CN110271254A - 一种聚烯烃基透明光伏背板及其应用 - Google Patents
一种聚烯烃基透明光伏背板及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种新型透明光伏背板，特别涉及一种聚烯烃基透明光伏背板及其应用。为了解决现有涂覆型透明背板耐候性差、水汽阻隔性差的问题，本发明提供一种聚烯烃基透明光伏背板及其应用。所述的聚烯烃基透明光伏背板从电池侧到空气侧依次包括：透明聚烯烃内层、第一胶水层、透明PET基材层、第二胶水层和透明含氟聚合物耐候层。该背板具有优异的热封性能、耐候性良好、水汽阻隔性好，以及价格低廉。该背板用于封装双面发电光伏组件。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型透明光伏背板，特别涉及一种聚烯烃基透明光伏背板及其应用，该背板用于封装双面发电光伏组件。
背景技术
为了实现光伏发电平价入网，双面电池作为高效组件技术已经成为市场的主要发展方向。目前双面电池组件在组装时有双玻或者单玻+透明背板两种方案，其中双玻组件具有下述缺点：(1)重量重，不便安装和调试；(2)不具备呼吸性；(3)无边框，有水汽进入的风险；(4)组件组装需要更新原有生产线；(5)成本高。为避免以上缺点，在双面电池组件的制造过程中单玻+透明背板越来越成为趋势。
作为双面电池组件支撑和保护层，透明背板不仅需要满足高透光率(高于90％)和足够的机械强度，并且需要满足光伏组件对于25年户外使用的要求。目前关于透明背板报道有：中国专利CN103855235B(公告日为2017年3月1日)中提到一种在PET基材图案化涂覆的高雾度低透光率(小于90％)的透明背板，可用于房屋顶的太阳能电池板，但是透光率低影响发电效率；中国专利申请CN104201224A(公布日为2014年12月10日)中制备一种雾度可调的双面涂覆的PET基光伏背板和中国专利申请CN107759983A(公布日2018年3月6日)中提出一种在电池片间隔反射电池片投射的双面涂覆型网格型背板，以及中国专利申请CN108767067A(公布日2018年11月6日)中的KPF结构的透明背板，而涂敷型背板耐磨性和水汽阻隔性较差，容易出现水汽透入组件的风险；中国专利申请CN105428445A(公布日为2016年3月23日)中提出以透明耐候性PC膜作为耐候层和LLDPE膜为内层膜的PET基复合膜透明背板，属于无氟型背板，耐候性存在风险。
上述专利或专利申请报道的透明背板多是涂覆型透明背板或无氟背板，该类型背板在耐候性以及水汽阻隔性上都存在一定的缺陷。
发明内容
为了解决现有涂覆型透明背板耐候性差、水汽阻隔性差的问题，本发明提供一种聚烯烃基透明光伏背板及其应用。该背板具有优异的热封性能、耐候性良好、水汽阻隔性好，以及价格低廉。该背板内层材料选自聚烯烃(PO)材料。该背板用于封装双面发电光伏组件。
为了解决上述技术问题本发明采用以下技术方案解决：
本发明提供一种聚烯烃基透明光伏背板(简称透明背板或背板)，所述背板包括内层，基材层和耐候层；所述内层为透明聚烯烃内层。
进一步的，所述内层材料选自聚烯烃，所述基材层材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述耐候层材料选自含氟聚合物。
进一步的，所述背板的内层、基材层和耐候层均为透明材料。
进一步的，所述背板的内层与基材层通过粘结层粘结在一起，所述基材层与耐候层通过粘结层粘结在一起；所述粘结层的材料选自透明耐候性聚氨酯胶水。
进一步的，所述的背板包括聚烯烃(PO)材料作为透明背板内层、透明聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜作为基材层、透明含氟聚合物作为耐候层；内层与基材层之间和基材层与耐候层之间的透明耐候性聚氨酯胶水作为粘结层。
所述的双面光伏组件用聚烯烃基透明光伏背板结构从电池侧到空气侧依次是：透明聚烯烃内层、第一胶水层、透明PET基材层、第二胶水层和透明含氟聚合物耐候层。
进一步的，透明背板内层的厚度为60-150μm；透明PET膜的厚度为150-240μm；透明含氟聚合物耐候层的厚度为15-30μm；第一胶水层厚度为5-15μm；第二胶水层厚度为5-15μm。
