光伏组件背板用氟塑料薄膜耐老化性能研究

2022-01-28杨勇洲姚方刚王晓鸥

电源技术 2022年1期

杨勇洲，姚方刚，王晓鸥，张月

（1.黄河水电光伏产业技术有限公司，青海西宁 810000；2.青海黄河上游水电开发有限责任公司光伏产业技术分公司，青海西宁 810000）

光伏市场在过去几年间的快速增长带动了封装材料市场的爆发，并导致供应链的暂时性短缺，组件的价格与此同时也出现显著下降，促使光伏组件各部分原辅材料朝着新型材料和创新供应商转变[1]，其中通过优化电池金属栅线来减少遮挡和阻抗损失[2]，从而提高光伏电池和组件的效率，多主栅搭配圆焊带可减少遮光面积，将光有效反射到电池上，提高组件的短路电流，焊带区域光学利用率由5%以下提高到40%以上。由于主栅线数量的增加，且宽度变得更细，因此相同电池片上需要的焊丝数量明显增加，且焊丝的规格不同，其对组件性能影响不同，随着焊丝直径的增加，电池的焊接拉力逐渐增大；焊丝直径越大，与电池接触面积就越大，焊接拉力也就逐渐增加，使得多主栅光伏组件应力更大、更集中[3]。加上与户外严苛环境的双重作用，终端对封装用氟塑料薄膜提出了更高要求，尤其是耐低温性能和耐老化性能[4]。

为了满足现有多主栅+圆焊带技术的要求，同时缩小PVDF 薄膜与PVF 薄膜性能之间的差距，国内外PVDF 薄膜生产厂家对现有普通PVDF 薄膜配方进行调整，改善其耐高低温以及其他一系列耐老化性能。为了对其性能和可靠性有全面的了解，本文选择国内普通的PVDF 薄膜、进口PVDF薄膜、PVF 薄膜以及国内某公司三代PVDF 薄膜，通过耐低温、紫外高温高湿、紫外、湿热、湿冻、长时间高温热氧老化以及序列老化等方式，研究上述四种样品的耐老化能力，分析失效原因。

1 试验

1.1 试验用品

试验材料：国内普通PVDF 薄膜-1#，进口PVDF 薄膜-2#，PVF 膜-3#，三代耐低温PVDF 薄膜-4#。

仪器设备：千分台式测厚仪，CH-1-ST；万能材料试验机，3367；2 kN 微机控制高低温电子万能试验机，UTM4203-GD；紫外高温高湿试验机(UV+DH)，GRO-SUV500TH；紫外老化试验箱(UV)，SUV250S；恒温恒湿箱(DH)，SEWTH-Z-150HS；压力蒸煮老化试验箱(PCT)，PCT-40F；温湿度循环环境试验箱(HF)，EH-225；温湿度循环环境试验箱(TC)，EH-225；精密恒温箱，DF611C；分光测色仪，Color Quest XE。

1.2 性能表征

1.2.1 耐低温性能

按照GB/T 1040.3-2006，采用2 型试样。横向和纵向各取5 个样条，待箱体内温度降低至(-40±2) ℃保温1 h 后，以50 mm/min 的拉伸速度施加负荷，直到试样被破坏，记录试样的纵向(MD)和横向(TD)断裂伸长率数值。

1.2.2 耐老化性能

(1)紫外高温高湿(UV+DH)试验

UVA 波长为320～400 nm，UVB 波长为280～320 nm。其中UVB辐照量占比是总波段辐照量的3%～10%，(UVA+UVB)总辐照强度≥150 W/m2；试验箱内高温高湿，环境温度为(85±2)℃，相对湿度为85%±5%，以高温高湿运转500 h，累计辐照量为77.5 kWh/m2。辐照面为空气面，测试试验后MD、TD 断裂伸长率和GB/T 3979 和GB/T 7921 的规定测试样品紫外高温高湿老化前后的黄色指数b，并计算黄变指数Δb。

(2)紫外(UV)试验

将试样放入紫外老化试验箱内，辐照面为空气面，试样表面温度控制在(60±5)℃，试样经受波长在280～400 nm 范围内紫外辐照量为300 kWh/m2，其中波长280～320 nm 的紫外辐照量为总辐照量的3%～10%。测试试验后MD、TD 断裂伸长率和黄变指数。

(3)压力蒸煮老化(PCT)试验

将试样悬空挂在支架上，样条间不应重叠也不应与容器内壁接触，将挂好试样的支架放入PCT 加速老化试验仪的中部，试验温度121 ℃，压力0.09～0.11 MPa，试验时间为96 h。测试试验后MD、TD 断裂伸长率和黄变指数。

(4)常规湿热(DH)试验

将试样放入恒温恒湿箱中，试验温度为(85±2)℃，相对湿度85%±5%，持续时间为2 000 h。测试试验后MD、TD 断裂伸长率和黄变指数。

(5)湿冻老化(HF)试验

将试样放入温湿度循环环境试验箱中，温度在(-40±2)℃和(85±2) ℃之间循环，循环次数为20 次。测试试验后MD、TD 断裂伸长率和黄变指数。

(6)耐高温热氧试验

将试样放进150 ℃精密恒温箱内，连续进行热氧老化500 h，试验结束后，观察其表观和黄变指数。

(7)序列老化试验(二次循环)

序列1：将试样放入紫外老化试验箱内，设定试样表面温度为(60±5) ℃，辐照强度：波长在280～400 nm 范围内紫外辐照量为60 kWh/m2，其中波长280～320 nm 的紫外辐照量为总辐照量的3%～10%。

