背板開裂一直受到組件制造商和電站運維的高度關注，尤其是幾年前3A背板的大面積開裂使用戶在背板的選擇上更加謹慎。通常，人們擔心非氟背板不耐候，容易開裂；*近，有報道不斷強調(diào)PVDF背板會開裂，有人認為即使是PVF在服務期間，背板也會開裂。

  關于非氟的PET高紫外線區(qū)域一般不推薦背板，即使是耐候型PET但在家庭屋頂分布式或溫和氣候條件下PET背板不易開裂。本文主要討論含氟背板PVDF和PVF例如，從材料老化機制和行業(yè)應用的角度澄清可能導致背板開裂的深層原因，駁斥一些虛假謠言和一些企業(yè)的不合理指控，幫助探索背板材料和不易開裂的應用原因。

  1.背景：氟塑料能夠在戶外長久使用的本質(zhì)原因

  眾所周知，氟塑料之所以具有優(yōu)異的耐候性，主要是因為它的分子鏈很強C-F鍵(鍵能高達485 KJ/mol，UV-b 313 nm對應的能量是383 KJ/mol)。F元素具有超高的電負性(-4.0，*高元素周期表)使這些C-F鍵非常穩(wěn)定，作為外鞘把手C-C主鏈包裹和保護，見圖-1。一般結(jié)論是：分子鏈或聚合物系統(tǒng)F含量越高，耐候性越好。幾乎沒有反例。

  圖-1.幾種主要含氟聚合物的化學結(jié)構(gòu)

  在氟塑料家族中，聚四氟乙烯(PTFE,F44)氟含量*高(76%)是塑料王。PTFE它是*早發(fā)明的氟塑料，用于軍事和航天。在戶外，許多膜結(jié)構(gòu)建筑使用這種材料，使用壽命超過50年。例如，日本東京火車站的圓形圓頂在1968年仍然像新的一樣明亮。四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP，F(xiàn)46，氟含量76%)，能耐UV-C和UV-D，它是一種**的耐深空紫外線材料。太陽通過大氣層到達地球表面，UV光只占到7-8%，絕大多數(shù)是UV-A，UV-B比例很小，約10%。F46就材料而言，處理這些紫外線輻照真的是一把牛刀。另一個例子是水立方。由于北京奧運會，公眾熟悉水立方。水立方所用氟塑料薄膜，學名乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE，F(xiàn)40，F(xiàn)自使用以來，水立方仍然是北京的標志性建筑之一。

  聚偏氟乙烯用于光伏行業(yè)背板(PVDF，F(xiàn)22，F(xiàn)含量59%)，是的ETFE同分異構(gòu)體，即ISOMER。你可以看到，ETFE和PVDF的F含量幾乎一模一樣。實際上，PVDF作為戶外材料，有許多30多年的案例。例如，使用Arke ** 公司的Kynar 500 制備的PVDF涂料在佛羅里達州的暴曬場已經(jīng)暴露在戶外近40年了，顏色新的一樣明亮，如圖所示-2所示。

  圖2.kynar 500涂料色板34-40戶外曝光實景年

  (圖片來源Arke ** 佛羅里達州公司暴曬實驗。

  為了方便讀者比較，我們在表中總結(jié)了上述信息-1結(jié)論結(jié)論是：

  I：氟塑料家族具有良好的耐氣候老化特性。

  II：行業(yè)共識 :F一般來說，耐候性越好。

  表-1.不同類型的含氟聚合物性價比簡單

  2.真相：含氟背板開裂的謊言和真相

  自2001年德國K展覽(世界上塑料行業(yè)***的展覽)自問世以來，PVDF膜作為商品在市場上已經(jīng)銷售了近20年。PVDF自2010年以來，膜已經(jīng)走過了近10年。作者估計，國內(nèi)外PVDF全球大規(guī)模裝備膜超過150 GW光伏電站。沒有人能否認這些電站的存在，也沒有報道說這些電站使用的背板已經(jīng)開裂或即將開裂。但實際情況是，一些企業(yè)可能確實在個別電站上找到了個別電站PVDF背板開裂的案例，然后非常主觀地將開裂的原因歸因于只要使用PVDF膜會開裂；*后，用無限大綱推斷所有使用PVDF膜的背板會開裂。

