涂布復合型太陽能電池背板的阻燃性能研究

李亞釗 劉炳霖 王 莉 吳 斌 劉 芳 白玉清

（樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

涂布復合型太陽能電池背板的阻燃性能研究

李亞釗 劉炳霖 王 莉 吳 斌 劉 芳 白玉清

（樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

本論文采用ANSI/UL94-1990中垂直燃燒測試方法，測試內層涂布外層復合型雙面含氟背板各層材料的阻燃等級，建立了膠黏劑及涂層的垂直燃燒測試方法，并將各材料正交組合后測試整體背板的阻燃等級，從而方便分析各層材料在背板燃燒過程中起到的作用大小，最終確定了對內層涂布外層復合型雙面含氟背板阻燃起最主要作用的材料為PET。

光伏背板；PET；內涂層；膠粘劑；阻燃性能

1.引言

隨著光伏發電技術的發展，分布式電站的建設越來越受到各國政府的重視，美國在1997年提出了“百萬太陽能屋頂”計劃，其它國家也有類似的項目在籌劃[1]。在光伏組件給人們帶來便利的同時，它也存在著一定的安全隱患，例如太陽能電池在陽光照射下發電，用于室外的組件由于落葉等原因致使部分電池片受到遮擋無法工作，使得被遮擋部分溫度遠超過未被遮擋部分，導致溫度過高出現熱斑，影響太陽能電池正常工作，甚至使組件燃燒，引起火災[2-4]。

太陽能電池背板作為光伏組件的重要組成部分，對組件起到支撐和保護的作用，然而太陽能電池背板多為高分子材料制備而成，材料本身易燃，如果組件發生燃燒，電池板的各層材料都不阻燃，從而火勢失控，會導致大量的財產損失及人員傷亡。本文主要針對內層涂布外層復合型雙面含氟太陽能電池背板的阻燃技術進行研究和討論。該款背板的結構是，外層由含氟的膜材料和一層復合膠構成，中間層采用PET，內層為一種含氟粘結涂層。

2.實驗原料與設備

2.1 實驗原料

2.1.1 PET基材

CY25R，6023Z：江蘇裕興薄膜科技股份有限公司；DS10：四川東材科技集團股份有限公司。

2.1.2 氟膜

Fluon ETFE Film：日本旭硝子公司；Kynar PVDF Film：法國阿珂瑪公司；Tedlar PVF Film：美國杜邦公司。

2.1.3 膠黏劑（以下簡稱FRA）

德國漢高公司。

2.1.4 涂料

LKA-FTL（以下簡稱FRC）：樂凱膠片股份有限公司。

2.1.5 阻燃劑

FM2100R：美國大湖化學公司；HT-208：濟南泰星精細化工有限公司[4-5]；

2.1.6 聚酰亞胺薄膜（PI）

東莞方圓電子絕緣材料有限公司。

2.2 實驗設備及儀器

水平垂直燃燒試驗儀 DMS-RUVL-2：深圳市中子測控儀器有限公司；高剪切混合乳化機BME100L：上海威宇機電制造有限公司；智能數顯恒溫鼓風干燥箱 HQDS-9140A：菏澤市華強儀器儀表有限公司；覆膜機 FM-650：廣東瀛和電子有限公司；絲棒 18#/26#：美國RDS公司。

3.背板各層材料阻燃性能研究

3.1 背板膜材料阻燃性能研究

3.1.1 薄膜阻燃測試方法

氟膜和PET薄膜的阻燃測試參照ANSI/ UL94-1990標準[6]中的VTM垂直燃燒實驗進行測試。測試判定標準及裝置圖如下：

表1 VTM燃燒測試判定標準Table1 Vertical burning test criteria for thin material

圖1 VTM燃燒測試裝置示意圖[6]Figure 1 scheme of apparatus for thin material vertical burning test

3.1.2 薄膜阻燃測試結果

測試內層涂布外層復合型雙面含氟光伏背板使用的3款氟膜和3款PET的阻燃性能，結果見表2。

表2 背板用PET和氟膜燃燒測試結果Table 2 Burning test results of PET and fluorinecontaining membranes

所選擇的太陽能電池背板上使用的三種氟膜中，ETFE的阻燃性能最好，可以達到VTM-0級，PVDF和PVF兩款氟膜阻燃等級不能達到VTM-2級；PET中，6023Z可達VTM-0級別，DS10和CY25R不能達到VTM-2級。

3.2 背板涂布材料阻燃性能研究

3.2.1 膠黏劑/涂層的阻燃測試方法

膠黏劑與涂層較薄，需要在支撐體上成膜，單獨無法直接進行測試。為測試此兩種成分的阻燃性能，我們引入一款阻燃性能非常優異的薄膜材料PI膜，該款材料阻燃等級為VTM-0。

先將膠黏劑或涂層用合適的絲棒涂布于25μm厚的PI薄膜上，制備成單側涂布的薄層材料，然后采用VTM燃燒測試法對整體薄膜材料進行阻燃等級的測試，用來表征膠黏劑或涂層的阻燃性能。

