國(guó)產(chǎn)光伏背板氟膜的基礎(chǔ)性能研究

無(wú)錫市計(jì)量測(cè)試院 ■ 鮑軍

國(guó)家太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 ■ 朱曉崗* 劉毅

0 引言

我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了高速發(fā)展之后，逐步進(jìn)入到理性發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)進(jìn)入整合升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期[1]。

背板位于光伏組件的背面，對(duì)電池起保護(hù)和支撐的作用，也對(duì)組件在戶外的可靠性和耐久性起著關(guān)鍵作用[2-3]。氟膜作為光伏背板的重要組成部分，是保證背板在戶外25年使用壽命的重要保障。在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)攻關(guān)和沉淀后，氟膜進(jìn)入到全面國(guó)產(chǎn)化的階段，目前已有多家企業(yè)具備大規(guī)模生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)氟膜——PVDF膜的能力。進(jìn)口氟膜——PVF膜已具備多年戶外使用的經(jīng)驗(yàn)，而PVDF膜能否完全替代PVF膜，是電站終端企業(yè)關(guān)注的問(wèn)題。

筆者收集了目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的11款國(guó)產(chǎn)PVDF膜與1款進(jìn)口PVF膜，從物料成分和影響組件發(fā)電效率的基礎(chǔ)性能入手，探討了PVDF膜與PVF膜的質(zhì)量狀況，并比較了PVDF膜與PVF膜之間的差距。為掌握行業(yè)總體質(zhì)量狀況，以及對(duì)終端企業(yè)降本選材，進(jìn)一步提高行業(yè)整體質(zhì)量提供借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)所用氧膜樣品共12款，其中PVF膜1款，編號(hào)為1#；市場(chǎng)上常見(jiàn)的PVDF膜11款，編號(hào)為2#～12#。2種氟膜樣品的標(biāo)稱厚度如表1所示。

表1 2種氟膜樣品的標(biāo)稱厚度

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備包括：鉑金埃爾默股份有限公司生產(chǎn)的PerkinElmer 1050型紫外、可見(jiàn)光分光光度計(jì)；美國(guó)Mocon公司生產(chǎn)的氧氣透過(guò)率試驗(yàn)儀(3/61)；鉑金埃爾默股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為TGA800-SQ8T-HS40的熱重-氣質(zhì)聯(lián)用儀；美國(guó)戴安公司生產(chǎn)的型號(hào)為ICS-3000的離子色譜儀；上海將來(lái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LS落砂耐磨實(shí)驗(yàn)機(jī)；上海六菱儀器廠生產(chǎn)的型號(hào)為CH-1-ST的測(cè)厚儀。

1.3 試驗(yàn)方法

1)氟膜材料厚度：按照GB/T 13542.2-2009《電氣絕緣用薄膜 第2部分：試驗(yàn)方法》[4]中的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果取中值。

2)氟含量：按照GB/T 36289.2-2018《晶體硅太陽(yáng)電池組件用絕緣薄膜 第2部分：氟塑料薄膜》[5]中的規(guī)定，采用燃燒瓶-離子色譜外標(biāo)法進(jìn)行測(cè)試。其中，試劑的要求為：氟標(biāo)準(zhǔn)溶液1.0 mg/mL；去離子水的電導(dǎo)率≤0.056 μs/cm；0.5%NaOH吸收液。

3)灰分含量：采用TGA法進(jìn)行測(cè)試，以氮?dú)庾鳛闇y(cè)試用載氣，溫度為800 ℃。

4)落砂試驗(yàn)：按照 GB/T 23988-2009《涂料耐磨性測(cè)定 落砂法》[6]進(jìn)行測(cè)試。

5)氧氣透過(guò)率：按照GB/T 19789-2005《包裝材料 塑料薄膜和薄片氧氣透過(guò)性試驗(yàn) 庫(kù)侖計(jì)檢測(cè)法》[7]進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度為38 ℃，相對(duì)濕度為20%，測(cè)試周期為4個(gè)循環(huán)。

6)透光率和反射率：按照ISO 9050-2003[8]進(jìn)行測(cè)試，透光率測(cè)試波段為紫外光區(qū)間280～400 nm，反射率測(cè)試波段為380～1100 nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 氟膜材料厚度

12款氟膜材料厚度的測(cè)試結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，目前，市場(chǎng)上提供的大多數(shù)PVDF膜和PVF膜的厚度均為正公差，可以滿足大多數(shù)業(yè)主的需求。

