CN102292827A - 用于太阳能电池模块的包含螯合剂的聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂 - Google Patents

用于太阳能电池模块的包含螯合剂的聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种包括太阳能电池组合件的太阳能电池模块。所述太阳能电池组合件由聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包封，并包括至少部分地与所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂接触的可氧化金属组件。所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包含聚(乙烯醇缩丁醛)、按所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的总重量计约15至约45重量％的一种或多种增塑剂、和约0.5至约2重量％的一种或多种金属螯合剂。本发明还提供了一种用于制备所述太阳能电池模块的组合件；一种防止或减少与所述太阳能电池模块中的可氧化金属组件接触的聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂变色的方法；以及使用所述太阳能电池模块将太阳能转换为电能。

Description

用于太阳能电池模块的包含螯合剂的聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂
相关申请的交叉引用
根据美国法典第35编第120条，本专利申请要求提交于2009年1月22日的美国临时申请61/146,547的优先权，其全文以引用方式并入本文。
发明领域
本发明涉及一种可用作太阳能电池模块的包封剂的改进型聚(乙烯醇缩丁醛)组合物。具体地讲，所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包含一种或多种螯合剂。
发明背景
本说明书中引用了若干份专利和出版物以更全面地描述本发明所属的现有技术。以上这些专利和出版物各自的全部公开内容均以引用方式并入本文。
由于太阳能电池提供可持续能源，因此其使用范围正在迅速扩大。根据所采用的光吸收材料，太阳能电池通常可分为两种，即块状或基于晶片的太阳能电池和薄膜太阳能电池。
单晶硅(c-Si)、多晶硅(poly-Si或mc-Si)和带状硅是用来形成较为传统的基于晶片的太阳能电池的最常用材料。得自基于晶片的太阳能电池的太阳能电池模块通常具有焊接在一起的厚度约180和约240μm的一系列自承晶片(或电池)。然后，此太阳能电池板与在其表面上沉积的一层导电膏和/或导线以及汇流条由聚合物包封剂封装以形成太阳能电池组件，所述太阳能电池组件可进而夹在两个保护性外层之间以形成耐候性模块。保护性外层可以由玻璃、金属片材或膜、或塑料片材或膜形成。然而，面向日光的外层通常需要充分透明以允许光子到达太阳能电池。
就日益重要的可供选择的薄膜太阳能电池而言，通常使用的材料包括非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物(CuInSe2或“CIS”)、铜铟/镓二硒化物(CuInxGa(1-x)Se2或“CIGS”)、吸光染料、有机半导体等。以举例的方式，薄膜太阳能电池在美国专利5,507,881、5,512,107、5,948,176、5,994,163、6,040,521、6,123,824、6,137,048、6,288,325、6,258,620、6,613,603和6,784,301，以及美国专利申请公开20070298590、20070281090、20070240759、20070232057、20070238285、20070227578、20070209699、20070079866、20080223436和20080271675中有所描述。通常，通过将半导体材料沉积到多层中的基板上来制备典型厚度小于2μm的薄膜太阳能电池。基板可由玻璃或柔性膜形成，并且它在那些其中它面向日光的模块中可以被称作“覆板”。与基于晶片的太阳能电池模块类似，薄膜太阳能电池进一步由聚合物包封剂包封，并且被夹在保护性外层之间。在某些模块中，薄膜太阳能电池中仅有与基板相对的一侧由聚合物包封剂包封，并进而被层合到保护性外层。另外，导线和汇流条、金属导电涂层和/或金属反射膜可以沉积到薄膜太阳能电池的表面上，并与薄膜太阳能电池一起由包封剂进行包封。
在太阳能电池模块内，一些组件可能包含金属例如银，所述组件为例如导线和汇流条、基于晶片的太阳能电池模块中所用的导电膏、薄膜太阳能电池中所用的导电涂层、以及薄膜太阳能电池模块中所用的背反射膜。此外，这些包含金属的组件可以与聚合物包封剂接触。在那些使用聚(乙烯醇缩丁醛)(PVB)作为包封剂的模块中，已发现当PVB与可氧化金属组件接触时往往会随时间推移而变色。因此，需要开发一种可用作太阳能电池模块的包封剂的PVB组合物，在太阳能电池模块的寿命期内，该组合物与可氧化金属组件接触时不发生变色。
发明概述
本发明提供了一种包括太阳能电池组合件的太阳能电池模块。所述太阳能电池组合件由聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包封，并包括至少部分地与聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂接触的可氧化金属组件。所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包含聚(乙烯醇缩丁醛)、约15至约45重量％的一种或多种增塑剂、以及约0.5至约2重量％的一种或多种螯合剂，所述重量百分比按聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的总重量计。
