当前，世界各国面临不同程度的能源短缺、气候变暖等问题，开发清洁、高效、可循环利用的能源尤为重要。太阳能作为重要的可再生能源之一，受到研究者高度重视，科学家们不断尝试提升太阳能的利用效率，降低利用成本[1-2]。太阳能发电技术中，太阳能电池是核心技术之一，研究者将太阳能电池发展划分为硅晶太阳能电池、薄膜太阳能电池和纳米新型太阳能电池等三代。以单晶硅、多晶硅为代表的第一代硅晶太阳能电池在目前发展较成熟，应用较广泛[3-4]。含氟塑料具有良好的介电性能和物理化学性能，将含氟塑料运用于太阳能电池，可以提升电池的耐候性和光电转化效率。本研究以含氟塑料在太阳能电池部件中的应用为研究对象，概述含氟塑料的种类和特点，分析近年来国内外学者对含氟塑料在太阳能电池部件中的应用研究成果、实践案例，综述聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和其他氟类塑料在太阳能电池部件的应用情况，总结现阶段研究成果，为含氟塑料在太阳能电池的应用提供参考。1含氟塑料概述1.1含氟塑料的种类含氟塑料是塑料中的一个重要种类，发展迅速。目前，应用于太阳能电池的含氟塑料包括聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物、三氟氯乙烯-乙烯共聚物等[5]。聚偏氟乙烯与聚氟乙烯结构相近，但聚偏氟乙烯的含氟量为59%，比聚氟乙烯的含氟量(41%)大，其耐候性、加工性能较好，在太阳能电池应用较广泛[6-7]。1.2含氟塑料的特点含氟塑料具有独特螺旋形棒状分子结构，且分子间结合十分紧密，使其电负性大、碳氟键键能高，从而具备良好的耐化学性、热稳定性、耐候性，介电常数低、吸湿率低和表面能低等优势，存在良好的应用价值和研究潜力[8]。2含氟塑料材料在太阳能电池部件中的应用2.1聚偏氟乙烯的应用太阳能电池一般由玻璃、乙烯-醋酸乙烯共聚物、硅片、背板组成。太阳能电池模组背板常放置于室外，为保护太阳能电池，背板需要具有良好的绝缘性能、耐老化性能和阻水性。此外，太阳能背板为太阳能转化提供辅助作用，需要具有较好的剥离强度和热收缩率、较低的水蒸气渗透率等性能[9-10]。太阳能电池模组背板中常见的含氟塑料为聚偏氟乙烯[11]。王坤等[12]探究聚偏氟乙烯作为太阳能电池背板的安全性，在环境试验箱中进行紫外、温度循环测试，对测试后的聚偏氟乙烯塑料性能进行检验。结果表明：紫外测试后，所有聚偏氟乙烯背板外观良好，无黄变、开裂、脱层等不良变化；且高低温度循环200次后，所有聚偏氟乙烯背板外观良好，说明将聚偏氟乙烯作为太阳能电池背板具有良好的可靠性。刘小建等[13]采用亚克力亲水改性提升聚偏氟乙烯的黏接性能，通过多层共挤流延法制备复合膜。结果表明：亚克力亲水改性导致聚偏氟乙烯的黏接性能提升，尺寸稳定性好，且其他良好性能未受影响。王汉利等[14]选择4种厂家聚偏氟乙烯太阳能电池背板薄膜为研究对象，测试熔体流动速率稳定性、热稳定性、分子质量分布宽度、清洁度和晶点数量等。结果表明：熔体流动速率偏差值越小，其稳定性越好。国产DS206聚偏氟乙烯薄膜熔体流动速率偏差在1.0以下，热分解温度最高为418 ℃，分子质量分布宽度为1.8，清洁度和晶点数量较好。国产DS206聚偏氟乙烯太阳能电池背板薄膜与国外同类产品相差不大。陈新等[15]对PET薄膜和聚偏氟乙烯薄膜进行低温等离子体改性研究，对不同的等离子体处理时间、放电功率、气体压力条件下两种薄膜的剥离强度进行测试。结果表明：低温等离子体改性的PET薄膜和聚偏氟乙烯薄膜的黏结性能明显提升。在放电功率为75 W、工作压力为50 Pa，改性时间为3 min条件下，太阳能电池背板的剥离强度较好，由3.2 N/cm提高至11.9 N/cm。李宸等[16]采用TiO2提高聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜抗老化性能，并测定改性复合薄膜的热稳定性、耐候性和力学性能。结果表明：TiO2可以降低复合薄膜结晶度，提升薄膜的耐老化性能。当TiO2质量分数在2%以内，可以提升复合薄膜的剥离强度、耐热性、断裂伸长率和拉伸强度。朱天戈等[17]探究聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯共混薄膜在太阳能封装薄膜的应用，测试共混薄膜的表面形貌、接触角等。结果表明：聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯具有良好的相容性，在聚偏氟乙烯薄膜中加入适量的聚甲基丙烯酸甲酯有利于降低薄膜结晶能力。当聚偏氟乙烯质量分数为20%，薄膜接触角最小为68°。聚甲基丙烯酸甲酯改性可以提升太阳能背板的黏结性能。梁平平等[18]探究聚偏氟乙烯-碳纳米管自漂浮多孔微珠在太阳能的应用，并测定多孔微珠的太阳光转化效率。结果表明：聚偏氟乙烯-碳纳米管自漂浮多孔微珠吸收太阳光约94.5%，太阳能转换效率高达94.2%。