CN104347742A - 用于太阳能电池的封装材料及应用其的太阳能电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于太阳能电池的一种封装材料以及使用该封装材料的太阳能电池组件。所述封装材料包括封装材料层(2)以及无纺布层(1)，其中所述无纺布层(1)具有5-100gsm的克重以及710-11000L/m2/s的透气量。本发明的封装材料能够有效避免传统封装材料上溢至电池表面的问题，从而避免了许多不希望的结果。此外，本发明的太阳能电池组件具有一系列优点，例如安全性更高、操作性更好、成本更低，等等。经过老化测试，相比现有方案，该封装材料呈现出更好的粘接力。并且，在经过老化后，太阳能电池组件的功率衰减水平可与现有方案的功率衰减水平相若。

Description

用于太阳能电池的封装材料及应用其的太阳能电池组件
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能电池的封装材料，更具体地，涉及一种无上溢问题的封装材料及使用这种封装材料的太阳能电池组件。
背景技术
太阳能是一种取之不尽的和高效的清洁能源。太阳能电池直接地和有效率地利用太阳能，其能否得到广泛的应用取决于其每瓦发电成本与常规电力相比是否具有竞争力。为了降低每瓦发电成本，一种方法是通过技术革新来提高太阳能电池的发电效率，而另一种方法则是降低成本，包括原料成本、制造成本等。随着太阳能电池的长期发展，太阳能电池的制造技术已日趋成熟，因而在不增加额外成本且能够满足量产要求的前提下，太阳能电池技术短时间内很难再取得发电效率上的突破。因此，降低成本与提高效率具有同等重要的意义。
在封装太阳能电池时，通常需要前侧封装材料和背侧封装材料。因为其不接触电池部件的迎光面，所以背侧封装材料不存在阻挡阳光的问题，并且对其材料的透光率没有特别要求。近年来，有很多厂家使用高反射材料，例如白色EVA作为背面封装材料，其能反射阳光以使电池重新吸收反射的阳光，从而进一步提高输出功率。已经有很多实验证明，无论是何种电池类型(单晶或多晶)，高反射的背侧白色封装材料均可以很好地反射阳光用于电池的重新吸收，并大幅提高电池的输出功率，尤其对双层玻璃封装的太阳能电池组件而言更是如此。但是，在进行层压期间，白色封装材料很容易发生上溢，其可能盖住部分焊带，甚至可能盖住电池，从而给太阳能电池组件的外观、输出功率以及效率都造成不利影响。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术中的上述问题，提出一种低成本的封装材料，在解决上溢问题的同时不影响太阳能电池组件的性能。
为解决上溢问题，目前已提出很多方法。一种方法是使用双层封装材料，也就是在电池和背侧白色封装材料之间加一层透明封装材料。由于透明封装材料本身会吸收阳光，所以因白色封装材料的反射性带来的性能提升将受到影响。此外，这种双层封装材料需要借助特殊的共挤设备，且无法通过简单地改造常规的挤出设备来进行生产。而且，透明封装材料的成本也相对昂贵。还有一种解决方法是利用流动性较低的封装材料来降低其在层压过程中的流动性，从而避免上溢问题。然而，低流动性的封装材料在常规工艺生产过程中会伴随有例如熔体压力过高、产线速度低等严重影响生产效率的问题。为了降低熔体压力提高速度，需要提高温度，但在较高温度下进行挤出工艺易于产生凝胶并导致其他不良现象，甚至可能损坏挤出设备。因此，很难控制这一工艺，且几乎不可能在实际生产中实施这种方法。
根据本发明的一个方面，提供一种用于太阳能电池的封装材料，其包括封装材料层以及无纺布层，其中所述无纺布层具有5-100gsm(gsm为每平方米克数)的克重以及710-11000L/m2/s的透气量。在某些实施方式中，无纺布层的克重选自下列数值：10-70gsm、5gsm、15gsm、20gsm、30gsm、100gsm。在某些实施方式中，无纺布层的透气量选自下列数值：1000-6500L/m2/s、710L/m2/s、2914L/m2/s、以及11000L/m2/s。举例来说，在一种实施方式中，无纺布层可具有5gsm的克重以及11000L/m2/s的透气量。在另一种实施方式中，无纺布层可具有100gsm的克重以及710L/m2/s的透气量。在又一种实施方式中，无纺布层可具有30gsm的克重以及2914L/m2/s的透气量。通过使用具有合适克重和透气量的无纺布层，能够有效防止由封装材料层造成的上溢问题。无纺布材料的克重和透气量是实施本公开的重要因素。一方面，克重越大，无纺布材料越厚，防上溢效果越好，但相关成本越高；另一方面，无纺布层的透气量大小可影响封装材料层在无纺布层的扩散，并且可能直接影响封装材料的粘接力。
