CN104485379A - 太阳能电池背板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐候性能优异的太阳能电池背板，包括耐候层、绝缘层和粘接层，所述粘接层是由羟基丙烯酸树脂与异氰酸酯固化而成的高耐候性涂层，羟基丙烯酸树脂的玻璃化转变温度为12℃～45℃，且粘接层中含有一种经醇酯法表面处理的无机消光粉。本发明改善了涂层的生产加工性能，该背板具有良好的耐候性能以及和EVA粘结性，能够有效的保护太阳能电池组件中的电池元件。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池背板技术领域，特别涉及一种耐候性能优异的太阳能电池背板。
背景技术
近年来，作为绿色能源的代表，太阳能发电越来越受到人们的瞩目。目前，太阳能的应用主要是利用太阳发电组件将太阳能转换成电能加以利用，太阳能发电组件主要由前板、封装材料、晶硅电池片、背板组成。太阳能背板位于太阳能电池板的背面，对电池片起保护和支撑作用，因此必须具有可靠的电气绝缘性、良好的力学性能、水气阻隔性能以及耐候性能。
目前通用的太阳能背板一般具有三层结构，耐候层为含氟聚合物层具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为双向拉伸聚脂薄膜层具有良好的绝缘性能以及力学性能，内层所使用的两种材料包括传统的复合型材料和涂布型聚酯粘接层。传统的复合型材料一方面成本较高，生产工艺复杂，另一方面，层与层之间采用胶黏剂进行粘结，在经过老化后容易发生脱层的情况；聚酯粘接层与绝缘层PET具有较好的亲和性，与基材间的附着较为牢固，但聚酯粘接层本身紫外耐候性黄变大、且容易水解，老化后性能衰减严重。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对现有技术存在的不足之处，提供一种与绝缘层附着性优良、与EVA粘接性能良好，能够连续工业化生产的耐湿热、紫外老化性能优异的太阳能电池背板粘接层以及使用其生产的太阳能电池背板。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种太阳能电池背板，包括绝缘层、耐候层和粘接层，所述粘接层是由羟基丙烯酸树脂与异氰酸酯固化而成的高耐候性涂层，羟基丙烯酸树脂的玻璃化转变温度为12℃～45℃，羟值为12 mgKOH/g～70mgKOH/g，且粘接层中含有一种经醇酯法表面处理的无机消光粉。
所使用的羟基丙烯酸树脂的羟值为15 mgKOH/g～50mgKOH/g。
所述无机消光粉可以是二氧化硅、硅藻土、高岭土、滑石粉中的一种或几种。
所述无机消光粉的用量与羟基丙烯酸树脂的比例为1:200～1:20。
所述醇酯法表面处理采用的脂肪醇为CH3-(CH2)n-CH2OH，其中n为1～6。
所述无机消光粉粒径为3μm～17μm。
所述异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯三聚体、异佛尔酮二异氰酸酯三聚体、六亚甲基二异氰酸酯三聚体、二苯基甲烷二异氰酸酯三聚体、甲苯二异氰酸酯二聚体、异佛尔酮二异氰酸酯二聚体、六亚甲基二异氰酸酯二聚体、二苯基甲烷二异氰酸酯二聚体的一种或两种以上的混合物。
所述异氰酸酯中含有的异氰酸基团和羟基丙烯酸树脂中含有的羟基的摩尔比为0.8～1.5，优选0.9～1.1。
所述粘接层厚度3μm ～20μm。
所述耐候层为氟碳树脂、丙烯酸树酯、聚氨酯和聚酯类涂层中的一种，或者为涂布胶黏剂复合聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯-乙烯共聚物（ETFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜中的一种。
本发明与现有技术相比，具有如下优点 ：
1. 本发明中粘接层直接涂布在绝缘层PET上制备太阳能电池背板，不需要底涂或胶层，简化生产工序。
2. 本发明粘接层涂料中使用羟基丙烯酸树脂作为主体树脂，相比于聚酯、聚氨酯体系涂料耐紫外老化以及湿热老化性能更为优异。
3. 本发明通过使用特定玻璃化温度、特定羟值的羟基丙烯酸树脂，解决了羟基丙烯酸树脂涂层与基材附着性差的问题。
4、本发明通过加入醇酯法表面处理的无机消光粒子，改善了所选用的羟基丙烯酸树脂涂层本身存在的生产加工性能困难问题。
具体实施方式
