CPO®背板各层材料的选择及结构优化

苏州福斯特光伏材料有限公司 ■ 杨小旭 潘建军 曹诗易 张宇辉

浙江福斯特新材料研究院 ■ 杨楚峰

0 引言

国产背板及胶膜等封装材料在国内外已有10余年的应用历史，其材料的可靠性也经过了多年的户外考验，实证结果表明，国产封装材料的性能完全可以达到甚至超过进口材料的性能要求。当前，随着光伏发电度电成本不断下降的需求，组件客户对封装材料的降本也有了更为迫切的需求。

近十几年来，经过各种聚合物材料的淘汰及改进，背板材料目前以KPC、KPO、CPC结构为市场主流，而TPT、KPK结构由于价格过高，用量在不断减少(K为聚偏二氟乙烯薄膜的简称，T为杜邦聚氟乙烯薄膜的简称，P为PET聚酯薄膜的简称，C为氟涂层膜的简称，O为聚烯烃薄膜的简称)。本文对背板结构中的各层材料进行了研究，在保证背板绝缘性、阻隔性、耐候性3大基础性能要求的情况下，选择了合适的各层材料、合理的厚度设计，以满足组件客户对封装背板材料性能和成本的要求。

1 CPO®背板各层材料的选择

从光伏组件对背板的性能要求来看，背板的使用寿命应与组件相当，至少为25年，甚至30年。在组件使用期间，背板要保持良好的阻隔性、电气绝缘性和机械性，以避免外界环境对组件的侵蚀和伤害。背板结构设计及对应的各层性能要求如图1所示。

图1 背板的多层复合结构及各层性能要求

本文通过研究背板结构中的各层材料，得到了最优化的CPO®背板。外层耐候材料选择了氟烯烃与烷基乙烯基醚或酯共聚物(FEVE)涂层材料，这与光伏发电度电成本持续下降的趋势是相符合的，PET性能稳定、成本适中，具有机械强度高、热稳定性和绝缘性好、阻隔性优良等特性；内层材料的主要作用是与封装胶膜进行粘结并有良好的粘结保持率及良好的阻隔性，同时应兼具耐紫外黄变等要求。综上所述，国产供应的耐候氟涂层膜、PET绝缘基材、聚烯烃薄膜可满足光伏组件封装材料的户外使用要求。

1.1 背板外层的材料选择

FEVE树脂是氟烯烃与烷基乙烯基醚或酯的共聚物[1]，材料自身具有耐溶剂、耐水解、超强耐紫外黄变及良好的成膜性。将FEVE树脂用于背板结构：先将FEVE树脂制成涂料，再涂覆在聚酯薄膜表面，通过交联固化形成氟涂层膜，形成最外层的氟涂层膜保护层。FEVE树脂的链段结构及固化反应机理如图2所示[2-3]。

FEVE树脂的碳-碳主链被交替的碳-氟键保护，自身的耐候和耐久性很强，侧链存在的各种极性基团使得涂层具有良好的溶剂可溶性和与无机颜料钛白粉优异的相容性。

1)FEVE树脂与PET基材有良好的附着性，借助异氰酸酯交联助剂，FEVE树脂与PET间发生化学交联反应，异氰酸酯起到桥联作用，促使PET与FEVE树脂间形成稳定化学键，达到两者之间永久性地一体化结合。

图2 FEVE氟树脂的链段结构及固化反应机理[2-3]

2)FEVE树脂与耐候性钛白粉相容性高，可形成致密性良好的膜层，通过控制桥联键，使得C-F键形成多层分布状态，从而增强了氟元素在涂层表层的致密性，可以更有效地发挥氟元素在耐候性方面的优势，并起到保护内部弱化学键及PET基底的作用。

将FEVE树脂溶解后与金红石型R706钛白粉经过混合、砂磨、分散后，涂布在不粘膜上，经过烘干后剥离可得到氟涂层膜，该层膜具有柔韧性和极好的紫外光截止性。

我们制备了厚度分别为3、5、7、10 μm的氟涂层膜，考察不同厚度涂层对280～400 nm紫外光波段的截止性，并与常用的最薄15 μm PVDF膜进行比对，具体如图3a所示。从图中可以看出，氟涂层膜的交联致密性好，纳米级的钛白粉经过砂磨可形成良好的包覆，固化交联成型时无机相和氟树脂有机相分散的更均匀。氟涂层膜的表面形貌如图3b所示。