  這本身就是一種荒謬的邏輯，也是一種不負責任的危言聳聽，所以重新描述：

  論點：1000，000A一個包含的產(chǎn)品A產(chǎn)品壞了；

  分析:一個產(chǎn)品壞是因為都用了A;

  結(jié)論：所有內(nèi)容A所有的產(chǎn)品都會壞。

  這種推斷是不負責任的，甚*是商業(yè)欺詐。PVF背板也有裂縫。廣東深圳有屋頂電站PVF背板也出現(xiàn)了大量的背板裂縫，當?shù)貦C構(gòu)已經(jīng)獲得了PVF 膜開裂樣本如圖所示-4所示。

  圖-4.Solarex組件T型背板開裂圖

  (圖片來源:組件聚合物材料在不同氣候環(huán)境下的衰變分析。2017年4月PPIC)

  我們也可以列出幾個PVF如果用同樣的方法描述背板開裂的例子:

  論據(jù)：100家PVF在背板電站中，廣東某屋頂?shù)入娬綪VF背板開裂;

  分析：使用這些電站PVF背板;

  結(jié)論:這100個家庭被使用PVF背板電站會開裂；

  這樣的推論，PVF背板能接受嗎？

  3.PVF和PVDF過去和現(xiàn)在

  從歷史上看，PVF它早在1961年就出現(xiàn)了，是一種非常古老的產(chǎn)品。當時，可熱塑性加工的氟塑料還沒有商業(yè)化，所以當時得到了一定的發(fā)展。20世紀60年代以后，PVDF、ETFE和FEP等待熱塑性加工氟材料的興起。PVF不同的是，這些材料在加工過程中不需要不使用任何溶劑。此外，它們的耐候性和耐腐蝕性比PVF優(yōu)越的多。

  PVDF氟塑料家族具有特殊的地位，既親民又優(yōu)秀。其親民性在于，作為一種特殊的含氟材料，原料供應相對充足(僅次于**大品種PTFE供應)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的，如化工閥門、泵和管道，以及我們光伏行業(yè)使用的酸洗罐、硅花籃等。新興的超濾膜，如水處理(DIPS和TIPS膜)，這些膜包括管狀膜和平板膜，在海水淡化和污水處理行業(yè)起著重要作用。

  (如高鹽度、強腐蝕、超污濁等、強腐蝕、超污濁等)，PVDF材料往往是**，持續(xù)性和長久性特別突出。PVDF材料的卓爾不群在于她的一些特點是****的:比如她出色的壓電特性和鐵電特性，近年來在柔性電子和可穿戴設備中得到了廣泛的應用。值得注意的是，在這些領域，PVDF也以膜商品的形式出現(xiàn)，得到了上述行業(yè)的廣泛認可。

  3.1消失的PVF涂料

  由上所述，PVF越來越微是必然的。**個幾乎消失的是PVF涂料(單氟涂料)?，F(xiàn)在，在氟碳涂料行業(yè)，年輕從業(yè)者可能看不到PVF油漆，甚*聽不到。你看到和使用的大部分都是PTFE涂料、PVDF涂料、FEVE高耐候高耐候、高耐腐蝕涂料。

  3.2PVF膜的本質(zhì)缺陷:微裂紋 粉化

  PVF膜工藝，采用糊加工的方法。有機溶劑(如氮甲基吡咯烷酮)必須在這個過程中使用NMP、二甲基乙酰胺DMAC、二甲基甲酰胺DMF或r-丁內(nèi)酯等)，先把PVF將其制成漿糊，然后擴散到鋼板上，送到烤箱烘干，雙向或單向拉伸成膜。這種制膜方法比較古老，不環(huán)保。而且在溶劑揮發(fā)過程中，容易引起微裂紋，性能有本質(zhì)缺陷。

  一是微裂紋。這些缺陷可以在高倍顯微鏡下清楚地看到，見圖-12。早期的PVF由于這些缺陷，水蒸氣滲透率非常高。后來，研究人員對此進行了反對PVF膜進行了雙向拉伸，幾乎無法克服這一缺陷。然而，聚合物的特點之一是分子鏈可以放松（也稱為放松），并具有溫度等效的原理，即提高溫度和生長時間，這對加劇聚合物分子鏈的放松程度是相等的。薄膜狀態(tài)接近二維情況，這種放松也會加劇。雙向拉伸分子鏈后，在戶外長期使用條件下，會出現(xiàn)放松，這些微裂紋很有可能再次出現(xiàn)。

