CN105950039A - 一种用于太阳能电池组件的抗pid聚烯烃胶膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，所述胶膜为A/B/A三层结构膜，各层的质量比A：B：A为10~20：60~80：10~20；所述B层胶膜为乙烯与α‑烯烃的共聚物，B层胶膜的DSC熔点大于90℃。本发明的抗PID聚烯烃胶膜具有更低的水蒸气透过率和更高的体积电阻率，由此得到的太阳能电池组件具有更好的抗PID性能；与此同时，配合采用外层的A层胶膜，兼顾了低熔点聚烯烃树脂组合物的交联性、粘接性和柔软性，以及高熔点聚烯烃树脂的耐热性、阻隔性和电绝缘性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜。
背景技术
太阳能电池组件是利用材料的光电效应将太阳光的光能直接转化为电能的装置，太阳能是一种丰富的可再生能源，在当今社会环境问题和能源矛盾越来越严重，发展可持续的清洁能源是必然趋势，世界各国和政府为保障能源供应、减少环境污染都采取了一系列措施来大力支持光伏产业，太阳能发电成为了一类新型能源供应方式，得到了广泛而迅猛的发展。
现有常规的太阳能电池封装结构如下：上层为钢化玻璃，中间层为电池片，下层为背板，在玻璃和电池片、电池片和背板之间各有一层乙烯-醋酸乙烯酯共聚物胶膜（EVA胶膜）将各层材料牢固的粘接起来。EVA胶膜是太阳能电池的重要封装材料，为了保证封装后的太阳能电池能长期有效地在户外工作，EVA胶膜必须具有足够高的透光率，与组件材料玻璃、电池片、背板等具有长期有效的高粘接强度，优异的耐候性（耐紫外、耐高低温、耐高湿）以及良好的封装加工性。
然而，上述结构的组件在使用过程中会发生PID现象。PID（Potential InducedDegradation）现象又叫电势诱导衰减，是指组件在高电压作用下玻璃、封装材料之间存在漏电流，大量电荷聚集在电池片表面，使得电池片表面的钝化效果恶化，组件功率出现衰减，低于设计标准。PID现象的形成是由于在高温高湿条件下，电池片和接地边框之间形成了漏电流，封装材料、背板、玻璃和边框之间形成了漏电流通道。除了电池片本身对PID现象影响很大之外，封装材料对PID现象也有重要影响。就封装材料本身而言，对湿气的阻隔性和电绝缘性等性能对PID现象影响较大，因此，选择水蒸气透过率小的和体积电阻率大的封装材料可以有效的抑制PID现象的发生，即有效减少功率的衰减。
EVA胶膜是以EVA树脂为主料制备的封装材料，EVA树脂是乙烯醋酸乙烯共聚物，由于在乙烯主链上引入了极性的醋酸乙烯官能团，因此，EVA胶膜的水蒸气透过率偏大，体积电阻率偏小，这直接导致了由这种EVA胶膜制备的太阳能电池组件抗PID效果不好。而聚烯烃树脂是烯烃的聚合物；是指由乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、4-甲基-1-戊烯等α-烯烃以及某些环烯烃单独聚合或共聚而得到的一类热塑性树脂的总称。聚烯烃树脂与EVA树脂相比，没有在乙烯主链上引入极性官能团，因此，聚烯烃树脂本身的湿气阻隔性和电绝缘性要优于EVA树脂，由聚烯烃树脂制备的聚烯烃胶膜水蒸气透过率较小，体积电阻率较大，这种聚烯烃胶膜用做封装材料可以改善太阳能电池组件的抗PID效果。例如，中国发明专利申请CN102449060A公开了一种聚烯烃胶膜用于太阳能电池封装材料，这种聚烯烃胶膜是不交联的乙烯系树脂组合物，该组合物添加了乙烯性不饱和硅烷化合物作为聚烯烃胶膜与玻璃、电池片、背板等材料的粘合剂。然而，这种粘合剂只是简单的加入和物理混合，仅仅靠范德华力将聚烯烃胶膜与玻璃、电池片、背板等粘接在一起，使得聚烯烃胶膜和玻璃、聚烯烃胶膜和电池片、聚烯烃胶膜和背板之间的剥离强度偏小，这种太阳能电池组件在日常光照使用中很容易造成脱层现象，导致组件失效。另外，不交联的聚烯烃胶膜采用的聚烯烃树脂熔点在70~90℃之间，太阳能电池组件在日常使用时，由于太阳光的照射，组件表面温度极易达到80℃左右，这时聚烯烃胶膜会软化变形，造成电池片位移、内部产生气泡等缺陷。
因此，研发一种新的抗PID聚烯烃胶膜，不仅具有良好的湿气阻隔性和电绝缘性，以保证太阳能电池组件具有良好的抗PID效果，而且具有良好的加工性、交联特性，以及透明性、柔软性、粘接性、耐热性等综合优点，以更适用于太阳能电池组件的封装，显然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太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，所述胶膜为A/B/A三层结构膜，各层的质量比A：B：A为10~20：60~80：10~20；
所述A层胶膜，以质量份计，包括如下组分：
聚烯烃树脂 100份
有机过氧化物 0.1～2份
助交联剂 0.01～5份
硅烷偶联剂 0.1～1份
紫外线吸收剂 0.1～1份
光稳定剂 0.1～1份；
其中，所述聚烯烃树脂为乙烯与α-烯烃的共聚物，其中乙烯的质量含量为80~90%；所述α-烯烃为1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯或4-甲基-1-戊烯；所述聚烯烃树脂的DSC熔点为81~90℃，熔体流动速率为1~20 g/10min（190℃，2.16 kg）；
所述B层胶膜为乙烯与α-烯烃的共聚物，其中乙烯的质量含量为80~90%；所述α-烯烃为1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯或4-甲基-1-戊烯；所述B层胶膜的DSC熔点大于90℃，熔体流动速率为1~20 g/10min（190℃，2.16 kg）。
上文中，光稳定剂配合紫外线吸收剂一起使用，可以起到单一使用紫外线吸收剂无法达到的最佳效果，提高聚烯烃胶膜的耐光老化性能。
所述B层胶膜物料是一种熔点大于90℃的聚烯烃树脂，并且不含有机过氧化物、助交联剂、硅烷偶联剂、紫外线吸收剂和光稳定剂等有机物小分子，这种高熔点、不交联的聚烯烃树脂与A层胶膜物料那种低熔点、交联的聚烯烃树脂组合物相比，具有更好的耐热性、湿气阻隔性和电绝缘性，这种聚烯烃树脂制备的胶膜具有更低的水蒸气透过率和更高的体积电阻率，由此得到的太阳能电池组件具有更好的抗PID性能。但是，高熔点聚烯烃树脂制备的胶膜，柔软性不好，影响了胶膜对玻璃、电池片等硬质材料的保护。另外，这种聚烯烃树脂对玻璃、电池片、背板等材料的粘接力较差，高熔点的聚烯烃树脂很难单独用于聚烯烃封装材料。因此本发明采取了一种多层聚烯烃胶膜的技术方案，该聚烯烃胶膜具有A/B/A三层结构，这种层状结构的聚烯烃胶膜兼顾低熔点聚烯烃树脂组合物的交联性、粘接性和柔软性，以及高熔点聚烯烃树脂的耐热性、阻隔性和电绝缘性，由此得到的聚烯烃胶膜具有极佳的抗PID特性。
优选的，所述A层胶膜中的有机过氧化物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、双叔丁基过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5-二（叔丁基过氧化）己烷中的一种或几种。
优选的，有机过氧化物的用量为0.1~1份。
所述助交联剂是具有一个或二个以上双键的不饱和化合物。优选的，所述A层胶膜中的助交联剂选自氰脲酸三烯丙酯、异氰脲酸三烯丙酯、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、邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种或几种。
优选的，助交联剂的用量为0.1~3份。
优选的，所述A层胶膜中的硅烷偶联剂选自乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
优选的，硅烷偶联剂的用量为0.1~0.5份。
优选的，所述A层胶膜中的紫外线吸收剂为2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮；所述A层胶膜中的光稳定剂为双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯。
所述A层胶膜中还包括抗氧剂，所述抗氧剂为四[ß-（3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基）丙酸]十八烷基醇酯和/或双十八烷基季戊四醇二亚磷酸酯。所述A层胶膜中还包括抗氧剂的种类没有特别限制，受阻酚型、亚磷酸酯型和硫酯型等都可以。
抗氧剂可以有效地抑制聚合物的热氧老化，防止聚烯烃胶膜在使用过程中的黄变和阻滞物理性能的损失，避免由于胶膜老化造成太阳能电池组件失效。
本发明同时请求保护一种用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜的制备方法，包括如下步骤：将A层胶膜的组分物料和B层胶膜的物料分别加入到三层共挤出片材机组的A螺杆、B螺杆以及C螺杆中；然后将物料同时在螺杆挤出机熔融挤出，通过分配器分配使物料呈A/B/A三层结构，经流延、冷却、牵引、卷取，即得到所述用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜。
本发明同时请求保护采用上述抗PID聚烯烃胶膜制得的太阳能电池组件。太阳能电池组件是由层压制得的，层压操作的工艺条件为：温度140~150℃、抽真空5分钟，加压10~15分钟、加压压力0.5~1.0 kg/cm2。
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．本发明设计了一种新的抗PID聚烯烃胶膜，采用A/B/A三层结构，且其B中间层是一种熔点大于90℃的聚烯烃树脂，并且不含有机过氧化物、助交联剂、硅烷偶联剂、紫外线吸收剂和光稳定剂等有机物小分子，这种聚烯烃树脂制备的胶膜具有更低的水蒸气透过率和更高的体积电阻率，由此得到的太阳能电池组件具有更好的抗PID性能；与此同时，配合采用外层的A层胶膜，兼顾了低熔点聚烯烃树脂组合物的交联性、粘接性和柔软性，以及高熔点聚烯烃树脂的耐热性、阻隔性和电绝缘性，因而更适用于太阳能电池组件的封装，显然具有积极的现实意义；
2．实验证明，本发明的聚烯烃胶膜具有极佳的抗PID特性，与现有技术相比，本发明的聚烯烃胶膜的抗PID性能非常优异，取得了意想不到的技术效果；
3．本发明的制备方法简单，易于实现，适于推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例一中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。
图2为本发明实施例二中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。
图3为本发明对比例一中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。
图4为本发明对比例二中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
一种用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，所述胶膜为A/B/A三层结构膜；
（1）A层胶膜：100份（质量份）聚烯烃树脂[熔融指数（MI）为18克/10分钟（190℃，2.16kg），熔点为76℃，美国陶氏公司，8411]投入高搅机中，加入1.0份有机过氧化物叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯(阿科玛，Luperox TBEC)，2.0份助交联剂异氰脲酸三烯丙酯（湖南立德，TAIC），0.5份硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（美国道康宁公司，6030），0.2份紫外光吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（北京加成助剂研究所，GW531），0.2份光稳定剂双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯（北京加成助剂研究所，GW480），0.2份抗氧化剂双十八烷基醇季戊四醇二亚磷酸酯（双键化工，CHINOX618），搅拌30分钟，转速600转/分钟，将物料混合均匀；将上述物料投入三层共挤出片材机组的A、C螺杆，螺杆直径为45毫米，长径比33；
（2）B层胶膜：100份（质量份）聚烯烃树脂[熔融指数（MI）为30克/10分钟（190℃，2.16公斤），熔点为96℃，美国陶氏公司，8402]，加入B螺杆中，螺杆直径为90毫米，长径比33；
（3）将A、B两种物料同时在螺杆挤出机熔融挤出，螺杆温度控制在100~110℃，螺杆转速控制为100转/分，物料在螺杆内的停留时间为2~4分钟；A、B两种物料在分配器内进行分配，各层的质量比A：B：A为20：60：20，然后进入T-型模头，模头宽度1200mm，经冷却、牵引、卷取等工序得到样品S1，冷水温度为5~10℃，牵引速度3~4米/分钟；样品厚度0.5 mm，宽度1000mm；检测结果见表1。
实施例二：
物料同实施例一，各层的质量比A：B：A为10：80：10，得到样品S2，样品厚度0.5 mm，宽度1000 mm；检测结果见表1。
对比例一：
将实施例一中A层胶膜的物料单独投入螺杆挤出机中，经流延、冷却、牵引、卷取等工序得到样品B1，样品厚度0.5mm，宽度1000mm；检测结果见表1。
对比例二：
100份（质量份）EVA树脂[VA含量28%，熔融指数（MI）为25克/10分钟（190℃，2.16公斤），熔点为70℃，维卡软化点为42℃，法国阿科玛公司，2825]投入高搅机中，加入1.0份有机过氧化物叔丁基过氧化碳酸-2-乙基己酯(阿科玛，Luperox TBEC)，2.0份助交联剂异氰脲酸三烯丙酯（湖南立德，TAIC），0.5份硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（美国道康宁公司，6030），0.2份紫外光吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（北京加成助剂研究所，GW531），0.2份光稳定剂双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯（北京加成助剂研究所，GW480），0.2份抗氧化剂双十八烷基醇季戊四醇二亚磷酸酯（双键化工，CHINOX618），搅搅拌30分钟，转速600转/分钟，将物料混合均匀；将上述物料投入螺杆挤出机中，经流延、冷却、牵引、卷取等工序得到样品B2，样品厚度0.5mm，宽度1000mm；检测结果见表1。
性能测试与评价：
1、体积电阻率测试：
体积电阻率的测试按照标准IEC60093：1980《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》进行，采用北京北广精仪仪器设备有限公司的best121型体积电阻率表面电阻率测试仪，取实施例和对比例制备的胶膜先放入真空层压机里进行交联反应，层压条件为温度140℃、抽真空5分钟，加压15分钟、加压压力0.5~1.0kg/cm2。完成交联反应后的胶膜再测试体积电阻率，测试结果见表1。
2、水蒸气透过率测试：
水蒸气透过率的测试按照标准GB/T21529-2008 《塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定 电解传感器法》进行，采用济南兰光机电技术有限公司的TSY～W3型电解法水蒸气透过率测试仪，试验条件为温度38℃，湿度90%。取实施例和对比例制备的胶膜先放入真空层压机里进行交联反应，层压条件为温度140℃、抽真空5分钟，加压15分钟、加压压力0.5~1.0kg/cm2。完成交联反应以后的胶膜再测试水蒸气透过率，试验结果见表1。
3、高压加速老化试验（PCT）前后与玻璃粘结强度测试：
胶膜与玻璃粘结强度的测试按照标准GB/T2790《胶黏剂180°剥离强度试验方法挠性材料对刚性材料》进行。将所得聚烯烃胶膜切成75 mm*150 mm大小，玻璃选用常规产品，背板选用共挤型背板，依次层叠玻璃/封装胶膜/背板获得层叠体，放入真空层压机中，温度140℃，抽真空5分钟，加压15分钟、加压压力0.5~1.0 kg/cm2。
PCT按照标准JESD22-102A进行，试验条件为：相对湿度100%、121℃、2 atm、24小时。
测试高压加速老化试验前后的胶膜与玻璃的粘结强度，试验结果见表1。
4、组件样品制备：
将所得聚烯烃胶膜作为封装膜制备太阳能电池组件，上层为玻璃基板，中间层为电池片，下层为背板，在玻璃和电池片之间为聚烯烃胶膜，胶膜A面朝玻璃，电池片和背板之间为另一层聚烯烃胶膜，胶膜A面朝背板，将各层材料按顺序层叠后，放入真空层压机中，设定层压操作的工艺条件为：温度140℃、抽真空5分钟，加压15分钟、加压压力0.5~1.0kg/cm2。接线盒、硅胶和铝合金边框采用通常的材料及封合方法。
玻璃选用常规产品，背板选用共挤型背板，水蒸气透过率为0.4 g/m2·24h，电池片为多晶电池片折射率2.04～2.05，转换效率为16.8%，尺寸为156*156mm2，单片电池片功率为4.08～4.09W，均为A级片，每块组件排列12块电池片。
5、抗PID试验：
先测试组件功率及EL影像，然后将组件放入老化试验箱，老化箱环境为温度85℃，湿度85%，组件缆线和边框之间施加负1000V直流电压。测试96小时，之后测试组件功率及EL图像，组件功率衰减大于5%则试验结束，组件功率衰减小于5%则继续试验直至功率衰减大于5%则试验结束。
通过上述实施例和对比例得到的封装胶膜以及太阳能电池组件，经过上述方法制样及测试，结果如下：
表1 各种聚烯烃胶膜的性能表征
EL影像测试结果件说明书附图1~4。图1为实施例一中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。图2为实施例二中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。图3为对比例一中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。图4为对比例二中试验前后太阳能电池组件的EL影像测试对比图。由图可见，本发明得到的太阳能电池组件具有良好的抗PID性能，而对比例则差很多。
由上述结果可知，本发明的聚烯烃胶膜与单层结构的聚烯烃树脂封装胶膜（对比例一）相比，具有更低的水蒸气透过率和更高的体积电阻率和粘结强度；而采用EVA制备的封装胶膜（对比例二）体积电阻率较低，PID现象明显；在高压加速老化试验后，本发明所得的胶膜仍然具有较高的粘结强度，延长了胶膜和使用该胶膜的太阳能电池组件的使用寿命。因此，本发明的聚烯烃胶膜具有较小的水蒸气透过率和较大的体积电阻率，该胶膜和使用该胶膜的太阳能电池组件具有良好的抗PID效果。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式，不能依此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，其特征在于，所述胶膜为A/B/A三层结构膜，各层的质量比A：B：A为10~20：60~80：10~20；
所述A层胶膜，以质量份计，包括如下组分：
聚烯烃树脂 100份
有机过氧化物 0.1～2份
助交联剂 0.01～5份
硅烷偶联剂 0.1～1份
紫外线吸收剂 0.1～1份
光稳定剂 0.1～1份；
其中，所述聚烯烃树脂为乙烯与α-烯烃的共聚物，其中乙烯的质量含量为80~90%；所述α-烯烃为1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯或4-甲基-1-戊烯；所述聚烯烃树脂的DSC熔点为81~90℃，熔体流动速率为1~20 g/10min（190℃，2.16 kg）；
所述B层胶膜为乙烯与α-烯烃的共聚物，其中乙烯的质量含量为80~90%；所述α-烯烃为1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯或4-甲基-1-戊烯；所述B层胶膜的DSC熔点大于90℃，熔体流动速率为1~20 g/10min（190℃，2.16 kg）。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，其特征在于：所述A层胶膜中的有机过氧化物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、双叔丁基过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5-二（叔丁基过氧化）己烷中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，其特征在于：所述A层胶膜中的助交联剂选自氰脲酸三烯丙酯、异氰脲酸三烯丙酯、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、邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，其特征在于：所述A层胶膜中的硅烷偶联剂选自乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，其特征在于：所述A层胶膜中的紫外线吸收剂为2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮；所述A层胶膜中的光稳定剂为双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯。
6.根据权利要求1所述的用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜，其特征在于：所述A层胶膜中还包括抗氧剂，所述抗氧剂为四[ß-（3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基）丙酸]十八烷基醇酯和/或双十八烷基季戊四醇二亚磷酸酯。
7.一种用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将A层胶膜的组分物料和B层胶膜的物料分别加入到三层共挤出片材机组的A螺杆、B螺杆以及C螺杆中；然后将物料同时在螺杆挤出机熔融挤出，通过分配器分配使物料呈A/B/A三层结构，经流延、冷却、牵引、卷取，即得到所述用于太阳能电池组件的抗PID聚烯烃胶膜。
8.采用权利要求1至6中任一抗PID聚烯烃胶膜制得的太阳能电池组件。
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