光伏组件背板的湿热老化行为研究

中国电器科学研究院有限公司 工业产品环境适应性国家重点实验室 ■ 张晓东 刘鑫 冯江涛 冯皓

一 引言

世界性的能源紧缺和全球性的环境及应对气候变化问题，促使各国政府不得不改变过去依靠高资源消耗的发展模式，大力开展节能减排工作和新能源的开发利用，走可持续发展的道路。光伏发电是当前世界开发利用新能源与可再生能源的主要形式之一[1,2]。在我国，光伏发电具有广阔前景，相应的技术日新月异，成本不断下降，已开始进入规模化市场应用的阶段。考虑到光伏组件的使用环境是在日晒雨淋的户外，生产商承诺的使用保质期长达20年甚至30年之久，因此光伏组件的环境适应性和组件所采用的关键材料，如前盖板玻璃、背板、封装胶膜等的环境适应性，越来越受到厂家的重视。此外，组件所处的环境条件千差万别，如何针对不同使用环境进行针对性的选材和结构设计，节约组件的制造成本也是厂家非常关心的问题之一。

本文将对某国产光伏电池厂商所采用的背板材料结构进行分析，并研究其耐湿热老化行为，探索发展快速评价背板材料的耐老化性能和选材技术。

二 实验

1主要设备仪器

实验使用的主要设备仪器有：湿热老化实验箱、傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪、扫描电镜、能谱分析仪、台式色差计。

2试样的制备

将市售背板材料裁剪成5cm×7cm的小方片。

3湿热老化实验

依据IEC 61215[3]中10.13的要求，开展温度为85±2℃、相对湿度85%±5%的湿热老化实验。总实验时间为2500h。

4测试与表征

(1) 背板颜色的测量

依据GB/T 15596－2009[4]的规定，用色差的改变表征背板试验前后颜色的变化，在湿热试验中定期取样，测量并计算背板材料的色差值，结果取3次测量的算术平均值。

(2) 表面形貌观察

采用德国CARL ZEISS EVO-18型扫描电子显微镜对背板截面和上、下表面进行观察。图像模式为SEM，束流(Emission)70nA，工作距(WD) 20mm/30mm。加速电压和放大倍率根据图像效果确定。

(3) 傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATRFTIR)分析

采用Thermo Nicolet公司生产的NEXUS 870型ATR-FTIR红外光谱仪对背板材料的成分进行表征，分辨率为4cm−1，扫描范围600～4000cm−1，扫描次数为32。

三 分析与讨论

1背板的结构及材料成分分析

肉眼可直接观察到原始背板的两个表面为一个光面、一个糙面。对原始背板的截面采用SEM技术进行观察，可看出背板为三层结构，并且在粘合的过程中，施胶不均匀，部分地方未完全粘合(图1)。

图1 背板原始截面的SEM照片

利用ATR-FTIR技术分别对原始背板的糙面和光面进行分析，结果如图7、图8所示。图7中1033cm−1、1092cm−1为—CHF的伸缩振动峰，1409cm−1为与—CHF相连的—CH2基团的变形振动吸收峰，与标准谱图库进行对比，可以确定该物质为聚氟乙烯(PVF)。图8中2919cm−1、2852cm−1为—CH2的伸缩振动峰，1740cm−1、1380cm−1、1242cm−1为醋酸酯的特征吸收峰，根据这些特征谱带及与标准谱图库进行对照，可知其为乙烯－醋酸乙烯酯的共聚物(EVA)。由于中间层物质不易分离，暂时无法对其成分进行分析。根据背板选材的一般规律，其成分应为常用的PET薄膜。因此，初步判定该背板为常见的TPE型背板。

2湿热老化前后背板颜色变化

高分子材料在老化过程中通常会伴随着颜色的改变，色差的变化可在一定程度上反映材料的老化状况。图2显示了背板两个表面不同湿热老化时期的颜色变化情况。EVA面的色差随老化时间的增加而增加，PVF面的色差先增大，1000h后开始减小并最终趋于平稳。

图2 样品颜色在湿热老化过程中的变化

3湿热老化前后背板截面形貌的变化

图3为湿热老化2500h后的背板边缘截面形貌图。对比图1和图3老化前后的截面形貌图，可以看出背板经过湿热老化后有明显的分层现象。这可能是背板所用粘结剂不耐湿热老化的结果。

图3 湿热老化2500h后的背板截面SEM图

4湿热老化前后背板表面形貌的变化

图4～图6分别为背板PVF表面一侧原始、湿热老化1000h及2500h的表面形貌图。从图中可以看到湿热老化1000h后PVF表面极不平整，且布满了颗粒。对该颗粒状物质进行能谱分析，结果表明为TiO2。高热高湿的环境应力促使TiO2迁移析出。结合图2中PVF表面色差的变化以及图7中老化前后PVF分子结构的变化，可以推断PVF面颜色变化主要是由TiO2迁移析出引起的。实验后期TiO2完全析出后，表面平整度增加，色差值也恢复到较小的数值。对EVA一侧的表面进行同样的观察，则未观察到明显的变化。

图4 氟膜PVF表面的原始形貌图

图5 氟膜PVF湿热老化1000h后的形貌图

图6 氟膜PVF湿热老化2500h后的形貌图

5湿热老化前后背板材料分子结构的变化

图7、图8分别为不同老化阶段的PVF及EVA面的红外图谱。由图7可以看出，在整个实验过程中，PVF的分子结构几乎无明显变化。但在图8中可以明显观察到，经过2500h的湿热老化实验后，1737cm−1处的羰基峰有分裂现象，在1726cm−1处出现了新的吸收峰，与1552cm−1处新出现的吸收峰共同指示羧酸类物质的生成。

图7 PVF不同老化阶段的ATR-FTIR图谱

图8 EVA不同老化阶段的ATR-FTIR图谱

四 结论

根据前面的实验结果及其分析，可以得出：

(1) 该背板为三层结构，上下层分别为PVF和EVA，经过2500h的湿热试验后，界面出现了明显的分层现象；

(2) 背板PVF面颜色变化主要由TiO2析出引起的，分子结构本身变化较小；EVA面颜色变化是由于在老化过程中分子链段发生变化，并伴有羧酸类物质生成。

[1] Kuan H C, Ma C C, Chang W P, et a1. Synthesis, thermal, mechanical and rheological properties of multiwall carbon nanotube/ waterborne polyurethane nanocomposite[J]. Composites Science and Technology, 2005, 65(11-12):1703－1710.

[2] 赵玉文. 中国光伏产业发展和金融危机[R]. 苏州: 吴中光伏论坛, 2009.

[3] IEC 61215-2005, Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) modules -Design qualification and type approval[S].

[4] GB/T 15596－2009, 塑料在玻璃下日光、自然气候或实验室光源暴露后颜色和性能变化的测定[S].