聚酰胺光伏背板老化性能及机理研究

蒋 超，彭丽霞，唐 景，张增明，傅冬华

（阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏常熟215562）

聚酰胺光伏背板老化性能及机理研究

蒋 超，彭丽霞，唐 景，张增明，傅冬华

（阿特斯阳光电力科技有限公司测试中心，江苏常熟215562）

分别研究了在湿热老化、加速湿热老化、紫外辐照老化模式下，背板的力学性能和聚酰胺熔融焓及黄度指数的变化，分析了老化前后背板的断面形貌和表面形貌变化。结果表明：湿热老化和加速湿热老化聚酰胺趋于结晶以及聚酰胺和玻璃纤维界面作用减弱；紫外辐射老化主要导致酰胺键断开，分子结构破坏。通过比较老化前后力学性能、黄度指数及表面形貌发现，紫外辐照老化对聚酰胺背板的影响较大。

聚酰胺光伏背板，玻璃纤维，湿热老化，加速湿热老化，紫外辐照

太阳能光伏背板位于组件背面最外层，在户外环境下保护光伏组件不受水汽的侵蚀、阻隔氧气防止氧化，具有良好的耐高低温、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，具有较高的红外反射率，可以降低组件的温度，所以背板性能优劣直接影响着光伏组件能否在户外使用25年。为了让组件在户外能有效使用25年，选用的背板还必须要按光伏标准经过一系列严格的环境老化测试［1，2］，主要有湿热老化测试、紫外辐照测试、热氧测试、热循环老化、湿冻测试、盐雾测试等，其中湿热老化测试和紫外辐照测试是环境测试里较严苛的测试。

目前广泛使用的传统背板一般由有三层膜结构通过胶黏剂复合而成，外层为含氟树脂、中间为PET、内层为含氟或烯烃类聚合物。为了适应用户不断降低成本的要求，国外开发了非氟结构的背板，聚酰胺背板是其中重要的一种，根据三层结构的不同可分为AAA、APA及FPA聚酰胺背板。本文主要研究三层均为聚酰胺的AAA背板，该背板通过共挤出而成型，背板表层经特殊处理而成。

传统含氟结构背板老化因素及机理已进行了一定的研究［3，4］，但未见对聚酰胺类背板老化因素及机理的报道。聚酰胺背板透水率比传统复合背板透水率稍大、自洁能力比传统背板稍大，但其耐湿热性能较好。本文主要研究了在湿热老化、加速湿热老化、紫外辐照老化模式下，背板的力学性能和黄度指数及聚酰胺熔融焓的变化，并研究了老化前后聚酰胺化学结构的变化、断面及表面形态的变化，为光伏组件背板的选择提供一定的依据。

1 实验部分

1.1 主要原材料

聚酰胺背板：三层结构均为聚酰胺，填充二氧化钛作为紫外屏蔽剂，中间层为玻璃纤维增强聚酰胺。

1.2 主要设备

步入式湿热环境箱（DH）、加速湿热老化试验箱、紫外老化试验箱（QUV）、微机控制万能拉力试验机、差示扫描量热仪（DSC）、傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、紫外分光光度计、扫描电子显微镜（SEM）。

1.3 试验方法

选取某公司生产的聚酰胺背板，剪取小块，分别同时放入湿热环境箱（85℃，85％RH）、加速湿热老化试验箱（PCT（a）：105℃，100％RH；PCT（b）：121℃，100％RH）、QUV紫外加速老化试验箱（0.89w/m28h辐照，60℃+4h冷凝，50℃），户外曝晒（四周空旷，无阴影遮挡，位置：江苏省常熟市阿特斯光伏测试中心（CPTL），地理位置在东经120°44'，北纬31°39'，海拔5米）。进行不同类型的老化，测定其黄度指数，并测试其不同老化时间后的力学性能；将老化后的背板用差示扫描量热仪进行测试，通过曲线积分得出聚酰胺的熔融焓；采用傅立叶变换红外光谱仪对老化背板的化学结构进行分析；采用扫描电子显微镜对老化前后背板的表面形貌及断面形貌进行分析。