序列2：序列1结束后，将试样取出放入温湿度循环环境试验箱内，设定温度在(-40±2)℃和(85±2)℃之间循环200次。

序列1 和序列2 构成一次序列老化循环，循环次数为2次，辐照面为空气面。测试试验后MD、TD 断裂伸长率和黄变指数。

2 结果与讨论

2.1 低温力学性能分析

光伏组件用氟塑料薄膜的耐低温性能是评判组件长时间户外低温使用是否出现开裂的一个关键指标。而力学性能指标中的弹性模量和断裂伸长率可表征塑料薄膜的弹性变形能力，其中弹性模量值越大，即材料刚性越大，发生弹性变形越小。由表1 可知，1#和2#的弹性模量偏大，因此其弹性变形偏小，和图1 所示的趋势一致；同理3#和4#弹性模量数值相对偏小，因此其弹性形变数值偏大。由此说明，国产普通的和进口的PVDF 薄膜在低温下均已变脆，基本失去弹性，PVF 薄膜及三代低温PVDF 薄膜耐低温性能优异。

表1 四种样品的耐低温性能

图1 -40 ℃低温对氟塑料薄膜力学性能的影响

2.2 耐老化性能分析

光伏组件户外实际运行情况与室内试验室单一老化测试结果有很大差异[5-7]，主要是由于户外环境中同时含有紫外线、温度变化、湿度变化等因素[8]，且单一的紫外和高温高湿测试周期相对比较长，满足不了当今光伏行业的快速发展，因此无锡市产品质量监督检验中心在国内首次提出一种加速老化试验方法[9-11]，将紫外和高温高湿两个单纯的试验环境综合考察，可模拟更真实的户外环境条件[12]。

光伏组件封装用氟塑料薄膜中由于含有C-F 键，而C-F键键能达到486 kJ/mol，因此它的抗紫外线性能优异，对波长200～400 nm 的紫外线辐照稳定，其薄膜放置户外10 年、20 年也不会变脆和龟裂[13]。但由于氟塑料薄膜中还含有其他高分子材料，因此对其耐紫外性能监控也是评价材料可靠性必不可少的一种方法。

图2 和图3 所示分别为1#、2#、3#和4#四种样品分别在紫外高温高湿77.5 kWh 和干紫外UV 300 kWh 老化后，其MD和TD 力学性能的变化情况。从图中可以看出，相对于单一紫外来说，紫外高温高湿对样品的破坏更强；在两种老化条件后，4#样品MD 和TD 断裂伸长率数值最大，而1#和2#样品经过老化后，TD 断裂伸长率＜15%；由此说明，相对国产普通的PVDF 膜，三代低温膜综合老化能力显著提高，其绝对值与PVF 膜相当。

图2 紫外高温高湿对氟塑料薄膜力学性能的影响

图3 干紫外对氟塑料薄膜力学性能的影响

按照IEC61215-2016 标准要求，光伏组件需要进行湿热老化试验。图4 所示为1#、2#、3#和4#样品的耐湿热老化性能，老化条件分别为PCT96h 和DH2000h。从MD 断裂伸长率数值来看，1#、2#和4#均>100%，3#也维持在50%左右；从TD断裂伸长率数值来看，1#出现明显衰减，只能维持在20%左右，但4#样品仍能保持在>100%的断裂伸长率。由此说明，湿热老化对MD 方向的影响较小，对TD 方向的破坏更强，三代低温氟膜TD 方向耐湿热老化性能优异，优于国产普通氟膜，有较大的改善。

图4 湿热老化对氟塑料薄膜MD 和TD 方向力学性能的影响

湿冻老化主要针对光伏组件户外使用湿气大、温差大的地区，通过引入湿冻试验考查湿气以及高低温对光伏组件最外层耐候层的影响，保证光伏组件外观以及正常发电，通常标准要求为20 个循环。图5 所示为三种氟塑料薄膜在湿冻20 个循环后，其MD 和TD 方向断裂伸长率的变化趋势。由图5 可知，1#样品TD 断裂伸长率HF20 后仅有15%，而4#数值为342%。三代低温膜耐湿冻老化性能有很大的改善。

图5 湿冻老化对氟塑料薄膜MD 和TD 方向力学性能的影响

由于光伏组件户外使用环境错综复杂，试验室单一的常规老化无法模拟出户外组件失效形态，通过序列老化(UV60kWh+TC200)二次循环试验，可以更加有效地评估出光伏组件封装材料的可靠性。图6 所示为四种样品通过序列老化二次循环的MD 和TD 断裂伸长率测试结果，由图可知，经过二次循环后，4#样品的MD 和TD 断裂伸长率均>100%，序列老化后三代低温氟膜的力学性能仍能维持在较高水平。

图6 (UV60kWh+TC200)二次循环老化对氟塑料薄膜力学性能的影响

光伏组件户外使用时，一方面关注老化后的力学性能，另一方面封装材料老化后的表观是否黄变也可以直观地反映出材料的耐候性。图7 表示的是单一老化和序列老化两种情况下氟塑料薄膜的外观，按照标准黄变指数Δb≤2.0 的要求，3#样品在序列老化二次循环和高温热氧老化后均出现超过标准的情况，尤其是150 ℃的高温热氧老化，黄变指数达到7.0 以上，样品表面已呈现土黄色，可能是长时间的高温热老化，C-F 键发生断裂从而产生具有共轭结构的多烯片段，而这种共轭结构的C=C 容易发生断裂[14]，因此膜表现出现黄变。相比PVDF 薄膜，PVF 膜在序列老化和UL 热斑测试中更容易出现外观失效。