太阳能电池封装背板发展状况

太阳能电池封装背板发展状况

　　太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1. 05 ×1018 KWh，相当于1. 3 × 106 亿吨标准煤，大约为全世界目前一年耗能的一万多倍。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持6× 1010 年，可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。
　　随着不可再生能源的逐渐减少以及矿物类资源的生产、使用中产生的各种污染问题，各国都在采用政策或法律的手段逐步加大对可再生能源和清洁能源的开发利用。在这种情况下，太阳能作为可循环使用的清洁能源得到了前所未有的迅速发展。太阳能的利用主要通过光－ 热、光－ 电、光－ 化学、光－生物质等几种转换方式实现。光电转换又称太阳能光伏，就是利用太阳电池直接将太阳光能转化为电能，而太阳能电池通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换，因此太阳能发电又称为光伏发电。
　　1 太阳能电池及其背板结构
　　1. 1 太阳能电池结构
　　太阳能电池主要有晶硅太阳能电池( 单晶硅、多晶硅) 和薄膜太阳能电池，其中晶硅太阳能电池使用年限一般按照25年以上进行设计。太阳能电池背板作为直接与外界环境大面积接触的光伏封装材料，不但要具有保护功能，还应具备25 年之久的可靠的绝缘性能、耐长期老化( 湿热、干热、紫外) 、水蒸气阻隔等性能。晶硅太阳能电池板结构如图1 所示。从图1 可知，太阳能电池板从截面看共分为五层: 从上到下依次是光伏玻璃( 钢化玻璃) 、EVA、太阳能电池片( 晶硅片) 、EVA和背板( TPT) 。

　　1. 2 太阳能电池用背板结构
　　太阳能电池背板位于太阳能电池板的背面，对电池片起保护和支撑作用，具有可靠的绝缘性、阻水性、耐老化性，一般具有多层结构( 氟膜/PET/氟膜) 。氟膜作为太阳能电池背板的外层保护层具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为PET ( 聚酯薄膜) ，具有良好的绝缘性能、机械强度和水蒸气阻隔性，内层含氟膜或PE 膜具有良好的粘接性能，与电池板粘结。其典型结构如图2 所示。

　　太阳能电池背板主要分为含氟背板与不含氟背板两大类。其中含氟背板又分双面含氟( 如TPT、KPK) 与单面含氟( 如TPE、KPE) 两种，其中T 是指聚氟乙烯( PVF) 薄膜，K 是指聚偏氟乙烯( PVDF) 薄膜; P 指双向拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜( BOPET) ; E 指聚乙烯薄膜或乙烯－ 醋酸乙烯树脂( EVA) 。而不含氟的背板则多是通过使用胶粘剂将多层PET 或PA 胶粘复合而成。氟树脂的耐候性、耐热性、耐高低温性和耐化学药品性等各项性能均十分优越，使得含氟材料( 氟膜或氟碳涂料) 具有优异的耐候性能，可保障长期户外使用的可靠性。
　　太阳能电池对背板的性能要求见表1，其中衡量晶硅太阳能电池背板性能好坏的重要指标之一是水蒸汽渗透率，若太阳能背板阻隔水蒸汽渗透的性能不良，则空气中的湿气( 尤其是阴雨天的湿气) 会透过太阳能背板进入到内侧，水蒸汽的渗透会影响到粘接层的性能并导致背板剥离，进而使更多湿气直接接触电池片而使电池片被氧化。

