CN111732847A - 黑色高反射组合物、涂料、粒料及太阳能电池背板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种黑色高反射组合物、涂料、粒料及太阳能电池背板，属于高反射材料技术领域。黑色高反射组合物，包含有核壳结构的粒子，所述核壳结构的粒子由有机黑色染料构成核，由包覆在所述核外的抗紫外助剂构成壳。黑色高反射涂料包含有上述黑色高反射组合物；黑色高反射粒料采用干燥后的黑色高反射组合物作为造粒原料或造粒原料之一。以本申请所述的黑色高反射组合物作为着色组分所制备的太阳能电池背板同时具有对红外光线的高反射率以及耐久、耐候的使用稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及高反射材料技术领域，具体涉及一种黑色高反射组合物、涂料、粒料及太阳能电池背板。
背景技术
太阳辐照的能量主要集中在紫外光区、可见光区及红外光区，其中紫外光区的辐射能量约占7%，可见光区的辐射能量约占50%，红外光区的辐射能量约占43%，光伏电池主要吸收波长为400~700nm光波的能量转化成电能，而在红外光区的辐射能量则大部分转化成热量，由于光伏电池组件的散热性能较差，这些热能会造成组件内部温度快速上升，进而影响组件的转化效率。若太阳能电池背板的材料可以反射红外光区的辐射能量，则可以有效降低组件的表面温度，防止光伏电池组件温度上升。
常规的黑色太阳能电池背板使用炭黑作为颜料，其在可见光区及红外光区的反射率仅为4%左右，还是吸收了大部分的辐射能量，其效果远远达不到使用需求，因此，需要考虑采用其他类型的颜料或染料作为黑色背板的黑色填料。
但就目前的文献及市场现有产品来说，从填料类型上看，使用的不同的黑色填料多为无机颜料，如铁铬黑、钙钛锰氧化物、氧化亚钴等，其红外光区的反射率与炭黑相比有所提升，可提升至30%左右，难以达到反射率的要求；使用有机的黑色染料时，虽然可将反射率提升至50%以上，但是，有机的黑色染料在紫外线作用下容易褪色，有不耐用的问题。
现有技术中，采用无机黑色颜料的太阳能电池背板的实例为：申请公布号为CN109713069 A的中国发明专利公开了一种黑色高反射太阳能电池背板及其制备方法，背板包括由上至下依次设置的耐候层、粘结层、PET基体层和黑色功能涂料层。本发明的黑色高反射太能电池背板，通过以无机黑色颜料为主要原料的黑色功能涂料层，及不同反射率PET底材的选择，在取得美观效果的同时，红外波段也具有很高的反射率，尤其是750～1600nm波段反射率可达30～75％，既能将750～1100nm波段的太阳光反射到晶硅电池上，增加了太阳光的利用效率，提高了发电功率，也能将1100～1600nm波段的太阳光反射到空气中，增加了太阳热的反射效率，降低了组件温度，提高了电池片的发电效率。
发明内容
针对上述问题，本发明以提供一种黑色高反射组合物为主要目的进行研究开发，同时提供了使用该组合物的涂料、粒料及太阳能电池背板，以本申请所述的黑色高反射组合物作为着色组分所制备的太阳能电池背板同时具有对红外光线的高反射率以及耐久、耐候的使用稳定性。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
黑色高反射组合物，包含有核壳结构的粒子，所述核壳结构的粒子由有机黑色染料构成核，由包覆在所述核外的抗紫外助剂构成壳。
虽然无机填料可以保证黑色太阳能电池背板的耐候稳定性，但其自身的物化性质使得反射率难以达到期望的要求，因此，本申请发明人希望采用有机的黑色染料来提升红外光的反射率，同时着手解决有机黑色染料的性能稳定性问题。
作为上述技术方案的优选，所述有机黑色染料为直接耐晒染料、直接重氮染料、直接交链染料、含有络合金属的偶氮染料中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
作为上述技术方案的优选，所述有机黑色染料为直接黑144、金属络合染料X55、偶氮颜料B27、苯胺黑NO.2、苝黑LP32、苝黑L0086中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
作为上述技术方案的优选，所述抗紫外助剂为二苯甲酮类、苯并三唑类、取代丙烯腈类、手镯胺类、受阻酚类、亚磷酸酯类、芳香胺类、硫代酯类、硫酚类中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
