CN103849064A - 太阳能电池用封装材料组合物及封装薄片制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池用封装材料组合物及封装薄片制造方法，其能抑制由于漏电带来的模块性能下降，具有优秀的绝缘性能，可让太阳能电池长期保持稳定性。本发明的组合物包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂作为主要材料，并且以该树脂的重量为基准，还包含作为核心添加剂而添加的0.1至5重量份的过氧化物及0.01至5重量份的金属离子捕捉剂。

Description

太阳能电池用封装材料组合物及封装薄片制造方法
技术领域
本发明涉及绝缘性能优秀的太阳能电池用封装材料及利用它的封装薄片制造方法，尤其涉及一种向作为封装材料使用的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物添加特定结构的金属离子捕捉剂，抑制由于漏电带来的模块性能下降，具有优秀的绝缘性能，可让太阳能电池长期保持稳定性的太阳能电池用封装材料组合物及利用它的封装薄片制造方法。
背景技术
太阳能电池作为绿色能源，不污染环境，可以克服能源的枯竭危机，且无公害、无噪音、可无限获取，最近受到人们的广泛欢迎。太阳能电池的太阳能电池模块(module)是利用光电效应，把光能转变成电能的半导体元件，是太阳能电池的核心元件。通常以玻璃基板、封装薄片(Encapsulation sheet)、太阳能电池单元(cell)、封装薄片和背板(back sheet)的顺序叠放后，加热加压，对封装薄片进行交联固化，让各个部分粘接成一体，制造太阳能电池模块。
制造这种太阳能电池模块时使用最广泛的封装材料是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，醋酸乙烯酯通常所占比例为20至40wt%。由于太阳能电池在室外长期使用，因此用于模块的封装材料随着时间流逝，在紫外线、热、水分等的影响下，结构发生变化，产生变色等问题，导致模块的效率下降。为了防止这种效率下降，通常在成型封装材料时添加紫外线吸收剂、防氧化剂或热稳定剂。但是即便添加这些添加剂，封装材料的稳定性依然不高，效率下降还是有待解决的重要课题。
通常太阳能电池为了获得高电压，通过模块阵列，产生最大约1000V的***电压。由于太阳能电池的各模块之间存在电压差，有可能发生漏电。由于老化，含于玻璃的金属离子游离出来，移动到单元表面积累，导致单元的电性能下降。这种现象是通常称为发电效率下降现象(potential induced degradation;PID)的原因之一，设置太阳能电池单元后经常出现的问题。特别是暴露在雨水露水等环境时，更容易发生漏电，让模块性能严重下降。
现在太阳能电池模块的认证测试中，并不进行发电效率下降现象的准确评价。而为了解决这一问题，业界普遍认为需要开发更好的单元、模块阵列***及绝缘性能更好的原材料，但目前为止还没有提出适当的解决方法。
发明内容
发明的课题
本发明是为了解决上述问题而提出的发明，其目的在于提供一种太阳能电池封装材料组合物，向现有技术中作为太阳能电池封装材料使用的聚乙烯-醋酸乙烯酯中，添加可强力捕捉钠离子(Na+)、钙离子(Ca+)的金属捕捉剂，从根本上防止这些金属离子从玻璃游离而通过封装材料移动到单元表面积累的现象，防止单元损失电能。
本发明的另一目的在于提供一种通过具有上述优秀特性的太阳能电池用封装材料组合物来制造封装薄片的方法。
除了上述明确表述的目的之外，本发明的目的还包括可从本发明的技术、以本行业基本知识能够推导出来的其他目的。
为了达到上述目的，本发明的发明人基于如下判断，作为金属离子捕捉物质选择了特定结构的冠醚化合物，以此开发出可在高温高湿条件下长期稳定使用的太阳能电池，完成了本发明。这里，上述特定结构的冠醚与聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物封装材料的相容性优秀，在使用上没有制约。上述判断包括用于太阳能电池的低铁钢化玻璃(tempered glass)通常含氧化二钠(Na2O)10至15%，含氧化钙(CaO)5至10%，长期使用或在高温高湿条件下金属离子游离出来，通过封装材料有可能移动到单元的表面；由于模块阵列的点电位差，单元与框架之间产生漏电，让上述金属离子移动的现象加速，导致电池的效率下降，因此有必要从根本上防止金属离子从玻璃移动；该金属离子会促进封装材料物质乙烯-醋酸乙烯酯分子的水解作用，降低封装材料的耐久性，降低模块的长期稳定性，因此把强力捕捉金属离子的物质与封装材料一起使用时效果会更好。
实施方案
