光伏背板膜作用（氟树脂和氟塑料膜在太阳能光伏背板）

按照光伏电池背板整体结构划分，可将光伏电池背板划分为FPF，FPE，全PET与PET/聚烯烃结构。其中F为含氟薄膜；P为双向拉伸工艺制备的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜（即PET薄膜）；E为乙烯－醋酸乙烯(即EVA)；聚烯烃指各种以碳碳结构为主链的塑料。这些结构层之间使用胶粘剂进行粘合，通过复合工艺制备成型。最早的光伏电池背板采用TPT结构，即Tedlar/PET/Tedlar结构，其中Tedlar为杜邦公司所生产的PVF（聚氟乙烯）薄膜。以下重点聊聊氟塑料类薄膜在太阳能光伏背板/背膜的使用。

概述

背板（Backsheet）是用在太阳能组件背面最外层，直接与外环境大面积接触的光伏封装材料，其应具备卓越的耐长期老化（湿热、干热、紫外）、耐电气绝缘、耐腐蚀性、耐高低温、水蒸气阻隔等性能。因此，背膜需要满足太阳电池组件25年的环境考验，起到封装组件原辅料、保护太阳能组件、隔绝汇流带的作用。

光伏电池是由玻璃、EVA、硅片、背板组成，按照玻璃-EVA-电池片-EVA-背板的结构封装构成，其中背板位于光伏电池背面的最外层,是光伏电池重要组成部分,不仅起到封装的作用，同时还起到保证光伏电池不受到环境影响的作用，确保光伏电池的使用寿命。

太阳能组件的使用年限是25年，而且太阳能组件的工作环境非常恶劣。对于组件的保护就显得非常重要，不仅要求组件的原辅料要有至少25年的使用年限，作为背面保护材料，背板更要有优异的抗老化，抗紫外线，抗渗水，抗高温高湿，防火绝缘等性能。

分类

光伏背板的分类有多种，最常用的有两种，即按制造工艺分为涂布型和复合型；按含氟材料分为双面含氟背板、单面含氟背板、无氟背板三种。

制造工艺

涂布相对复合来说成本相对较低，工艺相对简单。两种工艺都是成熟工艺，做出来好产品没什么大问题，关键是背膜表面的氟（F）材料。背板的主要特性是靠氟材料来体现的，一般来说，氟材料无论是复合膜还是涂料，只要加工得当，氟元素含量足够，背板的耐侯性和阻隔性都不是问题。但是组件厂家先是使用聚氟乙烯（PVF）复合膜，并且也通过20多年的使用验证，所以目前使用PVF等类似的氟膜背板接受程度还是比使用氟涂料涂布形成的背板高。但是从原理上来说，其实是差不多，F涂料在跨海大桥等一些对耐侯性要求高的地方使用年限也有30多年了。

当前，国内背膜产业还处于起步发展阶段，其开发生产企业多分布于中国大陆长三角地区。以台虹、赛伍、乐凯、汇通为代表的背膜企业主要采取以PVF、PVDF或ETFE等氟膜与PET基材通过胶粘剂粘结复合而制备复胶型背膜，其氟膜基本依赖进口，背膜制造成本较高。

由于国内复合型背膜制造企业在主要原材料和核心技术方面不具备成本和质量的优势，造成产品整体的核心竞争力与利润空间较低。

涂布

氟碳涂料经过几十年的快速发展，在建筑、化学工业、电器电子工业等各个领域得到广泛应用，成为继丙烯酸涂料、聚氨酯涂料、有机硅涂料等高性能涂料之后，综合性能最高的涂料品种。目前，应用比较广泛的氟树脂涂料主要有聚偏氟乙烯（PVDF）、三氟氯乙烯树脂（CTFE）、四氟树脂（PTFE）三大类型，我国也是继美国、日本之后第三个拥有氟碳涂料合成技术并实现产业化的国家。

涂布法工艺

以氟树脂跨国企业（如日本旭硝子、大金和法国阿科玛等）开发生产的PVDF、CTFE、PTFE树脂为主体树脂制备的氟碳涂料，广泛应用于桥梁、大厦、铁路、通信设施的表面防护上，并经受了40年以上的户外严酷考验，表现出极佳的耐候性能。

