摘要：背板是光伏組件的重要組成部件，本研究通過對不同類型背板技術(shù)、生產(chǎn)及綜合環(huán)境測試情況的介紹，重點分析了不同類型背板的發(fā)展過程及優(yōu)缺點，不同背板生產(chǎn)技術(shù)的對比、背板測試技術(shù)的要點及未來可能提升的關(guān)鍵，綜合對比顯示中等表面能四氟型太陽電池雙面涂氟型背板技術(shù)（FFC）及其產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢，雙面涂氟技術(shù)已發(fā)展成為太陽電池背板主流技術(shù)。提出了針對太陽能光伏應用領(lǐng)域開發(fā)出符合光伏組件復雜應用環(huán)境要求下的含氟樹脂及涂料的要求，認為涂氟型太陽電池背板功能化、平臺化將是未來組件及背板發(fā)展的主流趨勢。

　　太陽能光伏組件主要由玻璃蓋板、乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA）、電池片、背板、接線盒和邊框等組成。由于背板對電池片起支撐和保護作用，且背板作為直接與外界自然環(huán)境大面積接觸的封裝材料，其性能直接決定了光伏組件的發(fā)電效率和使用壽命，背板必須具備優(yōu)異的絕緣性、水汽阻隔性和耐候性等，因此背板生產(chǎn)及測試技術(shù)的進步對太陽能光伏組件的影響十分重要。

　　一、背板類型

　　現(xiàn)有的背板主要是以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為基板，在其單面或雙面復合或涂覆具有功能性的氟材料，從而使背板具有良好阻隔、耐候及絕緣性能，不同類型背板其功能性差異較大，因此選擇價格合理、性能優(yōu)良的背板對組件廠商生產(chǎn)合格、性能優(yōu)良的太陽能光伏組件就顯得尤為關(guān)鍵。圖1為不同類型背板市場應用變化趨勢。

　　從圖1可以看出，隨著太陽能電池背板技術(shù)的發(fā)展，2013年全球含氟背板和非氟背板的比例為8：2，2014年預計將達到9：1。氟材料中由于氟元素電負性大，碳氟鍵之間的鍵能非常強，加上氟材料結(jié)構(gòu)中分子排列緊密、剛硬、平滑，使氟材料表現(xiàn)優(yōu)異的耐候、耐熱、耐溫及耐化學品等性能，可滿足組件在戶外長期使用的要求。因此，氟材料是目前市場上背板中重要的支撐材料之一。

　　1、1含氟復合型背板

　　含氟復合型背板現(xiàn)主要有TPT、KPK、TPE和KPE這4種類型。其中T是指美國杜邦的聚氟乙烯（PVF）薄膜，P指PET基材，K為聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜，E為EVA。含氟復合型背板是在背板的單面（TPE和KPE）或雙面（TPT和KPK）復合氟膜，屬于第1代背板。因成本壓力，2008年以后，TPT、KPK內(nèi)層用聚乙烯（PE）/EVA等非氟材料替代，制成單面含氟復膜背板，稱之為TPE和KPE，該類型背板受光面為不含氟膜，用其他烯烴聚合物或PE、EVA等材料替代，但這些材料在使用過程中很容易在紫外等環(huán)境下分解，組件背板進行加速UV老化測試，并通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)KPE／TPE內(nèi)層E層（E為EVA層）有明顯的微裂紋（如圖2），組件背板很快出現(xiàn)變黃、脆化等老化現(xiàn)象，嚴重影響組件的長期發(fā)電效率，雖然單面含氟背板具有成本上的優(yōu)勢，但由于其自身固有的缺陷，其很難適合組件封裝長期使用需要。

　　另外，雙面復合型背板由于其氟膜制造成本較高，且目前仍為少數(shù)國外企業(yè)所壟斷，并且單面和雙面含氟復膜都存在復膜與PET基板或EVA之間的粘結(jié)問題，復膜層與PET之間是通過膠粘劑實現(xiàn)粘結(jié)，由于膠粘劑與PET和PVF（或PVDF）間的浸潤性不同，且當前膠粘劑固化均是通過整卷熟化方式，存在較大不確定性，因此，長期使用出現(xiàn)分層現(xiàn)象的風險較大，影響組件長期可靠性。因此，復合型背板技術(shù)正在被其他新技術(shù)所取代。

