【案例】太阳能光伏背板紫外、湿热加速老化分析

提到光伏产品，相信已家喻户晓。从地面光伏电站，到房屋建筑一体化BIPV、太阳能发电高速公路，节能汽车等方面都有光伏产品的影子，相信在不久的将来光伏的应用会更加广泛。

光伏背板由高分子材料组成，有一些光伏背板在使用一段时间后，会提前暴露出明显的质量问题，甚至会导致组件失效。当前光伏背板暴露出来的其中一个严重问题就是背板开裂。

晶体硅太阳能电池结构

01

背板材料工艺分析

1）含氟背板：含氟背板是指以氟膜或含有氟涂层作为耐候保护层的背板。由于C—F键键长小、键能大，使得含氟材料本身具有优异的耐紫外、耐腐蚀和耐热性能，适合作为背板保护层材料。常见的含氟背板材料有PVF（聚氟乙烯）和PVDF（聚偏氟乙烯）两种，外加FEVE氟碳涂料。

2）不含氟基膜：

PET基膜：PET是由对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（MEG）在催化剂的作用下经加热缩聚而成的一种结晶型聚合物，即聚酯切片，长期使用可耐高温达120 ℃，短期使用可耐150 ℃高温、-70 ℃低温，且高低温时对其力学性能影响很小。聚酯切片经干燥、熔融、挤出、铸片和拉伸来制成PET膜，如果只单向拉伸则称为CPET，主要用于包装；采用纵横双向拉伸则为BOPET，现在95%以上的PET膜为BOPET，其中的中高端PET主要用于光学膜和光伏背板膜。

聚酰胺背板：也称尼龙背板，多使用3层共挤工艺制得，典型结构为PA/PA/PA。APE结构背板的外层为PA材质，此类背板的水汽透过率低，断裂伸长率高达500%以上，但强度不足20 MPa。此外，还有使用聚酰胺薄膜代替氟膜制作的复合型背板。紫外辐射对聚酰胺类的背板影响较大，若用于紫外辐射较强的地区，其风险也较传统含氟背板大。

02

失效性分析

背板开裂作为光伏组件常见的一种失效问题，其中以行业早期使用的聚酰胺类背板最为严重。

1）二氧化钛及其耐紫外的添加：

背板为了满足户外长期使用的需求，一般都会在PET两侧通过涂覆或者复合一层氟材料来保护PET。为满足耐紫外的性能需求，传统的白色背板中都会添加有机紫外吸收剂，如二苯酮类、水杨酸酯类、苯并三唑、三嗪类等，此类化合物在紫外线长期照射下会失效，长期性能欠佳。其中一些会添加无机物如金红石型的钛白粉（二氧化钛）来阻隔紫外线的作用，具有一定的长期稳定性。但二氧化钛也是一种光催化剂提供载流子，从而诱导氧化还原反应。导致背板上的高分子材料出现降解，宏观上出现脆化、掉粉现象，最终背板发生开裂。

2）PET薄膜水解：

PET薄膜是背板的重要组成部分，在光伏组件工作期间，PET集采除了发生光老化以外，还会发生湿热老化。湿热老化后的PET薄膜性能对光伏组件的电气性能和力学性能会产生影响。PET分子链中含有大量的酯基链段，酯基在高温环境下易发生水解反应，使得分子断裂，产生羧基（—COOH），羧基电离出氢离子，氢离子进一步催化PET降解，发生自催化效应，使PET分子量降低，最终导致组件电气性能和力学性能下降。

3）聚酰胺自身的老化：

根据报道通过对老化前后的聚酰胺背板进行红外检测，非酰胺键的羰基峰明显增加，这是由于背板在湿热老化过程中，酰胺键发生水解所致。老化后的背板脆化和变色问题的原因是酰胺键水解过程中导致聚酰胺分子链发生断裂，产生的羰基中间体在与空气中水和氧气作用生成了醛、通等有色物质。经过PCT老化的聚酰胺都出现了聚酰胺结晶。这些现象印证了光氧化降解机理，在紫外辐照环境下背板老化主要是以聚酰胺的光降解为主。

4）PVDF材料的晶型转化：

PDVF聚合物类背板经过老化试验后同样会出现开裂状况，开裂过程中会发生明显的形变。如下图所示，PVDF的β相是PVDF的细长的全反式极性构象，而α相是左扭式的非极性构象，形成螺旋型结构裂缝尖端的聚合物形态是有序和定向的，与β相PVDF一致。与先前的研究相吻合，在破裂和应变的纯PVDF聚合物中可发生α到β相变，相变是裂纹扩散机制的部分原因。在球晶的刚性片层中也会出现裂纹，此类为片层裂纹，并不是由晶型相变引发的。

(a)为非压电的α相PDVF  (b)为压电的β相PDVF

03

加速老化模拟

光伏背板老化需要具备的条件是：光照、水汽和温度，三者缺一不可。根据光伏产品最常用的检测标准IEC61215和IEC61730要求，设置温度为85℃，湿度为85%RH，辐照量为120kWh/m²，测试时间为1000h。

1）傅里叶红外光谱仪分析 (FT-IR)：

聚酰胺类背板在老化后酰胺键发生水解。可以使用FT-IR对其进行分析，根据文献报道，如图所示在老化后的聚酰胺1730 cm-1处吸收峰为非酰胺键上羰基吸收峰，酰胺键上的羰基伸缩振动峰在1650-1620 cm-1之间。1730 cm-1处羰基吸收峰主要是背板在老化过程中，聚酰胺发生水解所致。水解过程中分子链断裂，产生的羰基在空气中生成醛酮等有色物质，导致背板脆化和严重变色。有时为了便于检测与检测数据的更加精确，可用傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(FTIR-ATR)，检测样品更容易制备，检测的灵敏度更高。

聚酰胺背板DH 老化前后红外光谱图

2）拉曼光谱分析 (Raman)：

背板老化前后的拉曼光谱

447和608 cm-1处的峰表明所有样品中都存在金红石型二氧化钛，因为二氧化钛作为颜料颗粒的掺入在白色背板中是常见的。值得注意的是，拉曼光谱的穿透深度比FTIR更深因此，从而可以检测内部的二氧化钛的含量，从而对表面与外部的二氧化钛进行初步的比较，来确定老化导致二氧化钛含量的降低情况。

3）扫描电子显微镜分析 (SEM)：

SEM断面形态：

背板老化前后SEM 断面图

聚酰胺类背板从SEM 断面图上可以看出，此背板为三层结构，中间层经玻璃纤维增强。湿热老化后断面较老化前光滑，玻璃纤维拔出现象更为明显，且有部分的玻璃纤维发生脱落，从玻璃纤维表面及被拔出玻纤的坑洞内壁表面可以看出，老化前，玻璃纤维表面残留聚酰胺量比老化后要多，且其拔出纤维坑洞内壁有部分拉丝现象。表明随着湿热老化的进行，聚酰胺和玻璃纤维的结合界面作用减弱。

SEM表面形态：

背板老化前后SEM 表面图

聚酰胺类背板从SEM 的表面形态图上可以看出，随着老化时间的延长，背板的表面形态发生明显变化，如图所示。图中a 图及b 图中白点即为紫外屏蔽剂二氧化钛，随着老化时间的延长，背板的表面可能有有机物渗出，老化时间越长渗出量越多，从图e 和图f 对比可以看出，在潮湿环境下的紫外辐照更容易渗出有机物，此有机物的渗出可能会掩盖作为紫外屏蔽剂的二氧化钛，从而有可能影响背板的耐紫外性能。