CN102544380B - 一种太阳能电池背板及其制备方法及一种太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能电池背板及其制备方法，其包括金属板层、以及涂覆在金属板层一面或两面的有机绝缘层，所述有机绝缘层含有钛白粉和聚酰亚胺，所述钛白粉为偶联剂改性的钛白粉。本发明还提供了一种含有上述太阳能电池背板的太阳能电池。采用本发明的太阳能背板价格相对便宜、且导热性好、机械强度高、使用寿命长。

Description

一种太阳能电池背板及其制备方法及一种太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池背板及其制备方法，及含有该太阳能背板的太阳能电池。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的装置。它是一种未来主要发展的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，其市场前景广阔。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

太阳能电池板通常是一个叠层结构，主要包括透明盖板、密封胶层、太阳能电池片、密封胶层和太阳能电池背板层压而成。其中，太阳能电池背板的主要作用是提高太阳能电池板的整体机械强度，另外可以防止水汽渗透到密封层中，影响电池片的使用寿命。所以太阳能电池背板必须具有绝缘(耐电击穿)、耐老化、耐气候影响和耐腐蚀等特性。

现有太阳能电池组件结构一般为：玻璃、EVA胶膜、太阳能电池、EVA胶膜和背板。所述的太阳能电池背板通过多层膜层压成型方式生产。常见的有TPT背板。

TPT是以聚氟乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚氟乙烯(即PVF/PET/PVF)三层独立的薄膜通过胶水的粘结热压成型，TPT材料的生产技术难度大，导致TPT材料的价格非常昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，现有技术中背板材料或价格昂贵、散热性差的问题。从而提供了一种价格相对便宜、散热性好的太阳能电池背板。

本发明提供了一种太阳能电池背板，其包括金属板层、以及涂覆在金属板层一面或两面的有机绝缘层，所述有机绝缘层含有钛白粉和聚酰亚胺，所述钛白粉为偶联剂改性的钛白粉。

本发明采用的有机绝缘层的主要材料是聚酰亚胺，聚酰亚胺材料由于在分子主链上含有亚芳基或杂环结构，因此具有耐高温、耐辐射和耐电压的能力，并兼有很高的强度和尺寸稳定性。聚酰亚胺分解温度在500℃左右，在-269℃的液态氦中仍不会脆裂，这些性能较普通的树脂材料，如常见的环氧树脂、聚碳酸脂、苯乙烯系树脂要明显突出，再加上金属板的高机械强度保护。因此，本发明制备得到的太阳能电池背板的寿命较长。但是聚酰亚胺在大分子主链中交替的二酐残基羰基中的吸电子作用和二胺残基的给电子作用产生的分子内和分子间的电荷转移络合物导致一般的聚酰亚胺材料成黄色或者棕色，而这些颜色在太阳光下较易吸收太阳光而产生热量，从而使太阳能背板或太阳能电池的温度升高。地面上应用的硅太阳能电池的工作温度范围可在-100℃到125℃，市面销售的太阳能电池通常是-65℃到80℃，而实际运用中一般在-40℃到80℃。其中20℃时太阳能电池的输出功率最大，温度每升高1℃，输出功率约损失0.35％～0.45％。纳米级钛白粉粒子表面能较高，与表面能较低的聚酰胺酸的亲和性较差，两者混合时不能相容，导致界面上出现空隙。因此，钛白粉在使用前需通过表面改性，降低其表面能，增强两相间的溶合。通过添加偶联剂可以很好地改善钛白粉的表面能，增强其与聚酰胺酸的相溶性。采用钛白粉这种白色颜料可以使制备得到的太阳能背板的颜色变白，进而减少太阳光的吸收，增加光反射，使得太阳能电池背板表面的温度较低，增加电池输出效率。

本发明还提供了一种上述的太阳能电池背板的制备方法，包括下述步骤：

1)将羧酸二酐、有机二胺、钛白粉、溶剂混合发生缩聚反应合成聚酰胺酸；

2)对步骤(1)聚酰胺酸除气泡；

3)将步骤2)得到的聚酰胺酸涂布在金属薄板上；

4)高温环化脱水，得到太阳能电池背板。

本发明还提供一种使用上述太阳能电池背板的太阳能电池，其包括依次层压的透明盖板、密封胶层、太阳能电池片、密封胶层和太阳能电池背板；所述太阳能电池背板层为本发明所提供的太阳能电池背板。