优选地，可氧化金属组件包含一种或多种可氧化金属、或一种或多种可氧化金属的一种或多种合金。更优选地，可氧化金属或金属合金选自银、铈、铜、铝、锆、钛、锡、铅以及这些金属中的两种或更多种的组合，以及含有这些金属中的任一种的合金。仍更优选地，可氧化金属为银。在另一个优选的模块中，可氧化金属为含有银的合金，并且优选地为含有大量银的合金。
优选地，可氧化金属组件选自导电膏、导线、汇流条、导电涂层或反射膜。在一个优选的模块中，可氧化金属组件为包含银或银合金的反射膜。
另外，聚(乙烯醇缩丁醛)优选地包含按聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的总重量计至多约1.5重量％、更优选至多约1.2重量％的螯合剂。更优选地，聚(乙烯醇缩丁醛)包含按聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的总重量计至少约0.6重量％的螯合剂。
还提供了一种用于制备太阳能电池模块的组合件；一种防止或减轻与太阳能电池模块中的可氧化金属组件接触的聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂变色的方法；以及使用太阳能电池模块将太阳能转换为电能。
发明详述
除非另有定义，本文所用的所有技术和科学术语的含义均与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的一样。如发生矛盾，以本说明书及其包括的定义为准。
虽然与本文所述方法和材料类似或等同的方法和材料均可用于本发明的实践或检验，但合适的方法和材料为如本文所述的那些。
除非另行指出，所有百分数、份数、比率等均按重量计。
当数量、浓度或其他值或参数以范围、优选范围或优选上限值和优选下限值的列表形式给出时，其应理解为具体地公开由任何范围上限或优选值和任何范围下限或优选值的任何一对所构成的所有范围，而不管所述范围是否被单独地公开。凡在本文中给出某一数值范围之处，该范围均旨在包含其端点，以及位于该范围内的所有整数和分数，除非另行指出。当定义一个范围时，不旨在将本发明的范围限定于所列举的具体值。
如本文所用，术语“包含”、“包括”、“含有”、“特征在于”、“具有”或者它们的任何其他变型均旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括要素列表的工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或该工艺、方法、制品或设备所固有的其他要素。此外，除非有相反的明确说明，“或”是指包含性的“或”，而不是指排他性的“或”。
连接短语“基本上由...组成”将权利要求的范围限制为具体的材料或步骤以及不会显著影响受权利要求保护的本发明的基本和新型特征的那些要素。
当申请人已经用开放式术语如“包含”定义了本发明或其一部分，则应理解为除非另外指明，说明书应被解释为还使用术语“基本上由...组成”和“由...组成”描述本发明。
冠词“一个”和“一种”可以与本文所述的组合物、工艺或结构的各种要素和组分结合使用。这只是为了方便起见，并且能够表明该组合物、工艺或结构的一般意义。此类描述包括“一个或至少一个”要素或组分。此外，如本文所用，单数冠词也包括多个要素或组分的描述，除非在具体的上下文中明显排除了复数。
如本文所用，术语“共聚物”是指包含由两种或更多种共聚单体进行共聚作用所生成的共聚单元的聚合物。此类共聚物包括二聚物、三元共聚物或更高阶共聚物。就此而论，本文可能会根据共聚物的组分共聚单体或其组分共聚单体的量，例如“包含乙烯和15重量％丙烯酸的共聚物”或类似的说法来描述共聚物。此类描述可以视为非正式的，因为它并不把共聚单体当作共聚单元；因为它不包括共聚物的常规命名，例如国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的命名；因为它不使用方法限定物品术语；或者因为其他原因。然而，如本文所用，结合其组分共聚单体或其组分共聚单体的数量对共聚物进行的描述是指该共聚物含有指定共聚单体的共聚单元(在指定时具有指定数量)。由此得出如下推论，共聚物不是包含给定量的给定共聚单体的反应混合物的产物，除非在限定情况下进行此类明确表述。
术语“约”是指数量、尺寸、配方、参数、以及其他量和特性是不精确的并且不必是精确的，但可以是期望的近似值和/或较大值或较小值，由此反映公差、转换因子、四舍五入、测量误差等、以及本领域的技术人员已知的其他因子。一般来讲，数量、尺寸、配方、参数或者其他量或特性为“约”或者“近似的”，无论是否进行此类明确表述。当术语“约”用于描述值或范围的端点时，本公开内容应被理解为包括具体的值或所涉及的端点。
如本文所用，术语“或者”是包括性的；也就是说，短语“A或B”是指“A、B或者A和B两者”。更具体地讲，条件“A或B”符合以下任何一项：A为真实(或存在)的，并且B为虚假(或不存在)的；A为虚假(或不存在)的，并且B为真实(或存在)的；或者A和B都是真实(或存在)的。例如，排他性的“或者”在本文中是通过诸如“A或B中的两者之一”和“A或B中的一个”之类的术语来指定。
最后，当材料、方法、或机械用术语“本领域的技术人员已知的”、“常规的”或同义的词或短语在本文中描述时，该术语表示在提交本专利申请时常规的材料、方法和机械涵盖于该描述中。同样涵盖于该描述中的是，目前不常规的但是当适用于相似目的时将成为本领域公认的材料、方法和机械。
本文提供了一种可用作太阳能电池模块中的包封剂的改进型(乙烯醇缩丁醛)(PVB)组合物。所述聚(乙烯醇缩丁醛)组合物包含聚(乙烯醇缩丁醛)树脂。包封剂组合物中聚(乙烯醇缩丁醛)树脂的量通过相对于包封剂组合物中其他组分的差值进行确定，但通常的范围是从约40至约80重量％。聚(乙烯醇缩丁醛)(PVB)是由聚(乙烯醇)与丁醛缩合得到的乙烯树脂。PVB可通过水或溶剂缩醛化来制备。在溶剂方法中，缩醛化反应在存在足够的溶剂的情况下进行，以便在缩醛化反应结束时溶解PVB并制备均匀的溶液。通过沉淀含水的固体颗粒将PVB从溶液中分离出来，然后再洗涤和干燥固体颗粒。所用的溶剂为例如乙醇之类的低级脂族醇。在水性方法中，通过下列方式进行缩醛化反应：在存在酸催化剂的情况下，将丁醛添加到约20℃至约100℃的聚(乙烯醇)水溶液中，搅拌该混合物，使中间产物PVB以细分的形式沉淀，在加热的同时继续搅拌，直到反应混合物达到理想的端点，接着中和催化剂，分离、稳定并干燥PVB。例如，PVB可根据美国专利3,153,009和4,696,971中所述的方法进行制备。