  二是表面粉化。PVF膜具有知名的特點。戶外使用PVF膜，經(jīng)過一段時間后，用手去摸，幾乎無一例外都會摸到白粉或灰粉!我們知道，高分子老化的后期階段，就是粉化。據(jù)國外解釋，這有可能是鈦白粉析出。即使是這個原因，也是一件可怕的事。近來，正在力推其透明PVF背板，其透明背板在電子顯微鏡下觀察，出現(xiàn)微裂紋也是大概率的事情。

  圖-12.的PVF膜高倍電子顯微鏡照片

  (資料來源:模仿項目立項報告，發(fā)表公開論壇)

  3.3談談氟膜的厚度

  過去，PVF幾乎所有的膜都用過38um厚度（所謂25年電站膜厚度），在光伏行業(yè)初期，光伏電站多為示范電站，規(guī)模小，組件功率低，數(shù)量有限。新的25 um所謂新產(chǎn)品，戶外實證使用壽命不如PVDF膜長。PVDF膜易于加工和生產(chǎn)，可在國內(nèi)外提供PVDF原材料和薄膜供應商較多；一些未經(jīng)驗證、技術不成熟的供應商為了降價而開拓市場，一次又一次地降低薄膜厚度，讓客戶反映PVDF背板不能通過IEC，背板開裂等。想象一下，哪種薄膜在減薄到一定厚度后能保持良好的機械強度和耐磨性？兩個背板，PVDF膜用作表層，另一種用途PVF膜;如果PVDF膜的厚度只有PVF在膜的一半，它們的性能可以相互比較，而不是從另一邊解釋PVDF膜性能是否更好？事實上，只要PVDF膜的配方和工藝得當，膜厚不易減薄過多，防裂性能會比PVF膜更優(yōu)越。

  在厚度減薄的情況下，任何膜材的抗撕裂性和抗穿刺強度都會大大降低，即使是金箔。PVDF膜不僅要求減薄，還要選擇具有技術、數(shù)據(jù)、規(guī)模應用歷史的成熟產(chǎn)品。

  其中，我們不能用假厚度來欺騙客戶。假厚度是指膜表面壓花過程中形成的虛擬高厚度。原因是壓花導致膜表面凹凸，起到消光作用（消光是客戶需要的，但供應時應如實告知客戶膜的實際厚度）。PVDF膜厚度對性能的影響見圖-8*圖-11。

  由此可見，厚度對膜的關鍵性能在各種不同條件下都有顯著的影響。作者建議，PVDF膜的厚度應控制在25 um*好在30 以上um以上。對于一些好的、成熟的國產(chǎn)膜，如果能達到這樣的厚度，PVDF膜根本不會開裂。

  3.4談談背板的失效模式

  背板有多種失效模式，開裂確實需要嚴格預防。這需要作為表面材料使用PVDF膜材具有良好的剛韌平衡特性。另外，膠層材料好，PET基材和良好的復合工藝也很重要。PVDF膜的厚度和PET與基膜相比，只有后者的1/10左右。

  如圖-5因此，通過對不同涂膠量、固化時間、成熟時間、成熟溫度等四個復合工藝關鍵參數(shù)的調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)復合工藝對背板層間剝離強度有顯著影響，層間剝離強度也是影響背板開裂的重要因素。

  試驗研究還發(fā)現(xiàn)，如果剝離強度不夠，很容易導致背板外保護膜開裂，如圖所示-6所示。

  圖-6.SPS型(即KPK型)背板因膠水脫膠而開裂。

  (圖片來源:Survey of Mechanical Durability of PV Back sheets. NREL. Atlas/NIST. 11/5,2017)

  國外機構(gòu)發(fā)現(xiàn)，背板開裂是多因素影響的結(jié)果，PET選擇也很重要。如果選擇耐濕熱性差的，PET即使搭配高可靠性PVF也必然導致開裂，如圖所示-7所示。

  圖-7.PVF膜由于PET開裂引起的開裂圖

  圖片來源：Survey of Mechanical Durability of PV Back sheets. NREL. Atlas/NIST. 11/5,2017.

