太阳能电池背板的结构及性能分析优秀课件

讲解人 姚元毅2013 08 10 太阳能电池背板 结构及性能分析 目录 一 太阳能电池背板概述二 太阳能电池背板的组成三 太阳能电池背板的加工工艺四 太阳能电池背板的性能及检测五 太阳能电池背板使用过程中常遇到的问题 Page2 Page2 一 太阳能电池背板概述 Page3 太阳能电池背板位于组件背面的最外层 在户外环境下保护太阳能电池组件不受水汽的侵蚀 阻隔氧气防止氧化 耐高低温 良好的绝缘性和耐老化性能 耐腐蚀性能 可以反射阳光 提高组件的转化效率 具有较高的红外发射率 可以降低组件的温度 Page3 Page4 太阳能组件结构 抗氧化 高绝缘性 耐腐蚀 Page4 Page5 太阳能电池背板位于太阳能电池板的背面 对电池片起保护和支撑作用 具有可靠的绝缘性 阻水性 耐老化性 一般具有三层结构 外层保护层具有良好的抗环境侵蚀能力 防止水气侵蚀 抗紫外线等 中间层为PET聚脂薄膜 聚对苯二甲酸乙二醇酯 具有良好的绝缘性能和强度 内层薄膜PEVA或PE与EVA胶膜具有良好的粘接性能 二 太阳能电池背板的组成 Page5 Page6 1 外层保护层 为了有良好的耐候性 一般要求背板外层材料为含氟材料 PVF和PVDF为最常见的两种含氟材料 在所有高分子材料中是众所周知的耐侯性最佳产品 氟树脂独特的性能源于其特殊的分子结构C F C F键是有机化合物共价键中键能最大的 C F键能485KJ mol 太阳光中紫外光波长200 380nm 220nm的光子的能量为544KJ mol 只有小于220nm的光子才能离解C F键 在阳光中 小于220nm的光子比例很小 不到5 而且这些短波紫外线容易被大气圈外臭氧层吸收 能到达地面的极少 所以太阳光几乎对氟聚合物没有任何影响 其缺点就是价格高昂 同时不易粘接 全球许多大型材料公司做了多年的材料研究 寻找可替代产品 但目前尚未找到理想的替代品 Page6 Page7 PVF薄膜 学名聚氟乙烯 polyvinylfluoride 由氟和氟碳分子的共聚体挤压而成 为含氟或氟碳的共聚物 比其它任何聚合物具有更大的化学结合力和结构稳定性 对日照 化学溶剂 酸碱腐蚀 湿气和氧化作用的抵抗力和耐久性效果显著 做PVF薄膜最为出名的为美国杜邦公司 杜邦公司的注册商标Tedlar就是现光伏行业做背板用的最多PVF薄膜 TPT或TPE等背板中的T层指的就是这里所说的Tedlar 其有第一代和第二代之分 从实际使用情况而言第一代产品质量更好一些 其厚度在30um左右 目前较多供应欧美市场 第二代产品成本低一些 厚度为25um 表面有肉眼可见的针孔 供应亚洲市场较多 第一代含氟膜用的是挤出吹塑法 第二代用的是流延法 Page7 Page8 PVDF聚偏氟乙烯 除具有良好的耐化学腐蚀性 耐高温性 耐氧化性 耐候性 耐射线辐射性能外 还具有压电性 介电性 热电性等特殊性能 是目前含氟材料中产量名列第二位的大产品 做PVDF薄膜最为出名的为法国阿科玛公司 阿科玛公司的注册商标Kynar就是现光伏行业做背板用的最多PVDF薄膜 KPK或KPE等背板中的K层指的就是这里所说的Kynar 由于PVDF的密度是PVF的1 3 1 4倍 在分子结构上多一个氟原子 所以比PVF更致密 更耐候 阻隔性更好 纯PVDF薄膜的透水率只有同等厚度的PVF薄膜的1 5左右 所以通常情况下使用PVDF薄膜的厚度可以比PVF薄 但是PVDF成型较困难 一般需要添加丙烯酸类材料 此材料会造成局部老化 Page8 Page9 2 PET 是聚对苯二甲酸乙二醇酯的简称 又称聚酯薄膜 乳白色或浅黄色 高度结晶的聚合物 表面平滑有光泽 具有优良的物理机械性能 长期使用温度可达120 短期使用可耐150 高温 可耐 70 低温 且高 低温时对其机械性能影响很小 电绝缘性优良 甚至在高温高频下 其电性能仍较好 抗蠕变性 耐疲劳性 耐摩擦性 尺寸稳定性都很好 气体和水蒸气渗透率低 但是在高温高湿中容易水解 在紫外光照下易发生光降解反应 