浅析光伏组件背板材料的技术发展及选型建议

李媛媛，苗 林，张银环

（青海黄河上游水电开发有限责任公司西安太阳能电力分公司，陕西西安 710100）

1 背景

光伏组件是使用光伏电池和各种材料封装而成的发电模组，其中主要封装材料包括正面盖板材料、电池连接材料、封装材料、边框材料、背面盖板材料等。光伏组件背面盖板材料主要是玻璃与有机高分子材料，主要作用有阻隔空气、阻隔水汽、阻隔紫外线、提供电学绝缘性能、提供力学支撑性能、耐沙磨、与封装材料保证粘接强度等[1]。中国光伏产业发展路线图（2021年版）对背面盖板材料占有率作了分析和预测（如图1所示），可以看出背板材料种类较多，多种的选择同时也带来了选择上的困难，因此本文主要以除玻璃盖板材料外的有机高分子背板材料为例，对目前市场上的有机高分子背板材料进行调研分析，为材料的选择提供参考。

图 1 背面盖板材料市场占有率分析及预测Fig. 1 Analysis and forecast of market share of back cover material

2 光伏组件背板生产工艺及结构

主流光伏组件背板为三层结构：内层（电池片）、中间层及外层（空气面）。生产工艺可分为复合法、涂覆法、共挤法三种。

2.1 生产工艺

2.1.1 复合法生产工艺

复合法为使用比例最高的生产工艺，常见的TPT、KPK、TPE、KPE、TPO、KPO、TPX、KPX、PPE均采用复合法生产，该方法使用胶水将外层和内层粘结在中间层，工艺流程如图2所示。

图 2 背板复合法生产工艺流程图Fig. 2 Composite production process flow chart of backsheet

2.1.2 涂覆法生产工艺

而对于双面氟涂层的CPC类型背板，以上工艺并不适用，需要使用涂覆法，该方法不使用胶水，工艺流程如图3所示。

图 3 背板涂覆法生产工艺流程图Fig. 3 Production process flow chart of backsheet coating method

2.1.3 其他生产工艺

对于TPC、KPC类型背板，需要涉及以上两种工艺，由于涂覆工艺温度较高，所以通常使用涂覆工艺将氟涂层附着于中间层，再将外层使用胶水粘结在中间层。除以上主流工艺外，还有“小众”的共挤法，将聚合物多层薄膜挤出的复合技术，代表为AOE、OOO类型背板。

2.2 结构

根据生产工艺不同，背板分类见表1。

表 1 背板生产工艺与结构对比Table 1 Comparison of production process and structure of backsheet

3 光伏组件背板类型与特点

按照背板三层结构的内层和外层是否含氟，可区分为双面含氟背板、单面含氟背板及无氟背板。

常见的外层结构有PVF、PVDF等含氟材料，也有使用改性PET作为背板外层；以上的PVF、PVDF等材料可同时用于内层，做成对称的三明治结构，例如常见的TPT和KPK结构的双面含氟背板；同时很多背板也在内层使用PE结构，例如常见的TPE和KPE结构的单面含氟背板；同时也有在背板内层使用氟碳涂层以及两侧均使用氟碳涂层，例如常见的KPC、CPC和TPC结构的双面含氟背板；无氟背板通常在内层使用PE和聚烯烃，外层搭配PA和聚烯烃通过共挤法生产而成[2]，例如常见的AOE和OOO。

3.1 各层材料介绍

3.1.1 PET

PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），俗称聚酯薄膜，由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来。对苯二甲酸乙二醇酯是由对苯二甲酸和乙二醇发生酯化反应所得。在背板结构中通常简称为“P”。

3.1.2 PVF

PVF（聚氟乙烯），由氟和氟碳分子的共聚体挤压而成的共聚物，美国杜邦公司是PVF薄膜的知名生产商，杜邦的注册商标TEDLAR是光伏行业现在使用最多的PVF薄膜，TPT或TPE中的T指的是TEDLAR，在背板结构中简称为“T”。

3.1.3 PVDF

PVDF（聚偏二氟乙烯），法国阿科玛公司是PVDF薄膜的知名生产商，阿科玛为其PVDF注册了商标KYNAR，KPK或KPE中的K指的是KYNAR。PVDF薄膜也已完全国产化，例如南通中天、杭州福膜等公司。现是否是阿科玛公司的PVDF，一般需强调K膜来源。

