太阳电池背膜国产化及发展前景

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背膜国产化：光伏大国的必然选择
中国光伏产业在过去几年经历了高速增长，但也存在诸如盲目投资、恶性竞争、创新力不足等问题。同时，由于技术的持续改进和突破，中国光伏产业正摆脱其高能耗、高污染的形象，展露出较大的发展潜力。2009年3月，中国敦煌10MW并网型光伏发电项目招标中，所有投标都低于2元/KWh，最低标0.69元/KWh，次低标1.09元/KWh，这说明中国光伏企业已具有相当的价格承受能力和竞争力，在降低光伏发电成本方面很可能走在全球前列。
刚刚结束的哥本哈根气候变化大会，是全球应对气候变化的一个重要里程碑。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。而要加快替代进程，对于光伏发电产业来说，在不断提高技术的同时，更要降低成本。太阳电池组件封装材料主要包括玻璃、EVA胶膜、边框、背膜、接线盒、硅胶等，目前除背膜以外的其他封装材料均已在中国光伏产业实现高度国产化，大大降低了太阳电池组件单位发电功率的制造成本。但是，背膜作为一类重要的太阳电池组件封装材料，其技术门槛要求相当高，加之相关原材料长期受到国外氟化工巨头的专利技术制约，时至今日其国产化程度仍极低，造成现在国内太阳电池组件生产商所采用的背膜大多为国外进口产品，价格较高且供货期不能保证。因此，从降低太阳电池组件单位发电功率的制造成本角度来讲，背膜国产化是中国光伏企业的必然选择。
双面氟材：高品质背膜不可或缺
4 h6 h) l8 L2 X7 L% Y/ H太阳电池背膜主要分为含氟背膜与不含氟背膜两大类。其中含氟背膜又分双面含氟（如TPT）与单面含氟（如TPE）两种；而不含氟的背膜则多通过胶粘剂将多层PET胶粘复合而成。目前，商用晶硅太阳电池组件的使用要求为25年，而背膜作为直接与外环境大面积接触的光伏封装材料，其应具备卓越的耐长期老化（湿热、干热、紫外）、耐电气绝缘、水蒸气阻隔等性能。因此，如果背膜在耐老化、耐绝缘、耐水气等方面无法满足太阳电池组件25年的环境考验，最终将导致太阳电池的可靠性、稳定性与耐久性无法得到保障，使太阳电池板在普通气候环境下使用8～10年或在特殊环境状况（高原、海岛、湿地等）下使用5～8年即出现脱层、龟裂、起泡、黄变等不良，造成电池模块脱落、电池片滑移、电池有效输出功率降低等不良，更危险的是电池组件会在较低电压和电流值的情况下出现电打弧现象，引起电池组件燃烧并促发火灾，造成人员安全损害和财产损失。
研究表明，PET分子主链中含有大量的酯基，与水具有很好的亲和性，容易产生水增塑，同时即使微量的水分也会导致分子主链的降解。PET在湿热老化过程中老化性能的变化受三个因素影响：结晶度、水增塑、水解,各因素自始至终都在起作用,不同的环境和不同的阶段内各种不同因素起主导作用。老化初期，结晶为主导因素,它增加杨氏模量、最大拉伸应力,但使材料变脆,降低冲击强度，然后水增塑成为主要因素,它使材料韧性增加,但是很快水解反应上升为主要因素,它引起PET大分子链断裂,分子量下降,从而引起机械性能的破坏。而温度的升高则会使上述过程明显加快，因此水和热是导致PET物理机械性能急剧下降的主要原因[1]。此外，紫外辐射也会使PET的分子量、强伸度大幅度下降,结晶度有所提高,从而使材料脆化。
因此，通过胶粘剂将多层PET胶粘复合而成的不含氟背膜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，也就很难适合用于晶硅太阳电池组件的封装。
含氟背膜表面的氟材料由于氟元素电负性大，范德华半径小，碳氟键键能极强（高达485KJ/mol），且其独特的氟化链整体结构中的螺旋形棒状分子紧密、刚硬、表面平滑，使得氟树脂的耐候性、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。氟树脂的优异特性使得含氟材料（氟膜或氟碳涂料）具有优异的耐侯性能，可保障长期户外使用的可靠性。作为对外部环境与太阳电池内部起阻隔作用的背膜，其与外部接触的空气面以及与EVA结合的粘结面（光照面）遭受着主要的老化作用。然而，由于目前背膜开发生产企业考虑到双面含氟材料给整个背膜生产造成的成本压力，厂商采用了EVA材料（或其他烯烃聚合物）替代双面含氟的TPT结构背膜中EVA粘结面（光照面）的氟材料，从而出现了单面含氟的TPE结构的背膜。此类TPE结构的背膜在与组件封装用EVA胶膜粘结后，由于其光照面无含氟材料对背膜的PET主体基材进行有效保护，组件安装后背膜无法经受长期的紫外老化考验，在几年之内组件就会出现背膜黄变、脆化老化等不良现象，严重影响组件的长期发电效能，因此单面含氟的TPE结构的背膜是不适用于晶硅太阳电池组件的封装使用的。
6 K/ c6 U7 t( G1 w  Q/ a* J涂覆型背膜：背膜材料发展趋势
' @& }! A2 g8 }+ P目前，主流的太阳电池背膜多为双面含氟的复胶型背膜和涂覆型背膜。复胶型太阳电池背膜（TPT、KPK等）多是以欧美一些氟化工企业开发的PVF或PVDF等氟膜通过胶粘剂与PET基材粘结复合而成。复胶型背膜由于其内部PET基材两面存在胶粘剂，而胶粘剂的质量水准不一，加之复合工艺良莠不齐，在电池组件户外长期使用过程中复合型背膜受湿度与温度双重因素的综合影响，易发生粘结胶层水解等损害，最终导致氟膜（PVF或PVDF等）与PET基材的层间剥离，难以满足电池组件长期的可靠性要求。
7 P6 ?- |" d; R! u同时，由于制造专利技术制约和氟膜表面的亲水性改性处理技术等原因，目前PVF和PVDF等氟膜产品还没有在中国实现国产化。因此，采用PVF或PVDF等氟膜开发生产双面含氟太阳电池背膜的中国企业长期受制于外国氟膜制造商，其背膜制造成本居高不下，且适用于氟膜与PET粘结的高品质胶粘剂多为国外极少数厂商技术垄断，很难进口。而国内一些背膜生产企业只能采用一些普通的聚氨酯、环氧或丙烯酸类胶粘剂，这些胶粘剂容易老化，在性能上无法满足25年的耐久性要求。
" Z$ C  V" x4 U. O# U) j; l! o鉴于复胶型太阳电池背膜用氟膜未实现国产化的现实情况和背膜内部复合用胶粘剂难以经受组件户外长期使用过程中湿热老化的考验，开发一类不使用胶粘剂的、具有较高一体化程度和具有优异长期耐候性能的低成本的高品质背膜产品，是目前背膜开发与技术发展的方向和趋势。
氟碳涂料经过几十年的快速发展，在建筑、化学工业、电器电子工业、机械工业、航空航天产业、家庭用品的各个领域得到广泛应用，成为继丙烯酸涂料、聚氨酯涂料、有机硅涂料等高性能涂料之后，综合性能最高的涂料品种。目前，应用比较广泛的氟树脂涂料主要有PVDF、CTFE、PTFE三大类型，我国也是继美国、日本之后第三个拥有氟碳涂料合成技术并实现产业化的国家。
以氟树脂跨国企业（如日本旭硝子、大金和法国阿科玛等[2]）开发生产的PVDF、CTFE、PTFE树脂为主体树脂制备的氟碳涂料，广泛应用于桥梁、大厦、铁路、通信设施的表面防护上，并经受了40年以上的户外严酷考验，表现出极佳的耐候性能。同时，目前包括低温等离子体改性技术、辐照改性技术、真空等离子体化学接枝技术在内的材料表面改性技术已较为成熟。因此，将氟碳涂料、PET表面改性技术、氟涂层表面改性技术等应用于太阳电池背膜的开发，从而实现不使用胶粘剂并具有优异长期耐候性能的低成本高品质涂覆型背膜产品是完全可行的，也是今后背膜材料发展和国产化的必由之路。
背膜国产化进程：加速推进
当前，国内背膜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，开发的背膜类型主要有复胶型背膜和涂覆型背膜两大类。以台虹、赛伍、乐凯、汇通为代表的背膜企业主要采取以PVF、PVDF或ETFE等氟膜与PET基材通过胶粘剂粘结复合而制备复胶型背膜，其氟膜基本依赖进口，背膜制造成本较高。以苏州中来、哈氟龙、福斯特等为代表的背膜企业通过以四氟树脂（PTFE）或三氟氯乙烯树脂（CTFE）为主体树脂的涂料采取涂覆方式与PET基材复合而开发制备涂覆型背膜，在背膜成本与技术方面具有较大优势。
6 V. j" e: n3 u6 x$ N$ Q9 ?由于国内复胶型背膜制造企业在主要原材料和核心技术方面不具备成本和质量的优势，造成产品整体的核心竞争力与利润空间较低。而苏州中来公司（Jolywood）通过自主研发，在PET表面和四氟涂层（FFC）表面分别采取全球首创的等离子体硅钛化处理技术和等离子体氟硅氧烷化处理技术，显著增加了PET和FFC的表面能和活性化学基团数量，使PET与FFC之间、FFC与EVA之间不但具有物理吸附，还产生化学分子的接枝，使得FFC氟涂层与PET结合力超强，与EVA的粘结力大幅度提高，经过85℃*85%RH2000小时老化测试它们之间不分层不脱层。目前，苏州中来四氟型太阳电池背膜已通过了TUV、SGS、UL等国际认证，并在国内外光伏企业得到广泛应用。
) ]. v2 ~* N- l) M5 f随着世界经济形势的整体向好，中国和世界光伏产业将迎来新的高速发展期。同时，2010年欧洲光伏政策的调整和中国国内光伏应用市场的启动使太阳电池组件降低成本势在必行，我们有理由相信在未来1～2年内，中国光伏产业将实现封装背膜的国产化，这也将同时从真正意义上实现太阳电池组件应用材料的完全国产化。