CPO?背板各層材料的選擇及結構優化

蘇州福斯特光伏材料有限公司 ■ 楊小旭 潘建軍 曹詩易 張宇輝

浙江福斯特新材料研究院 ■ 楊楚峰

0 引言

國產背板及膠膜等封裝材料在國內外已有10余年的應用歷史，其材料的可靠性也經過了多年的戶外考驗，實證結果表明，國產封裝材料的性能完全可以達到甚至超過進口材料的性能要求。當前，隨著光伏發電度電成本不斷下降的需求，組件客戶對封裝材料的降本也有了更為迫切的需求。

近十幾年來，經過各種聚合物材料的淘汰及改進，背板材料目前以KPC、KPO、CPC結構為市場主流，而TPT、KPK結構由于價格過高，用量在不斷減少(K為聚偏二氟乙烯薄膜的簡稱，T為杜邦聚氟乙烯薄膜的簡稱，P為PET聚酯薄膜的簡稱，C為氟涂層膜的簡稱，O為聚烯烴薄膜的簡稱)。本文對背板結構中的各層材料進行了研究，在保證背板絕緣性、阻隔性、耐候性3大基礎性能要求的情況下，選擇了合適的各層材料、合理的厚度設計，以滿足組件客戶對封裝背板材料性能和成本的要求。

1 CPO?背板各層材料的選擇

從光伏組件對背板的性能要求來看，背板的使用壽命應與組件相當，至少為25年，甚至30年。在組件使用期間，背板要保持良好的阻隔性、電氣絕緣性和機械性，以避免外界環境對組件的侵蝕和傷害。背板結構設計及對應的各層性能要求如圖1所示。

圖1 背板的多層復合結構及各層性能要求

本文通過研究背板結構中的各層材料，得到了最優化的CPO?背板。外層耐候材料選擇了氟烯烴與烷基乙烯基醚或酯共聚物(FEVE)涂層材料，這與光伏發電度電成本持續下降的趨勢是相符合的，PET性能穩定、成本適中，具有機械強度高、熱穩定性和絕緣性好、阻隔性優良等特性；內層材料的主要作用是與封裝膠膜進行粘結并有良好的粘結保持率及良好的阻隔性，同時應兼具耐紫外黃變等要求。綜上所述，國產供應的耐候氟涂層膜、PET絕緣基材、聚烯烴薄膜可滿足光伏組件封裝材料的戶外使用要求。

1.1 背板外層的材料選擇

FEVE樹脂是氟烯烴與烷基乙烯基醚或酯的共聚物[1]，材料自身具有耐溶劑、耐水解、超強耐紫外黃變及良好的成膜性。將FEVE樹脂用于背板結構：先將FEVE樹脂制成涂料，再涂覆在聚酯薄膜表面，通過交聯固化形成氟涂層膜，形成最外層的氟涂層膜保護層。FEVE樹脂的鏈段結構及固化反應機理如圖2所示[2-3]。

FEVE樹脂的碳-碳主鏈被交替的碳-氟鍵保護，自身的耐候和耐久性很強，側鏈存在的各種極性基團使得涂層具有良好的溶劑可溶性和與無機顏料鈦白粉優異的相容性。

1)FEVE樹脂與PET基材有良好的附著性，借助異氰酸酯交聯助劑，FEVE樹脂與PET間發生化學交聯反應，異氰酸酯起到橋聯作用，促使PET與FEVE樹脂間形成穩定化學鍵，達到兩者之間永久性地一體化結合。

圖2 FEVE氟樹脂的鏈段結構及固化反應機理[2-3]

2)FEVE樹脂與耐候性鈦白粉相容性高，可形成致密性良好的膜層，通過控制橋聯鍵，使得C-F鍵形成多層分布狀態，從而增強了氟元素在涂層表層的致密性，可以更有效地發揮氟元素在耐候性方面的優勢，并起到保護內部弱化學鍵及PET基底的作用。

將FEVE樹脂溶解后與金紅石型R706鈦白粉經過混合、砂磨、分散后，涂布在不粘膜上，經過烘干后剝離可得到氟涂層膜，該層膜具有柔韌性和極好的紫外光截止性。

我們制備了厚度分別為3、5、7、10 μm的氟涂層膜，考察不同厚度涂層對280～400 nm紫外光波段的截止性，并與常用的最薄15 μm PVDF膜進行比對，具體如圖3a所示。從圖中可以看出，氟涂層膜的交聯致密性好，納米級的鈦白粉經過砂磨可形成良好的包覆，固化交聯成型時無機相和氟樹脂有機相分散的更均勻。氟涂層膜的表面形貌如圖3b所示。

