涂布复合型太阳能电池背板的阻燃性能研究

李亚钊 刘炳霖 王 莉 吴 斌 刘 芳 白玉清

（乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054）

涂布复合型太阳能电池背板的阻燃性能研究

李亚钊 刘炳霖 王 莉 吴 斌 刘 芳 白玉清

（乐凯胶片股份有限公司 河北 保定 071054）

本论文采用ANSI/UL94-1990中垂直燃烧测试方法，测试内层涂布外层复合型双面含氟背板各层材料的阻燃等级，建立了胶黏剂及涂层的垂直燃烧测试方法，并将各材料正交组合后测试整体背板的阻燃等级，从而方便分析各层材料在背板燃烧过程中起到的作用大小，最终确定了对内层涂布外层复合型双面含氟背板阻燃起最主要作用的材料为PET。

光伏背板；PET；内涂层；胶粘剂；阻燃性能

1.引言

随着光伏发电技术的发展，分布式电站的建设越来越受到各国政府的重视，美国在1997年提出了“百万太阳能屋顶”计划，其它国家也有类似的项目在筹划[1]。在光伏组件给人们带来便利的同时，它也存在着一定的安全隐患，例如太阳能电池在阳光照射下发电，用于室外的组件由于落叶等原因致使部分电池片受到遮挡无法工作，使得被遮挡部分温度远超过未被遮挡部分，导致温度过高出现热斑，影响太阳能电池正常工作，甚至使组件燃烧，引起火灾[2-4]。

太阳能电池背板作为光伏组件的重要组成部分，对组件起到支撑和保护的作用，然而太阳能电池背板多为高分子材料制备而成，材料本身易燃，如果组件发生燃烧，电池板的各层材料都不阻燃，从而火势失控，会导致大量的财产损失及人员伤亡。本文主要针对内层涂布外层复合型双面含氟太阳能电池背板的阻燃技术进行研究和讨论。该款背板的结构是，外层由含氟的膜材料和一层复合胶构成，中间层采用PET，内层为一种含氟粘结涂层。

2.实验原料与设备

2.1 实验原料

2.1.1 PET基材

CY25R，6023Z：江苏裕兴薄膜科技股份有限公司；DS10：四川东材科技集团股份有限公司。

2.1.2 氟膜

Fluon ETFE Film：日本旭硝子公司；Kynar PVDF Film：法国阿珂玛公司；Tedlar PVF Film：美国杜邦公司。

2.1.3 胶黏剂（以下简称FRA）

德国汉高公司。

2.1.4 涂料

LKA-FTL（以下简称FRC）：乐凯胶片股份有限公司。

2.1.5 阻燃剂

FM2100R：美国大湖化学公司；HT-208：济南泰星精细化工有限公司[4-5]；

2.1.6 聚酰亚胺薄膜（PI）

东莞方圆电子绝缘材料有限公司。

2.2 实验设备及仪器

水平垂直燃烧试验仪 DMS-RUVL-2：深圳市中子测控仪器有限公司；高剪切混合乳化机BME100L：上海威宇机电制造有限公司；智能数显恒温鼓风干燥箱 HQDS-9140A：菏泽市华强仪器仪表有限公司；覆膜机 FM-650：广东瀛和电子有限公司；丝棒 18#/26#：美国RDS公司。

3.背板各层材料阻燃性能研究

3.1 背板膜材料阻燃性能研究

3.1.1 薄膜阻燃测试方法

氟膜和PET薄膜的阻燃测试参照ANSI/ UL94-1990标准[6]中的VTM垂直燃烧实验进行测试。测试判定标准及装置图如下：

表1 VTM燃烧测试判定标准Table1 Vertical burning test criteria for thin material

图1 VTM燃烧测试装置示意图[6]Figure 1 scheme of apparatus for thin material vertical burning test

3.1.2 薄膜阻燃测试结果

测试内层涂布外层复合型双面含氟光伏背板使用的3款氟膜和3款PET的阻燃性能，结果见表2。

表2 背板用PET和氟膜燃烧测试结果Table 2 Burning test results of PET and fluorinecontaining membranes

所选择的太阳能电池背板上使用的三种氟膜中，ETFE的阻燃性能最好，可以达到VTM-0级，PVDF和PVF两款氟膜阻燃等级不能达到VTM-2级；PET中，6023Z可达VTM-0级别，DS10和CY25R不能达到VTM-2级。

3.2 背板涂布材料阻燃性能研究

3.2.1 胶黏剂/涂层的阻燃测试方法

胶黏剂与涂层较薄，需要在支撑体上成膜，单独无法直接进行测试。为测试此两种成分的阻燃性能，我们引入一款阻燃性能非常优异的薄膜材料PI膜，该款材料阻燃等级为VTM-0。