太阳能电池背板用粘接层，兼顾耐老化性能优异、与EVA粘结性优良，选用羟基丙烯酸树脂作为主体树脂；同时，为保证与绝缘层PET附着性能优良，进而规定了所选用羟基丙烯酸树脂的玻璃化转变温度在12℃～45℃，在此范围内的羟基丙烯酸树脂能够很好地满足背板粘接层的要求。若玻璃化转变温度低于12℃，则分子链柔性较大，涂层本身偏软，涂层内溶剂不易挥发，固化成膜后与绝缘层的附着性较差，且固化成膜的耐溶剂性能会比较差。若玻璃化转变温度高于45℃，一方面，涂层在后期熟化过程中反应速率降低，容易造成涂层后期熟化过程中固化不充分，进而降低涂层与绝缘层PET的附着性；另一方面，羟基丙烯酸树脂的玻璃化温度偏高，树脂固化成膜后硬度、脆性较大，进而与绝缘层PET附着性下降，成膜后容易出现涂层与PET脱层的现象，严重时将影响整个组件的寿命。
在上述玻璃化转变温度（Tg）优选的基础上进一步对羟基丙烯酸树脂的羟值进行筛选，当羟基丙烯酸树脂的羟值过大时导致涂层固化后交联密度较大，涂层会比较硬，涂层会具有较优良的耐候性，但是与EVA的粘接性能会下降；反之，羟值较低时涂层柔软，经过固化后剩余的活性羟基较少，不利于与PET之间形成氢键，导致与PET的粘接性能下降，同时又不利于粘接层的耐湿热老化性能。要求羟基丙烯酸树脂的羟值在一定范围内可以使其与聚酯基材的附着力达到满足背板标准要求的水平，且具有优异的耐候性能，粘结涂层所使用羟基丙烯酸树脂的羟值为：12 mgKOH/g～70mgKOH/g，最优为：15 mgKOH/g～50mgKOH/g。
由于本发明中粘接层选用的主体树脂羟基丙烯酸树脂具有较低的Tg，导致粘接层整体的Tg也会比较低，在生产加工过程中容易出现涂层与载体的粘黏和压痕现象，为了解决这个技术难题，在粘接层中加入一种经醇酯法表面处理的无机消光粉，这种无机消光粉经醇酯法表面处理后与粘接层涂布液相容性较好，且能起到相应的隔离作用，从而使粘接层不会与涂层载体发生粘黏，所选择的无机消光粉粒径应该与涂层厚度接近。消光粉采用醇酯法进行表面处理，选用的脂肪醇为CH3-(CH2)n-CH2OH，其中n为1～6，如果不经过处理无机消光粉与涂布液相容性较差，很容易发生沉降或消光粉在粘接层涂料中分布不均匀；当n大于6时，经过醇酯法处理后无机消光粉表面的疏水性大大提高，会很好的被涂层包裹，从而无法起到相应的隔离作用。
适用本发明的固化剂可以选择异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯三聚体、异佛尔酮二异氰酸酯三聚体、六亚甲基二异氰酸酯三聚体、二苯基甲烷二异氰酸酯三聚体、甲苯二异氰酸酯二聚体、异佛尔酮二异氰酸酯二聚体、六亚甲基二异氰酸酯二聚体、二苯基甲烷二异氰酸酯二聚体的一种或两种以上的混合物。
适用本发明的溶剂可以选择丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲基异丁酮中的一种或几种。
本发明选用的主体树脂与固化剂使用比例在适当的工艺条件下可调节，需满足异氰酸酯中含有的异氰酸基团和羟基丙烯酸树脂中含有的羟基的摩尔比：0.8～1.5，优选：0.9～1.1。若异氰酸基团和羟基的比例低于0.8，则羟基反应不完全，并且交联密度较低，造成固化不彻底，从而降低涂层的耐湿热老化性能；若异氰酸基团和羟基的比例高于1.5，羟基基本完全参与反应，剩余的异氰酸酯基团会与空气中的水分发生反应，固化后交联密度较高，涂层较硬，导致涂层与PET附着力较低。
本发明所述涂层在适当的工艺条件下厚度可调节，厚度调节范围在3μm ～20μm。当涂层厚度小于3μm时，涂层对于PET的保护作用不足，不能起到足够的屏蔽紫外光的作用；当涂层厚度大于20μm时，成本增加较多，且涂层在干燥过程中容易出现表干现象，影响涂层表观甚至是性能。
太阳能电池背板的绝缘层可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）树脂、聚对萘二甲酸乙二醇酯（PEN）树脂等构成的单层或多层薄膜。从热稳定性、电绝缘性、成本等评价，最佳选择为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜。根据太阳能电池背板的用途不同，可选择不同厚度、不同颜色的基材。
适用于本发明的耐候层可以是氟碳树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯和聚酯类涂层中的一种，或者为涂布胶黏剂复合聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯-乙烯共聚物（ETFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜中的一种。
本发明的消光粉表面处理方法：将脂肪醇加入到所使用的消光粉中，加入量为消光粉的10%～15%，混合均匀后置于高压反应釜中，反应过程中保持压力3×106Pa，在225℃下反应3h，即可得到醇酯法改性的无机消光粉。
为了降低粘接层的化工成本，同时改善涂层硬度，可在在粘接层涂布液中还可以加入无机填料钛白粉。
本发明各涂层的涂布采用公知的涂布方式，这些涂布方法包括但不限于浸涂、辊涂、喷涂、微凹版等公知的涂布方式。