3.1.4 氟涂层

氟涂层与PVF、PVDF氟膜的区别在于，直接使用以氟树脂为主要成分的氟碳涂料涂覆在PET基材表面成膜，常用的氟树脂有PCTFE(三氟氯乙烯树脂)、PTFE(聚四氟乙烯)、FEVE(氟乙烯与乙烯基醚共聚物)。在背板结构中简称为“C”或“F”[3]。

3.1.5 PE

PE是聚乙烯，广泛用于背板内层结构，通常加入EVA材料。在背板结构中简称为“E”。

3.1.6 PA

PA是聚酰胺，俗称尼龙(Nylon)，它是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称。在背板结构中简称为“A”。

3.1.7 PO

PO是聚烯烃，指乙烯、丙烯或高级烯烃的聚合物，是与EVA类似的组件封装材料，现也用于背板中间层或内层。在背板结构中简称为“O”或“P”。

3.2 背板类型与对比

使用各种材料，搭配在各结构层，即可生产出多种多样的背板，现将主流背板类型进行对比，详见表2。

表 2 不同结构的背板类型对比Table 2 Comparison of backsheet types with different structures

4 光伏组件背板选型建议

4.1 PET耐水解等级

PET是由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来，作为背板芯材，本身结构决定了其在高温高湿的条件下非常容易水解，且容易受紫外光老化降解。所以在选择背板中间层所用的PET时首先应根据不同的温湿度环境来选择。目前行业内使用的PET耐水解等级一般为PCT 48和PCT 60[4]（温度121℃，湿度100%，压力0.2MPa下实验48h或60h，PET的断裂伸长率在10%以上且背板无脆化现象），PCT试验是一种加速的湿热老化测试方法，根据试验对比，行业内普遍认为PCT 48h测试相当于IEC标准的DH 2000h测试，已经可以保证一般温湿度地区的使用，但是对于高温高湿的地区，建议使用PCT 60。

4.2 PET厚度选择

IEC 61730-1：2016中规定，DTI值与组件的系统电压有关，不同的系统电压DTI值要求不同，其中1000V组件要求DTI最低为150μm，1500V组件要求DTI最低为300μm。同时规定DTI计算时，其各层绝缘材料RTI(相对热指数)至少要满足90℃要求。目前对于复合型以及复合型+涂覆型的背板在计算DTI时，由于胶水层的厚度不计算在内，DTI数值的计算取决于外层、PET以及内层的厚度。涂覆型和共挤型的背板由于无胶水粘接，DTI数值的计算是各层厚度之和，所以针对不同系统电压下背板的PET选择，应结合以上不同结构背板类型，除考虑内外层绝缘层厚度外，还应考虑PET的厚度，以保证背板的绝缘性能。

4.3 不同辐照度下的背板选型

我国的太阳能资源年水平面辐照总量分布不均，因此应根据不同的辐照总量来选择相应的氟膜，结合以上，建议应根据不同的气候类型及太阳能资源丰富程度，综合PET与氟膜来选择不同背板，按照表2中对背板的分类，从中挑选了相对适合该气候类型及太阳能资源丰富程度的几种背板作为参考，见表3。

表 3 不同的气候类型及太阳能资源丰富程度下的背板选型Table 3 Backsheet selection under different climate types and solar energy resources

5 结论

光伏背板从上世纪70年代发展到今天，市场的主流产品已可满足背板在组件厂的生产需求，而在户外环境25年的应用保证，是背板选型的关键。现在通常的手段是根据IEC的高温高湿、湿冻循环、冷热循环等型式试验，在实验室对背板进行测试和筛选。随着材料的不断进步，主流产品已均可满足IEC标准的要求，现在背板厂和组件厂为了进一步地筛选，通常将实验强度加倍，甚至加至3倍、5倍[5]，但同时带来了背板成本的升高。如何能够平衡性能与成本，成为了新的问题。实际应用当中，背板根据组件项目地不同，使用环境区别很大，对背板进行差异化的选择，才是正确的背板选型方案。根据项目地气候特点与背板测试要求的对应关系[6]，不同的环境对背板的要求不同，比如：沙漠气候和高原气候背板，对耐紫外辐射要求较高，对耐盐雾几乎无要求；农场背板，对耐氨气要求较高，对其他要求中等；屋顶背板，对除防火外的各项要求均较低。

因此，背板是双面含氟、还是单面含氟、甚至无氟，是复合法生产、还是涂覆法生产、甚至共挤法生产，都不是背板选型的决定性因素，根据使用环境对背板进行选择，才是较为科学的选型方式。