背板一般都用PET膜来作为支持体 由多层PET复合而成的背板也有一定的市场应用 TPT TPE KPK KPE等材料中的P层指的就是这里的PET 目前只有少数公司可以生产背板用PET Page9 Page10 3 背板内层 在背板中 未经改性的含氟薄膜和PET与EVA胶膜粘结牢度差 因此背板与电池片接触面需要有粘结层材料 一般可以使用改性过的含氟薄膜和PET 或是粘结性强的PEVA膜或PE膜 使用PEVA膜或PE膜作为背板内层对组件耐候性有很大的影响 但是它可以大大降低成本 但在非特别关键的组件上客户还是愿意使用的 TPT KPK等材料中使用的背板内层就是指改性过的含氟薄膜 TPE KPE等材料中的E层指的就是粘结性强的PEVA膜或PE膜 PE Polyethylene 聚乙烯 是结构最简单的高分子有机化合物 当今世界应用最广泛的高分子材料 由乙烯聚合而成 因其粘合在组件里面 不接触空气 仅有正面电池间隙漏过的部分光线对其有老化作用 故此虽然在一定程度上降低了使用年限 Page10 Page11 所以根据背板各层所使用的不同材料 背板可以分为TPT KPK TPE KPE以及多层PET压合而成的背板等 多层PET组成的背板 最外层是耐老化PET 加上阻隔PET等组成的 现在日本还有多层PET复合的背板 就是外面是抗老化的PET 中间是绝缘和阻隔的PET 与EVA接触面是胶或者其他的 但是这种结构一个最大的问题使用年限一般不会超过10年 再好的改性PET也不能在室外这么强的光照和恶劣条件下超过10年的 为了防止水蒸气进入组件 有些公司在以上各类型的背板中会加入一个铝层 比如在TPE的T和P中加入铝层 就成为了TAPE 这种结构的背板也有一定的市场 Page11 Page12 以上介绍的是最为常见的几种背板构成 随着步入背板行业公司的增加 还有许多其他结构的背板相继面世 备注1 Primer 底漆或底涂 PO Polyolefin 指各类聚烯烃 包括聚乙烯 PE 聚丙烯 PP 和其共聚物或合金 Page12 Page13 备注21 ECTFE 聚三氟氯乙烯 乙烯和三氟氯乙烯1 1的交替共聚物 此材料从低温到330 的性能良好 其强度 耐磨性 抗蠕变性优良 它在室温和高温下耐大多数腐蚀性化学品和有机溶剂 在上述几种双氟薄膜结构中 ECTFE的水气阻隔能力是最强的 但成本也最高 2 SIOX PET真空溅射氧化硅的PET层以增强背板的隔水性 3 THV 四氟乙烯 TFE 六氟丙烯 HFP 与偏氟乙烯 VDF 的共聚物 THV是美国Dyneon公司在20世纪80年代开发出的性能优异的氟塑料 除具有氟塑料耐候性 不燃性 不粘性外 还可以象常见聚合物一样容易加工 是一种极具发展前景的氟塑料 4 FEVE 目前唯一能真正室温固化的氟碳涂料 但是FEVE是否适合做背板还是需要长时间的可靠性实验来验证 另外两种氟涂料PTEE PVDF由于需要370 400 高温烧结成膜 高于PET熔点280 故此两种涂料无法在背板上使用 Page13 Page14 1 复合法 复合法是现在光伏行业里比较接受的背板加工工艺 所以将重点介绍 三 太阳能电池背板的加工工艺 Page14 Page15 Page15 Page16 背板复合生产线 Page16 Page17 影响复合法成型背板品质的因素有以下两大类 1 生产设备及工艺参数 a 涂布方式 要求厚度均匀 以保证粘接效果 目前涂布行业最先进的涂布方式为定量挤压式涂布方式 因其涂布料液采用定量并由PLC 可编程逻辑控制器 进行自控 不受环境温度影响 涂布精度高 故而在高精度涂布的产品中得以应用 远比常规的凹版涂布方式和逗号刮刀方式精确 b 干燥过程控制 干燥过程控制是涂布生产的关键 否则溶剂残留过多 会引起背板双85老化测试中起泡 分层 从而影响使用寿命 其重点是由涂布生产中各项工艺参数综合平衡来控制的 Page17 Page18 2 粘接体系 a 粘接物料体系 粘接物料体系由粘合剂 稀释溶剂及部份填加的助剂形成 其主体是粘合剂的作用 