为了达到上述目的，本发明提供一种太阳能电池用封装材料组合物，其特征在于：包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂作为主要材料，并且以该树脂的重量为基准，还包含作为核心添加剂而添加的0.1至5重量份的过氧化物及0.01至5重量份的金属离子捕捉剂。
本发明中，所述金属离子捕捉剂具有下述结构式所示的15-冠-5、18-冠-6骨架，并且是在该骨架上附加或融合有烷基或芳基的冠醚。
Figure BDA00003095907400031
这里，A是从O、S、Se、NH中选出的。
本发明中，所述金属离子捕捉剂为了有效捕捉从玻璃中分离的钠离子(Na+)和钙离子(Ca2 +)，对钠离子(Na+)由15-冠-5化合物、对钙离子(Ca2 +)由18-冠-6化合物单独或一起起作用。
本发明中，还包括不超过2重量份的交联助剂及0.01至3重量份的硅烷化合物、紫外线吸收剂及光稳定剂。
本发明中，所述冠醚化合物是具有15-冠-5、18-冠-6骨架的化合物，为了螯合金属离子，其包含的元素为氧、氮、硒或硫。
本发明提供一种太阳能电池封装薄片的制造方法，其特征在于：将封装材料组合物以砑光或t模头碾压方法成型为薄片状，其中该封装材料组合物包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂作为主要材料，并且以该树脂的重量为基准，还包含作为核心添加剂而添加的0.1至5重量份的过氧化物及0.01至5重量份的金属离子捕捉剂。
本发明提供一种太阳能电池模块，其特征在于：该模块通过依次叠放玻璃基板、封装薄片、太阳能电池单元和背板后加热加压而形成；所述封装薄片是通过将封装材料组合物以砑光或t模头碾压方法成型为薄片状而制造的，其中该封装材料组合物包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂作为主要材料，并且以该树脂的重量为基准，还包含作为核心添加剂而添加的0.1至5重量份的过氧化物及0.01至5重量份的金属离子捕捉剂。
发明效果
本发明的太阳能电池用封装材料组合物的绝缘性能优秀，由于添加了过氧化物及冠醚，与从玻璃游离出来的金属离子产生选择性反应，防止金属离子积累在单元表面，抑制封装材料分子的水解作用，在高温高湿环境及电位差引发漏电的条件下，也能有效保护单元及封装材料，防止太阳能电池长期使用时发生性能下降，并稳定维持封装材料结构及功能，可以解决现有技术的问题。
具体实施方式
在此，对本发明的最佳实施例进行详细说明。
本发明最佳实施例的绝缘性能优秀的太阳能电池用封装材料组合物包括可通过乙酰基与乙烯-醋酸乙烯树脂进行交联反应的适当过氧化物及金属离子捕捉剂冠醚化合物，还有交联助剂、硅烷偶联剂、紫外线吸收剂、光稳定剂等。
通常，从太阳能电池用模块玻璃中游离(dissociation)出来的金属离子有钠离子(Na+)和钙离子(Ca2 +)。这是由于制造太阳能电池用玻璃时使用10至15%的氧化二钠及5至10%的氧化钙的缘故。由于长期处在电场中，并且反复照射紫外线或暴露在高温高湿环境下，玻璃中的金属离子游离出来。在太阳能电池的电位差作用下，游离出来的金属离子通过电流持续向模块内部移动。该金属离子堆积在单元表面，通过漏电降低单元的电性能，且促进封装材料分子的水解作用。封装材料层在玻璃和单元之间起连接作用。可以说，在封装材料层中隔离金属离子的方法最好。为了有所选择地强力捕捉这种金属离子，可以使用多种物质，比如有聚胺化合物、聚有机酸化合物、聚巯基化合物、聚醚化合物等。这些化合物具有烷基或芳基结构，以链状形式或环状形式存在。但聚胺化合物、聚有机酸化合物、聚巯基化合物与封装材料一起使用时会促进封装材料的水解作用，降低稳定性，或者成为变黄或异味的原因，不适合用于太阳能电池。另外，作为金属离子捕捉剂，使用与封装材料乙烯-醋酸乙烯酯的相容性优秀的物质更好。因此，本发明的发明人通过不断的研究，发现环状冠醚化合物不会给太阳能电池构成材料的稳定性产生影响，并表现出与乙烯-醋酸乙烯酯出色的相容性，具有很高的金属离子捕捉效果。
为了选择适当的金属离子捕捉剂，先考虑金属离子的大小，选择冠醚种类为宜。捕捉钠离子(Na+)时，使用具有15-冠-5骨架的化合物最合适，捕捉钙离子(Ca2 +)时，使用具有18-冠-6骨架的化合物最合适。下面的结构式表示本发明中使用的代表性冠醚化合物，但本发明不限于此。除了可使用下面的物质之外，还能使用具有15-冠-5或18-冠-6骨架，并在骨架上附加有或融合有烷基或芳基的物质。
Figure BDA00003095907400061
这里，A为O、S、Se或NH。
本发明的最佳实施例中，作为所述金属离子捕捉剂使用的冠醚化合物，以乙烯-醋酸乙烯酯100重量份为基准，是0.01至5重量份，最好是0.1至2重量份。如果使用量少于0.01重量份，则无法显示充分的捕捉效果，如果多于5重量份，则封装材料的粘接力和经济性不佳。