  因此，背板各層材料的選擇和組合、膠粘劑的選擇和配方以及背板本身的制造工藝對防止背板開裂也非常重要。

  3.5談談PVF和PVDF膜的阻燃特性

  過去，組件功率很低，現(xiàn)在高效電池和組件功率大大提高，1500 V該系統(tǒng)也在該行業(yè)得到了逐步的推廣和使用，因此該電站對組件材料的性能也提出了更高的要求。光伏電站，無論是大型地面電站還是屋頂分布式，都希望無人看管，降低運維成本。光伏組件實際上也可以被視為無人看管的電器。在低壓電器領域，對無人看管電器的材料實際上有明確的要求：

  i.阻燃：滿足要求UL-94 V0(膜材料對應VTM-0);

  ii.CTI：600V以上，達到0級；

  iii.GWIT(燒熱絲引燃指數(shù)):775℃以上。

  如果不符合上述要求，這些電器很容易發(fā)生火災。一旦發(fā)生火災，很容易失控，火焰迅速蔓延，不會給人們留下寶貴的逃生時間。

  PVF材料的UL 94阻燃等級只能達到HB，極限氧指數(shù)只有23！(大氣中氧氣含量為21%)PVDF材料很容易獲得VTM-0阻燃等級，其氧指數(shù)可達44以上，CTI和GWIT也能輕松達標。PVF材料不僅不阻燃，也絕無可能通過GWIT。

  光伏行業(yè)之所以沒有采用無人看管電器的材料標準，是因為這些電器畢竟是戶外使用的，風險比室內(nèi)使用的電器小。然而，隨著高效電池的興起，提高阻燃標準將被提上更高的議程。因此，從高系統(tǒng)電源壓和運維的發(fā)展要求分析，PVDF膜比PVF膜更勝一籌。

  3.6談談氟材料的回收與環(huán)保要求

  歐洲WEEE(2002/96)法令已進入第三階段，對達到使用壽命的光伏組件將實現(xiàn)回收率85%，再利用率80%。凡在歐洲的光伏組件都要加貼由WEEE統(tǒng)一設計的“wheeliebin”標志以示合規(guī)，否則不得進入歐盟市場。此外歐盟建立了從綠色發(fā)電到廢物管理的光伏回收組織(PV CYCLE)。據(jù)了解，組織內(nèi)已有半數(shù)會員是中國企業(yè)。PV CYCLE根據(jù)不同的各國政策，進行報廢組件的回收，組織內(nèi)會員只需繳納會費并支付處理費用。

  我國從2010年起，光伏行業(yè)一改兩頭在外的情況，國內(nèi)光伏電站大量安裝。截止到2018年年底，累計安裝量已達到170GW。使用年限長的組件已逼近設計壽命25年，組件退役已經(jīng)提到議事日程。焚燒和填埋都不是好辦法，良好的出路是回收使用。

  組件的回用，特別是材料的梯級利用，將來一定是件很重要的事。PVDF不僅是一種可熱塑性加工材料，還可以和PET、EVA等材料共混制得有商業(yè)使用價值的合金材料，因此其梯級利用是可能的。國內(nèi)外一些廠家還公開了廢棄背板的回用工藝路線和制得合金材料的性能，見圖-13和圖-14。反觀PVF，其自身就不能熱塑加工，用其制備共混熱塑性材料更是奢談。

  圖-14.SPS型(即KPK型)背板材料回收利用后擠出成型品力學性能

  4.關于氟膜PVDF材料的增韌

  PVDF的特殊性還在于其性能。在氟塑料家族中，PVDF是*“剛強”的一個品種。其分子鏈比較線性規(guī)整，結(jié)晶速度較快，晶型轉(zhuǎn)變豐富(其中的β晶是該材料具有壓電特性的物理基礎)。

  作為光伏背板膜使用，該材料需要適當改性，以降低其“剛性”而增強其“韌性”。一些丙烯酸類聚合物和PVDF有相容性，被優(yōu)選為增韌劑?？梢宰杂傻恼{(diào)整材料特性，以達到“剛?cè)峄钡乃疁?。這在材料改性中是一個常用技術，其成功案例數(shù)不勝數(shù)，鋼材如此，塑料材料也是如此。舉一個大眾熟知的案例：汽車的保險杠，在亞洲汽車市場上廠商大量采用聚丙烯(PP)合金材料。PP是一種快速結(jié)晶的剛性材料(在這一點上和PVDF材料非常相像)。在PP基體材料中，添加乙丙橡膠或者POE彈性體，可以制得超韌的材料。這樣的材料，拯救了車禍碰撞時很多人的生命。車子不換保險杠，在戶外使用10年以上也是很正常的事。大家知道，和氟塑料相比，PP并不以耐候性見長。