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
羟基丙烯酸树脂Q 182 200g
HDI二聚体N 100 23g
乙酸丁酯 160g
消光粉HK 460 0.5g
钛白粉 80g；
在装有搅拌装置的容器中加入200g羟基丙烯酸树脂Q182日本三井化学株式会社制，Tg=45℃，OH值45mgKOH/g），160g乙酸丁酯溶剂和0.5g经正丙醇表面改性处理的HK460消光粉（德固赛公司制，D=7μm）、80g钛白粉，搅拌20分钟后过滤，之后再加入23g异氰酸酯HDI二聚体N100（德国Bayer Materialscience制），继续搅拌20分钟后，过滤，得到粘接层涂布液。
在已清洁并电晕处理的基材PET膜的一面经凹版涂布法涂布上述粘接层涂布液，在140℃干燥3分钟，得到8μm的粘接层；再在基材另一侧通过涂布或者复合的方法形成耐候层。将制得产品经过50℃，3天的熟化后，得到太阳能电池背板。
实施例2
羟基丙烯酸树脂EPA 5860 200g
IPDI三聚体Z 4470BA 22.4g
乙酸乙酯 160g
消光粉SY 622 6g
钛白粉 100g；
在装有搅拌装置的容器中加入200g羟基丙烯酸树脂EPA5860（日本大赛璐株式会社制，Tg=12℃，OH值27mgKOH/g），160g乙酸乙酯溶剂和6g经正己醇表面改性处理的SY622（美国格雷斯公司制，D=17μm）、100g钛白粉，搅拌20分钟后过滤，之后再加入22.4gIPDI三聚体Z 4470BA（德国Bayer Materialscience制），继续搅拌20分钟后，过滤，得到粘接层涂布液。
在已清洁并电晕处理的基材PET膜的一面经凹版涂布法涂布上述粘接层涂布液，在90℃干燥4分钟，得到20μm的粘接层；再在基材另一侧通过涂布或者复合的方法形成耐候层，将制得产品经过50℃，3天的熟化后，得到太阳能电池背板。
实施例3
羟基丙烯酸树脂AC-1164A 120g
IPDI三聚体Z 4470BA 4g
丁酮 80g
消光粉ED 5 3g
钛白粉 50g；
在装有搅拌装置的容器中加入120g羟基丙烯酸树脂AC-1164A（佛山市高明同德化工有限公司制，Tg=15℃，OH值12mgKOH/g），80g丁酮溶剂和3g经正己醇表面改性处理的消光粉ED 5（美国格雷斯公司，D=9μm）、50g钛白粉，搅拌20分钟后过滤，之后再加入4g异氰酸酯IPDI三聚体Z 4470BA（Bayer Materialscience制），继续搅拌20分钟后，过滤，得到粘接层涂布液。
在已清洁并电晕处理的基材PET膜的一面经凹版涂布法涂布上述粘接层涂布液，在90℃干燥3分钟，得到10μm的粘接层；再在基材另一侧通过涂布或者复合的方法形成耐候层，将制得产品经过50℃，3天的熟化后，得到太阳能电池背板。
实施例4
羟基丙烯酸树脂AU-191X 180g
HDI三聚体D-170 35g
乙酸丁酯 150g
消光粉ED 3 1.8g
钛白粉 50g；
在装有搅拌装置的容器中加入180g羟基丙烯酸树脂AU-191X（Dow化学公司制，Tg=40℃，OH值70mgKOH/g），150g乙酸丁酯溶剂和1.8g经正戊醇表面改性处理的ED 3（美国格雷斯公司制，D=3μm）、50g钛白粉，搅拌20分钟后过滤，之后再加入35g异氰酸酯HDI三聚体D-170（日本三井化学株式会社制），继续搅拌20分钟后，过滤，得到粘接层涂布液。
在已清洁并电晕处理的基材PET膜的一面经凹版涂布法涂布上述粘接层涂布液，在145℃干燥2分钟，得到3μm的粘接层；再在基材另一侧通过涂布或者复合的方法形成耐候层，将制得产品经过50℃，3天的熟化后，得到太阳能电池背板。
实施例5
羟基丙烯酸树脂VA-1026 180g
HDI三聚体N 3300 14.5g
乙酸丁酯 150g
消光粉ED 5 0.9g
钛白粉 80g；
在装有搅拌装置的容器中加入180g羟基丙烯酸树脂VA-1026（山东科耀化工有限公司制，Tg=22℃，OH值40mgKOH/g），150g乙酸丁酯溶剂和0.9g经正辛醇表面改性处理的ED 5（美国格雷斯公司制，D=9μm）、80g钛白粉，搅拌20分钟后过滤，之后再加入14.5g异氰酸酯HDI三聚体N 3300（德国Bayer Materialscience制），继续搅拌20分钟后，过滤，得到粘接层涂布液。
在已清洁并电晕处理的基材PET膜的一面经凹版涂布法涂布上述粘接层涂布液，在145℃干燥3分钟，得到12μm的粘接层；再在基材另一侧通过涂布或者复合的方法形成耐候层，将制得产品经过50℃，3天的熟化后，得到太阳能电池背板。
对比例1
羟基丙烯酸树脂AU-1164S 200g
HDI二聚体N 100 45g
乙酸丁酯 160g
消光粉HK 460 1g
钛白粉 60g；
