本文介紹了光伏背板的作用、性能要求、常見結(jié)構(gòu)以及國內(nèi)主要背板生產(chǎn)企業(yè)的背板類型、性能和生產(chǎn)規(guī)模，并對背板的原材料PET基膜、氟膜和膠黏劑的現(xiàn)狀進行了分析。
光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，應(yīng)用場景包括高原、沙漠、戈壁、水面、建筑屋頂?shù)葏^(qū)域，需要連續(xù)使用25年以上。
光伏發(fā)電的關(guān)鍵元件是晶硅太陽能電池片，為適用不同的環(huán)境和使用年限，必須對電池片進行封裝以形成組件。
其結(jié)構(gòu)如圖1所示，從上至下通常由玻璃、封裝膠膜、電池片、封裝膠膜、背板等5層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中背板和玻璃起密封、保護、絕緣等作用，封裝膠膜用于電池片與背板和玻璃的黏結(jié)。
背板按其所用材料分為無機背板即玻璃和高分子有機背板，本文后續(xù)背板特指高分子背板。
如果背板也采用玻璃，即為雙玻組件，否則為單玻組件（如圖1所示），組件玻璃一面直接面對太陽，背板位于組件的背面。目前光伏組件以單玻組件為主，但發(fā)展趨勢是雙玻組件占比會逐漸提高，因為雙玻組件可以雙面發(fā)電，提高了發(fā)電效率。
圖2為某企業(yè)背板的生產(chǎn)現(xiàn)場，其生產(chǎn)的是白色背板，實際使用的還有黑色、彩色以及透明背板。
圖2 背板生產(chǎn)現(xiàn)場
背板位于光伏組件背面的最外層，直接與外部環(huán)境大面積接觸，為適用多樣的氣候環(huán)境及服役時間，背板需要滿足多種性能要求，如表1所示。
表1 背板性能要求
國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31034—2014《晶體硅太陽電池組件用絕緣背板》規(guī)定了光伏組件背板的主要性能指標(biāo)，其中背板的厚度偏差絕對值≤標(biāo)稱厚度的10%，縱向及橫向斷裂伸長率≥80%，縱向熱收縮率≤1.5%，橫向熱收縮率≤1%，水蒸氣透過率≤2g/（m2?d），層間剝離強度≥4N/cm，背板與EVA膠膜的剝離強度≥40N/cm。
單一的材料很難滿足這些性能要求，所以背板一般采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中PET膜作為基膜，氟膜或其他塑料薄膜通過膠黏劑黏附在基膜兩邊。
圖3 兩面復(fù)合背板結(jié)構(gòu)
PET膜具有優(yōu)良的絕緣性能和力學(xué)性能，但耐候性較差，含氟樹脂膜包括聚氟乙烯（PVF）膜和聚偏氟乙烯（PVDF）膜，它們具有優(yōu)良的絕緣性、耐候性和阻隔性，膠黏劑的主要作用是使PET基膜與氟膜、聚烯烴類薄膜黏結(jié)復(fù)合。
PET膜與含氟膜通過工藝結(jié)合在一起的背板就能滿足組件的使用環(huán)境，具體的材料發(fā)展歷程請參考文獻。
按生產(chǎn)工藝，背板分為復(fù)合型和涂覆型。
氟材料以氟膜的形式通過膠黏劑復(fù)合（一般是壓合）在PET基膜上，即為復(fù)合型背板，其氟膜完整，因此綜合性能優(yōu)越，但成本高，如圖3所示；以含氟樹脂的形式通過特殊工藝直接涂覆在PET基膜上，膠黏劑混合在氟樹脂中，即為涂覆型背板，性能稍遜于復(fù)合背板，但具有價格優(yōu)勢，它們的結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。
圖4 一面復(fù)合一面涂覆背板結(jié)構(gòu)
圖5 兩面涂覆背板結(jié)構(gòu)
太陽能背板按含氟情況可分為雙面氟膜背板、單面氟膜背板、不含氟背板，因其耐候性等特性不同而適用于不同環(huán)境，總體來說對環(huán)境的耐候程度依次為雙面氟膜背板、單面氟膜背板、不含氟背板，其價格一般也依次降低。
雙面氟膜復(fù)合背板由于其優(yōu)越的耐候性能，能經(jīng)受住嚴(yán)寒、高溫、風(fēng)沙、雨水等惡劣環(huán)境，通常被廣泛應(yīng)用于高原、沙漠、戈壁等區(qū)域；單面氟膜復(fù)合背板是雙面氟膜復(fù)合背板的降本型產(chǎn)品，相對于雙面氟膜復(fù)合背板其內(nèi)層的耐紫外性和散熱性較差，主要適用于屋頂和紫外線溫和的區(qū)域。
