CN104530994B

CN104530994B - 一种用于光伏电池的抗pid封装胶膜

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Publication number: CN104530994B
Application number: CN201410843203.7A
Authority: CN
Inventors: 罗吉江; 符书臻
Original assignee: New Materials Co Ltdsuzhou Duchamps
Current assignee: New Materials Co Ltdsuzhou Duchamps
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104530994A

Abstract

本发明公开了一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜，以质量计，包括如下组分：聚烯烃树脂80%~95%、笼型聚倍半硅氧烷1%~20%、过氧化物交联剂0.1~2%、助交联剂%、光稳定剂、紫外光吸收剂；其中，所述聚烯烃树脂是乙烯/α‑烯烃共聚物或乙烯/α‑烯烃共聚物的组合物；所述笼型聚倍半硅氧烷含有可水解基团，所述可水解基团选自甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基中的一种或几种。本发明的封装胶膜在具有优异的抗PID性能的同时，兼顾了良好的粘结性能和耐老化性能，具有积极的现实意义。

Description

一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜

技术领域

本发明涉及一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜。

背景技术

随着石化能源的日益衰竭和环境问题的愈发严重，可再生能源得到前所未有的重视，光伏电池因此也越来越受普及。然而，近年来，人们发现光伏组件特别是大规模光伏组件在使用较短的时间后即出现功率大幅衰减的现象。经研究发现，相当数量的问题组件功率衰减是由潜在电势诱导衰减，即PID(Potential Induced Degradation)导致的。

目前，关于PID的形成还没有明确的机理。研究认为，PID问题的很大一部分原因是组件的电池片与大地之间形成泄露电流，封装材料、背板、玻璃和边框之间形成了漏电流通路。具体的：在湿热环境下，水汽进入组件内部与EVA封装胶膜的酯键发生水解反应生成了乙酸，乙酸与玻璃中物质反应而产生可移动离子，离子通过电场的作用迁移至电池片表面而形成反向电势差，从而导致PID产生。随着研究的不断深入，对于有效降低PID影响的途径包括如下几种：(1)采用特殊玻璃；(2)电池片的改进；(3)封装材料的改良；(4)电站设计的优化。其中，封装材料的抗水解性和绝缘性改良作为有效防止PID形成的途径之一受到越来越多研究的关注。例如，中国发明专利申请CN103897612A公开了一种抗光伏组件潜在电势诱导衰减的EVA封装胶膜，其通过在现有的EVA封装胶膜中添加金属离子捕捉剂，以降低金属离子的迁移率，提高光伏组件的抗PID特性。中国发明专利申请CN103525321A公开了一种降低光伏组件产生PID现象的EVA胶膜及其制备工艺，其方案是在EVA配方中添加具有可以捕获水分子和乙酸分子的物质，避免乙酸与硅酸钠反应产生可移动的钠离子，从而避免PID现象的产生。

然而，上述技术方案均未从根源上解决PID现象的产生。这是因为PID的产生根源在于EVA分子的水解，添加捕获剂只能降低而不能完全杜绝PID现象的发生。另外，在长期的室外使用环境下，金属离子扑捉剂或水分子和乙酸分子捕捉剂作用的稳定性和持久性可能难于保持，长期抗PID性能有待验证。

针对上述问题，由于EVA封装胶膜在抗PID方面具有缺陷，越来越多的技术方案采用无极性基团的聚烯烃作为封装胶膜的基材。例如，中国发明专利申请CN103421443A公开了一种太阳能电池组件用封装胶膜，该封装胶膜包括阻隔层和位于阻隔层两侧的第一粘结层和第二粘结层，所述的阻隔层含有乙烯-α-烯烃聚合物的聚烯烃阻隔层，其能有效的解决太阳能电池组件在高压湿热环境下出现的PID现象。然而，制备多层复合的封装胶膜工艺过于复杂。中国发明专利申请CN103694910A公开了一种能抗PID效应的光伏组件聚烯烃封装胶膜，具有优良的粘结性能、抗冲击性能和透光率。然而，其配方中添加了乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物，虽然该共聚物能增强封装胶膜的粘结性能，但其不能避免酯键的水解反应，并且增粘极性基团的引入将导致聚烯烃的绝缘性能和耐老化性能大幅地下降。

由上可见，聚烯烃作为封装胶膜基材具有突出的优势，但同时存在粘结性能不佳的问题。针对上述问题，目前一般通过以下两种方案可解决：①添加含有极性增粘基团的组分；②加入相当量的硅烷偶联剂。对于第一种方案，正如上述所述，极性基团(酯基团、酸酐基团、环氧基团)不能避免水解的产生，同时将导致聚烯烃的绝缘性能大幅地下降，将使封装胶膜不具备抗P ID性能。此外，极性基团也不利于封装胶膜耐老化性能。而对于第二种方案，与EVA基材不同，聚烯烃不含极性基团，因此若采用添加硅烷偶联剂以达到封装胶膜的粘结性能，硅烷偶联剂的添加量势必要很大，然而，过多的硅烷偶联剂将导致层压过程中硅烷偶联剂大量挥发，因此无法获得优良粘结性能的封装胶膜。