本发明的另一最佳实施例中，用于封装薄片的有机过氧化物为从2,2-二(叔丁基过氧化)丁烷(2,2-di(t-butyl peroxy)butane)、叔丁基过氧化异丙基(t-butyl-peroxy isopropyl)、1,1-二(叔戊基过氧化)环己烷(1,1-di-(t-amyl peroxy)cyclohexane)、叔丁基过氧化碳酸2-乙基己酯(t-butyl peroxy-2-ethylhexyl carbonate)、叔戊基单过氧化碳酸(2-乙基己)酯(t-amyl(2-ethylhexyl)mono peroxy carbonate)、过氧化乙酸叔丁酯(t-butyl peroxy acetate)、过氧化2-乙基己酸叔戊酯(t-amylperoxy-2-ethylhexanoate)、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧)己烷(2,5-dimethyl-2,5-bis(t-butyl peroxy)hexane)、过氧化2-乙基己酸叔丁酯(t-butyl peroxy-2-ethylhexanoate)中选出的一种或两种化合物。
以乙烯-醋酸乙烯酯100重量份为基准，所述过氧化物的使用量为0.1至5重量份。
本发明的另一实施例中，用于封装薄片的交联助剂有异氰脲酸三烯丙酯(triallyl isocyanurate)、异氰酸三烯丙酯(triallyl isocyanate)、三羟甲基丙烷-三甲基丙烯酸酯(trimethylolpropan-tri-methacrylate)等，用量为2重量份以内为宜。
本发明中，作为上述粘接助剂使用的硅烷偶联剂为具有乙烯基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基等不饱和基，胺基、环氧基及烷氧基等可水解基团的化合物。作为硅烷偶联剂，具体有乙烯基三乙氧基硅氧烷、乙烯基三甲氧基硅氧烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅氧烷等，用量为0.01至3重量份为宜。
本发明的另一最佳实施例中，封装薄片按需要可添加其他各种添加剂。可添加的各种添加剂包括光稳定剂、紫外线吸收剂、防氧化剂等。
本发明的另一实施例中，金属离子捕捉剂可与乙烯-醋酸乙烯酯及作为交联剂使用的有机过氧化物、交联助剂、硅烷偶联剂、防氧化剂、紫外线吸收剂及光稳定剂等添加剂一同配比后，以碾压方式成型为薄片，或者在成型薄片时单独投入使用。
本发明的另一实施例中，太阳能电池用封装薄片是通过利用本发明的封装材料组合物，以t模头碾压或砑光工序加工成200至1000mm的厚度来制造的。
综上所述，本发明的太阳能电池用封装材料组合物，通过选择适当的冠醚化合物，捕捉从玻璃游离的金属离子，不仅可以防止其堆积在单元表面，还可以防止封装材料的水解分解。通过该封装材料组合物制造的薄片及利用它的太阳能电池模块可以保持长期稳定性。
下面，对本发明的实施例及比较例进行具体说明。但本发明的范围不受限于这些实施例。
实施例1
以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(乙烯-醋酸乙烯酯含量28wt%、熔体流动速率(Melt Flow Rate)15g/10分钟)100重量份为基准，配比2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧)己烷(Aldrich制造，Luperox101)1.0重量份，交联助剂——三丙烯异氰脲酸三烯丙酯(日本化成公司制造，TAIC)0.8重量份，紫外线吸收剂——2-羟基4-辛氧基二苯甲酮(住友化学公司制造，sumisorb130)0.1重量份及15-冠-5(Aldrich公司制造)1重量份，18-冠-6(Aldrich公司制造)1重量份，通过直径104mm的双挤出机，以110℃以下的温度进行碾压，制造了500μm厚的薄片。
实施例2
以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(乙烯-醋酸乙烯酯含量28wt%、熔体流动速率15g/10分钟)100重量份为基准，配比2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧)己烷(Aldrich公司制造，Luperox101)1.0重量份，交联助剂——三丙烯异氰脲酸三烯丙酯(日本化成公司制造，TAIC)0.8重量份，紫外线吸收剂——2-羟基4-辛氧基二苯甲酮(住友化学公司，sumisorb130)0.1重量份及15-冠-5(Aldrich公司制造)1重量份，通过直径104mm的双挤出机，以110℃以下温度进行碾压，制造了500μm厚的薄片。
实施例3
