光伏电池组件是太阳能光伏发电最基本的单元,背板位于太阳能由池组件背面的最外层,用于防止光伏组件因环境因素对聚合物胶膜、电池峰材料的侵蚀。
为了使太阳能电池保持最佳的工作状态并维持25或30年,甚至更长的使用寿命,光伏背板应具有可靠的机械性和电气绝缘性、优异的耐高低温性、水汽阻隔性和耐紫外老化性等。

光伏背板不止PET膜,聚烯烃类光伏背板中国重点专利分析

光伏电池组件
目前主流的光伏背板为多层复合结构,包括基材层、保护层以及胶黏层,基材层主要为PET层,保护层主要为氟膜。

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哑光ETFE氟膜
PET基材作为背板材料已有30多年的实际应用历史,但是,PET材料在湿热条件下易开裂、脱层,附着力下降,耐候性和耐水汽阻隔性较差。氟膜虽然能够为背板提供耐候性、耐磨性、阻燃性、阻水性等,但其降解难、容易对环境造成污染。
而聚烯烃材料通过改性加工后可以弥补这些短板,并且聚烯烃相比于PET具有更好的耐水汽阻隔性。因此,用聚烯烃材料全部或部分代替氟膜和/或PET基材,以得到更加绿色环保的光伏背板,同时改善背板的耐候性、耐水汽阻隔性等,是目前光伏背板的一个主要发展应用方向。

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聚烯烃
我国已经成为全球最大的背板生产国,但在实际应用中我国仍以含氟背板为主,而欧洲和日本的非氟背板市场占比更大。因此,我国企业除了生产含氟背板外,还应针对世界各国的不同需求,积极研发和生产其他材料和性能的背板。
本文对聚烯烃类光伏背板的中国专利申请进行分析,具体分析该领域的重点技术,以期对国内光伏背板生产企业的专利申请、保护策略、技术研究和生产应用等方面提供参考。
我国聚烯烃类光伏背板重点专利技术
根据聚烯烃背板的构成材料,将聚烯烃类背板分为无氟无PET的全聚烯烃背板、含氟无PET的聚烯烃背板、无氟含PET的聚烯烃背板、含氟含PET的聚烯烃背板。

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聚烯烃背板
无氟无PET的全聚烯烃背板
全聚烯烃背板由于舍弃了传统背板材料中的PET基材和氟膜,相应的也会损失这两种材料本身赋予背板的优异性能。因而在制备全聚烯烃背板时,需要对各层聚烯烃材料和或加工工艺进行改进,使其综合性能满足太阳能背板在实际应用环境中的需求。
对于聚烯烃材料的选择和改性
聚烯烃材料作为太阳能背板的基材,在长时间电池板的重力下,容易导致背板韧性不足,造成背板弯曲、破裂、损坏等。
对此,浙江中聚公司在制备双层全聚烯烃背板时,通过选择一定熔融指数的茂金属线性低密度聚乙烯、聚丙烯和一定熔点的乙烯丙烯无规共聚物作为内外层材料,保证了背板的机械强度和韧性,并在外层添加乙烯丙烯无规共聚物,进一步提高背板的韧性。
苏州度辰公司制备的三层全聚烯烃太阳能背板,上、下层均为聚烯烃树脂组合物,芯层是以硅烷接枝改性的聚烯烃为主要成分的聚乙烯树脂组合物,通过硅烷接枝改性提高聚烯烃的耐热温度,在改善背板的耐低温冲击性、黏结性能、耐透水性能和电绝缘性能的同时显著改善耐高温湿热性能。

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图源:苏州度辰公司
苏州赛伍公司制备的太阳能电池背板包括空气侧保护层、骨架层及胶膜侧黏结层,其中,空气侧保护层为改性聚丙烯层,能够提高背板的表面硬度,改善表层耐划伤性,同时提供较高的耐热性能,确保产品压合过程中不会出现离型簿或离型膜压痕。
中间的骨架层用聚烯烃共混改性材料替代传统的PET材料,改善背板的耐水解性和水汽阻隔性,满足光伏组件在高湿地区下的安全稳定使用;而胶膜侧黏结层采用改性聚乙烯层,提高产品与胶膜黏结力。
对于填料的选择
浙江中聚公司研究了一系列单层或多层聚烯烃背板,通过在聚烯烃层添加不同的填料以改善聚烯烃背板的综合性能。
例如,用复配的石英粉、硫酸钡和氮化钛作为聚烯烃背板的外层填料,提高背板外层对可见光、紫外线和红外线的反射,进而提高背板的反射率;在双层聚烯烃背板的外层通过包覆的稀土金属氧化物和其他填料之间的协同作用,将400nm~920nm波段的光全部反射。

