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光伏背板工艺和检测专题

 导 语

  

    电池背板位于组件背面的最外层,在户外环境下保护太阳能电池组件不受水汽的侵蚀,阻隔氧气防止氧化、耐高低温、良好的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,具有较高的红外发射率,可以降低组件的温度。

 背板的组成

1、基本结构

2、外层保护层 3PET 4、背板内层

    太阳能背板位于太阳能电池板的背面,对电池片起保护和支撑作用,具有可靠的绝缘性、阻水性、耐老化性。一般具有三层结构,外层保护层具有良好的抗环境侵蚀能力(防止水气侵蚀、抗紫外线等),中间层为PET聚脂薄膜( 聚对苯二甲酸乙二醇酯) 具有良好的绝缘性能和强度,内层薄膜和EVA具有良好的粘接性能。

    为了有良好的耐候性,一般要求背板外层材料为含氟材料,PVFPVDF为最常见的两种含氟材料。

   

 PVF薄膜,学名聚氟乙烯(polyvinyl fluoride ),由氟和氟碳分子的共聚体挤压而成。为含氟或氟碳的共聚物,比其它任何聚合物具有更大的化学结合力和结构稳定性,对日照、化学溶剂、酸碱腐蚀、湿气和氧化作用的抵抗力和耐久性效果显著。

  

PVDF聚偏氟乙烯,除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外,还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能,是目前含氟材料中产量名列第二位的大产品。

 

  PVDF的密度是PVF1.3-1.4倍,在分子结构上多一个氟原子,所以比PVF更致密、更耐候、阻隔性更好。纯PVDF薄膜的透水率只有同等厚度的PVF薄膜的1/5左右,所以通常情况下使用PVDF薄膜的厚度可以比PVF薄,但是PVDF成型较困难,一般需要添加丙烯酸类材料,此材料会造成局部老化。

    是聚对苯二甲酸乙二醇酯的简称,又称聚酯薄膜,乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物,表面平滑有光泽。优良的物理机械性能,具有优良的物理机械性能,短期使用可耐150 ℃高温,-70 ℃低温,且对其机械性能影响很小。

    PET电绝缘性优良,甚至在高温高频下,其电性能仍较好,抗蠕变性、耐疲劳性、耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。气体和水蒸气渗透率低,但是在高温高湿中容易水解,在紫外光照下易发生光降解反应。

    在背板中,未经改性的含氟薄膜和PET,与EVA粘结牢度差,因此背板与电池片接触面需要有粘结层材料,一般可以使用改性过的含氟薄膜和PET,或是粘结性强的EVA膜或PE膜,使用EVA膜或PE膜作为背板内层对组件耐候性有很大的影响,但是它可以大大降低成本。

    PE = Polyethylene,聚乙烯,是结构最简单的高分子有机化合物,当今世界应用最广泛的高分子材料,由乙烯聚合而成,因其粘合在组件里面,不接触空气,仅有正面电池间隙漏过的部分光线对其有老化作用,故此虽然在一定程度上降低了使用年限。

1 背板基本结构

2 PET

3 背板内层结构

 背板的特性
 

   持久性:长时间的保护作用,无退化、裂变现象;抗紫外UV、化学、湿气(防水气)和防尘性;良好的绝缘性、电学性能和阻燃性;与EVA有良好的粘结性;对入射到组件内部的光进行反射,提高组件吸收光的效率(白色)。

 太阳能背板的加工工艺

1、复合法

     复合法是现在光伏行业里比较接受的背板加工工艺。

   影响复合法成型背板品质的因素有以下两大类:

1)生产设备及工艺参数

   a.涂布方式

     要求厚度均匀,以保证粘接效果。目前涂布行业最先进的涂布方式为定量挤压式涂布方式,因其涂布物料采用定量并由PLC(可编程逻辑控制器)进行自控,不受环境温度影响,涂布精度高,故而在高精度涂布的产品中得以应用,远比常规的凹版涂布方式和逗号刮刀方式精确。

   b.干燥过程控制

     干燥过程控制是涂布生产的关键,否则溶剂残留过多,会引起背板双85老化测试中起泡,分层,从而影响使用寿命,其重点是由涂布生产中各项工艺参数综合平衡来控制的。

2)粘接体系

   a.粘接物料体系

 