　　2 太阳能电池背板的现状与趋势
　　2. 1 太阳能电池背板结构
　　2. 1. 1 TPT 太阳能电池背板
　　TPT 结构是最早的太阳能电池背板结构，现在也是双面含氟复合型背板的统称。其结构为氟膜/PET/氟膜，含氟膜主要包括PVF 和PVDF 等。厂商主要有奥地利Isovoltaic，意大利coveme 康维明，韩国SFC，台湾台虹，日本MA，德国Krempel等。
　　2. 1. 2 TPE 太阳能电池背板
　　单面含氟的复合背板。这是为了降低成本，或是改善背板与电池片的粘接强度，内层采用PE 或EVA 代替氟膜，其结构为氟膜/PET/PE，一般使用年限较双面都是氟膜的TPT 为短。
　　目前TPE 结构的太阳能电池背板销量已经超过TPT 结构，成为市场主流，其生产公司主要有日本东洋铝、美国Madico 公司等。
　　2. 1. 3 KPK 太阳能电池背板
　　由德国Krempel 公司和法国Arkema 公司共同最先开发出来，其结构为PVDF/PET/PVDF，属于TPT 结构的一种。该产品自2008 年推向市场以来，已被欧洲和亚洲主要的光伏组件生产厂商广泛采用。用PVDF 代替PVF 具有更好的耐候性和加工性，所以KPK 也可归为TPT 类，但是PVDF 薄膜成型加工技术要求较高。生产商主要有法国阿科玛、韩国SKC 和日本电气。目前，国内也有关于PVDF 的原料改性和薄膜制备研究，其中佛山市金冠高科新材料有限公司已经研发成功，可以代替进口的PVDF 薄膜。
　　2. 1. 4 BBF 太阳能电池背板
　　结构为THV/PET/EVA，一般采用多层共挤。THV 树脂是四氟乙烯、六氟丙烯和氟化亚乙烯的三元共聚物，是目前韧性最佳的氟聚合物。BBF 太阳能电池背板具有卓越的耐候性，良好的回弹性、阻燃性、低渗透性，多层之间用化学方法粘合，无粘合剂。美国3M 公司在生产。
　　2. 1. 5 氟涂料太阳能电池背板
　　该类背板的设计思路是使用氟炭涂料涂布到PET 薄膜上以替代氟塑料薄膜。其结构为氟涂料/PET/氟涂料，目前国内较多作为涂布材料的有四氟的PTFE、PVDF、FEVE，但是氟涂料因固有一些问题如粘结性、针孔、附着力、开裂和挥发性等暂不能应用于背板，只能用于低端市场。
　　2. 1. 6 不含氟结构
　　为了降低成本，或是由于氟膜供应不足，而采用无氟树脂薄膜生产背板，该结构通常为三层PET，即PET/PET/PET 或PET/PET/EVA，该产品使用年限较短，只能用于使用条件不是很恶劣的地方。不含氟背板从材料本身特性上就无法满足商用晶硅太阳电池组件25 年的湿热、干热、紫外等环境考验与使用要求，很难适合用于晶硅太阳电池组件的封装。该结构的背板日本生产和使用较多，包括电技研、TOPPAN、TORAY ( 东丽) 、KEIWA 和REIKO 等。
　　2. 2 太阳能电池背板材料
　　根据不同的背板结构，其材料主要有PVF、PVDF、BOPET，THV、ETFE、ECTFE、PTFE、FEVE、PE、EVA、PA 以及粘合剂等，其中PVF、PVDF 和BOPET 最为重要，其余材料在上面的相关结构中也有所提及，在此不作赘述。
　　2. 2. 1 太阳能电池背板用氟膜
　　氟膜具有优异的耐腐蚀、耐溶剂、耐污水、耐磨性、自洁性、耐候性、耐久性和自熄性等性能，完全满足电池背板材料的要求。目前晶硅太阳能电池背板材料常用氟膜有聚氟乙烯( PVF) 和聚偏二氟乙烯( PVDF) ，氟膜处于背板结构的外层，具有良好的抗环境侵蚀能力。PVDF 与PVF 分子结构非常相近似，PVDF 的氟含量59%远高于PVF 的41%，因此其耐候性优于PVF，且其熔点和分解温度相差大，易于加工，不似PVF 那么容易降解，同时透湿性也优于PVF，所以PVDF 膜的发展正在逐渐成为光伏组件背板基膜的主流。
　　在原料供应上，只有DUPONT 公司才能生产PVF 膜和PVF树脂，PVF 市场基本上被其所垄断，目前完全依赖进口。PVDF薄膜的生产商国外主要有法国阿科玛、韩国SKC 等，国内近年来也已成功研发出PVDF 膜，例如佛山的金冠高科。
　　2. 2. 2 太阳能电池背板用PET 膜
　　太阳能电池背板结构中的中间层为双向拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜( BOPET) ，主要起到良好的电气绝缘性能、机械强度和水蒸气阻隔性等作用。用于光伏背板的BOPET 主要为125 μm 以上的厚膜，尽管国内BOPET 的产能在持续扩张，但是在中高端应用如电工绝缘领域仍处于劣势。国内电工绝缘聚酯薄膜的生产能力不高，而太阳能电池由于面积较大，对PET 薄膜的要求更高( 厚度要求超过125 μm) ，所以国内生产能力不足，主要依靠进口。随着PET 进入高成长期，加大其开发力度，代替进口，降低光伏组件成本成为不可取代的趋势。