图3 氟涂层膜的紫外截止性及SEM表面形貌

表1为不同外层厚度氟材料的紫外透过率。表中的数据表明：致密的10 μm氟涂层膜可阻隔UVA及UVB紫外光的侵害；随着涂层厚度的减薄，氟涂层膜厚度在5 μm及以下时，UVA的紫外透过率增加至10 μm氟涂层膜的6～10倍，同时UVB的紫外透过率也大幅增加，这主要是由于无机料的紫外阻挡和遮盖不足所致。在同样的测试条件下，15 μm PVDF膜的紫外透过率仅与5 μm氟涂层膜大致相当，造成这一现象的原因是由于钛白粉较难与熔融的PVDF树脂相容，因此钛白粉在PVDF膜中得不到良好的分散。

表1 不同外层厚度氟材料的紫外透过率数据

为了进一步验证不同厚度氟涂层膜的性能，在同一型号的PET基材上涂布不同厚度的氟涂层膜制得测试样品，然后进行了紫外UV辐照老化测试，结果如图4所示。

由图4可知，3 μm超薄氟涂层膜样品在总辐照为150 kWh/m2的情况下，肉眼可见黄变，黄变指数ΔY＞10，将氟涂层膜去除后，发现PET基材也发生了黄变；5 μm氟涂层膜样品在总辐照为300 kWh/m2的情况下，黄变指数ΔY＜5[4]。

图4 不同厚度氟涂层膜的耐紫外黄变性能

通过以上的试验对比可以看出，外层氟材料对基材的保护性与外层材料的厚度、紫外透过率直接相关，涂层厚度低于5 μm的氟涂层膜的耐候性、耐黄变性不好，保护效果不佳。

在实际的户外耐候性测试中，2012年，福斯特委托美国Q-Lab实验室将BEC-301(CPC)背板产品分别在美国亚利桑那州和弗罗里达州进行了户外曝晒试验，具体实验情况如图5所示。经过几年的试验跟踪发现，内、外氟涂层膜均表现良好，未观察到黄变等失效现象。

图5 曝晒前、后氟涂层背板的表观对比照片

在耐酸碱腐蚀方面，将氟涂层膜和PVDF膜在25%氨水和10%硫酸中浸泡30天，均未发现起皱、破损等现象。

在耐溶剂(酮类、酯类)方面，氟涂层膜与PVDF膜的表现有所区别，如图6所示。氟涂层膜由于其交联结构可抵抗各种溶剂，因此未发生溶胀、收缩；PVDF膜实际为PVDF的混合物，由50%～70% 氟聚合物与30%～50% 丙烯酸和无机填料组成，且纯PVDF 单取向性强，需要添加丙烯酸类塑化增韧，而这类非氟树脂则会影响外层材料的物化均一性。为达到降本的目的，PVDF膜供应商提供的产品的厚度也在不断降低，而由于不同PVDF供应商采用不同的混合物配方及生产工艺，因此导致不同的PVDF膜存在性能差异，且膜越薄差异越明显。

图6 氟涂层膜与不同PVDF膜在溶剂中浸泡24 h后的外观照片

1.2 背板层材料的选择

PET作为背板的内层材料已有30年以上的实际应用历史，但与胶膜封装材料的粘结保持力和耐紫外黄变却是单层PET背板性能方面的短板。而聚烯烃(PO)材料作为常规供应的树脂，通过改性加工处理后可以弥补这些性能短板；同时，PO材料是非极性材料，对湿气的耐水解性能比PET要好，水汽阻隔性也更具优势。

为了更好地模拟组件的户外工作环境，我们不仅对背板内层材料进行了紫外UV辐照老化测试，如图7所示；同时，还在高温、高湿的条件下对内层材料进行了UV+DH同步老化测试，具体如图8所示。图中，对比样品为同等结构的其他厂商的产品。

图7 CPO®背板与对比样品在紫外UV辐照老化测试中的黄变差值

图8 CPO®背板与对比样品在UV+DH同步老化测试中的黄变差值

图7和图8的结果表明：1)对于单独的紫外UV辐照200 kWh/m2老化测试，不同聚烯烃配方和材质的背板内层PO膜均可满足ΔY＜3.0；2)卤素灯UV+DH(85℃/85%RH)同步老化更能模拟组件的户外工作环境，在紫外/湿热老化侵蚀同时存在的环境下，可以观察到内层PO材料更多的失效现象，主要为黄变、开裂、粉化现象，如图9所示。