　　1、2不含氟背板

　　迫于成本壓力，2011-2013年背板材料出現(xiàn)以強化PET取代TPE／KPE外層耐候氟膜的背板。強化PET采用在PET表面修飾、添加助劑或者其他改性的方法來改善PET的耐UV性能，但由于PET分子鏈中含有大量的酯基，其與水直接接觸易產(chǎn)生水增塑，導致PET分子鏈降解，同時PET在直接應用中結(jié)晶度會增加，使材料變脆，耐沖擊性降低。另外，在濕氣環(huán)境下，溫度升高、紫外輻射和熱循環(huán)作用下PET分解更加迅速，物理機械性能急劇下降。因此基于PET材料自身的缺陷，不含氟背板并不能滿足復雜自然環(huán)境下組件應用要求。試驗樣品PET在65℃，相對濕度65％的條件下，用超強紫外（SUV）氙燈輻照60ｋＷｈ后，對其進行500倍金相顯微鏡拍攝照片，結(jié)果見圖3。

　　從圖3可見，PET表面出現(xiàn)嚴重開裂現(xiàn)象。該類型背板復合技術(shù)采用PET與PET復合和PET與PE／EVA復合，是屬于剛－剛復合和剛－柔復合2種類型，在界面上形成缺陷要大于單一的剛－柔復合方式。圖4是復合型背板橫截面掃描電鏡圖，最外層ＰＥＴ面對應空氣面。

　　從圖4可以明顯看出PET與PET復合的剛－剛復合界面缺陷明顯大于PET與PE／EVA復合的剛－柔復合界面。因此，該類型背板長期使用可靠性還存在較大風險。

　　1.3含氟復涂型背板

　　為了解決雙面含氟背板的成本壓力，同時又避免單面含氟背板存在的固有缺陷，近年來很多背板廠家開始生產(chǎn)一面復合氟膜，另一面涂覆含氟涂料的復涂型背板，如TFB結(jié)構(gòu)背板（從空氣面至粘結(jié)面依次為杜邦ＴｅｄｌａｒPVF膜、膠粘劑層、PET基材層、等離子體化學結(jié)合層、含氟粘結(jié)保護層組成的5層復合材料）和KFB結(jié)構(gòu)背板（同TFB結(jié)構(gòu)背板，空氣面保護層為PVDF氟膜），這種類型背板迎合了客戶對傳統(tǒng)雙面氟膜背板的習慣性，且與傳統(tǒng)TPT背板相比具有明顯的價格優(yōu)勢，屬于第1.5代背板。

　　1.4含氟涂覆型背板

　　雙面含氟涂覆型背板是未來主要應用的背板形式之一，屬于第2代背板技術(shù)，其主要是在PET雙面涂覆含氟涂料實現(xiàn)背板的功能化。本研究通過膜膠一體化技術(shù)實現(xiàn)了該類型背板（FFC）生產(chǎn)的突破，其與傳統(tǒng)背板光濕熱性能的對比結(jié)果見表1。

　　表1給出了層壓件（即背板、EVA、玻璃150℃，20min通過層壓機熱壓后制成的模擬測試樣件）和背板的相關(guān)黃變參數(shù)。

　　從表1可見，F(xiàn)FC技術(shù)制成的雙面涂氟型背板及其層壓件在SUV1000MJ／m2抗UV老化試驗中，黃變指數(shù)小，沒有出現(xiàn)明顯的黃變；金相顯微鏡圖片顯示FFC表面沒有出現(xiàn)微裂紋（見圖5）。

　　TPT與FFC的壓力鍋蒸煮試驗（PCT老化試驗）后水蒸氣透過率測試結(jié)果見表2。

　　從表2可以看出，F(xiàn)FC經(jīng)過PCT老化試驗后其水蒸氣透過率較低，水蒸氣透過率從初期的1.87g／（m2·d）增加到1.95g／（m2·d），增加幅度較小，而TPT的水蒸氣透過率從初始的1.33g／（m2·d）增加到14.29g／（m2·d），增幅非常大，衰減率達到974.4％，TPT性能下降明顯。主要原因是大多數(shù)公司應用的ＰＥＴ基板材料耐水解性差，在PCT老化60ｈ以后，PET基板發(fā)生水解，背板脆裂，因而導致水蒸氣阻隔性能衰減非常嚴重，而本研究利用特殊的工藝技術(shù)，采用強耐水解性能的PET基材，水蒸氣阻隔性優(yōu)異。