所述的透明聚烯烃内层的材料为聚烯烃改性共混物，该内层可以是挤出流延制备的多层膜，至少两层膜结构，包括热封层和结构层：
(1)热封层是一种剩余熔化热(即在层压温度和最终熔化之间的熔化热)低于50kJ/kg，优选低于30kJ/kg的聚烯烃共混物，这样保证在层压温度下充分融化，保证与EVA的粘结性能；
(2)结构层是一种剩余熔化热(即在层压温度和最终熔化之间的熔化热)不低于30kJ/kg，优选不低于50kJ/kg的聚烯烃共混物，这样保证在层压温度下能够有一定的厚度保持，进而保证背板的绝缘性能；
所述聚烯烃共混物是指聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、或乙烯-辛烯弹性体中的一种或至少两种与无机纳米填料及改性助剂通过双螺杆挤出机加工后的改性混合物。
进一步的，所述的透明聚烯烃内层包括热封层和结构层，所述结构层的剩余熔化热高于热封层的剩余熔化热。
进一步的，所述的透明聚烯烃内层包括热封层和结构层，所述热封层的剩余熔化热低于50kJ/kg，所述结构层的剩余熔化热不低于50kJ/kg的聚烯烃共混物。
进一步的，所述的透明聚烯烃内层包括热封层和结构层，所述热封层的剩余熔化热低于30kJ/kg，所述结构层的剩余熔化热不低于30kJ/kg的聚烯烃共混物。
进一步的，所述的透明聚烯烃内层包括热封层和结构层，所述热封层的剩余熔化热低于30kJ/kg，所述结构层的剩余熔化热不低于50kJ/kg的聚烯烃共混物。
所述热封层聚烯烃共混物(A)由以下成份组成：聚丙烯树脂30-60份，聚乙烯树脂30-60份，成核剂0.1-5份，紫外吸收剂0.1-10份，光稳定剂0.05-1份，和抗氧剂0.05-1份，所述份数为重量份。所述聚丙烯树脂和聚乙烯树脂的总份数为90重量份。
所述结构层聚烯烃共混物(B)由以下成份组成：聚丙烯树脂65-80份，聚乙烯树脂10-25份，成核剂0.1-5份，紫外吸收剂0.1-10份，光稳定剂0.05-1份，和抗氧剂0.05-1份，所述份数为重量份。所述聚丙烯树脂和聚乙烯树脂的总份数为90重量份。
进一步的，热封层聚烯烃共混物A由以下成份组成：聚丙烯树脂40-60，聚乙烯树脂30-50份，成核剂0.1-1份，紫外吸收剂1-5份，光稳定剂0.1-1份，和抗氧剂0.1-1份。
进一步的，结构层聚烯烃共混物B由以下成份组成：聚丙烯树脂70-80份，聚乙烯树脂10-20份，成核剂0.1-1份，紫外吸收剂1-5份，光稳定剂0.1-1份和抗氧剂0.1-1份。
进一步的，热封层聚烯烃共混物A由以下成份组成：聚丙烯树脂50-60份，聚乙烯树脂30-40份，成核剂0.5-1份，紫外吸收剂2.5-5份，光稳定剂0.5-1份和抗氧剂0.5-1份。
进一步的，结构层聚烯烃共混物B由以下成份组成：聚丙烯树脂75-80份，聚乙烯树脂10-15份，成核剂0.5-1份，紫外吸收剂2.5-5份，光稳定剂0.5-1份和抗氧剂0.5-1份。前述技术方案包括实施例5-7。
其中，所选的聚丙烯树脂为熔融指数在0.5-10g/min，优选1-5g/min的无规聚丙烯、均聚聚丙烯、或嵌段聚丙烯中的一种或至少两种的组合；聚乙烯树脂为熔融指数在0.5-5g/10min，优选1-5g/min的线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、茂金属线性低密度聚乙烯、辛烯共聚聚乙烯、或丁烯共聚聚乙烯中的一种或至少两种的组合。聚丙烯树脂和聚乙烯树脂的熔融指数的范围能满足流延工艺要求。聚丙烯树脂和聚乙烯树脂折光指数相近能有效减少光的折射和散射，保证聚烯烃薄膜的透明度。进一步的，聚乙烯树脂的折光指数与聚丙烯树脂的折光指数的差值小于0.005。
所述成核剂选自山梨醇类、芳基磷酸盐、或羧酸金属盐类有机成核剂。进一步的，所述成核剂选自Millad NX8000、Millad 3988、ZC-2或ZC-3中的一种或至少两种的复配。成核剂主要作用是提供成核位点，降低聚烯烃树脂的球晶尺寸，提高聚烯烃薄膜的透明度。
所述紫外吸收剂为苯酮类或苯并三唑类紫外吸收剂，选自UV-234、UV-326、UV-1577或UV-531中的一种或至少两种的组合。
所述光稳定剂选自光稳定剂GW-770、光稳定剂GW-783、光稳定剂GW-944或光稳定剂GW-622中的一种或至少两种的组合。
所述抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或至少两种的组合。
所述的基材层透明PET膜为PET树脂和加工助剂改性后通过挤出流延双向拉伸工艺制备的薄膜，提供背板一定的机械强度。
所述的透明聚烯烃内层膜的加工方法可以是流延法或吹膜法的一种，优选挤出流延法。
所述的透明聚烯烃内层膜的热封层厚度为10μm，聚烯烃内层膜的结构层的厚度为透明内层总厚度减去热封层厚度。
本发明还提供所述的聚烯烃基透明光伏背板的应用，该背板用于封装双面发电光伏组件。
所述透明聚烯烃薄膜(透明聚烯烃内层)的制备工艺：
将热封层共混物A/结构层共混物B的原料放入500-1000rpm高速混合机中混合均匀，制备出预混物，然后将预混物经双螺杆挤出机在150-300℃共混改性造粒，得到聚烯烃复合物粒子。最后在多层共挤出流延设备中180-250℃条件下熔融、塑化后经过T型模头挤出，冷却定型、收卷缠绕成膜。
所述的耐候层选自透明聚氟乙烯膜、或透明聚偏氟乙烯膜中的一种，优选透明聚偏氟乙烯膜，能够保证背板的户外25年的使用寿命。
所述的第一胶水层和第二胶水层为添加了紫外吸收剂和抗氧剂的耐候性聚氨酯胶水，其中主剂是丙烯酸酯多元醇、聚醚多元醇、或聚酯多元醇中的一种或至少两种的组合，固化剂是脂肪族二异氰酸酯或芳香二异氰酸酯的一种或至少两种的组合，优选六亚甲基二异氰酸酯。
所述的透明背板的制备方法包括下述步骤：
(1)将透明PET膜的一面进行电晕处理后，涂上透明聚氨酯胶水后经过五段烘道将溶剂烘干，烘箱温度在80-110℃范围；
(2)将上一步处理后的透明PET膜，与透明含氟聚合物耐候膜进行复合；
(3)将复合后的透明PET膜的另一面进行电晕处理后，涂上透明聚氨酯胶水后经过五段烘道将溶剂烘干，烘箱温度在80-110℃范围；
(4)将上一步复合后的透明PET膜，再与经电晕处理的聚烯烃薄膜(透明聚烯烃内层)的结构层进行复合；
(5)将复合后的薄膜放入烘箱，在30-50℃，优选50℃烘房温度下，熟化后得到透明背板成品。
本发明制备的透明背板与市场上常用的涂覆型透明背板相比，在耐候性(耐紫外、耐高温高湿等)、水汽阻隔性、电气绝缘性能(击穿电压和有效绝缘厚度(DTI))、透光率以及与EVA封装粘结性上有很大的优势，这些优势能够保证组件的二十五年的使用寿命，并且能够有效提高光伏组件的发电效率。同时本发明中背板内层膜在层压条件下具有一定的DTI厚度，能够承担背板PET的一部分作用，价格低廉的聚烯烃材料部分或完全取代PET，能够降低组件成本，进一步降低发电成本。
附图说明
图1是本发明提供的聚烯烃基透明光伏背板的剖视图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图1对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种聚烯烃基透明光伏背板，所述背板依次包括透明聚烯烃内层1、第一胶水层2、透明PET基材层3、第二胶水层4和透明含氟聚合物耐候层5。
本发明提供的聚烯烃基透明光伏背板，进行下述测试。
1、击穿电压
测试方法：参照标准GB/T1408.1《绝缘材料电气强度试验方法第1部分工频下试验》
2、水汽透过率
测试方法：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》
3、透光率
测试方法参照标准GB/T 29848《光伏组件封装用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)胶膜》中带积分球的有分光光度计方法，测试仪器：紫外可见光分光光度计，测试条件：400-1100nm。
4、与EVA剥离强度
测试方法参照标准GB/T2790《胶黏剂180°剥离强度试验方法挠性材料对刚性材料》，试样尺寸：300mm×300mm，拉伸强度：100mm/min。
5、透明聚烯烃内层(也称为透明聚烯烃内层膜)DTI保持厚度
测试方法参照IEC TS 62788-2:2017《Measurement procedures for materialsused in photovoltaic modules–Part 2:Polymeric materials–Frontsheets andbacksheets》(光伏组件所用材料的测量方法-第2部分：聚合物材料-前板和背板)。透明聚烯烃内层(也称为透明聚烯烃内层膜)DTI值越高，绝缘性能越好，可使基材PET的厚度降低，从而降低背板的成本。(整个透明背板在1500v要求DTI保持在300微米以上，如果内层膜的DTI高，则能降低基材PET厚度，而内层膜成本比PET基材成本低，因此就能降低整个透明背板的成本)
6、电痕化指数(CTI)
测试方法参照GB/T4207-2003《固体绝缘材料在潮湿条件下相比电痕化指数和耐电痕化指数的测定方法》。电痕化指数(CTI)大于或等于600V为一等级，大于或等于400V并小于600V为二等级。一等级绝缘性优于二等级。
7、紫外老化试验和湿热老化试验
测试方法参照IEC TS 61215-2:2016《Terrestrial photovoltaic(PV)modules–Design qualification and type approval–Part 2:Test procedures》(地面光伏(PV)模块设计资格和类型批准第2部分:试验程序)。Δb是黄变值，黄变值越低耐候性越好。
实施例1-7
本发明提供一种聚烯烃基透明光伏背板，所述背板依次包括透明聚烯烃内层、第一胶水层、透明PET基材层、第二胶水层和透明含氟聚合物耐候层；所述透明聚烯烃内层包括热封层和结构层。
对比例1-3
提供一种聚烯烃基透明光伏背板，所述背板依次包括透明聚烯烃内层、第一胶水层、透明PET基材层、第二胶水层和透明含氟聚合物耐候层；所述透明聚烯烃内层包括热封层和结构层。
实施例1-7及对比例1-3中透明聚烯烃内层的配方如下表1和表2：
表1实施1-5透明聚烯烃内层的热封层和结构层配方
表2实施6-7和对比例1-3透明聚烯烃内层的热封层和结构层配方
实施例和对比例中所述聚丙烯树脂为嵌段聚丙烯和均聚聚丙烯的组合，熔融指数为3.5g/10min。所述聚乙烯树脂为辛烯共聚聚乙烯和茂金属线性低密度聚乙烯的组合，熔融指数为2g/10min。
实施例1-7以及对比例1-2配方中聚乙烯树脂和聚丙烯树脂折光指数差值为0.003。
所述热封层和结构层(聚烯烃共混物)配方中的成核剂为Millad NX8000和Millad3988的复配，重量比例为50:50。所述紫外吸收剂为紫外吸收剂UV-531。所述光稳定剂为光稳定剂GW-944和GW-770的复配，重量比例为70:30。所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的复配，重量比例为50:50。
对比例1-3中，对比例1配方中没有添加成核剂；对比例2配方中没有添加抗氧剂和紫外稳定剂；对比例3配方中聚丙烯树脂和聚乙烯树脂折光指数差值为0.006。
实施例1-7与对比例1-3中透明聚烯烃内层及透明背板制备工艺相同，具体如下：
透明聚烯烃薄膜的制备方法：
将共混物两种物料按上述表1和表2的配方分别放入1000rpm高速混合机中混合均匀，制备出预混物，然后将预混物分别经双螺杆挤出机150-300℃共混改性造粒，得到聚烯烃复合物粒子A(热封层材料)和聚烯烃复合物粒子B(结构层材料)。最后在多层共挤出流延设备中180-250℃条件下熔融、塑化后经过T型模头挤出，冷却定型、收卷缠绕成膜。
所述的透明聚烯烃内层的热封层厚度为10μm，结构层厚度为透明内层总厚度减去热封层厚度。
所述透明背板的透明内层厚度为60μm；透明PET膜(基材)厚度为240μm；透明含氟聚合物耐候层厚度为25μm；第一和第二胶水层厚度均为10μm。
透明背板的制备方法：
(1)将透明PET膜的一面进行电晕处理后，涂上透明聚氨酯胶水后经过五段烘道将溶剂烘干，烘箱温度从入口到出口依次设定为80℃、90℃、110℃、100℃、和90℃；
(2)将上一步处理后的透明PET膜，与透明含氟聚合物耐候膜进行复合。
(3)将复合后的透明PET膜的另一面进行电晕处理后，涂上透明聚氨酯胶水后经过五段烘道将溶剂烘干，烘箱温度从入口到出口依次设定为80℃、90℃、110℃、100℃、和90℃；
(4)将上一步复合后的透明PET膜，再与经电晕聚烯烃薄膜(指透明聚烯烃内层)的结构层进行复合。
(5)将复合后的薄膜放入烘箱，在50℃烘房温度下，熟化后得到透明背板成品。
实施1-7及对比例1-3制得的透明光伏背板的关键性能指标进行测试，测试结果如表3和表4所示。
表3实施1-5制得的透明光伏背板的关键性能测试结果
表4实施6-7和对比例1-3制得的透明光伏背板的关键性能测试结果