     粘接物料体系由粘合剂,稀释溶剂及部份填加的助剂形成,其主体是粘合剂的作用。目前国内外背板企业选用的粘合剂体系基本上均为双组份聚氨酯体系,因其既要有优异的抗UV,耐水解等抗老化要求,又要对难粘接的含氟膜有良好的粘接性,故目前全球也仅有几家专业的粘合剂公司可以生产。粘接体系中影响剥离强度的另一因素,就是稀释溶剂,常规选用的为:乙酸乙酯,酮类等,但对其纯度要求极高,因为其中所含的水份,醇类等羟基(-OH)杂质会与粘合剂中固化剂所含有的异氰酸根(-NCO)发生直接反应,导致粘合剂性能下降,严重的甚至失效,故而虽然溶剂是常规溶剂,但其中对羟基类杂质含量要求必须控制严格,这也是同粘合剂生产公司一样,是使用溶剂行业中的最高标准要求。

   b.膜材料的表面性能

 

     首先是膜表面处理的因素,目前主流均为电晕处理,甚至需要特定的等离子处理方式,通过高频电火花对膜表面冲击,一方面形成微小凹坑增加粘接的表面积,另一方面将薄膜表面分子的化学键打断,形成与粘合剂中活性链的交联反应,但电晕处理不能过度,否则造成膜表面损坏,同样也会造成粘接性能的下降。故此膜复合前的表面处理极为关键,要求其处理设备(电晕或等离子)运行稳定,放电均匀一致,并达到相应的瓦特密度性,甚至合适的处理深度。其次是膜本身的因素,因此行业要求高耐侯性,故此在膜材料中都添加了相应的助剂,以提高其性能,下面就三种膜进行逐一分类比较:PET膜分为半透与白色两类,相对来讲,半透膜要易粘接,而白色膜中添加了各种助剂会影响一定粘接性能。

    PVDF薄膜,是难以粘接的物质,尤其是PVDF膜含有双CF键,比杜邦的PVF膜单CF键更难以粘接,同进粘接效果还受膜中助剂成分,成型工艺等因素影响。EVAPETPE,KPE类背板中的薄弱环节,因其本身耐侯性并不理想,但出于对背板产品的成本考虑,将与层压EVA面的膜材料换成PEEVA膜,以牺牲部分抗老化性能换取成本的降低,这是目前绝大部分中型组件公司的首选。

4 复合法工艺过程

   2、涂布法

5 涂布法工艺过程

6 复合法背板生产线

7 涂布法背板生产线

 背板的性能及检测方法
1、克重要求 2、抗张强度 3、自身剥离强度

      对于不同厚度,不同材料的背板有不同的克重要求,比如0.17mm厚的TPT要求克重为243±24g/㎡,对于0.35mm厚的TPT要求克重为488±40g/㎡(某公司标准)。

     背板试样发生断裂时的最大负荷,对于不同厚度,不同材料的背板有不同的抗张强度,比如0.17mm厚的TPT抗张强度≥0.35mm厚的TPT抗张强度≥500N/cm (某公司标准)

   测试背板各层的粘合强度,最常见标准为≥4N/cm(1N/cm=1000Pa)。

检测方法:

1)用壁纸刀在样品表面划出相互垂直的线条,线条间距2mm,划痕穿透表面复合层。

2)用表面粘接强度≥4N/cm的胶带成45°角粘贴于已经划线的样品表面,压平。胶带宽度为20mm。

3)以4N/cm-5N/cm的拉力撕拉胶带,如果背板外层有被胶带撕离的状况,则不合格,没有被胶带撕离,则合格。

检测方法:用精度到0.1g的电子台秤测量。

检测方法:微控电子万能拉力机进行拉力测试。

8  电子台秤

9  微控电子万能拉力机

10  剥离强度检测方法

11  剥离强度检测方法

4、延伸率(分为纵向和横向) 6、尺寸稳定性

  背板试样发生断裂时的最大伸长率,对于不同厚度,不同材料的背板有不同的抗张强度,比如0.17mm厚的TPT延伸率≥95%,0.35mm厚的TPT延伸率≥140%(某公司标准)。

  在150摄氏度下经过0.5小时,长度方向和宽度方向的收缩率。较为普遍的标准为≤1.5%

检测方法:微控电子万能拉力机进行拉力测试后按公式计算。

检测方法:取A4纸大小样品,在长度方向画250mm,宽度方向画180mm的直线,各5条,记M1;将样品放入150摄氏度烘箱中或层压机加热30min;取出冷却至室温后,量取上述直线的长度M2;按照(M1-M2)/M1计算得样品收缩率,取平均值。

5、背板与EVA剥离强度

  测试背板与EVA的粘结效果,较为普遍的标准为≥40N/cm(1N/cm=1000Pa)。

检测方法:

图12 背板与EVA剥离强度取样方法

图13 尺寸稳定性取样方法

   

 取长度约为30cm,宽度为>15cm的钢化剥离一块;在钢化剥离上依次层叠同样大小的背板和EVA,放入层压机中层压。进行层压固化后放置12小时以上,将固化件裁割为1*30cm的小条。取其中的几条,分别手工将背板与EVA分离2cm左右,将样品固定在拉力测试机上,顺着180度的方向,以速度为50mm/min进行剥离,每次剥离10mm,记录其数据,试验结果取数据的中值。