作为上述技术方案的优选，所述抗紫外助剂为2-羟基-4-辛氧基二苯甲酮、2-（2’-羟基-5’-甲基苯基）-苯并三唑、2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯-苯丙三唑、2,2’亚甲基-（6-（2H-苯并三唑）-4-叔辛基）苯酚、2-氰基-3,3’-二苯基丙烯酸乙酯、癸二酸双2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸十八烷基醇酯、三（2,4-二叔丁基苯酚）亚磷酸酯、4,4’-二异丙苯基二苯胺中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
作为上述技术方案的优选，黑色高反射组合物的制备方法为：
将所述有机黑色染料溶解于溶剂中，在混合条件下，加入所述抗紫外助剂，待反应充分后即得黑色高反射组合物。
由于核壳结构可以将核和壳中好的性能结合起来，本发明使用原位包覆，将易紫外光降解的有机黑色染料使用抗紫外助剂进行包覆，因苯、蒽、琨、偶氮类的有机黑色染料与具有苯环的小分子紫外助剂间具备取向力，该取向力使得包覆更容易实现。
黑色高反射涂料，包含有上述任一技术方案所述的黑色高反射组合物。
黑色高反射粒料，采用干燥后的上述任一技术方案所述的黑色高反射组合物作为造粒原料或造粒原料之一，若所述的黑色高反射组合物原本为干燥状态，则无需再对其进行干燥处理。
太阳能电池背板，以上述黑色高反射涂料制成的涂层作为黑色高反射层，或者，以上述黑色高反射粒料经挤出制成的薄膜作为黑色高反射层。
作为上述技术方案的优选，由依次相结合的耐候层、基材层和所述黑色高反射层制成。
综上所述，本申请实施例具有以下有益效果：
1）本申请所述的太阳能电池背板对波长为750~1400nm的光波的反射率高达70%~90%。
2）进一步的，本申请所使用有机黑色染料作为填料，有机黑色染料的性质更容易实现抗紫外助剂包覆有机黑色染料的核壳结构，该结构应用于涂层或薄膜，能够解决背板裸露在空气中时，有机黑色染料经过照射后会逐渐褪色的问题，能够提高该背板的耐候稳定性。
3）辅助的，采用有机黑色染料的黑色高反射组合物的生产工艺较之无机黑色颜料而言更为简便，有机大分子根据相似相容原理更容易溶解，不需要像无机颜料那样需要经过额外的砂磨处理。
附图说明
图1为本申请实施例1所述的太阳能电池背板结构示意图；
图2为本申请实施例2所述的太阳能电池背板结构示意图；
图3为本申请实施例3和实施例4所述的太阳能电池背板结构示意图；
图4为实施例及对比例背板样品的反射率随波长变化的趋势图；
图中，1-耐候层、2-基材层、3-黑色高反射层,4-第一胶粘剂层、5-第二胶粘剂层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图以实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：参考图1，太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜，并通过第一胶粘剂层4与基材层2相粘接；
基材层2为高反射PET材料层，通过第二胶粘剂层5与黑色高反射层3相粘接；
黑色高反射层3包含有黑色高反射组合物，黑色高反射组合物包含有核壳结构的粒子，核壳结构的粒子由苯胺黑NO.2构成核，2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯-苯丙三唑、癸二酸双2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯、三（2,4-二叔丁基苯酚）亚磷酸酯组成的抗紫外助剂构成壳；
黑色高反射层3中还包含有含颜料亲和基团的嵌段共聚物类分散剂BYK108，聚醚改性聚有机硅氧烷类流平剂BYK355，固化剂促进剂二月桂酸二丁基锡，固化剂N3390(德国拜尔)和TAKENATETM D-120N，溶剂丁酮和二甲苯。
实施例2：参考图2，太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜，并通过第一胶粘剂层4与基材层2相粘接；
基材层2为高反射PET材料层；
黑色高反射层3包含有黑色高反射组合物，黑色高反射组合物包含有核壳结构的粒子，核壳结构的粒子由金属络合物X55构成核，2-羟基-4-辛氧基二苯甲酮、2-（2’-羟基-5’-甲基苯基）-苯并三唑、2,2’亚甲基-（6-（2H-苯并三唑）-4-叔辛基）苯酚、2-氰基-3,3’-二苯基丙烯酸乙酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯、三（2,4-二叔丁基苯酚）亚磷酸酯、4,4’-二异丙苯基二苯胺组成的抗紫外助剂构成壳；
黑色高反射层3中还包含有含颜料亲和基团的嵌段共聚物类分散剂BYK108，聚醚改性聚有机硅氧烷类流平剂BYK355，固化剂促进剂二月桂酸二丁基锡，固化剂Desmodur Z4470，溶剂丁酮和丙二醇甲醚醋酸酯。
