前言

太陽能電池背板有內層(EVA面)和外層(空氣面)之分。外層由于直接與外界環(huán)境接觸而廣泛受到重視，所以背板產家往往會選用耐候性比較優(yōu)異的材料諸如含氟薄膜或含氟涂料作為背板的外層，比較典型的是用杜邦的Tedlar膜或四氟樹脂配制的氟碳涂料，以阻隔外界環(huán)境對基材和電池片的侵蝕。而背板內層由于不直接與外界接觸，其重要性往往容易受到忽視。然而，實際的情況是，內層所受到的來自外界的破壞是不容忽視的。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一年之中照射到組件表面的紫外光輻照量約為91.7kWh/m2, 其中大約10%的紫外線能夠透過前板玻璃和封裝材料EVA而到達背板的內層，這樣一來背板內層25年中所要承受的紫外輻射量大約為91.7x10%x25=229.25 kWh/m2, 這遠遠超過了3倍IEC標準要求的45 kWh/m2的輻射量，可見背板內層的性能尤其是耐紫外性能，絕對不能被忽視，否則會給終端電站的使用壽命帶來極大的風險！光伏組件的設計壽命為25年，這種設計壽命嚴重依賴于組件各個部件的長期可靠性。任何一個部件的性能下降或散失都會導致”短板效應”，使25年的設計壽命大打折扣，給投資者帶來巨大的經(jīng)濟損失，也嚴重損壞了光伏作為清潔能源的聲譽。鑒于氟材料特殊的組成和卓越的耐化學性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的介電性、不燃性和不粘性等優(yōu)點，毫無疑問，如果將有機氟材料也導入背板的內層將極大地提高背板的整體可靠性。但是，用什么樣的有機氟材料以及如何導入背板內層中將會直接影響氟材料在背板中的存在形式和分布狀況，并將進一步影響氟材料功能的發(fā)揮和背板的整體性能，最終將決定終端電站的使用壽命。2015年至今，越來越多的組件廠和電站投資商把雙面含氟背板作為優(yōu)先選擇，于是許多背板供應商紛紛宣稱自己的背板是雙面含氟，因此，如何判斷和識別背板的含氟內層，是組件商需要十分謹慎的加以對待的問題。不幸的是，目前市面上含氟背板的種類繁多，質量也參差不齊，給組件商的選擇帶來比較大的困惑，因此有必要就這一問題進行系統(tǒng)的闡述。從而回答“什么樣的背板內層才是真正的、經(jīng)得起考驗的含氟內層”這一根本問題。

反應性氟材料和非反應性氟材料

與背板的外層材料相似，用于背板內層的氟材料從大類來分可以分為反應性氟材料和非反應性氟材料。前者是指大分子側鏈中含有可反應的活性基團，例如羥基 (-OH) (圖1)，因此可以通過化學反應的方式將氟材料導入背板內層并固定在基材表面。反應性氟材料在涂覆型背板中用得比較多，尤其是在等離子體增強的涂層技術中，通過固化劑將反應性氟材料牢牢地固定在背板的內層。

非反應性氟材料是指整個大分子中不含有任何可反應的活性基團，例如常見的PTFE， PVDF和PVF都是非反應性氟材料(圖2)。由于分子鏈中沒有活性基團，所以非反應性氟材料只能以填料的形式加入到涂料中或與其它成膜性好的材料一起共混成膜，然后通過涂覆技術或膠粘復合技術將非反應性氟材料導入到背板的內層。這種加入氟材料的形式會對涂料或膜材料的性能產生重大影響，并最終決定了背板內層的可靠性。

氟材料在背板內層的存在形式及對背板性能的影響

由于反應性氟材料和非反應性氟材料的結構上的差異，導入到背板內層的形式也不同，致使它們在背板內層中的存在形式也不一樣，并最終決定背板的可靠性。反應性氟材料由于活性基團的存在，在固化劑的作用下可以被交聯(lián)固化，并與PET基材表面化學鍵聯(lián)，得到穩(wěn)定的結構(圖3)。這種交聯(lián)結構十分穩(wěn)定，耐酸堿、耐紫外，并且不會發(fā)生材料的蠕變、遷移和降解，對背板的基材PET具有長期的保護作用。這類背板以中來股份的FFC涂覆型背板最為典型。背板采用四氟樹脂為反應性氟材料，應用等離子增強的表面涂覆技術，將反應性氟材料牢牢固定在背板的內層和基材PET的表面，得到了性能優(yōu)異、可靠性高的背板。經(jīng)過紫外高溫、高濕測試后，F(xiàn)FC涂覆型背板沒有涂層脫落、粉化和開裂現(xiàn)象，并且在戶外有超過10年的實證考驗，充分證明了它的穩(wěn)定性和可靠性。