综上所述，采用本发明的太阳能背板价格相对便宜、且导热性好、机械强度高。

附图说明

图1是本发明三层结构的太阳能电池背板示意图；

图2是本发明五层结构的太阳能电池背板示意图；

其中，2为金属板层，1和1’为有机绝缘层，3和3’为镀层。

具体实施方式

本发明提供了一种太阳能电池背板，其包括金属板层、以及涂覆在金属板层一面或两面的有机绝缘层，所述有机绝缘层含有钛白粉和聚酰亚胺，所述钛白粉为偶联剂改性的钛白粉。

所述有机绝缘层涂覆于金属板层的一面时，金属板层与涂覆有机绝缘层的一面的相对面上设有防腐层，所述防腐层为镀层、涂料层、阳极氧化层中的一种。因为该防腐层可防止组成太阳能电池后，该裸露在空气中这层可以防止空气中的水气等对其的腐蚀。

偶联剂可选用硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂，如硅烷偶联剂双一(γ一三乙氧基硅基丙基)-四硫化物[CA1，(C3H5O)5SiC3H6S4C3H6Si(OC3H5)3]、3一环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷[CAS，CH3OCHCH2OC3H6Si(OCHO3]、Y-甲基丙烯酞氧基丙基三甲氧基硅烷[KH570，CH2C(CH2)C(O)OC3H6Si(OCH3)3]、钛酸酯偶联剂NDZ101[CA6，(CH3)2CHOTi(OCOOR)2OP(O)(OR′)2]和异丙基三-(焦磷酸酯二辛酯)钛酸酯[CA7，(CH3)2CHOTi(OP(O)(OH)OP(O)(OC8H17)2)3]。改性过程为将钛白粉溶于无水乙醇中，在室温下超声分散20-60分钟，加入偶联剂并搅拌1-2小时后在50-80摄氏度下干燥，直到溶剂挥发、蒸发完，得到偶联剂包覆的钛白粉。偶联剂的量约为钛白粉量的1％-3％质量百分比。

如图1所示，其中，2为金属板层，1和1’为有机绝缘层，金属板层两面的有机绝缘层的厚度可以不同，例如图1中的1比1’厚，优选地，裸露在空气中的那一层较薄，密封在电池里面的那一层有机绝缘层较厚。因为密封在电池里面的绝缘层需起电气隔离、防止湿气和水气渗入的作用。而裸露在空气中的绝缘层仅起保护金属板不被腐蚀的作用。

其中，本发明采用金属板层作为基层；采用金属板的太阳能电池背板，其具有机械强度高、水汽透过率低、散热性好等优点。

本发明的金属板层优选为不锈钢板、铁板、铜板和铝合金板中的一种。

金属板层的厚度优选为0.1～2mm，更优选为0.5～1mm。

本发明的有机绝缘层为以聚酰亚胺为主体树脂的有机高分子树脂，其与太阳能的密封胶层具有良好的结合力，同时又能隔绝空气与金属背板的接触，起到阻止金属氧化的作用，还可以增强电池片组合与金属背板之间的绝缘性能。

本发明中有机绝缘层的厚度优选为20～100μm。

有机绝缘层中，以有机绝缘层为基准，所述钛白粉为4wt％-10wt％，所述聚酰亚胺为90wt％-96wt％。

优选地，所述有机绝缘层还含有导热填料。所述导热填料优选为偶联剂改性的导热填料，偶联剂改性的导热填料可以增加导热填料和聚酰亚胺、钛白粉之间的相容性。

所述的导热填料可以选择本领域的技术人员常见的各种导热填料，优选地，所述导热填料为金刚石、立方体氮化硅、氮化硼、氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁、碳化硅中的至少一种。

优选地，本发明还包括镀附在金属板层两面的镀层。如图2所示，其中，2为金属板层，1和1’为有机绝缘层，3和3’为镀层。

镀层优选为镀锌层、镀镉层、镀镍层中的一种。

其中，镀层可以仅在金属板层裸露在空气中的那一面，也可以是两面。本发明优选为金属板层两面均镀附有镀层。

本发明的镀层厚度优选为0.01～50μm。

在恶劣的环境中，即使少量水汽透过有机绝缘层，镀层也可以防止金属板层被腐蚀。镀层与有机绝缘层一起起到双重保护的作用。

现在，市面上的TPT材料一平米的售价约为95元，而本发明的一平米的太阳能电池背板成本价为：金属板26元，有机绝缘层原料20元，制作成本费12元，总计大约为58元。

