光伏組件背板用氟塑料薄膜耐老化性能研究

楊勇洲，姚方剛，王曉鷗，張 月

（1.黃河水電光伏產業技術有限公司，青海 西寧 810000；2.青海黃河上游水電開發有限責任公司光伏產業技術分公司，青海 西寧 810000）

光伏市場在過去幾年間的快速增長帶動了封裝材料市場的爆發，并導致供應鏈的暫時性短缺，組件的價格與此同時也出現顯著下降，促使光伏組件各部分原輔材料朝著新型材料和創新供應商轉變[1]，其中通過優化電池金屬柵線來減少遮擋和阻抗損失[2]，從而提高光伏電池和組件的效率，多主柵搭配圓焊帶可減少遮光面積，將光有效反射到電池上，提高組件的短路電流，焊帶區域光學利用率由5%以下提高到40%以上。由于主柵線數量的增加，且寬度變得更細，因此相同電池片上需要的焊絲數量明顯增加，且焊絲的規格不同，其對組件性能影響不同，隨著焊絲直徑的增加，電池的焊接拉力逐漸增大；焊絲直徑越大，與電池接觸面積就越大，焊接拉力也就逐漸增加，使得多主柵光伏組件應力更大、更集中[3]。加上與戶外嚴苛環境的雙重作用，終端對封裝用氟塑料薄膜提出了更高要求，尤其是耐低溫性能和耐老化性能[4]。

為了滿足現有多主柵+圓焊帶技術的要求，同時縮小PVDF 薄膜與PVF 薄膜性能之間的差距，國內外PVDF 薄膜生產廠家對現有普通PVDF 薄膜配方進行調整，改善其耐高低溫以及其他一系列耐老化性能。為了對其性能和可靠性有全面的了解，本文選擇國內普通的PVDF 薄膜、進口PVDF薄膜、PVF 薄膜以及國內某公司三代PVDF 薄膜，通過耐低溫、紫外高溫高濕、紫外、濕熱、濕凍、長時間高溫熱氧老化以及序列老化等方式，研究上述四種樣品的耐老化能力，分析失效原因。

1 試驗

1.1 試驗用品

試驗材料：國內普通PVDF 薄膜-1#，進口PVDF 薄膜-2#，PVF 膜-3#，三代耐低溫PVDF 薄膜-4#。

儀器設備：千分臺式測厚儀，CH-1-ST；萬能材料試驗機，3367；2 kN 微機控制高低溫電子萬能試驗機，UTM4203-GD；紫外高溫高濕試驗機(UV+DH)，GRO-SUV500TH；紫外老化試驗箱(UV)，SUV250S；恒溫恒濕箱(DH)，SEWTH-Z-150HS；壓力蒸煮老化試驗箱(PCT)，PCT-40F；溫濕度循環環境試驗箱(HF)，EH-225；溫濕度循環環境試驗箱(TC)，EH-225；精密恒溫箱，DF611C；分光測色儀，Color Quest XE。

1.2 性能表征

1.2.1 耐低溫性能

按照GB/T 1040.3-2006，采用2 型試樣。橫向和縱向各取5 個樣條，待箱體內溫度降低至(-40±2) ℃保溫1 h 后，以50 mm/min 的拉伸速度施加負荷，直到試樣被破壞，記錄試樣的縱向(MD)和橫向(TD)斷裂伸長率數值。

1.2.2 耐老化性能

(1)紫外高溫高濕(UV+DH)試驗

UVA 波長為320～400 nm，UVB 波長為280～320 nm。其中UVB輻照量占比是總波段輻照量的3%～10%，(UVA+UVB)總輻照強度≥150 W/m2；試驗箱內高溫高濕，環境溫度為(85±2)℃，相對濕度為85%±5%，以高溫高濕運轉500 h，累計輻照量為77.5 kWh/m2。輻照面為空氣面，測試試驗后MD、TD 斷裂伸長率和GB/T 3979 和GB/T 7921 的規定測試樣品紫外高溫高濕老化前后的黃色指數b，并計算黃變指數Δb。

