晶硅太阳能电池光伏薄膜材料现状及发展趋势

晶硅太阳能电池薄膜材料

现状及发展趋势

四川东材科技集团股份有限公司罗春明2011.7背景介绍市场分析技术现状和发展趋势产业升级主要内容背景概述人类正在面对实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染、温室效应等。要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用必将继续得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担纲重任。一、背景介绍背景概述太阳能发电是利用光伏电池组件将太阳能转变为电能；2004年以来世界光伏电池产量迅速增加，2010年全球产量达到20.5GW，同比2009年增长108%；根据国际能源机构(IEA)预测，2020年可再生能源在全球能源消费中的比例将达30%

；2030年之后，光伏发电很可能成为主流能源。一、背景介绍一、背景介绍晶硅太阳能电池组件主要由玻璃板、电池片、EVA胶膜、背板膜等几部分组成。其中EVA胶膜和背板膜（主要由氟膜和PET基膜—也称PET厚膜构成）统称为光伏薄膜材料。一、背景介绍图1.1背板膜和晶硅太阳能电池组件结构示意图尚德STP260S-24/Vb1956x992x50mm，250W（130W/m2）图1.2太阳能电池组件实物图一、背景介绍一、背景介绍太阳能发电示意图电池组件控制器逆变器

电能储存单元图1.3太阳能发电示意图美国家用太阳能屋顶德国柏林火车站太阳能屋顶西班牙太阳能发电站一、背景介绍1、光伏产业用EVA胶膜

EVA树脂是乙烯与醋酸乙烯的共聚物，由杜邦公司率先研发问世，商品名为Elvax

，目前仍占据较大的市场份额。EVA树脂添加其它助剂后，通过一定的工艺，制成EVA胶膜。图1.4EVA分子结构式一、背景介绍EVA胶膜的特性常温下无粘性，热压后发生交联固化反应，产生永久粘合，并变成完全透明。EVA胶膜的性能要求

具有良好的耐候性和弹性，通过真空层压技术与光伏组件中的玻璃和背板膜粘合为一体；

能提高光伏组件中玻璃的透光率，起到“增透作

用”，提升光伏组件对太阳能的利用效率。一、背景介绍2、光伏产业用PET基膜

PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）薄膜是以聚酯切片为主要原材料，经过挤出、拉伸等工艺制得。用于光伏背板领域的PET薄膜厚度通常在180μm以上，因此又称PET厚膜，主要起阻隔、电气绝缘的作用。图1.5PET分子结构式一、背景介绍PET基膜的性能要求

低的水蒸汽透过率优良的电气绝缘性能优良的耐老化性能较好的阻燃性PET基膜市场情况

光伏背板用PET基膜的大部分国际市场份额由国外企业占据，如：日本东丽、帝人-杜邦、韩国SKC等等。目前国内主要有东材科技和江苏裕兴等企业给国内外市场提供相关材料。图1.6太阳能背板基膜产品一、背景介绍3、光伏产业用背板膜

背板膜是光伏组件中的重要部分，其对组件中的电池片起保护和支撑作用，要求具有可靠的电气性能、水蒸气阻隔性能和耐老化性能。目前，背板膜主要分为“复合型”和“涂布型”两大类。

一、背景介绍复合型背板膜主要有以下类别：（1）TPT(Tedlar//PET//Tedlar):在PET基膜两面复合Tedlar氟膜（聚氟乙烯PVF）；（2）TPE(Tedlar//PET//EVA):在PET基膜一面复合Tedlar氟膜，一面复合EVA胶膜或聚烯烃薄膜；（3）

FPF(FFC//PET//FFC)：在PET两面复合FFC氟

膜（聚偏二氟乙烯PVDF）。如将FFC换成其它氟膜，则还可衍生出更多型号的背板膜。

一、背景介绍TPT背板膜

TPT背板膜中的Tedlar聚氟乙烯(PVF)膜赋予背板膜耐热氧老化、耐紫外线等性能，并且对太阳光有反射作用，可提高光伏组件的使用寿命。目前国际上大多数的背板膜均使用杜邦公司Tedlar进行复合。图1.7TPT背板膜结构示意图一、背景介绍TPE背板膜