以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(乙烯-醋酸乙烯酯含量28wt%、熔体流动速率15g/10分钟)100重量份为基准，配比2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧)己烷(Aldrich公司制造，Luperox101)1.0重量份，交联助剂——异氰脲酸三烯丙酯(日本化成公司制造，TAIC)0.8重量份，紫外线吸收剂——2-羟基4-辛氧基二苯甲酮(住友化学公司，sumisorb130)0.1重量份及18-冠-6(Aldrich公司制造)1重量份，通过直径104mm的双挤出机，以110℃以下的温度进行碾压，制造了500μm厚的薄片。
比较例1
除了不使用冠醚化合物之外，其他配比与实施例1相同，制造乙烯-醋酸乙烯酯封装薄片后，制造了太阳能电池模块。
实验例1
利用上述各实施例及比较例制造的封装薄片及低铁钢化玻璃(3.2T，AGC公司)，背板，mc-Si单元，通过真空压着机(expressivemachine)，以150℃进行20分钟热压，制造了54单元的模块。
于65℃，85%相对湿度条件下，向太阳能电池模块玻璃上沾一层水，接通-1000V电压一段时间后，检测电输出量变化。其结果如表1所示。
【表1】
时间(h) 实施例1 实施例2 实施例3 比较例1
0 208 208 208 208
50 204 202 200 170
100 200 195 190 110
实验例2
将实验例1中实验过的太阳能电池模块，在85℃、85%湿度条件下长时间放置，通过分光色彩计(Spectro Color meter，SE2000，日本电色工业株式会社(Nippon Denshoku))检测封装材料的变色情况。结果如表2所示。
【表2】
实施例1 实施例2 实施例3 比较例1
DYI(2000h) 0.2 0.2 0.4 15
通过上述各个实验例的结果可知，本发明的使用冠醚)化合物的绝缘性封装材料可以从根本上隔离来自玻璃的金属离子的移动，不仅能防止由漏电现象引起的太阳能电池模块性能下降的问题，还能让封装材料的稳定性大大提高。

Claims (7)

1.一种太阳能电池用封装材料组合物，其特征在于：包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂作为主要材料，并且以该树脂的重量为基准，还包含作为核心添加剂而添加的0.1至5重量份的过氧化物及0.01至5重量份的金属离子捕捉剂。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池用封装材料组合物，其特征在于：
所述金属离子捕捉剂具有下述结构式所示的15-冠-5、18-冠-6骨架，并且是在该骨架上附加或融合有烷基或芳基的冠醚，
Figure FDA00003095907300011
这里，A是从O、S、Se、NH中选出的。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池用封装材料组合物，其特征在于：
所述金属离子捕捉剂为了有效捕捉从玻璃中游离的钠离子Na+和钙离子Ca2 +，对钠离子Na+由15-冠-5化合物、对钙离子Ca2 +由18-冠-6化合物单独或一起起作用。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池用封装材料组合物，其特征在于：
还包括不超过2重量份的交联助剂及0.01至3重量份的硅烷化合物、紫外线吸收剂及光稳定剂。
5.根据权利要求1或2所述的太阳能电池用封装材料组合物，其特征在于：
所述冠醚化合物是具有15-冠-5、18-冠-6骨架的化合物，为了螯合金属离子，其包含的元素为氧、氮、硒或硫。
6.一种太阳能电池封装薄片的制造方法，其特征在于：将封装材料组合物以砑光或t模头碾压方法成型为薄片状，其中该封装材料组合物包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂作为主要材料，并且以该树脂的重量为基准，还包含作为核心添加剂而添加的0.1至5重量份的过氧化物及0.01至5重量份的金属离子捕捉剂。
7.一种太阳能电池模块，其特征在于：
该模块通过依次叠放玻璃基板、封装薄片、太阳能电池单元和背板后加热加压而形成；所述封装薄片是通过将封装材料组合物以砑光或t模头碾压方法成型为薄片状而制造的，其中该封装材料组合物包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂作为主要材料，并且以该树脂的重量为基准，还包含作为核心添加剂而添加的0.1至5重量份的过氧化物及0.01至5重量份的金属离子捕捉剂。
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