因此，开发一种既具有抗PID性能，又兼顾优良的粘结性能和耐老化性能的封装胶膜，具有积极的现实意义。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜，以质量计，包括如下组分：

其中，所述聚烯烃树脂是乙烯/α-烯烃共聚物或乙烯/α-烯烃共聚物的组合物；所述α-烯烃选自乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、4-甲基-1-戊烯中一种或几种；

所述聚烯烃树脂在190℃和2.16公斤载荷条件下的熔融指数为15～35克/10分钟，差示扫描量热法测定的熔点为60～100℃，维卡软化点大于45℃；

所述笼型聚倍半硅氧烷的粒径为0.5～3.0nm，其分子量为600～2000；

所述笼型聚倍半硅氧烷含有可水解基团，所述可水解基团选自氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基中的一种或几种。

上文中，所述笼型聚倍半硅氧烷是现有技术，其英文名称polyhedral oligomericsilsesquioxane，简称POSS，通式为(RSiO_3/2)_n。

上述技术方案中，所述过氧化物交联剂选自叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯、过氧化苯甲酸叔丁酯、4,4-二(叔丁基过氧化)戊酸正丁酯、过氧化二异丙苯、双(叔丁基过氧化异丙苯)、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷中一种或几种。

上述技术方案中，所述助交联剂选自氰尿酸三烯丙酯、异氰尿酸三烯丙酯、双甲基丙烯酸乙二醇酯、三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯、二乙烯基苯、邻苯二甲酸丙酯中的一种或几种。

上述技术方案中，所述光稳定剂是双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯。

上述技术方案中，所述紫外光吸收剂是2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮。

优选的，所述笼型聚倍半硅氧烷的粒径为1.5nm。

本发明的机理如下：采用聚烯烃作为封装胶膜基材，不添加含有酯基团、酸酐基团和环氧基团等极性基团的高分子组分，确保了封装胶膜不发生水解反应，从源头上避免了PID效应的产生；同时，采用笼型聚倍半硅氧烷，其粒径尺寸在0.5～3.0nm，将其加入聚烯烃膜中并不会引起透光率下降，其分子量比硅烷偶联剂大，迁移速率适中并不易挥发；通过添加含可水解集团的笼型聚倍半硅氧烷，封装胶膜的粘结性能得到妥善的解决；另外，笼型聚倍半硅氧烷还能与聚合物断裂的自由链之间产生物理交联，阻碍聚合物链段的降解，从而提高封装胶膜的耐老化性能。

一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜的生产工艺，是在聚烯烃树脂中加入笼形聚倍半硅氧烷、过氧化物交联剂、助交联剂、光稳定剂、紫外光吸收剂，将所有原料混合均匀，加入单螺杆挤出机中熔融挤出，然后经流延、冷却、卷取等工序，最后得到所述的封装胶膜。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明设计了一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜，采用聚烯烃作为封装胶膜基材，不添加含有酯基团、酸酐基团和环氧基团等极性基团的高分子组分，确保了封装胶膜不发生水解反应，因而从源头上避免了PID效应的产生；本发明的封装胶膜具有优异的抗PID性能，具有显著的效果；

2.本发明通过添加含可水解集团的笼型聚倍半硅氧烷，封装胶膜的粘结性能得到妥善的解决；另外，笼型聚倍半硅氧烷还能与聚合物断裂的自由链之间产生物理交联，阻碍聚合物链段的降解，从而提高封装胶膜的耐老化性能；因而本发明的封装胶膜在具有优异的抗PID性能的同时，兼顾了优良的粘结性能和耐老化性能，具有积极的现实意义。

附图说明

图1是本发明实施例中光伏电池组件的结构示意图。

图2是本发明实施例一中试验前后光伏电池组件的红外缺陷测试对比图。

图3是本发明实施例二中试验前后光伏电池组件的红外缺陷测试对比图。

图4是本发明对比例一中试验前后光伏电池组件的红外缺陷测试对比图。

图5是本发明对比例二中试验前后光伏电池组件的红外缺陷测试对比图。

其中：1、玻璃基板；2、封装胶膜；3、电池片；4、背板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例

下面实施例中采用的聚烯烃树脂均购置于美国陶氏公司或美国杜邦公司，190℃和2.16公斤载荷条件下的熔融指数为15～35克/10分钟，差示扫描量热法测定的熔点为60～100℃，维卡软化点大于45℃。

