CN102163646A - 光伏组件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种制造光伏组件的方法，该方法包括：在玻璃板上形成太阳能电池，然后使得至少一层液体包封剂与所述太阳能电池接触。所述液体包封剂包含两种组分。第一种组分是丙烯酸类多元醇，每条聚合物链上的羟基官能单体单元的平均数为2-25，Mn为1,000至10,000。所述第二种组分是平均官能度至少为2的多异氰酸酯。所述多元醇中非端羟基与多异氰酸酯中的异氰酸酯基的摩尔比为0.5∶1至1∶0.5。

Description

光伏组件的制造方法
技术领域
本发明涉及特别适合用来构建光伏组件的液体包封剂，还涉及光伏组件的制造方法。
背景技术
人们已经揭示了一些用来将太阳能电池包封成光伏组件的方法。例如，美国公开第2006/0207646号揭示了一种使用液体硅氧烷包封剂的方法。但是，人们并未报道将丙烯酸类-氨基甲酸酯树脂用于此用途的应用。
本发明所解决的问题是提供一种特别适合用来构建光伏组件的液体包封剂，以及光伏电池组件的制造方法。
发明内容
本发明提供了一种制造光伏组件的方法，该方法包括以下步骤：(a)在玻璃板上形成太阳能电池；以及(b)使得至少一层液体包封剂与所述太阳能电池接触；所述液体包封剂包含：
(i)丙烯酸类多元醇，其中每条聚合物链上的羟基官能单体单元的平均数为2-25，所述丙烯酸类多元醇的Mn为1,000-10,000；以及(ii)平均官能度至少为2的多异氰酸酯；其中，所述多元醇中的非端羟基与所述多异氰酸酯中的异氰酸酯基的摩尔比为0.5∶1至1∶0.5。
具体实施方式
除非另外说明，百分数为重量百分数(重量％)，温度的单位为℃。单体的重量百分数是以聚合混合物中单体的总重量为基准。在本文中，术语“(甲基)丙烯酸类”表示丙烯酸类或甲基丙烯酸类，“(甲基)丙烯酸酯”表示丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。术语“(甲基)丙烯酰胺“指丙烯酰胺(AM)或甲基丙烯酰胺(MAM)。“丙烯酸类单体”包括丙烯酸(AA)，甲基丙烯酸(MAA)，AA和MAA的酯，衣康酸(IA)，巴豆酸(CA)，丙烯酰胺(AM)，甲基丙烯酰胺(MAM)，以及AM和MAM的衍生物，例如烷基(甲基)丙烯酰胺。AA和MAA的酯包括但不限于烷基酯、羟烷基酯、磷酸烷基酯和磺基烷基酯，例如甲基丙烯酸甲酯(MMA)，甲基丙烯酸乙酯(EMA)，甲基丙烯酸丁酯(BMA)，甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，丙烯酸羟乙酯(HEA)，甲基丙烯酸羟丙酯(HPMA)，丙烯酸羟丁酯(HBA)，丙烯酸甲酯(MA)，丙烯酸乙酯(EA)，丙烯酸丁酯(BA)，丙烯酸-2-乙基己酯(EHA)和甲基丙烯酸磷酸烷基酯(PEM)。
术语“乙烯基单体”表示一种单体，其包含与氮或氧之类的杂原子相连的碳-碳双键。乙烯基单体的例子包括但不限于乙酸乙烯酯，乙烯基甲酰胺，乙烯基乙酰胺，乙烯基吡咯烷酮，乙烯基己内酰胺，以及长链乙烯基链烷酸酯，例如新癸酸乙烯基酯和硬脂酸乙烯基酯。
太阳能电池是用来由光发电的半导体。太阳能电池通常由半导体材料制造，所述半导体材料是例如硅(晶体，多晶或薄膜)，砷化镓，二硒化铜铟，碲化镉，二硒化铜铟镓和它们的混合物。太阳能电池可以为晶片或者薄膜的形式，前者通过从晶体切割或者浇铸而制造，后者通过溅射或化学气相沉积法(CVD)沉积在基材或覆材(superstrate)上。
在本发明的一些实施方式中，所述丙烯酸类多元醇具有端羟基。每条聚合物链上的羟基官能单体单元的平均数是由丙烯酸类多元醇的Mn和当量(EW)计算得到的平均值(单元数/链＝Mn/EW)。当量定义为包含一摩尔羟基官能团(端羟基除外)的多元醇的质量。例如，包含15重量％的HEMA的多元醇的EW＝876.6克多元醇/摩尔OH。如果已经确定了多元醇的羟值(OH#)，则计算如下：Mn/(56105/OH#)。羟值是由聚合物的羟基官能单体含量计算的，其中不包括认为是源自链转移剂的端羟基。OH#＝56105/EW。当然，聚合物链的实际分布会包含一些具有较高和较低的羟基官能度的链。在本发明的一些实施方式中，每条聚合物链的平均羟基官能度至少为2.5，优选至少为3，优选至少为3.5，优选至少为4；平均羟基官能度不大于10，优选不大于8，优选不大于7，优选不大于6。