(2)紫外(UV)試驗

將試樣放入紫外老化試驗箱內，輻照面為空氣面，試樣表面溫度控制在(60±5)℃，試樣經受波長在280～400 nm 范圍內紫外輻照量為300 kWh/m2，其中波長280～320 nm 的紫外輻照量為總輻照量的3%～10%。測試試驗后MD、TD 斷裂伸長率和黃變指數。

(3)壓力蒸煮老化(PCT)試驗

將試樣懸空掛在支架上，樣條間不應重疊也不應與容器內壁接觸，將掛好試樣的支架放入PCT 加速老化試驗儀的中部，試驗溫度121 ℃，壓力0.09～0.11 MPa，試驗時間為96 h。測試試驗后MD、TD 斷裂伸長率和黃變指數。

(4)常規濕熱(DH)試驗

將試樣放入恒溫恒濕箱中，試驗溫度為(85±2)℃，相對濕度85%±5%，持續時間為2 000 h。測試試驗后MD、TD 斷裂伸長率和黃變指數。

(5)濕凍老化(HF)試驗

將試樣放入溫濕度循環環境試驗箱中，溫度在(-40±2)℃和(85±2) ℃之間循環，循環次數為20 次。測試試驗后MD、TD 斷裂伸長率和黃變指數。

(6)耐高溫熱氧試驗

將試樣放進150 ℃精密恒溫箱內，連續進行熱氧老化500 h，試驗結束后，觀察其表觀和黃變指數。

(7)序列老化試驗(二次循環)

序列1：將試樣放入紫外老化試驗箱內，設定試樣表面溫度為(60±5) ℃，輻照強度：波長在280～400 nm 范圍內紫外輻照量為60 kWh/m2，其中波長280～320 nm 的紫外輻照量為總輻照量的3%～10%。

序列2：序列1結束后，將試樣取出放入溫濕度循環環境試驗箱內，設定溫度在(-40±2)℃和(85±2)℃之間循環200次。

序列1 和序列2 構成一次序列老化循環，循環次數為2次，輻照面為空氣面。測試試驗后MD、TD 斷裂伸長率和黃變指數。

2 結果與討論

2.1 低溫力學性能分析

光伏組件用氟塑料薄膜的耐低溫性能是評判組件長時間戶外低溫使用是否出現開裂的一個關鍵指標。而力學性能指標中的彈性模量和斷裂伸長率可表征塑料薄膜的彈性變形能力，其中彈性模量值越大，即材料剛性越大，發生彈性變形越小。由表1 可知，1#和2#的彈性模量偏大，因此其彈性變形偏小，和圖1 所示的趨勢一致；同理3#和4#彈性模量數值相對偏小，因此其彈性形變數值偏大。由此說明，國產普通的和進口的PVDF 薄膜在低溫下均已變脆，基本失去彈性，PVF 薄膜及三代低溫PVDF 薄膜耐低溫性能優異。

表1 四種樣品的耐低溫性能

圖1 -40 ℃低溫對氟塑料薄膜力學性能的影響

2.2 耐老化性能分析

光伏組件戶外實際運行情況與室內試驗室單一老化測試結果有很大差異[5-7]，主要是由于戶外環境中同時含有紫外線、溫度變化、濕度變化等因素[8]，且單一的紫外和高溫高濕測試周期相對比較長，滿足不了當今光伏行業的快速發展，因此無錫市產品質量監督檢驗中心在國內首次提出一種加速老化試驗方法[9-11]，將紫外和高溫高濕兩個單純的試驗環境綜合考察，可模擬更真實的戶外環境條件[12]。

光伏組件封裝用氟塑料薄膜中由于含有C-F 鍵，而C-F鍵鍵能達到486 kJ/mol，因此它的抗紫外線性能優異，對波長200～400 nm 的紫外線輻照穩定，其薄膜放置戶外10 年、20 年也不會變脆和龜裂[13]。但由于氟塑料薄膜中還含有其他高分子材料，因此對其耐紫外性能監控也是評價材料可靠性必不可少的一種方法。