先将胶黏剂或涂层用合适的丝棒涂布于25μm厚的PI薄膜上，制备成单侧涂布的薄层材料，然后采用VTM燃烧测试法对整体薄膜材料进行阻燃等级的测试，用来表征胶黏剂或涂层的阻燃性能。

3.2.2 胶黏剂/涂层阻燃测试结果及分析

在胶黏剂中加入阻燃剂HT-208，在粘结涂层中加入阻燃剂FM2100R。按配方在烧杯中配置胶黏剂/涂层涂布液，配方见表3，之后用高剪切机分散均匀，采用合适的丝棒将涂布液均匀的涂在25μm 的PI薄膜上，放入合适温度的烘箱中干燥，待评价。

表3 胶黏剂/涂层配方Table 3 Formulation of adhesives and inner coating

采用垂直燃烧测试的方法测胶黏剂/涂层的阻燃性能，结果见表4。

表4 背板用胶黏剂和涂料层燃烧测试结果Table 4 Burning test results of adhesives and inner coating

从表4中可以看出，涂布复合型背板所使用的胶黏剂和涂层材料本身的阻燃性能都不太理想，FRA-0与FRC-0阻燃等级均不能达到VTM-2级别；在胶黏剂/涂层中加入20％wt的阻燃剂后，FRA-1与FRC-1的阻燃等级均可达VTM-0级别。

4.阻燃背板各层材料优选

4.1 背板制备方法及正交实验设计

从单因素考虑已经筛选出阻燃性能最优的氟膜和PET，从成本角度看，6023Z的价格要远高于另外的两款PET，ETFE价格也要略高于另外两款氟膜，从市场角度考虑，Tedlar膜市场占有率较高，综合各方面因素，还是将以上几款薄膜考虑进阻燃背板的结构，设计正交试验，见表5。

涂布复合型背板制备方法：先在PET的一侧涂布粘结层涂布液，放入烘箱干燥后，在PET的另一侧涂布胶黏剂，烘干溶剂后复合氟膜，制备成背板后熟化，待评价。

表5 L9(34)正交试验表Table 5 L9(34) Orthogonal experimental design

表6 正交表因素水平表Table 6 Level of orthogonal factor

4.2 正交试验结果及分析

首先是对表5所设计的正交试验进行测试，并将其测试结果用数值评分后进行直观分析，见表7：

表7 正交试验测试结果Table 7 Flaming test result of orthogonal experiment

从表7中的测试结果来看，A、B、D三列的均值相等，极差为0，说明(A)氟膜种类、(B)胶黏剂和(D)涂层的改变不能改变整体背板VTM燃烧测试的阻燃等级；C列极差最大，且该列的均值中均值2最大，可知，2号PET为最优选项，且(C) PET对于整体背板阻燃等级起最主要的作用。

5.结论

（1）内层涂布外层复合型双面含氟太阳能电池背板所选用的几款材料中，阻燃等级能达到VTM-2级别的只有一款氟膜（ETFE）和一款PET（6023Z）。

（2）在背板用涂层/胶黏剂中加入适当的阻燃剂，可以使涂层/胶黏剂的阻燃等级提到至VTM-0级别，但是对整体背板的阻燃效果没有影响。

（3）背板所使用的PET的阻燃等级对背板的阻燃等级起决定性作用。

[1] Marie-Claire Despinasse, Simone Krueger. First developments of a new test to evaluate the fire behavior of photovoltaic modules on roofs[J]. Fire Safety Journal, 2015, 71:49-57.

[2]李世民, 喜文华. 光伏组件热斑对发电性能的影响[J]. 发电设备, 2013, 27(1):61-63

[3]唐佳能. 太阳能光伏阵列故障检测及仿真分析[D]:[硕士学位论文]. 保定:华北电力大学电气与电子工程学院, 2013

[4]徐晓楠, 杨海潮, 王芳. 溴化环氧树脂协同三氧化二锑阻燃PET的燃烧性能及阻燃机理研究[J]. 中国塑料, 2010,24(4)：86-90

[5] 杨丽, 周逸潇,等. 阻燃剂阻燃机理的探讨[J]. 天津化学, 2010, 24(1):1-4

[6]ANSI/UL94-1990, 设备和器具部件用塑料材料的可燃性实验[S]. 美国, 1990

Study on the flame retardant properties of coated composite solar cell

LI Ya-zhao, LIU Bing-lin, WANG Li, WU Bin, LIU Fang, BAI Yu-qing. (Lucky Film Limited by Share LTD., Hebei Province, Baoding 071054,China)

In this paper , the fire-resist performance of the materials in composited PV backsheets were classified by flaming test according to the standard ANSI/UL94-1990. The vertical burning test method of adhesive and coating was established, and all materials in backsheets were also flaming tested through orthogonal experimental design. The results show that PET plays significant role in flameretardant among all materials in PV backsheets.

PV module backsheet; PET; Fluorine-containing membranes; Inner coating; Adhesive; Flameretardant

TM914.4

A

1009-5624-（2016）02-0075-04