在本发明的一些实施方式中，丙烯酸类多元醇的Mn至少为2,000，优选至少为2,500，优选至少为3,000，优选至少为3,500。在本发明的一些实施方式中，丙烯酸类多元醇的Mn不大于8,000，优选不大于7,000，优选不大于6,000。在一些实施方式中，Mw/Mn为1.5-3.5，或者为2-3。在本发明的一些实施方式中，所述丙烯酸类多元醇的Tg为-100℃至-40℃，优选为-80℃至-45℃，优选为-75℃至-50℃。
在本发明的一些实施方式中，所述丙烯酸类多元醇包含至少60％的丙烯酸类单体的聚合残基，优选至少70％，优选至少80％，优选至少90％，优选至少95％。在本发明的一些实施方式中，所述丙烯酸类多元醇包含5-35％的含羟基的丙烯酸类单体的聚合残基，优选8-25％，优选10-20％。在本发明的一些实施方式中，所述丙烯酸类多元醇的Mn为3,000-5,000，所述丙烯酸类多元醇包含10-20％的包含羟基的丙烯酸类单体的残基。在一些实施方式中，包含羟基的单体是(甲基)丙烯酸羟烷基酯，较佳的是选自下组的单体：HEMA，HPMA，HBA或它们的组合；优选HEMA和/或HPMA。在一些实施方式中，所述丙烯酸类多元醇包含65-95％的(甲基)丙烯酸C4-C12烷基酯的聚合残基，优选75-92％，优选80-90％；在一些实施方式中，所述(甲基)丙烯酸C4-C12烷基酯是丙烯酸C4-C12烷基酯，优选是丙烯酸C4-C10烷基酯，优选是BA和/或EHA。在一些实施方式中，所述丙烯酸类多元醇除了包含丙烯酸类单体以外，还可以包含少量乙烯基单体的残基。
较佳的是，所述丙烯酸类多元醇是通过使用本领域众所周知的常规的引发剂进行溶液聚合而制备的。较佳的是，使用以下链转移剂(CTA)，例如醇、二醇、二醇烷基醚、巯基醇或巯基二醇；优选醇、二醇或二醇烷基醚；优选醇。在一些实施方式中，所述链转移剂基本不含(即小于0.3％，或者小于0.1％，或者小于0.05％)硫，所述丙烯酸类多元醇基本不含(即小于100ppm，或者小于50ppm，或者小于25ppm)硫。适合于聚合反应的溶剂包括例如醇、烷基酯、二醇、二醇烷基醚、醛、酮和醚。在一些实施方式中，所述溶剂也可以用作链转移剂，也作为链转移剂的优选的溶剂包括例如C1-C6醇，包括异丙醇。当使用羟基化合物作为链转移剂的时候，认为端羟基直接与聚合物链的末端连接。当使用醇，例如异丙醇作为链转移剂的时候，认为所得的叔端羟基的化学活性小于(甲基)丙烯酸羟烷基酯和其它羟基取代的单体上的羟基。
多异氰酸酯是平均异氰酸酯官能度至少为2的物质。合适的多异氰酸酯的例子包括基于以下化合物的那些：异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，1，6-己二异氰酸酯(HDI)，二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)，二(异氰酸根合甲基)环己烷，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，甲苯二异氰酸酯(TDI)，它们的异构体或它们的混合物。在本发明的一些实施方式中，所述多异氰酸酯是脂族多异氰酸酯。多异氰酸酯与多元醇的预聚物也可以在本发明中用作多异氰酸酯组分；多异氰酸酯预聚物优选的Mn为300-3000，优选为500-2000。在本发明的一些实施方式中，多异氰酸酯的官能度至少为2.5，或者至少为2.7，或者至少为3。在一些实施方式，所述多异氰酸酯的官能度不大于5，优选不大于4，优选不大于3。