合适的PVB树脂具有约30,000Da、或约45,000Da、或约200,000Da至约600,000Da、或约300,000Da的重均分子量，所述重均分子量通过使用小角激光光散射的尺寸排阻色谱法来确定。PVB可包含约12重量％、或约14重量％、或约15重量％至约23重量％、或约21重量％、或约19.5重量％、或约19重量％的以聚乙烯醇(PVOH)计算的羟基。羟基数量可根据标准方法例如ASTM D1396-92(1998)来确定。此外，合适的PVB树脂可包含以聚乙烯酯计算的至多约10％、或至多3％的残余酯基(通常为乙酸酯基)，剩余为缩丁醛。如美国专利5,137,954中所述，除了丁缩醛之外，PVB可进一步包含少量的乙缩醛基，例如2-乙基己醛。
聚(乙烯醇缩丁醛)组合物还包含一种或多种增塑剂，所述增塑剂的含量为按PVB组合物的总重量计约15重量％、或约20重量％、或约25重量％至约45重量％、或约35重量％、或约30重量％。本领域中已知的任何增塑剂均可适用于本文所述的PVB组合物中。参见例如美国专利3,841,890、4,144,217、4,276,351、4,335,036、4,902,464、5,013,779以及5,886,075。那些常用的增塑剂为多元酸或多元醇的酯。在一种包封剂组合物中，本发明所用的增塑剂可包括但不限于通过三乙二醇或四乙二醇与具有6至10个碳原子的脂族羧酸的反应而获得的二酯；通过癸二酸与具有1至18个碳原子的脂族醇的反应而获得的二酯；低聚乙二醇二-2-乙基己酸酯；四乙二醇二正庚酸酯；己二酸二正己酯；己二酸二辛酯；己二酸二丁氧基乙酯；己二酸庚酯和己二酸壬酯的混合物；癸二酸二丁酯；磷酸三丁氧乙酯；磷酸异癸苯酯；亚磷酸三异丙酯；聚合物增塑剂，例如油改性的癸二酸醇酸；磷酸酯和己二酸酯的混合物；己二酸酯和邻苯二甲酸烷基苄基酯的混合物；以及这些增塑剂中的两种或更多种的组合。在其他优选的包封剂组合物中，所述一种或多种增塑剂包括但不限于下列一者或多者：三乙二醇二-2-乙基己酸酯、四乙二醇二正庚酸酯、癸二酸二丁酯、以及它们中的两种或更多种的组合。在其他优选的包封剂组合物中，所述一种或多种增塑剂包括但不限于下列一者或多者：三乙二醇二-2-乙基己酸酯、四乙二醇二正庚酸酯、以及它们中的两种或更多种的组合。在其他优选的包封剂组合物中，所述增塑剂为三乙二醇二-2-乙基己酸酯。
聚(乙烯醇缩丁醛)组合物还包含一种或多种螯合剂，所述螯合剂的含量在按PVB组合物的总重量计约0.5重量％、或约0.6重量％、或约0.7重量％、或约0.8重量％至约2重量％、或约1.5重量％、或约1.2重量％、或约1重量％的范围内。本发明所用的螯合剂包括但不限于乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二胺单乙酸、乙二胺二乙酸、乙二胺三乙酸、乙二胺、三(2-氨基乙基)胺、二亚乙基三胺五乙酸、或它们的任意的混合物。在一种优选的包封剂组合物中，PVB组合物包含EDTA。
此外，PVB组合物可进一步包含一种或多种紫外线吸收剂，所述紫外线吸收剂的含量在按PVB组合物的总重量计约0.01重量％、或约0.05重量％、或约0.08重量％至约1重量％、或约0.8重量％、或约0.5重量％的范围内。紫外线吸收剂是本领域所熟知的。任何已知的紫外线吸收剂均可用于PVB组合物中。合适的紫外线吸收剂的实例包括但不限于苯并三唑衍生物、羟基二苯甲酮、羟基苯基三嗪、取代和未取代的苯甲酸的酯、以及它们的任意的混合物。可用于本发明的可商购获得的紫外线吸收剂包括但不限于由Ciba制造的TinuvinTM P、TinuvinTM 1130、TinuvinTM 326、TinuvinTM 327、TinuvinTM 328、TinuvinTM 571、TinuvinTM 99-DW、或ChimassorbTM 81，由BASF(Ludwigshafen，Germany)制造的UvinulTM 3000、UvinulTM 3008、UvinulTM 3040、或UvinulTM 3050，由Cytec Industries，Inc.制造的CyasorbTM5411，或这些紫外线吸收剂中的任意两种或更多种的组合。
PVB组合物可进一步包含一种或多种热稳定剂，所述热稳定剂的含量在按PVB组合物的总重量计约0.01重量％、或约0.05重量％、或约0.08重量％至约1重量％、或约0.8重量％、或约0.5重量％的范围内。热稳定剂还可以被称作酚抗氧化剂，并且在行业内为人们所熟知。合适的热稳定剂的实例包括但不限于由Ciba制造的IrganoxTM 1010、IrganoxTM 1035、IrganoxTM1076、IrganoxTM 1081、IrganoxTM 1098、IrganoxTM 1135、IrganoxTM 1330、IrganoxTM 1425WL、IrganoxTM 1520、IrganoxTM 245、IrganoxTM 3114、IrganoxTM565、IrganoxTM E 201、或IrganoxTM MD 1024，由Chemtura(Middlebury，CT)制造的LowinoxTM 1790、LowinoxTM 22M46、LowinoxTM 44B25、LowinoxTM CA22、LowinoxTM CPL、LowinoxTM HD 98、LowinoxTM MD24、LowinoxTM TBM-6、或LowinoxTM WSP，由Cytec制造的CyanoxTM1741、CyanoxTM2246、或CyanoxTM 425，或这些热稳定剂中的任意两种或更多种的组合。在一种优选的PVB组合物中，所述热稳定剂包含LowinoxTM 1790、LowinoxTM 22M46、LowinoxTM 44B25、LowinoxTM CA22、LowinoxTM CPL、LowinoxTM HD 98、LowinoxTM MD24、LowinoxTM TBM-6、或LowinoxTM WSP中的一种或多种。在另一种优选的PVB组合物中，热稳定剂为辛基苯酚。在另一种优选的PVB组合物中，热稳定剂为丁基化羟甲苯(BHT)。
