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本文展示了一種基于流延切線卷涂技術(shù)和等離子技術(shù)而設(shè)計(jì)制造的光伏組件專用膜膠一體化背板。背板以PET為基材，經(jīng)等離子體表面刻蝕和活化后，雙面涂以特殊研制的反應(yīng)性功能氟碳涂料，經(jīng)熱固化后得到具有聚氨酯結(jié)構(gòu)的膜膠一體化背板。最后，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)沉積技術(shù)在涂層表面共價(jià)接枝一單分子短鏈硅烷層，從而賦予背板中等表面能，使之與EVA具有長(zhǎng)期的絕佳粘合性。掃描電鏡（SEM）顯示，等離子體表面刻蝕和活化顯著增加了PET與涂層之間的相容性，使它們之間得到十分緊密而強(qiáng)有力的整合。SEM充分證明膜層和膠層之間的整合趨于完美、無(wú)明顯界面，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)層壓復(fù)合型背板。這種獨(dú)特的膜膠一體化結(jié)構(gòu)已被許多惡劣環(huán)境條件下的實(shí)際應(yīng)用所證明較其它背板在避免分層、起泡和色變方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。測(cè)試表明，這種新型背板具有優(yōu)良的阻隔性、耐候性、力學(xué)性能和電氣絕緣性。作為一種有前途的光伏材料，該新型背板在中國(guó)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光伏組件封裝，并獲得了客戶的廣泛贊譽(yù)。

前 言

光伏組件包含多種不同材料，從硅晶片到封裝材料，比如保護(hù)性前板、背板和密封膠。這些材料幾乎占具了薄膜光伏組件材料成本的一半，并且與相當(dāng)大比例的組件失效密切相關(guān) [1]。為了適應(yīng)惡劣的操作環(huán)境，光伏組件必須依賴于封裝材料，以提供所需的耐久性。一般來(lái)說(shuō)，光伏組件被嵌入柔軟的EVA片中，并通過(guò)玻璃 / 玻璃或玻璃 / 塑料技術(shù)進(jìn)行封裝。隨著需求數(shù)量和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面的不斷增長(zhǎng)，玻璃 / 塑料封裝層壓結(jié)構(gòu)已經(jīng)被越來(lái)越多地推廣和接受 [2]。將玻璃背板更換成柔軟的聚合物材料可以消除玻璃背板的破碎問(wèn)題，提供一種更持久有效的機(jī)械封裝。此外，更輕的重量使安裝更為容易、成本更低。光伏組件需要有至少25年的壽命。組件被暴露在各種應(yīng)力環(huán)境下（例如紫外輻射、溫度、大氣污染物、濕熱循環(huán)），這些都可能會(huì)降低組件的穩(wěn)定性和性能。性能上的額外損失可能源于雨水、灰塵、風(fēng)、雹、水的冷凝和蒸發(fā)及熱膨脹 [3]。因此，背板必須提供以下主要功能：

物理防護(hù)：提供抗穿刺和耐磨損能力

防濕保護(hù)：最大限度地減少水分和水蒸汽滲入

電氣絕緣：將電池片與環(huán)境進(jìn)行隔離

長(zhǎng)期保護(hù)：在組件的壽命范圍內(nèi)展示足夠的抗紫外穩(wěn)定性和濕氣穩(wěn)定性

顏色：提供使組件與環(huán)境相匹配的顏色

更多的輸出功率：通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部反射來(lái)提高工作效率

為了滿足這些要求，人們通常使用多層層壓式復(fù)合背板，如用含氟聚合物: 聚氟乙烯（PVF）和聚偏二氟乙烯（PVDF）作為保護(hù)層，提供耐候性， 用聚酯，如PET提供機(jī)械強(qiáng)度。

最流行的背板結(jié)構(gòu)要數(shù)由聚酯膜和兩層Tedlar膜（杜邦公司）所構(gòu)成的'三明治'結(jié)構(gòu)。也就是通常所說(shuō)的Tedlar/聚酯/Tedlar （TPT）結(jié)構(gòu)。目前為止，由于其優(yōu)異的強(qiáng)度、耐候性、抗紫外線、防潮性能，多層層壓式復(fù)合背板占據(jù)背板市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。然而，與復(fù)合背板相關(guān)的光伏組件失效的事例頻繁見(jiàn)諸報(bào)道。這些失效主要包括與EVA粘合性的散失以及背板分層。眾多研究表明， 分層問(wèn)題是光伏組件失效的主要原因 [4-6]。光伏組件的分層現(xiàn)象包括背板自身層與層之間的分離和背板與EVA之間的剝離兩種情況。大量的研究只側(cè)重于EVA與背板界面的分離。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于含氟聚合物的非粘附性（低表面能）導(dǎo)致光伏組件封裝材料和基料之間的粘接力被削弱，從而導(dǎo)致脫層和濕氣侵入。然而，背板自身層與層之間的分離可以顯著增加光伏組件封裝的失效率，而這樣的失效歸根結(jié)底是由于組件封裝材料中較差的層間整合，即基材和含氟層之間的整合。這種較差的層間整合使水蒸汽由組件的邊緣滲入，導(dǎo)致降解和氧化，以及半導(dǎo)體的電化學(xué)腐蝕和最終的組件失效。因此，開(kāi)發(fā)一款具有優(yōu)異性價(jià)比的背板仍然是光伏業(yè)的強(qiáng)烈需求。本文呈現(xiàn)了一種獨(dú)創(chuàng)膜膠一體化背板，并用各種現(xiàn)代技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了廣泛的表征和測(cè)試。結(jié)果表明，該新型背板具備作為光伏組件封裝材料所要求的各種優(yōu)異性能，性價(jià)比高，具有廣闊的前景。