较佳的是，所述非端羟基/NCO基团的摩尔比为0.75∶1至1∶0.75，或者为0.75∶1至1∶0.9，或者为0.9∶1至1∶0.75，或者为0.9∶1至1∶0.9，或者为0.95∶1至1∶0.9，或者为0.9∶1至1∶0.95，或者为0.95∶1至1∶0.95，或者为0.98∶1至1∶0.98，或者为0.99∶1至1∶0.99，或者为0.995∶1至1∶0.995。
交联剂是包括两个或更多个烯键式不饱和基团的单体，可以包括例如二乙烯基芳族化合物，二-、三-和四-(甲基)丙烯酸酯，二-、三-和四-烯丙基醚或酯化合物，以及(甲基)丙烯酸烯丙酯。这些单体的优选例子包括二乙烯基苯(DVB)，三羟甲基丙烷二烯丙基醚，四烯丙基季戊四醇，三烯丙基季戊四醇，二烯丙基季戊四醇，邻苯二甲酸二烯丙酯，马来酸二烯丙酯，氰脲酸三烯丙酯，双酚A二烯丙基醚，烯丙基蔗糖，亚甲基二丙烯酰胺，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，甲基丙烯酸烯丙酯(ALMA)，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)，1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)和丁二醇二甲基丙烯酸酯(BGDMA)。在本发明的一些实施方式中，所述聚合物中聚合的交联剂残基的量不大于0.2％，优选不大于0.1％，优选不大于0.05％，优选不大于0.02％。
本发明的组合物可以任选地包含其它的组分。例如，所述组合物可以包含用于氨基甲酸酯形成反应的催化剂，例如二烷基锡二酯；附着力促进剂；抗氧化剂和光稳定剂。上述组分优选在多元醇组分中，但是一些可以包含在多异氰酸酯组分中，前提是它们不会与异氰酸酯基反应，而且不会催化异氰酸酯的聚合。在本发明的一些实施方式中，所述组合物包含不大于1.5重量％的光稳定剂，或者不大于1.25％，或者不大于1％，或者不大于0.75％，或者不大于0.5％，或者不大于0.25％。
在根据本发明的方法制造的光伏组件中，玻璃片覆盖所述太阳能电池，形成光伏组件，其中光通过所述玻璃片，然后照射在所述太阳能电池上。所述太阳能电池直接形成在玻璃片上(例如通过溅射法或CVD)，然后用一层包封剂材料覆盖。在本发明的一些实施方式中，所述光伏组件还包括层叠在所述液体包封剂上的一个材料片。位于所述包封剂层下方的该任选的材料层可以是刚性的或者挠性的。所述刚性材料可以是例如玻璃、合成聚合物(例如聚氟乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，乙烯-乙酸乙烯酯)、金属片等。在这些描述中，术语“顶部”表示光照射到达太阳能电池的方向。在本发明的一些实施方式中，将所述包封剂施加在一片材料上，然后使得所述片材上的包封剂层与承载着所述太阳能电池的玻璃片接触。在大多数情况下，所述光伏组件需要位于太阳能电池下方的绝缘材料。该材料可以是包封剂或刚性材料，前提是所述材料能够满足对于绝缘能力的标准，例如IEC61215，IEC 61646，UL 746A，UL746B，UL 746C规定的测试方法。
在本发明的一些实施方式中，例如在在线混合器或混合容器中将所述多元醇组分和异氰酸酯组分混合，形成液体包封剂，然后立刻使其与太阳能电池接触。如上所述，根据光伏组件的结构种类，可以在以下所述的时刻将所述混合的组分施加于玻璃或合成聚合物材料：添加太阳能电池之前，在太阳能电池之前和之后施加，以形成两层包封剂材料，以及施加于形成在玻璃或合成聚合物上的太阳能电池上，等等。较佳的是，通过对组装的光伏组件进行加热，优选在60-150℃的温度下加热1分钟至3小时，从而使得液体包封剂固化。时间和温度将根据异氰酸酯的种类和羟基官能度、羟基/异氰酸酯基的比例以及其它因素而变化，这是本领域众所周知的。
实施例
一般聚合步骤：