张凯悦[19]通过在聚偏氟乙烯-六氟丙烯膜中加入丙三醇、高岭土和蒙脱土等物质，提升薄膜的光电转化效率，并测定改性薄膜的离子电导率和扩散系数。结果表明：当丙三醇添加量为80%，太阳能电池的内阻最小，短路电流和光电转换效率最高，转化效率由4.3%提升至7.29%。2.2聚四氟乙烯的应用在有机/聚合物太阳能电池中，为保护电池活性层和电极，需要在活性层和电极之间增加阻挡层。阻挡层需要具有良好的导电性能和透过性能，聚四氟乙烯是常见的阻挡层材料之一。此外，聚四氟乙烯在太阳能电池部件的背板、平板集热器也有较广泛的应用[20-22]。林建华等[23]通过聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯混合物制成厚度为150 µm的太阳能电池背板，测定太阳能电池背板阻湿性能。结果表明：水汽渗透在2 g/(m2·d)以内，剥离力超过12 N/15mm，相比普通TPT背板具有更好的耐久性和阻湿性能。姜立军等[24]探究聚四氟乙烯在太阳能电池平板集热器的应用，并对改性聚四氟乙烯薄膜的透光率、拉伸强度、断裂伸长率、耐高温性能进行测试。结果表明：改性聚四氟乙烯薄膜的透光率在荧光老化前后分别为98.2%和97.8%，说明使用时间延长对薄膜性能影响较小。改性聚四氟乙烯薄膜老化前后拉伸强度均大于45 MPa，而且老化前后变化率低于0.5%，断裂伸长率变化率也低于0.5%，说明聚四氟乙烯薄膜的力学性能较好。高温测试前后聚四氟乙烯薄膜基本无变化，说明薄膜具有耐高温性。梁立志[25]比较ITO电极、ITO电极中加入聚四氟乙烯膜双缓冲层光伏器件的开路电压、短路电流、功率转换效率等。结果表明：加入聚四氟乙烯膜，光伏器件开路电压从0.43 V增至0.54 V。当聚四氟乙烯膜厚度为0.3 mm，光电转换效率提升40%。太阳能电池的器件短路电流也明显提升。聚四氟乙烯作为太阳能电池器件的缓冲层能够提升太阳能电池的光电性能，具有良好的应用前景。申思等[26]引入双阳极界面修饰层改善太阳能电池性能，采用聚四氟乙烯(PTFE)和五氧化二钒(V2O5)作为阳极界面修饰层，制备有机太阳能电池，测定太阳能电池的能量转化效率。结果表明：PTFE和V2O5能够明显改善ITO电极表面形貌，减少界面缺陷，抑制界面处载流子复合。加入PTFE和V2O5使太阳能电池的能量转化效率最高可达6.52%，相比不添加PTFE的单阳极界面修饰层器件效率提高11.5%。黄帅[27]制备基于NiOx阳极界面层的太阳能电池，并在光活性层和空穴传输层NiOx之间引入超薄绝缘层聚四氟乙烯，探究聚四氟乙烯的厚度对太阳能电池效率的影响。结果表明：当聚四氟乙烯的厚度为1.5 nm，太阳能电池的效率达到7.11%。且聚四氟乙烯能够改善疏水性活性层和亲水性NiOx层的不相容性，有利于提升太阳能电池的电荷提取和传输性能。2.3其他氟类塑料的应用除了聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯塑料在太阳能电池部件中应用较广泛，聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物、氟乙烯与乙烯基醚的共聚物等也能够应用于在太阳能电池部件[28-33]。朱必林[34]研究聚氟乙烯在太阳能电池封装背板的应用，并测试聚氟乙烯背板的水蒸气阻隔性。结果表明：聚氟乙烯具有良好的抵御环境侵蚀能力，且水蒸气透过率为3 g/(m2·d)以下。说明聚氟乙烯背板的水蒸气阻隔性能较好，能够满足太阳能电池背板对水、腐蚀性液体的防护要求。顾煦明等[35]将聚氟乙烯背板与PET背板复合，形成PVF/PET/PVF型TPT太阳能复合背板，并测定不同的处理工艺下，聚氟乙烯复合太阳能背板的性能。结果表明：热压处理温度达到T+60 ℃以上，复合太阳能背板的黏结力较好。马慧荣等[36]研究聚偏二氟乙烯(FEVE)的氟含量对太阳能电池背板膜的光泽度、耐酸碱性、附着力及柔韧性的影响。结果表明：当FEVE的氟含量在25%~27%，光泽度在80°以上，耐酸碱性优良，耐弯折、耐冲击等较好。阴悦等[37]对乙烯-四氟乙烯(ETFE)衬底的柔性薄膜太阳能电池试件、双层ETFE覆膜的单条柔性薄膜太阳能电池试件进行对比实验，测定1 000 W/m2的光照条件下两种太阳能电池的力学性能和电-热-力性能之间的关系。结果表明：ETFE衬底的柔性薄膜太阳能电池试件屈服应力为20.2 MPa，弹性模量为1 110 MPa。而双层ETFE覆膜的单条柔性薄膜太阳能电池试件屈服应力为6.6 MPa，弹性模量为715 MPa，且太阳能电池试件电-热-力性能之间的相互影响较显著。3结论含氟塑料具有良好的热稳定性、耐候性，介电常数低、吸湿率低和表面能低等优势，在太阳能电池背板、平板集热器、电池阻挡层中广泛应用。但目前聚偏氟乙烯塑料应用较广泛，其他含氟塑料的应用相对较少，还需要进一步开发具有良好光电转化效率的含氟塑料，为太阳能电池部件的应用提供新方向。