PET背板，創(chuàng)新還是“創(chuàng)心”

背板作為晶硅的關(guān)鍵部件，對(duì)組件的安全性、使用壽命和降低功率衰減起著至關(guān)重要的作用。要達(dá)到保護(hù)電池片的目的，背板必須具備良好的機(jī)械強(qiáng)度與韌性、耐候性、絕緣、水汽阻隔、耐化學(xué)腐蝕等各種平衡的性能。背板按照材料類別可分為含氟背板和非氟背板兩大類，背板材料選擇使用含氟薄膜、含氟涂層業(yè)內(nèi)已有共識(shí)，目前只有含氟材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期戶外實(shí)證，含氟背板的市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。隨著平價(jià)上網(wǎng)腳步的日益臨近，產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)都有著降本提效的巨大壓力，作為組件最重要的封裝材料光伏背板亦是如此。為了進(jìn)一步降低背板成本，部分企業(yè)嘗試使用PET材料來(lái)替代氟膜或氟涂層作為背板的最外層，省去氟膜或氟涂層成本，從而售價(jià)更低。但無(wú)氟保護(hù)的PET背板還能滿足組件性能要求嗎?

一、PET背板結(jié)構(gòu)及變化

目前PET背板主要有以下圖1兩種結(jié)構(gòu)，第一種為三層結(jié)構(gòu)，依次為強(qiáng)化PET(50um)、普通PET(150um)以及E膜粘接層，層與層之間使用膠黏劑粘接，需要兩次復(fù)合工藝制得。為進(jìn)一步迎合客戶降本需求，只能圍繞PET做文章，A/B結(jié)構(gòu)的PET便孕育而生，A/B結(jié)構(gòu)的PET與普通PET的不同之處在于其本身具有較為清晰的兩層結(jié)構(gòu)，一般A/B結(jié)構(gòu)的PET總厚度在160um左右，外側(cè)較薄的耐UV層占總厚度的10%，內(nèi)層為普通PET，通過(guò)共擠形成A/B結(jié)構(gòu)，PET內(nèi)側(cè)再?gòu)?fù)合上E膜或PO膜粘接層變形成了兩層結(jié)構(gòu)的PET背板，其較三層結(jié)構(gòu)PET背板工藝更簡(jiǎn)單且更薄，售價(jià)因此更低。且其總厚度明顯減薄，尤其是耐UV層PET厚度大幅減薄，可靠性同樣也會(huì)大幅降低。

圖1：不同PET結(jié)構(gòu)背板

二、PET的老化機(jī)理

PET作為一種高分子材料，本身結(jié)構(gòu)決定了其容易發(fā)生水解、紫外光老化降解、熱老化降解，內(nèi)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為分子鏈氧化、斷裂，分子量降低，用在背板最外層則容易出現(xiàn)表面發(fā)黃、粉化、脆化甚至開(kāi)裂。為了改善其耐候性，一般會(huì)在最外層PET中加入鈦白粉類無(wú)機(jī)顏料阻擋紫外線侵入，但在戶外使用過(guò)程中，由于光和水的共同作用，PET表面容易粉化、發(fā)白，析出鈦白粉，造成PET結(jié)構(gòu)背板性能下降。

PET的濕熱老化

從PET受濕熱老化的失效機(jī)理分析，PET在高溫高濕的條件下非常容易水解，H2O分子攻擊酯鍵，如圖2所示，使其酯鍵發(fā)生水解斷裂，生成帶羧基的低聚物，羧基同時(shí)又會(huì)促進(jìn)水解反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。PET抗水解的方法為將聚合度提高，分子量加大，分子量分布降低，結(jié)晶度適當(dāng)提高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前通過(guò)此種方法生產(chǎn)的PET耐水解等級(jí)較高，PCT48h后無(wú)脆化現(xiàn)象，有些甚至能做到PCT60h以上。

圖2:PET水解反應(yīng)

