TPT光伏背板表面熱壓處理研究

廣東生益科技股份有限公司 國家電子電路基材工程技術研究中心 ■ 楊小進 羅鑫 劉東亮

0 引言

NASA的JPL實驗室在1975～1985期間開展的5輪組件戶外老化和實驗室測試[1]確定了標準的晶體硅光伏組件封裝結構——玻璃/EVA/Tedlar背板；也奠定了經典的背板結構，即Tedlar/PET/Tedlar，稱為TPT背板，其中T特指Tedlar，為杜邦已商品化多年的聚氟乙烯(PVF)膜，具體型號為PV2001。由于Tedlar-PVF中氟原子電負性較大，范德華半徑小，碳氟鍵鍵能高達485 kJ/mol，再加上分子鏈排列緊密、剛硬，使其具有十分優異的耐熱性，耐候性，耐高、低溫性和耐化學藥品性；再搭配PET膜，制得的TPT背板具有優異的機械性能、絕緣性能、阻隔性能和耐候性能，非常適合光伏組件的封裝，可適應國內的各種氣候條件[2]。TPT背板戶外實績驗證已超過30年，堪稱行業標桿。

然而，由于Tedlar-PVF膜在制造時添加了約35%質量份的填料/添加劑[3]，且使用的是“擠出-縱拉-橫拉”的生產工藝，使得薄膜本身處于一種粗松的結構狀態，內聚力較低。當進行TPT/EVA的剝離強度測試時，結果顯示僅有12 N/cm左右，且EVA膠膜上殘留一層白色的粉末。盡管在過去30年這一現象一直存在，但由于實際使用時背板并不存在類似于剝離測試過程中的應力，故此現象并不影響使用。但隨著背板相關標準的出臺，行業內對于TPT/EVA的剝離強度有了40 N/cm以上的要求。因此，必須對TPT背板的電池側，即Tedlar-PVF膜進行表面處理。但目前已知的各種表面處理方式，例如電暈[4]、化學處理[5]、火焰處理[6]等均難以改變Tedlar-PVF膜表面的粗松結構，更難以實現工業化的連續生產。為此，杜邦公司提出了一種表面熱壓處理[7]技術來解決該問題。本文對這一表面熱壓處理技術進行了相應的研究。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器

試驗使用的儀器包括：自制連續式熱壓表面處理機(包括放卷單元、熱壓單元、冷卻單元和收卷單元，其中熱壓單元可同時提供高溫和壓力)；博碩光電BSL1122OC型組件層壓機；GOTECH公司AI7000-S型萬能材料試驗機；廣州標格達BGD 516/1型光澤度測試儀；日本KONICA MINOLTACM3600A分光測色儀；ATLAS UVTEST老化試驗箱；美國MOCON-Permatran 3/61型紅外法水蒸氣透過率測試儀；美國HIPOTRONICS-7100-5D149-PB型擊穿電壓測試儀。

1.2 測試表征

1)按照GB-T 31034-2014《晶體硅太陽電池組件用絕緣背板》測試背板層間剝離強度，背板與EVA膠膜的剝離強度、拉伸強度、斷裂延伸率和擊穿電壓。

2)按照GB/T 9754-2007《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》測試背板的表面光澤度。

3)按照GB/T 3979-2008《物體色的測量方法》測試背板的黃變指數。

1.3 試驗材料

TPT光伏背板(廣東生益科技股份有限公司生產，型號為SS101，結構為Tedlar-PVF/PET/Tedlar-PVF，未進行表面處理)；EVA膠膜(斯威克SV-15297)；光伏玻璃(南玻3.2 mm厚鍍膜玻璃)。

1.4 試驗過程

使用自產TPT光伏背板，利用自制連續式熱壓表面處理機，使用不同的溫度、壓力和車速進行處理，將不同條件下處理后的樣品與EVA、玻璃制成層壓件(TPT背板/EVA/玻璃，處理面朝向EVA膠膜)，測試各TPT背板與EVA膠膜的剝離強度(樣條寬度1 cm)。另外，試驗還測試了處理面的層間剝離強度、表面光澤度、熱收縮率、水蒸氣透過率、拉伸強度、斷裂延伸率和紫外老化后的黃變指數等。

