CN114716919A - 一种太阳能电池用导热胶膜及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及IPC分类的C09J7/00领域，尤其涉及一种太阳能电池用导热胶膜及其应用。导热胶膜的结构主要包括至少一层间隔层和至少一层导热胶层；所述间隔层贴附于导热胶层表面。导热胶层的原料至少包含以下成分：基料60～80份，导热填料20～40份，功能粒子10～15份，助剂5～10份。本申请制备的导热胶膜具有优异的使用寿命，导热效率和体系电阻的同时，还有效减少了导热胶膜的吸湿现象，增强胶膜的防水性和力学性能，适宜在电池组件领域推广，具有广阔的发展前景。

Description

一种太阳能电池用导热胶膜及其应用
技术领域
本发明涉及IPC分类的C09J7/00领域，尤其涉及一种太阳能电池用导热胶膜及其应用。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，电能电子产业的发展也在近些年中得到了突飞猛进般的发展，尤其是电池领域的发展最为迅猛。电池作为电能电子产业的能源基石，其发展的水平基本上决定了电子产业的发展上限，因此，电池领域的发展成为近些年最热门的研究课题。但随着对于电池能量的需求不断变大，电池组件也不断的在提升尺寸，而电池组件在发电过程中容易产生大量的热能，而热能的存在又极大地影响了电池组件的发电效率，温度每升高1℃就会使得太阳能电池组件的发电效率降低0.3～1％左右，因此，提升电池组件的导热散热效率也是太阳能电池组件领域的重要课题，而近些年出现的导热胶膜材料则有效地解决了这一问题。
传统的导热胶膜都多为高分子材料与导热填料的结合，例如，现有技术(CN201811632231.9)提供了一种石墨烯导热胶膜，其主要的导热功能层为胶黏剂，固化剂，石墨烯和纳米氧化锌等材料制备的导热材料，其声称导热胶膜具有简洁的设计，具有良好的柔韧性和较薄的厚度，且工艺简单操作；但是在实际的使用制备和使用过程中，常用的石墨烯材料因为其边缘和表面缺陷以及氧化锌导热材料的使用，为导热胶膜带来了大量的亲水性基团，这使得在一些外部环境情况的影响下，导热胶膜很容易出现吸湿脱落和损坏的现象，从而进一步的影响电池组件的散热性能，并且吸湿性的出现热进一步降低了导热能力和胶膜力学性能以及抗PID性能。
因此，亟需一种在具有优异的导热性能的同时，还能够具有良好的防吸湿性，力学性能，粘结性能和抗PID性能的太阳能电池专用导热胶膜。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：导热胶膜的结构主要包括至少一层间隔层和至少一层导热胶层；所述。
作为一种优选的方案，所述间隔层的厚度为200～400微米。
作为一种优选的方案，所述导热胶层的厚度为80～300微米。
作为一种优选的方案，按重量份计，所述导热胶层的原料至少包含以下成分：基料60～80份，导热填料20～40份，功能粒子10～15份，助剂5～10份。
作为一种优选的方案，按重量份计，所述间隔层的原料至少包含以下成分：基料80～90份，助剂5～10份。
作为一种优选的方案，所述基料为EVA、POE、PO、EAA、EMA、酚醛树脂、环氧树脂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述导热胶层的基料为EVA(乙烯-乙酸乙烯共聚物)和POE。
作为一种优选的方案，所述EVA和POE的质量比为5～6:1～2。
作为一种优选的方案，所述EVA和POE的质量比为5.5:1.5。
作为一种优选的方案，所述间隔层的基料为EVA。
作为一种优选的方案，所述导热填料为石墨烯、氧化铝、氧化锌、氧化镁、碳化硅中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述导热填料为石墨烯，改性氧化铝和改性氧化锌。
作为一种优选的方案，所述改性氧化锌的制备方法包含以下几步：(1)将丁二酸酐溶解于DMF溶液中，并加入一定量的硅烷偶联剂，在水浴温度40～50℃下加热搅拌3～4小时；(2)之后将氧化锌加入反应溶液，保持搅拌速度为100～150rpm，持续搅拌反应3～5小时后获得预处理氧化锌；(3)将预处理氧化锌与2-甲基咪唑和硝酸锌混合并加入的乙醇溶剂，在600～800W的水浴超声装置下超声反应一段时间，将得到的产物洗涤、干燥，得到改性氧化锌。
