光伏電池組件是太陽能光伏發(fā)電最基本的單元，背板位于太陽能由池組件背面的最外層，用于防止光伏組件因環(huán)境因素對聚合物膠膜、電池峰材料的侵蝕。
為了使太陽能電池保持最佳的工作狀態(tài)并維持25或30年，甚至更長的使用壽命，光伏背板應(yīng)具有可靠的機(jī)械性和電氣絕緣性、優(yōu)異的耐高低溫性、水汽阻隔性和耐紫外老化性等。
光伏電池組件
目前主流的光伏背板為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括基材層、保護(hù)層以及膠黏層，基材層主要為PET層，保護(hù)層主要為氟膜。
啞光ETFE氟膜
PET基材作為背板材料已有30多年的實(shí)際應(yīng)用歷史，但是，PET材料在濕熱條件下易開裂、脫層，附著力下降，耐候性和耐水汽阻隔性較差。氟膜雖然能夠?yàn)楸嘲逄峁┠秃蛐?、耐磨性、阻燃性、阻水性等，但其降解難、容易對環(huán)境造成污染。
而聚烯烴材料通過改性加工后可以彌補(bǔ)這些短板，并且聚烯烴相比于PET具有更好的耐水汽阻隔性。因此，用聚烯烴材料全部或部分代替氟膜和/或PET基材，以得到更加綠色環(huán)保的光伏背板，同時(shí)改善背板的耐候性、耐水汽阻隔性等，是目前光伏背板的一個(gè)主要發(fā)展應(yīng)用方向。
聚烯烴
我國已經(jīng)成為全球最大的背板生產(chǎn)國，但在實(shí)際應(yīng)用中我國仍以含氟背板為主，而歐洲和日本的非氟背板市場占比更大。因此，我國企業(yè)除了生產(chǎn)含氟背板外，還應(yīng)針對世界各國的不同需求，積極研發(fā)和生產(chǎn)其他材料和性能的背板。
本文對聚烯烴類光伏背板的中國專利申請進(jìn)行分析，具體分析該領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)，以期對國內(nèi)光伏背板生產(chǎn)企業(yè)的專利申請、保護(hù)策略、技術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用等方面提供參考。
我國聚烯烴類光伏背板重點(diǎn)專利技術(shù)
根據(jù)聚烯烴背板的構(gòu)成材料，將聚烯烴類背板分為無氟無PET的全聚烯烴背板、含氟無PET的聚烯烴背板、無氟含PET的聚烯烴背板、含氟含PET的聚烯烴背板。
聚烯烴背板
無氟無PET的全聚烯烴背板
全聚烯烴背板由于舍棄了傳統(tǒng)背板材料中的PET基材和氟膜，相應(yīng)的也會損失這兩種材料本身賦予背板的優(yōu)異性能。因而在制備全聚烯烴背板時(shí)，需要對各層聚烯烴材料和或加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，使其綜合性能滿足太陽能背板在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的需求。
對于聚烯烴材料的選擇和改性
聚烯烴材料作為太陽能背板的基材，在長時(shí)間電池板的重力下，容易導(dǎo)致背板韌性不足，造成背板彎曲、破裂、損壞等。
對此，浙江中聚公司在制備雙層全聚烯烴背板時(shí)，通過選擇一定熔融指數(shù)的茂金屬線性低密度聚乙烯、聚丙烯和一定熔點(diǎn)的乙烯丙烯無規(guī)共聚物作為內(nèi)外層材料，保證了背板的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，并在外層添加乙烯丙烯無規(guī)共聚物，進(jìn)一步提高背板的韌性。
蘇州度辰公司制備的三層全聚烯烴太陽能背板，上、下層均為聚烯烴樹脂組合物，芯層是以硅烷接枝改性的聚烯烴為主要成分的聚乙烯樹脂組合物，通過硅烷接枝改性提高聚烯烴的耐熱溫度，在改善背板的耐低溫沖擊性、黏結(jié)性能、耐透水性能和電絕緣性能的同時(shí)顯著改善耐高溫濕熱性能。
