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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IEC61215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/T15596－2009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CARLZEISSEVO-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ThermoNicolet公司生产的NEXUS870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4PVF表面的原始形貌图图5PVF湿热老化1000h后的形貌图图6PVF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7PVF不同老化阶段的ATR-FTIR图谱图8EVA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。