具体地，取决于所施加的压力和无纺布材料的透气量的大小，所述无纺布层可位于封装材料层上，或者部分进入或完全进入所述封装材料层。这样，可根据需要控制无纺布材料与封装材料层之间的结合程度，同时，该封装材料具有合适的粘接力，且太阳能电池组件具有可接受的外观和性能。
在一些实施例中，所述无纺布层由纤维材料或切片类材料制成。
在一些实施例中，所述纤维材料包括天然纤维、再生纤维、合成纤维或者无机纤维。
在一些实施例中，所述天然纤维可包括棉纤维、亚麻纤维、羊毛或蚕丝。所述再生纤维可包括竹纤维、大豆纤维、天丝纤维、莫代尔纤维或聚乳酸纤维。所述合成纤维可包括聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、双组分纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维、人造丝纤维、聚氨酯纤维、或两种及两种以上前述聚合物纤维的混合物。所述无机纤维可包括陶瓷纤维、硼纤维、金属纤维或碳纤维。
在一些实施例中，所述切片类材料可包括聚乙烯、聚丙烯、聚酯或尼龙。
在本发明中，所述无纺布层的短纤维具有10-100mm的长度以及0.5-100D(丹尼尔)的纤维细度。在某些实施例中，所述无纺布层的短纤维的长度选自下列数值：10-90mm以及38-76mm。在某些实施例中，所述无纺布层的短纤维的纤维细度选自下列数值：0.5-50D、1-20D、以及1.5-15D。以上记载的短纤维长度的任意数值能够与以上记载的短纤维的纤维细度的任意数值相组合。纤维细度越小，纤维密度越高，这意味着透气量越低。
在一些实施例中，所述无纺布层的短纤维具有圆形或不规则形状截面。
根据一个实施例，所述封装材料层由乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)制成。应当注意，在由聚乙烯(PE)和EVA制成的聚烯烃(PO)共聚物得到迅速推广的情况下，本发明同样适用于由PO制成的封装材料层。此外，本领域技术人员将能理解，该封装材料层也可以包括几种聚合物类型的混合物，只要该封装材料层的材料具有适合的复数粘度。在某些实施例中，在剪切频率为0.0158Hz、温度为120℃的条件下，该封装材料层具有处于80Pa.s～154000Pa.s之间的复数粘度。或者，在某些实施例中，在剪切频率为39.8Hz、温度为120℃的条件下，该封装材料层具有处于54Pa.s～1117Pa.s之间的复数粘度。
在本公开中，经常将封装材料层称为反射性封装材料层。在这方面，“反射封装材料”不仅包括高反射率封装材料，也包括可能具有上溢到太阳能电池的顶部并阻挡太阳光的风险的低透射率封装材料。在某些实施方式中，封装材料层的透射率低于80％，并且本公开的封装材料层可为白色、半透明或彩色。
根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能电池组件，其包括多个电池以及通过上述封装材料而附接到所述电池的背侧玻璃，其中所述封装材料用作背侧封装材料，且所述无纺布层设置成朝向所述电池。以这种方式，所述太阳能电池可被配置成一种叠层结构，该结构包括前侧玻璃、前侧封装材料、电池、背侧封装材料/背侧玻璃。或者，也可以将太阳能电池组件配置成仅具有单侧玻璃。即根据本发明，仅为其提供附接到电池的前侧玻璃，且背侧玻璃被背板替代。
与现有技术相比，通过采用由上述无纺布材料和封装材料层形成的封装材料，本发明能够有效避免封装材料层中的封装材料上溢至电池表面的问题。该上溢可能造成一些不希望的后果，例如遮挡阳光、降低电池的发电效率，以及影响组件的外观。此外，与现有方案相比，本发明的太阳能电池组件具有一系列优点，如可靠性更高、更安全、操作性更好，且产生的成本更低。发明人发现，在进行老化之后，本发明的封装材料可呈现出比现有方案的粘接力更好的粘接力。并且，在进行老化之后，根据本发明的太阳能电池组件的功率衰减水平与现有方案的电池组件的功率衰减水平相若。
附图说明
通过以下详细说明(结合附图)，可以更清楚地理解本发明的其他优点和新颖性质，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的优选实施方式之一的封装材料；以及
图2示意性地示出了根据本发明的优选实施方式之一的太阳能电池组件。
具体实施方式
如图1所示，在一个实施例中，根据本发明的用于太阳能电池的封装材料由封装材料层2和附着于其上的无纺布层1构成。
将无纺布层附着于封装材料层的工艺
能够通过本领域中已知的任何适合方式，例如热压、挤出等等，将所述无纺布层1附着在封装材料层2上。例如，可以将无纺布层直接铺设在封装材料层上，或者在一定温度下可以通过将封装材料熔融并挤出到无纺布层上的方式将封装材料层流延到无纺布层上。在此之后，可进行压合工艺使封装材料层与无纺布层牢固地贴合在一起。在某些实施例中，可在无纺布层和封装材料层之间涂布额外的粘接剂来提高其间的粘合力。此外，在某些实施例中，如果希望获得无纺布层与电池之间的最佳粘接效果，还可以在无纺布层面向电池的表面上涂布或共挤一层额外的封装材料。
在压合工艺后，在某些实施例中，无纺布层1可位于封装材料层2上，或者部分进入或完全进入所述封装材料层2，从而能够避免封装材料上溢，且保证即使在老化后也能保持封装材料的适当粘接力。
无纺布层的材料
为取得上述效果，在某些实施例中，无纺布层1的材料具有处于5-100gsm范围内的克重是有利的。此外，在某些实施例中，无纺布层1的材料的透气量范围为710-11000L/m2/s。上述数值在压差为200Pa，测试面积为20cm2的测试条件下测得，测试标准为EDANA1401。
在一些实施例中，无纺布层1是通过干法成网工艺、纺丝成网工艺或湿法成网工艺所制成的成品或半成品。例如，干法成网工艺可包括梳理成网、气流成网以及热熔粘合或热轧工艺。
另外，在某些实施例中，无纺布层1可由纤维材料制成，该纤维材料包括天然纤维、再生纤维、合成纤维或者无机纤维。天然纤维的例子包括棉纤维、亚麻纤维、羊毛、蚕丝，等等。再生纤维的例子包括竹纤维、大豆纤维、天丝纤维、莫代尔纤维、聚乳酸纤维，等等。合成纤维的例子包括聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、双组分纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维、人造丝纤维、聚氨酯纤维、或两种或两种以上前述聚合物纤维的混合物，等等。无机纤维的例子包括陶瓷纤维、硼纤维、金属纤维、碳纤维，等等。或者，无纺布层1也可以由切片类材料制成，该切片类材料包括例如聚乙烯、聚丙烯、聚酯、尼龙等材料。
在一种实施方式中，所用无纺布层1的短纤维具有10-100mm的长度，0.5-100D的纤维细度，并且其截面被配置成圆形或不规则形状。
封装材料层的材料
如果封装材料层的材料具有低流动性，则所获得的封装材料可具有更好的防上溢性能。然而，在本发明中，该反射性的封装材料层不必具有低流动性。实际上，给定具有适当克重和适当透气量的合适无纺布层1，可以用许多封装材料，如在剪切频率为0.0158Hz，且温度为120℃的条件下时具有80Pa.s～154000Pa.s之间的复数粘度，以及在剪切频率为39.8Hz，且温度为120℃的条件下时具有54Pa.s～1117Pa.s之间的复数粘度的反射性封装材料，来实现相对满意的结果。可通过美国TA Instruments公司的型号为ARES-G2的转矩流变仪来测得封装材料层的复数粘度数据。复数粘度越高，出现上溢问题的可能性越低。
太阳能电池组件
图2示出了根据本发明的一个实施例的太阳能电池组件。作为一个例子，该太阳能电池组件包括前侧玻璃3、前侧封装材料4、多个电池5、由无纺布层1和封装材料层2构成的背侧封装材料、以及背侧玻璃或背板6。通过一系列测试，发明人已发现，使用包括无纺布层的该背侧封装材料，在老化后，太阳能电池组件的该背侧封装材料可呈现比现有方案的粘接力甚至更好的粘接力，此外，太阳能电池组件的功率衰减水平与现有方案的电池组件的功率衰减水平几乎相同。
实施例
以下实施例进一步阐述了本发明的目的和优点，但是，不应将这些实例中所记载的具体材料和其数量以及其他条件和细节解释为对本发明的限制。
封装材料的粘接力测试
测试样本的材料
测试样本的制备方法
从上到下将背板、白色EVA、无纺布层、玻璃(玻璃压花面面向无纺布层)放入层压机层压，层压条件选择为：温度大约145℃，抽真空5分钟，固化13分钟，从而形成叠层样本，叠层样本降温后备用。
对比样本的制备没有使用无纺布层，即其只包括背板、白色EVA和玻璃。
测试方法
压力蒸煮测试(PCT)
采用PCT测试来测试样本的经过老化后的粘接力。该测试使用东莞市泓进检测仪器有限公司生产的“PCT高压加速老化测试机”来进行。每次测试的温度设定为大约120℃，压力为大约1标准大气压+0.09～0.11Mpa。在PCT测试之后，根据美国材料与测试协会标准ASTM D903-98“胶粘剂剥离或脱落强度的标准测试方法”，以对玻璃的180度剥离力测试粘接力。
如下列表1-1至表1-3所示，在经过PCT老化测试后，本发明的封装材料的粘接力大于目前市场上的封装材料的粘接力。
表1-1：PCT96小时后无纺布层A(涤纶无纺布，克重5gsm，透气量11000L/m2/s)+EVA对于玻璃的粘接力(N/mm)
对比样本 无纺布层A+EVA
测试值1 0.199 0.896
测试值2 0.372 0.769
测试值3 0.286 0.881
平均值 0.285666667 0.849