圖源：蘇州度辰公司
蘇州賽伍公司制備的太陽能電池背板包括空氣側(cè)保護(hù)層、骨架層及膠膜側(cè)黏結(jié)層，其中，空氣側(cè)保護(hù)層為改性聚丙烯層，能夠提高背板的表面硬度，改善表層耐劃傷性，同時(shí)提供較高的耐熱性能，確保產(chǎn)品壓合過程中不會出現(xiàn)離型簿或離型膜壓痕。
中間的骨架層用聚烯烴共混改性材料替代傳統(tǒng)的PET材料，改善背板的耐水解性和水汽阻隔性，滿足光伏組件在高濕地區(qū)下的安全穩(wěn)定使用;而膠膜側(cè)黏結(jié)層采用改性聚乙烯層，提高產(chǎn)品與膠膜黏結(jié)力。
對于填料的選擇
浙江中聚公司研究了一系列單層或多層聚烯烴背板，通過在聚烯烴層添加不同的填料以改善聚烯烴背板的綜合性能。
例如，用復(fù)配的石英粉、硫酸鋇和氮化鈦?zhàn)鳛榫巯N背板的外層填料，提高背板外層對可見光、紫外線和紅外線的反射，進(jìn)而提高背板的反射率;在雙層聚烯烴背板的外層通過包覆的稀土金屬氧化物和其他填料之間的協(xié)同作用，將400nm~920nm波段的光全部反射。
聚烯烴背板
而為了改善光伏背板的散熱性，在全聚烯烴背板內(nèi)層添加氮化硼納米片和改性氧化石墨烯，提高熱量向外層的傳導(dǎo)，進(jìn)而提高背板整體的導(dǎo)熱系數(shù)和散熱性能。
在聚烯烴背板外層添加鈦酸鉀晶須，提高整體背板的耐熱性能和絕緣性能，以及背板的力學(xué)強(qiáng)度和耐光老化性能，另外，在聚烯烴背板內(nèi)層中添加電壓穩(wěn)定劑，進(jìn)一步提高了內(nèi)層背板的絕緣性和抗光老化性能。
為了提高導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，在背板內(nèi)層添加納米AIN，并在外層和中層通過特定的添加劑保證了光的透過率和耐變黃性，使太陽能電池組件的工作效率和使用壽命得到提高。
對于工藝的選擇
聚烯烴膜的生產(chǎn)工藝包括熔融共擠出、淋膜工藝等。浙江中聚公司主要是通過熔融共擠出的方式將內(nèi)外層聚烯烴一體擠出成型，制備不含氟膜和PET基材的全聚烯烴太陽能背板，通過該共擠出方式提高了背板整體的牢固穩(wěn)定性，避免背板長期在外界惡劣的環(huán)境下出現(xiàn)開裂、脫層的風(fēng)險(xiǎn)，提高了太陽能光伏背板的使用壽命。
而蘇州賽伍應(yīng)用技術(shù)股份有限公司采用三層共擠或淋膜工藝，一次成型制備封裝一體化的聚烯烴光伏背板，其中未使用膠水，不需要涂覆烘干過程，因而不存在有機(jī)溶劑污染，且加工成本較低，制備的背板具有良好的阻水性能，與太陽能電池片的黏結(jié)力好，長期使用未產(chǎn)生光熱老化現(xiàn)象，無腐蝕，耐候性好，長期使用無黃變。
光伏背板示意圖 圖源：蘇州賽伍
無氟含PET聚烯烴背板
PET材料是目前應(yīng)用最廣泛的背板基材，具有優(yōu)異的絕緣性能和力學(xué)性能，目前很多專利是以聚烯烴材料代替氟膜保護(hù)層來制備無氟但含有PET的聚烯烴背板。
例如，蘇州中來公司采用聚烯烴層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氟膜作為保護(hù)層制備得到的光伏背板包括耐濕熱老化層、基材層和耐濕熱老化層，其中的耐濕熱老化層為填充改性的聚烯烴層，基材層為PET與PP共混改性的PET層。在改善光伏背板的耐濕熱老化性能的同時(shí)，避免了氟膜的環(huán)境污染問題。
無氟含PET聚烯烴背板
康維明工程薄膜(張家港)有限公司制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)無氟光伏背板，外層為PET聚酯薄膜，中間層為聚氨酯樹脂黏合劑，內(nèi)層為PE薄膜，PE薄膜為添加有Tio阻隔填料的白色聚乙烯薄膜。無氟光伏背板中不含有氟元素，更貼合現(xiàn)有國家對生態(tài)及環(huán)保的要求，提高光伏背板的環(huán)境友好性。