相反，非反應性氟材料由于沒有活性基團的存在，只能以惰性填料的形式存在于背板內層(圖4)。由示意圖可見，化學鍵的缺失，會使非反應性氟材料產生蠕變和遷移，從而導致非反應性氟材料和主體材料之間的微相分離，結果導致背板內層粉化、開裂，使基材PET直接暴露在紫外光的照射下，嚴重影響背板的整體性能。另外，再加上非反應性氟材料與其它材料的相容性問題，使非反應性氟材料的添加量很低，對背板的基材起不到長期的保護作用。目前市面上這類背板以XPO和XPM最為典型，這種類型的背板往往采用復合背板典型的三明治結構，外層采用PVDF膜，中間層為PET基材，而內層則是聚烯烴和氟材料的共混物。內層被命名為含氟的O膜或者M膜，以區(qū)別于過去的純聚烯烴膜，即PE或PO膜。

XPO和XPM型背板的這種以聚烯烴/氟材料共混物為背板內層的思路其實是想取代上一代產品，也就是以純聚烯烴PE或PO為內層，PVDF膜為外層和PET為基材的背板。聚烯烴為背板內層的優(yōu)點是內層與EVA有較大的粘合力。但是，聚烯烴的很差的耐紫外能力使背板內層在紫外濕熱老化中很快被暴露出來（圖5）。在高溫高濕和紫外光的照射下，內層的PO膜和PE膜很快出現(xiàn)開裂和粉化，這種開裂和粉化是由聚烯烴的結構決定了的特質，是不可避免的。生產產家估計也認識到了這個問題，為了增加聚烯烴的耐候性，于是想在聚烯烴上進行改性嘗試，引入一定的含氟材料制備所謂的M膜或O膜，因為他們也知道雙面含氟的背板具有優(yōu)異的耐候性已是業(yè)內共識。然而由于添加的含氟材料為非反應性的氟材料，其成型方式只能是簡單的機械共混，再加上氟材料與聚烯烴的相容性很差，這樣的所謂含氟材料不僅含氟量低，而且所添加的氟材料在聚烯烴中存在微相分離，這種微相分離是一種結構松散的、非交聯(lián)的分布狀態(tài)，容易在外界條件的刺激下加速蠕變和遷移，對背板內層的性能帶來負面的影響，具體表現(xiàn)在，背板內層在高溫、高濕和紫外照射下容易出現(xiàn)出現(xiàn)粉化、黃變和開裂現(xiàn)象(圖6)，嚴重威脅組件的發(fā)電功效。

另外，非反應性氟材料與聚烯烴的相容性很差使得它的添加量不僅被限制在一個很小的范圍之內，致使背板內層的含氟量偏低 (圖7，圖8)，而且氟材料的分布及其不均勻（0.00-1.06%），有的地方氟含量居然為0！很難想象背板如此低的氟含量和如此不均勻的氟分布對背板的基材PET起到保護作用。紫外光的破壞往往會從氟含量為0的地方開始，之后逐級向氟含量升高的梯度展開，因此O膜和M膜的這種低氟氟含量和氟材料非均勻分布的材料并不符合組件長期可靠性的要求。

而基于反應性氟材料為主體的FFC涂層型背板，情況則完全不同，涂層中的反應性氟材料為主體材料，不存在與其它材料的相容性問題，氟的含量不僅可以維持在一個較高的水平（~20%）(圖9)，而且分布均與，更重要的是氟材料可以通過固化交聯(lián)的形式導入背板內層，并得到固定，這種穩(wěn)定的結構對PET基材的保護是徹底的和值得信賴的。實驗表面，涂層可以有效地阻擋紫外線的透過(圖10)，對基材PET起到保護作用。

結 語

可見把O膜或M膜稱為含氟膜是不科學和不負責任的，因為它將嚴重誤導組件商和終端電站的投資商，給他們的投資回報大打折扣、甚至血本無歸，也給本來已經(jīng)規(guī)范的背板市場帶來混亂。作為氟碳背板當仁不讓的領導者，我們責無旁貸地對這種打“擦邊球”的行為給予揭露和曝光，目的是還原真正氟碳背板和含氟背板的本質，給背板應用商家提供遴選和甄別性能優(yōu)異的含氟背板提供科學依據(jù)?！澳嗌尘阆虏豢膳拢罄颂陨呈家娊稹?，真正性能優(yōu)異的氟碳背板/含氟背板是經(jīng)得起時間和應用環(huán)境考驗的，是值得組件商和電站投資商信賴的。