提到光伏產品，相信已家喻戶曉。從地面光伏電站，到房屋建筑一體化BIPV、太陽能發電高速公路，節能汽車等方面都有光伏產品的影子，相信在不久的將來光伏的應用會更加廣泛。

光伏背板由高分子材料組成，有一些光伏背板在使用一段時間后，會提前暴露出明顯的質量問題，甚至會導致組件失效。當前光伏背板暴露出來的其中一個嚴重問題就是背板開裂。

晶體硅太陽能電池結構

1、背板材料工藝分析

1）含氟背板：含氟背板是指以氟膜或含有氟涂層作為耐候保護層的背板。由于C—F鍵鍵長小、鍵能大，使得含氟材料本身具有優異的耐紫外、耐腐蝕和耐熱性能，適合作為背板保護層材料。常見的含氟背板材料有PVF（聚氟乙烯）和PVDF（聚偏氟乙烯）兩種，外加FEVE氟碳涂料。

2）不含氟基膜：

PET基膜：PET是由對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（MEG）在催化劑的作用下經加熱縮聚而成的一種結晶型聚合物，即聚酯切片，長期使用可耐高溫達120 ℃，短期使用可耐150 ℃高溫、-70 ℃低溫，且高低溫時對其力學性能影響很小。聚酯切片經干燥、熔融、擠出、鑄片和拉伸來制成PET膜，如果只單向拉伸則稱為CPET，主要用于包裝；采用縱橫雙向拉伸則為BOPET，現在95%以上的PET膜為BOPET，其中的中高端PET主要用于光學膜和光伏背板膜。

聚酰胺背板：也稱尼龍背板，多使用3層共擠工藝制得，典型結構為PA/PA/PA。APE結構背板的外層為PA材質，此類背板的水汽透過率低，斷裂伸長率高達500%以上，但強度不足20 MPa。此外，還有使用聚酰胺薄膜代替氟膜制作的復合型背板。紫外輻射對聚酰胺類的背板影響較大，若用于紫外輻射較強的地區，其風險也較傳統含氟背板大。

2、失效性分析

背板開裂作為光伏組件常見的一種失效問題，其中以行業早期使用的聚酰胺類背板最為嚴重。

1）二氧化鈦及其耐紫外的添加：

背板為了滿足戶外長期使用的需求，一般都會在PET兩側通過涂覆或者復合一層氟材料來保護PET。為滿足耐紫外的性能需求，傳統的白色背板中都會添加有機紫外吸收劑，如二苯酮類、水楊酸酯類、苯并三唑、三嗪類等，此類化合物在紫外線長期照射下會失效，長期性能欠佳。其中一些會添加無機物如金紅石型的鈦白粉（二氧化鈦）來阻隔紫外線的作用，具有一定的長期穩定性。但二氧化鈦也是一種光催化劑提供載流子，從而誘導氧化還原反應。導致背板上的高分子材料出現降解，宏觀上出現脆化、掉粉現象，最終背板發生開裂。

2）PET薄膜水解：

PET薄膜是背板的重要組成部分，在光伏組件工作期間，PET集采除了發生光老化以外，還會發生濕熱老化。濕熱老化后的PET薄膜性能對光伏組件的電氣性能和力學性能會產生影響。PET分子鏈中含有大量的酯基鏈段，酯基在高溫環境下易發生水解反應，使得分子斷裂，產生羧基（—COOH），羧基電離出氫離子，氫離子進一步催化PET降解，發生自催化效應，使PET分子量降低，最終導致組件電氣性能和力學性能下降。

3）聚酰胺自身的老化：

根據報道通過對老化前后的聚酰胺背板進行紅外檢測，非酰胺鍵的羰基峰明顯增加，這是由于背板在濕熱老化過程中，酰胺鍵發生水解所致。老化后的背板脆化和變色問題的原因是酰胺鍵水解過程中導致聚酰胺分子鏈發生斷裂，產生的羰基中間體在與空氣中水和氧氣作用生成了醛、通等有色物質。經過PCT老化的聚酰胺都出現了聚酰胺結晶。這些現象印證了光氧化降解機理，在紫外輻照環境下背板老化主要是以聚酰胺的光降解為主。

4）PVDF材料的晶型轉化：

PDVF聚合物類背板經過老化試驗后同樣會出現開裂狀況，開裂過程中會發生明顯的形變。如下圖所示，PVDF的β相是PVDF的細長的全反式極性構象，而α相是左扭式的非極性構象，形成螺旋型結構裂縫尖端的聚合物形態是有序和定向的，與β相PVDF一致。與先前的研究相吻合，在破裂和應變的純PVDF聚合物中可發生α到β相變，相變是裂紋擴散機制的部分原因。在球晶的剛性片層中也會出現裂紋，此類為片層裂紋，并不是由晶型相變引發的。

(a)為非壓電的α相PDVF  (b)為壓電的β相PDVF

3、加速老化模擬

光伏背板老化需要具備的條件是：光照、水汽和溫度，三者缺一不可。根據光伏產品最常用的檢測標準IEC61215和IEC61730要求，設置溫度為85℃，濕度為85%RH，輻照量為120kWh/m²，測試時間為1000h。

1）傅里葉紅外光譜儀分析 (FT-IR)：

聚酰胺類背板在老化后酰胺鍵發生水解。可以使用FT-IR對其進行分析，根據文獻報道，如圖所示在老化后的聚酰胺1730 cm-1處吸收峰為非酰胺鍵上羰基吸收峰，酰胺鍵上的羰基伸縮振動峰在1650-1620 cm-1之間。1730 cm-1處羰基吸收峰主要是背板在老化過程中，聚酰胺發生水解所致。水解過程中分子鏈斷裂，產生的羰基在空氣中生成醛酮等有色物質，導致背板脆化和嚴重變色。有時為了便于檢測與檢測數據的更加精確，可用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法(FTIR-ATR)，檢測樣品更容易制備，檢測的靈敏度更高。

聚酰胺背板DH 老化前后紅外光譜圖

2）拉曼光譜分析 (Raman)：

背板老化前后的拉曼光譜

447和608 cm-1處的峰表明所有樣品中都存在金紅石型二氧化鈦，因為二氧化鈦作為顏料顆粒的摻入在白色背板中是常見的。值得注意的是，拉曼光譜的穿透深度比FTIR更深因此，從而可以檢測內部的二氧化鈦的含量，從而對表面與外部的二氧化鈦進行初步的比較，來確定老化導致二氧化鈦含量的降低情況。

3）掃描電子顯微鏡分析 (SEM)：

SEM斷面形態：

背板老化前后SEM 斷面圖

聚酰胺類背板從SEM 斷面圖上可以看出，此背板為三層結構，中間層經玻璃纖維增強。濕熱老化后斷面較老化前光滑，玻璃纖維拔出現象更為明顯，且有部分的玻璃纖維發生脫落，從玻璃纖維表面及被拔出玻纖的坑洞內壁表面可以看出，老化前，玻璃纖維表面殘留聚酰胺量比老化后要多，且其拔出纖維坑洞內壁有部分拉絲現象。表明隨著濕熱老化的進行，聚酰胺和玻璃纖維的結合界面作用減弱。

SEM表面形態：

背板老化前后SEM 表面圖

聚酰胺類背板從SEM 的表面形態圖上可以看出，隨著老化時間的延長，背板的表面形態發生明顯變化，如圖所示。圖中a 圖及b 圖中白點即為紫外屏蔽劑二氧化鈦，隨著老化時間的延長，背板的表面可能有有機物滲出，老化時間越長滲出量越多，從圖e 和圖f 對比可以看出，在潮濕環境下的紫外輻照更容易滲出有機物，此有機物的滲出可能會掩蓋作為紫外屏蔽劑的二氧化鈦，從而有可能影響背板的耐紫外性能。