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本文由華陽(yáng)檢測(cè)陳星緯博士小組對(duì)不同類別及工藝的光伏組件背板，在各種環(huán)境下的失效分析進(jìn)行論述與總結(jié)，并介紹其發(fā)展趨勢(shì)，供同仁參考。

太陽(yáng)能電池作為一種利用太陽(yáng)能直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，有著綠色環(huán)保、可持續(xù)、壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)材料豐富以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。光伏組件主要由鋼化玻璃、EVA、電池片、背板、接線盒及邊框等組成，其中背板作為光伏組件結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，對(duì)太陽(yáng)能電池起著支撐、絕緣及保護(hù)的作用。光伏組件的設(shè)計(jì)使用壽命一般為25年，背板可靠性決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

01

背板簡(jiǎn)述

背板以材料進(jìn)行分類分為無(wú)機(jī)背板（即玻璃背板）和高分子有機(jī)背板，背板選用玻璃，即為雙玻組件，選用有機(jī)背板，即為單玻組件。

雙玻組件同時(shí)具有防潮、防火、刮擦和防砂性能。然而，也存在著重量較大，運(yùn)輸與安裝成本偏高的的問(wèn)題。單玻組件有著高透光率，更小的熱容量，更高的耐污性，耐鹽堿土壤腐蝕，對(duì)冰雹損害的敏感性較低，高產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)。但目前關(guān)于其可靠性和長(zhǎng)期性能的研究有限。過(guò)去的研究表明，聚合物背板易受紫外線(UV)光、熱、濕、磨損和機(jī)械應(yīng)力的影響，并且易受光降解、熱機(jī)械和水機(jī)械降解的影響。底板的這種退化會(huì)導(dǎo)致諸如開(kāi)裂或?qū)用搶拥裙收稀? 02

背板材料工藝分析

1）含氟背板：含氟背板是指以氟膜或含有氟涂層作為耐候保護(hù)層的背板。由于C—F鍵鍵長(zhǎng)小、鍵能大，使得含氟材料本身具有優(yōu)異的耐紫外、耐腐蝕和耐熱性能，適合作為背板保護(hù)層材料。常見(jiàn)的含氟背板材料有PVF（聚氟乙烯）和PVDF（聚偏氟乙烯）兩種，外加FEVE氟碳涂料。

2）不含氟基膜：

PET基膜：PET是由對(duì)苯二甲酸（PTA）和乙二醇（MEG）在催化劑的作用下經(jīng)加熱縮聚而成的一種結(jié)晶型聚合物，即聚酯切片，長(zhǎng)期使用可耐高溫達(dá)120 ℃，短期使用可耐150 ℃高溫、-70 ℃低溫，且高低溫時(shí)對(duì)其力學(xué)性能影響很小。聚酯切片經(jīng)干燥、熔融、擠出、鑄片和拉伸來(lái)制成PET膜，如果只單向拉伸則稱為CPET，主要用于包裝；采用縱橫雙向拉伸則為BOPET，現(xiàn)在95%以上的PET膜為BOPET，其中的中高端PET主要用于光學(xué)膜和光伏背板膜。

聚酰胺背板：也稱尼龍背板，多使用3層共擠工藝制得，典型結(jié)構(gòu)為PA/PA/PA。APE結(jié)構(gòu)背板的外層為PA材質(zhì)，此類背板的水汽透過(guò)率低，斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)500%以上，但強(qiáng)度不足20 MPa。此外，還有使用聚酰胺薄膜代替氟膜制作的復(fù)合型背板。紫外輻射對(duì)聚酰胺類的背板影響較大，若用于紫外輻射較強(qiáng)的地區(qū)，其風(fēng)險(xiǎn)也較傳統(tǒng)含氟背板大。

03

失效性分析

背板開(kāi)裂作為光伏組件常見(jiàn)的一種失效問(wèn)題，其中以行業(yè)早期使用的聚酰胺類背板最為嚴(yán)重。

1）二氧化鈦及其耐紫外的添加：

背板為了滿足戶外長(zhǎng)期使用的需求，一般都會(huì)在PET兩側(cè)通過(guò)涂覆或者復(fù)合一層氟材料來(lái)保護(hù)PET。為滿足耐紫外的性能需求，傳統(tǒng)的白色背板中都會(huì)添加有機(jī)紫外吸收劑，如二苯酮類、水楊酸酯類、苯并三唑、三嗪類等，此類化合物在紫外線長(zhǎng)期照射下會(huì)失效，長(zhǎng)期性能欠佳。其中一些會(huì)添加無(wú)機(jī)物如金紅石型的鈦白粉（二氧化鈦）來(lái)阻隔紫外線的作用，具有一定的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。但二氧化鈦也是一種光催化劑提供載流子，從而誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)。導(dǎo)致背板上的高分子材料出現(xiàn)降解，宏觀上出現(xiàn)脆化、掉粉現(xiàn)象，最終背板發(fā)生開(kāi)裂。

2）PET薄膜水解：

PET薄膜是背板的重要組成部分，在光伏組件工作期間，PET集采除了發(fā)生光老化以外，還會(huì)發(fā)生濕熱老化。濕熱老化后的PET薄膜性能對(duì)光伏組件的電氣性能和力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生影響。PET分子鏈中含有大量的酯基鏈段，酯基在高溫環(huán)境下易發(fā)生水解反應(yīng)，使得分子斷裂，產(chǎn)生羧基（—COOH），羧基電離出氫離子，氫離子進(jìn)一步催化PET降解，發(fā)生自催化效應(yīng)，使PET分子量降低，最終導(dǎo)致組件電氣性能和力學(xué)性能下降。