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聚烯烃背板
而为了改善光伏背板的散热性,在全聚烯烃背板内层添加氮化硼纳米片和改性氧化石墨烯,提高热量向外层的传导,进而提高背板整体的导热系数和散热性能。
在聚烯烃背板外层添加钛酸钾晶须,提高整体背板的耐热性能和绝缘性能,以及背板的力学强度和耐光老化性能,另外,在聚烯烃背板内层中添加电压稳定剂,进一步提高了内层背板的绝缘性和抗光老化性能。
为了提高导热性和热稳定性,在背板内层添加纳米AIN,并在外层和中层通过特定的添加剂保证了光的透过率和耐变黄性,使太阳能电池组件的工作效率和使用寿命得到提高。
对于工艺的选择
聚烯烃膜的生产工艺包括熔融共挤出、淋膜工艺等。浙江中聚公司主要是通过熔融共挤出的方式将内外层聚烯烃一体挤出成型,制备不含氟膜和PET基材的全聚烯烃太阳能背板,通过该共挤出方式提高了背板整体的牢固稳定性,避免背板长期在外界恶劣的环境下出现开裂、脱层的风险,提高了太阳能光伏背板的使用寿命。
而苏州赛伍应用技术股份有限公司采用三层共挤或淋膜工艺,一次成型制备封装一体化的聚烯烃光伏背板,其中未使用胶水,不需要涂覆烘干过程,因而不存在有机溶剂污染,且加工成本较低,制备的背板具有良好的阻水性能,与太阳能电池片的黏结力好,长期使用未产生光热老化现象,无腐蚀,耐候性好,长期使用无黄变。

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光伏背板示意图 图源:苏州赛伍
无氟含PET聚烯烃背板
PET材料是目前应用最广泛的背板基材,具有优异的绝缘性能和力学性能,目前很多专利是以聚烯烃材料代替氟膜保护层来制备无氟但含有PET的聚烯烃背板。
例如,苏州中来公司采用聚烯烃层代替传统的氟膜作为保护层制备得到的光伏背板包括耐湿热老化层、基材层和耐湿热老化层,其中的耐湿热老化层为填充改性的聚烯烃层,基材层为PET与PP共混改性的PET层。在改善光伏背板的耐湿热老化性能的同时,避免了氟膜的环境污染问题。

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无氟含PET聚烯烃背板
康维明工程薄膜(张家港)有限公司制备的复合结构无氟光伏背板,外层为PET聚酯薄膜,中间层为聚氨酯树脂黏合剂,内层为PE薄膜,PE薄膜为添加有Tio阻隔填料的白色聚乙烯薄膜。无氟光伏背板中不含有氟元素,更贴合现有国家对生态及环保的要求,提高光伏背板的环境友好性。
常州大学制备的夜间可发电无氟阳燃太阳能电池背板,第一层为具有夜光功能改性的聚烯烃层第二层为经过增黏改性的阴燃聚酯层,第三层为具有夜光功能改性的聚烯烃层。有效提高了太阳能电池组件的发电效率。
含氟无PET聚烯烃背板
针对PET背板耐水阻隔性能较差的缺陷,有些公司采用聚丙烯代替PET基材作为结构增强层以改善背板的耐湿热性能和耐候性等,并相应的降低成本。
例如,苏州尚善公司采用聚丙烯代替传统的PET作为基材制备聚烯烃背板,所述背板包括耐候层、连接层、结构增强层和反射层,其中结构增强层为聚丙烯,用其提高背板的耐湿热性能,耐候层为传统的含氟材料层。
苏州赛伍公司用聚烯烃共混物层代替PET基材制备水汽阻隔膜,水汽阻隔膜包括中间芯层,以及分别设置于所述中间芯层的上下两侧的PET层,所述中间芯层由聚酯、聚烯烃和相溶剂的共混物制备得到。
具有三层结构水汽阻隔膜具有较好的水汽阻隔性以及良好的热稳定性和机械性能,口以替代现有的背板材料中的PET基材。
含氟含PET的聚烯烃背板
虽然聚烯烃具有优异的耐水阻隔性、耐候性、黏结性,但是因为光伏组件使用环境的不同,对于光伏背板的性能要求也不相同,例如在我国的西北地区,UV紫外线强烈,非氟背板可能存在变黄、变薄、有裂纹的问题,另外,聚烧烃相对于PET而言,作为基材在耐绝缘性和机械性能方面需要进一步的改进。
因此有很多公司的另一个研发目标是在目前已有的由含氟保护膜和PET基膜组成的光伏背板中,添加一层或多层的聚烯烃层或者替代内外氟保护膜层中的一层,以在保持背板已有的PET基材和氟膜性能的基础上进一步改善背板的水阻隔性、耐候性以及黏结性等。
聚烯烃作为阻水层
背板的阻水能力影响组件的发电效率以及使用寿命,而氟膜是背板各组成中阻水能力最弱的部件,因此,对于含氟背板耐水阻隔性能的改进尤为重要。
一种改进方式是,在原有的光伏背板结构中增加聚烯烃层作为阻水层以改善背板的阻水性能。如,苏州赛伍公司制备的高阻水透明背板,其在两个基体层之间增加聚丙烯层作为高阻隔层显著提高了背板的透水阻隔性,制备的背板整体水汽透过率可以达到1a/m2·day以下,同时具有优良的而紫外性和湿热老化性。
苏州中天公司则是通过结构设计在光伏背板中增加两层耐候聚烯烃薄膜,背板由耐候外层A、耐候外层B、中间PET基层、内层A及内层B由上至下依次叠加构成。耐候外层B和内层A为耐候型聚烯烃薄膜,耐候外层A为氟膜,内层B为氟树脂或其他树脂。该结构设计明显提高了背板的水汽阻隔性、导热性、反射率等性能。
另一种改进方式是,用聚烯烃层代替传统含氟保护层中的一层。如,苏州中来公司制备的含氟背板依次包括含氟涂层、PET层、黏合剂层和改性聚烯烃层,其利用改性聚烯烃层代替其中的一层含氟保护层来改善背板的水汽阻隔性、绝缘性和黏结性。
比亚迪公司制备的无PET层的太阳能电池背板,由含氟涂层、绝缘基片层和耐湿热层依次组成,绝缘基片层为聚酯片。