2 结果与讨论

2.1 不同老化模式下性能分析

2.1.1 湿热老化及加速湿热老化性能分析

表1和表2分别列出了聚酰胺背板湿热老化和加速湿热老化模式下，聚酰胺背板的力学性能、黄度指数及熔融焓的变化。

表1 湿热老化前后聚酰胺背板性能变化Table 1 Properties of polyamide PV backsheet after damp heat aging

表2 加速湿热老化前后聚酰胺背板性能变化Table 2 Properties of polyamide PV backsheet after accelerated damp heat aging

从表1可以看出聚酰胺背板的抗拉强度较低，且没有明显的规律性，DH2000h以内背板仍有较好的柔韧性。在湿热老化2000h以内背板断裂伸长率随湿热老化时间的延长而降低，且TD方向断裂伸长率下降明显快于MD方向，MD方向的断裂伸长率在DH1000h至DH1500h之间的保留率已经低于50％。DH2000h内聚酰胺的熔融焓和黄度指数逐渐增加，熔融焓增加是由于聚酰胺结晶度增加所致，结晶度增加会导致背板断裂伸长率降低；DH2000h以后聚酰胺熔融焓不再增加，而黄度指数急剧增大，且背板发生脆化和严重的变色，从而看出DH2000h前后背板老化机理并不相同。

从加速湿热老化的结果可以看出，背板抗拉强度同样没有明显规律性，与湿热老化2000h以内相比背板机械性能下降和熔融焓升高的速度明显加快，在PCT（a）192h和PCT（b）96h内背板黄度指数均缓慢升高，通过对比可很容易发现湿热老化2000h以内和加速湿热老化存在一定的对应关系。

2.1.2 紫外辐照及室外曝晒老化性能分析

从表3可以看出随着辐照量的增加，背板的性能下降，户外曝晒7个月后，背板MD方向的断裂伸长率保留率已不足50％。Zhiyong Xia［5］等通过阿伦尼乌斯方程研究了背板DH1000h相当于65℃、85％RH条件下19年，通过比较湿热老化与紫外辐照及户外曝晒的机械性能可以看出紫外辐照对聚酰胺背板的影响较大。通过比较紫外辐照和户外曝晒前后聚酰胺熔融焓并没有明显的变化，说明在紫外辐照模式下背板老化机理和湿热老化并不相同。

表3 紫外辐照及户外曝晒聚酰胺背板性能变化Table 3 Properties of polyamide PV backsheet after UV irradiation and exposure aging

2.2 FT-IR分析

从图1可以看出，在DH2000h以内聚酰胺1730cm-1处吸收锋并无明显增强，此锋为非酰胺键上羰基吸收锋，而酰胺键上的羰基伸缩振动峰在1650cm-1～1620cm-1之间。1730cm-1处羰基吸收峰主要是背板在湿热老化过程中，聚酰胺发生水解所致。而DH4320h后1730cm-1处羰基吸收峰有明显的增加，从结果可以看出DH4320h后背板脆化和变色与聚酰胺水解有很大的关系，因为聚酰胺在水解过程中分子链断裂，产生的羰基在空气中生成醛、酮等［6］有色物质，故湿热老化后期背板脆化和严重变色。

图1 聚酰胺背板DH老化前后红外光谱图Fig.1 FT-IR spectrum of polyamide before and after damp heat ageing

从图2看出，加速湿热老化过程中，1730cm-1处吸收锋并无明显变化，聚酰胺在PCT（a）196h和PCT（b）96h内和DH2000h内的老化均以聚酰胺结晶为主。从图3可以看出，在短时间的紫外辐照及户外曝晒过程中，1730cm-1处羰基吸收峰明显增强，其主要原因是因为聚酰胺在紫外线的辐照下容易发生断裂，从而使得1730cm-1处的吸收峰明显增强，其结果与Agnes Roger等［7，8］提出的光氧化降解机理相一致。在紫外辐照下导致背板老化主要以聚酰胺的光降解为主。