常州大學(xué)制備的夜間可發(fā)電無氟陽燃太陽能電池背板，第一層為具有夜光功能改性的聚烯烴層第二層為經(jīng)過增黏改性的陰燃聚酯層，第三層為具有夜光功能改性的聚烯烴層。有效提高了太陽能電池組件的發(fā)電效率。
含氟無PET聚烯烴背板
針對PET背板耐水阻隔性能較差的缺陷，有些公司采用聚丙烯代替PET基材作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)層以改善背板的耐濕熱性能和耐候性等，并相應(yīng)的降低成本。
例如，蘇州尚善公司采用聚丙烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PET作為基材制備聚烯烴背板，所述背板包括耐候?qū)印⑦B接層、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)層和反射層，其中結(jié)構(gòu)增強(qiáng)層為聚丙烯，用其提高背板的耐濕熱性能，耐候?qū)訛閭鹘y(tǒng)的含氟材料層。
蘇州賽伍公司用聚烯烴共混物層代替PET基材制備水汽阻隔膜，水汽阻隔膜包括中間芯層，以及分別設(shè)置于所述中間芯層的上下兩側(cè)的PET層，所述中間芯層由聚酯、聚烯烴和相溶劑的共混物制備得到。
具有三層結(jié)構(gòu)水汽阻隔膜具有較好的水汽阻隔性以及良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，口以替代現(xiàn)有的背板材料中的PET基材。
含氟含PET的聚烯烴背板
雖然聚烯烴具有優(yōu)異的耐水阻隔性、耐候性、黏結(jié)性，但是因?yàn)楣夥M件使用環(huán)境的不同，對于光伏背板的性能要求也不相同，例如在我國的西北地區(qū)，UV紫外線強(qiáng)烈，非氟背板可能存在變黃、變薄、有裂紋的問題，另外，聚燒烴相對于PET而言，作為基材在耐絕緣性和機(jī)械性能方面需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
因此有很多公司的另一個(gè)研發(fā)目標(biāo)是在目前已有的由含氟保護(hù)膜和PET基膜組成的光伏背板中，添加一層或多層的聚烯烴層或者替代內(nèi)外氟保護(hù)膜層中的一層，以在保持背板已有的PET基材和氟膜性能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善背板的水阻隔性、耐候性以及黏結(jié)性等。
聚烯烴作為阻水層
背板的阻水能力影響組件的發(fā)電效率以及使用壽命，而氟膜是背板各組成中阻水能力最弱的部件，因此，對于含氟背板耐水阻隔性能的改進(jìn)尤為重要。
一種改進(jìn)方式是，在原有的光伏背板結(jié)構(gòu)中增加聚烯烴層作為阻水層以改善背板的阻水性能。如，蘇州賽伍公司制備的高阻水透明背板，其在兩個(gè)基體層之間增加聚丙烯層作為高阻隔層顯著提高了背板的透水阻隔性，制備的背板整體水汽透過率可以達(dá)到1a/m2·day以下，同時(shí)具有優(yōu)良的而紫外性和濕熱老化性。
蘇州中天公司則是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在光伏背板中增加兩層耐候聚烯烴薄膜，背板由耐候外層A、耐候外層B、中間PET基層、內(nèi)層A及內(nèi)層B由上至下依次疊加構(gòu)成。耐候外層B和內(nèi)層A為耐候型聚烯烴薄膜，耐候外層A為氟膜，內(nèi)層B為氟樹脂或其他樹脂。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)明顯提高了背板的水汽阻隔性、導(dǎo)熱性、反射率等性能。