实施例3：参考图3，太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜；
基材层2为高反射PET材料层，通过第二胶粘剂层5与黑色高反射层3相粘接；
黑色高反射层3包含有黑色高反射组合物，黑色高反射组合物包含有核壳结构的粒子，核壳结构的粒子由苝黑LP32构成核，2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯-苯丙三唑、癸二酸双2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯、三（2,4-二叔丁基苯酚）亚磷酸酯组成的抗紫外助剂构成壳；
黑色高反射层3中还包含有含颜料亲和基团的嵌段共聚物类分散剂BYK161，聚醚改性聚有机硅氧烷类流平剂BYK355，固化剂促进剂二月桂酸二丁基锡，固化剂Desmodur Z4470，溶剂乙酸乙酯。
实施例4：参考图3，太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜；
基材层2为全白PET材料层，通过第二胶粘剂层5与黑色高反射层3相粘接；
黑色高反射层3包含有黑色高反射组合物，黑色高反射组合物包含有核壳结构的粒子，核壳结构的粒子由苯胺黑NO.2构成核，2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯-苯丙三唑、癸二酸双2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯、三（2,4-二叔丁基苯酚）亚磷酸酯组成的抗紫外助剂构成壳；
黑色高反射层3中还包含有含颜料亲和基团的嵌段共聚物类分散剂BYK108，聚醚改性聚有机硅氧烷类流平剂BYK355，固化剂促进剂二月桂酸二丁基锡，固化剂N3390(德国拜尔)和TAKENATETM D-120N，溶剂丁酮和二甲苯。
对比例1：太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜，并通过第一胶粘剂层4与基材层2相粘接；
基材层2为高反射PET材料层；
黑色高反射层3采用未经抗紫外助剂包覆的有机黑色染料金属络合物X55。
对比例2：太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜，并通过第一胶粘剂层4与基材层2相粘接；
基材层2为高反射PET材料层；
黑色高反射层3采用无机黑色染料颜料铁铬黑。
对比例3：太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜；
基材层2为半白型PET材料层，并通过第二胶粘剂层5与黑色高反射层3相粘接；
黑色高反射层3的构成和实施例1相同。
对比例4：太阳能电池背板，由依次结合而成的耐候层1、基材层2和黑色高反射层3构成；
其中，耐候层1为含氟薄膜，并通过第一胶粘剂层4与基材层2相粘接；
基材层2为高反射PET材料层；
黑色高反射层3采用炭黑作为黑色染料。
实施例1~4和对比例3中，黑色高反射组合物的制备方法具体为：
取有机黑色染料超声搅拌溶解于丁酮和PMA中，超声搅拌持续20min，过滤网过滤后，滤液在超声搅拌条件下，逐滴加入抗紫外助剂，继续超声搅拌60min，即可得到黑色高反射组合物。
在实施例2中，黑色高反射层3为涂层，将上述黑色高反射组合物加入至涂料主体中，即得黑色高反射涂料，该涂料与异氰酸酯经过烘烤固化可得具有包覆结构的黑色高反射涂层。
在实施例1、3、4和对比例3中，黑色高反射层3为薄膜时，将上述黑色高反射组合物进行沉降干燥，溶剂挥发后可得具有核壳结构的粒子，通过与主体粒子原料造粒共挤可得具有包覆结构的黑色高反射薄膜。
对实施例1~4和对比例1~4中得到的太阳能电池背板材料用下述方法进行基本性能测试，以验证该新型结构黑色高反射太阳能电池背板的可靠性。具体如下：
1、反射率测试：按照GB/T13452 .3-92、GB/T9270-88、GB/T5211 .17-88、ISO3906-80标准设计的反射率测定仪进行测试，测试结果见表1：
表1.实施例及对比例背板样品的反射率
实施例及对比例背板样品的反射率随波长变化的趋势图参考说明书附图4。
由表1和图4可知，实施例1和实施例2所述的太阳能电池背板对波长在红外范围的光波具有较为优异的反射率，实施例3的反射率稍差，其原因是实施例3的结构和1、2相比，耐候层1为涂层，而实施例1、2为薄膜，复合型的耐候层厚度会比涂覆型涂层的厚度要厚些，且从材质本身来说，薄膜比涂层的致密性、均匀度等方面要好些，因此，在反射层对反射率影响不是很大的情况下，复合型的耐候层有助于反射率的提升，实施例4的反射率在实施例中最差，可能是由于采用了全白PET作为基材层2的材料。