  增強PVDF韌性的辦法有很多。聚合方向，可以調(diào)整其分子量和分子量分布、改變其分子鏈的拓撲結(jié)構(gòu)、引入第2和第3單體等，都是非常有效的手段。在改性方向，手段也很豐富：如和其他高分子共混制成合金材料，添加增韌劑、增塑劑、結(jié)晶成核劑和成核促進劑等。其中，比較高效的手段是添加增韌劑。少量添加，材料的韌性就可以大幅提升。并且增韌劑的種類很豐富，還可以并用，在工業(yè)實踐上有大量的成功案例。比較特殊的手段還可以制備PVDF的熱塑性彈性體，其韌性更可以有數(shù)量級的提升。此外，筆者了解到有國內(nèi)廠家創(chuàng)造性的開發(fā)出PVDF合金共擠膜材，其低溫韌性可以達到數(shù)量級的提升，且具有成本優(yōu)勢，即將量產(chǎn)，將為光伏行業(yè)再立新功。

  面對PVF膜竭盡其所能的抹黑，作為PVDF膜材的供應商要自強，要把好下列幾個關口：

  PVDF膜的原材料性能要穩(wěn)定;

  優(yōu)選增韌劑的種類，設計好配方，保證材料有足夠的韌性;

  嚴格控制好產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性;

  不隨意降低PVDF膜材的厚度;

  不隨意降低膜材表面層的F含量;

  從失效案例中學習總結(jié)，不給PVF膜廠商以任何口實。

  5.結(jié)語

  PVF是一種單氟聚合物，早在1961年就開始生產(chǎn)，是一種很古老的產(chǎn)品，其性能在氟塑料家族中是比較差的。其加工必須使用有機溶劑，既不環(huán)保，也給膜的性能帶來本質(zhì)缺陷，如微裂紋等。該膜在光伏發(fā)展的初期，的確是有所應用的;但是當時的歷史環(huán)境是，可熱塑性加工的氟塑料(特別是膜)還沒有大量面世，單價還十分昂貴。即使如此，PVF膜一直沒有大的商業(yè)應用，直到中國光伏的崛起，才給它的大規(guī)模應用帶來了商機。

  熱塑性可加工氟塑料雖然發(fā)展歷史較晚(實際上，PVDF材料的出現(xiàn)并不晚，只是作為膜產(chǎn)品出現(xiàn)比較晚)，但其加工方便，性能更加優(yōu)越。近二、三十年來得到了快速的發(fā)展。在涂料行業(yè)，同樣作為戶外使用的材料，PVDF已經(jīng)完勝PVF。由于歷史的原因，PVF膜在光伏行業(yè)先行一步;但PVDF膜是后起之秀，在材料可加工性、耐氣候老化性能、耐風沙性能和耐腐蝕性能等戶外使用的關鍵指標上，明顯領先于PVF膜?，F(xiàn)在， PVDF膜作為商品，已經(jīng)占據(jù)約一半的光伏市場，使用年限也已超過10年。由于背板廠商的努力，PVDF背板一直在得到不斷改良。相信過不了多久，PVDF膜將進一步證明其優(yōu)勢，獲得更多的認可。

  根據(jù)以上的分析，本文得出以下的結(jié)論：

  1.近期報道的PVDF膜在服役期間一定會開裂，從理論和實踐上看，有其荒唐的邏輯，也是不負責任的危言聳聽，甚*是一種商業(yè)欺詐行為。

  2.良好的PVDF膜材作為背板的面層保護材料，從材料本身固有的**耐氣候老化特性、材料的可獲得性和性價比上來講，是個優(yōu)選。

  3.由PVDF膜制成的背板裝備大量電站、已有長久實際使用案例;隨著時間的推移，會更加證實其可靠性。

  4. PVDF膜在耐氣候老化特性、耐腐蝕性、阻燃性、可回收性和可獲得性上比PVF膜具有明顯優(yōu)勢，也是今后高效光伏組件的優(yōu)選材料。

  更多光伏行業(yè)資訊請訪問查看

  中國分布式能源網(wǎng)