光伏组件用背板湿热老化浅析

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，利用 ATR-FTIR 技术分别对原始背板的糙面和光面进行分析。
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。

3. 湿热老化前后背板截面形貌的变化
4. 湿热老化前后背板表面形貌的变化

5. 湿热老化前后背板材料分子结构的变化
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。