塑料薄膜之光伏背板市場分析

文勁松

（華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣州 510640）

0 前言

2020年9月22日，中國政府在第七十五屆聯合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和。”[1]，即“3060”碳達峰、碳中和計劃。2021年3月，我國將“碳達峰、碳中和”的戰略目標首次寫入政府工作報告，旨在改變能源結構，即從主要依靠化石能源的能源體系，向零碳的風力、光伏和水電等轉換，其中光伏發電是主要方向。背板作為光伏發電組件的關鍵輔件，對發電效率起著重要作用。本文介紹了光伏背板的作用、性能要求、常見結構以及國內主要背板生產企業的背板類型、性能和生產規模，并對背板的原材料PET基膜、氟膜和膠黏劑的現狀進行了分析。

1 背板簡述

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應將光能直接轉變為電能的一種技術，應用場景包括高原、沙漠、戈壁、水面、建筑屋頂等區域，需要連續使用25年以上。光伏發電的關鍵元件是晶硅太陽能電池片，為適用不同的環境和使用年限，必須對電池片進行封裝以形成組件。其結構如圖1所示[2]，從上至下通常由玻璃、封裝膠膜、電池片、封裝膠膜、背板等5層結構構成，其中背板和玻璃起密封、保護、絕緣等作用，封裝膠膜用于電池片與背板和玻璃的黏結。背板按其所用材料分為無機背板即玻璃和高分子有機背板，本文后續背板特指高分子背板。如果背板也采用玻璃，即為雙玻組件，否則為單玻組件（如圖1所示），組件玻璃一面直接面對太陽，背板位于組件的背面。目前光伏組件以單玻組件為主，但發展趨勢是雙玻組件占比會逐漸提高，因為雙玻組件可以雙面發電，提高了發電效率。圖2為某企業背板的生產現場，其生產的是白色背板，實際使用的還有黑色、彩色以及透明背板。

圖1 光伏組件結構Fig.1 Photovoltaic module structure

圖2 背板生產現場Fig.2 Production site of backsheets

背板位于光伏組件背面的最外層，直接與外部環境大面積接觸，為適用多樣的氣候環境及服役時間，背板需要滿足多種性能要求，如表1所示[3]。國家標準GB/T 31034—2014《晶體硅太陽電池組件用絕緣背板》規定了光伏組件背板的主要性能指標，其中背板的厚度偏差絕對值≤標稱厚度的10%，縱向及橫向斷裂伸長率≥80%，縱向熱收縮率≤1.5%，橫向熱收縮率≤1%，水蒸氣透過率≤2 g/（m2?d），層間剝離強度≥4 N/cm，背板與EVA膠膜的剝離強度≥40 N/cm。

表1 背板性能要求Tab.1 Requirements of performance of backsheets

單一的材料很難滿足這些性能要求，所以背板一般采用復合結構，其典型結構如圖3所示，其中PET膜作為基膜，氟膜或其他塑料薄膜通過膠黏劑黏附在基膜兩邊。PET膜具有優良的絕緣性能和力學性能，但耐候性較差，含氟樹脂膜包括聚氟乙烯（PVF）膜和聚偏氟乙烯（PVDF）膜，它們具有優良的絕緣性、耐候性和阻隔性，膠黏劑的主要作用是使PET基膜與氟膜、聚烯烴類薄膜黏結復合。PET膜與含氟膜通過工藝結合在一起的背板就能滿足組件的使用環境，具體的材料發展歷程請參考文獻[4]。

圖3 兩面復合背板結構Fig.3 Two sides laminated backsheet structure

按生產工藝，背板分為復合型和涂覆型。氟材料以氟膜的形式通過膠黏劑復合（一般是壓合）在PET基膜上，即為復合型背板，其氟膜完整，因此綜合性能優越，但成本高，如圖3所示；以含氟樹脂的形式通過特殊工藝直接涂覆在PET基膜上，膠黏劑混合在氟樹脂中，即為涂覆型背板，性能稍遜于復合背板，但具有價格優勢，它們的結構如圖4和圖5所示。

圖4 一面復合一面涂覆背板結構Fig.4 One side laminated and one coating backsheet structure

圖5 兩面涂覆背板結構Fig.5 Two sides coating backsheet structure

太陽能背板按含氟情況可分為雙面氟膜背板、單面氟膜背板、不含氟背板，因其耐候性等特性不同而適用于不同環境，總體來說對環境的耐候程度依次為雙面氟膜背板、單面氟膜背板、不含氟背板，其價格一般也依次降低。雙面氟膜復合背板由于其優越的耐候性能，能經受住嚴寒、高溫、風沙、雨水等惡劣環境，通常被廣泛應用于高原、沙漠、戈壁等區域；單面氟膜復合背板是雙面氟膜復合背板的降本型產品，相對于雙面氟膜復合背板其內層的耐紫外性和散熱性較差，主要適用于屋頂和紫外線溫和的區域。