从上可以看出，本发明的太阳能电池背板的价格相对TPT材料降低38.95％。

本发明提供了一种上述的太阳能电池背板的制备方法，包括下述步骤：

1)将羧酸二酐、有机二胺、钛白粉、溶剂混合发生缩聚反应合成聚酰胺酸；

2)对步骤(1)聚酰胺酸除气泡；

3)将步骤2)得到的聚酰胺酸涂布在金属薄板上；

4)高温环化脱水，得到太阳能电池背板。

所述聚酰胺酸溶液的制备方法为本领域技术人员公知方法，在溶剂的存在下，将羧酸二酐、有机二胺、钛白粉在15-20℃下接触3-24小时；其中羧酸二酐与有机二胺的摩尔比为1∶(0.95～1)更优选1∶1，且所述溶剂的用量使聚酰胺酸溶液的浓度为5-40重量％、更优选10-30重量％。所述聚酰胺酸溶液的浓度为根据羧酸二酐、有机二胺的加入量计算出所得聚酰胺酸溶液中聚酰胺酸的理论量，再除以聚酰胺酸溶液的总重量得到的百分重量浓度。

作为特别优选的聚合方法是先把有机二胺溶于溶剂中，再将步骤1中偶联剂改性的纳米钛白粉通过超声分散于其中，然后将等摩尔的羧酸二酐根据酸酐反应活性的大小分3～6次加入，聚合反应温度为10℃～50℃，聚合反应时间为3～24小时，所得聚酰胺酸溶液中的聚酰胺酸优选为5～40WT％，更优选为15～25WT％。纳米钛白粉的加入量为4％-10％质量百分比。

在上述方法中，所述羧酸二酐、有机二胺可以采用本领域技术人员已知的各种可以用于制备聚酰胺酸的羧酸二酐、有机二胺。本发明所用的二酐优选为以下化合物中的一种或多种共混：均苯四酸二酐(PMDA)、3，3’，4，4’-联苯四羧酸二酐(BPDA)、4，4’-氧双邻苯二甲酸酐、3，3’，4，4’-二苯甲酮四酸二酐(BTDA)、二苯醚四酸二酐(ODPA)、双酚A二酐、3，3’，4，4’-二苯基砜四羧酸二酐。所用的有机二胺可以为以下化合物中的一种或多种共混：3、4-二氨基二苯醚(3、4-ODA)、4、4’-二氨基二苯醚(4、4-ODA)、1，5-二胺基萘、4，4′-羟基二苯胺、对苯二胺(PDA)、间苯二胺、3，3’-二氨基二苯基亚砜、4，4’-二氨基二苯基亚砜。所用溶剂为非质子极性溶剂，如N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙二醇二甲基醚或二甲基亚砜，这些溶剂可以单独使用或以混合物形式使用。

优选地，所述步骤1)中制备聚酰胺酸时，在二酐、二胺的混合物中还添加有导热填料，以进一步降低电池的作业温度。

步骤2)中的聚酰胺酸除气泡的除气泡方法可以采用本领域的技术人员公知的除泡方法，如真空除泡，具体为将聚酰胺酸置于可以抽真空的容器中进行除气泡，除气泡时容器真空度为-0.1到-1个大气压，除气泡时间与溶液的多少有关，一般为1-10小时，若溶液太多可分批进行除气泡，效果更佳。以肉眼观察溶液中无扩散的小气泡为标准。

所述步骤3)中的涂布方式为本领域的技术人员公知的涂布方式，例如，流延涂布、挤压涂布、线棒涂布、刮刀涂布中的一种。其中优选流延涂布和刮刀涂布方式。涂布厚度优选为保证干膜厚度为0.025-0.1mm。

高温环化脱水的方法为本领域的技术人员公知，即高温干燥；高温干燥可引发高温环化脱水反应，同时，除去溶剂。干燥的温度为60-200℃、优选为80-180℃，干燥的时间为5-60分钟。如果不经阶梯升温直接进行高温干燥引发脱水反应同时除溶剂，较易产生气泡，因此，优选地，先阶梯升温，可在较短时间内达到快速除溶剂的目的，温度一般可分80℃、100℃、120℃、150℃、180℃，每个温度下停留几分钟或十几分钟。除去溶剂后再进行高温环化脱水，具体地，可以为150℃，20～60分钟；200℃，20～60分钟；250℃，20～60分钟；300℃，20～60分钟；350℃，20～60分钟。

