太陽能背板膠研究進展

張 翔，陸曉瞳，吳燕鋒，胡洪國

（上?；靥煨虏牧嫌邢薰?，上海 201616）

隨著不可再生能源的逐漸減少以及礦物類資源在生產(chǎn)、使用中產(chǎn)生的各種污染問題，各國都在采用政策或法律法規(guī)等手段逐步加大對可再生能源和清潔能源的開發(fā)利用。目前，人類每年的能量需求約為20 TWh（1 TW=109 kW），而太陽每年輻射到地球的能量約為105 TWh。在這種情況下，太陽能作為可循環(huán)使用的清潔能源得到了前所未有的迅速發(fā)展，隨著太陽能電池的蓬勃發(fā)展，起保護作用的太陽能背板也越來越受到人們的重視。

太陽能電池板大都安裝在屋頂?shù)葮O端氣候條件下，商用晶硅太陽電池組件需要滿足25年的濕熱、干熱和紫外等環(huán)境考驗與使用[1]。太陽能背板的性能不僅僅依賴于膜材料性能，與膠粘劑的性能也息息相關(guān)。需要膠粘劑具備十分優(yōu)良的耐水解性、耐高溫性和耐老化性，同時還需要具備優(yōu)異的抗黃變性能。

1 太陽能背板膠的特點

1.1 太陽能背板結(jié)構(gòu)

太陽能電池背板位于太陽能電池板的背面（如圖1所示），對電池片起保護和支撐作用。由于太陽能電池安裝在戶外，長期經(jīng)受風吹日曬雨淋，需要具有可靠的絕緣性、阻水性和耐老化性，單層膜材料很難完全滿足要求[2]。復合型背板一般具有3層膜結(jié)構(gòu)：外層為含氟保護層，可以防止水氣侵蝕、抗紫外線等；中間層為聚對苯二甲酸二乙二醇酯（PET）薄膜，具有良好的絕緣性能和強度；內(nèi)層為氟膜或聚乙烯（PE）膜。3層膜結(jié)構(gòu)通過膠粘劑粘接，組成太陽能背板（如圖2所示）。

圖1 太陽能電池結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of solar cell

圖2 太陽能背板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of solar backsheet

1.2 太陽能背板膠的性能要求

太陽能電池需要滿足戶外存放25年的要求，所以太陽能背板膠在使用之前，需要對其耐老化性能進行評價。由于25年的使用周期太長，需要進行加速老化實驗模擬評測。目前均采用溫度為85 ℃和85%相對濕度（雙八五）的條件進行測試驗證。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對太陽能背板膠的性能要求不斷提高，其雙八五測試要求的時間也越來越長。太陽能電池發(fā)展初期，太陽能背板膠雙八五測試時間要求為1 000 h，即在溫度85 ℃和85%相對濕度的條件下放置1 000 h后，背板表面不鼓包、不起泡，具有一定的粘接強度。隨著技術(shù)的日益發(fā)展，各企業(yè)對雙八五測試的要求也越來越高，放置時間提高到2 000 h，如今部分客戶已經(jīng)要求雙八五測試時間達到3 000 h，甚至4 000 h以上。

對于實驗室研究者來說，雙八五測試3 000 h依然太長，不能及時根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整研發(fā)方向。因而目前更普遍使用溫度121℃、2個標準大氣壓和100%相對濕度的加速老化實驗（PCT）進行評估。有研究表明，雙八五測試和PCT加速老化實驗之間有很好的對應關(guān)系[3]。對于研究者來說，可以先PCT測試進行初步判斷，調(diào)整實驗后進行雙八五測試驗證。

聚酯型聚氨酯因分子內(nèi)含有較多的酯基、氨基等極性基團，內(nèi)聚強度較大，附著力較強，具有優(yōu)異的強度、耐磨性和粘接力，因此，在膠粘劑的合成中大都使用聚酯型多元醇作為原料[4]。同時，與單組分聚氨酯膠粘劑相比，雙組分聚氨酯膠粘劑粘接強度較大、性能可調(diào)節(jié)、耐候性能優(yōu)異[5]，同時隨著分子質(zhì)量的增大，黏度也隨之增大，需要加入溶劑使其黏度降低，方便施工。雙組分聚氨酯膠粘劑可以滿足戶外惡劣條件下的粘接性、耐候性等要求。目前絕大部分太陽能背板膠為溶劑型雙組分聚氨酯膠粘劑產(chǎn)品。

目前，市場上太陽能背板膠的主要生產(chǎn)廠家有德國漢高、日本東洋紡、法國波士膠和日本迪愛生（DIC）等公司，大部分均為國外廠家提供。隨著太陽能背板膜材的逐步國產(chǎn)化，背板膠粘劑的國產(chǎn)化也勢在必行。國內(nèi)已有很多相關(guān)公司在開展太陽能背板膠產(chǎn)品的研發(fā)，并且已有產(chǎn)品能達到進口產(chǎn)品的性能要求。雙八五3 000 h的要求提出，勢必要求膠粘劑的性能進一步提高，如何提高聚氨酯膠粘劑的剝離強度和耐候性，已成為各太陽能背板膠粘劑生產(chǎn)廠家急需解決的問題。

2 太陽能背板膠研究進展

當前太陽能電池背板材料還是以國外廠家為主，占據(jù)著全球市場尤其是高端市場的大部分份額。隨著國內(nèi)背板技術(shù)的突破，國產(chǎn)背板在光伏市場上占據(jù)的份額越來越多，綜合性能也在增強，并朝著產(chǎn)品多樣化方向發(fā)展。關(guān)鍵材料氟膜的國產(chǎn)化讓背板生產(chǎn)企業(yè)的成本大幅降低，復合所用的膠粘劑若能實現(xiàn)自主生產(chǎn)又將會進一步降低成本，打破國外壟斷。因此，國內(nèi)各公司也不斷投入對太陽能背板膠的研究。