2 背板企業狀況

全球光伏產業鏈基本都在中國，背板也一樣，早期由國外尤其是日本公司把持，但隨著中國公司的迅速崛起，國外背板企業由于不適應快速降本的需要，利潤率下降，市場份額逐步降低并退出了市場，2016年日本凸版和3M公司退出背板市場，2017年日本東麗公司退出市場，臺虹和伊索的產銷量也處于停滯狀態[3]。國內主要的背板生產企業包括蘇州賽伍應用技術有限公司（簡稱賽伍技術）、蘇州中來光伏新材股份有限公司（簡稱中來股份）、明冠新材料股份有限公司（簡稱明冠新材）、杭州福斯特應用材料股份有限公司（簡稱福斯特）、樂凱膠片股份有限公司（簡稱樂凱膠片）等，各企業主要背板產品分類如表2所示[2?3，5?7]。

表2 各企業背板產品分類表Tab.2 Classification table of backsheet products from each enterprise

早期以TPT、KPK背板為主，但PVF與PVDF膜價格高，尤其是PVF膜基本只有美國杜邦公司生產，所以，國內各企業通過研發，一方面用含氟涂料代替氟膜，另一方面用涂覆工藝取代復合工藝，在滿足光伏組件性能的前提下，成本大幅降低。如表2中的賽伍技術的F氟皮膜、中來股份的FFC氟涂料、福斯特的C氟樹脂等，更進一步，明冠新材的M膜和樂凱膠片的E膜，直接用聚烯烴膜取代氟膜。各企業厚度基本相同的背板性能如表3所示。可見，各企業產品的性能基本相同，都滿足相關標準。

表3 背板性能對比Tab.3 Backsheets performance contrast

2020年與2021年各公司背板銷售情況如表4所示[5?7，12?14]。

據中國光伏協會統計，2021年全球新增光伏裝機量為170 GW，其中單玻組件占比62.6%[13]，實際按1∶1.2生產，即單玻組件為170×1.2×62.6%=127.7 GW，一般每GW需500×104m2的背板，所以2021年的背板需求量為500×127.7=63 852×104m2，表4中的6家企業的銷售量達到了59 995×104m2，其中中來股份第一，賽伍技術第二（2021年前連續多年第一），他們兩家的銷售量與其余4家相當。同時，由于技術差異，各企業的毛利潤率相差較大，中來股份主打雙面涂覆，成本低，所以毛利最高，明冠新材一面采用聚烯烴膜，毛利也高，樂凱膠片主要是背板厚度厚，又大量采用T膜，雖然單價高，但毛利低。

表4 銷售比較Tab.4 Sales comparison

2021年氟膜價格大幅提高，漲幅在兩倍以上，而背板 90%的成本是材料，如表 5 所示[5?7，12?14]，導致各企業2021年雖然單價提高了，但毛利下降，成本不能完全轉嫁下游組件公司。

表5 材料成本 %Tab.5 Material costs %

3 背板組成材料

3.1 PET基膜

PET是由精對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（MEG）在催化劑的作用下經加熱縮聚而成的一種結晶型聚合物，即聚酯切片，長期使用可耐高溫達120℃，短期使用可耐150℃高溫、-70℃低溫，且高低溫時對其力學性能影響很小。聚酯切片經干燥、熔融、擠出、鑄片和拉伸而制成PET膜，如果只單向拉伸則稱為CPET，主要用于包裝；采用縱橫雙向拉伸則為BOPET，現在95%以上的PET膜為BOPET，其中的中高端PET膜主要用于光學膜和光伏背板膜。生產公司包括日本東麗株式會社、日本杜邦帝人薄膜公司、韓國SK化學等，國內包括江蘇雙星彩塑新材料股份有限公司（簡稱雙星新材）、航天彩虹無人機股份有限公司（簡稱航天彩虹，原浙江南洋科技股份有限公司）、江蘇裕興薄膜股份有限公司（簡稱裕興股份）、四川東材科技集團股份有限公司（簡稱東材科技）等。由于國產化PET基膜具有明顯的價格優勢，國內太陽能電池背板用PET基膜已基本實現進口替代。據上述公司2021年報，雙星新材市場占有率超過30%，銷售量110 kt，收入超過12億元，毛利率34.93%，遠超背板生產企業；裕興股份市占率21%，兩家公司的市占率超過50%，東材科技的銷售量30 kt。據賽伍技術、明冠新材招股說明書（簡稱IPO文件）[2?3]，雙星新材已是這兩家公司的第一大PET基膜供應商，裕興股份、東材科技、航天彩虹也進入了前三供應商。