表1-2：PCT96小时后无纺布层B(涤纶无纺布，克重100gsm，透气量710L/m2/s)+EVA对于玻璃的粘接力(N/mm)
对比样本 无纺布层B+EVA
测试值1 0.199 1.146
测试值2 0.372 1.292
测试值3 0.286 1.204
平均值 0.285666667 1.214
表1-3：PCT96小时后无纺布层C(涤纶无纺布，克重30gsm，透气量2914L/m2/s)+EVA对于玻璃的粘接力(N/mm)
对比样本 无纺布层+EVA
测试值1 0.199 1.294
测试值2 0.372 1.308
测试值3 0.286 1.247
平均值 0.285666667 1.283
太阳能电池组件输出功率测试
测试样本的材料
测试样本的制备方法
将四片电池串联焊接，且从上到下将前侧玻璃、前侧EVA、焊接好的电池片、无纺布层、背侧EVA以及背侧玻璃放入层压机层压，层压条件选择为：温度大约145℃，抽真空5分钟，固化13分钟，从而形成叠层样本，叠层样本降温后备用。
通过以透明的EVA层来代替无纺布层而制备对比样本，以防止封装材料上溢，即该对比样本仅包括前侧玻璃、前侧EVA、电池、背侧透明EVA、背侧白色EVA以及背侧玻璃。
测试方法
湿热(DH)测试
在DH老化测试中，老化条件根据IEC6164610.13设定。功率测试仪器为Spire太阳光模拟器，型号为SPI-SUN SIMULATOR4600SLP。测试数据列于下表2中。
表2：DH老化测试(电池A)
热循环(TC)测试
在TC老化测试中，老化条件根据IEC6164610.11设定。功率测试仪器为Spire太阳光模拟器，型号为SPI-SUN SIMULATOR4600SLP。测试数据列于下表3中。
表3：TC老化测试(电池B)
湿冻(HF)测试
在HF老化测试中，老化条件根据IEC6164610.12设定。功率测试仪器为Spire太阳光模拟器，型号为SPI-SUN SIMULATOR4600SLP。测试数据列于下表4中。
表4：HF老化测试(电池B)
经过上述测试，已经证实，本发明的太阳能电池组件在老化后的输出功率与传统太阳能电池组件的输出功率几乎相同。
功率和上溢效果的测试
测试样本的材料
测试样本的制备方法
将四片电池串联焊接，从上到下将前侧玻璃、前侧EVA、焊接好的电池片、无纺布层、背侧EVA以及背侧玻璃放入层压机层压，层压条件选择为：温度大约145℃，抽真空5分钟，固化13分钟，从而形成叠层样本，叠层样本降温后备用。
对比样本的制备没有使用无纺布层，即其只包括前侧玻璃、前侧EVA、电池、背侧白色EVA和背侧玻璃。
测试方法
功率测试仪器为Spire太阳光模拟器，型号为SPI-SUNSIMULATOR4600SLP。测试数据列于下表5中。
表5：功率和上溢效果测试
Pmax(W) 外观
无纺布层G(15gsm)+EVA 10.375 没有上溢
对比样本 10.279 有上溢
测试证明，使用本发明的封装材料，能够有效避免上溢问题，并且使用本发明的封装材料的太阳能电池组件的实际功率大于通过传统方案制得的太阳能电池组件的功率。
通过上述测试可以看出，相比于常规EVA封装材料，采用以无纺布层和白色EVA层制得的封装材料能够获得基本相同的初始最大输出功率和功率衰减。此外，试验已经证明，尽管在层压过程中上述没有无纺布层的白色和透明EVA易于产生令人生厌的上溢问题，上述PP或PET无纺布层与白色EVA的组合在层压过程中以及层压之后无一产生这种上溢现象。因此，根据本发明的封装材料可广泛用于现有市场上的太阳能电池，并能在避免上溢问题的同时，不降低太阳能电池的效率。根据本发明的封装材料能够以相对较低的成本制造，因而具有很高的性价比
将会懂得，对本领域技术人员而言，显然存在对于上述实施例的许多变更和变例。这些变更和变例落在以下权利要求的范围内。

Claims (24)

1.用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，其包括封装材料层(2)以及无纺布层(1)，其中所述无纺布层(1)具有5-100gsm的克重以及710-11000L/m2/s的透气量。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)具有10-70gsm的克重以及1000-6500L/m2/s的透气量。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)具有5gsm的克重以及11000L/m2/s的透气量。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)具有100gsm的克重以及710L/m2/s的透气量。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)具有30gsm的克重以及2914L/m2/s的透气量。