　　在国外，BOPET 主要有龙头企业日本东丽、帝人－ 杜邦和韩国SKC 等在高端光伏PET 细分市场具有显著竞争优势。目前国内可生产用于背板用途的聚酯薄膜企业只有东材科技、佛山杜邦鸿基和江苏裕兴三家。
　　2. 2. 3 THV
　　THV ( 四氟乙烯－ 六氟丙烯－ 偏氟乙烯共聚物) 是美国Dyneon 公司在20 世纪80 年代开发，目前也只有其生产，其是目前商品化最柔软的氟塑料。另一个重要的特点是THV 本身容易粘接，无须表面处理就能和其它材料粘接。美国3M 公司的BBF 背板采用此类含氟薄膜。
　　2. 2. 4 ECTFE
　　ECTFE ( 乙烯－ 三氟氯乙烯共聚物) 是杜邦公司开发的，目前商品化的产品只有苏威公司提供。ECTFE 是CTFE 和乙烯的的交替共聚物，具有典型的氟塑料性能。没有一种溶剂在120 ℃下能侵蚀ECTFE 或使其应力开裂。除了高耐候性还具有高阻隔性，ECTFE 的阻隔性比其它氟塑料更好。
　　2. 3 太阳能电池背板发展现状与趋势
　　从全球范围来看，生产太阳能电池的厂家比较多，随着光伏产业的发展，生产太阳能电池背板的公司增长迅速，主要有Isovoltaic ，Krempel，Toyal ( 东洋铝) 以及3M 等公司。从国内来看，太阳能电池背板的生产已经国产化并发展迅速，但其中的关键材料氟膜基本还是依靠进口，不过国内已经有相关企业和研究机构正在研究氟膜的生产技术并取得可观的成果。当前，国内太阳能电池背板产业还处于起步发展阶段，其开发生产企业多分布于中国大陆长三角地区，开发的太阳能背板类型主要有复合型背板和涂布型背板两大类，经过这几年的发展，已经由早期涂布型为主转为复合型占据主要市场。
　　复合型背板是以PVF、PVDF 或ETFE 等氟膜与PET 基材通过胶粘剂粘结复合而制备复合型太阳能背板，结构为氟膜/PET/氟膜，其氟膜基本依赖进口，制造成本较高。生产厂家主要有江苏赛伍、汇通、苏州台虹、乐凯等，冠日科技有类似KPK 结构的产品供应，是PVDF/PET/PVDF 和PVDF/PET/EVA的复合背板。
　　涂布型结构为共聚氟涂料/PET/共聚氟涂料，以四氟树脂( PTFE) 或三氟氯乙烯树脂( CTFE) 为主体树脂的涂料，采取涂布方式与PET 基材复合而开发制备涂布型太阳能背板，在成本与技术方面具有较大优势。但是由于涂布层附着力低，易出现沙孔、阻湿效果差等质量问题，产品的档次较低，未能应用于高档的晶硅太阳能电池组件。
　　据Displaybank 报道，2009 年太阳能电池背板市场较2008年增长5%，达5000 万m3。据中国可再生能源学会太阳能应用专家王斯成研究员的统计，2010 年，我国光伏电池产量达到8 GW，占世界光伏电池总产量16. 2 GW 的50%，居世界第一位，其中90%以上为出口。近几年太阳能光伏装机量增长迅速，基本以50% 的速度在增长，2011 年全球光伏装机量达到22 GW，2012 年预计将会达到32GW，保守估计也有27. 8 GW，以1 GW 需要750 万m3 背板来算，至少需要2 亿m3 背板。
　　中国可再生能源学会预计的太阳能背板材料的市场发展趋势，2013 年全球的需求将是2008 年的3 倍。据中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会、绿色和平、欧洲光伏产业协会和世界自然基金会共同发布的《中国光伏发展报告》预测:中国到2030 年光伏装机容量将达1 亿千瓦( 相当于100 GW) ，即每年平均新增5GW，每年新增使用背板近4000 万m3。特别是哥本哈根会议后中国承诺减碳排放40%，中国太阳能市场将爆炸性增长。
　　3 结论
　　太阳能电池组件的大部分材料虽已实现国产化，大大降低了太阳能电池组件的制造成本。但是，背板作为一类重要的太阳能电池组件封装材料，其相关原材料氟膜长期受到国外氟化工巨头的专利技术制约，时至今日氟膜国产化程度仍较低，需要大量进口，价格较高且供货期不能保证。
　　随着未来的碳成本越来越高，以太阳能为代表的新能源替代传统化石能源成为了必然趋势。在目前国内太阳能光伏应用较少的情况下，国内的光伏产业已经能占到全球产量的60% 左右，而中国幅员辽阔，太阳能光伏发电的应用空间巨大，一旦国内太阳能光伏发电的应用广泛推广，将给太阳能电池背板市场带来巨大的机会。
本文作者杨文忠，徐冰，黄宏深，施亚琤：佛山佛塑科技集团股份有限公司
来源：《广州化工》