目前国内外背板企业选用的粘合剂体系基本上均为双组份聚氨酯体系 因其既要有优异的抗UV 耐水解等抗老化要求 又要对难粘接的含氟膜有良好的粘接性 故目前全球也仅有几家专业的粘合剂公司可以生产 粘接体系中影响剥离强度的另一因素 就是稀释溶剂 常规选用的为 乙酸乙酯 酮类等 但对其纯度要求极高 因为其中所含的水份 醇类等羟基 OH 杂质会与粘合剂中固化剂所含有的异氰酸根 NCO 发生直接反应 导致粘合剂性能下降 严重的甚至失效 故而虽然溶剂是常规溶剂 但其中对羟基类杂质含量要求必须控制严格 这也是同粘合剂生产公司一样 是使用溶剂行业中的最高标准要求 工艺调试期间的注意事项 Page18 Page19 b 膜材料的表面性能 首先是膜表面处理的因素 目前主流均为电晕处理 甚至需要特定的等离子处理方式 通过高频电火花对膜表面冲击 一方面形成微小凹坑增加粘接的表面积 另一方面将薄膜表面分子的化学键打断 形成与粘合剂中活性链的交联反应 但电晕处理不能过度 否则造成膜表面损坏 同样也会造成粘接性能的下降 故此膜复合前的表面处理极为关键 要求其处理设备 电晕或等离子 运行稳定 放电均匀一致 并达到相应的瓦特密度性和合适的处理深度 其次是膜本身的因素 因此行业要求高耐侯性 故此在膜材料中都添加了相应的助剂 以提高其性能 下面就三种膜进行逐一分类比较 PET膜分为半透与白色两类 相对来讲 半透膜要易粘接 而白色膜中添加了各种助剂会影响一定粘接性能 Page19 Page20 PF薄膜是难以粘接的物质 尤其是PVDF膜含有双C F键 比杜邦的PVF膜单C F键更难以粘接 同进粘接效果还受膜中助剂成分 成型工艺等因素影响 PEVA膜或PE膜是TPE KPE类背板中的薄弱环节 因其本身耐侯性并不理想 但出于对背板产品的成本考虑 将与层压EVA面的膜材料换成PE或EVA膜 以牺牲部分抗老化性能换取成本的降低 这是目前绝大部分中型组件公司的首选 Page20 Page21 2 涂覆法 组件厂家先是使用复合法成型的背板 并且也通过20多年的使用验证 所以目前使用PVF PVDF等F膜的背板接受程度还是比使用氟涂料涂覆形成的背板高 配制氟涂料 Page21 Page22 2 涂布法和复合法的差别 尽管二者化学组成基本相同 但因形成过程和涂布方式的差别造成二者使用性能上的差别 a 装饰保护层的致密性 F膜 PVF PVDF薄膜 由共聚体挤压而成 这一形成过程保证了装饰层致密无暇 决无氟涂料喷涂或滚涂过程中经常发生的针孔 发裂等缺陷 所以 F膜的饰层隔绝性优于氟涂料 F膜板可以用在腐蚀环境更为恶劣的地方 例如 海边区域 日本及其它国家更规定这些地区的金属壁板要用F膜覆盖 曾经进行过试验 将氟涂层钢板和TedlarPVF覆膜钢板同时置于盐酸上方 暴露在HCL气雾中 30分钟以后 HCL气体透过氟涂层侵蚀钢板表面 而PVF覆膜保护的钢板丝毫未变 Page22 Page23 b F膜制造过程中分子晶格沿纵 横方向挤压排列大大强化了它的物理强度 所以 F膜具有更大的韧性 180 折弯试验后用放大43倍的放大镜观察F膜没有裂纹 而氟涂层可见明显裂纹 其原因是 F膜的延伸率可达100 而氟涂层没有 这一微小的差别非同小可 因为日后的腐蚀就会很快从裂纹这里开始 F膜具有更强的耐磨能力 按ASTMD968要求进行的落沙耐磨试验表明37 5 m的F膜相当于100 m氟涂层的耐磨能力 因此在大气 风沙的冲刷面前 F膜板的寿命将更长 F膜优良的物理性能决定了它优良的加工性能 它可承受剪切 冲压 滚压 钻孔 钉钉 轧边和折边等各种操作而不产生龟裂 或其它可能影响使用寿命的损害 Page23 Page24 Page24 Page25 3 还有一种用的比较少的背板加工工艺是交联反应法 将F3F4含氟树脂在高温下通过交联剂反应 将氟树脂在PET薄膜表面成膜 成膜后形成无间隙的一体化三层薄膜 F3F4含氟树脂从日本旭肖子采购 该背板膜最大的特点是通过交联反应 分子是网状交联结构 薄膜表面硬度比复合和涂布法薄膜高 