”PET ─ 一種在絕緣行業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料被用作基材: 因?yàn)槠淞己玫臋C(jī)械性能和低成本使其作為組件封裝材料而具有強(qiáng)大的吸引力”

膜膠一體化背板的設(shè)計(jì)和制造

要得到一款性能優(yōu)異的背板，合理的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。在我們的設(shè)計(jì)中，PET ─ 一種在食品包裝工業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料被用作基材: 因?yàn)槠淞己玫臋C(jī)械性能和低成本使其作為組件封裝材料而具有強(qiáng)大的吸引力。然而，未經(jīng)涂層（未修飾）的PET水氣透過(guò)性很高 [7]。在實(shí)際應(yīng)用中容易產(chǎn)生各種降解，例如水解和熱氧化，這將導(dǎo)致PET的各種性能變差。因此，PET不能直接作為背板使用，而必須進(jìn)行涂層或表面修飾。含氟聚合物已被證明具備多個(gè)作為涂層所必須擁有的性質(zhì)，比如優(yōu)良的疏水性和疏油性（耐污染性）、低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的耐化學(xué)品性和良好的耐候性 [8-12]。傳統(tǒng)的含氟聚合物涂料，如聚四氟乙烯（PTFE）和聚偏二氟乙烯（PVDF），除了其高成本外，還因?yàn)槠浠瘜W(xué)惰性，不溶于大部分有機(jī)溶劑而使加工處理變得很困難。經(jīng)過(guò)廣泛篩選，一種含氟反應(yīng)性聚合物被選做涂料的主體材料來(lái)制造新型的膜膠一體化背板。圖1給出了含氟反應(yīng)性聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。

由圖1可見(jiàn)，含氟反應(yīng)性聚合物是以四氟乙烯（TFE）為主要單體的三元聚合物。四氟乙烯單元（單體1）為聚合物提供優(yōu)異的耐候性、抗污性及阻隔性; 單體2含有羥基（-OH）,為聚合物提供可固化性和粘合性; 單體3含有機(jī)基團(tuán)（主要是醚基），主要為聚合物提供溶解性和透明度。含氟反應(yīng)性聚合物被用作主體成分連同其它組分，例如顏料和交聯(lián)劑一起形成一個(gè)特殊的功能涂料配方。涂料被施加到PET基材的兩面，并隨之進(jìn)行熱固化，從而在PET的兩面形成膜膠整合的涂層。

為了提高涂層與PET基材的粘合性，在涂覆之前，用等離子體對(duì)PET進(jìn)行表面處理。許多研究證明等離子體處理可以通過(guò)以下一個(gè)或幾個(gè)現(xiàn)象來(lái)有效地改善聚合物表面的粘合性: 清除材料表面的小分子物質(zhì)、脫氫，鏈段的斷裂和交聯(lián)、自由基的產(chǎn)生和融合及材料表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的修飾 [13]。等離子體表面修飾的重要特征是可以同時(shí)改變材料表面的化學(xué)組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)而不改變材料的本體性質(zhì)。

經(jīng)過(guò)等離子體處理后，PET的表面得到刻蝕和活化，導(dǎo)致了涂層和基材之間的強(qiáng)粘接性。這種強(qiáng)粘接性必將減少，甚至完全消除在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中涂層和基材之間的分層。從以上的工藝描述可以清楚地看出，整個(gè)制造過(guò)程是一無(wú)膠（粘合劑）過(guò)程，這種工藝明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的復(fù)膜層壓方法。涂層是一個(gè)膜膠整合系統(tǒng)，同時(shí)具有膜和膠的功能。從高分子化學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，涂層具有聚氨酯（PU）的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榱鶃喖谆惽杷狨ィ℉DI）被用作固化劑（交聯(lián)劑）。在熱固化過(guò)程中，HDI的異氰酸酯基團(tuán)與含氟反應(yīng)性聚合物的-OH反應(yīng)生成具有聚氨酯鍵的高分子網(wǎng)絡(luò)。一般而言，聚氨酯是一種獨(dú)特的材料，具有橡膠的彈性和金屬的韌性和耐久性。

含氟聚氨酯涂層具備作為光伏背板所要求的優(yōu)良的阻隔性能和耐久性。需要強(qiáng)調(diào)的是，在等離子體處理過(guò)程中，許多活性基團(tuán)例如羥基和氨基也被大量引入到基材PET表面。這些活性基團(tuán)能參與固化反應(yīng)，導(dǎo)致涂層和基材之間牢固的化學(xué)鍵合。這種共價(jià)鍵確保了涂層和基材之間的緊密整合，減少了傳統(tǒng)層壓復(fù)合背板所面臨的分層問(wèn)題。