CN114429999A - 一种光伏背板 - Google Patents

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梅云宵
杨楚峰
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Abstract

本发明涉及光伏领域，尤其涉及一种光伏背板，其从上至下依次包括耐候层、背板基材以及耐候自清洁层，其三者之间分别通过粘结层相互粘结固定；其中，所述耐候自清洁层中同时含有羟基封端聚二甲基硅氧烷、纳米氧化物以及含氟硅烷偶联剂。本发明中在光伏背板中引入耐候自清洁层，从而能够使得光伏背板具有良好的耐候性能以及自清洁效果，使得污染物可以依靠雨水的流动被带走，难以滞留在背板表面，这保证了组件的美观程度以及光线利用率，同时由羟基封端聚二甲基硅氧烷、纳米氧化物、含氟硅烷偶联剂组成的清洁层使背板具有较好的耐候性，同时其耐磨性较好，且具有一定的阻水功能，此外本发明中光伏背板中的耐候自清洁层制备工艺简单，效果良好。

Description

一种光伏背板
技术领域
本发明涉及光伏领域，尤其涉及一种光伏背板。
背景技术
随着过度使用常规化石能源导致的一系列严重的环境问题，人们对于可再生清洁能源的重视程度越来越高。太阳能作为一种可再生能源，因其取之不尽用之不竭的特性，同时具有开发利用的清洁性、安全性和经济性等，将成为化石燃料最理想的替代能源。
光伏组件是利用太阳能发电的核心部件，从上到下依次由钢化玻璃、封装胶膜、太阳能电池片、封装胶膜、光伏背板五个部分组成。光伏背板作为光伏组件背面的支撑和保护材料，是光伏组件中不可或缺的重要部分。它位于光伏组件的最外面，直接暴露在外界环境中，需要经受雨、雪、高温、紫外线等等自然气候条件。另外在雨水的作用的下，背板表面很容易富集尘土、泥沙等污染物，这不仅影响了光伏组件的美观程度，还降低了光伏组件的发电效率。污染物甚至还会对背板造成一定程度的磨损，使背板出现发黄、开裂等问题。
申请号为CN202011063032.8公开的一种光伏背板，其包括依次层叠设置的第一耐候层、树脂基材层、第一应力缓冲层、第二应力缓冲层及第二耐候层。其虽然发明有效解决了光伏背板的耐候涂层或氟膜容易在低温环境下被动开裂的问题，但不具有自清洁的效果，因此在使用过程中会导致光伏组件的发电效率逐渐降低，还会产生发黄、开裂甚至破损的问题。因此，开发一种高耐候、同时具有自清洁性能的光伏背板，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的光伏背板耐候性能较差，同时容易附着污染物，导致在使用过程中发电效率降低，甚至对背板造成一定程度的磨损以及发黄、开裂的问题，提供了一种光伏背板用以克服上述缺陷。
为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种光伏背板，包括耐候自清洁层，所述耐候自清洁层中同时含有羟基封端聚二甲基硅氧烷、纳米氧化物以及含氟硅烷偶联剂。
作为优选，所述光伏背板依次包括耐候层、背板基材以及耐候自清洁层，其三者之间分别通过粘结层相互粘结固定。
本发明中的耐候自清洁层中含有羟基封端聚二甲基硅氧烷，其在固化后能够在下方的粘结层的表面形成保护层，由于有机硅结构具有良好的耐候性能，因此能够有效提升光伏背板的耐候性。并且由于本发明中的耐候自清洁层中还包含有一定的纳米氧化物，因此羟基封端聚二甲基硅氧烷在固化过程中，硅羟基能够与纳米氧化物表面存在的羟基发生交联反应从而相互之间牢固结合，有效提升了耐候自清洁层的致密程度，使得其耐候性能能够大幅提升，能够有效阻隔空气中的水分以及氧气沿着耐候自清洁层进入到光伏背板内部，导致老化变形的问题。
并且，由于纳米氧化物在与羟基封端聚硅氧烷结合后，会使得耐候自清洁层的表面形成类似于荷叶的微纳结构，因而其具有良好的疏水结构，从而实现自清洁的目的。使得雨、雪、尘土、泥沙等污染物无法附着在光伏背板的表面，延长了光伏背板的使用寿命。
此外，本发明为了提升耐候自清洁层的自清洁效果，还在耐候自清洁层中添加有含氟硅烷偶联剂，从而在耐候自清洁层中引入低表面能的氟元素，将其与纳米氧化物在表面形成的微纳结构相结合后，能够进一步提升光伏背板的自清洁效果。
作为优选，所述耐候自清洁层的制备方案如下：将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于有机溶剂中，向其中混合纳米氧化物以及有机锡类催化剂后涂覆于粘结层上，固化得到涂层，向涂层涂覆含氟硅烷偶联剂溶液，再次固化得到耐候自清洁层。
本发明耐候自清洁层的第一种实施方式在于首先将羟基封端聚二甲基硅氧烷以及纳米氧化物固化，然后在固化物表面涂覆含氟硅烷偶联剂溶液，再次固化后得到耐候自清洁层。采用这种方式制备得到的耐候自清洁层由于羟基封端聚二甲基硅氧烷首先与纳米氧化物一起固化，使得其两者之间的结合点更多，从而耐候自清洁层的耐候性能更加优异。