PVB组合物可进一步包含含量至多为1重量％的一种或多种受阻胺。要实现对紫外线稳定，通常加入其量按PVB组合物的总重量计为约0.001重量％至约0.1重量％的受阻胺。可加入更多量以有助于抑制泛黄。为了实现这一目的，所加入的受阻胺的量按PVB组合物的总重量计优选地为约0.08重量％、或约0.1重量％、或大于0.1重量％至约1重量％、至约0.8重量％、或至多约0.5重量％。受阻胺可以为受阻仲胺或受阻叔胺。合适的受阻仲胺的实例包括但不限于2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶醇、以及它们的混合物。合适的受阻叔胺的实例包括但不限于2-(二甲基氨基)吡啶、4-(二甲基氨基)吡啶、N-丁基哌啶、N，N-二乙基环己胺、以及它们的任意混合物。
在一个优选的模块中，受阻胺为受阻胺光稳定剂(HALS)，其通常为仲的或叔的、乙酰化的、N-羟氧基取代的、氢氧基取代的、N-羟氧基取代的、或还具有空间位阻效应的其他取代环胺，并且一般是得自邻近胺官能度的碳原子的脂族取代。HALS在本领域内为人们所熟知，并且可商购获得。例如，由Ciba(Tarrytown，NY)制造的TinuvinTM 111、TinuvinTM 123、TinuvinTM 144、TinuvinTM 152、TinuvinTM 292、TinuvinTM 622、TinuvinTM 765、TinuvinTM 770、TinuvinTM 783、TinuvinTM 791、ChimassorbTM 119、ChimassorbTM2020、或ChimassorbTM 944，由Cytec Industries，Inc.(Paterson，NJ)制造的CyasorbTM 3346或CyasorbTM3853S，或可用于本文所述PVB组合物中的这些HALS中的任何两种或更多种的组合。有关合适的受阻胺以及它们在包封剂组合物中的应用的更多信息可见于2009年1月22日提交的美国临时专利申请61/146,522(代理人案卷号PP0086)。
此外，PVB组合物可进一步包含一种或多种不饱和杂环化合物，所述不饱和杂环化合物的含量在按PVB组合物的总重量计约0.01重量％、或约0.05重量％、或约0.08重量％至约1重量％、或约0.8重量％、或约0.5重量％的范围内。合适的不饱和杂环化合物的实例包括但不限于三唑、咪唑、吡咯、吡啶、嘌呤、吡嗪、腺嘌呤、三嗪、苯并三唑、苯并噻唑、苯并
Figure BPA00001406989700091
唑、2，2’-联吡啶、2-巯基苯并咪唑、噻唑、以及这些不饱和杂环化合物的任意两种或更多种的组合。如本发明上下文所使用的术语“苯并三唑”是指该化合物自身，并不包括可用作紫外线吸收剂并且有时被称作“苯并三唑紫外线吸收剂”的苯并三唑衍生物。有关合适的不饱和杂环化合物以及它们在包封剂组合物中的应用的更多信息可见于2009年1月22日提交的美国临时专利申请61/146,535(代理人案卷号PP0087)、2009年6月30日提交的美国临时专利申请61/221,771以及2009年7月17日提交的美国临时专利申请61/226,435(代理人案卷号PP0098)。
除了增塑剂和上述添加剂之外，PVB组合物可进一步包含一种或多种其他合适的添加剂，包括但不限于粘附力控制添加剂、表面张力控制剂、加工助剂、流动增强剂、润滑剂、颜料、染料、阻燃剂、抗冲改性剂、成核剂、抗粘连剂如二氧化硅、分散剂、表面活性剂、偶联剂、增强剂如玻璃纤维、填料等等。这些添加剂在例如“Kirk Othmer Encyclopedia of ChemicalTechnology”，第5版，John Wiley & Sons(New Jersey，2004年)中有所描述。
这些其他添加剂存在于组合物中的量按PVB组合物的总重量计一般为0.01至15重量％，优选地为0.01至10重量％或0.01至约5重量％、或0.1至约1.0重量％，前提是这些添加剂不减损PVB组合物的基本特性和新型特性，并且还不会对组合物或由组合物制得的太阳能电池模块的性能造成显著的不利影响。可以通过任何已知的方法将这些常规成分任选地掺入PVB组合物中，例如干混、挤出各组分的混合物、母炼技术等等。再次参见Kirk-Othmer Encyclopedia。
本文还描述了一种包括太阳能电池组合件的太阳能电池模块，其中(A)太阳能电池组合件包括可氧化金属组件；(B)太阳能电池组合件采用上述PVB组合物进行包封；以及(C)可氧化金属组件至少部分地与PVB包封剂接触。
如本文所用的术语“金属组件”是指包含元素金属的太阳能电池组合件或太阳能电池模块的一种组成部件或多种组成部件的任意子组合，如导电膏、导线或汇流条、金属导电涂层或金属反射膜。具体地讲，术语“元素金属”、“金属元素”和“M0”(例如“元素铁”、“金属铁”和“Fe0”)是同义的，并且在本文中互换使用。元素金属可以以基本上为纯金属的形态存在，例如反射膜中所用的银。作为另外一种选择，元素金属可以与(例如)非金属材料如载体或填料配混，或者可作为粉末或薄片、作为分散体的连续或分散相、或以任何其他形态存在于固体溶液、合金或结晶态中。例如，在一些连接线中所用的焊接材料为仅含有约2重量％的银的银和铝的合金。
金属组件的具体类型包括导电膏，所述导电膏通常用于基于晶片的太阳能电池中，是沉积在太阳能电池的前朝阳面上用于有效接触太阳能电池并传输光生电流的导电膜。
其他金属组件包括导线和汇流条，它们既可用于基于晶片的太阳能电池，又可用于薄膜太阳能电池，并且通常焊接在太阳能电池的表面上，用于在独立太阳能电池之间提供电连接并将光生电流导出模块。
另外，在构造薄膜太阳能电池期间，首先将第一导电层(如透明导电氧化物(TCO)或金属涂层)沉积到基板上，然后将光子吸收材料沉积到基板上。此外，在构造太阳能电池期间，进而将第二导电层(如TCO或金属涂层)沉积到光子吸收材料上。本文中所提及的可氧化金属组件可以为上述两种金属导电涂层中的一种或两种。
通常将金属背反射膜复合在薄膜太阳能电池中，以将光子反射回太阳能电池并从而提高发电效率。