表2 12款氟膜的厚度

2.2 氟含量

氟膜是確保含氟背板25年使用壽命的重要保障，而氟樹脂是氟膜的主要組成部分，是確保氟膜品質(zhì)的關(guān)鍵。

圖1為12款氟膜的氟含量情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，11款PVDF膜中大多數(shù)氟含量小于40%，僅有4款PVDF膜的氟含量高于40%；PVF膜的氟含量?jī)H為27.08%，這是由于PVF的分子結(jié)構(gòu)與PVDF的相比存在天然的劣勢(shì)，所以PVF膜中的氟含量較低。按照經(jīng)驗(yàn)公式將PVF膜中氟含量換算成PVDF膜情況下的含量，計(jì)算方式為：PVF膜中氟含量×0.59÷0.41，結(jié)果為38.97%。由此可知，PVF膜中的氟含量與大多數(shù)國(guó)產(chǎn)PVDF膜一樣，不足40%。

圖1 12款氟膜的氟含量情況

2.3 灰分含量

一般認(rèn)為氟膜經(jīng)過(guò)高溫燃燒后的灰分殘留物為無(wú)機(jī)的鈦白粉(TiO2)。TiO2由于粒徑小、活性大，既能吸收紫外線，又能反射、散射紫外線，從而對(duì)紫外線有更強(qiáng)的阻隔能力，可保證氟膜長(zhǎng)期有效的工作，保護(hù)PET和膠水不因受紫外線破壞而失效。因此，灰分的含量是衡量氟膜品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。12款氟膜中灰分含量的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 12款氟膜中的灰分含量情況

由圖2可以看出，1# PVF膜樣品中的灰分含量遠(yuǎn)高于其他產(chǎn)品，達(dá)到了24.01%；大部分PVDF膜的灰分含量在12%～14%之間，而氟含量較高的4#、11#和12# PVDF膜樣品的灰分含量較低。

2.4 落砂試驗(yàn)

落砂試驗(yàn)是測(cè)試氟膜耐磨性能的一種簡(jiǎn)單而有效的方法。耐磨性能的高低直接影響到氟膜在西部地區(qū)抵御風(fēng)沙的能力，所以，大多數(shù)終端企業(yè)要求氟膜擁有優(yōu)秀的耐磨性能。圖3為12款氟膜在落砂試驗(yàn)中最終的落砂量情況，落砂量越高，氟膜的耐磨性能越好。

圖3 12款氟膜的落砂量情況

由圖3可知，大部分 PVDF膜的落砂量比PVF膜的高，說(shuō)明PVDF膜的耐磨性能較好，這與氟膜的屬性有一定關(guān)系。從圖中還可以看出，氟膜的厚度直接影響了氟膜的耐磨性能，氟膜越厚，耐磨性能越好。

圖4為12款氟膜的單位厚度落砂量情況。

圖4 12款氟膜的單位厚度落砂量情況

由圖4可知，氟膜越厚，其單位厚度的落砂量越高；相同厚度的PVDF膜，不同樣品間單位厚度落砂量也存在較大差異，這說(shuō)明企業(yè)可以通過(guò)改進(jìn)工藝和配方來(lái)提高PVDF膜的耐磨能力。

2.5 氧氣透過(guò)率

圖5為12款氟膜的單位厚度氧氣透過(guò)率測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖可知，氟膜越厚，其阻隔氧氣透過(guò)的能力越強(qiáng)；在相同氟膜厚度的情況下(樣品1#和12#)，PVF膜的單位厚度氧氣透過(guò)率明顯低于PVDF膜，說(shuō)明PVF膜具有較高的阻隔氧氣透過(guò)的能力；PVDF膜在增加厚度的情況下可以做到與PVF膜相同的阻隔能力。

圖5 12款氟膜的單位厚度氧氣透過(guò)率情況

2.6 紫外波段透光率

圖6為12款氟膜的紫外波段透光率情況。由圖可知，PVDF膜與PVF膜均有較好的紫外波段阻隔能力，紫外線透光率均很低；PVF膜紫外線阻隔能力優(yōu)于PVDF膜。圖中還可以看出，紫外線阻隔能力與氟膜厚度有明顯關(guān)系，PVDF膜在增加厚度的情況下，其紫外線阻隔能力可以超過(guò)PVF膜。

圖6 12款氟膜的紫外波段透光率情況

2.7 反射率

圖7為12款氟膜在可見(jiàn)光波段(380～1100 nm)的反射率情況。由圖可知，在反射率方面，PVDF膜優(yōu)于PVF膜，部分PVDF膜的反射率在70%左右；反射率最高的是氟膜標(biāo)稱厚度為48 μm的PVDF膜。

圖7 12款氟膜在可見(jiàn)光波段(380～1100 nm)的反射率情況

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)PVDF膜和PVF膜進(jìn)行測(cè)試，得出以下結(jié)論：

1)國(guó)產(chǎn)PVDF膜的質(zhì)量水平已接近進(jìn)口PVF膜，部分PVDF膜的性能優(yōu)異。

2)隨著PVDF膜厚度的增加，其性能有較為明顯的提高。氟膜厚度依舊是企業(yè)在采購(gòu)過(guò)程中關(guān)注的重點(diǎn)。