全球光伏產(chǎn)業(yè)鏈基本都在中國，背板也一樣，早期由國外尤其是日本公司把持，但隨著中國公司的迅速崛起，國外背板企業(yè)由于不適應(yīng)快速降本的需要，利潤率下降，市場份額逐步降低并退出了市場，2016年日本凸版和3M公司退出背板市場，2017年日本東麗公司退出市場，臺虹和伊索的產(chǎn)銷量也處于停滯狀態(tài)。
國內(nèi)主要的背板生產(chǎn)企業(yè)包括蘇州賽伍應(yīng)用技術(shù)有限公司（簡稱賽伍技術(shù)）、蘇州中來光伏新材股份有限公司（簡稱中來股份）、明冠新材料股份有限公司（簡稱明冠新材）、杭州福斯特應(yīng)用材料股份有限公司（簡稱福斯特）、樂凱膠片股份有限公司（簡稱樂凱膠片）等，各企業(yè)主要背板產(chǎn)品分類如表2所示。
表2 各企業(yè)背板產(chǎn)品分類表
早期以TPT、KPK背板為主，但PVF與PVDF膜價格高，尤其是PVF膜基本只有美國杜邦公司生產(chǎn)，所以，國內(nèi)各企業(yè)通過研發(fā)，一方面用含氟涂料代替氟膜，另一方面用涂覆工藝取代復(fù)合工藝，在滿足光伏組件性能的前提下，成本大幅降低。
如表2中的賽伍技術(shù)的F氟皮膜、中來股份的FFC氟涂料、福斯特的C氟樹脂等，更進一步，明冠新材的M膜和樂凱膠片的E膜，直接用聚烯烴膜取代氟膜。各企業(yè)厚度基本相同的背板性能如表3所示。
表3 背板性能對比
可見，各企業(yè)產(chǎn)品的性能基本相同，都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
2020年與2021年各公司背板銷售情況如表4所示。
據(jù)中國光伏協(xié)會統(tǒng)計，2021年全球新增光伏裝機量為170GW，其中單玻組件占比62.6%，實際按1∶1.2生產(chǎn)，即單玻組件為170×1.2×62.6%=127.7GW，一般每GW需500×104m2的背板，所以2021年的背板需求量為500×127.7=63852×104m2，表4中的6家企業(yè)的銷售量達到了59995×104m2，其中中來股份第一，賽伍技術(shù)第二（2021年前連續(xù)多年第一），他們兩家的銷售量與其余4家相當(dāng)。
同時，由于技術(shù)差異，各企業(yè)的毛利潤率相差較大，中來股份主打雙面涂覆，成本低，所以毛利最高，明冠新材一面采用聚烯烴膜，毛利也高，樂凱膠片主要是背板厚度厚，又大量采用T膜，雖然單價高，但毛利低。
2021年氟膜價格大幅提高，漲幅在兩倍以上，而背板90%的成本是材料，如表5所示，導(dǎo)致各企業(yè)2021年雖然單價提高了，但毛利下降，成本不能完全轉(zhuǎn)嫁下游組件公司。
表5 材料成本??%
PET是由精對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（MEG）在催化劑的作用下經(jīng)加熱縮聚而成的一種結(jié)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(xué)性能影響很小。
聚酯切片經(jīng)干燥、熔融、擠出、鑄片和拉伸而制成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(xiàn)在95%以上的PET膜為BOPET，其中的中高端PET膜主要用于光學(xué)膜和光伏背板膜。
生產(chǎn)公司包括日本東麗株式會社、日本杜邦帝人薄膜公司、韓國SK化學(xué)等，國內(nèi)包括江蘇雙星彩塑新材料股份有限公司（簡稱雙星新材）、航天彩虹無人機股份有限公司（簡稱航天彩虹，原浙江南洋科技股份有限公司）、江蘇裕興薄膜股份有限公司（簡稱裕興股份）、四川東材科技集團股份有限公司（簡稱東材科技）等。由于國產(chǎn)化PET基膜具有明顯的價格優(yōu)勢，國內(nèi)太陽能電池背板用PET基膜已基本實現(xiàn)進口替代。
據(jù)上述公司2021年報，雙星新材市場占有率超過30%，銷售量110kt，收入超過12億元，毛利率34.93%，遠超背板生產(chǎn)企業(yè)；裕興股份市占率21%，兩家公司的市占率超過50%，東材科技的銷售量30kt。據(jù)賽伍技術(shù)、明冠新材招股說明書（簡稱IPO文件），雙星新材已是這兩家公司的第一大PET基膜供應(yīng)商，裕興股份、東材科技、航天彩虹也進入了前三供應(yīng)商。