中高端PET膜的生產具有以下特點：

（1）設備需進口，且周期長。基膜生產關鍵工序包括PTA與MEG的縮聚反應生成聚酯切片、擠出和雙向拉伸，縮聚反應與擠出設備德國的歐瑞康巴馬格（oerlikon barmag huitong engineering，OBHE）公司生產的性能最好，德國的布魯克納（Brückner Group）是最好的雙向拉伸設備生產廠商，所以這兩家德國公司的設備組成的生產線生產的產品品質最好。但兩家公司的產量有效，交貨周期長，而且安裝調試時間也長，據裕興股份介紹：當前新接訂單交貨需要約4年，這還不包含安裝、調試和試生產時間[15]。雙星新材在2017～2019年行業景氣度低迷的時候，訂購了大量的布魯克納拉伸設備，2021年投產了6條50 kt生產線，2022年5月再投產一條線，預計還要投產3條線，共計擴產500 kt BOPET膜，大部分用于光學膜，少部分用于背板基膜，投資金額高達38億元[16]。

（2）技術壁壘高。高分子材料配方不同，材料性能差別很大，即使同一配方，工藝參數改變，性能也會變化，這些都需要長期的積累，僅僅只有先進的設備遠遠不夠，還需要大量有實際經驗的技術人員。

以上原因，導致BOPET膜擴產困難，在產業鏈中具有話語權，從毛利率即可看出，在原材料價格大幅增長的情況下，雙星新材的光伏膜毛利率從2020年的24.24%提高到2021年的34.93%[16]，而背板公司的毛利率基本都是下降的，2021年中來股份的毛利率最高，也只有21.06%。

為適用新的背板結構，各基膜企業正在抓緊研發高耐候透明PET基膜。

3.2 氟膜

PVF膜由美國杜邦公司生產，其商標為Tedlar，所以簡稱T膜，其TPT背板結構是最早使用的，已經經過了30年以上的實際應用，證明其結構、性能穩定，能滿足組件25年以上的時間要求。但T膜價格昂貴，因此市場規模在減少，主要用于大型地面電站。

PVDF膜是為替代PVF膜而研發的，最早由法國的阿科瑪公司生產，其商標為Kynar，所以簡稱K膜，典型背板結構為KPK，美國杜邦公司、韓國SKC等也有生產。國內嘉興高正新材料科技股份有限公司（簡稱嘉興高正）、杭州福膜新材料科技股份有限公司（簡稱杭州福膜）、中天科技精密材料有限公司（簡稱中天科技）等也可生產PVDF膜，近年來，隨著國內氟膜生產企業技術水平的提升，生產成本逐步降低，國產氟膜在市場上逐漸被背板企業接受，其市場份額也逐漸提升，據賽伍技術與明冠新材IPO文件顯示，嘉興高正、杭州福膜、中天科技等都已進入它們的前五大供應商。

為了進一步降低成本，各企業都研發了含氟涂料，如前所述。

由于含氟塑料不易分解，焚燒會產生有毒氣體，所以背板的回收處理困難，現在各企業正在研制環保型背板，包括用聚烯烴膜取代氟膜等。

3.3 膠黏劑

膠黏劑主要用于復合型背板中氟膜與PET基膜的黏結，以及涂覆于基膜表面直接形成功能性膜。太陽能背板生產所需的膠黏劑生產技術壁壘較高，市場主要為法國阿科瑪公司旗下的波士膠（Bostic）、德國漢高（Henkel）和日本東洋紡織株式會社等國外少數企業占領。我國膠黏劑的生產主要以中低檔膠黏劑產品為主，能適用于氟膜與PET基膜黏結的高品質膠黏劑只有賽伍技術等極少公司生產，賽伍技術就是由背板膠黏劑生產企業發展為背板生產企業的[3]。