图9 O膜材料在UV+DH同步老化测试后的失效照片

2 CPO®背板各层的厚度选择

背板作为一种多层结构的复合材料，其结构稳定性是背板性能的前提保证。CPO®背板的氟涂层高温固化成膜时会在PET基材上形成一体化的保护层，在氟涂层膜和聚酯薄膜层之间不存在胶黏剂层，通过基材表面的高效处理和FEVE涂层配方体系优化，使氟涂层膜和聚酯层之间的附着力耐受DH 3000 h后仍可保持0级水准。

按照GB/T 23988-2009《涂料耐磨性测定 落砂法》(标准砂)的要求进行试验，通过空气面的耐砂磨性来比较各种材质的性能，结果如表2所示。

表2 不同背板材料的单位厚度耐落砂量

由表2的数据可知：

1)按每μm厚度的耐落砂量看，氟涂层膜的耐砂磨性可超过PVDF膜，这主要是由于氟涂层膜具有高分子链的互穿交联结构，形成了长程无序、短程有序的特殊分子链结构，同时FEVE树脂在形成三维网状交联时与无机填料粒子互相补强，形成有机-无机相互镶嵌的致密性结构，示意图如图10所示。

图10 FEVE树脂三维网状交联时与无机填料粒子互穿镶嵌示意图

2)无机钛白粉与PVDF树脂的相容性较差、分散性不佳，这从PVDF共混膜常见的流道纹、晶黑点等外观问题即可看出；但依赖胶水层良好的柔韧回弹性，15 μm PVDF膜的耐落砂总量表现良好。

3)通过微观截面图(见图11)可以看出，耐候PET膜仅浅薄表层为耐候层，其耐UV保护层厚度约为PET基材的10%～20%，其表层初始耐落砂总量较少，在表层抗UV功能添加剂逐渐消耗后，表层会出现粉化、开裂等失效现象，其耐候保护层的总体耐磨性需谨慎考量。

在背板的多层结构中，外层保护层阻隔紫外伤害，提供长久的耐候防护作用；中层及内层材料则侧重于安全绝缘和湿气阻隔性。根据最新IEC 62788-2中《关于背板有效绝缘层厚度(DTI)的规定》，1000 V光伏组件使用背板的DTI值至少要达到150 μm，使用PET材料时应达到标准中规定的DTI。而对于湿气阻隔性要求，则需要选择合理厚度的PET基膜和O膜材料进行组合优化，才能达到用材省、性能好的理想结果。

图12、图13分别为O膜厚度、PET膜厚度与透水率的关系图。从图中可以看出，在同等厚度下，O膜的湿气阻隔性要强于PET膜；O膜厚度在达到100 µm左右时，其湿气阻隔能力趋于平衡；而PET膜的湿气阻隔能力与其厚度呈现线性相关性，在PET膜厚度超过250 μm后阻隔能力趋于平衡；单层PET膜要达到水汽阻隔性低于2 g/(m2·d)的要求，其厚度需高于290 μm。

考虑到O膜加工工艺及得率因素，选定O膜厚度为80 μm，匹配不同厚度的PET基材，利用红外法得到不同厚度材料的水蒸气透过率数据表，如表3所示。

图11 不同背板耐候保护材料厚度的微观截面图

图12 O膜厚度与水蒸气透过率的关系图

图13 PET基膜厚度与水蒸气透过率的关系图

表3 不同厚度材料的水蒸气透过率(MVTR)数据(红外法)

表3的数据可说明：当PET基材厚度≥160 μm时，CPO®结构即可满足水汽阻隔性低于2 g/(m2·d)的要求。另外，对160 μm PET基材的CPO®背板进行了机械性能、绝缘性能的评估，均能达到IEC 62788-2中1000 V组件的规定要求。因此，这一背板结构是PET基材及O膜厚度最优化的复合结构方案。

3 结论

本文从传统背板的3层结构来考量各层材料的性能要求及厚度搭配：从耐候保护性、耐磨损性来选择可靠的外层氟涂层膜厚度；在紫外老化、湿热老化侵蚀同时存在的严苛环境下筛选不同厚度的O膜材料，以求最大化地避免组件在使用过程中产生紫外黄变、开裂等失效现象；从安全绝缘性、阻隔性、机械强度等方面进行综合性能评估，得到最优化的CPO®背板复合材料结构；同时重点阐述了外层氟涂层膜的耐风沙、耐磨特性及其与PVDF膜、强化PET外层材料的对比，福斯特生产的氟涂层膜的单位厚度耐落砂能力表现最佳。综上所述，CPO®背板的性能完全符合组件新、老标准的要求，是材料成本最低的单面含氟复合背板。