙烯（PVF）薄膜、聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜和少量氟碳涂料（FEVE）。這幾類材料由于材料特性、加工工藝和成分的不同，在性能上亦有較大差別，不能一概論之，亦即“此氟非彼氟”。分析如下：

1. 薄膜成分：Tedlar® PVF純氟樹脂對比PVDF混合樹脂

Tedlar®PVF薄膜的有機成分為100% PVF樹脂，不添加任何其他非氟樹脂進行共混，原料來源統(tǒng)一，質量管控嚴格。

隨著光伏行業(yè)的高速發(fā)展，聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜由于投資小技術門檻低，生產(chǎn)廠家如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，各家配方、工藝、厚度不盡相同。但是由于純PVDF樹脂成膜性很差，這些PVDF薄膜無一例外地需要添加質量分數(shù)20%~30%的PMMA(俗稱亞克力)樹脂輔助其成型。更有甚者，個別廠商為了掩蓋PVDF薄膜初始橫向斷裂伸長率低的缺陷，在配方中添加橡膠或彈性體，這些成分能使PVDF薄膜在初始力學性能測試時表現(xiàn)得更好，但這樣的改性方法對實際的戶外老化性能毫無幫助。眾所周知，橡膠類高分子在一定劑量紫外照射后，性能會劇烈下降，這樣的改性方法會降低質量。

2. 成型工藝：Tedlar®PVF雙向拉伸對比PVDF傳統(tǒng)流延和吹膜

聚氟乙烯薄膜（Tedlar®，PVF）采用雙向拉伸制造工藝，所制備的薄膜在橫向和縱向兩個方向都經(jīng)過取向強化，機械性能均衡沒有弱點。由于PVF薄膜加工溫度和分解溫度接近，要求極高的工藝控制，并且投資巨大，只有具備很高技術能力的大企業(yè)才可以生產(chǎn)，這也保證了Tedlar® 薄膜產(chǎn)品質量的可靠性和一致性。

聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜主要使用吹膜和傳統(tǒng)流延兩種成型工藝。這兩種成型工藝制備的薄膜在縱向有不同程度的拉伸，但在橫向的拉伸都很弱或甚至沒有拉伸，造成薄膜橫向機械性能均較差。另外，由于PVDF薄膜加工難度和技術門檻較低，截至目前國內外有十余中小生產(chǎn)廠家，每家的工藝、配方和薄膜結構也有所差異，導致不同PVDF薄膜性能，特別是厚度，參差不齊。但很難從外觀或一般的成分分析區(qū)分不同的PVDF薄膜，因此監(jiān)管難度極大。最近，市場上有宣傳PVDF吹膜工藝也是雙向拉伸，其實是在混淆概念，PVDF成膜工藝根本不存在真正的雙向拉伸。薄膜橫向機械性能差、尤其是老化后更差，是固有的短板。

3. 薄膜性能：

（1）機械性能：Tedlar® PVF 性能均衡，而PVDF各向異性

Tedlar®PVF薄膜縱向（MD）和橫向（TD）兩個方向機械性能均很優(yōu)異，而PVDF/PMMA共混薄膜TD方向性能很差，這是因為PVF采用雙向拉伸成型工藝，且配方中不添加其他聚合物樹脂共混，有著優(yōu)異的機械性能。而PVDF/PMMA共混薄膜由于加工工藝和樹脂本身的性能，使其橫向力學性能很差，主要表現(xiàn)為斷裂伸長率非常低，一般低于30%。如圖2所示。




(2) 耐磨性能：Tedlar®PVF 耐磨性好，相比之下PVDF戶外減薄嚴重

光伏組件，尤其是大型地面電站，很多都建設于氣候嚴苛、風沙較大的地區(qū)。所以，背板所用的氟膜還需要有較好的耐風沙磨損性能。

近期收集到的一些實際案例數(shù)據(jù)表明，PVDF薄膜在戶外的綜合減薄速度非常驚人，有些案例居然發(fā)現(xiàn)組件背板的PVDF薄膜可以在短短2年內磨損多達5微米，無法保證光伏組件在25年后依舊可以抵擋外界各種環(huán)境影響。