对比例1所述的太阳能电池背板，由于采用了有机黑色染料，其反射率仍然达到了较高值，但由于有机黑色染料在紫外线作用下容易褪色，其耐用性存在隐患；对比例2所述的太阳能电池背板采用了无机黑色染料，其在700~920nm波长范围内光波的反射率明显不如实施例1~4所述的太阳能电池背板；对比例3所述的太阳能电池背板采用了半白型PET作为基材层2的材料，导致其在900~1400nm波长范围内的反射率明显不如实施例1~实施例4所述的太阳能电池背板；对比例4所述的太阳能电池背板采用炭黑作为黑色染料，其对各个波长段的反射率均处于较低的反射率水平。
2、与EVA的剥离强度测试：按GB/T2790进行剥离强度测试，测试结果如表2：
表2.实施例及对比例背板样品与EVA的剥离强度
由表2可知，实施例1~4与对比例1~4所述的太阳能电池背板的与EVA剥离强度均达到了较高值，且老化后仍能维持较高的水平。
3、关于高反射层的耐候稳定性，通过目视观察颜色变化，经过紫外老化后高反射层颜色与初始颜色一致的样品用◎表示，颜色与基材颜色一致或接近的样品用×表示，具体结果见表3：
表3.目视观察背板颜色结果
由表3可知，对比例1所述的太阳能电池背板由于有机黑色染料在紫外线作用下容易褪色，其耐用性确实存在隐患。
4、组件功率：按IEC61215-2 2016:4 .2进行检测，结果见表4：
表4.实施例及对比例背板样品组件功率结果
由表4可知，实施例1~4与对比例1~4所述的太阳能电池背板的的发电功率均达到了较高值。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.黑色高反射组合物，其特征在于：包含有核壳结构的粒子，所述核壳结构的粒子由有机黑色染料构成核，由包覆在所述核外的抗紫外助剂构成壳。
2.根据权利要求1所述的黑色高反射组合物，其特征在于：所述有机黑色染料为直接耐晒染料、直接重氮染料、直接交链染料、含有络合金属的偶氮染料中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
3.根据权利要求2所述的黑色高反射组合物，其特征在于：所述有机黑色染料为直接黑144、金属络合染料X55、偶氮颜料B27、苯胺黑NO.2、苝黑LP32、苝黑L0086中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
4.根据权利要求1所述的黑色高反射组合物，其特征在于：所述抗紫外助剂为二苯甲酮类、苯并三唑类、取代丙烯腈类、手镯胺类、受阻酚类、亚磷酸酯类、芳香胺类、硫代酯类、硫酚类中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
5.根据权利要求4所述的黑色高反射组合物，其特征在于：所述抗紫外助剂为2-羟基-4-辛氧基二苯甲酮、2-（2’-羟基-5’-甲基苯基）-苯并三唑、2-（2’-羟基-3’5’-二叔丁基苯基）-5-氯-苯丙三唑、2,2’亚甲基-（6-（2H-苯并三唑）-4-叔辛基）苯酚、2-氰基-3,3’-二苯基丙烯酸乙酯、癸二酸双2,2,6,6-四甲基哌啶醇酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯、β（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸十八烷基醇酯、三（2,4-二叔丁基苯酚）亚磷酸酯、4,4’-二异丙苯基二苯胺中的一种物质，或为包含有上述两种及以上物质的混合物。
6.根据权利要求1~5中任一条所述的黑色高反射组合物，其特征在于，其制备方法为：
将所述有机黑色染料溶解于溶剂中，在混合条件下，加入所述抗紫外助剂，待反应充分后即得黑色高反射组合物。
7.黑色高反射涂料，其特征在于：包含有权利要求1~6所述的黑色高反射组合物。
8.黑色高反射粒料，其特征在于：采用干燥后的权利要求1~6所述的黑色高反射组合物作为造粒原料或造粒原料之一，若所述的黑色高反射组合物原本为干燥状态，则无需再对其进行干燥处理。
9.太阳能电池背板，其特征在于：以权利要求7所述的黑色高反射涂料制成的涂层作为黑色高反射层（3），或者，以权利要求8所述的黑色高反射粒料经挤出制成的薄膜作为黑色高反射层（3）。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池背板，其特征在于：由依次相结合的耐候层（1）、基材层（2）和所述黑色高反射层（3）制成。
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