圖3 氟涂層膜的紫外截止性及SEM表面形貌

表1為不同外層厚度氟材料的紫外透過率。表中的數據表明：致密的10 μm氟涂層膜可阻隔UVA及UVB紫外光的侵害；隨著涂層厚度的減薄，氟涂層膜厚度在5 μm及以下時，UVA的紫外透過率增加至10 μm氟涂層膜的6～10倍，同時UVB的紫外透過率也大幅增加，這主要是由于無機料的紫外阻擋和遮蓋不足所致。在同樣的測試條件下，15 μm PVDF膜的紫外透過率僅與5 μm氟涂層膜大致相當，造成這一現象的原因是由于鈦白粉較難與熔融的PVDF樹脂相容，因此鈦白粉在PVDF膜中得不到良好的分散。

表1 不同外層厚度氟材料的紫外透過率數據

為了進一步驗證不同厚度氟涂層膜的性能，在同一型號的PET基材上涂布不同厚度的氟涂層膜制得測試樣品，然后進行了紫外UV輻照老化測試，結果如圖4所示。

由圖4可知，3 μm超薄氟涂層膜樣品在總輻照為150 kWh/m2的情況下，肉眼可見黃變，黃變指數ΔY＞10，將氟涂層膜去除后，發現PET基材也發生了黃變；5 μm氟涂層膜樣品在總輻照為300 kWh/m2的情況下，黃變指數ΔY＜5[4]。

圖4 不同厚度氟涂層膜的耐紫外黃變性能

通過以上的試驗對比可以看出，外層氟材料對基材的保護性與外層材料的厚度、紫外透過率直接相關，涂層厚度低于5 μm的氟涂層膜的耐候性、耐黃變性不好，保護效果不佳。

在實際的戶外耐候性測試中，2012年，福斯特委托美國Q-Lab實驗室將BEC-301(CPC)背板產品分別在美國亞利桑那州和弗羅里達州進行了戶外曝曬試驗，具體實驗情況如圖5所示。經過幾年的試驗跟蹤發現，內、外氟涂層膜均表現良好，未觀察到黃變等失效現象。

圖5 曝曬前、后氟涂層背板的表觀對比照片

在耐酸堿腐蝕方面，將氟涂層膜和PVDF膜在25%氨水和10%硫酸中浸泡30天，均未發現起皺、破損等現象。

在耐溶劑(酮類、酯類)方面，氟涂層膜與PVDF膜的表現有所區別，如圖6所示。氟涂層膜由于其交聯結構可抵抗各種溶劑，因此未發生溶脹、收縮；PVDF膜實際為PVDF的混合物，由50%～70% 氟聚合物與30%～50% 丙烯酸和無機填料組成，且純PVDF 單取向性強，需要添加丙烯酸類塑化增韌，而這類非氟樹脂則會影響外層材料的物化均一性。為達到降本的目的，PVDF膜供應商提供的產品的厚度也在不斷降低，而由于不同PVDF供應商采用不同的混合物配方及生產工藝，因此導致不同的PVDF膜存在性能差異，且膜越薄差異越明顯。

圖6 氟涂層膜與不同PVDF膜在溶劑中浸泡24 h后的外觀照片

1.2 背板層材料的選擇

PET作為背板的內層材料已有30年以上的實際應用歷史，但與膠膜封裝材料的粘結保持力和耐紫外黃變卻是單層PET背板性能方面的短板。而聚烯烴(PO)材料作為常規供應的樹脂，通過改性加工處理后可以彌補這些性能短板；同時，PO材料是非極性材料，對濕氣的耐水解性能比PET要好，水汽阻隔性也更具優勢。

為了更好地模擬組件的戶外工作環境，我們不僅對背板內層材料進行了紫外UV輻照老化測試，如圖7所示；同時，還在高溫、高濕的條件下對內層材料進行了UV+DH同步老化測試，具體如圖8所示。圖中，對比樣品為同等結構的其他廠商的產品。

圖7 CPO?背板與對比樣品在紫外UV輻照老化測試中的黃變差值

圖8 CPO?背板與對比樣品在UV+DH同步老化測試中的黃變差值

圖7和圖8的結果表明：1)對于單獨的紫外UV輻照200 kWh/m2老化測試，不同聚烯烴配方和材質的背板內層PO膜均可滿足ΔY＜3.0；2)鹵素燈UV+DH(85℃/85%RH)同步老化更能模擬組件的戶外工作環境，在紫外/濕熱老化侵蝕同時存在的環境下，可以觀察到內層PO材料更多的失效現象，主要為黃變、開裂、粉化現象，如圖9所示。