PVDF氟塑料涂料是使用最广泛的含氟涂料，其户外使用寿命超过30年无需保养已经使用在北京机场、东方明珠等建筑上。有机溶剂型的PVDF涂料性能优异，是目前主要使用的建筑涂料，一般使用预涂工艺。但其含有挥发性化合物（VOC）不环保，涂料需要高温烘烤浪费能源，用量已经开始萎缩。目前有公司开发 环境友好的PVDF涂料，但性能仍无法和溶剂型的涂料相当。

FEVE是氟乙烯（四氟乙烯或三氟氯乙烯）与乙烯基醚的共聚物，由日本的旭硝子公司发明并实现商业化。其是唯一一种真正能在常温下固化的氟塑料。

同时，目前包括低温等离子体改性技术、辐照改性技术、真空等离子体化学接枝技术在内的材料表面改性技术已较为成熟。因此，将氟碳涂料、PET表面改性技术、氟涂层表面改性技术等应用于太阳电池背膜的开发，从而实现不使用胶粘剂并具有优异长期耐候性能的低成本高品质涂覆型背膜产品是完全可行的。

涂布背膜包括厚度100～350μm的PET薄膜基体，基体两面涂覆有15～30μm的含氟聚合物涂层，其中一面含氟聚合物涂层上涂覆有0.5～5μm的粘合剂层；所述的含氟聚合物涂层由各原料组分按配比混合后经砂磨处理得到的混合乳液直接涂覆在PET薄膜基体上得到，所述含氟聚合物涂层的原料包括如下质量配比的组分：含氟涂料30～55％；溶剂20～40％；交联剂和固化剂2～6％；填料15～40％。

复合

复合型太阳电池背膜（TPT、TPE等）多是以欧美一些氟化工企业开发的PVF或PVDF等氟膜通过胶粘剂与PET基材粘结复合而成。复合型背膜由于其内部PET基材两面存在胶粘剂，而胶粘剂的质量水准不一，加之复合工艺良莠不齐，在电池组件户外长期使用过程中复合型背膜受湿度与温度双重因素的综合影响，易发生粘结胶层水解等损害，最终导致氟膜（PVF或PVDF等）与PET基材的层间剥离，影响电池组件长期使用的可靠性。

复合法工艺

同时，由于制造专利技术制约和氟膜表面的亲水性改性处理技术等原因，目前PVF和PVDF等氟膜产品还没有在中国实现国产化。因此，采用PVF或PVDF等氟膜开发生产双面含氟和单面含氟太阳电池背膜的中国企业长期受制于外国氟膜制造商，其背膜制造成本居高不下，且适用于氟膜与PET粘结的高品质胶粘剂多为国外极少数厂商技术垄断，很难进口。而国内一些背膜生产企业只能采用一些普通的聚氨酯、环氧或丙烯酸类胶粘剂，这些胶粘剂容易老化，在性能上无法满足25年的耐久性要求。

太阳能电池背板复合膜，由下述三层材料复合而成：0.035～0.045mm厚的聚氟乙烯膜；0.18～0.30mm厚的PET膜；0.025～0.035mm厚的EVA涂层。

上述太阳能电池背板复合膜的制备方法包括下述步骤：在聚氟乙烯膜与PET膜表面分别涂覆固化剂，热熔粘合而得基膜，然后再在PET膜的另一表面涂布EVA涂层即得太阳能电池背板复合膜。

含氟材料

如前所述，背板的主要特性是靠氟（F）材料来体现的，背板按照含氟材料可分为双面含氟背板，单面含氟背板，不含氟背板三种。

双面含氟背板

市面上双面含氟背板最常见的是TPT（聚氟乙烯复合膜），TPT采用复合工艺，两面含氟材料为美国杜邦公司生产的Tedlar聚氟乙烯聚合物，中间为PET，通过胶黏剂复合在一起。内层氟材料保护PET免受紫外线腐蚀，同时经过特殊处理与EVA更好的粘结，外层氟材料保护组件背面免受湿、热、紫外线侵蚀。