董麗榮等[6]研究了自主合成的太陽能背板膠在不同n（-NCO）/n（-OH）比值（R值）、不同熟化溫度、不同熟化時間、不同涂膠量及使用工藝對背板層間粘接力的影響。結(jié)果表明，隨著膠粘劑R值、熟化溫度和涂膠量設定數(shù)值的增加，粘接力呈現(xiàn)先逐漸增大后逐漸減小的趨勢；隨著膠粘劑熟化時間地延長，粘接力逐漸增大，到一定水平后不再變化。用正交實驗法優(yōu)化膠粘劑配方及使用工藝，優(yōu)選結(jié)果R值為3、涂膠量為7 g/m2、熟化溫度為50 ℃和熟化時間為5 d，此時粘接力為13.1 N/1.5 cm。背板層間粘接力越大，濕熱老化時水蒸氣進入膠層的數(shù)量越少，基材水解作用越小，薄膜對基材在濕熱老化過程中保護作用越好。

顧麗爭等[7]采用雙組分聚氨酯膠粘劑（以聚酯多元醇為主劑、二異氰酸酯的三聚體為固化劑）粘接光伏背板中的PET薄膜與PE薄膜。研究了主劑的種類，主劑與固化劑的質(zhì)量比，涂膠量以及固化時間對光伏背板在濕熱老化時間條件下粘接性能的影響，發(fā)現(xiàn)主劑為丙烯酸聚酯多元醇、主劑與固化劑的質(zhì)量比為40∶1、涂膠量為8 g/m2和固化時間為5 d時，背板的粘接性能相對最優(yōu)。

夏文進等[8]以羥基反應性功能氟材料為主要原料并輔以等離子體表面修飾技術(shù)和流延切線涂覆技術(shù)得到了一種新型的膜膠一體化太陽能電池背板。與傳統(tǒng)的多層復膜型背板不同，膜膠一體化背板完全整合了氟膜層和膠層，使之不再有分界面, 從而大大降低了背板在應用中出現(xiàn)自身分層（層間剝離）的幾率。等離子體表面修飾技術(shù)的應用不僅可以顯著改進氟層（膜膠整合層）與基材之間的界面情況，增加相容性, 而且使膜膠整合層與基材的結(jié)合更趨完善、粘接更為牢固，而且還能賦予背板特殊的表面性能，使背板與EVA之間具有長期的更好粘接。

張艷等[9]從膠粘劑的粘接固化機理、主固比、涂膠量、基材、車間復合工藝、后期熟化溫度及時間等方面闡述了影響背板層間剝離強度的因素。其中倘若主固比增大，初粘力提高，但耐濕熱性下降；如果主固比減小，初粘力下降，而耐濕熱性提高；膠層的厚度與層間剝離強度有密切關(guān)系，一般在保證不缺膠粘劑的情況下，層間剝離強度隨膠層厚度的減少而增大，膠層過厚或太薄，膠層內(nèi)形成氣泡或缺陷的幾率就會增大。

張淑萍等[10]以對苯二甲酸、鄰苯二甲酸、乙二醇、1,6-己二醇、環(huán)己烷和二甲醇為原料合成了聚酯二元醇，再加入適量納米材料作為主劑并與固化劑進行反應得到太陽能背板膠。該粘合劑具有良好的粘接強度、耐紫外光老化和耐自然老化等性能，雙八五老化測試能達到2 000 h以上。

張艷等[11]以（甲基）丙烯酸酯多元醇、有機硅改性（甲基）丙烯酸酯多元醇、異氰酸酯化合物、抗氧化劑和溶劑等為原料合成了太陽能背板膠。該膠粘劑的層間粘接力可達6 N/cm以上，具有優(yōu)異的耐濕熱老化性能，其雙八五測試可以達到3 000 h以上，氟膜、PE膜的相對中間層無收縮、無分層和無氣泡，膠層無明顯發(fā)粘。

3 太陽能背板膠的發(fā)展趨勢

隨著國家對太陽能的重視，光伏太陽能電池的不斷發(fā)展，競爭也會日益激烈，越來越多的廠家對太陽能背板的要求會越來越高。勢必要求太陽能背板膠耐雙八五測試達到3 000 h以上，對背板膜材層間的初始剝離強度要求亦不斷提高，減小上膠量、加快熟化時間都會成為今后的發(fā)展方向。

目前背板膠均為溶劑型雙組分聚氨酯，一方面可以提高聚酯的耐候、耐水解性，使用耐水解的原料合成性能更加優(yōu)異的聚酯，聚酯的耐水解性能提高可以促進膠粘劑的耐候性改善。現(xiàn)在使用的固化劑大都為HDI三聚體，也可以嘗試尋找有耐候性更加優(yōu)異的固化劑替代。同時也可以借助助劑的作用提高膠粘劑的耐候性，如抗氧化劑、抗水解劑、抗紫外劑和硅烷偶聯(lián)劑等均已有研究者進行嘗試。

4 總結(jié)

隨著國家戰(zhàn)略的調(diào)整，光伏發(fā)電得到了空前的發(fā)展機遇。光伏組件的國產(chǎn)化也大幅降低了制造成本。中國幅員遼闊，隨著國家對環(huán)保和科技的重視，太陽能發(fā)電存在巨大的發(fā)展空間。太陽能背板膠作為復合背板的關(guān)鍵材料，國產(chǎn)化勢在必行。

隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，對太陽能背板膠的要求會越來越高，不能讓膠粘劑成為制約太陽能背板性能的短板。太陽能背板膠作為一款高技術(shù)含量的產(chǎn)品，需要投入更多的精力進行不斷地研發(fā)和提升。