光伏电池的抗PID封装胶膜的制备

在聚烯烃树脂中加入笼形聚倍半硅氧烷、过氧化物交联剂、助交联剂、光稳定剂、紫外光吸收剂，将所有原料混合均匀，加入单螺杆挤出机中熔融挤出，然后经流延、冷却、卷取等工序，最后得到所述的封装胶膜。

光伏电池组件的制备

使用实施例的封装胶膜制备光伏电池组件，如图1所示，上层为钢化玻璃，中间层为电池片，最下层为背板，电池片两侧为封装胶膜，将各层材料按顺序叠层后，放入真空层压机中，抽真空并在适当的温度下层压，封装胶膜将各层材料粘合牢固，成为光伏电池组件。

实施例一

100份(质量份)聚烯烃树脂中加入10份氯基笼形聚倍半硅氧烷、2份过氧化物交联剂双(叔丁基过氧化异丙苯)(阿克苏诺贝尔，Perkadox 14s-f1)、0.5份助交联剂三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯(美国沙多玛，SR351)、0.1份紫外光吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮和0.1份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯，将所有原料混合均匀，加入单螺杆挤出机中熔融挤出，然后经流延、冷却、牵引、卷取等工序，得到封装胶膜A1，胶膜克重(长宽为10cm×10cm胶膜的质量)为4g。

将所得的封装胶膜制备光伏电池组件，如图1所示，上层为厚度3mm的玻璃基板1，中间层为电池片3，下层为厚度0.33mm的含氟材料背板4，在电池片两侧为封装胶膜2。将各层材料按顺序叠层后，放入真空层压机中，在温度为135～150℃、抽真空5分钟，加压10～15分钟、加压压力为0.5～1.0kg/cm²，封装胶膜将各层材料粘合牢固，成为光伏电池组件B1。

实施例二

100份(质量份)聚烯烃树脂中加入15份乙氧基笼形聚倍半硅氧烷、1.5份过氧化物交联剂2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷(阿克苏诺贝尔，TRIGONOX 101)、0.55份助交联剂三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯(美国沙多玛，SR351)、0.15份紫外光吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮和0.15份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯，将所有原料混合均匀，加入单螺杆挤出机中熔融挤出，然后经流延、冷却、牵引、卷取等工序，得到封装胶膜A2，胶膜克重(长宽为10cm×10cm胶膜的质量)为4g。

将所得的封装胶膜制备光伏电池组件，如图1所示，上层为厚度3mm的玻璃基板1，中间层为电池片3，下层为厚度0.33mm的含氟材料背板4，在电池片两侧为封装胶膜2。将各层材料按顺序叠层后，放入真空层压机中，在温度为135～150℃、抽真空5分钟，加压10～15分钟、加压压力为0.5～1.0kg/cm²，封装胶膜将各层材料粘合牢固，成为光伏电池组件B2。

对比例一

100份(质量份)聚烯烃树脂中加入、2份过氧化物交联剂双(叔丁基过氧化异丙苯)(阿克苏诺贝尔，Perkadox 14s-f1)、0.5份助交联剂三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯(美国沙多玛，SR351)、4份硅烷偶联剂γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(丹阳市有机硅材料实业公司,KH560)、0.1份紫外光吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮和0.1份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯，将所有原料混合均匀，加入单螺杆挤出机中熔融挤出，然后经流延、冷却、牵引、卷取等工序，得到封装胶膜A3，胶膜克重(长宽为10cm×10cm胶膜的质量)为4g。

将所得的封装胶膜制备光伏电池组件，上层为厚度3mm的玻璃基板，中间层为电池片，下层为厚度0.33mm的含氟材料背板，在电池片两侧为封装胶膜。将各层材料按顺序叠层后，放入真空层压机中，在温度为135～150℃、抽真空5分钟，加压10～15分钟、加压压力为0.5～1.0kg/cm²，封装胶膜将各层材料粘合牢固，成为光伏电池组件B3。

对比例二

100份(质量份)聚烯烃树脂中加入15份乙烯-丙烯酸共聚物(美国杜邦公司，EAA20E428)、1.5份过氧化物交联剂2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷(阿克苏诺贝尔，TRIGONOX 101)、0.55份助交联剂三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯(美国沙多玛，SR351)、0.15份紫外光吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮和0.15份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯，将所有原料混合均匀，加入单螺杆挤出机中熔融挤出，然后经流延、冷却、牵引、卷取等工序，得到封装胶膜A4，胶膜克重(长宽为10cm×10cm胶膜的质量)为4g。