进一步优选，所述耐候自清洁层的制备方案如下：将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成8-15wt%的溶液，向其中加入3-6wt%的纳米氧化物，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的3-6wt%的有机锡类催化剂，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化4-24h。之后将浓度为2-5wt%的含氟硅烷偶联剂-乙醇溶液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于涂层表面，再于100℃下固化1-6h，得到耐候自清洁层。
作为优选，所述耐候自清洁层的制备方案如下：将纳米氧化物通过含氟硅烷偶联剂溶液修饰，再与羟基封端聚二甲基硅氧烷以及有机锡类催化剂混合后涂覆于粘结层上，固化得到耐候自清洁层。
本发明耐候自清洁层的第二种实施方式在于首先将纳米氧化物通过含氟硅烷偶联剂进行修饰，再将经过修饰后的纳米氧化物与羟基封端聚二甲基硅氧烷一起固化得到耐候自清洁层。采用这种方式制备得到的自清洁层由于其内外成分一致，且均匀含有纳米氧化物以及含氟硅烷偶联剂，使得耐候自清洁层内外部分的自清洁效果能够保持一致，使得其自清洁效果更加优异。
进一步优选，所述耐候自清洁层的制备方案如下：将浓度为2-5wt%的含氟硅烷偶联剂-乙醇溶液与纳米氧化物均匀混合，搅拌1h，之后离心分离，烘干得到含氟硅烷偶联剂修饰的纳米氧化物。将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成8-15wt%的溶液，向其中加入3-6wt%的含氟硅烷偶联剂修饰的纳米氧化物，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的3-6wt%的有机锡类催化剂，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化4-24h。
作为优选，所述纳米氧化物至少包含纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米三氧化二铝中的任意一种。
本发明中所采用的纳米氧化物其表面均具有相当数量的羟基，从而能够与羟基封端聚二甲基硅氧烷的硅羟基反应，从而形成致密且牢固的聚合物涂层，能够有效提升对于空气以及水汽的阻隔性能。并且，位于表面的纳米氧化物还能够形成与荷叶表面相类似的微纳结构，有效提升其疏水自清洁能力。
作为优选，所述纳米氧化物的粒径大小为20-50nm。
本发明研究人员发现，纳米氧化物的粒径大小对于最终光伏背板的自清洁效果具有明显的影响。随着纳米氧化物的粒径减小，耐候自清洁层的表面粗糙度出现先提升后下降的趋势，当纳米氧化物的粒径大小在20-50nm范围内，其表面粗糙度最高，使得其疏水效果最好。当纳米氧化物的粒径小于20nm或者大于50nm后，会导致整体耐候自清洁层的表面粗糙度的降低，不利于其自清洁能力的提升。
作为优选，所述含氟硅烷偶联剂选自三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、九氟己基三甲氧基硅烷、九氟己基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷中的任意一种或多种的组合。
作为优选，所述耐候层的组成材料选自聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、三氟氯乙烯-乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物中的的任意一种或多种的组合。
作为优选，所述粘结层的材料选自聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸树脂中的的任意一种或多种的组合。
作为优选，所述背板基材的组成材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯中的的任意一种或多种的组合。
作为优选，所述有机锡类催化剂选自二月桂酸二丁基锡、二醋酸二丁基锡、二(十二烷基硫)二丁基锡中的的任意一种或多种的组合。
作为优选，所述耐候层厚度为10-100μm。
当耐候层厚度小于10μm后会导致其耐候性能下降，无法达到预计效果，当耐候层厚度大于100μm后，会徒增原材料的成本。
作为优选，所述粘结层厚度为5-50μm。
当粘结层的厚度小于5μm后，其与耐候层、背板基材以及耐候自清洁层之间的粘结效果较差，导致光伏背板的稳定性大幅下降，当厚度大于100μm后同样会徒增原材料的成本。
作为优选，所述背板基材厚度为100-400μm。
作为优选，所述耐候自清洁层厚度为40-100μm。