目前，耐風沙磨損一般采用落砂試驗，測試標準參照ASTM D968，以0.25-0.65mm標準砂為例，38微米的PVF薄膜通常需要250L以上才可以落穿，而PVDF薄膜依厚度和工藝不同落砂量大約為100～250L，而FEVE涂覆型背板一般只有50L左右落砂量。所以PVDF和FEVE涂覆型背板在戶外尤其是風沙較大的地區(qū)使用，存在極大的失效風險。

(3) 耐化學性：Tedlar® PVF耐化學性優(yōu)，而PVDF 發(fā)生溶脹



此實驗依據(jù)ASTM D543 塑料耐化學試劑的標準評價方法進行測試，將PVF和PVDF薄膜分別浸入丙酮，硫酸（1 mol/L）和飽和氨水中進行測試，時長為168小時（一周）。結果表明，不論是硫酸、堿性的氨水還是溶劑丙酮實驗，PVF均顯示了優(yōu)異的耐溶劑性，而不同廠商的PVDF雖然絕對值略有差異，但均發(fā)生了溶脹，也表明了其化學品性能較差，不適用于嚴苛的戶外環(huán)境。

所以從上述薄膜原料組成，成型工藝和薄膜性能等方面來看，Tedlar® PVF薄膜綜合性能均衡，最適合光伏背板應用。而PVDF原料樹脂含有不耐候組分，各家配方和厚度參差不齊，機械性能和耐化學性能也不佳，應用于光伏背板失效風險很大。

光伏背板內層（EVA面）材料的選擇

從性能要求上，背板內層材料需要具備良好的粘接性（與EVA）、耐候性和一定的機械性能，以期達到背板與EVA粘接可靠、阻擋從組件正面照射進來的紫外線并保護中間層PET的作用。

目前市面上常見的光伏背板內層材料包括氟膜類、非氟薄膜類和氟碳涂層類三種。其中氟膜類內層主要有Tedlar® 聚氟乙烯（PVF）薄膜和聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜。Tedlar® PVF薄膜較PVDF薄膜具有更好的粘接性能和機械性能，是更好的背板內層材料。非氟薄膜類內層主要包括聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、聚酰胺（PA）和聚烯烴（PO）等，這類材料最大的優(yōu)勢是與EVA粘接性好，戶外不易脫層。氟碳樹脂（FEVE）涂層作為背板內層材料，其優(yōu)點是耐候性和耐高溫性能相對E層較好。但與前兩類內層材料相比，F(xiàn)EVE涂層的耐候性和致密性不如氟膜，粘接力和力學性能不如E層。

對于背板內層來講，耐紫外性能也很重要。目前很多電站中仍然能夠看到大量KPE（PVDF/PET/E層）和PET類型背板內層發(fā)黃的案例，這是由于部分使用PVDF和PET背板廠家選擇的E層材料配方或膠水不合格導致的。通過實驗室的紫外老化測試也可以看到（圖4），有些廠家的背板內層在紫外老化實驗后出現(xiàn)了嚴重的開裂。所以選擇產(chǎn)品已在戶外長期使用的品牌，是十分必要的。



如果選擇含氟涂層作為背板內層，那么為了有效阻擋紫外線并保護中間層PET免受紫外破壞，涂層厚度將非常關鍵。


涂層厚度與紫外線穿透率的關系符合Beer定律，如圖5數(shù)據(jù)所示，氟碳涂層厚度如果低于10微米，紫外線開始穿透阻隔層到達PET中間層，穿透比率隨厚度減薄而指數(shù)級升高。所以即使選用涂覆型背板，涂層的厚度也必須大于10微米，才能起到對PET的有效保護。力學性能測試數(shù)據(jù)進一步證明，當接受1000-1380小時的紫外照射后，如果內層厚度<10微米，背板斷裂伸長率將顯著下降。一些背板廠商為了降低成本，將背板內層涂層的厚度減至2微米以下（圖6），這會大大增加背板中間層PET的紫外老化變脆和背板脫層風險。



背板戶外失效案例

Tedlar® PVF薄膜是目前唯一具有30年以上實績驗證的背板材料，在世界各地和不同氣候條件下都有基于Tedlar® PVF薄膜背板的長期使用案例。而PVDF背板和其他一些背板（包括AAA，PET等）面世的時間均不長，但在戶外均已發(fā)現(xiàn)了大量的失效案例。典型案例如下：

