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1、指尖的光伏”之光伏组件用背板湿热老化浅析中国电器科学研究院有限公司 工业产品环境适应性国家重点实验室 张晓东 刘鑫 冯江涛 冯皓世界性的能源紧缺和全球性的环境及应对气候变化问题，促使各国政府不得不改变过去依靠高资源消耗的发展模式，大力开展节能减排工作和新能源的开发利用，走可持续发展的道路。光伏发电是当前世界开发利用新能源与可再生能源的主要形式之一。在我国，光伏发电具有广阔前景，相应的技术日新月异，成本不断下降，已开始进入规模化市场应用的阶段。考虑到光伏组件的使用环境是在日晒雨淋的户外，生产商承诺的使用保质期长达 20 年甚至 30 年之久，因此光伏组件的环境适应性和组件所采用的关键材料，如前盖
2、板玻璃、背板、封装胶膜等的环境适应性，越来越受到厂家的重视。此外，组件所处的环境条件千差万别，如何针对不同使用环境进行针对性的选材和结构设计，节约组件的制造成本也是厂家非常关心的问题之一。本文将对某国产光伏电池厂商所采用的背板材料结构进行分析，并研究其耐湿热老化行为，探索发展快速评价背板材料的耐老化性能和选材技术。一、实验1. 主要设备仪器实验使用的主要设备仪器有：湿热老化实验箱、傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪、扫描电镜、能谱分析仪、台式色差计。2. 试样的制备将市售背板材料裁剪成 5cm7cm 的小方片。3. 湿热老化实验依据 IEC 61215 中 10.13 的要求，开展温度为 852、
3、相对湿度 85%5% 的湿热老化实验。总实验时间为 2500h。4. 测试与表征(1) 背板颜色的测量依据 GB/T 155962009 的规定，用色差的改变表征背板试验前后颜色的变化，在湿热试验中定期取样，测量并计算背板材料的色差值，结果取 3 次测量的算术平均值。(2) 表面形貌观察采用德国 CARL ZEISS EVO-18 型扫描电子显微镜对背板截面和上、下表面进行观察。图像模式为 SEM，束流（Emission）70nA，工作距（WD）20mm/30mm。加速电压和放大倍率根据图像效果确定。(3) 傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）分析采用 Thermo Nicolet
4、 公司生产的 NEXUS 870 型 ATR-FTIR 红外光谱仪对背板材料的成分进行表征，分辨率为 4cm-1，扫描范围 6004000cm-1，扫描次数为 32。二、分析与讨论1. 背板的结构及材料成分分析肉眼可直接观察到原始背板的两个表面为一个光面、一个糙面。对原始背板的截面采用 SEM 技术进行观察，可看出背板为三层结构，并且在粘合的过程中，施胶不均匀，部分地方未完全粘合（图 1）。图 1 背板原始截面的 SEM 照片利用 ATR-FTIR 技术分别对原始背板的糙面和光面进行分析，结果如下图所示。图 7 中 1033cm-1、1092cm-1 为 -CHF 的伸缩振动峰，1409cm-
5、1 为与 -CHF 相连的 -CH2 基团的变形振动吸收峰，将与标准谱图库进行对比，可以确定该物质为聚氟乙烯。图 8 中 2919cm-1、2852cm-1 为 -CH2 的伸缩振动峰，1740cm-1、1380cm-1、1242cm-1 为醋酸酯的特征吸收峰，根据这些特征谱带及与标准谱图库进行对照，可知其为乙烯醋酸乙烯酯的共聚物（EVA）。由于中间层物质不易分离，暂时无法对其成分进行分析。根据背板选材的一般规律，其成分应为常用的 PET 薄膜。因此，初步判定该背板为常见的 TPE 型背板。2. 湿热老化前后背板颜色变化高分子材料在老化过程中通常会伴随着颜色的改变，色差的变化可在一定程度上反映
6、材料的老化状况。图 2 显示了背板两个表面不同湿热老化时期的颜色变化情况。EVA 面的色差随老化时间的增加而增加，PVF 面的色差先增大，1000h 后开始减小并最终趋于平稳。图 2 样品颜色在湿热老化过程中的变化3. 湿热老化前后背板截面形貌的变化图 3 为湿热老化 2500h 后的背板边缘截面形貌图。对比图 1 和图 3 老化前后的截面形貌图，可以看出背板经过湿热老化后有明显的分层现象。这可能是背板所用粘结剂不耐湿热老化的结果。图 3 湿热老化 2500h 后的背板截面 SEM 图4. 湿热老化前后背板表面形貌的变化图 4图 6 分别为背板 PVF 表面一侧原始、湿热老化 1000h 及
7、2500h 的表面形貌图。从图中可以看到湿热老化 1000h 后背板 PVF 表面极不平整，且布满了颗粒。对该颗粒状物质进行能谱分析，结果表明为 TiO2，高热高湿的环境应力使其迁移析出。结合图 2 中 PVF 表面色差的变化以及图 7 中老化前后 PVF 分子结构的变化，可以推断 PVF 面颜色变化主要是由 TiO2 迁移析出引起的。实验后期 TiO2 完全析出后，表面平整度增加，色差值也恢复到较小的数值。对 EVA 一侧的表面进行同样的观察，则未观察到明显的变化。图 4 PVF 表面的原始形貌图图 5 PVF 湿热老化 1000h 后的形貌图图 6 PVF 湿热老化 2500h 后的形貌图
8、5. 湿热老化前后背板材料分子结构的变化图 7、图 8 分别为不同老化阶段的 PVF 及 EVA 面的红外图谱。由图 7 可以看出，在整个实验过程中，PVF 的分子结构几乎无明显变化。但在图 8 中可以明显观察到，经过 2500h 的湿热老化实验后，1737cm-1 处的羰基峰有分裂现象，在 1726cm-1 处出现了新的吸收峰，与 1552cm-1 处新出现的吸收峰共同指示羧酸类物质的生成。图 7 PVF 不同老化阶段的 ATR-FTIR 图谱图 8 EVA 不同老化阶段的 ATR-FTIR 图谱三、结论根据前面的实验结果及其分析，可以得出：(1) 该背板为三层结构，上下层分别为 PVF 和 EVA，经过 2500h 的湿热试验后，界面出现了明显的分层现象；(2) 背板 PVF 面颜色变化主要由 TiO2 析出引起的，分子结构本身变化较小；EVA 面颜色变化是由于在老化过程中分子链段发生变化，并伴有羧酸类物质生成。