双面含氟背板大同小异，区别只在氟材料的成分和内层氟材料的特殊处理上。比如，伊索TPT背板内层经过特殊处理，以使其更适合与EVA粘结，而凸版TPT则不分正反面；又比如，DDF采用PVDF作为两面含氟薄膜。

从长远来看，如果背膜内层不含氟材料，不能对背膜的PET主体基材进行有效保护，组件安装后背膜无法经受长期的紫外老化考验，在几年之内组件就会出现背膜黄变、脆化老化等不良现象，严重影响组件的长期发电效能，因此，双层氟材料背板是完全必要的。

单面含氟背板

单面含氟背板代表产品为美国3M背板，为三层结构复合而成，成分为：外层THV氟塑料（四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯共聚物），中间PET基体，内层EVA。单面含氟背板厂家虽不同，但结构大同小异，内层EVA与中间基体基本不变，不同之处可能在于外层氟材料成分不同，比如TedlarPVF，PVDF等。

由于目前背膜开发生产企业考虑到双面含氟材料给整个背膜生产造成的成本压力，厂商采用了EVA材料（或其他烯烃聚合物）替代双面含氟的TPT结构背膜中EVA粘结面（光照面）的氟材料，从而出现了单面含氟的TPE结构的背膜。此类TPE结构的背膜在与组件封装用EVA胶膜粘结后，由于其光照面无含氟材料，不能对背膜的PET主体基材进行有效保护，组件安装后背膜无法经受长期的紫外老化考验，在几年之内组件就会出现背膜黄变、脆化老化等不良现象，严重影响组件的长期发电效能，因此单面含氟的TPE结构的背膜是不适用于晶硅太阳电池组件的封装使用的。

不含氟背板

不含氟背板是通过胶粘剂将多层PET胶粘复合而成，主要品种有PE，DNP等。不含氟背膜从材料本身特性上无法满足商用晶硅太阳电池组件25年的湿热、干热、紫外等环境考验与使用要求，也就很难适合用于晶硅太阳电池组件的封装。但是它适合中短期使用年限的组件，如5~10年期限。

组成

各厂家的背板虽然其成分各有不同，但核心部分不会变，即PET基体和含氟材料，PET提供力学性能和绝缘性能，氟材料提供阻隔性和耐候性。背板的主要特性靠氟材料来体现，一般来说氟材料无论是复合膜还是涂料,只要加工得当，F元素含量足够，背板的耐侯性和阻隔性都不是问题。

PET

PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），俗称聚酯薄膜，是由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来。而对苯二甲酸乙二醇酯是由对苯二甲酸和乙二醇发生酯化反应所得。

属结晶型饱和聚酯，相对密度1.368，熔点225℃，流动温度243℃，玻璃化温度80℃，马丁耐热80℃，热变形温度98℃(1.82MPa)，分解温度353℃

溶于甲酚、浓硫酸、硝基苯、三氯醋酸、氯苯酚，不溶于甲醇、乙醇、丙酮、烷烃，使用温度-100～120℃，弯曲强度148-310MPa，吸水性0.06％~0.129％，冲击强度64.1-128J/m，洛氏硬度M90~95，伸长率1.8％~2.7％

PET是颜色为乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。

研究表明，PET分子主链中含有大量的酯基，与水具有很好的亲和性，容易产生水增塑，同时即使微量的水分也会导致分子主链的降解。

PET在湿热老化过程中，老化性能的变化受三个因素影响：结晶度、水增塑、水解，各因素自始至终都在起作用,不同的环境和不同的阶段内各种不同因素起主导作用。

老化初期，结晶为主导因素，它增加杨氏模量、最大拉伸应力，但使材料变脆，降低冲击强度；然后水增塑成为主要因素，它使材料韧性增加，但是很快水解反应上升为主要因素，

它引起PET大分子链断裂,分子量下降，从而引起机械性能的破坏。而温度的升高则会使上述过程明显加快，因此水和热是导致PET物理机械性能急剧下降的主要原因。此外，紫外辐射也会使PET的分子量、强伸度大幅度下降，结晶度有所提高，从而使材料脆化。