3）聚酰胺自身的老化：

根據(jù)報(bào)道通過(guò)對(duì)老化前后的聚酰胺背板進(jìn)行紅外檢測(cè)，非酰胺鍵的羰基峰明顯增加，這是由于背板在濕熱老化過(guò)程中，酰胺鍵發(fā)生水解所致。老化后的背板脆化和變色問(wèn)題的原因是酰胺鍵水解過(guò)程中導(dǎo)致聚酰胺分子鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生的羰基中間體在與空氣中水和氧氣作用生成了醛、通等有色物質(zhì)。經(jīng)過(guò)PCT老化的聚酰胺都出現(xiàn)了聚酰胺結(jié)晶。這些現(xiàn)象印證了光氧化降解機(jī)理，在紫外輻照環(huán)境下背板老化主要是以聚酰胺的光降解為主。

4）PVDF材料的晶型轉(zhuǎn)化：

PDVF聚合物類背板經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)后同樣會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂狀況，開(kāi)裂過(guò)程中會(huì)發(fā)生明顯的形變。如下圖所示，PVDF的β相是PVDF的細(xì)長(zhǎng)的全反式極性構(gòu)象，而α相是左扭式的非極性構(gòu)象，形成螺旋型結(jié)構(gòu)裂縫尖端的聚合物形態(tài)是有序和定向的，與β相PVDF一致。與先前的研究相吻合，在破裂和應(yīng)變的純PVDF聚合物中可發(fā)生α到β相變，相變是裂紋擴(kuò)散機(jī)制的部分原因。在球晶的剛性片層中也會(huì)出現(xiàn)裂紋，此類為片層裂紋，并不是由晶型相變引發(fā)的。 04

檢測(cè)表征手段

1）傅里葉紅外光譜儀分析 (FT-IR)：

聚酰胺類背板在老化后酰胺鍵發(fā)生水解?？梢允褂肍T-IR對(duì)其進(jìn)行分析，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，如圖所示在老化后的聚酰胺1730 cm-1處吸收峰為非酰胺鍵上羰基吸收峰，酰胺鍵上的羰基伸縮振動(dòng)峰在1650-1620 cm-1之間。1730 cm-1處羰基吸收峰主要是背板在老化過(guò)程中，聚酰胺發(fā)生水解所致。水解過(guò)程中分子鏈斷裂，產(chǎn)生的羰基在空氣中生成醛酮等有色物質(zhì)，導(dǎo)致背板脆化和嚴(yán)重變色。有時(shí)為了便于檢測(cè)與檢測(cè)數(shù)據(jù)的更加精確，可用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法(FTIR-ATR)，檢測(cè)樣品更容易制備，檢測(cè)的靈敏度更高。
2）拉曼光譜分析 (Raman)：
447和608 cm-1處的峰表明所有樣品中都存在金紅石型二氧化鈦，因?yàn)槎趸佔(zhàn)鳛轭伭项w粒的摻入在白色背板中是常見(jiàn)的。值得注意的是，拉曼光譜的穿透深度比FTIR更深因此，從而可以檢測(cè)內(nèi)部的二氧化鈦的含量，從而對(duì)表面與外部的二氧化鈦進(jìn)行初步的比較，來(lái)確定老化導(dǎo)致二氧化鈦含量的降低情況。

3）掃描電子顯微鏡分析 (SEM)：

SEM斷面形態(tài)：
聚酰胺類背板從SEM 斷面圖上可以看出，此背板為三層結(jié)構(gòu)，中間層經(jīng)玻璃纖維增強(qiáng)。濕熱老化后斷面較老化前光滑，玻璃纖維拔出現(xiàn)象更為明顯，且有部分的玻璃纖維發(fā)生脫落，從玻璃纖維表面及被拔出玻纖的坑洞內(nèi)壁表面可以看出，老化前，玻璃纖維表面殘留聚酰胺量比老化后要多，且其拔出纖維坑洞內(nèi)壁有部分拉絲現(xiàn)象。表明隨著濕熱老化的進(jìn)行，聚酰胺和玻璃纖維的結(jié)合界面作用減弱。

SEM表面形態(tài)：
聚酰胺類背板從SEM 的表面形態(tài)圖上可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，背板的表面形態(tài)發(fā)生明顯變化，如圖所示。圖中a 圖及b 圖中白點(diǎn)即為紫外屏蔽劑二氧化鈦，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，背板的表面可能有有機(jī)物滲出，老化時(shí)間越長(zhǎng)滲出量越多，從圖e 和圖f 對(duì)比可以看出，在潮濕環(huán)境下的紫外輻照更容易滲出有機(jī)物，此有機(jī)物的滲出可能會(huì)掩蓋作為紫外屏蔽劑的二氧化鈦，從而有可能影響背板的耐紫外性能。

4）原子力顯微鏡分析 (AFM)：

裂紋內(nèi)的PVDF聚合物在開(kāi)裂過(guò)程中發(fā)生了明顯的變形，從α相轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相。使用AFM觀察PVDF的β相是PVDF的細(xì)長(zhǎng)的全反極性構(gòu)象，而α相是左扭的非極性構(gòu)象，形成螺旋型結(jié)構(gòu)。裂紋尖端的聚合物形態(tài)是有序和定向的，與β相PVDF一致。先前的研究表明，在斷裂和應(yīng)變的純PVDF聚合物中可以發(fā)生α到β相變。此外，α到β相變是純PVDF裂紋擴(kuò)展機(jī)制的一部分。球晶的剛性片層也會(huì)出現(xiàn)裂紋，使片層破裂，而不是引起晶的相變。

原標(biāo)題：華陽(yáng)檢測(cè)光伏組件背板失效分析