将所得的封装胶膜制备光伏电池组件，上层为厚度3mm的玻璃基板，中间层为电池片，下层为厚度0.33mm的含氟材料背板，在电池片两侧为封装胶膜。将各层材料按顺序叠层后，放入真空层压机中，在温度为135～150℃、抽真空5分钟，加压10～15分钟、加压压力为0.5～1.0kg/cm²，封装胶膜将各层材料粘合牢固，成为光伏电池组件B4。

性能测试与评价

1、制样

将封装胶膜夹在2张玻璃基板中，使用真空层压机，在150℃抽真空5分钟，然后加压0.5kg/cm²保持18分钟是聚烯烃完成交联。

2、透光率

将交联后的封装胶膜按照GB/T2680进行透光率的测试。

3、剥离强度

将试样按照GB/T2790规定进行剥离强度测试。

4、耐湿热老化性能

将试样进行湿热老化试验，试验条件按照国际电工委员会标准IEC61215的要求，即温度85℃，相对湿度85％，1000小时。

试验后按照GB/T2680规定测试。并按下式计算透光率保持率。

透光率保持率＝老化试验后的透光率平均值÷老化试验前的透光率平均值×100％

试验后的剥离强度按照GB/T2790规定测试。并按下式计算剥离强度保持率。

剥离强度保持率＝老化试验后的剥离强度平均值÷老化试验前的剥离强度平均值×100％

试验前后的黄变指数(ΔYI)按照GB/T2409规定测试。

5、耐紫外老化性能

将试样进行紫外老化试验，试验条件按照IEC61215的要求为紫外线波长280～385nm，总辐射量15kW·h/m²和紫外线波长280～320nm，总辐射量5kW·h/m²。

按照上述同样方法测试透光率保持率、剥离强度保持率和黄变指数。

6、抗PID性能

将实施例中的光伏电池组件在PID试验箱中进行抗PID试验，试验条件为温度85℃，相对湿度85％，电压-1000V，300小时。

采用红外缺陷测试和功率测试测试试验前后光伏电池组件。按下式计算功率衰减率：

功率衰减率＝老化试验后组件的功率÷老化试验前组件的功率×100％

通过上述实施例和对比例得到的封装胶膜，经过上述方法制样及测试，结果如下：

光伏电池组件	B1	B2	B3	B4
					功率衰减率,％	1.6	1.9	14.3	43.5

红外缺陷测试结果见说明书附图2～5。由图可见，本发明得到的组件具有良好的抗PID性能；而对比例则差很多。

由上述结果可知，本发明的抗PID封装胶膜具有优异的抗PID性能，同时也具有优良的耐湿热老化性能和紫外老化性能。而对比例一的封装胶膜的剥离强度较差，由其制备的光伏电池组件的抗PID性能不佳。对比例二的封装胶膜耐湿热老化性能和耐紫外老化性能很差，由其制备的光伏电池组件的抗PID性能也很差。因此，使用本发明的抗PID封装胶膜作为封装胶膜得到的光伏电池组件具有优异的抗PID性能，同时也具有优良的粘结性能和耐老化性能。

Claims

1.一种用于光伏电池的抗PID封装胶膜，其特征在于，以质量份计，包括如下组分：

聚烯烃树脂 100份

笼型聚倍半硅氧烷 1~20份

过氧化物交联剂 0.1~4份

助交联剂 0.01~1份

光稳定剂 0.01~0.1份

紫外光吸收剂 0.01~0.15份；

其中，所述聚烯烃树脂是乙烯/α-烯烃共聚物或乙烯/α-烯烃共聚物的组合物；所述α-烯烃选自丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、4-甲基-1-戊烯中一种或几种；

所述聚烯烃树脂在190℃和2.16公斤载荷条件下的熔融指数为15~35克/10分钟，差示扫描量热法测定的熔点为60~100℃，维卡软化点大于45℃；

所述笼型聚倍半硅氧烷的粒径为0.5~3 nm，其相对分子量为600~2000；

2.根据权利要求1所述的用于光伏电池的抗PID封装胶膜，其特征在于：所述过氧化物交联剂选自叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯、过氧化苯甲酸叔丁酯、4,4-二（叔丁基过氧化）戊酸正丁酯、过氧化二异丙苯、双（叔丁基过氧化异丙苯）、2,5-二甲基-2,5-二（叔丁基过氧化）己烷中一种或几种。

3.根据权利要求1所述的用于光伏电池的抗PID封装胶膜，其特征在于：所述助交联剂选自氰尿酸三烯丙酯、异氰尿酸三烯丙酯、双甲基丙烯酸乙二醇酯、三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯、二乙烯基苯、邻苯二甲酸丙酯中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的用于光伏电池的抗PID封装胶膜，其特征在于：所述光稳定剂是双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯。

5.根据权利要求1所述的用于光伏电池的抗PID封装胶膜，其特征在于：所述紫外光吸收剂是2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮。