从光伏背板技术发展路线谈氟碳涂料技术发展（Ⅱ）

涂料工业：

2 背板材料结构发展趋势

2.1 高分子柔性背板

高分子柔性背板特指一类以高分子材料为主体经过多层复合、涂覆、共挤等工艺成卷制成的背板，第1代高分子柔性背板以 TPT、KPK、TPE（一面干式复合PVF材料，另一面复合 PE 等烯烃类或改性的热塑性）、KPE（一面干式复合PVDF，另一面复合PE等烯烃类或改性的热塑性材料）含氟复合型背板为代表；因PE 等烯烃类或改性的热塑性材料仅是从粘结性、低成本考量的短期环境应用材料，故目前主流过渡到一面涂覆一面复合、双面涂覆的双面含氟背板，代表结构类型有 XFB和 FFC，即往第2代背板方向发展，XFB 结构背板所用氟膜主要为PVF和PVDF膜，PVDF 膜随着国内制膜技术的发展，未来2~3年有大规模取代进口的趋势；PET 结构背板因其经济性，逐步从一代技术的多层复合PET过渡为 AB（A和B 2种或以上改性PET类材料共挤、共混等工艺）结构共挤PET技术，消除了复合PET的2个刚性界面粘结容易失效的短板，提升了 PET 结构背板的耐湿热 UV 循环的综合性能，可以在温和环境的分布式电站中应用，同时降低了成本。 当前高分子柔性背板的四大主流结构 XFB、FFC、XPE、PET 的技术路线如图 4 所示。

图4 当前高分子柔性背板技术发展路线

图5 含氟聚合物分子结构中氟原子排布示意图

背板的内层材料及工艺方式都有向氟碳涂料涂层膜方向发展的趋势。CPC 结构的 FFC（双面四氟型涂层材料）氟碳涂层背板近8年持续稳定供电约15GW，大量户外实际电站运行验证，电站运行正常，背板材料与初始比较几乎没有变化，克服了传统复合型背板易产生层间粘结失效、黄变失效和粉化的问题，积累了大量的应用数据。 XFB 结构背板的 X（代表氟膜），当前主要以进口为主，对比进口产品与国产氟膜产品，主要的区别在于两方面：一是进口氟膜生产商的生产设备先进、工艺配方成熟、原料控制手段完善；二是进口氟膜均有较长的生产历史，户外应用经历和案例多。国产氟膜生产商如何克服当前的技术和装备问题并且稳定持续是氟膜国产化进程中最大的难题。长期的户外实践经验证明：若背板内、外层均为含氟型材料，则该类型背板具有更好的耐候性。背板材料耐候性优劣的主要区别还在于材料自身分子结构中是否含有C—F键（如图 5 所示），氟原子的电负性是所有元素中最强的，C—F键的键长短，键能大（485.6kJ/mol），能抵抗太阳光中波长为 220~380nm的紫外光光子能量对其分子键的破坏，而小于220nm波长的紫外线光子本身在太阳光中含量较少，这些短波紫外线在照向地球过程中已基本完全被地球外围臭氧层所吸收，能达到地球表面的太阳光几乎对含氟聚合物没有分解影响 。同时从图 5 可以进一步看出，含氟聚合物分子结构中氟原子呈螺旋形紧密排列，氟原子很好地保护了内层非氟分子及其间相互作用键，从而使含氟材料具有优异的耐候性、耐热性、耐高低温性和耐化学稳定性等，这些是非氟材料不具有的优势，因而含氟型背板仍是现阶段及今后很长一段时间应用的主流。涂层技术在太阳能背板材料中的应用发展，突破了传统复合工艺的限制，让背板差异化和功能化的设想得以轻松实现，打开了背板以涂覆技术和材料功能选型决定来区分其功能结构的窗口，同时也打开了氟碳涂料在太阳能电站在其他材料防护领域应用（如支架、接线盒、控制设施）的窗口。

2.2 背板应用创新

一直以来，太阳能背板材料主流是以PET为基膜的多层高分子材料，PET 基膜作为应用最广的绝缘材料，以其优异的性价比在背板材料中作为骨架支撑，发挥了重要的绝缘和阻隔作用。 PET 材料作为背面骨架由来已久，经历大量的研究改进和户外验证后，已经形成了太阳背板专用基膜 PET 材料。当然，研究者同时也提出了很多替代性材料，如业内 CSI、Trina 等接到反馈，某国外背板企业提出并实施用尼龙（PA）材料作为背板主体，但经过户外实践发现其具有开裂、发霉、组件发电可靠性等一系列外观和性能问题，这一过渡创新也让行业企业付出了巨大的代价，同时该背板企业及采用类似技术的企业也随之走入了窘境。 当然，创新和颠覆在太阳能光伏领域一直上演，很多创新都带来积极的价值，特别是改良型创新。随着电池效率的不断提升和光伏应用领域的不断拓展，光伏组件封装方式需根据电池的设计和光伏应用领域的需求进行创新，随之而来的各类功能型背板、IBC 背板、双面发电背板等创新背板产品大量涌现，如使用玻璃作为背板和高分子柔性涂氟透明背板的双面透光组件在建筑幕墙、农业大棚等领域得以应用。在以玻璃为背板的非透光双玻组件中，创新地应用了白色 EVA 等封装材料。以玻璃背板 白色EVA 组合替代高分子柔性白色背板，其白色 EVA 的耐候性和材料自身与组合的可靠性还需大量验证，同时因其组合材料成本低，也给传统封装方式的材料带来了巨大的挑战。因而，氟碳涂料涂氟型背板在与传统复合型背板竞争的同时，需不断提高自身功能性，以应对创新型背板材料的竞争。