作为一种优选的方案，所述超声反应时间为4～5小时。
作为一种优选的方案，所述超声反应时间为4.5小时。
作为一种优选的方案，所述2-甲基咪唑和硝酸锌的质量比为6～8:2～3。
本申请中，通过对于氧化锌的改性，使得胶膜在具有优异的导热性能的同时，能够有效地减少亲水基团的引入，从而使得胶膜具有优异的防水耐吸湿性能，使得胶膜在复杂环境下具有良好的使用性能和寿命。本申请人推测为：本申请中通过对于氧化锌的改性，有效的形成了氧化锌在有机框架材料上的有序聚集现象，并且通过控制反应原料的配比和反应时间，控制氧化锌在框架材料表明的负载数量，裸露出有机框架材料，使得改性氧化锌转变为疏水性复合粒子，有效的降低了体系的亲水性，提高防水效果。并且尤其当超声反应时间为4.5小时且2-甲基咪唑和硝酸锌的质量比为6～8:2～3时，形成的复合材料为规整的立方体或复合球体状，并且明显增加了复合粒子的表面粗糙度，降低了氧化锌在体系中的团聚现象，并且形成的异质结结构，将电子控制在改性氧化锌和石墨烯复合体系内进行流通，降低了胶膜对于太阳能电池材料的导电性的负面影响。
作为一种优选的方案，所述改性氧化铝为高分子材料核壳包覆改性氧化铝。
作为一种优选的方案，所述高分子材料为聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯、阿拉伯胶中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述高分子材料为聚氯乙烯。
作为一种优选的方案，所述高分子材料壳厚度为20～40nm。
作为一种优选的方案，所述改性氧化铝的制备方法包含以下几步：(1)称取预定量60～70wt％的氯乙烯单体，置入反应容器，升温至60～80℃，同时加入80wt％的引发剂，剧烈搅拌反应20～30分钟；(2)将上述反应液置入新反应容器，加入剩余的氯乙烯单体和引发剂以及氧化铝，温度固定至60～65℃，持续低速搅拌反应3～5小时；(3)反应完成，过滤烘干，精细研磨既得。
本申请中，通过对三氧化二铝的核壳包裹改性，以及将其与氧化锌的复配加入，有效的提高了导热胶膜的整体导热性能、稳定性以及抗PID性能。在进行导热作用时，由于核壳颗粒具有良好的导热性能，当光伏组件受局部遮挡或高辐照下工作时核壳颗粒能够快速吸热、快速散热，降低电池温度，提升组件输出功率。同时，由于核壳颗粒具有良好的绝缘性能，可以阻隔电流通道、从而提高胶膜的体积电阻率，大幅提升组件的抗PID性能。并且由于核壳包裹作用，使得三氧化二铝粒子的团聚现象明显降低，能够在胶膜体系中均匀的流动分散，达到最佳的分散稳定性，尤其是当高分子核壳改性三氧化二铝复合粒子的粒径为30～100nm，且高分子壳的厚度为20～40nm时，复合粒子具有最佳的分散性能，且能够有效的在微观体系中，形成储存微孔，作为外力冲击作用时的因为吸收点，而这些为微孔因为高分子壳层的存在能够有效的随时填补，减少裂纹发生几率，从而还能进一步防止水分的渗入。
作为一种优选的方案，所述石墨烯，改性氧化铝和改性氧化锌的质量比为1～2：2～3：4～5。
作为一种优选的方案，所述石墨烯，改性氧化铝和改性氧化锌的质量比为1.5：3：4.5。
作为一种优选的方案，所述导热填料的平均粒径为20～500nm。
作为一种优选的方案，所述导热填料的平均粒径为50～300nm。
作为一种优选的方案，所述石墨烯的平均粒径为120～180nm。
作为一种优选的方案，所述改性氧化铝的平均粒径为30～100nm。
作为一种优选的方案，所述改性氧化铝的平均粒径为50nm。
作为一种优选的方案，所述改性氧化锌的平均粒径为80～300nm。
作为一种优选的方案，所述改性氧化锌的平均粒径为260nm。