3.2.2 膠黏劑/涂層阻燃測試結果及分析

在膠黏劑中加入阻燃劑HT-208，在粘結涂層中加入阻燃劑FM2100R。按配方在燒杯中配置膠黏劑/涂層涂布液，配方見表3，之后用高剪切機分散均勻，采用合適的絲棒將涂布液均勻的涂在25μm 的PI薄膜上，放入合適溫度的烘箱中干燥，待評價。

表3 膠黏劑/涂層配方Table 3 Formulation of adhesives and inner coating

采用垂直燃燒測試的方法測膠黏劑/涂層的阻燃性能，結果見表4。

表4 背板用膠黏劑和涂料層燃燒測試結果Table 4 Burning test results of adhesives and inner coating

從表4中可以看出，涂布復合型背板所使用的膠黏劑和涂層材料本身的阻燃性能都不太理想，FRA-0與FRC-0阻燃等級均不能達到VTM-2級別；在膠黏劑/涂層中加入20％wt的阻燃劑后，FRA-1與FRC-1的阻燃等級均可達VTM-0級別。

4.阻燃背板各層材料優選

4.1 背板制備方法及正交實驗設計

從單因素考慮已經篩選出阻燃性能最優的氟膜和PET，從成本角度看，6023Z的價格要遠高于另外的兩款PET，ETFE價格也要略高于另外兩款氟膜，從市場角度考慮，Tedlar膜市場占有率較高，綜合各方面因素，還是將以上幾款薄膜考慮進阻燃背板的結構，設計正交試驗，見表5。

涂布復合型背板制備方法：先在PET的一側涂布粘結層涂布液，放入烘箱干燥后，在PET的另一側涂布膠黏劑，烘干溶劑后復合氟膜，制備成背板后熟化，待評價。

表5 L9(34)正交試驗表Table 5 L9(34) Orthogonal experimental design

表6 正交表因素水平表Table 6 Level of orthogonal factor

4.2 正交試驗結果及分析

首先是對表5所設計的正交試驗進行測試，并將其測試結果用數值評分后進行直觀分析，見表7：

表7 正交試驗測試結果Table 7 Flaming test result of orthogonal experiment

從表7中的測試結果來看，A、B、D三列的均值相等，極差為0，說明(A)氟膜種類、(B)膠黏劑和(D)涂層的改變不能改變整體背板VTM燃燒測試的阻燃等級；C列極差最大，且該列的均值中均值2最大，可知，2號PET為最優選項，且(C) PET對于整體背板阻燃等級起最主要的作用。

5.結論

（1）內層涂布外層復合型雙面含氟太陽能電池背板所選用的幾款材料中，阻燃等級能達到VTM-2級別的只有一款氟膜（ETFE）和一款PET（6023Z）。

（2）在背板用涂層/膠黏劑中加入適當的阻燃劑，可以使涂層/膠黏劑的阻燃等級提到至VTM-0級別，但是對整體背板的阻燃效果沒有影響。

（3）背板所使用的PET的阻燃等級對背板的阻燃等級起決定性作用。

[1] Marie-Claire Despinasse, Simone Krueger. First developments of a new test to evaluate the fire behavior of photovoltaic modules on roofs[J]. Fire Safety Journal, 2015, 71:49-57.

[2]李世民, 喜文華. 光伏組件熱斑對發電性能的影響[J]. 發電設備, 2013, 27(1):61-63

[3]唐佳能. 太陽能光伏陣列故障檢測及仿真分析[D]:[碩士學位論文]. 保定:華北電力大學電氣與電子工程學院, 2013

[4]徐曉楠, 楊海潮, 王芳. 溴化環氧樹脂協同三氧化二銻阻燃PET的燃燒性能及阻燃機理研究[J]. 中國塑料, 2010,24(4)：86-90

[5] 楊麗, 周逸瀟,等. 阻燃劑阻燃機理的探討[J]. 天津化學, 2010, 24(1):1-4

[6]ANSI/UL94-1990, 設備和器具部件用塑料材料的可燃性實驗[S]. 美國, 1990

Study on the flame retardant properties of coated composite solar cell

LI Ya-zhao, LIU Bing-lin, WANG Li, WU Bin, LIU Fang, BAI Yu-qing. (Lucky Film Limited by Share LTD., Hebei Province, Baoding 071054,China)

In this paper , the fire-resist performance of the materials in composited PV backsheets were classified by flaming test according to the standard ANSI/UL94-1990. The vertical burning test method of adhesive and coating was established, and all materials in backsheets were also flaming tested through orthogonal experimental design. The results show that PET plays significant role in flameretardant among all materials in PV backsheets.

PV module backsheet; PET; Fluorine-containing membranes; Inner coating; Adhesive; Flameretardant

TM914.4

A

1009-5624-（2016）02-0075-04