因為對成本的把控能力以及使用場景的不同，國內背板生產企業與國外的企業走上了不同的技術道路，國內以集中式大型地面光伏電站為主，對25年的使用壽命要求嚴格，所以國內背板絕大部分含氟，為了降低成本，生產工藝由復合氟膜改進為涂覆含氟涂料。而歐洲和日本以分布式的屋頂戶用光伏發電系統為主，對價格比較敏感，因此國外企業以生產非氟背板為主，比如意大利Coveme公司徹底摒棄了氟聚合物，采用PET基膜，并在最外側使用紫外輻照穩定的聚酯膜（P），內層采用聚乙烯膜（E）由此形成了PPE背板，該類背板的結構為改性聚酯/聚酯/聚乙烯。更有甚者，改變基膜，采用共擠工藝一步法生產，如荷蘭帝斯曼公司開發的APO背板采用具有優異水汽阻隔性能的聚烯烴PO作為基材，搭配抗紫外性能優異的PA12，使用共擠成型，這種背板性能優異，而且消除了層間剝離的風險。隨著今年俄烏沖突帶來的能源危機，歐洲對光伏的需求急劇上升，中國企業也在抓緊非氟背板的生產。總之，在背板生產環節，不管是技術還是產量，國內企業均領先國外企業。

4 發展趨勢

光伏發電的目標是降本增效，所有的技術迭代都是圍繞這個目標進行的，具體到組件封裝就是雙面發電的雙玻組件逐步取代單面發電的單玻組件，據中國光伏行業協會統計，2020年度全球新增裝機130 GW，其中單玻組件占比約70.3%，雙玻組件約29.7%；2021年度全球新增裝機170 GW，其中單玻組件占比約61%，即104 GW左右、雙玻組件占比約39%。中國光伏行業協會預測，2022年全球新增裝機195～240 GW，同時單玻組件的占比將進一步下降至57%即111～136 GW，到2025年全球新增裝機可達270～330 GW，但單玻組件占比進一步下降到46%即124～151 GW[3]，總之，背板的增量趕不上光伏裝機量的增幅。

但光伏行業一直與國家政策相關，2021年6月國家能源局發布了《關于報送整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點方案的通知》，重點發展戶用分布式光伏發電，同時，今年2月俄羅斯烏克蘭沖突的爆發，導致世界能源緊張，尤其是歐洲為擺脫對俄羅斯石油天然氣的依賴，加快了新能源的應用步伐，據媒體報道[17]，歐盟委員會在官網公布了“REPowerEU”能源計劃細節，歐盟委員會要求在2030年之前實現“1/2能源來自于可再生能源”這一目標，并且建議引入義務“為所有新建筑物和能源績效D級及以上的存量建筑（能源強度最高）的屋頂建造太陽能裝置”。這個政策的實施，有可能導致分布式光伏組件的裝機量大于集中式電站的裝機量。2022年4月27日，國家能源局公布了國內一季度光伏新增裝機1321萬千瓦即13.21 GW，其中分布式887萬千瓦[18]，首次出現分布式裝機量大于集中式裝機量的情況。

分布式主要用于屋頂、建筑墻面，這些地方承重有限。單玻組件質量比雙玻組件輕，如中國最大的光伏組件生產企業隆基綠能科技股份有限公司的LR4?72HPH?450M組件為單玻組件，采用3.2 mm玻璃+背板封裝，質量24.3 kg；LR4?72HPD?450M組件為雙玻組件，采用兩塊 2.0 mm玻璃封裝，質量27.5 kg[19]，雙玻組件比單玻組件重了10%以上，而且現在組件在往大尺寸方向發展，質量差別會更大，這將導致安裝運輸成本大大增加，由于以上原因，分布式發電一般采用單玻組件。所以在未來幾年，背板還將有比較大的增量。

為了增加發電效率，又減輕重量，一個替代雙玻組件的方案是用透明背板代替玻璃背板，即一面玻璃，一面透明背板，所以現在雙玻組件一般改稱為雙面組件。

傳統的背板為白色和黑色，透明背板則采用透明的PET薄膜，復合透明氟膜或涂覆透明氟涂料。透明組件具有高透光率，導致太陽光中的紫外線可以穿透整個背板，對背板的內層PET、膠黏劑造成破壞。所以透明背板在具有高透光率的同時，還必須高耐候、高耐紫外。中來股份公司通過無機納米雜化材料改性涂層來提高透明背板的耐紫外性能；通過不同折光指數膜層的組合，提高可見光透過率達到了94%；在透明背板上引入白色高反射網格即透明網格背板提高太陽能電池組件的發電效率，據一年時間的測試，發電量平均增益1.2%[20]。賽伍技術、明冠新材、福斯特等都有透明背板產品。

雙星新材、東材科技等PET基膜生產公司都在研發強化耐候PET以滿足透明背板的性能要求，如果采用復合方法，膠黏劑在紫外線的照射下容易分解，所以膠黏劑的研制直接關系到透明背板的性能與壽命，各家背板企業都在抓緊研發。