　　本研究FFC雙面涂覆技術(shù)是利用等離子體技術(shù)對PET進行活化處理，雙面涂覆FFC涂料，實現(xiàn)了FFC涂料與PET基材間的一體化，通過化學方法解決了物理界面問題。另外，對含氟涂層進行等離子體化學接枝處理，形成共價鍵，解決了背板與EVA間的長期粘結(jié)性難題。對FFC背板橫截面進行掃描電鏡分析，結(jié)果見圖6。圖中A和B均為涂氟層，中間為PET層。

　　從圖6可見，PET與涂層間沒有明顯的界限，解決了傳統(tǒng)背板“三明治”結(jié)構(gòu)問題，降低了成本，提高了背板與EVA間的粘結(jié)強度，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。同時，為了進一步驗證FFC產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢，將FFC涂氟背板產(chǎn)品與其他類型涂覆型背板分別進行了PCT48ｈ、沸水煮100ｈ和雙85／2000ｈ（即氙燈耐氣候老化箱測試參數(shù)為85℃溫度，85％的相對濕度，氙燈壽命2000ｈ）測試，粘結(jié)力測試結(jié)果顯示FFC涂氟技術(shù)背板產(chǎn)品附著力均為0級，與EVA、硅膠粘結(jié)力保持率大于80％，明顯優(yōu)于復合技術(shù)類型產(chǎn)品。

　　因此，雙面涂氟技術(shù)作為背板的第2代技術(shù)，既滿足了環(huán)境對背板雙面耐候性的要求，又解決了傳統(tǒng)背板依賴膠粘劑從而出現(xiàn)性能短板的缺陷，在長期使用可靠性上具有較大優(yōu)勢，涂覆技術(shù)作為背板功能化的技術(shù)平臺更有利于新型功能化背板的加速研制。

　　1.5導電型背板

　　導電型背板是未來發(fā)展的一種新型背板，其主要是為了滿足太陽能電池將正、負極轉(zhuǎn)移到電池背面，形成背接觸電池［金屬層穿孔卷繞硅太陽能電池（ＭＷＴ）、發(fā)射極環(huán)繞穿通硅太陽能電池（EWT）和交錯板接觸太陽能電池（IBC）而開發(fā)的導電型背板，提高組件的發(fā)電效率。該類型背板由于含有導電金屬箔，且需要對金屬箔進行激光刻蝕或化學腐蝕，工藝過程復雜、生產(chǎn)效率低且成本高，現(xiàn)有的技術(shù)還不能根本解決這些問題，該類型背板還處于研究、開發(fā)、試生產(chǎn)階段，在市場上還不具有明顯的競爭優(yōu)勢，需要技術(shù)的進一步突破。

　　二、背板的生產(chǎn)技術(shù)

　　各類型背板的生產(chǎn)技術(shù)主要包括復合技術(shù)、涂覆技術(shù)和熔融共擠技術(shù)等，當前主要以復合技術(shù)和涂覆技術(shù)為主。

　　2.1復合技術(shù)

　　復合型背板生產(chǎn)技術(shù)主要是在PET基材上涂膠，經(jīng)烘烤溶劑揮發(fā)，再將氟膜與PET通過膠粘劑進行復合，然后進行3-5ｄ的熟化，得到復合型背板，工藝流程見圖7。

　　當前復合型背板廠家遇到的瓶頸為氟膜、PET、膠粘劑等材料在外，自主研發(fā)空間有限，且復合技術(shù)制造工藝相對復雜，工藝周期長，良品率低且能耗高。傳統(tǒng)背板因各界面采用物理粘結(jié)，主要材料如氟膜PVF和PVDF被國外大公司所壟斷；現(xiàn)有氟膜國產(chǎn)化率低、質(zhì)量水平較低，這些都限制了復合型背板技術(shù)發(fā)展。

　　2、2FFC涂覆技術(shù)

　　蘇州中來作為涂覆型背板生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的代表企業(yè)，通過對PET雙面進行等離子體刻蝕活化處理，然后涂覆含氟涂料，通過微波固化、等離子體接枝處理工藝，實現(xiàn)了膠膜一體化，提高了背板與EVA的粘結(jié)強度，制成涂覆型背板，工藝流程見圖8。