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无PET层的太阳能电池背板
耐湿热层通过聚烯烃树脂直接固化形成,所述聚烯烃树脂中含有熔点低于85℃的茂金属聚烯烃和有机过氧化物,无需采用黏结剂层,无需添加EVA;
固化过程中茂金属聚烯烃发生进一步交联固化,形成的涂层与绝缘基片层具有良好的黏结性能,且具有比EVA更好的耐水汽透过性能,形成的耐湿热层为白色能发射光,使得太阳能电池背板具有良好的耐水汽透过性。
聚烯烃作为耐候层
肇庆东洋铝业有限公司将聚烯烃层作为E膜层用于光伏背板中,制备高压光伏背板,包括依次设置的E膜层、胶黏层、聚酯中间层、胶黏层和氟膜层。所述E膜层从上到下依次为中密度聚乙烯层、高密度聚乙烯层和低密度聚乙烯层。E膜层能够阻隔紫外线,提高光伏组件的耐候性。
聚烯烃作为黏结层
在现有的含氟背板中,氟材料的黏结性较差。为了提高光伏背板的黏接性,苏州中来光伏公司将聚烯烃黏结层复合到背膜上,将两者做出一体式结构,有利于与其他部件进行黏结,所述背膜依次包括氟树脂层、胶黏剂层、基材层、胶黏剂层、聚烯烃黏结层。
江苏润华膜业科技有限公司制备的高压无气喷涂复合法成型PVDF涂氟背板依次包括底板、中间层、黏结层、保护膜和含氟涂层,其中黏接层为聚烯烃层。采用聚烯烃作为黏接层可以让背板隔层之间黏接牢固,整体上提升背板的强度,黏接效果更加好。

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高压无气喷涂复合法成型PVDF涂氟背板
目前,虽然聚烯烃类光伏背板在国外应用较为广泛,但是在我国的应用相对较少,而随着各地不断建起的光伏产业,背板的市场需求不断增大。
国内企业可以针对太阳能光伏发电应用的地理环境差异,在充分了解聚烯烃类光伏背板的发展状况,以及聚烯烃材料在该领域的实际应用特点的情况下,有针对性的采用聚烯烃类材料改进和/或替换传统光伏背板中的部分或全部材料,以提高背板质量和性能,适应不同实际环境的需求,拓宽应用范围。
另外,国内高校和科研院所可以在了解该行业前景的情况下,利用其研发优势,有针对性地对聚烯烃材料的性能本身进行改进,使其适用于光伏背板领域,并积极寻求与相关企业的合作,进行标准测试和应用生产。
参考资料:聚烯烃类光伏背板中国专利技术分析

END

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原文始发于微信公众号(光伏产业通):光伏背板不止PET膜,聚烯烃类光伏背板中国重点专利分析

作者 808, ab