图2 聚酰胺背板加速湿热老化前后红外光谱图Fig.2 FT-IR spectrum of polyamide before and after accelerated damp heat ageing

图3 聚酰胺背板紫外辐照及户外曝晒前后红外光谱图Fig.3 FT-IR spectrum of polyamide before and after ageing of UV irradiation and exposure aging

2.3 断面及表面形态分析

2.3.1 SEM断面形态

从SEM断面图上可以看出，此背板为三层结构，中间层经玻璃纤维增强。湿热老化后断面较老化前光滑，玻璃纤维拔出现象更为明显，且有部分的玻璃纤维发生脱落，从玻璃纤维表面及被拔出玻纤的坑洞内壁表面可以看出，老化前，玻璃纤维表面残留聚酰胺量比老化后要多，且其拔出纤维坑洞内壁有部分拉丝现象。表明随着湿热老化的进行，聚酰胺和玻璃纤维的结合界面作用减弱。

图4 背板老化前后SEM断面图Fig.4 SEM fracture photographs of polyamide photovoltaic backsheet

2.3.2 SEM表面形态

从SEM的表面形态图上可以看出，随着老化时间的延长，背板的表面形态发生明显变化，如图5所示。图5中a图及b图中白点即为紫外屏蔽剂二氧化钛，随着老化时间的延长，背板的表面可能有有机物渗出，老化时间越长渗出量越多，从图e和图f对比可以看出，在潮湿环境下的紫外辐照更容易渗出有机物，此有机物的渗出可能会掩盖作为紫外屏蔽剂的二氧化钛，从而有可能影响背板的耐紫外性能。

图5 背板老化前后SEM表面图Fig.5 SEM surface photographs of polyamide photovoltaic backsheet

3 结论

（1）聚酰胺背板有较好的耐湿热老化性能，湿热老化和加速湿热老化前期，背板的机械性能下降，主要是因为聚酰胺结晶度的增大及玻璃纤维与聚酰胺界面作用减弱；在湿热老化后期背板变色和脆化可能是由于聚酰胺水解所致。而紫外辐照下，背板主要是由于酰胺键的断裂，分子结构破坏，聚酰胺结晶度无明显变化。

（2）从背板机械性能、黄度指数及背板表面形貌的变化速率看出，紫外辐照对聚酰胺背板的影响比较大，而当该类型的背板用于紫外辐照比较强的地方，其风险也较传统含氟背板大。

（3）聚酰胺背板在老化过程中表面形貌会发生变化，背板中的紫外屏蔽剂可能被遮挡，进而有可能影响聚酰胺背板的耐紫外性能。

book=33,ebook=17物的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度增大，断裂伸长率减小。

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（4）当LLDPE的百分含量为20％时，LLDPE/BHDPE/HDPE共混物可形成共晶，Tm随BHDPE含量的增加呈线性递增趋势。而共混体系的粘度受BHDPE和HDPE的比例影响不明显。

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Study on Aging Properties of Polyamide Photovoltaic Backsheet

JIANG Chao，PENG Li-xia，TANG Jing，ZHANG Zeng-ming，FU Dong-hua
（CSI Photovoltaic Testing Laboratory，Changshu 215562，Jiangshu，China）

The effect of damp heat ageing，accelerated damp heat ageing and UV irradiation ageing on mechanical properties、melting enthalpy and yellow index of polyamide photovoltaic backsheet was studied.The fracture and surface characteristic of backsheet was analyzed by scanning electron microscope.The results indicate that polyamide go crystallizing and the interaction between glass fiber and polyamide go weaking in precess of damp heat ageing and accelerated damp heat ageing.In precess of UV irradiation ageing，molecular structure of polyamide was destroyed.By comparing the mechanical properties、yellow index and surface characteristic，we found that UV irradiation ageing gave greater influence to polyamide PV backsheet.

polyamide PV backsheet，glass fiber，damp heat ageing，accelerated damp heat ageing，UV irradiation

TQ 323.6

2011-12-04