耐湿热紫外光老化太阳能电池封装用EVA胶膜
(一)技术领域
本发明涉及一种耐湿热、紫外光及热氧老化太阳能电池封装用EVA胶膜。
(二)背景技术
地球环境污染和能源短缺问题日趋严重,太阳能电池发电是解决这两个问题的最有效途径之一。阳光发电是利用硅等半导体的量子效应原理直接把太阳的可见光转变为电能,可硅晶片若直接暴露于大气中,其光电转换性能易于衰减,失去实用价值。因此,必须借助于一种新型的封装材料对硅晶片进行相应的保护。
首先,封装材料必须要有足够高的透光率,以保证封装后的电池组件有较高的光电转换效率;其次,封装材料与电池元件和连接线路的热膨胀性能差异要尽可能小,否则会导致电池片开裂、线路开裂、封装材料剥离和开裂。另外,封装材料必须能够将具有不同膨胀系数的电池材料协调组装而且自身又不发生断裂破坏。因此,封装材料必须是低模量弹性体。
随着国内外不断投身于EVA胶膜的研究热潮,EVA早已成为目前太阳电池封装工艺中最常用的材料。它主要是通过在EVA基料中添加紫外光吸收剂、紫外光稳定剂、抗氧化剂和交联剂等各种不同的添加剂制作而成的。
EVA树脂是一种热塑性高分子材料,是线性分子结构,其低成本易于加工使用,具有高透光率、高介电常数、低水汽透过和吸水性、优良的粘结性能和力学性能,以及优良的抗紫外光和热氧老化性能,并具有一定的化学惰性。
目前市场上的太阳能EVA胶膜的耐候性差,容易变黄,影响了太阳能组件的光电转换效率,主要原因是生产配方中所选用的助剂体系搭配不当。
目前市场上的太阳能EVA封装胶膜主要存在以下不足:
1、其所用的交联固化剂为2,5-二甲苯-2,5-双(叔丁基过氧)己烷或1,1-(双过氧化叔丁基)3,3,5-三甲基环己烷。2,5-二甲苯-2,5-双(叔丁基过氧)己烷其1小时的半衰期温度为132℃,活性比较低,与EVA交联反应的温度过高,不能满足目前市场的需求。1,1-(双过氧化叔丁基)3,3,5-三甲基环己烷1小时的半衰期温度为112℃,活性比较高,与EVA交联反应的温度过低,加工生产时不好控制,易结块。
2、其所用的抗氧化剂为受阻酚类及胺类,易与过氧化物的自由基反应生成生色基团——苯醌,化学反应方程式如下:
苯氧游离基能以各种形式共振稳定:
3、其所用的紫外光吸收剂二苯甲酮类吸收剂与过氧化物自由基之间的反应。反应产生的为生色基团——醌,如:
太阳光中的紫外线波长在200nm~400nm之间,而280nm~400nm波段的紫外线能使高聚物分子链断裂,从而使材料老化。
(三)发明内容
本发明的目的在于针对目前技术中太阳能电池用封装EVA胶膜的耐老化性能不够,进一步提升耐高温高湿、紫外光及热氧老化性能,提供一种耐高温85℃高湿85%及紫外光老化、热氧老化的耐湿热紫外光老化太阳能电池封装用EVA胶膜。
本发明的目的是这样实现的:一种耐湿热紫外光老化太阳能电池封装用EVA胶膜,所述EVA胶膜是由以下质量份数的原料组成:
以质量份数计:
乙烯醋酸乙烯的共聚物100份,交联固化剂0.8~1.4份,交联固化促进剂0.05~0.15份,增粘剂0.2~0.6份,抗氧剂0.1~0.5份,紫外光稳定剂0.05~0.25份,紫外光吸收剂0.1~0.3份。
所述乙烯醋酸乙烯的共聚物中醋酸乙烯质量含量为28~33%,熔体指数值为30g/10min。
所述交联固化剂为叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯;
所述交联固化促进剂为三烯丙基异氰脲酸酯;
所述增粘剂为r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷;
所述抗氧剂为二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯,二硬酯基季戊四醇二亚磷酸酯,三(壬基苯基)亚磷酸酯和三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯中的一种或二种;
所述紫外光稳定剂为聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯或双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯中的一种;
所述紫外光吸收剂为气相二氧化硅。
其制备方法包括以下工艺步骤:
步骤一:按配比将各原料混合均匀;
步骤二:将步骤一所制备的混合物倒入挤出机进行混炼塑化,挤出机温度控制在82~88℃,挤出物经压光、冷却、牵引和收卷工序即得到耐湿热、紫外光及热氧老化的太阳能电池封装用EVA胶膜。
本发明具有如下特点:
1、本发明中所用的交联固化剂为叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯,其1小时的半衰期温度为117℃,反应温度适中,易于加工,同时添加助交联剂三烯丙基异氰脲酸酯,烯丙基的双键与EVA胶体发生交联反应,形成活性剂桥键,从而提高了交联效率,增加了过氧化物硫化体系交联密度,有效地改善了耐热性能。
2、本发明中主要用亚磷酸酯类抗氧化剂,是有效的氢过氧化物分解剂,避免了以往反应的发生,最终产物无生色基团产生:
ROOH+R′3P→ROH+R′3PO
ROOH+(R′O)3P→ROH+(R′O)3PO3
3、本发明中的稳定剂为受阻胺类光稳定剂,其分子结构中含有特征官能团——哌啶基:
哌啶化合物在光氧化反应中易生成氮氧游离基(>NO.),而这个氮氧游离基可通过氧化还原机制不断地捕获大分子活性游离基起稳定化作用,而自身又在不断地交变再生。如:
受阻胺类光稳定剂对于EVA降解过程中产生的烷基自由基具有很强的捕获能力,如下式反应:
4、本发明与传统产品相比,采用无机纳米级气相二氧化硅为紫外光吸收剂,避免了传统产品用二苯甲酮类吸收剂与过氧化物自由基之间的反应。反应产生的为生色基团醌,如:
太阳光中的紫外线波长在200nm~400nm之间,而280nm~400nm波段的紫外线能使高聚物分子链断裂,从而使材料老化。气相二氧化硅的独特结构使得在紫外-可见光范围内具有较强的光反射性,但在λ=230nm附近有一强度不一的吸收峰,减弱了紫外光的透光率,对300nm以下紫外光吸收和反射率达到100%,因此提高了EVA胶膜的耐紫外光老化性能。
由于气相二氧化硅性能稳定,不与本体系中的其他有机物反应,因此没有生色基团的生成。
气相二氧化硅特有的三维硅石结构、庞大的比表面积、表面的配位不足,使其表现出极强的活性,均匀地分散在EVA体系中,形成“链状”,进而与EVA高分子链互相结合形成立体网状,改变了EVA的内部分子结构。从高聚物热稳定性机理来讲,高聚物的耐热性主要取决于内部分子结构,因而大大提高了产品的耐热性能。
本发明的有益效果是:
本发明在确保EVA胶膜与玻璃、TPT的黏结强度达到要求,即EVA/玻璃为40~55N/cm,EVA/TPT为38~54N/cm的前提下,选用合适的助剂体系,使其满足以下要求:①能够减少由交联产生的UV引发基团;②能有效的猝灭在光氧反应中产生的能引发降解反应的自由基;③在潮湿的条件下不容易水解;④交联速度快且不产生气泡,因此提高了产品的耐湿热及紫外光老化的性能,能保持较高的可见光透过率,减小了黄色指数。与传统的挤出造粒工艺相比,减少了一道造粒工艺,只需一次成型,提高了生产效率。
(四)具体实施方式
实施例1:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.5质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.1质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、0.25质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-1哌啶乙醇)酯混合均匀后投入挤出机进行混炼塑化,挤出机温度控制在83℃。挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-1。
实施例2:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.5质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.1质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、0.15质量份的抗氧剂三(壬基苯基)亚磷酸酯、0.28质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯混合均匀后投入挤出机进行混炼塑化,挤出机温度控制在83℃。挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-2。
实施例3:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.4质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1.2质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.08质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯,0.2质量份的抗氧剂二硬酯基季戊四醇二亚磷酸酯、0.2质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-1哌啶乙醇)酯混合均匀后投入挤出机进行混炼塑化,挤出机温度控制在87℃。挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-3。
实施例4:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.4质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1.2质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.08质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、0.15质量份的抗氧剂二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、0.25质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯。混合均匀后投入挤出机,温度控制在87℃,挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-4。