当耐候自清洁层的厚度小于40μm后会导致其耐候性能下降，无法达到预计效果，当自清洁层的厚度大于100μm后，不利于对于耐候自清洁层溶剂残留的控制，同时也会影响背板的透光率。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中在光伏背板中引入耐候自清洁层，从而能够使得光伏背板具有良好的耐候性能以及自清洁效果，使得污染物可以依靠雨水的流动被带走，难以滞留在背板表面，这保证了组件的美观程度以及光线利用率；
（2）由羟基封端聚二甲基硅氧烷、纳米氧化物、含氟硅烷偶联剂组成的清洁层使背板具有较好的耐候性，同时其耐磨性较好，且具有一定的阻水功能；
（3）本发明中光伏背板中的耐候自清洁层制备工艺简单，效果良好。
附图说明
图1 为本发明的一种结构示意图。
其中：1.耐候层；2.粘结层；3.背板基材；4.耐候自清洁层。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明耐候自清洁层的制备方法如下：
耐候自清洁层（A-1）的制备：
将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成8wt%的溶液，向其中加入溶液质量3wt%的纳米二氧化硅(SiO2)，纳米二氧化硅(SiO2)平均粒径为20nm，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的3wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h。之后将纳米二氧化硅质量1%的三氟丙基三甲氧基硅烷配制成浓度为2wt%的三氟丙基三甲氧基硅烷-乙醇溶液，通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于涂层表面，再于100℃下固化3h，得到耐候自清洁层（A-1）。
耐候自清洁层（A-2）的制备：
将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成10wt%的溶液，向其中加入溶液质量5wt%的纳米氧化锌(ZnO)，纳米氧化锌(ZnO)平均粒径为35nm，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的5wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h。之后将纳米氧化锌质量3%的三氟丙基三甲氧基硅烷配制成浓度为4wt%的三氟丙基三甲氧基硅烷-乙醇溶液，通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于涂层表面，再于100℃下固化3h，得到耐候自清洁层（A-2）。
耐候自清洁层（A-3）的制备：
将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成15wt%的溶液，向其中加入溶液质量6wt%的纳米三氧化二铝(Al2O3)，纳米三氧化二铝(Al2O3)平均粒径为50nm，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的6wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h。之后将纳米三氧化二铝质量5%的三氟丙基三乙氧基硅烷配制成浓度为5wt%的三氟丙基三乙氧基硅烷-乙醇溶液，通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于涂层表面，再于100℃下固化3h，得到耐候自清洁层（A-3）。
耐候自清洁层（A-4）的制备：
将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成10wt%的溶液，向其中加入溶液质量5wt%的纳米氧化锌(ZnO)，纳米氧化锌(ZnO)平均粒径为15nm，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的5wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h。之后将纳米氧化锌质量3%的三氟丙基三甲氧基硅烷配制成浓度为4wt%的三氟丙基三甲氧基硅烷-乙醇溶液，通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于涂层表面，再于100℃下固化3h，得到耐候自清洁层（A-4）。
耐候自清洁层（A-5）的制备：
将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成10wt%的溶液，向其中加入溶液质量5wt%的纳米氧化锌(ZnO)，纳米氧化锌(ZnO)平均粒径为60nm，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的5wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h。之后将纳米氧化锌质量3%的三氟丙基三甲氧基硅烷配制成浓度为4wt%的三氟丙基三甲氧基硅烷-乙醇溶液，通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于涂层表面，再于100℃下固化3h，得到耐候自清洁层（A-5）。