TPE主要有以下特性：

1.与EVA粘结强度高、空气隔绝性和抗湿性较好；

2.增强了内反射性，可提高光伏组件对光的吸收

效率和光电转化效率；

3.TPE的成本较TPT有所下降。

但TPE的耐紫外老化性、耐热氧老化性相对于TPT较差，会降低光伏组件使用寿命。一、背景介绍FPF背板膜

FPF背板膜结构与TPT背板膜类似。具有良好的电气性能，其成本较TPT有所降低。但FPF背板膜的综合性能要低于TPT背板膜。

TPE和FPF背板膜虽然在整体性能上不如TPT背板膜，但由于价格较低，目前还是占据了一定的市场份额。一、背景介绍涂布型背板膜

该类背板膜是通过适当的工艺，将含氟涂料涂布于PET基膜表面上，从而制得性能与TPT类似的背板膜。由于成本的优势，涂布型背板膜前景看好。除“复合型”和“涂布型”背板膜技术之外，还有PET基膜表面改性、真空金属镀层、耐候PET基膜多层复合等不同技术路线制造的背板膜。

在大力发展新能源的背景下，风能、核能都遇到了技术、安全等方面的问题，给太阳能的发展提供了良好机遇；来自Solarbuzz的数据表明，2010年全球新增光伏装机量达18.2GW，同比2009年增长139%。同时，全球太阳能电池产量达到20.5GW，同比2009年增长108%；除欧洲外，中美两国的市场极具潜力。预计2015年底中国累计装机量将达5-10GW（中国政府规划），而2020年美国累计装机量至少达30GW。二、市场分析二、市场分析图2.2全球光伏薄膜产业市场规模预测图2.1全球光伏新增装机量预测二、市场分析2011-2015年，全球光伏产业新增装机量预计呈上升趋势,由此会推动全球光伏薄膜产业市场规模的显著增长；2011-2015年，全球光伏薄膜市场规模预计年均复合增长率将超过20%，2015年全球光伏薄膜市场规模预计接近380亿元。二、市场分析图2.3全球太阳能背板需求量及市场规模二、市场分析全球光伏装机容量的急剧增长极大地带动了全球光伏背板及相关产业的爆发；2010年全球光伏背板需求量近1.4亿平方米，市场规模约85亿元；预计2013年全球光伏背板需求量将超过2.3亿平方米，市场规模超过135亿元；光伏背板用PET厚膜的市场规模相当可观。二、市场分析2010年全球光伏领域PET厚膜需求量约5.2万吨，市场规模接近15亿元；预计2013年，全球光伏领域PET厚膜需求量将达8.4万吨，市场规模超过20亿元。图2.4全球光伏用PET厚膜市场及预测二、市场分析图2.52010年中国光伏组件产量全球比重二、市场分析中国已成为全球最大的光伏组件生产国，2010年中国大陆光伏组件产量占全球比重已接近50%；光伏薄膜材料领域，目前的国产化比率不高。二、市场分析光伏薄膜中EVA胶膜、PET厚膜和氟膜，国产化比率均不到50%，且价格较低；国外相关企业具有较大的竞争优势，主要体现在技术和原材料控制等方面。图2.6目前中国光伏薄膜国产化比率二、市场分析进口材料国产化替代前景广阔中国光伏电池组件产量占比不断提升，带动对上游各种光伏材料的需求量不断增加，进而促进国内光伏薄膜行业的发展；光伏电池组件面临成本下降的压力，组件厂商需要寻求国内供应商，从而降低原材料成本，也有利于加快光伏薄膜材料的国产化进程。二、市场分析图2.72010年全球光伏EVA胶膜格局国内光伏EVA胶膜行业的进口替代趋势已经确立；国内企业已经占据EVA胶膜市场40%~50%的国内份额，并且很可能会进一步提升。二、市场分析BOPET行业龙头如日本东丽、帝人杜邦和韩国SKC等在高端光伏PET厚膜市场具有显著竞争优势；国内如东材科技、江苏裕兴等企业在光伏PET厚膜领域已经取得突破，进口替代趋势已经形成。图2.82010年全球光伏PET厚膜格局二、市场分析氟膜类型化学名主要生产商PVF聚氟乙烯美国杜邦PVDF聚偏氟乙烯欧洲阿科玛、苏威；日本大金、吴羽；韩国SKC；国内浙江巨化、山东东岳化工ECTFE三氟氯乙烯-乙烯共聚物欧洲苏威THV四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物美国Dyneon表2.1各种氟膜结构及主要生产商二、市场分析PVF薄膜（杜邦Tedlar）占据全球背板市场40%左右的份额；PVDF、ECTFE、THV等氟膜作为Tedlar的替代品，具有极好的应用前景；由于技术壁垒较高，国内光伏氟膜材料相关企业在短时间内可能难以取得突破。苏州一家公司的含氟薄膜研发取得一定突破，但还没有获得市场认可。二、市场分析综上所述，受全球大环境的影响，中国光伏行业发展势头迅猛；国内光伏薄膜产业的市场潜力巨大；国内光伏薄膜材料企业需要努力提高自身水平，以求在光伏薄膜产业中取得较大的发展。三、技术现状和发展趋势光伏产业用EVA胶膜技术概况