圖2 和圖3 所示分別為1#、2#、3#和4#四種樣品分別在紫外高溫高濕77.5 kWh 和干紫外UV 300 kWh 老化后，其MD和TD 力學性能的變化情況。從圖中可以看出，相對于單一紫外來說，紫外高溫高濕對樣品的破壞更強；在兩種老化條件后，4#樣品MD 和TD 斷裂伸長率數值最大，而1#和2#樣品經過老化后，TD 斷裂伸長率＜15%；由此說明，相對國產普通的PVDF 膜，三代低溫膜綜合老化能力顯著提高，其絕對值與PVF 膜相當。

圖2 紫外高溫高濕對氟塑料薄膜力學性能的影響

圖3 干紫外對氟塑料薄膜力學性能的影響

按照IEC61215-2016 標準要求，光伏組件需要進行濕熱老化試驗。圖4 所示為1#、2#、3#和4#樣品的耐濕熱老化性能，老化條件分別為PCT96h 和DH2000h。從MD 斷裂伸長率數值來看，1#、2#和4#均>100%，3#也維持在50%左右；從TD斷裂伸長率數值來看，1#出現明顯衰減，只能維持在20%左右，但4#樣品仍能保持在>100%的斷裂伸長率。由此說明，濕熱老化對MD 方向的影響較小，對TD 方向的破壞更強，三代低溫氟膜TD 方向耐濕熱老化性能優異，優于國產普通氟膜，有較大的改善。

圖4 濕熱老化對氟塑料薄膜MD 和TD 方向力學性能的影響

濕凍老化主要針對光伏組件戶外使用濕氣大、溫差大的地區，通過引入濕凍試驗考查濕氣以及高低溫對光伏組件最外層耐候層的影響，保證光伏組件外觀以及正常發電，通常標準要求為20 個循環。圖5 所示為三種氟塑料薄膜在濕凍20 個循環后，其MD 和TD 方向斷裂伸長率的變化趨勢。由圖5 可知，1#樣品TD 斷裂伸長率HF20 后僅有15%，而4#數值為342%。三代低溫膜耐濕凍老化性能有很大的改善。

圖5 濕凍老化對氟塑料薄膜MD 和TD 方向力學性能的影響

由于光伏組件戶外使用環境錯綜復雜，試驗室單一的常規老化無法模擬出戶外組件失效形態，通過序列老化(UV60kWh+TC200)二次循環試驗，可以更加有效地評估出光伏組件封裝材料的可靠性。圖6 所示為四種樣品通過序列老化二次循環的MD 和TD 斷裂伸長率測試結果，由圖可知，經過二次循環后，4#樣品的MD 和TD 斷裂伸長率均>100%，序列老化后三代低溫氟膜的力學性能仍能維持在較高水平。

圖6 (UV60kWh+TC200)二次循環老化對氟塑料薄膜力學性能的影響

光伏組件戶外使用時，一方面關注老化后的力學性能，另一方面封裝材料老化后的表觀是否黃變也可以直觀地反映出材料的耐候性。圖7 表示的是單一老化和序列老化兩種情況下氟塑料薄膜的外觀，按照標準黃變指數Δb≤2.0 的要求，3#樣品在序列老化二次循環和高溫熱氧老化后均出現超過標準的情況，尤其是150 ℃的高溫熱氧老化，黃變指數達到7.0 以上，樣品表面已呈現土黃色，可能是長時間的高溫熱老化，C-F 鍵發生斷裂從而產生具有共軛結構的多烯片段，而這種共軛結構的C=C 容易發生斷裂[14]，因此膜表現出現黃變。相比PVDF 薄膜，PVF 膜在序列老化和UL 熱斑測試中更容易出現外觀失效。

圖7 不同老化條件對氟塑料薄膜表觀黃變的影響

3 結論

本文通過對進口PVDF 薄膜、國產普通PVDF 薄膜、進口PVF 薄膜以及國內三代PVDF 薄膜進行低溫以及全面的耐候性評估，證明普通PVDF 與PVF 薄膜的力學性能確實存在差異，但通過物理改性和分子設計，國內三代PVDF 薄膜綜合性能已達到PVF 膜水平。