在本文所述的太阳能电池模块中，可氧化金属组件完全或部分地与PVB包封剂接触。例如，在一些模块中，术语“部分接触”指的是可氧化组件表面积的至少约3.6×10-5％与PVB包封剂接触。该数量是相对于薄膜电池中的划片槽来计算的，然而该数量近似于与多种其他类型金属组件接触的最小表面积。相比之下，金属组件可完全接触包封剂，例如在一个太阳能电池模块中，基本上100％的银反射膜表面积与PVB包封剂接触。然而，当不加修饰地使用时，例如术语“银组件与PVB包封剂接触”指的是任何非零程度的接触。换句话说，组件的任何非零百分比的表面积可与PVB包封剂接触。
在一个模块中，可氧化金属组件包含可氧化金属或可氧化金属合金。具体地讲，金属在太阳能电池模块的正常使用条件下可以被氧化。一些优选的可氧化金属与用于太阳能电池模块中的聚合物包封剂接触时，在于85℃和85％相对湿度下被施加1,000伏特的偏置电压1000小时的条件下被氧化。合适的可氧化金属的实例包括但不限于银、铈、铜、铝、锆、钛、铋、镉、铜、铅、银、锡、铅和锌。可氧化金属还包括含有前述金属或这些金属中的两种或更多种的组合的可氧化金属合金，尤其是含有大量的这些金属的合金。具体地讲，本文所述的PVB组合物可以防止或减少与银或含银合金接触的PVB包封剂的变色现象。因此，在一个优选的模块中，可氧化金属组件包含银。
更具体地讲，已发现在太阳能电池模块中，当现有技术的PVB包封剂完全或部分地与可氧化金属组件接触时，PVB包封剂往往随时间推移而变色。从不希望受到理论束缚的角度出发，据信在高电压和高湿度条件下，金属被氧化并且其阳离子迁移到PVB中。通过将螯合剂以及任选的上述其他添加剂添加到PVB包封剂中，会减轻或防止氧化、迁移或变色现象中的一种或多种。
当本文所述的PVB包封剂用于太阳能电池模块中并与一种或多种银组件接触时，PVB包封剂随时间推移而发生的黄度指数(YI)改变得以减少或最小化。PVB包封剂的YI改变量可以通过测试在85％的相对湿度(RH)、85℃和偏压(100至1,000V)下1000小时之后的PVB样品片材来计算。作为另外一种选择，PVB包封剂的YI可使用2°观察仪并使用C光源作为光源、根据ASTM E313-05来确定。这些条件还可被描述为“2°/C”。所报道的YI为无量纲数，并且必须归一化为特定样品通路长度以进行直接比较。一般来讲，对于通路长度为1.0cm的样品，本文所述的PVB包封剂的YI保持在约60或更小、或约55或更小、或约50或更小、或40或更小、或约30或更小、或约20或更小。另外，在测试条件下或在太阳能电池模块的使用条件下，本文所述的PVB包封剂与不包含螯合剂的PVB包封剂相比，其YI的改变优选地小于500％、小于350％、小于200％、小于100％、小于50％、小于25％或小于10％。
优选的包封剂为聚(乙烯醇缩丁醛)片材，所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材包含本文所述的PVB组合物，厚度为约0.25mm至约1.2mm，并包含按聚(乙烯醇缩丁醛)片材的总重量计约15至约45重量％的增塑剂和约0.5至约2重量％的螯合剂。另外优选地，聚(乙烯醇缩丁醛)片材具有约60或更小的黄度指数，所述黄度指数为在85％的相对湿度(RH)、85℃以及1,000V的偏压下1000小时之后根据ASTM E313-05所得到的。
当可氧化金属不是银时，金属对包封剂的光学效应可能不是使其泛黄。例如，接触金属可导致膜中产生云斑，或可导致包封剂退色为黄色以外的颜色。在这些情况下，本文所述的包封剂的效应可通过诸如透明度测定、电子显微镜分析和分光法的方法来量化。例如，对于导致退色为黄色以外的颜色的金属，可使用类似于确定YI所用的方法，不同之处在于将观察不同范围的可见光波长。
如本文所用的术语“太阳能电池”包括任何可将光转换为电能的制品。可用于本发明的太阳能电池包括但不限于基于晶片的太阳能电池(如基于c-Si或mc-Si的太阳能电池)、薄膜太阳能电池(如基于a-Si、μc-Si、CdTe、CIS或CIGS的太阳能电池)、以及包含诸如吸光染料或有机半导体的材料的有机太阳能电池。
在一个优选的模块中，太阳能电池为基于晶片的太阳能电池，并且可氧化金属组件为沉积在基于晶片的太阳能电池上的导电膏或焊接在基于晶片的太阳能电池上的导线或汇流条。金属组件完全或部分地与上述PVB包封剂接触。另外，包括基于晶片的太阳能电池和可氧化金属组件的太阳能电池组合件由PVB包封剂进行包封，并且可被进一步夹在两个保护性外层之间。保护性外层也可被称作前板和后板，并且它们可由任何合适的片材或膜形成。
合适的片材包括但不限于玻璃片材、金属片材(诸如铝、钢、镀锌钢)、陶瓷板、或塑性片材(诸如聚碳酸酯、丙烯酸类、聚丙烯酸酯、环状聚烯烃(如乙烯降冰片烯聚合物)、聚苯乙烯(优选在茂金属催化剂的存在下制备的聚苯乙烯)、聚酰胺、聚酯、含氟聚合物)、或者它们中的两种或更多种的组合。
合适的膜包括但不限于金属膜如铝箔、或聚合物膜诸如包含聚酯(如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)和聚(萘二甲酸乙二醇酯))、聚碳酸酯、聚烯烃(如聚丙烯、聚乙烯和环状聚烯烃)、降冰片烯聚合物、聚苯乙烯(如间规聚苯乙烯)、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚砜(如聚醚砜、聚砜等)、尼龙、聚(氨基甲酸酯)、丙烯酸类、乙酸纤维素(如乙酸纤维素、三乙酸纤维素等)、玻璃纸、硅酮、聚(氯乙烯)(如聚(偏二氯乙烯))、含氟聚合物(如，聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物等)的那些、或者它们中的两种或更多种的组合。聚合物膜可以为非取向的，或者单轴向取向的，或者双轴向取向的。
合适的聚合物膜的一些具体实例包括但不限于聚酯膜(如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)膜)、含氟聚合物膜(如得自E.I.du Pont de Nemours andCompany(DuPont)(Wilmington，DE)的Tedlar
Figure BPA00001406989700131
、Tefzel
Figure BPA00001406989700132