EVA胶膜的性能主要受EVA树脂、添加剂（交联剂、增塑剂和抗氧剂等）以及制作工艺等因素的影响。

EVA树脂中的醋酸乙烯酯含量（VA值）和分子量（用熔融指数MI表征）是影响EVA树脂性能的重要指标，需合理控制配方以制得优质的产品。交联剂用于改进EVA胶膜的固化性能。抗氧化剂和抗紫外老化剂的使用有利于提高EVA胶膜的耐候性。三、技术现状和发展趋势光伏产业用EVA胶膜技术概况

目前国内生产的EVA树脂和添加剂在技术水平上较之国外产品还具有一定的差异，加之工艺经验的相对欠缺，国产EVA胶膜在整体性能上落后于国外产品。随着国内光伏行业的发展，国内EVA胶膜产品的技术水平正在逐步提高。表3.1国外与国内EVA胶膜主要性能指标比较性能指标行业指标值国外产品值国内产品值透光率（固化后）＞90%＞92%＞91%吸水率（20℃，24h）≤0.1%≤0.1%＜0.1%完全交联度（145℃，20min与15min）＞81%＞85%80%-90%耐紫外线老化（1000h）黄变指数＜1.0黄变指数＜0.5黄变指数＜2.0耐高低温及湿热老化（+85℃，－45℃，85%湿度，1000h）黄变指数＜2.0黄变指数＜1.0黄变指数＜3.0三、技术现状和发展趋势三、技术现状和发展趋势光伏产业用EVA胶膜发展趋势

更高的透光率：以增加太阳光透过率，提高太阳能组件的发电效率；

更好的耐黄变性能：表现为“耐紫外线老化”和“耐高低温及湿热老化”性能的提高，延长组件的使用寿命；

另外，在表面光洁度、化学稳定性、耐臭氧强度、与填料的掺混性以及着色和成型加工难度等方面都有改进的要求。

三、技术现状和发展趋势光伏产业用PET基膜技术概况

光伏产业用PET基膜属于电工绝缘PET薄膜中的高端产品，其在电气性能、水蒸汽透过率、耐候性和阻燃性方面的要求较高，具有相当的技术含量。

PET基膜的性能主要受聚酯切片质量、薄膜配方和制膜工艺的影响。

三、技术现状和发展趋势光伏产业用PET基膜技术概况目前，国外企业已开发出多类型的PET基膜。在外观上，有黑色、白色、乳白、透明等多种颜色的基膜；在厚度上，除传统的250μm厚的基膜外，还新增了38μm，50μm，125μm，

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μm等厚度规格的基膜。这些不同类型的PET基膜可应用于不同类型的光伏背板以及新的背板膜工艺。

