光伏电池背板综述

张传吉 戴建民 成三弟 俞苗锋 谢 帆

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能，是解决地球污染与能源短缺的有效途径之一。光伏电池是由玻璃、EVA、硅片、背板组成，按照玻璃-EVA-电池片-EVA-背板的结构封装构成，背板位于光伏电池背面的最外层，是光伏电池非常重要的组成部分，不仅起到封装的作用，同时还起到保证光伏电池不受到环境影响的作用，确保光伏电池的使用寿命。

1 背板结构

按照光伏电池背板整体结构划分，可将光伏电池背板划分为FPF、FPE、全PET与PET/聚烯烃结构［1］。其中F指含氟薄膜；P指双向拉伸工艺制备的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，即PET薄膜；E指的是乙烯-醋酸乙烯，也就是EVA；聚烯烃指各种以碳碳结构为主链的塑料。这些结构层之间使用胶粘剂进行粘合，通过复合工艺制备成型［2］。

最早的光伏电池背板采用TPT结构，即Tedler/PET/Tedler结构，其中Tedler为杜邦公司所生产的PVF（聚氟乙烯）薄膜，以杜邦公司的Tedler为基材的背板主导了大部分的光伏背板市场，第一款进入光伏市场的产品为PVF2001，目前杜邦公司的Tedler产品已经开发出第三代。

按照光伏电池背板所采用的薄膜材质区分，可以将背板划分为Tedler背板、含氟背板、PET背板与其他一些采用如PE材质的背板产品。

1.1 Tedler系列

此结构的背板被称为经典的背板结构，也是国内外太阳能电池组件厂首选与认可的光伏电池背板结构。这也是取决于PVF膜所特有的结构稳定性与耐环境变化的特性。由于PVF薄膜的制造工艺的特殊性，其薄膜表面较易出现针孔，使得PVF薄膜的水汽阻隔能力较差。同时PVF材料本身含氟量小，所以PVF薄膜需要较厚的厚度来保证其性能。但是PVF是所有氟材料中成本最低的，考虑太阳能电池将来的大规模使用，其仍是一种非常合适的用于太阳能背板的材料。

1.2 含氟背板

在杜邦公司Tedler产能有限的情况下，光伏电池背板企业也采用了其他材质的薄膜来代替Tedler薄膜生产背板。

1.2.1 PVDF（聚偏氟乙烯）

此类薄膜的生产商主要有法国的阿科玛公司，韩国SKC等。PVDF是使用量第二大的氟塑料，其熔点和分解点相差大，可以使用热塑性塑料加工方法进行加工。无论从世界范围内的供应量、加工适应性还是耐候性、阻隔性而言，其都是最合适的太阳能电池背板耐候材料。同样厚度的PVDF薄膜的透湿性大约只有PVF薄膜的十分之一。

PVDF制膜较成熟的是使用吹膜的方法。阿克玛公司专门有吹膜的高融体强度的PVDF级别，按其报道能吹出5 μm厚度的薄膜。PVDF中常加入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为增塑剂以提高其成膜性，加入PMMA后的PVDF的在熔融状态下更容易成膜。国内的一些高校如北京化工大学等在这方面做了较多的研究。但加入PMMA后会影响薄膜的抗老化性能。澳大利亚Leoben大学对采用不同氟塑料薄膜的背板老化后进行比较，发现含PMMA（10％～20％）的PVDF薄膜1000～2000h湿热老化后薄膜破损严重。某欧洲公司在中国大力推广其生产的PVDF薄膜以期应用于太阳能电池背板中，国内有多家背板公司和一些太阳能组件工厂尝试使用。尽管其提供的数据表明耐候性良好，但红外图谱发现其薄膜含有大量的PMMA的成分。该薄膜为三层结构，中间层PMMA-PVDF合金中的PMMA含量甚至大大超过PVDF含量，所以其实际耐候性如何需要时间考验。

海优威公司使用与欧洲某化学品公司开发的太阳能电池背板用PVDF薄膜生产背板。该PVDF薄膜由PVDF、无机颜料和功能性添加剂组成，为单层结构。整个薄膜内外材料均一，白色薄膜能百分之百遮蔽紫外线。经2000h的紫外老化测试，薄膜性能下降忽略不计，完全满足了背板对氟塑料薄膜的要求。