以及Teflon
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膜)。另外，还可使用多层膜，诸如含氟聚合物/聚酯/含氟聚合物多层膜(如Tedlar
Figure BPA00001406989700134
膜/PET膜/Tedlar
Figure BPA00001406989700135
膜层压复合物(TPT))。
在另一个优选的模块中，太阳能电池为薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池具有沉积在基板上的分层吸光材料。基板可由如上所述用于保护性外层的玻璃或任何合适的金属或聚合物片材或膜制成。薄膜太阳能电池可以为单结或多结(包括串结)薄膜太阳能电池。由于太阳辐射光谱提供了各种能量的光子，因此开发了多结太阳能电池，其中日光连续穿过多个太阳能电池层。定制多结太阳能电池的每个单独的层，以有效地将特定波长的光子转换为电能。多结太阳能电池通常用具有不同能隙的层进行构造。具有较大能隙的层与表面邻接，其中光照穿过表面进入模块。具有较小能隙的层设置于进一步朝向模块的内部或背部。原则上，本领域中已知的任何类型的太阳能电池均可用于本发明，并且它们包括但不限于美国专利4,017,332、4,179,702、4,292,416、6,123,824、6,288,325、6,613,603和6,784,361，美国专利申请公开2006/0213548、2008/0185033、2008/0223436、2008/0251120和2008/0271675，以及PCT专利申请WO2004/084282和2007/103598中所描述的那些。
在薄膜太阳能电池模块中，可氧化金属组件可选自导线、汇流条、导电涂层、或背反射膜、或它们中的两种或更多种的组合。再次重申，金属组件完全或部分地与上述PVB包封剂接触。在一个模块中，可氧化金属组件为包含银或银合金的导电涂层。可氧化金属组件还可以为包含银或银合金的背反射膜。另外，包括沉积在基板一面上的薄膜太阳能电池材料和可氧化金属组件、并由另外一面上的PVB包封剂进行包封的模块可进一步包括被层合到PVB包封剂的保护性外层。
任何合适的方法均可用于制备本文所述的太阳能电池模块。具体地讲，可以使用本领域内已知的任何合适的层压方法(诸如高压釜法或非高压釜法)来制备太阳能电池模块。例如，在一个典型的层压方法中，太阳能电池首先被堆放于PVB包封剂(如，PVB片材形式的PVB包封剂)之间，然后置于两个保护性薄膜或片材之间，然后对该预层压组合件进行层压处理。另外，在制备薄膜太阳能电池模块时，沉积在基板上的太阳能电池首先被堆放于PVB包封剂(如，PVB片材形式的PVB包封剂)上方，然后再堆放于保护性薄膜或片材上以形成预层压组合件。
因此，本文还提供了用于制备太阳能电池模块的预层压组合件。预层压组合件包括太阳能电池组合件，所述太阳能电池组合件继而包括太阳能电池、可氧化金属组件、以及包含本文所述PVB组合物的聚(乙烯醇缩丁醛)片材。优选地，聚(乙烯醇缩丁醛)片材具有约0.25mm至约1.2mm的厚度，以及约60或更小的黄度指数，所述黄度指数是在85％的相对湿度(RH)、85℃和1,000V的偏压下1000小时之后根据ASTM E313-05所得到的。预层压组合件可进一步包括选自下列的一个或多个附加层：可与所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材相同或不同的第二聚(乙烯醇缩丁醛)片材，所述第二聚(乙烯醇缩丁醛)片材与太阳能电池组合件接触；与所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材接触的保护性外层；可与保护性外层相同或不同的第二保护性外层，所述第二保护性外层与第二聚(乙烯醇缩丁醛)片材接触；以及与太阳能电池组合件和所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材接触的基板或覆板。
在一个合适的方法中，将预层压组合件放入能够维持真空的袋子(“真空袋”)内，通过真空管或其他装置抽出袋中的空气，将袋子密封同时保持真空(例如至少约27至28英寸汞柱(689至711mm汞柱))。然后将密封袋放入高压釜中，釜中的压力为约150至约250psi(约11.3至约18.8巴)，温度为约130℃至约180℃、或约120℃至约160℃、或约135℃至约160℃、或约145℃至约155℃。保持这些条件约10至约50分钟、或约20至约45分钟、或约20至约40分钟、或约25至约35分钟。可以用真空环来代替真空袋。美国专利3,311,517描述了一种合适的真空袋。在加热和加压循环后，在不添加额外气体维持高压釜中压力的情况下使高压釜中的空气冷却。冷却约20分钟后，释放高压釜中过量气体并将层压板移出高压釜。
或者，可将预层压组合件置于烘箱中在约80℃至约120℃、或约90℃至约100℃的温度下加热约20至约40分钟，然后使加热后的组合件通过一组夹辊，通过这种方式挤出各层之间空隙内的空气、并密封组件的边缘。该阶段的预层压组合件被称作预压组合件。
然后可将预压组合件置于高压釜中，使釜中空气的温度升至约120℃至约160℃、或约135℃至约160℃，压力为约100至约300psi(约6.9至约20.7巴)或优选约200psi(13.8巴)。这些条件维持约15至约60分钟、或约20至约50分钟后，在不引入更多空气的情况下使高压釜中的空气冷却。冷却约20至约40分钟后，释放高压釜中过量气体并将层压产品移出高压釜。
还可通过非高压釜法制备太阳能电池模块。合适的非高压釜法在例如美国专利3,234,062、3,852,136、4,341,576、4,385,951、4,398,979、5,536,347、5,853,516、6,342,116和5,415,909、美国专利公布20040182493、欧洲专利EP1235683B1、以及PCT专利公布WO9101880和WO03057478中有所描述。一般来讲，非高压釜法包括加热预层压组合件和施加真空和/或压力。例如，可使组合件相继通过加热烘箱和夹辊。层压方法的这些实例并不旨在进行限制。基本上可以使用任何层压方法。