7、水气渗透率 8、击穿电压

     在38±2摄氏度,在100%RH的条件下,测试背板的水气渗透率。较为普遍的标准为≤2.0g/㎡d

     背板发生击穿时的电压值。较为普遍的标准为>18kv。

检测方法:有三种测试方法,分别是称重法(杯式法、电解法和红外传感器法),现在用的比较多的方法为电解法。电解法:利用试样把测试腔隔开,一侧为干燥的氮气流,另一侧具有一定的湿度,水蒸气会从高浓度侧向低浓度侧渗透,透过试样的水蒸气被干燥的氮气载入到电解传感器,其电解输出信号与水蒸气的浓度成正比,通过对信号的处理从而得到试样的水蒸气透过量。

检测方法:沿材料的幅宽方向裁取一条约200mm宽的材料作为试样,试样在23±2摄氏度,相对湿度50±5%的条件下处理不少于小时。将试样放在击穿电压试验仪的电极间,在试样上均匀选取5个点,使用连续升压法自零开始升电压,使击穿发生在10-20s之间,记录击穿电压值,击穿电压单位为kv。5次试验值的中值为试验结果,如任何一个试验结果偏离中值15%以上,则另做5个试验,取10个值的中值作为试验结果。

图14 水气渗透测试仪

图15 渗透测试仪原理

图16 击穿电压试验测试仪

9、最大系统电压 10.与硅胶的粘接力
 

  组件串并联后背板所能承受的最大电压。较为普遍的标准为>1000Vdc。

   检测接线盒是否会从背板脱落的一个指标。较为普遍的标准为>16kg(16kg*9.8N/kg=156.8N)。

 

检测方法:测得组件漏电时的电压值,若大于1000Vdc,则判定为合格,如小于1000Vdc,则判定为不合格。

检测方法:将接线盒用硅胶粘结到背板上,在室温下固化7天后,固定背板,沿水平方向以156.8N的力拉接线盒,保持20秒后,接线盒没有发现移动,则说明背板与硅胶的粘结力良好,通过测试。

 
11、耐老化  

 经过老化试验后,无明显外观缺陷,即判定为合格。

检测方法:a.紫外老化,经过波长在280-385nm范围的紫外辐射为15kwh/㎡,其中波长为280-320nm的紫外辐射为5kwh/㎡,无明显外观缺陷即为合格。

                         b.热循环,经过紫外老化的样品在-40~85℃±2℃之间循环,温度变化速率不超过100℃/h,在每个极端温度下,应至少稳定保持10min,分别做50次和20次热循环试验。无明显外观缺陷即为合格。

    

   c.湿热试验,经过热循环合格的样品,在相对温度90±2℃,相对湿度90±5%下,试验1000h,无明显外观缺陷即为合格。

17  背板与硅胶粘结力测试方法

18  UV试验箱

19 高低温试验箱

20  恒温恒湿试验箱

 背板使用过程中遇到问题 小结
常见问题 原因分析

背板产品出现批量层间剥离强度性能下降

溶剂乙酸乙酯中混入了少量的异丙醇(含OH基团,会与粘合剂体系中的异氰酸根发生反应,造成粘合剂部分失效)

PE膜层间剥离衰减过快

原因为抗老助剂添加不当,其部分助剂小分子迁移到膜表面,引起粘接强度衰减过快

部分背板分层

在生产中有个别地方有部分粘合剂涂不到位的情况,容易发生背板分层不良

表面不良问题

主要反应在PE的表观问题较多(同时也有部分含氟膜的质量问题),膜表面有晶点,脏污,灰尘,折皱,厚度不均,纤维等,原因有两个方面,一是膜材本身在问题,另一方面就是生产现场的卫生保持问题

PVDF薄膜粘接后强度衰减快

在PVDF成型过程中,为了达到成膜效果,添加了部分PMMA类树脂,同时为了使PMMA产品具有抗老化性能,必须添加适量的助剂,其助剂分子在薄膜中相容性不良,引起小分子迁移到薄膜表面,造成粘结力下降。

 

 随着光伏发展的趋势,原材料的测试以及用于组件后的测试都是非常之重要的,组件的性能取决于成品后的测试,组件应用的地方较广,在较广的范围内所要经受的条件也是随之恶劣的,对于一些客户和一些认证所要求组件是否能通过各种气候的变化下能继续发电,随而言之就要通过各种试验的论证,如:双85、紫外老化、拉力测试、接地测试等、在随后的未来几年我相信原材料以及组件性能的要求会越来越多,测试的范围也会越来越广!

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