3 涂氟背板发展机遇及氟碳涂料的技术研究

3.1 高分子柔性背板中氟碳涂料的技术发展

近年来，组件企业将降本的压力纷纷转嫁给组件材料供应商，迫使材料企业特别是背板企业面临材料技术更新的压力和选择。以氟碳涂料作为 PET 基材保护层的涂氟型背板材料（CPC、XFC）已逐渐成为主流，其工艺技术、成本和价格比传统 TPT 型背板更具优势，将在未来占据背板市场的重要位置。 氟碳涂料的综合成本比氟膜低，同时具有极佳的耐候性，能保证组件 25年以上的使用寿命，目前还没有一种新材料具有这种优势并进行取代。因而在涂氟型高分子柔性背板中，耐候层的氟碳涂料、氟碳树脂是研究的热点。针对光伏应用领域（如图 2、表 1、表 2）展开研究，需提升氟碳涂料、氟碳树脂的性能和功能性。现有氟碳涂料、氟碳树脂主要采用可交联固化型，即在氟树脂中引入—OH、—COOH、双键等官能团，使之可与异氰酸酯、三聚氰胺和氨基树脂等进行加热交联成膜或微波、电子束固化成膜。相信经过技术革新，以这些氟碳涂料改进的背板材料将具有更优异的功能和更环保的应用。

3.2 创新背板、组件前板和电站应用中氟碳涂料的技术发展

氟碳涂料除应用在传统高分子柔性背板上外，在创新背板、组件前板及电站逆变器、支架、接线盒等器件中也会更多的应用，传统氟碳涂料可提高被涂覆材料的耐候性，延长材料的使用寿命。另外，一些新型氟碳涂料如超疏水纳米氟碳涂料可使上述材料或器件保持极强的耐水性、耐沾污性及自清洁性，使创新背板、玻璃前板及电站有更好的自清洁能力。同时，氟碳涂料经过纳米防冰雪添加剂改性，可降低冰雪与基体的粘结性，使材料具有明显的抗结冰性能，避免出现背板、前板或电站组件在冬天霜冻条件下不能正常工作的情况，甚至可避免温度极低时冰雪负载压力过大使组件损坏的情况。在氟碳涂料技术及施工应用技术的不断进步下，氟碳涂料将在光伏组件材料各个领域显示越来越重要的作用。双玻组件也将是氟碳涂料应用的重要领域，如玻璃面板的镀膜材料寿命短，长时间户外应用后出现镀膜层剥落、白化等。以氟碳涂料为基础的玻璃镀膜材料将对延长镀膜寿命，提高镀膜玻璃的功能性带来巨大贡献。同时氟碳涂料在传统背板上的应用解决了高分子柔性板背面的保护问题。 在西北沙尘地区的应用中发现 FFC 四氟型材料的表面长期应用不积灰尘，带来了风自洁的效果。三氟型背板材料也可在功能助剂改性下获得良好的自清洁效果，同样的透明氟碳涂料技术可以满足玻璃表面的自洁问题。因此，从氟碳材料本身的特点出发，结合涂氟工艺技术和装备的进步，将助力光伏新能源打开材料功能化的创新之窗，拓展创新材料的应用领域。

4 结 语

通过对光伏背板发展的技术历史可以推断未来背板市场还将是高分子柔性背板、玻璃背板和其他材质背板共存的时代；传统的以氟碳材料为耐候层的背板应用仍是市场主流；以氟碳涂料涂覆的背板将在传统高分子柔性背板市场上占据重要位置。同时背板材料更加关注背板抗沙尘侵蚀能力与抗紫外能力的兼容性、背板的长期阻隔性、抗应力等力学性能、户外应用与实验测试紧密关联性以及环境因素的影响；如何有效保护背板材料被影响、维护材料长时间性能稳定及背板材料特定环境应用功能化是未来氟碳涂料的发展方向和挑战。随着涂氟技术和工艺、装置技术的不断进步，氟碳涂料将在光伏电站等更多环节领域得以应用。同时，随着国家对太阳能新能源政策扶持力度的不断加大，我国氟碳涂料技术将迎来更快的发展。

来源：2016年《涂料工业》第4期