通过胶粘剂将多层PET胶粘复合而成的不含氟背膜从材料本身特性上就无法满足商用晶硅太阳电池组件25年的湿热、干热、紫外等环境考验与使用要求，也就很难适合用于晶硅太阳电池组件的封装。

有机氟材料

有机氟材料是指含有氟元素的碳氢化合物，归属一种特殊质料，具有卓然的耐化学性和热稳定性，还具有优良的耐侯性、耐腐蚀性、耐热性、防污性、斥水斥油性、介电性、不燃性和不粘性，磨擦系数极小，为很多其他合成质料所不及，广泛用于于兵工、电子、电器、机械、化工、纺织等各个领域。

含氟背膜表面的氟材料由于氟原子电负性大，原子半径小，碳氟键键能极强（高达485KJ/mol），而且由于相邻氟原子的相互排斥，使氟原子不在同一平面内，主链中C—C—C键角由112°变为107°，氟原子沿碳链作螺旋分布，故碳链四周被一系列性质稳定的氟原子所包围。

由于氟原子是对称分布，整个分子呈非极性；又因氟原子极化率低，碳氟化合物的介电常数和损耗因子均很小，所以其聚合物是高度绝缘的，在化学上突出的表现是高热稳定性和化学惰性。

另外，通常太阳能中对有机物起破坏作用的是紫外光部分，即波长为700～200nm之间的光子，而全氟有机化合物的共价键能达544KJ/mol，接近220nm光子所具有的能量。由于太阳光中能量大于220nm的光子所占比重极微，所以氟系涂料耐候性极好。

全氟碳链中，两个氟原子的范德华半径之和为0.27nm。基本上将C—C—C键包围填充。这种几乎无空隙的空间屏障使任何原子或基团都不能进入而破坏C—C键。因此，其耐化学性极好。

PVF

PVF熔点190~230℃，分解温度210℃以上，长期使用温度-70~110℃,软化点约200℃。但在200℃下，15~20分钟就开始热分解，若在235℃经5分钟则激烈分解而最后碳化。PVF是氟乙烯均聚物，分子量６万~18万，是氟塑料中含氟量最低、比重最小、价格也最便宜的一种。由于分解温度接近于加工温度，不宜用热塑性成型方法加工，大多加工成薄膜和涂料。具有一般含氟树脂的特性，并以独特的耐候性著称。根据加工条件及制品厚度，有不同透明度，能透过可见光和紫外线，强烈吸收红外线。正常室外气候条件下使用期可达25年以上，是一种低介电常数（8.5）、高介电损耗（0.016）的材料。收缩小而稳定。

它还有一个特点就是耐挠曲性能好，反复折叠不易开裂。聚氟乙烯薄膜可不受油脂、有机溶剂、碱类、酸类和盐雾的侵蚀，电绝缘性能良好，还具有良好的低温性能、耐磨件和气体阻透性。聚氟乙烯涂料也具有良好的耐候件，对化学药品只有良好的抗腐蚀性，但不耐浓盐酸、浓硫酸、硝酸和氨水。

太阳能电池组件的普遍，Tedlar的需求也随之猛增，以至供不应求。

由于PVF的供应商很少，许多公司争相使用其它氟材料薄膜来替代PVF薄膜。目前已经商品化的背板使用的氟塑料薄膜有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚三氟氯乙烯（ECTFE）、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物（THV）。

PVF供应商已前述，PVDF的供应商在国内 有上海三爱富、浙江巨化、山东东岳化工和江苏梅兰等，国际上欧洲的阿克玛、苏威、吴羽等。ECTFE的供应商有欧洲的苏威。THV的供应商有 美国的Dyneon。目前使用这四种氟塑料薄膜的背板，除ECTFE比较少外，其它种类的背板在中国均有用户使用，特别是以Isovolta和 Madico为主的PVF类的背板和以东洋铝业为主的PVDF类背板在中国有大量的用户。

PVDF

PVDF的玻璃化温度-39℃，脆化温度-62℃，熔点165~170℃，热分解温度316℃以上，长期使用温度-40~150℃

可用一般热塑性塑料加工方法成型。其突出特点是机械强度高，耐辐照性好。具有良好的化学稳定性，在室温下不被酸、碱、强氧化剂和卤素所腐蚀，发烟硫酸、强碱、酮、醚绵少数化学药品能使其溶胀或部分溶解，二甲基乙酰胺和二甲基亚砜等强极性有机溶剂能使其溶解成胶体状溶液。

PVDF是使用量第二大的氟塑料，品种完善，供应商众多。其熔点和分解点相差大，可以使用热塑性塑料加工方法进行加工。无论从世界范围内的供应量、加工适 应性还是耐候性、阻隔性而言，其都是最合适的太阳能电池背板耐候材料。同样厚度的PVDF薄膜的透湿性大约只有PVF薄膜的十分之一。由于其含氟量高，耐 候非常优异。苏威公司PVDF1008制成的薄膜，经使用各种老化手段（见下表）测试后，各项性能指标均无明显变化。由于PVDF的出色耐候性，日本吴羽 公司甚至推出结构为PVDF/PMMA复合膜以替代PVF和PVDF薄膜作为太阳能电池背板的耐候层，其表层PVDF的厚度只有4μm。PVDF制膜较成熟的是使用吹膜的方法。

THV

四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)与偏氟乙烯(VDF)的共聚物（THV）是美国泰良（Dyneon）公司在20世纪80年代开发出的性能优异的氟塑料，除具有氟塑料耐候性、不燃性、不粘性外，还可以象常见聚合物一样容易加工，是一种极具发展前景的氟塑料。

THV具有极好的耐化学介质性能和电性能。是最柔软的氟塑料，其电性能不适于作高速数据通讯网（即5类电缆）中的首选绝缘，但在那些要求柔软性的地方，有其独特的优势。另外，THV还可用于那些要求与其他材料粘合的场合。由于THV具有优异的光学性能，所以还可以用于光纤包覆层。THV的卓越性能体现在：可低温加工，可与橡胶及塑料制品进行有效粘接，弹性佳且透光性好。出众的综合性能使其在复合软管、管道、薄膜、薄片及器皿的加工制造中得到广泛应用。THV加工温度低、加工温度区间宽、加工温度远低于分解温度，可以适应于挤出、共挤出、注射模塑和吹塑模塑、层压薄膜、浸渍、涂覆和共混等多种加工方式，可生产出膜、管、容器、异型材料和模塑材料。THV氟塑料是目前商品化最柔软氟塑料，利用其特性与其他塑料或弹性体制备多层次结构制品时，柔韧性优异。THV氟塑料耐化学性能优越，对许多腐蚀性化学品有极好的防渗透功能。THV氟塑料具有极好的光透明性和低折射率，可以允许从紫外线到红外线所有频率光的穿透，由于其低折射率和高柔韧性是塑料光导纤维包覆的理想材料。THV氟塑料自身容易粘接，也容易与其他材料粘接，无需表面处理就能与其他材料很好粘合。THV比其他氟塑料更容易用辐射交联提高其高温性能，THV是典型的对电子束敏感材料，用一定辐射量，可以明显提高材料拉伸强度。THV树脂具有良好的混合性能，可以与聚乙烯的通用技术混合，交联剂很容易加入THV，同样其他类型添加剂，如染料和有机颜料，也很容易加入THV中去。另外THV氟塑料还具有良好的溶解性能，通过加入化学试剂方法可以实现化学发泡等特性。

三氟氯乙烯-乙烯共聚物（ECTFE）和 四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物（THV）：ECTFE由杜邦公司在1946年开发成功，目前商品化的产品只有苏威公司提供。ECTFE由CTFE和乙烯的50%：50%的交替共聚物。其有典型的氟塑料的性能--耐化学腐蚀，没有一种溶剂在120℃下能侵蚀ECTFE或使其应力开裂。高耐候性和阻隔性，ECTFE的阻隔性比其它氟塑料更好。从这两个方面而言，在商品化的背板中ECTFE是最好的耐候层的材料。

THV是美国Dyneon公司在20世纪80年代开发。其是目前商品化最柔软的氟塑料，当和其它材料复合成多层结构时，其优异的柔韧性 非常突出。另一个重要的特点是THV本身容易粘接，无须表面处理就能和其它材料粘接，这对生产背板的复合工艺和用硅胶粘贴接线盒而言都十分重要。综合而 论，在一些对背板要求柔软的场合，THV的背板比任何其它材料都更合适。

性能

作为组建保护材料，要求背板有各种优异性能，比如要有优异的绝缘性能，抗渗水性能，经受恶劣环境的耐候性以及自身优良的剥离强度等。

绝缘性

组件生产出来后，在实际使用过程中会遇见雷雨天气，雷电击在组件上会将组件击穿，导致组件内部互联条和汇流带瞬间电流极为巨大，会造成电厂内大量组件被烧毁，造成巨大的经济损失。因此组件在出厂前都要进行耐压测试，作为重要辅料的背板，对绝缘性有很高的要求。

背板的绝缘性主要体现在PET和含氟材料上。PET有着优良的绝缘性能，但是因为在结构上处在两层材料中间，所以背板的绝缘性能更多的体现在内外两层材料上。

含氟材料有非常优异的绝缘性能，因为氟原子核对其核外电子及成键电子云的束缚作用较强，氟原子极化率低，分布比较对称，整个分子是非极性的，碳氟化合物的介电常数和损耗因子均较小，所以其聚合物是高度绝缘的。背板击穿电压强度一般要达到50KV/mm以上。

抗渗水性

上文已经阐述过，PET分子主链中含有大量的酯基，与水具有很好的亲和性，容易产生水增塑，同时即使微量的水分也会导致分子主链的降解。所以背板的背面材料要有非常好的抗渗水性，以免渗进水蒸气使PET分解老化，进而腐蚀EVA和电池片，影响组件使用年限。

背板抗渗水性的衡量参数是水蒸气透过率，测试原理是在在一定的温度下，使试样的两侧形成一特定的湿度差，水蒸气透过试样进入相对干燥的一侧，通过测定透湿杯重量随时间的变化量，从而求出试样的水蒸气透过率。背板的水蒸气透过率一般要求小于1.5g/m2.d。

耐候性

耐候性是指：材料如涂料、塑料、橡胶制品等，应用于室外经受气候的考验，如光照、冷热、风雨、细菌等造成的综合破坏，其耐受能力叫耐候性。

背板的含氟材料有优良的耐候性，因为由于C-F键的键能比C-H键的强，氟原子的电子云对C-C键的屏蔽作用较氢原子强，因而氟原子可以保护C-C键免受紫外线和化学物品的危害，使得含氟聚合物具有优异的耐候性，耐久性和抗化学品性能。

如前所述，组件的工作环境非常恶劣，有的工作温度非常高，如热带地区；有的非常低，如高海拔地区；有的昼夜温差非常大，如沙漠地区。组件各原辅料对温度都比较敏感，比如EVA，温度高会变软膨胀，甚至老化黄变；温度高还会加速PET的分解老化。因此要求背板要有优良的耐高温，耐低温性能。背板耐候性测试如下所示：实验条件（2000h）温度/湿度：85°C，85%RH；冷热循环：85°Cto–40°；湿气冻结：85°Cto–40°Cw/RH。

综上所述，只要选择合适的材料和使用工艺，在实际使用中，应更多的考察太阳能光伏的背板要求和氟塑料的其它性能，比如粘合性、和背板中其它材料的匹配性等。使用氟塑料薄膜比使用氟碳涂料或者其他膜在背板生产工艺上上更容易做到质量可靠。综合考虑产品性能和供应量，PVF薄膜和PVDF薄膜应为最合适的太阳能电池背板耐候材料。

来源：网络资料整理

,