摘 要

　　本文展示了一種基于流延切線卷涂技術和等離子技術而設計制造的光伏組件專用膜膠一體化背板。背板以PET為基材，經等離子體表面刻蝕和活化后，雙面涂以特殊研制的反應性功能氟碳涂料，經熱固化后得到具有聚氨酯結構的膜膠一體化背板。最后，通過等離子體增強化學沉積技術在涂層表面共價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、無明顯界面，顯著區別于傳統層壓復合型背板。這種獨特的膜膠一體化結構已被許多惡劣環境條件下的實際應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勢。測試表明，這種新型背板具有優良的阻隔性、耐候性、力學性能和電氣絕緣性。作為一種有前途的光伏材料，該新型背板在中國已經被廣泛應用于光伏組件封裝，并獲得了客戶的廣泛贊譽。

　　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，并且與相當大比例的組件失效密切相關 [1]。為了適應惡劣的操作環境，光伏組件必須依賴于封裝材料，以提供所需的耐久性。一般來說，光伏組件被嵌入柔軟的EVA片中，并通過玻璃 / 玻璃或玻璃 / 塑料技術進行封裝。隨著需求數量和質量兩個方面的不斷增長，玻璃 / 塑料封裝層壓結構已經被越來越多地推廣和接受 [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題，提供一種更持久有效的機械封裝。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力環境下（例如紫外輻射、溫度、大氣污染物、濕熱循環），這些都可能會降低組件的穩定性和性能。性能上的額外損失可能源于雨水、灰塵、風、雹、水的冷凝和蒸發及熱膨脹 [3]。因此，背板必須提供以下主要功能：

　　· 物理防護：提供抗穿刺和耐磨損能力

　　·防濕保護：最大限度地減少水分和水蒸汽滲入

　　·電氣絕緣：將電池片與環境進行隔離

　　·長期保護：在組件的壽命范圍內展示足夠的抗紫外穩定性和濕氣穩定性

　　·顏色：提供使組件與環境相匹配的顏色

　　·更多的輸出功率：通過優化內部反射來提高工作效率

　　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）作為保護層，提供耐候性， 用聚酯，如PET提供機械強度。

　　最流行的背板結構要數由聚酯膜和兩層Tedlar膜（杜邦公司）所構成的‘三明治’結構。也就是通常所說的Tedlar/聚酯/Tedlar （TPT）結構。目前為止，由于其優異的強度、耐候性、抗紫外線、防潮性能，多層層壓式復合背板占據背板市場的主導地位。然而，與復合背板相關的光伏組件失效的事例頻繁見諸報道。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，分層問題是光伏組件失效的主要原因[4-6]。光伏組件的分層現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。大量的研究只側重于EVA與背板界面的分離。在實際應用過程中，由于含氟聚合物的非粘附性（低表面能）導致光伏組件封裝材料和基料之間的粘接力被削弱，從而導致脫層和濕氣侵入。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，導致降解和氧化，以及半導體的電化學腐蝕和最終的組件失效。因此，開發一款具有優異性價比的背板仍然是光伏業的強烈需求。本文呈現了一種獨創膜膠一體化背板，并用各種現代技術對其進行了廣泛的表征和測試。結果表明，該新型背板具備作為光伏組件封裝材料所要求的各種優異性能，性價比高，具有廣闊的前景。

　　“PET  ─  一種在絕緣行業中廣泛應用的材料被用作基材：因為其良好的機械性能和低成本使其作為組件封裝材料而具有強大的吸引力”

　　膜膠一體化背板的設計和制造

　　要得到一款性能優異的背板，合理的設計是至關重要的。在我們的設計中，PET  ─  一種在食品包裝工業中廣泛應用的材料被用作基材： 因為其良好的機械性能和低成本使其作為組件封裝材料而具有強大的吸引力。然而，未經涂層（未修飾）的PET水氣透過性很高。在實際應用中容易產生各種降解，例如水解和熱氧化，這將導致PET的各種性能變差。因此，PET不能直接作為背板使用，而必須進行涂層或表面修飾。含氟聚合物已被證明具備多個作為涂層所必須擁有的性質，比如優良的疏水性和疏油性（耐污染性）、低摩擦系數、優異的耐化學品性和良好的耐候性。傳統的含氟聚合物涂料，如聚四氟乙烯（PTFE）和聚偏二氟乙烯（PVDF），除了其高成本外，還因為其化學惰性，不溶于大部分有機溶劑而使加工處理變得很困難。經過廣泛篩選，一種含氟反應性聚合物被選做涂料的主體材料來制造新型的膜膠一體化背板。圖1給出了含氟反應性聚合物的化學結構示意圖。

　　由圖1可見，含氟反應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含有機基團（主要是醚基），主要為聚合物提供溶解性和透明度。含氟反應性聚合物被用作主體成分連同其它組分，例如顏料和交聯劑一起形成一個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PET進行表面處理。許多研究證明等離子體處理可以通過以下一個或幾個現象來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、脫氫，鏈段的斷裂和交聯、自由基的產生和融合及材料表面形態結構的修飾。等離子體表面修飾的重要特征是可以同時改變材料表面的化學組成和形態結構而不改變材料的本體性質。

　　經過等離子體處理后，PET的表面得到刻蝕和活化，導致了涂層和基材之間的強粘接性。這種強粘接性必將減少，甚至完全消除在實際應用過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，整個制造過程是一無膠（粘合劑）過程，這種工藝明顯區別于傳統的復膜層壓方法。涂層是一個膜膠整合系統，同時具有膜和膠的功能。從高分子化學的角度來說，涂層具有聚氨酯（PU）的結構，因為六亞甲基二異氰酸酯（HDI）被用作固化劑（交聯劑）。在熱固化過程中，HDI的異氰酸酯基團與含氟反應性聚合物的-OH反應生成具有聚氨酯鍵的高分子網絡。一般而言，聚氨酯是一種獨特的材料，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良的阻隔性能和耐久性。需要強調的是，在等離子體處理過程中，許多活性基團例如羥基和氨基也被大量引入到基材PET表面。這些活性基團能參與固化反應，導致涂層和基材之間牢固的化學鍵合。這種共價鍵確保了涂層和基材之間的緊密整合，減少了傳統層壓復合背板所面臨的分層問題。