1. PVDF背板開裂案例

PVDF背板在戶外出現(xiàn)了大量開裂和脫層的案例（圖7），大部分案例的開裂方向是沿著縱向開裂，也就是PVDF氟膜的TD方向，這與我們之前提到的PVDF薄膜的配方和成型工藝的分析的結果是一致的。



通過實驗室的序列老化實驗來模擬戶外的實際情況，也能很好的復現(xiàn)PVDF在戶外沿縱向開裂的失效模式。從圖8可以看到，實驗室序列老化測試后PVDF的開裂非常嚴重，與戶外實際開裂模式一致。



2 . PA背板開裂案例

從2010年開始有廠家陸陸續(xù)續(xù)的開始使用PA（尼龍）背板，但僅僅過了幾年時間，就出現(xiàn)了大量失效的案例。圖9左為PA背板在意大利使用5年的案例，右圖為在中國西部使用4年的PA背板開裂的案例。


目前的行業(yè)測試標準均為單因素老化測試，并不能十分有效地模擬材料在戶外的實際使用情況。杜邦科學家在PA背板剛面世時就通過大量的實驗室老化測試預測了其在戶外使用的風險。目前PA背板在戶外使用4~5年后出現(xiàn)的大規(guī)模開裂，正好驗證了組件加速老化測試模型與預測結果。

3. 背板內層失效案例

背板內層由于在組件封裝的內部，看似不與外部復雜的環(huán)境直接接觸，這也導致了部分廠家不注重背板內層材料的選擇，但實際上背板內層也承受著組件正面透過玻璃和封裝材料的紫外、內部電池發(fā)熱和機械應力等多重影響，在戶外也發(fā)現(xiàn)了很多背板內層失效的案例。

如圖10所示，一些不注重材料選擇的廠商，其組件在戶外短短幾年時間，背板內層就發(fā)生了嚴重的開裂，這種開裂不僅降低了背板作為支撐作用的機械強度，更嚴重是電氣安全性能也失去了原有的保障。


內層黃變的案例在戶外更為常見，如圖11所示，左圖為PVDF為外層的背板在使用2年后，內層觀察到嚴重黃變。右圖是在西藏使用了9年的PET型背板內層也發(fā)生了黃變。所以，背板內層的選擇也是非常關鍵的。



通過序列老化測試（MAST）對背板材料進行驗證

現(xiàn)有的IEC測試標準還不能很好地模擬戶外實際環(huán)境。針對上述現(xiàn)狀，杜邦提出了一種新的組件測試方法，名為“組件加速序列老化測試”（圖12），包括一系列應用在同一個組件上的應力測試，可以重現(xiàn)不同的背板材料的戶外失效模式。每項應力的測試時間是通過戶外曝曬程度和對戶外組件的分析結果共同決定的。

較傳統(tǒng)測試方法而言，使用組件加速序列老化測試預測組件材料的長期性能準確度更高，其結果與現(xiàn)場觀察的情況大部分一致。在現(xiàn)場檢測中可以發(fā)現(xiàn)很多PET背板開裂和黃變以及PVDF背板開裂的案例，通過組件加速序列老化測試方法可以模擬戶外實際使用情況，并將不同背板的失效形式予以很好的重現(xiàn)。



綜上所述，結合各類材料的理論分析和戶外實證經(jīng)驗來看，不僅需要關注背板外層材料，內層材料的選擇也同樣非常關鍵。外層材料需要具備優(yōu)異的耐候性（紫外、溫濕度、冷熱應力、化學品腐蝕、風沙磨損等）、機械性能（拉伸強度和斷裂伸長率）和良好的粘接能力，而背板內層材料需要提供可靠的粘接性能、一定的耐候性能和機械性能。

目前的第三方測試僅注重單一老化應力的加嚴測試，并不能很好的反應戶外多老化應力的實際情況，而加速序列老化測試方法可以很好的模擬戶外失效模式，所以在背板材料選擇時，需進行序列老化測試，使組件可靠性得到保障，達到長跑的目的。

Tedlar® PVF薄膜的各項關鍵性能最為均衡沒有短板，而且是目前唯一具有30年以上戶外實績驗證的背板材料，是背板內外層材料的明智選擇，確保電站的長期可靠運行和投資回報。