圖9 O膜材料在UV+DH同步老化測試后的失效照片

2 CPO?背板各層的厚度選擇

背板作為一種多層結構的復合材料，其結構穩定性是背板性能的前提保證。CPO?背板的氟涂層高溫固化成膜時會在PET基材上形成一體化的保護層，在氟涂層膜和聚酯薄膜層之間不存在膠黏劑層，通過基材表面的高效處理和FEVE涂層配方體系優化，使氟涂層膜和聚酯層之間的附著力耐受DH 3000 h后仍可保持0級水準。

按照GB/T 23988-2009《涂料耐磨性測定 落砂法》(標準砂)的要求進行試驗，通過空氣面的耐砂磨性來比較各種材質的性能，結果如表2所示。

表2 不同背板材料的單位厚度耐落砂量

由表2的數據可知：

1)按每μm厚度的耐落砂量看，氟涂層膜的耐砂磨性可超過PVDF膜，這主要是由于氟涂層膜具有高分子鏈的互穿交聯結構，形成了長程無序、短程有序的特殊分子鏈結構，同時FEVE樹脂在形成三維網狀交聯時與無機填料粒子互相補強，形成有機-無機相互鑲嵌的致密性結構，示意圖如圖10所示。

圖10 FEVE樹脂三維網狀交聯時與無機填料粒子互穿鑲嵌示意圖

2)無機鈦白粉與PVDF樹脂的相容性較差、分散性不佳，這從PVDF共混膜常見的流道紋、晶黑點等外觀問題即可看出；但依賴膠水層良好的柔韌回彈性，15 μm PVDF膜的耐落砂總量表現良好。

3)通過微觀截面圖(見圖11)可以看出，耐候PET膜僅淺薄表層為耐候層，其耐UV保護層厚度約為PET基材的10%～20%，其表層初始耐落砂總量較少，在表層抗UV功能添加劑逐漸消耗后，表層會出現粉化、開裂等失效現象，其耐候保護層的總體耐磨性需謹慎考量。

在背板的多層結構中，外層保護層阻隔紫外傷害，提供長久的耐候防護作用；中層及內層材料則側重于安全絕緣和濕氣阻隔性。根據最新IEC 62788-2中《關于背板有效絕緣層厚度(DTI)的規定》，1000 V光伏組件使用背板的DTI值至少要達到150 μm，使用PET材料時應達到標準中規定的DTI。而對于濕氣阻隔性要求，則需要選擇合理厚度的PET基膜和O膜材料進行組合優化，才能達到用材省、性能好的理想結果。

圖12、圖13分別為O膜厚度、PET膜厚度與透水率的關系圖。從圖中可以看出，在同等厚度下，O膜的濕氣阻隔性要強于PET膜；O膜厚度在達到100 μm左右時，其濕氣阻隔能力趨于平衡；而PET膜的濕氣阻隔能力與其厚度呈現線性相關性，在PET膜厚度超過250 μm后阻隔能力趨于平衡；單層PET膜要達到水汽阻隔性低于2 g/(m2·d)的要求，其厚度需高于290 μm。

考慮到O膜加工工藝及得率因素，選定O膜厚度為80 μm，匹配不同厚度的PET基材，利用紅外法得到不同厚度材料的水蒸氣透過率數據表，如表3所示。

圖11 不同背板耐候保護材料厚度的微觀截面圖

圖12 O膜厚度與水蒸氣透過率的關系圖

圖13 PET基膜厚度與水蒸氣透過率的關系圖

表3 不同厚度材料的水蒸氣透過率(MVTR)數據(紅外法)

表3的數據可說明：當PET基材厚度≥160 μm時，CPO?結構即可滿足水汽阻隔性低于2 g/(m2·d)的要求。另外，對160 μm PET基材的CPO?背板進行了機械性能、絕緣性能的評估，均能達到IEC 62788-2中1000 V組件的規定要求。因此，這一背板結構是PET基材及O膜厚度最優化的復合結構方案。

3 結論

本文從傳統背板的3層結構來考量各層材料的性能要求及厚度搭配：從耐候保護性、耐磨損性來選擇可靠的外層氟涂層膜厚度；在紫外老化、濕熱老化侵蝕同時存在的嚴苛環境下篩選不同厚度的O膜材料，以求最大化地避免組件在使用過程中產生紫外黃變、開裂等失效現象；從安全絕緣性、阻隔性、機械強度等方面進行綜合性能評估，得到最優化的CPO?背板復合材料結構；同時重點闡述了外層氟涂層膜的耐風沙、耐磨特性及其與PVDF膜、強化PET外層材料的對比，福斯特生產的氟涂層膜的單位厚度耐落砂能力表現最佳。綜上所述，CPO?背板的性能完全符合組件新、老標準的要求，是材料成本最低的單面含氟復合背板。