以下是各企業正在擴產和研發的項目。

（1）福斯特[6]：

年產1.1×108m2的光伏背板項目。

功率增益型黑色背板和綠色無氟環保型背板的研發。

（2）明冠新材[12]：

年產3 000×104m2太陽能電池背板擴建項目。

高效異質結電池組件用透明背板薄膜的研究與開發：除滿足常規透明背板可靠性要求外，其關鍵指標為具有較低的水汽透過率，能夠滿足異質結電池對于水蒸氣敏感性的嚴苛要求，其他性能可靠性滿足行業要求。

建筑光伏一體化組件高絕緣材料的研究與開發：篩選出適合于耐候PET與內層薄膜的高粘結力基體樹脂，在樹脂主鏈中引入特定官能團和添加特種交聯劑、穩定劑等措施，使膠黏劑的耐候性能得到很大的提升。

太陽能光伏用低克重膠黏劑的研究與開發：優化膠黏劑配方設計，得到一款優異的低克重膠黏劑，可以極大的提升背板多層膜之間的粘接強度，相應的可以減少膠黏劑的使用量，最低使用克重可降低20%。

（3）中來股份[5]：

高阻水背板開發：開發一款具有高阻水性能的透明背板，應用于新型太陽能電池組件。

透明前板開發：開發一款具有高透光率、高耐紫外性能、高硬度耐劃傷的高分子膜材料產品。

紅外阻隔材料開發：開發一種可以吸收波長>1 200 nm，同時對于<1 200 nm波長的光學透過不影響的新材料，應用于光伏背板或者透明前板，可以有效降低組件工作溫度。

自清潔透明背板開發：開發具有自清潔功能的背板，減少電站維保頻次，增加發電量。

（4）賽伍技術[13]：

兩面同時高速涂布的連續化工藝生產透明網格背板和高耐磨透明背板。

（5）樂凱膠片[7]：

年產3 000×104m2光伏背板產能擴建項目。

（6）雙星新材[16]：

透明背板PET基膜研發：完成透明強化背板PET基膜系列產品開發，產品平整度直線度優，膜面潔凈，滿足組件封裝需求。

（7）東材科技[21]：

年產20 kt特種功能聚酯薄膜項目。

（8）裕興股份[15]：

年產28 kt特種太陽能背材用聚酯薄膜生產線。

光伏雙面發電組件用聚酯薄膜的研制：研發透明背板基膜使雙面光伏組件具有透光率高、阻隔性好、抗紫外黃變小、抗水解老化性能優等優點。

光伏組件用共擠型聚烯烴背板的研制：研制的背膜為綠色環保，在回收過程中不會產生劇毒有害物質；且借助多層共擠工藝的又可提升背膜生產效率，降低成本。

背接觸太陽能組件用功能復合膜的研制：在滿足背板使用要求的前提下，有效降低背板制造成本。

從各企業擴產情況來看，因為雙玻組件的占比的提升，所以傳統背板產能的擴產相對克制。由于透明背板有可能替代部分光伏玻璃，所以各企業集中進行透明背板的研制，包括高耐候的透明PET基膜、透明氟涂料以及膠黏劑。相信在不久的將來，透明背板會大規模運用到光伏組件中。

5 結語

近10年來，在相關光伏背板企業的不懈努力下，從氟膜、PET膜到膠黏劑基本實現了國產替代，同時用氟涂料涂覆工藝替代高成本的氟膜，為光伏發電平價上網做出了重要貢獻。為適應新的光伏組件的需要，各企業還需要在以下幾方面著重研究：

（1）環保：新能源的大量使用，主要目的就是減少排放，保護大氣層，因此制造光伏組件的零部件也應該環保，但背板使用的氟膜，難降解導致回收難，所以隨著光伏發電的快速發展，背板的回收利用是亟待解決的問題。

（2）降本：光伏產業鏈各環節的降本增效是推動光伏發展的主要動力，也將一直是光伏發展的主旋律，而氟膜既不環保還價格昂貴，所以，研發新的取代氟膜的材料迫在眉睫。

（3）不同使用場景的背板開發：比如中國西部沙漠地區使用的背板需具備更好的散熱性、耐紫外性、耐風沙磨損和耐日夜溫差等；而在東部沿海應用的背板應有更低的水汽透過率、更好的耐水解性和耐鹽霧性等。

（4）適用光伏組件雙面發電的需要：組件雙面發電是大勢所趨，其占比越來越高，而且組件生產企業一般采用玻璃背板，雖然透明背板可以替代玻璃背板，但透明背板并沒有經過長時間的使用考驗，所以怎樣說服組件企業使用透明背板任重道遠。

相信通過中國企業的努力，我們能真正把光伏全產業鏈牢牢掌握在自己手里。