　　該生產(chǎn)技術(shù)的特點是不用膠，在線制氟膜，膜與PET是化學鍵合，膜膠一體化不分層，良品率高，性價比高。

　　三、背板測試技術(shù)

　　如何保障太陽電池組件在戶外高效、穩(wěn)定地運行，除組件自身基于國際電工委會員（IEC）各項標準測試外，背板作為電池的重要保護支撐材料，其老化對組件性能變化具有重要的影響，因而近幾年來在背板的IEC、國標、行標等標準和針對性的測試方法上做了大量研究，并已經(jīng)形成了相關(guān)標準、方法的報批稿和草案。背板測試技術(shù)對背板質(zhì)量好壞具有反饋作用，引導、改進背板相關(guān)研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)，因而背板測試技術(shù)的進步發(fā)展與測試水平的高低對提高背板質(zhì)量和組件質(zhì)量都具有十分重要的意義。

　　現(xiàn)有背板測試技術(shù)的要求是根據(jù)組件失效的可能影響因素來制定的，且基于組件IEC標準及相關(guān)國標、行標及差異化的環(huán)境適用性測定。如何快速、高效、準確測試背板的絕緣性、耐候性、安全性、可靠性，對背板生產(chǎn)廠家和組件生產(chǎn)廠家都非常重要，目前主要包括層間附著力、與EVA粘接強度、擊穿電壓強度、局部放電電壓、水蒸氣透過率、耐沸水性、耐濕熱老化性、耐UV、濕凍、熱循環(huán)、耐酸、耐堿及耐鹽霧等27個測試項目及其組合測試序列。

　　根據(jù)組件的失效和可能使用的場合，未來的背板測試技術(shù)將會拓展到更廣的領(lǐng)域，特別是各種差異化的復雜環(huán)境下對于背板、組件性能和發(fā)電效率的影響方面。因此，開發(fā)具有功率、發(fā)電效率增溢型功能性、耐候性、阻燃性和長期可靠性的太陽能光伏用雙面涂氟型背板，是今后太陽能背板廠家所需要研究和關(guān)注的新課題，其新型氟樹脂、氟涂料的開發(fā)不僅推動了背板技術(shù)、質(zhì)量的提高，同時也使背板成為組件功能性實現(xiàn)的重要平臺之一，為差異化的組件系統(tǒng)提供技術(shù)保障。

　　四、結(jié)語

　　隨著我國太陽能產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，光伏組件及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也在高速集聚化發(fā)展，背板從傳統(tǒng)一代技術(shù)的單一功能向二代、三代背板技術(shù)的多功能、平臺化的方向發(fā)展，背板技術(shù)也從國外往國內(nèi)轉(zhuǎn)移，經(jīng)過技術(shù)與實踐驗證，以PET為基板的雙面含氟背板作為太陽電池保護和支撐的重要材料仍將是主流并持續(xù)應用，如何在太陽能電池背板產(chǎn)業(yè)中創(chuàng)新的應用氟材料，需要繼續(xù)研究探討下列幾方面問題。

　?。?）背板已經(jīng)跨入了涂氟時代，含氟涂覆技術(shù)工

　　藝改進優(yōu)化研究。

　?。?）5大典型氣候復合條件下，如高耐UV加濕熱

　　復合條件，發(fā)電組件氟材料耐老化性能優(yōu)化的研究。

　?。?）消除氟材料與不同材料界面問題的研究。

　?。?）氟材料阻燃性、阻隔性提升研究。

　?。?）開發(fā)適合太陽能光伏應用條件需要的氟樹脂、氟涂料，賦予更多功能化。

　　總之，隨著太陽能電池背板材料的技術(shù)平臺不斷擴大、優(yōu)化，太陽電池背板占據(jù)組件背面的最大面積也將發(fā)揮出巨大的功能作用。氟材料的創(chuàng)新應用、背板多功能化以及如何改進背板的生產(chǎn)和測試技術(shù)等將是今后研發(fā)的重要課題。

　?。ū疚膩碓础锻苛霞夹g(shù)與文摘》，作者來自蘇州中來光伏新材股份有限公司：夏文進、唐鄧、章博、張育政、林建偉）