PET背板的紫外老化

從PET受紫外老化的失效機(jī)理分析，PET的紫外老化反應(yīng)分為光解反應(yīng)和光氧化反應(yīng)，在光解反應(yīng)中，PET經(jīng)自由基重排反應(yīng)，大分子主鏈發(fā)生斷裂，并產(chǎn)生CO和CO2氣體等副產(chǎn)物，材料PET的力學(xué)性能發(fā)生變化，如拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，如圖3所示;在光氧化反應(yīng)中，PET的芳環(huán)上產(chǎn)生氫過(guò)氧化基團(tuán)，并進(jìn)一步生成一酚羥基或二酚羥基衍生物，PET的發(fā)黃也主要是由這些熒光產(chǎn)物引起的，如圖4所示。

圖3：PET光解反應(yīng) 圖4：PET光氧反應(yīng)

增強(qiáng)PET耐紫外性能的方法如加入耐紫外配方，包括紫外吸收劑、紫外穩(wěn)定劑及抗氧劑，三者協(xié)同作用。鈦白粉的加入，能散射和吸收部分紫外線;鈦白粉與穩(wěn)定體系的相容性差，兩者相互反應(yīng)，容易降低光穩(wěn)定劑的作用。向界面分子轉(zhuǎn)移、熱斑高溫下蒸發(fā)升華、雨水沖刷、紫外老化、濕熱老化、熱氧老化、霉菌污染等，助劑消耗速度隨環(huán)境惡劣程度而變化、助劑隨著PET表面的粉化逐漸消耗。

三、PET背板的戶外失效案例分析

如下圖5是PET背板在中國(guó)西部戶外服役6年后的外觀表現(xiàn)，在組件正面出現(xiàn)嚴(yán)重黃變現(xiàn)象及在電池片之間的縫隙處出現(xiàn)密集細(xì)小裂紋，對(duì)組件進(jìn)行功率及濕漏電測(cè)試，結(jié)果顯示功率衰減高達(dá)27.6%且濕漏電結(jié)果小于40MΩ·m2的標(biāo)準(zhǔn)，這給投資者帶來(lái)較大利益損失，也給光伏電站埋下了安全隱患。

圖5：PET背板黃變、開(kāi)裂

其實(shí)，PET背板材料在戶外老化機(jī)理與以上分析的PET材料紫外老化機(jī)理類似，圖6是實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)200kWh/m2紫外老化后PET聚酯材料和強(qiáng)化PET聚酯材料(HPET)的傅立葉紅外圖譜，紫外老化后兩種PET材料均在1690cm-1吸收峰處出現(xiàn)了PET聚酯分解產(chǎn)物對(duì)苯二甲酸單體的吸收峰，這表明PET聚酯材料在長(zhǎng)期紫外老化后分子鏈段斷裂，這一現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在以上提到的戶外服役六年的PET背板中，如圖7。因此PET聚酯背板材料在戶外發(fā)生的是光解反應(yīng)與光熱反應(yīng)，應(yīng)采用紫外老化來(lái)評(píng)估其在戶外老化。

圖6：PET材料紫外后傅立葉紅外圖譜 圖7：PET背板服役6年后傅立葉紅外圖譜

四、背板選擇應(yīng)該回歸初衷

PET材料憑借其優(yōu)異的絕緣和阻水性能作為背板核心骨架被長(zhǎng)期應(yīng)用，但通過(guò)以上失效機(jī)理和案例我們發(fā)現(xiàn)PET材料本身特性決定了其根本無(wú)法獨(dú)立存在為組件防護(hù)25年，甚至無(wú)法滿足組件對(duì)背板的十年材料質(zhì)保要求，為解決其光濕熱性能短板必須加以氟材料予以保護(hù)，這也是為什么含氟背板長(zhǎng)期占領(lǐng)市場(chǎng)主流位置的原因。

對(duì)于光伏電站投資者而言，測(cè)算項(xiàng)目收益的前提是選擇最能保障其項(xiàng)目投資收益率的材料，安全可靠基礎(chǔ)上的降本才是真降本。尼龍PA擠出型背板開(kāi)裂已經(jīng)給行業(yè)內(nèi)部分企業(yè)造成了巨大損失，盲目選擇PET背板將給建立在長(zhǎng)期收益基礎(chǔ)上的埋下新的隱患。優(yōu)選具有長(zhǎng)期戶外實(shí)證并堅(jiān)持品質(zhì)不變的材料才是電站投資回報(bào)的最大保證。