另一種改進(jìn)方式是，用聚烯烴層代替?zhèn)鹘y(tǒng)含氟保護(hù)層中的一層。如，蘇州中來公司制備的含氟背板依次包括含氟涂層、PET層、黏合劑層和改性聚烯烴層，其利用改性聚烯烴層代替其中的一層含氟保護(hù)層來改善背板的水汽阻隔性、絕緣性和黏結(jié)性。
比亞迪公司制備的無PET層的太陽能電池背板，由含氟涂層、絕緣基片層和耐濕熱層依次組成，絕緣基片層為聚酯片。
無PET層的太陽能電池背板
耐濕熱層通過聚烯烴樹脂直接固化形成，所述聚烯烴樹脂中含有熔點(diǎn)低于85℃的茂金屬聚烯烴和有機(jī)過氧化物，無需采用黏結(jié)劑層，無需添加EVA;
固化過程中茂金屬聚烯烴發(fā)生進(jìn)一步交聯(lián)固化，形成的涂層與絕緣基片層具有良好的黏結(jié)性能，且具有比EVA更好的耐水汽透過性能，形成的耐濕熱層為白色能發(fā)射光，使得太陽能電池背板具有良好的耐水汽透過性。
聚烯烴作為耐候?qū)?/strong>
肇慶東洋鋁業(yè)有限公司將聚烯烴層作為E膜層用于光伏背板中，制備高壓光伏背板，包括依次設(shè)置的E膜層、膠黏層、聚酯中間層、膠黏層和氟膜層。所述E膜層從上到下依次為中密度聚乙烯層、高密度聚乙烯層和低密度聚乙烯層。E膜層能夠阻隔紫外線，提高光伏組件的耐候性。
聚烯烴作為黏結(jié)層
在現(xiàn)有的含氟背板中，氟材料的黏結(jié)性較差。為了提高光伏背板的黏接性，蘇州中來光伏公司將聚烯烴黏結(jié)層復(fù)合到背膜上，將兩者做出一體式結(jié)構(gòu)，有利于與其他部件進(jìn)行黏結(jié)，所述背膜依次包括氟樹脂層、膠黏劑層、基材層、膠黏劑層、聚烯烴黏結(jié)層。
江蘇潤華膜業(yè)科技有限公司制備的高壓無氣噴涂復(fù)合法成型PVDF涂氟背板依次包括底板、中間層、黏結(jié)層、保護(hù)膜和含氟涂層，其中黏接層為聚烯烴層。采用聚烯烴作為黏接層可以讓背板隔層之間黏接牢固，整體上提升背板的強(qiáng)度，黏接效果更加好。
高壓無氣噴涂復(fù)合法成型PVDF涂氟背板
目前，雖然聚烯烴類光伏背板在國外應(yīng)用較為廣泛，但是在我國的應(yīng)用相對較少，而隨著各地不斷建起的光伏產(chǎn)業(yè)，背板的市場需求不斷增大。
國內(nèi)企業(yè)可以針對太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的地理環(huán)境差異，在充分了解聚烯烴類光伏背板的發(fā)展?fàn)顩r，以及聚烯烴材料在該領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)的情況下，有針對性的采用聚烯烴類材料改進(jìn)和/或替換傳統(tǒng)光伏背板中的部分或全部材料，以提高背板質(zhì)量和性能，適應(yīng)不同實(shí)際環(huán)境的需求，拓寬應(yīng)用范圍。
另外，國內(nèi)高校和科研院所可以在了解該行業(yè)前景的情況下，利用其研發(fā)優(yōu)勢，有針對性地對聚烯烴材料的性能本身進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于光伏背板領(lǐng)域，并積極尋求與相關(guān)企業(yè)的合作，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測試和應(yīng)用生產(chǎn)。
參考資料：聚烯烴類光伏背板中國專利技術(shù)分析、光伏產(chǎn)業(yè)通
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