由表3和表4可以得出，实施例1-7中透明光伏背板的样品透光率都保持在90％以上，水汽透过率在2.0g/(m2·day)以下、与EVA剥离强度能够达到60N/cm以上、击穿电压大于20kV、CTI大于600V、透明内层膜搭配240μm透明PET和25μm透明氟膜的透明背板的DTI的厚度在300μm以上、并且通过了IEC国际电工委员会有关紫外老化和湿热老化的测试，本发明具有优异的热封性能、良好的电气绝缘性能、耐候性良好、水汽阻隔性好以及价格低廉等优点，对于双面太阳能组件具有长效保护的功能。其中，优选实施例为实施例5-7，实施例5-7提供的透明背板性能更好，透明聚烯烃内层的DTI值均大于46μm，击穿电压大于22kV，而且具有更优的耐候性。
对比例1配方中没有添加成核剂，透光率小于90％，达不到透明背板的要求。对比例2配方中没有添加抗氧剂和紫外稳定剂，在紫外老化和湿热老化中样品黄变值过大，背板功能失效。对比例3配方中聚丙烯树脂和聚乙烯树脂折光指数差值大于0.005，样品透光率小于90％，达不到透明背板的要求。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替代，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述背板包括内层，基材层和耐候层；所述内层为透明聚烯烃内层。
2.根据权利要求1所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述背板的内层、基材层和耐候层均为透明材料。
3.根据权利要求1所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述背板的内层与基材层通过粘结层粘结在一起，所述基材层与耐候层通过粘结层粘结在一起；所述粘结层的材料选自透明耐候性聚氨酯胶水。
4.根据权利要求3所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述的聚烯烃基透明光伏背板从电池侧到空气侧依次包括：透明聚烯烃内层、第一胶水层、透明PET基材层、第二胶水层和透明含氟聚合物耐候层。
5.根据权利要求4所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述背板内层的厚度为60-150μm；透明PET基材层的厚度为150-240μm；透明含氟聚合物耐候层的厚度为15-30μm；第一胶水层厚度为5-15μm；第二胶水层厚度为5-15μm。
6.根据权利要求1所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述的内层包括热封层和结构层，所述热封层的剩余熔化热低于结构层的剩余熔化热。
7.根据权利要求6所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述热封层的剩余熔化热低于30kJ/kg，所述结构层的剩余熔化热不低于50kJ/kg。
8.根据权利要求6所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述热封层由以下成份组成：聚丙烯树脂30-60份，聚乙烯树脂30-60份，成核剂0.1-5份，紫外吸收剂0.1-10份，光稳定剂0.05-1份，和抗氧剂0.05-1份，所述份数为重量份；所述结构层由以下成份组成：聚丙烯树脂65-80份，聚乙烯树脂10-25份，成核剂0.1-5份，紫外吸收剂0.1-10份，光稳定剂0.05-1份，和抗氧剂0.05-1份，所述份数为重量份。
9.根据权利要求6所述的聚烯烃基透明光伏背板，其特征在于，所述热封层由以下成份组成：聚丙烯树脂50-60份，聚乙烯树脂30-40份，成核剂0.5-1份，紫外吸收剂2.5-5份，光稳定剂0.5-1份和抗氧剂0.5-1份；所述结构层由以下成份组成：聚丙烯树脂75-80份，聚乙烯树脂10-15份，成核剂0.5-1份，紫外吸收剂2.5-5份，光稳定剂0.5-1份和抗氧剂0.5-1份。
10.一种根据权利要求1-8中任一项所述的聚烯烃基透明光伏背板的应用，其特征在于，该背板用于封装双面发电光伏组件。
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