基膜生產(chǎn)關(guān)鍵工序包括PTA與MEG的縮聚反應(yīng)生成聚酯切片、擠出和雙向拉伸，縮聚反應(yīng)與擠出設(shè)備德國的歐瑞康巴馬格（OBHE）公司生產(chǎn)的性能最好，德國的布魯克納是最好的雙向拉伸設(shè)備生產(chǎn)廠商，所以這兩家德國公司的設(shè)備組成的生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)最好。
但兩家公司的產(chǎn)量有效，交貨周期長，而且安裝調(diào)試時間也長，據(jù)裕興股份介紹：當(dāng)前新接訂單交貨需要約4年，這還不包含安裝、調(diào)試和試生產(chǎn)時間。
雙星新材在2017~2019年行業(yè)景氣度低迷的時候，訂購了大量的布魯克納拉伸設(shè)備，2021年投產(chǎn)了6條50kt生產(chǎn)線，2022年5月再投產(chǎn)一條線，預(yù)計還要投產(chǎn)3條線，共計擴產(chǎn)500ktBOPET膜，大部分用于光學(xué)膜，少部分用于背板基膜，投資金額高達38億元。
高分子材料配方不同，材料性能差別很大，即使同一配方，工藝參數(shù)改變，性能也會變化，這些都需要長期的積累，僅僅只有先進的設(shè)備遠遠不夠，還需要大量有實際經(jīng)驗的技術(shù)人員。
以上原因，導(dǎo)致BOPET膜擴產(chǎn)困難，在產(chǎn)業(yè)鏈中具有話語權(quán)，從毛利率即可看出，在原材料價格大幅增長的情況下，雙星新材的光伏膜毛利率從2020年的24.24%提高到2021年的34.93%，而背板公司的毛利率基本都是下降的，2021年中來股份的毛利率最高，也只有21.06%。
為適用新的背板結(jié)構(gòu)，各基膜企業(yè)正在抓緊研發(fā)高耐候透明PET基膜。
PVF膜由美國杜邦公司生產(chǎn)，其商標(biāo)為Tedlar，所以簡稱T膜，其TPT背板結(jié)構(gòu)是最早使用的，已經(jīng)經(jīng)過了30年以上的實際應(yīng)用，證明其結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定，能滿足組件25年以上的時間要求。但T膜價格昂貴，因此市場規(guī)模在減少，主要用于大型地面電站。
PVDF膜是為替代PVF膜而研發(fā)的，最早由法國的阿科瑪公司生產(chǎn)，其商標(biāo)為Kynar，所以簡稱K膜，典型背板結(jié)構(gòu)為KPK，美國杜邦公司、韓國SKC等也有生產(chǎn)。
國內(nèi)嘉興高正新材料科技股份有限公司（簡稱嘉興高正）、杭州福膜新材料科技股份有限公司（簡稱杭州福膜）、中天科技精密材料有限公司（簡稱中天科技）等也可生產(chǎn)PVDF膜，近年來，隨著國內(nèi)氟膜生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平的提升，生產(chǎn)成本逐步降低，國產(chǎn)氟膜在市場上逐漸被背板企業(yè)接受，其市場份額也逐漸提升，據(jù)賽伍技術(shù)與明冠新材IPO文件顯示，嘉興高正、杭州福膜、中天科技等都已進入它們的前五大供應(yīng)商。
為了進一步降低成本，各企業(yè)都研發(fā)了含氟涂料，如前所述。由于含氟塑料不易分解，焚燒會產(chǎn)生有毒氣體，所以背板的回收處理困難，現(xiàn)在各企業(yè)正在研制環(huán)保型背板，包括用聚烯烴膜取代氟膜等。
膠黏劑主要用于復(fù)合型背板中氟膜與PET基膜的黏結(jié)，以及涂覆于基膜表面直接形成功能性膜。
太陽能背板生產(chǎn)所需的膠黏劑生產(chǎn)技術(shù)壁壘較高，市場主要為法國阿科瑪公司旗下的波士膠（Bostic）、德國漢高（Henkel）和日本東洋紡織株式會社等國外少數(shù)企業(yè)占領(lǐng)。
在背板生產(chǎn)環(huán)節(jié)，不管是技術(shù)還是產(chǎn)量，國內(nèi)企業(yè)均領(lǐng)先國外企業(yè)。
背板企業(yè)擴產(chǎn)和研發(fā)項目
以下是各企業(yè)正在擴產(chǎn)和研發(fā)的項目。
年產(chǎn)1.1×108m2的光伏背板項目。功率增益型黑色背板和綠色無氟環(huán)保型背板的研發(fā)。
年產(chǎn)3000×104m2太陽能電池背板擴建項目。高效異質(zhì)結(jié)電池組件用透明背板薄膜的研究與開發(fā)：除滿足常規(guī)透明背板可靠性要求外，其關(guān)鍵指標(biāo)為具有較低的水汽透過率，能夠滿足異質(zhì)結(jié)電池對于水蒸氣敏感性的嚴(yán)苛要求，其他性能可靠性滿足行業(yè)要求。