2 結果與討論

2.1 處理效果分類

在試驗及測試過程中，遇到了以下幾種不同的表現形式，經分析，根據處理效果不同將其分為以下4類。

2.1.1 未處理或處理無效

處理后，層壓件的分離界面發生在TPT背板與EVA膠膜之間，且EVA膠膜上有成片的白色粉末殘留；剝離強度測試曲線基本保持水平，測試結果為12 N/cm，如圖1所示。

圖1 處理無效或未處理時層壓件分離情況和剝離強度測試曲線

2.1.2 處理不完全

處理后，TPT背板與EVA膠膜之間剝離強度有所提高，但僅是在測試起剝的一瞬間，隨后Tedlar-PVF膜立即被拉裂，從PET上脫落且整片殘留在EVA上，如圖2a所示，白色為斷裂殘留的Tedlar-PVF膜。同時，測試曲線的讀數升至較高后迅速下降，曲線有最大值，如圖2b所示。

產生這一現象是由于Tedlar-PVF膜厚約38～43 μm，在處理過程中，僅Tedlar-PVF膜表層幾μm的厚度由粗松變得緊實，因此，起剝時EVA剝離強度較高；但表層以下仍然是粗松的結構，內聚強度較低，所以起剝后Tedlar-PVF膜發生分層斷裂，殘留在EVA上，表現為背板分層。

圖2 處理不完全時層壓件分離情況和剝離強度測試曲線

2.1.3 處理完全

層壓件測試時，分離界面發生在EVA與背板之間，EVA膠膜上幾乎沒有白色粉末殘留；測試曲線基本保持平穩，數值也較高，所有樣條的結果均勻，剝離強度幾乎都在105 N/cm左右，如圖3所示。

圖3 處理完全時層壓件的分離和剝離強度測試曲線

2.1.4 處理過度

在某些條件下，會出現處理過度的情況。具體表現為：層壓件測試時，分離界面起初發生在TPT背板與EVA膠膜之間，然后迅速變為EVA膠膜與玻璃之間，測試曲線也從105 N/cm上升至120 N/cm，如圖4所示。這是由于處理過度，使背板與EVA的粘接力高于EVA與玻璃間的粘接力所致。這種處理效果雖然可以接受，但是會消耗更多能量，也會降低處理效率。

圖4 處理過度時層壓件的分離情況和剝離強度測試曲線

2.2 溫度對處理效果的影響

由于PVF樹脂的熔融溫度約為130～210℃，分解溫度為220 ℃[8]；且當溫度由150 ℃提高到210 ℃時，其熱穩定時間由380 s減少至63 s[9]，熱分解速度明顯加快。因此，本試驗考察了不同溫度對于處理效果的影響，具體如表1所示。

在處理壓力和車速分別固定為2.0 MPa、15 m/min的情況下，由表1結果可知：熱處理輥溫度為180 ℃時，無處理效果，與未處理時的12 N/cm基本一致。溫度提高至190 ℃，背板/EVA玻璃強度有微小的提高，但是處理效果不完全，背板分層。隨著溫度提高至200 ℃、205 ℃和210 ℃，背板/EVA剝離強度測試曲線的最大值逐漸提高至24 N/cm、52 N/cm和97 N/cm，但處理效果仍不完全，背板表現為分層。這是因為Tedlar-PVF膜較厚，當溫度較低時，僅有表層的幾μm的Tedlar-PVF發生了熔化，在壓力下變得緊實。當溫度繼續升高至215 ℃時，Tedlar-PVF全部發生熔化，壓力作用下可以處理完全，剝離強度達到105 N/cm，測試曲線也較均勻平穩。而當溫度繼續升高至217 ℃時，則出現了處理過度的情況。這表明，溫度是TPT背板表面處理效果的重要影響因素，最佳處理溫度為215 ℃。