耐候自清洁层（A-6）的制备：
将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成10wt%的溶液，向其中加入溶液质量5wt%的纳米氧化锌(ZnO)，纳米氧化锌(ZnO)平均粒径为35nm，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的5wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h。得到耐候自清洁层（A-6）。
耐候自清洁层（A-7）的制备：
将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成10wt%的溶液，向其中加入溶液质量5wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h。之后将羟基封端聚二甲基硅氧烷质量3%的三氟丙基三甲氧基硅烷配制成浓度为4wt%的三氟丙基三甲氧基硅烷-乙醇溶液，通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于涂层表面，再于100℃下固化3h，得到耐候自清洁层（A-7）。
耐候自清洁层（B-1）的制备：
将1份浓度为2wt%的含三氟丙基三甲氧基硅烷-乙醇溶液与100份平均粒径为20nm的纳米二氧化硅(SiO2)均匀混合，搅拌1h，之后离心分离，烘干得到含氟硅烷偶联剂修饰的纳米二氧化硅。将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成8wt%的溶液，向其中加入3wt%的含氟硅烷偶联剂修饰的纳米二氧化硅，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的3wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h，得到耐候自清洁层（B-1）。
耐候自清洁层（B-2）的制备：
将3份浓度为3wt%的三氟丙基三乙氧基硅烷-乙醇溶液与100份平均粒径为35nm的纳米氧化锌(ZnO)均匀混合，搅拌1h，之后离心分离，烘干得到含氟硅烷偶联剂修饰的纳米氧化锌。将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成10wt%的溶液，向其中加入5wt%的含氟硅烷偶联剂修饰的纳米氧化锌，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的5wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h，得到耐候自清洁层（B-2）。
耐候自清洁层（B-3）的制备：
将5份浓度为5wt%的十三氟辛基三甲氧基硅烷-乙醇溶液与100份平均粒径为35nm的纳米氧化锌(ZnO)均匀混合，搅拌1h，之后离心分离，烘干得到含氟硅烷偶联剂修饰的纳米氧化锌。将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于甲苯，配制成15wt%的溶液，向其中加入6wt%的含氟硅烷偶联剂修饰的纳米氧化物，超声分散均匀，得到混合液，之后加入混合液的6wt%的二月桂酸二丁基锡，混合搅拌1h。混合液通过喷涂、淋涂等方式，涂覆于粘结层之上，于100℃下固化12h，得到耐候自清洁层（B-3）。
实施例
如图1所示，一种光伏背板，其从上至下依次包括耐候层1、粘结层2、背板基材3、粘结层2以及耐候自清洁层4。
实施例1~8以及对比例1~4的配置表如下表1所示。
Figure 655728DEST_PATH_IMAGE002
对比例5：
市场上购得透明背板，厚度280μm。
【性能测试】
1.透光率：测试方法参照ASTM D1003《透明塑料透光率和雾度试验方法》。
2.黄变指数：测试方法参照GB/T 2409《塑料黄色指数试验方法》。
3.与EVA间剥离强度：测试方法参照GB/T 2790《胶黏剂180°剥离强度试验方法绕性材料对刚性材料》。
4.接触角：测试方法参照GB/T 30693-2014《塑料薄膜与水接触角的测量》。
5.自清洁层的表面粗糙度：通过Multimode原子力显微镜测定。用剪刀将要观察的背板样品剪成1cm×1cm的小块，用双面胶贴在金属圆片上，用带探针的多模式原子力显微镜进行测试。
6.附着力：测试方法参照标准GB/T 31034《晶体硅太阳电池组件用绝缘背板》。
7.耐候试验：测试方法参照标准GB/T 2423.3《高低温湿热试验方法》。
8.UV试验：测试方法参照标准GB/T 31034《晶体硅太阳电池组件用绝缘背板》。