6.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)位于所述封装材料层(2)上，或者部分进入或完全进入所述封装材料层(2)。
7.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)由纤维材料或切片类材料制成。
8.根据权利要求7所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述纤维材料包括天然纤维、再生纤维、合成纤维或者无机纤维。
9.根据权利要求8所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述天然纤维包括棉纤维、亚麻纤维、羊毛或蚕丝。
10.根据权利要求8所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述再生纤维包括竹纤维、大豆纤维、天丝纤维、莫代尔纤维或聚乳酸纤维。
11.根据权利要求8所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述合成纤维包括聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、双组分纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维、人造丝纤维、聚氨酯纤维、或两种或两种以上前述聚合物纤维的混合物。
12.根据权利要求8所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无机纤维包括陶瓷纤维、硼纤维、金属纤维或碳纤维。
13.根据权利要求7所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述切片类材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚酯或尼龙。
14.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)的短纤维具有10-100mm的长度以及0.5-100D的纤维细度。
15.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)的短纤维具有38-76mm的长度以及1.5-15D的纤维细度。
16.根据权利要求11所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述无纺布层(1)的短纤维具有圆形或不规则形状的截面。
17.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述封装材料层(2)包括乙烯醋酸乙烯酯共聚物、聚烯烃共聚物或者几种聚合物类型的混合物。
18.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述封装材料层(2)在剪切频率为0.0158Hz，且温度为120℃的条件下具有80Pa.s～154000Pa.s之间的复数粘度。
19.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述封装材料层(2)在剪切频率为39.8Hz，且温度为120℃的条件下具有54Pa.s～1117Pa.s之间的复数粘度。
20.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述封装材料层(2)包括高反射率封装材料或低透射率封装材料。
21.根据权利要求20所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述封装材料层(2)的透射率低于80％。
22.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的封装材料，其特征在于，所述封装材料层(2)包括白色封装材料、半透明封装材料或者彩色封装材料。
23.太阳能电池组件，其特征在于，包括多个电池(5)以及通过根据权利要求1至22中任一项所述的封装材料而附接到所述电池(5)的背侧玻璃，其中所述无纺布层(1)朝向所述电池(5)设置。
24.太阳能电池组件，其特征在于，包括多个电池(5)以及通过根据权利要求1至22中任一项所述的封装材料而附接到所述电池(5)的背板，其中所述无纺布层(1)朝向所述电池(5)设置。
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