将异丙醇(1137克)加入装有氮气吹扫装置、回流冷凝器、温度控制器和机械搅拌器的四颈圆底烧瓶中，加热至82℃。加入过氧新戊酸叔戊酯的异丙醇溶液(704毫升，4.7重量％)，然后加入丙烯酸-2-乙基己酯(187克)和甲基丙烯酸羟乙酯(33克)的混合物。在不进行加热的情况下，混合物的温度升高到86℃。使得混合物冷却至82℃，在180分钟的时间内逐渐加入丙烯酸-2-乙基己酯(1683克)和甲基丙烯酸羟乙酯(297克)的混合物。同时，在200分钟的时间内加入过氧新戊酸叔戊酯的异丙醇溶液(704毫升，4.7重量％)。加完之后，所述混合物在82℃下保持60分钟，然后加入另一种过氧新戊酸叔戊酯的异丙醇溶液(16.6毫升，29.8重量％)。15分钟之后，在90分钟的时间内加入另一种过氧新戊酸叔戊酯的异丙醇溶液(16.6毫升，29.8重量％)。通过蒸发从聚合物中除去溶剂。
下表列出根据该方法制备的聚合物。
Figure BSA00000423208700061
Figure BSA00000423208700071
Mw和Mn的单位为千克/摩尔；eg＝聚合物端基
EAc＝乙酸乙酯；MMP＝3-巯基丙酸甲酯；IPA＝异丙醇；ME＝巯基乙醇
对基于上层的薄膜组件进行包封的步骤。
用化学计算量(1∶1羟基/异氰酸酯基摩尔比，以除了端羟基以外的多元醇的羟基官能度为基准)的HMDI交联上述EHA/HEMA 85/15共聚物。共聚物(50克，OH#64.5毫克KOH/克)，催化剂(二乙酸二丁基锡，0.005重量％，0.0025克)和任选的光稳定剂在真空条件下，在60℃混合，直至观察不到气泡。对二环己基甲烷-4，4′-二异氰酸酯(总计7.62克)进行独立脱气。将包含EHA/HEMA聚合物和异氰酸酯的第一混合物以化学计量比独立地泵入包括24个混合元件的在线静态混合器。使用实验室规模的修补涂覆器(美国宾夕法尼亚州托万达市的尖端工业技术公司(Frontier Industrial Technology，Towanda，PA))将此混合物涂覆在一片背板(EVA/PET/Tedlar，KrempelAkasol PTL 3HR 1000V)上。然后使用橡胶辊，将该湿的背板施加于其上已经制造了无定形硅太阳能组件的玻璃板的后表面上。然后对所述叠置的薄膜组件安装铝框架，在烘箱中，在150℃固化30分钟。

Claims (6)

1.一种制造光伏组件的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在玻璃板上形成太阳能电池；以及(b)使得至少一层液体包封剂与所述太阳能电池接触；所述液体包封剂包含：(i)丙烯酸类多元醇，其中每条聚合物链上的羟基官能单体单元的平均数为2-25，所述丙烯酸类多元醇的Mn为1,000-10,000；以及(ii)平均官能度至少为2的多异氰酸酯；其中，所述多元醇中的非端羟基与所述多异氰酸酯中的异氰酸酯基的摩尔比为0.5∶1至1∶0.5。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述丙烯酸类多元醇的每条聚合物链上的羟基官能单体单元的平均数为3-6。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述丙烯酸类多元醇的Mn为3,000至7,000。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多异氰酸酯的平均官能度为2-4。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述丙烯酸类多元醇包含65-95重量％的(甲基)丙烯酸C4-C12烷基酯的聚合残基，以及5-35重量％的含羟基的丙烯酸类单体的聚合残基。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述丙烯酸类多元醇的Mn为3,000-5,000，所述丙烯酸类多元醇包含10-20％的包含羟基的丙烯酸类单体的残基。
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