在装有搅拌装置的容器中加入200g羟基丙烯酸树脂AU-1164S（Dow化学公司制，Tg=50℃，OH值80mgKOH/g），160g乙酸丁酯溶剂和1g经正丙醇表面改性处理的HK460消光粉（德固赛公司制，D=7μm）、60g钛白粉，搅拌20分钟后过滤，之后再加入45g异氰酸酯HDI二聚体N100（德国Bayer Materialscience制），继续搅拌20分钟后，过滤，得到粘接层涂布液。
在已清洁并电晕处理的基材PET膜的一面经凹版涂布法涂布上述粘接层涂布液，在140℃干燥3分钟，得到8μm的粘接层；再在基材另一侧通过涂布或者复合的方法形成耐候层。将制得产品经过50℃，3天的熟化后，得到太阳能电池背板。
对比例2
羟基丙烯酸树脂DC2209 160g
IPDI三聚体Z 4470BA 2g
乙酸丁酯 100g
消光粉ED 5 0.32g
钛白粉 70g；
在装有搅拌装置的容器中加入180g羟基丙烯酸树脂T135-X-50（日本大赛璐株式会社，Tg=9℃，OH值9-15mgKOH/g），100g乙酸丁酯溶剂和0.32g经正辛醇表面改性处理的ED 5（美国格雷斯公司制，D=9μm）、70g钛白粉，搅拌20分钟后过滤，之后再加入6.0g异氰酸酯IPDI三聚体Z 4470BA（德国Bayer Materialscience制），继续搅拌20分钟后，过滤，得到粘接层涂布液。
在已清洁并电晕处理的基材PET膜的一面经凹版涂布法涂布上述粘接层涂布液，在145℃干燥3分钟，得到10μm的粘接层；再在基材另一侧通过涂布或者复合的方法形成耐候层，将制得产品经过50℃，3天的熟化后，得到太阳能电池背板。
。
评价方法：
1、耐丁酮擦拭
依据标准 GB/T23989-2009进行测试；
2、涂层附着力测试
依据标准 GB/T9286-1998进行测试；
3、与封装材料的粘合性能测试
依据标准 GB/T2790-1995进行测试。
4、耐粘连性测试
测试方式将涂布并干燥后的背板（未经过熟化）涂布面与PET重叠，在负重4kg/cm2、50℃下放置3天，评价涂层向PET表面的转移情况。
Claims (10)
1.一种太阳能电池背板，包括耐候层、绝缘层和粘接层，所述粘接层是由羟基丙烯酸树脂与异氰酸酯固化而成的高耐候性涂层，其特征在于，羟基丙烯酸树脂的玻璃化转变温度为12℃～45℃，羟值为12 mgKOH/g～70mgKOH/g，且粘接层中含有一种经醇酯法表面处理的无机消光粉。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述羟基丙烯酸树脂的羟值为15 mgKOH/g～50mgKOH/g。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述无机消光粉可以是二氧化硅、硅藻土、高岭土、滑石粉中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述无机消光粉的用量与羟基丙烯酸树脂的比例为1:200～1:20。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述醇酯法表面处理采用的脂肪醇为CH3-(CH2)n-CH2OH，其中n为1～6。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述无机消光粉粒径为3μm～17μm。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯三聚体、异佛尔酮二异氰酸酯三聚体、六亚甲基二异氰酸酯三聚体、二苯基甲烷二异氰酸酯三聚体、甲苯二异氰酸酯二聚体、异佛尔酮二异氰酸酯二聚体、六亚甲基二异氰酸酯二聚体、二苯基甲烷二异氰酸酯二聚体的一种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述异氰酸酯中含有的异氰酸基团和羟基丙烯酸树脂中含有的羟基的摩尔比为0.8～1.5，优选0.9～1.1。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述粘接层厚度3μm ～20μm。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池背板，其特征在于，所述耐候层为氟碳树脂、丙烯酸树酯、聚氨酯和聚酯类涂层中的一种，或者为涂布胶黏剂复合聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯-乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜中的一种。
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