实施例5:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.45质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1.25质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.12质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、0.25质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-1哌啶乙醇)酯混合均匀后投入挤出机进行混炼塑化,挤出机温度控制在83℃。挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-5。
实施例6:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.5质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1.25质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.12质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、0.15质量份的抗氧剂三(壬基苯基)亚磷酸酯、0.28质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯混合均匀后投入挤出机进行混炼塑化,挤出机温度控制在83℃。挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-6。
实施例7:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.4质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1.25质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.08质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯,0.2质量份的抗氧剂二硬酯基季戊四醇二亚磷酸酯、0.2质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-1哌啶乙醇)酯混合均匀后投入挤出机进行混炼塑化,挤出机温度控制在87℃。挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-7。
实施例8:
在100质量份醋酸乙烯含量为32%、熔体指数值为30g/10min的EVA原料中加入0.4质量份增粘剂r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、1.25质量份的交联固化剂叔丁基过氧化2-乙基己基碳酸酯、0.08质量份的交联固化促进剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.2质量份的抗氧剂三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、0.15质量份的抗氧剂二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、0.20质量份的紫外光吸收剂气相二氧化硅和0.1质量份的紫外光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯。混合均匀后投入挤出机,温度控制在87℃,挤出物经压光定型、冷却、牵引、卷取工序即制得厚度为0.5mm的太阳能EVA胶膜F-8。
以上所制备的厚度0.5mm胶膜与玻璃、TPT的粘接强度为40~55N/cm38~54N/cm,其所用标准为GB/T2790-1995。
性能测试方案:
①紫外光老化:
按照国际电工委员会标准IEC 61345规定要求进行了紫外辐照老化测试,测试条件:
试样表面温度60±5℃,试验时间2000h
波长为:280nm~400nm范围,辐照强度为1.5Kwh/m2
黄变指数(ΔYI)按GB 2409-80《塑料黄色指数试验方法》进行分析。
②耐湿热老化性能
按GB/T 2423.3试验方法进行湿热老化试验
试验条件:温度85℃,相对湿度85%,时间2000h
黄变指数(ΔYI)按GB 2409-80《塑料黄色指数试验方法》进行分析。
③热氧老化:
试验条件:试验温度100℃,试验时间2000h
黄变指数(ΔYI)按GB 2409-80《塑料黄色指数试验方法》进行分析。
上述实施例得到的EVA胶膜,经上述测试方法进行测试后的评价结果见下表:
EVA胶膜 |
耐湿热老化黄变指数ΔYI |
耐紫外光老化黄变指数ΔYI |
耐热氧老化黄变指数ΔYI |
F-1 |
0.30 |
0.30 |
0.30 |
F-2 |
0.30 |
0.29 |
0.28 |
F-3 |
0.29 |
0.30 |
0.29 |
F-4 |
0.29 |
0.29 |
0.29 |
F-5 |
0.32 |
0.32 |
0.31 |
F-6 |
0.30 |
0.31 |
0.31 |
F-7 |
0.29 |
0.30 |
0.30 |
F-8 |
0.28 |
0.29 |
0.29 |
上述结果证明,此发明所生产的太阳能EVA封装胶膜在耐高温高湿、紫外光及热氧老化等性能方面,经过连续2000小时的测试后黄变指数都是比较低的,因此本发明所生产的EVA胶膜可以保证组件使用寿命达到30年以上。