三、技术现状和发展趋势光伏产业用PET基膜技术概况为摆脱杜邦公司对TPT背板膜用Tedlar氟膜的垄断控制和避开含氟薄膜的供应紧张局面，已有不少光伏组件厂商通过在PET基膜上涂布含氟材料的工艺制造光伏背板膜。但是，这种新的工艺对PET基膜的耐老化性和水蒸气阻隔性提出了更高的要求。三、技术现状和发展趋势光伏产业用PET基膜技术概况

PET基膜的耐老化性方面，除传统的双85实验（温度85℃，相对湿度85%条件下的耐老化性能测试）外，目前还进一步要求对基膜进行加速湿热老化测试（条件为：温度121℃，相对湿度100%，2个大气压力

），甚至还有135℃，3.5个大气压力下的超加速老化湿热测试。

为了大幅提升光伏背板基膜的耐老化性，国外企业采用PEN薄膜替代PET基膜。

三、技术现状和发展趋势光伏产业用PET基膜技术概况目前国内能够生产电工绝缘PET厚型薄膜的企业不多，而能够生产光伏用PET基膜的企业就更少。因此，国外产品占据了较大的市场份额。但是，国内企业在这方面已有一定的技术基础，一些产品的质量已接近国外水平，东材科技和江苏裕兴2010年向国内外市场提供了约1.5万吨的光伏用PET基膜，约占市场需求的25%。

表3.2国外与国内光伏背板PET基膜主要性能指标比较性能指标国外产品国内主流产品水蒸汽透过率（g/m2·d）≤1.51.5~2.5耐湿热老化（85℃，85%相对湿度）≥3000h≤2500h阻燃性能UL94-VTM2部分达到UL94-VTM2三、技术现状和发展趋势国外企业在光伏背板用PET基膜方面具有技术优势；随着国内光伏行业的发展，国内产品已能部分替代进口产品。三、技术现状和发展趋势光伏背板用PET基膜的发展趋势更高的阻隔性：目前2g/m2.d左右的水蒸气透过率已经无法满足行业的新技术要求，近期目标是1.5g/m2.d以下，中长期的要求是小于1g/m2.d。为此国内外采取了多种技术以提高PET基膜的阻隔性，下面介绍几种方法。1、利用真空蒸镀在PET基材表面上涂布厚10nm左右的硅氧化物膜(SiOX

，X<2)，其水蒸气阻隔率可提高2～3个数量级；三、技术现状和发展趋势光伏背板用PET基膜的发展趋势2、采用无机和有机材料混合物构成阻隔层，使水分子发生反应并将其封闭在薄膜中，从而阻止水蒸汽进入，该技术可以得到10-6g/m2.d的高阻隔性薄膜（日本三菱）；

3、采用二醇类、二羧酸等作为共聚载体，对聚酯进行共聚改性提供阻隔性；

4、采取共混改性、多层复合改性、表面涂层改性、纳米复合改性等技术。三、技术现状和发展趋势光伏背板用PET基膜的发展趋势更高的耐老化性：目前双85条件下老化寿命2500小时已经无法满足新的技术要求，杜邦帝人公司已经推出121℃2个大气压下寿命96小时的产品，相同条件下国内最好薄膜只有60小时左右。更好的阻燃性：目前阻燃性达到UL94VTM-2的背板基膜并不多，但组件要求有阻燃性并且是无卤阻燃。三、技术现状和发展趋势光伏产业用背板膜技术概况受氟材料（氟膜、含氟涂料）、PET基膜材料的制约，国产背板膜在技术上与国外产品存在较大差距。三、技术现状和发展趋势表3.3国外与国内TPT背板膜主要性能指标比较性能指标国外产品国内产品撕裂强度（N/mm）≥140135～145层间剥离强度（N/5cm）（Tedlar//PET）≥40≥25剥离强度（N/cm）（EVA/TPT）≥30≥20水蒸汽透过率（g/m2·d）≤1.0≤2.0击穿电压（KV）≥20≥1760oC/1KW紫外灯辐照100h黄变指数≤0.5黄变指数≤2使用年限20年以上20年左右三、技术现状和发展趋势光伏产业用背板膜发展趋势1、不可