本文还提供了包括两个或更多个上述太阳能电池模块的太阳能电池阵列。
本文还提供了一种将太阳能转换为电能的方法。该方法包括以下步骤：提供包括本文所述太阳能电池模块的闭合电路、电连接(如电线)、以及电力负荷如电阻器、电容器、马达或光源(如电灯泡或LED)；并将太阳能电池模块暴露于太阳辐射下。由太阳能电池模块产生的电流在电力负荷中流通，并使电力负荷工作。
本文还提供了一种减少或防止太阳能电池模块中聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂变色的方法。太阳能电池模块包括太阳能电池组合件，所述太阳能电池组合件包括完全或部分地与本文所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂接触的可氧化金属组件。该方法包括以下步骤：提供如本文所述的太阳能电池模块，并在一组条件下运行太阳能电池模块一段时间。在本文所述的太阳能电池模块中，PVB包封剂的黄度指数在运行期结束后不发生改变。或者，在运行期结束后，其黄度指数的变化小于在第二种太阳能电池模块中在相同的一组条件下经过相同运行期后第二种聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂黄度指数的变化，所述第二种太阳能电池模块与本文所述的太阳能电池模块基本相同。
提供了以下实施例以进一步详细描述本发明。这些实施例示出了目前设想来实施本发明的优选模式，其旨在说明而不是限制本发明。
实施例
对照实施例CE1
包含按PVB组合物总重量计26.7重量％的三甘醇二-2-乙基己酸酯、0.1重量％的Tinuvin
Figure BPA00001406989700161
P苯并三唑紫外线吸收剂(Ciba)、0.003重量％的Tinuvin123受阻胺光稳定剂(HALS)(Ciba)和0.22重量％的辛基苯酚的从DuPont商购获得的Butacite
Figure BPA00001406989700163
PVB片材被层压到银镀膜玻璃片中镀银的一面。在85％RH、85℃和偏压的条件下调理1000小时之后，PVB片材的颜色从接近水白色变为深棕色。
在这一点上，需要注意“苯并三唑紫外线吸收剂”(如Tinuvin
Figure BPA00001406989700164
P)与上文所详细描述的不饱和杂环之间的区别。
对照实施例CE2至CE6以及实施例E1
在这些实施例中，通过将硝酸银和添加剂(如果有的话)溶于甲醇中，然后再将硝酸银溶液加入到PVB薄片的甲醇溶液中，而制备PVB(6.9×10-5mol，分子量大约为145,000Da，18.8重量％OH，小于1.5％的乙酸乙烯酯)、硝酸银(1.2×10-5mol)和添加剂的溶液。然后将该溶液加热至60℃并维持2至8小时，监视其颜色改变。颜色改变使用HunterLabUltrascan色度计(Hunter Labs(Reston，VA))进行测量。根据ASTME313-05计算黄度指数(YI)，所得到的值概括于以下表1中。
表1
Figure BPA00001406989700171
注：
*Ciba(Tarrytown，NY)。
**SigmaAldrich(St.Louis，MO)。
表1中的结果表明，包含螯合剂(具体地讲，为乙二胺四乙酸(EDTA))的实施例E1的黄度指数(YI)与对照实施例CE1的YI相比大为减少，所述CE1为不含添加剂的PVB/硝酸银对照溶液。此外，实施例E1的YI与对照实施例CE3至CE6相比也有所减少，所述CE3至CE6包含紫外线吸收剂、热稳定剂或受阻胺，但不含螯合剂。
虽然上文已经描述并且具体示例了本发明的某些优选实施方案，但是不旨在将本发明限于这些实施方案。可在不脱离本发明范围和精神的情况下进行多种修改，如以下权利要求书中所示。

Claims (15)

1.包括太阳能电池组合件的太阳能电池模块，所述太阳能电池组合件包括至少一个太阳能电池和可氧化金属组件，并且所述太阳能电池组合件由聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包封，其中所述可氧化金属组件与所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂接触，并且另外所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包含聚(乙烯醇缩丁醛)树脂、约15至约45重量％的增塑剂以及约0.5至约2重量％的螯合剂，所述重量百分比按所述聚(乙烯醇缩丁醛)的总重量计。
2.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂具有约60或更小的黄度指数，所述黄度指数是在85％的相对湿度(RH)、85℃和1,000V的偏压下1000小时之后根据ASTM E313-05测得的。
3.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述可氧化金属组件包含选自银、铈、铜、铝、锆、钛、铋、镉、铜、铅、银、锡、铅、锌中的一种或多种金属，以及含有银、铈、铜、铝、锆、钛、铋、镉、铜、铅、银、锡、铅和锌中的一种或多种的合金。
4.权利要求3的太阳能电池模块，其中所述可氧化金属组件包含银或银的合金。
5.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述可氧化金属组件选自导电膏、导线、汇流条、导电涂层和反射膜。
6.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包含按所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的总重量计至多约1.5重量％的一种或多种螯合剂。
7.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述螯合剂选自乙二胺四乙酸、乙二胺单乙酸、乙二胺二乙酸、乙二胺三乙酸、乙二胺、三(2-氨基乙基)胺、和二亚乙基三胺五乙酸。
8.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述螯合剂包括乙二胺四乙酸。