1.2.2 THV（四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物）

美国3M公司的BBF背板采用此类含氟薄膜。THV是美国Dyneon公司在20世纪80年代开发，目前也只有其生产，其是目前商品化最柔软的氟塑料，当和其它材料复合成多层结构时，其优异的柔韧性非常突出。另一个重要的特点是THV本身容易粘接，无须表面处理就能和其它材料粘接，这对生产背板的复合工艺和用硅胶粘贴接线盒而言都十分重要。在一些对背板要求柔软的场合，THV的背板比任何其它材料都更合适。

1.2.3 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）

日本旭硝子株式会社研发的ETFE薄膜，由原料到薄膜完全自产，目前应用较少，处于推广状态。

1.2.4 ECTFE（乙烯-三氟氯乙烯共聚物）

ECTFE由杜邦公司在1946年开发成功，目前商品化的产品只有苏威公司提供。ECTFE由CTFE和乙烯的50％：50％的交替共聚物。其有典型的氟塑料的性能 耐化学腐蚀，没有一种溶剂在120℃下能侵蚀ECTFE或使其应力开裂。高耐候性和阻隔性，ECTFE的阻隔性比其它氟塑料更好。从这两个方面而言，在商品化的背板中ECTFE是最好的耐候层的材料。

1.2.5 PTFE（聚四氟乙烯）、FEVE（氟乙烯与乙烯基醚的共聚物）

这类背板多采用涂覆法制备，大部分此类背板由国内企业供应。由于前几年太阳能电池背板需求旺盛，国外公司均不对中国供应氟塑料薄膜，所以国内开发了其它国家没有的使用涂料的背板。该类背板的设计思路是使用氟碳涂料涂布到PET薄膜上以替代氟塑料薄膜［3］。

由于涂覆型背板在实际的使用中面临许多问题，如涂覆PET表面后涂料层易形成针孔，影响水汽阻隔率；涂层之间容易形成反粘；与PET的粘结强度不够；多层涂布遇到的层间附着问题；涂层开裂等问题，所以市场内依然以复合型背板为主。

1.3 PET背板

此类背板多采用经过特殊处理的PET，多层复合而成，多见于日本公司。

1.4 其他类型背板

如PE系列，许多国内小厂采用PE作为背板材质，用在小的组件之上，生产灯具等。

各个氟塑料薄膜对水汽的阻隔能力不同，其中以ECTFE为最优。使用同样厚度为100μm的膜，在40℃、95％的湿度下，PVF的水汽透过率超过10～20g/d·m2，PVDF的水汽透过率为2g左右，而常用的PET不超过10g。当氟塑料薄膜和PET薄膜复合成背板后，多数供应商都声称其背板的水汽阻隔性能小于2g。表1为各种氟材料的特性［4］。

表1 各种氟材料特性

2 国内外现状

目前国外最大的光伏电池背板供应商Isovolta大部分产品为PVF与PET的复合体，同时也提供非PVF与增加铝层的产品。其他的背板供应商，如美国盾膜、德国August Krempel Soehne、韩国SFC、日本Toppan等较大的光伏电池背板供应商，也都是供应以杜邦Tedler为基材的产品。由于其他能够取代Tedler的材料较少，所以目前众多的组件厂依然主流选择使用以杜邦Tedler为基材的背板产品。

虽然大部分背板生产商都希望使用Tedler，但是由于杜邦公司的Tedler供应有限，所以一些背板生产厂开始致力于开发新的不含Tedler的背板材料，不仅能够降低背板的价格，同时也减少对于Tedler的依赖。德国的bayer材料科学集团采用聚碳酸酯的混合物来作为背板材料；美国的Biosolar Inc.则是采用菎麻子来作为光伏电池背板材料；日本一些公司采用经过特殊处理的三层PET复合制造光伏电池背板。

国内的企业中，台虹采用杜邦Tedler基材料生产背板，而其他采用复合法制备背板的企业则因为杜邦Tedler供应紧张而采用Arkema等公司生产的PVDF或者其他的含氟材料，如江苏汇通、苏州赛伍。

由于复合法制备光伏电池背板的限制，国内一些企业采用涂覆法生产光伏电池背板，取得了一定的成果。涂覆型背板多采用氟碳涂料，涂覆于PET之上，形成氟层，由于氟碳涂料优越的性能，使得涂覆型的光伏电池背板同样具有较好的抗环境老化的效果。国内的苏州中来、杭州帆度、哈氟龙、联合新材、福斯特等公司皆采用涂覆法制备光伏电池背板，无论复合法制备光伏电池背板所采用的氟膜，还是涂覆法制备光伏电池背板所使用的氟碳涂料，国内企业大多从国外进口，价格高且供货不稳。尤其是国外企业的专利技术制约，使得国内没有相关的替代产品，不得不受到国外氟化工企业的制约。

3 背板测试

一款合格的背板需要具有与EVA良好的粘接性，电气绝缘性，防水防湿，耐候性等功能，涉及到的相关测试有：剥离强度测试、水汽透过率测试、热收缩率测试、绝缘测试、击穿电压测试、最大系统电压测试、耐老化测试、湿热测试、湿冻测试、热循环测试等。

剥离强度拉力测试主要由电子拉力机来进行测试，而热收缩率则是在真空烘箱内进行，主要是测定背板的力学性能。

水蒸汽渗透率是衡量背板性能好坏的重要指标之一，根据ASTM D-1249-2006标准测定。若背板阻隔水蒸汽渗透的性能不良，则空气中的湿气（尤其是阴雨天湿气更大）会透过背板进入到内侧，水蒸汽的渗透会影响到EVA的粘结性能，导致背板与EVA脱离，进而使更多湿气直接接触电池片而使电池片被氧化。其测试原理为将试验薄膜隔成两个独立的气流系统，一侧为具有稳定相对湿度的氮气流，并随着干燥的氮气流流向红外检定传感器，测量出氮气中水蒸气透过率。红外线检定法在整个实验过程中全自动测定，不破坏扩散和渗透的平衡，结果准确可靠，同时由于红外检定法检测传感器的高灵敏度，因而可以在短时间内测量高阻隔性的材料［5］。

耐老化测试、湿热测试、湿冻测试、热循环测试在紫外光加速老化试验箱与恒温恒湿老化箱中进行实验，是评判光伏电池背板老化性能的重要指标。背板不仅起到阻隔水汽的作用，还要在自然环境内保证自身的耐候性。由于背板的结构为多层复合，所以在自然环境中经过长时间的使用后，保持其各层性能与粘结层效果十分重要。依据IEC标准，进行紫外老化、双85、湿冻等试验，测试光伏电池背板的老化性能。

绝缘测试、击穿电压测试、最大系统电压测试、是针对光伏电池背板的电性能作出的专业测试，主要采用介电击穿电压测试仪、绝缘测试仪、电压测试机等仪器进行测试，根据ASTM与IEC标准来衡量其数据指标是否达标。

表2 光伏电池背板性能参数

4 小结

目前国外的光伏电池背板企业占据了市场的大部分份额，作为国产背板来讲，提高自身产品的科技含量与核心竞争力依然是摆在当前急需解决的问题。全球生产背板的企业日益增多，同时许多塑料相关行业的企业也计划投入到光伏背板行业，未来2～3年将会有更多的企业投产背板，背板产品的竞争将会越来越激烈，因此PVF或其他含氟薄膜的国产化至关重要。

［1］Czanderna A W，Pern F J.Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as a pottant：a critical review［J］.Solar Energy Materials＆Solar Cells，1995，43（2）：101-181.

［2］Oreski G，Wallner G M.Delamination behaviour of multi-layer films for PV encapsulation［J］.Solar Energy Materials＆Solar Cells，2005，89（2-3）：139-151.

［3］温建军，刘皎彦.太阳电池组件封装用国产材料与进口材料的差距及替代的可能性［A］.21世纪太阳能新技术--2003年中国太阳能学会学术年会论文集［C］.2003，335-337.

［4］吴君毅.PVDF树脂在太阳能电池模组背板上的应用［J］，有机氟工业，2009，（4）：32-34.

［5］朱必林.论析太阳能电池背板水蒸汽阻隔性能测试仪器的应用［J］.科技风，2010，（7）：135-136.