本发明还提供了一种太阳能电池，其包括依次层压的透明盖板、密封胶层、太阳能电池片、密封胶层和太阳能电池背板；所述太阳能电池背板为本发明所提供的太阳能电池背板。

其中，透明盖板为本领域技术人员所公知的，一般为低铁钢化绒面玻璃又称为白玻璃。

密封胶层亦为本领技术人员所公知的，一般为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。其他均为本领域技术人员所公知的，在此不作赘述。

所述太阳能电池的制备方法为本领域的技术人员公知的各种方法，本发明提供一种太阳能电池的制备方法为，由上到下依次为：玻璃、密封胶层(EVA胶膜)、太阳能电池、密封胶层(EVA胶膜)、本发明所提供的太阳能电池背板；将上述材料依次叠合在一起，放入真空压机内。采用真空层压法将层压机下腔室抽真空，加压加热，将上述材料热压到一起，成型后取出。优选地，采用本发明提供的太阳能电池背板制做太阳能电池组件时可先将聚酰亚胺面进行电晕处理，增加背板与EVA胶膜的结合力。层压时可采用常规的工艺参数：加热温度为135℃。层压时抽真空5min，真空度80Pa，再充0.8个大气压，保温15-25分钟。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

取双面镀有锌层的镀锌铝合金板，其中镀层厚1μm，铝合金板厚0.3mm。

制备偶联剂改性的钛白粉：将2.82克纳米级钛白粉溶于无水乙醇中，室温下超声分散30分钟，加入0.0564克商购型号为KH-570的硅烷偶联剂磁力搅拌2小时。将搅拌好的溶液在真空干燥箱中以50摄氏度的条件干燥直到溶剂挥发完后得到改性的钠米钛白粉粒子。

制备太阳能电池背板：5.368克4，4’——二氨基二苯醚(ODA)和11.596克对苯二胺(PDA)加入装有300ml二甲基乙酰胺溶剂的三口烧瓶中，在20℃条件下溶解半小时后，将上述偶联剂改性的钛白粉粒子加入其中，再超声分散半小时，然后分4次加入3，3’，4，4’-联苯四羧酸二酐(BPDA)39.436克，首次加入80％的BPDA，后来每次分别加入余量的一半，加料间隔为30分钟，加料完成后再反应2小时，得到粘度为40000CP的聚酰胺酸溶液。

将上述粘度为40000CP的聚酰胺酸溶液置于可以抽真空的容器中进行除气泡，除气泡时容器真空度为-0.2个大气压，除气泡的时间2小时。

用刮刀将所得除气泡后的聚酰胺酸溶液涂敷在厚度为0.3mm的铝合金板上，并在80℃、100℃、150℃和180℃下各干燥8分钟，以除去溶剂。将上述覆合板放入烘箱中进行高温烘烤环化脱水，具体温度为：150℃，40分钟；200℃，40分钟；250℃，30分钟；300℃，20分钟；350℃，20分钟。降温到50℃后取出，得到厚度为25μm的有机绝缘层，将0.3mm的铝合金板的背面上再重复上述涂敷聚酰胺酸溶液、除溶剂和高温环化的步骤，0.3mm的铝合金板的背面得到厚度为10μm的有机绝缘层，即得到本发明提供的太阳能电池背板。

将本发明所提供的太阳能电池背板的聚酰亚胺面进行电晕处理，电晕电压为3KV，电晕速度为8m/min。将商购的太阳能玻璃、EVA胶膜、太阳能电池阵列、EVA胶膜和电晕后的太阳能电池背板依次叠好放入真空压机内。采用真空层压法将层压机下腔室抽真空，加压加热，将上述材料热压到一起，加热温度为135℃，层压时抽真空5min，真空度80Pa，再充0.8个大气压，保温15分钟。即得到本发明提供的太阳能电池组件。

制成太阳能电池背板，记作A1。

实施例2

与实施例1的区别在于，实施例1中的0.3mm的铝合金板替换为两面镀锌的不锈钢板，其中镀层厚15μm，不锈钢板厚0.5mm，且镀锌不锈钢板的一面有聚酰亚胺层，另一面没有聚酰亚胺层。

制成太阳能电池背板，记作A2。

实施例3

与实施例1的区别在于，实施例1中的添加钛白粉的同时还添加5.64g的导热填料氧化铝。

制成太阳能电池背板，记作A3。

实施例4

与实施例1的区别在于，实施例1中的钛白粉量变更为5.64g。

制成太阳能电池背板，记作A4。

实施例5

与实施例1的区别在于，实施例1中的二酐、二胺变为PMDA、ODA。

制成太阳能电池背板，记作A5。

对比例1

商购台虹科技股份有限公司型号为BTNT，结构为PVF2111/PET/PVF2111，总厚为350μm的背板。

制成太阳能电池背板，记作AC1。

性能测试：

绝缘性测试：根据IEC 61215标准测试本发明提供的太阳能电池组件的绝缘耐压性能，能够耐受3000V的高压，而不被击穿，且漏电流小于50μA视为合格。

水汽透过率测试：按ASTM F-1249进行，CaCl2吸湿法。测试参数：温度38℃，湿度：90％，时间24h。

热传导系数测试：按GB 10295-88进行，测试时两端温度为60℃和0℃。测试仪器为湘潭市仪器仪表有限公司的DRL-II型导热系数测试仪。

散热性测试：先将不同背板材质的太阳能电池做成300×300mm规格的电池模组，将电池两极短路，在室外日光下照射2小时，用红外测温仪对电池五点测定温度，取平均值，对比不同材质背板电池的温度。

结果见表1。

表1

从表1可以看出，本发明的绝缘性完全符合标准要求。而且水汽透过率较低，表明其隔水性优良，从而更好的保护太阳能电池片以及延长太阳能电池的使用寿命。从表1还可以看出，经过散热性测试之后，实施例的温度明显低于对比例，这说明本发明所提供的太阳能电池背板能够有效将热量散发出去，从而使太阳能电池的温度保持在较低状态，使太阳能电池的效率提高以及减少部件的高温侵害，延长部件使用寿命。

以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种太阳能电池背板，其特征在于，其包括金属板层、以及涂覆在金属板层一面或两面的有机绝缘层，所述有机绝缘层含有钛白粉、聚酰亚胺和导热填料，所述钛白粉为偶联剂改性的钛白粉，所述导热填料为偶联剂改性的金刚石、立方体氮化硅、氮化硼、氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁和碳化硅中的至少一种，其中，有机绝缘层中，以钛白粉和聚酰亚胺的总重量为基准，所述钛白粉为4wt％-10wt％，所述聚酰亚胺为90wt％-96wt％。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池背板，其特征在于：所述有机绝缘层涂覆于金属板层的一面，金属板层与涂覆有机绝缘层的一面的相对面上设有防腐层，所述防腐层为镀层、涂料层、阳极氧化层中的一种。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池背板，其特征在于：所述金属板层为不锈钢板、铁板、铜板、铝合金板中的一种。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池背板，其特征在于：所述金属板层的厚度为0.1-2mm。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池背板，其特征在于：所述有机绝缘层的厚度为20-100μm。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池背板，其特征在于：还包括镀附在金属板层两面的镀层，所述镀层为镀锌层、镀镍层、镀镉层中一种。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池背板，其特征在于：所述镀层的厚度为0.01-50μm。

8.一种权利要求1所述的太阳能电池背板的制备方法，包括下述步骤：

1)将羧酸二酐、有机二胺、钛白粉、溶剂混合发生缩聚反应合成聚酰胺酸；

2)对步骤(1)聚酰胺酸除气泡；

3)将步骤2)得到的聚酰胺酸涂布在金属薄板上；

4)高温环化脱水，得到太阳能电池背板。

9.根据权利要求8所述的太阳能电池背板的制备方法，所述步骤3)中的涂布方式为流延涂布、挤压涂布、线棒涂布、刮刀涂布中的一种。

10.根据权利要求8所述的太阳能电池背板的制备方法，所述步骤1)中制备聚酰胺酸时，在二酐、二胺的混合物中还添加有导热填料。

11.一种太阳能电池，其包括依次层叠热压的透明盖板、密封胶层、太阳能电池片、密封胶层和太阳能电池背板；所述太阳能电池背板层为权利要求1-7任意一项所述的太阳能电池背板。

12.根据权利要求11所述的太阳能电池，所述太阳能电池背板为经过电晕处理的太阳能电池背板。