建筑光伏一體化組件高絕緣材料的研究與開發(fā)：
篩選出適合于耐候PET與內(nèi)層薄膜的高粘結(jié)力基體樹脂，在樹脂主鏈中引入特定官能團和添加特種交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑等措施，使膠黏劑的耐候性能得到很大的提升。
太陽能光伏用低克重膠黏劑的研究與開發(fā)：優(yōu)化膠黏劑配方設(shè)計，得到一款優(yōu)異的低克重膠黏劑，可以極大的提升背板多層膜之間的粘接強度，相應(yīng)的可以減少膠黏劑的使用量，最低使用克重可降低20%。
高阻水背板開發(fā)：開發(fā)一款具有高阻水性能的透明背板，應(yīng)用于新型太陽能電池組件。
透明前板開發(fā)：開發(fā)一款具有高透光率、高耐紫外性能、高硬度耐劃傷的高分子膜材料產(chǎn)品。
紅外阻隔材料開發(fā)：開發(fā)一種可以吸收波長>1200nm，同時對于<1200nm波長的光學(xué)透過不影響的新材料，應(yīng)用于光伏背板或者透明前板，可以有效降低組件工作溫度。
自清潔透明背板開發(fā)：開發(fā)具有自清潔功能的背板，減少電站維保頻次，增加發(fā)電量。
兩面同時高速涂布的連續(xù)化工藝生產(chǎn)透明網(wǎng)格背板和高耐磨透明背板。
年產(chǎn)3000×104m2光伏背板產(chǎn)能擴建項目。
透明背板PET基膜研發(fā)：完成透明強化背板PET基膜系列產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品平整度直線度優(yōu)，膜面潔凈，滿足組件封裝需求。
年產(chǎn)28kt特種太陽能背材用聚酯薄膜生產(chǎn)線。光伏雙面發(fā)電組件用聚酯薄膜的研制：研發(fā)透明背板基膜使雙面光伏組件具有透光率高、阻隔性好、抗紫外黃變小、抗水解老化性能優(yōu)等優(yōu)點。
光伏組件用共擠型聚烯烴背板的研制：研制的背膜為綠色環(huán)保，在回收過程中不會產(chǎn)生劇毒有害物質(zhì)；且借助多層共擠工藝的又可提升背膜生產(chǎn)效率，降低成本。
背接觸太陽能組件用功能復(fù)合膜的研制：在滿足背板使用要求的前提下，有效降低背板制造成本。從各企業(yè)擴產(chǎn)情況來看，因為雙玻組件的占比的提升，所以傳統(tǒng)背板產(chǎn)能的擴產(chǎn)相對克制。由于透明背板有可能替代部分光伏玻璃，所以各企業(yè)集中進行透明背板的研制，包括高耐候的透明PET基膜、透明氟涂料以及膠黏劑。相信在不久的將來，透明背板會大規(guī)模運用到光伏組件中。
近10年來，在相關(guān)光伏背板企業(yè)的不懈努力下，從氟膜、PET膜到膠黏劑基本實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，同時用氟涂料涂覆工藝替代高成本的氟膜，為光伏發(fā)電平價上網(wǎng)做出了重要貢獻。為適應(yīng)新的光伏組件的需要，各企業(yè)還需要在以下幾方面著重研究：
新能源的大量使用，主要目的就是減少排放，保護大氣層，因此制造光伏組件的零部件也應(yīng)該環(huán)保，但背板使用的氟膜，難降解導(dǎo)致回收難，所以隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展，背板的回收利用是亟待解決的問題。
光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的降本增效是推動光伏發(fā)展的主要動力，也將一直是光伏發(fā)展的主旋律，而氟膜既不環(huán)保還價格昂貴，所以，研發(fā)新的取代氟膜的材料迫在眉睫。
比如中國西部沙漠地區(qū)使用的背板需具備更好的散熱性、耐紫外性、耐風(fēng)沙磨損和耐日夜溫差等；而在東部沿海應(yīng)用的背板應(yīng)有更低的水汽透過率、更好的耐水解性和耐鹽霧性等。
組件雙面發(fā)電是大勢所趨，其占比越來越高，而且組件生產(chǎn)企業(yè)一般采用玻璃背板，雖然透明背板可以替代玻璃背板，但透明背板并沒有經(jīng)過長時間的使用考驗，所以怎樣說服組件企業(yè)使用透明背板任重道遠。相信通過中國企業(yè)的努力，我們能真正把光伏全產(chǎn)業(yè)鏈牢牢掌握在自己手里。
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