浅析光伏组件用背板湿热老化.docx

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　　指尖的光伏”之光伏组件用背板湿热老化浅析
　　中国电器科学研究院有限公司 工业产品环境适应性国家重点实验室 ■ 张晓东 刘鑫 冯江涛 冯皓
　　世界性的能源紧缺和全球性的环境及应对气候变化问题，促使各国政府不得不改变过去依靠高资源消耗的发展模式，大力开展节能减排工作和新能源的开发利用，走可持续发展的道路。光伏发电是当前世界开发利用新能源与可再生能源的主要形式之一。在我国，光伏发电具有广阔前景，相应的技术日新月异，成本不断下降，已开始进入规模化市场应用的阶段。
　　考虑到光伏组件的使用环境是在日晒雨淋的户外，生产商承诺的使用保质期长达 20 年甚至 30 年之久，因此光伏组件的环境适应性和组件所采用的关键材料，如前盖板玻璃、背板、封装胶膜等的环境适应性，越来越受到厂家的重视。此外，组件所处的环境条件千差万别，如何针对不同使用环境进行针对性的选材和结构设计，节约组件的制造成本也是厂家非常关心的问题之一。
　　本文将对某国产光伏电池厂商所采用的背板材料结构进行分析，并研究其耐湿热老化行为，探索发展快速评价背板材料的耐老化性能和选材技术。
　　一、实验
　　1. 主要设备仪器
　　实验使用的主要设备仪器有：湿热老化实验箱、傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪、扫描电镜、能谱分析仪、台式色差计。
　　2. 试样的制备
　　将市售背板材料裁剪成 5cm×7cm 的小方片。
　　3. 湿热老化实验
　　依据 IEC 61215 中 10.13 的要求，开展温度为 85±2℃、相对湿度 85%±5% 的湿热老化实验。总实验时间为 2500h。
　　4. 测试与表征
　　(1) 背板颜色的测量
　　依据 GB/T 15596-2009 的规定，用色差的改变表征背板试验前后颜色的变化，在湿热试验中定期取样，测量并计算背板材料的色差值，结果取 3 次测量的算术平均值。
　　(2) 表面形貌观察
　　采用德国 CARL ZEISS EVO-18 型扫描电子显微镜对背板截面和上、下表面进行观察。图像模式为 SEM，束流(Emission)70nA，工作距(WD)20mm/30mm。加速电压和放大倍率根据图像效果确定。
　　(3) 傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析
　　采用 Thermo Nicolet 公司生产的 NEXUS 870 型 ATR-FTIR 红外光谱仪对背板材料的成分进行表征，分辨率为 4cm-1，扫描范围 600~4000cm-1，扫描次数为 32。
　　二、分析与讨论
　　1. 背板的结构及材料成分分析
肉眼可直接观察到原始背板的两个表面为一个光面、一个糙面。对原始背板的截面采用 SEM 技术进行观察，可看出背板为三层结构，并且在粘合的过程中，施胶不均匀，部分地方未完全粘合(图1)。

　　图 1 背板原始截面的 SEM 照片
　　利用 ATR-FTIR 技术分别对原始背板的糙面和光面进行分析，结果如下图所示。图 7 中 1033cm-1、1092cm-1 为 -CHF 的伸缩振动峰，1409cm-1 为与 -CHF 相连的 -CH2 基团的变形振动吸收峰，将与标准谱图库进行对比，可以确定该物质为聚氟乙烯。图 8 中 2919cm-1、2852cm-1 为 -CH2 的伸缩振动峰，1740cm-1、1380cm-1、1242cm-1 为醋酸酯的特征吸收峰，根据这些特征谱带及与标准谱图库进行对照，可知其为乙烯-醋酸乙烯酯的共聚物(EVA)。由于中间层物质不易分离，暂时无法对其成分进行分析。根据背板选材的一般规律，其成分应为常用的 PET 薄膜。因此，初步判定该背板为常见的 TPE 型背板。
　　2. 湿热老化前后背板颜色变化
高分子材料在老化过程中通常会伴随着颜色的改变，色差的变化可在一定程度上反映材料的老化状况。图 2 显示了背板两个表面不同湿热老化时期的颜色变化情况。EVA 面的色差随老化时间的增加而增加，PVF 面的色差先增大，1000h 后开始减小并最终趋于平稳。

　　图 2 样品颜色在湿热老化过程中的变化
　　3. 湿热老化前后背板截面形貌的变化
图 3 为湿热老化 2500h 后的背板边缘截面形貌图。对比图 1 和图 3 老化前后的截面形貌图，可以看出背板经过湿热老化后有明显的分层现象。这可能是背板所用粘结剂不耐湿热老化的结果。

　　图 3 湿热老化 2500h 后的背板截面 SEM 图
　　4. 湿热老化前后背板表面形貌的变化
　　图 4～图 6 分别为背板 PVF 表面一侧原始、湿热老化 1000h 及 2500h 的表面形貌图。从图中可以看到湿热老化 1000h 后背板 PVF 表面极不平整，且布满了颗粒。对该颗粒状物质进行能谱分析，结果表明为 TiO2，高热高湿的环境应力使其迁移析出。结合图 2 中 PVF 表面色差的变化以及图 7 中老化前后 PVF 分子结构的变化，可以推断 PVF 面颜色变化主要是由 TiO2 迁移析出引起的。实验后期 TiO2 完全析出后，表面平整度增加，色差值也恢复到较小的数值。对 EVA 一侧的表面进行同样的观察，则未观察到明显的变化。

图4 PVF 表面的原始形貌图

图5 PVF 湿热老化 1000h 后的形貌图

图6 PVF 湿热老化 2500h 后的形貌图
　　5. 湿热老化前后背板材料分子结构的变化
　　图 7、图 8 分别为不同老化阶段的 PVF 及 EVA 面的红外图谱。由图 7 可以看出，在整个实验过程中，PVF 的分子结构几乎无明显变化。但在图 8 中可以明显观察到，经过 2500h 的湿热老化实验后，1737cm-1 处的羰基峰有分裂现象，在 1726cm-1 处出现了新的吸收峰，与 1552cm-1 处新出现的吸收峰共同指示羧酸类物质的生成。

图 7 PVF 不同老化阶段的 ATR-FTIR 图谱

图 8 EVA 不同老化阶段的 ATR-FTIR 图谱
　　三、结论
　　根据前面的实验结果及其分析，可以得出：
　　(1) 该背板为三层结构，上下层分别为 PVF 和 EVA，经过 2500h 的湿热试验后，界面出现了明显的分层现象;
　　(2) 背板 PVF 面颜色变化主要由 TiO2 析出引起的，分子结构本身变化较小;EVA 面颜色变化是由于在老化过程中分子链段发生变化，并伴有羧酸类物质生成。