表1 不同處理溫度下的處理效果

2.3 壓力對處理效果的影響

本試驗還考察了不同壓力對TPT背板處理效果的影響，具體如表2所示。

表2 不同壓力下的處理效果

在處理溫度和處理車速分別固定為215 ℃、15 m/min的情況下，由表2的結果可知：熱處理輥壓力為1.0 MPa時，測試曲線的最大值為78 N/cm，但處理不完全，背板分層。這是因為壓力太小，僅有表層的幾μm的Tedlar-PVF膜被壓緊實。繼續增大壓力至1.5 MPa，測試曲線的最大值升高至100 N/cm，且測試樣條中僅有部分樣條出現分層，其他樣條正常。當壓力增大到2.0 MPa時，處理完全；而壓力繼續增大至2.5 MPa時，則出現處理過度的情況。極端情況(5.0 MPa)下，Tedlar-PVF膜出現嚴重粘輥脫層的情況，這是由于光潔的輥表面在高壓下極易與融化的Tedlar-PVF形成較強的粘附力所致。因此，處理壓力也是影響處理效果的重要因素，較適宜的處理壓力為2.0 MPa，壓力過小則處理不完全，壓力過大則導致Tedlar-PVF膜粘輥脫層。

2.4 車速對處理效果的影響

本處理設備為連續式處理，因此處理的車速也會影響處理效果。試驗考察了不同車速對處理效果的影響，具體如表3所示。

在處理溫度和處理壓力分別固定為215 ℃、2.0 MPa的情況下，由表3可知：車速較低時，融化的Tedlar-PVF膜易與輥表面粘接導致Tedlar-PVF膜從PET上脫層；車速提高至10 m/min，粘輥現象變輕微，但背板處理面有較為明顯的印痕；車速提高至15～25 m/min時，處理均完全，無粘輥現象；但當車速提升至30 m/min時，開始出現處理不完全，背板分層的現象。這表明，在連續式的處理過程中，車速也應匹配，車速過低會導致粘輥和產生表觀印痕，過高將導致處理不完全，較適宜的車速為15～25 m/min。

表3 不同車速下的處理效果

2.5 表面處理對TPT背板性能的影響

本試驗測試還對比了熱壓處理前后TPT背板的相關性能的變化，結果如表4所示。

表4 熱壓處理前后TPT背板的相關性能對比

由表4可知，熱壓處理后，層間剝離強度發生了較大的變化。熱處理前，由于Tedlar-PVF膜的內聚強度較低，起剝后立即斷裂；但熱處理后，內聚強度明顯提高，剝離測試過程正常，結果為6.0 N/cm。處理面的表面光澤度(60°)也從7.5提高至11.9，光澤度的提高與處理時所用的輥為光滑的鏡面輥有關。同時，水蒸氣透過率在處理后減小至1.6 g/(m2?d)，這是因為Tedlar-PVF膜被壓緊實，使得阻隔性能提高。另外，MD方向熱收縮率減小，熱收縮性能提高。而拉伸強度、斷裂延伸率、擊穿電壓、初始/UV老化后的黃色指數在熱處理前后基本無變化，這表明熱壓處理過程對這些性能幾乎無影響。

3 結論

本文對杜邦提出的TPT背板表面熱壓處理技術進行了探討，首先對處理效果進行了分類，然后重點研究了溫度、壓力和車速對處理效果的影響，還對比了處理前后TPT背板相關性能的變化，得出以下結論：

1)最佳熱壓處理溫度為215 ℃，較適宜的壓力為2.0 MPa，較適宜的車速為15～25 m/min；

2)處理后Tedlar-PVF膜內聚強度提高，層間剝離強度可測，光澤度、阻隔性能、熱收縮性能均提高，拉伸強度、斷裂延伸率、擊穿電壓和初始/UV老化后的黃色指數等幾乎不發生變化。