适宜在野外的太阳能电站 特别是风沙较大的地方 Page25 Page26 1 厚度 对于不同的材料 制成的产品厚度也是不一样的 为了达到一定的绝缘性能 一般而言PET厚度为250 m PVDF薄膜厚度为25 m PEVA薄膜厚度为70 m 两层胶黏剂的厚度均在10 m左右 所以太阳能电池背板KPK的厚度为320 10 m KPE厚度为365 10 m 检测方法 用精度为0 001mm的螺旋测微仪进行厚度检测 四 太阳能电池背板的性能及检测 Page26 Page27 2 克重 对于不同厚度 不同材料的背板有不同的克重要求 我司KPK背板的克重为450 10g m2 而KPE背板的克重为500 10g m2 检测方法 用精度为0 1g的电子台秤测量 四 太阳能电池背板的性能及检测 Page27 Page28 3 拉伸强度 分为MD TD向 背板试样发生断裂时的最大负荷 对于不同厚度 不同材料的背板有不同的拉伸强度 我司KPK KPE背板的拉伸强度均 120Mpa 检测方法 微控电子万能拉力机进行拉力测试 Page28 Page29 4 断裂伸长率 分为MD TD向 背板试样发生断裂时的最大伸长率 对于不同厚度 不同材料的背板有不同的断裂伸长率 我司背板KPK KPE的断裂伸长率均 100 检测方法 微控电子万能拉力机进行拉力测试 Page29 Page30 5 初始层间剥离强度 分MD TD向和第一 二面 测试背板各层之间的粘结强度 最常见标准为 4N cm 1N cm 1000Pa 检测方法 微控电子万能拉力机进行180 剥离强度测试 Page30 Page31 6 水煮后层间剥离强度 分MD TD向和第一 二面 将背板放置在沸水浴中浸泡24h后测试背板各层之间的粘结强度 最常见标准为 4N cm 1N cm 1000Pa 水煮后无发粘 发黄 褶皱 分层等不良现象 检测方法 微控电子万能拉力机进行180 剥离强度测试 Page31 Page32 7 背板与EVA胶膜层压后的剥离强度 测试背板与EVA胶膜层压后的粘结强度 此测试是模拟组件生产现状 不同的背板与不同的EVA胶膜之间的粘结强度有一定的差距 但普遍的标准为 40N cm 检测方法 取长度约为300mm 宽度为150mm的钢化剥离一块 在钢化剥离上依次层叠同样大小的背板和EVA 放入层压机中层压 进行层压固化后放置室温冷却4小时以上 将固化件裁割为1 300mm的小条 取其中的几条 分别手工将背板与EVA分离20mm左右 将样品固定在拉力测试机上 以速度为100mm min进行180 剥离 每次剥离100mm 记录其数据 试验结果取数据的中值 Page32 Page33 8 尺寸稳定性 分MD TD向 背板在150 下烘烤0 5h后测试其在长度方向和宽度方向的收缩率 较为普遍的标准为 1 5 检测方法 取A4纸大小样品 在长度方向画250mm 宽度方向画180mm的直线 各5条 记M1 将样品放入150摄氏度烘箱中 或层压机 加热30min 取出冷却至室温后 量取上述直线的长度M2 按照 M1 M2 M1计算得样品收缩率 取平均值 测试所用仪器为游标卡尺或二次元 Page33 Page34 9 水汽透过率 在38 2 100 RH的条件下 测试背板的水汽透过率 我司标准为 1 5g d 检测方法 有三种测试方法 分别是称重法 杯式法 电解法和红外传感器法 电解法较为普遍 电解法 利用试样把测试腔隔开 一侧为干燥的氮气流 另一侧具有一定的湿度 水蒸气会从高浓度侧向低浓度侧渗透 透过试样的水蒸气被干燥的氮气载入到电解传感器 其电解输出信号与水蒸气的浓度成正比 通过对信号的处理从而得到试样的水蒸气透过量 Page34 Page35 10 击穿电压 背板发生击穿时的电压值 测试环境为绝缘油或真空环境 较为普遍的标准为 18kv 检测方法 取样100mm 100mm背板样品作为试样 试样在23 2 50 5 RH的条件下预处理24h 将试样放在击穿电压试验仪的电极间 在试样上均匀选取5个点 使用