9.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂进一步包含一种或多种添加剂，所述添加剂选自约0.01至约1重量％的至少一种紫外线吸收剂；约0.01至约1重量％的至少一种热稳定剂；约0.01至约1重量％的至少一种不饱和杂环化合物；以及约0.01至约1重量％的至少一种受阻胺，所述重量百分比按所述聚(乙烯醇缩丁醛)的总重量计。
10.权利要求9的太阳能电池模块，其中所述紫外线吸收剂为苯并三唑衍生物；或其中所述热稳定剂包括辛基苯酚或丁基化羟基甲苯；或其中所述不饱和杂环化合物选自三唑、咪唑、吡咯、吡啶、嘌呤、吡嗪、腺嘌呤、三嗪、苯并三唑、苯并噻唑、苯并
Figure FPA00001406989600021
唑、2，2’-联吡啶、2-巯基苯并咪唑和噻唑；或其中所述受阻胺选自2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶醇、2-(二甲基氨基)吡啶、4-(二甲基氨基)吡啶、N-丁基哌啶、N，N-二乙基环己胺、以及受阻胺光稳定剂。
11.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述太阳能电池为基于晶片的太阳能电池，所述基于晶片的太阳能电池选自基于结晶硅(c-Si)和多晶硅(mc-Si)的太阳能电池；或其中所述太阳能电池为薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池选自基于非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物(CIS)、铜铟/镓二硒化物(CIGS)、吸光染料和有机半导体的薄膜太阳能电池。
12.权利要求11的太阳能电池模块，其中所述可氧化金属组件为包含银或银合金的反射膜。
13.用于制备太阳能电池模块的预层压组合件，所述预层压组合件包括：
太阳能电池组合件，所述太阳能电池组合件包括至少一个太阳能电池和可氧化金属组件；
具有约0.25mm至约1.2mm的厚度并包含聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的聚(乙烯醇缩丁醛)片材，所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包含聚(乙烯醇缩丁醛)树脂、按所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的总重量计约15至约45重量％的增塑剂和约0.5至约2重量％的螯合剂；并且任选地，其中所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材具有约60或更小的黄度指数，所述黄度指数是在85％的相对湿度(RH)、85℃和1,000V的偏压下1000小时之后根据ASTM E313-05测得的；
其中所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材与所述可氧化金属组件接触。
14.权利要求13的预层压组合件，所述预层压组合件进一步包括选自下列的一个或多个附加层：
可与所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材相同或不同的第二聚(乙烯醇缩丁醛)片材，所述第二聚(乙烯醇缩丁醛)片材与所述太阳能电池组合件接触；
与所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材接触的保护性外层；
可与所述保护性外层相同或不同的第二保护性外层，所述第二保护性外层与所述第二聚(乙烯醇缩丁醛)片材接触；以及
与所述太阳能电池组合件和所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材接触的基板或覆板。
15.减少或防止太阳能电池模块中的聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂变色的方法，所述方法包括下列步骤：
提供包含聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的聚(乙烯醇缩丁醛)片材，所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂包含聚(乙烯醇缩丁醛)树脂、按所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的总重量计约15至约45重量％的增塑剂和约0.5至约2重量％的螯合剂，并且任选地，其中所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材具有约60或更小的黄度指数，所述黄度指数是在85％的相对湿度(RH)、85℃和1,000V的偏压下1000小时之后根据ASTM E313-05测得的；
通过将太阳能电池组合件包封到所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材中而形成太阳能电池模块，所述太阳能电池组合件包括与所述聚(乙烯醇缩丁醛)片材接触的可氧化金属组件；并且在一组条件下运行所述太阳能电池模块一段时间；其中所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂的黄度指数在运行期结束后不发生改变；或者
其中在运行期结束后，所述聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂黄度指数的变化小于在第二种太阳能电池模块中在相同的一组条件下经过相同运行期后第二种聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂黄度指数的变化，
所述第二种太阳能电池模块与所述太阳能电池模块基本相同；其中所述第二种聚(乙烯醇缩丁醛)包封剂不包含螯合剂。
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