9.最大功率：测试方法参照标准IEC 61215《地面用晶体硅晶体硅光伏组件—设计鉴定和定型》。
【测试结果】
Figure 776130DEST_PATH_IMAGE004
【性能分析】
由表中数据可知，本发明所涉及的实施例样品具有较好的自清洁性和耐候性，在背板表面引入耐候自清洁层，使得背板表面对水的接触角显著提高，保证了背板的防水阻水性能，老化测试后性能保持较好，保证了光伏组件在户外使用过程中的可靠性；与对比例1和例2相比，本发明所涉及的实施例采用粒径在20-50nm范围内的纳米氧化物，形成的耐候自清洁层的表面粗糙度更大，具有更大的接触角，自清洁性能更好；与对比例3相比，本发明所涉及的实施例的耐候自清洁层表面引入氟元素，具有更好的耐黄变性能；与对比例4相比，本发明所涉及的实施例的耐候自清洁层中掺入纳米氧化物，构建了具有一定粗糙度的表面，使得对水的接触角显著提高，表现出优异的防水阻水以及自清洁性能；与对比例5相比，本发明所涉及的实施例具有优异的自清洁性能和耐黄变性能，高低温湿热老化后组件功率衰减较小，应用于光伏组件中可以保证组件在户外使用的发电效率。
以上实施例仅为本发明优选的实施例，不能以此来限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明进行各种改进和替换，这些改进和替换均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光伏背板，其特征在于，所述光伏背板包括耐候自清洁层（4），所述耐候自清洁层（4）中同时含有羟基封端聚二甲基硅氧烷、纳米氧化物以及含氟硅烷偶联剂。
2.根据权利要求1所述的一种光伏背板，其特征在于，所述光伏背板依次包括耐候层（1）、背板基材（3）以及耐候自清洁层（4），其三者之间分别通过粘结层（2）相互粘结固定。
3.根据权利要求2所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述耐候自清洁层的制备方案如下：将羟基封端聚二甲基硅氧烷溶于有机溶剂中，向其中混合纳米氧化物以及有机锡类催化剂后涂覆于粘结层上，固化得到涂层，向涂层涂覆含氟硅烷偶联剂溶液，再次固化得到耐候自清洁层。
4.根据权利要求2所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述耐候自清洁层的制备方案如下：将纳米氧化物通过含氟硅烷偶联剂溶液修饰，再与羟基封端聚二甲基硅氧烷溶液以及有机锡类催化剂混合后涂覆于粘结层上，固化得到耐候自清洁层。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述纳米氧化物至少包含纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米三氧化二铝中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述纳米氧化物的粒径大小为20-50nm。
7.根据权利要求3或4中任意一项所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述含氟硅烷偶联剂选自三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、九氟己基三甲氧基硅烷、九氟己基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷中的任意一种或多种的组合。
8.根据权利要求2所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述耐候层的组成材料选自聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、三氟氯乙烯-乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物中的任意一种或多种的组合。
9.根据权利要求2所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述粘结层的材料选自聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸树脂中的任意一种或多种的组合。
10.根据权利要求2所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述背板基材的组成材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯中的任意一种或多种的组合。
11.根据权利要求2所述的一种光伏背板，其特征在于，
所述耐候层厚度为10-100μm；
所述粘结层厚度为5-50μm；
所述背板基材厚度为100-400μm；
所述耐候自清洁层厚度为40-100μm。
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