本申请中，通过对于石墨烯，改性氧化锌和改性氧化铝的合理质量复配，有效的进一步提高了导热胶膜的力学性能，稳定性，抗PID效果，以及导热胶膜对于电池组件的工作效率的负面影响。本申请人推测为：当石墨烯，改性氧化铝和改性氧化锌的质量比为1.5：3：4.5时，改性氧化铝和改性氧化锌不仅其自身的亲水基团数量得到大幅度的减少，并且两种粒子的加入还能够有效地捕捉石墨烯表面以及边缘缺陷地区的活性基团，进而进一步的减少活性基团的反应和亲水活性，尤其是改性氧化锌的加入还能够与石墨烯形成三元的PN结结构，控制电子的流动在微观区域流动，限制电子的大范围迁移，减少导电效果，增强电阻；且同时，三种物料体系不同于常规的针型，纤维状或单一片状的填料体系，能够形成二维面型，矩形和球体的多维填充体系，减少填料碎片率，以及翻边现象，从而避免上述现象对于电池组件的工作效率的负面影响。
作为一种优选的方案，所述功能粒子为二氧化锑、聚四氟乙烯、云母粉、滑石粉、膨润土、硅藻土中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述助剂为交联剂、抗老化剂、抗氧化剂、抗紫外剂、抗PID剂、抗滴落剂、偶联剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述导热胶层的助剂为抗氧化剂，抗PID剂，交联剂和偶联剂。
作为一种优选的方案，所述间隔层的助剂为交联剂，偶联剂，抗PID剂和抗滴落剂。
作为一种优选的方案，所述抗PID剂为黄原酸酯离子捕捉剂、二硫代氨基甲酸盐衍生物、磷酸金属盐、金属氧化物中的一种。
作为一种优选的方案，所述抗PID剂为磷酸金属盐和/或金属氧化物。
作为一种优选的方案，所述抗PID剂为磷酸钛和二氧化硅，质量比为1:1。
作为一种优选的方案，所述抗氧化剂为受阻胺类抗氧化剂和受阻酚类抗氧化剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述抗氧化剂为Irganox 1010。
作为一种优选的方案，所述交联剂为过氧化类交联剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述交联剂为过氧化二异丙苯、1,4-双叔丁基过氧异丙基苯、过氧化苯甲酰中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述偶联剂为硅烷偶联剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述导热胶膜的制备方法，包含以下步骤：(1)将各层所需原料按照预定量进行称取，备用；(2)将各层称取原料置入高温搅拌釜内，升温至60～200℃进行高温搅拌，直至形成均一分散的稳定相，取出造粒得到粒料；(3)将粒料进行高温混合挤出，并控制层厚度；(4)将成型后的各层按顺序共挤贴合，并且使用电磁或热辐照进行辐照交联，既得。
本发明第二方面提供了一种上述太阳能电池用导热胶膜的应用，包括上述太阳能电池用导热胶膜在太阳能电池组件中的应用。
有益效果：
1、本申请中提供的一种太阳能电池用导热胶膜在具有优异的导热性能的同时，能够具有良好的力学抗性，耐水耐吸湿性以及抗PID性能，使得导热胶膜具有优异的环境适用性，较长的使用寿命，能够满足市面上大多数电池组件的散热和使用要求。
2、本申请中提供的一种太阳能电池用导热胶膜通过对导热填料中无机导热粒子的改性，在保留良好的导热性能的同时，有效地降低了导热填料的加入引起的吸湿现象，并且有效提高分散性和降低粒径迁移效率，使得胶膜具有良好的使用寿命。
3、本申请中提供的一种太阳能电池用导热胶膜通过对多种导热填料以及功能粒子的合理复配有效地提高了胶膜的力学性能的同时，能够通过多种形状的粒子的合理搭配，避免通常情况下的针状或纤维状填料出现的
具体实施方式
实施例1
实施例1第一方面提供了一种太阳能电池用导热胶膜，结构主要包括上表面的间隔层和导热胶层，间隔层贴附于导热胶层表面。
其中，间隔层的厚度为300微米，导热胶层的厚度为200微米。
按重量份计，导热胶层的原料至少包含以下成分：基料(EVA和POE，质量比为5.5:1.5)70份，导热填料(石墨烯，改性氧化铝和改性氧化锌，质量比为1.5：3：4.5)30份，功能粒子(聚四氟乙烯)12份，助剂(抗氧化剂3份，抗PID剂5份，交联剂1份和偶联剂1份)10份。
其中，石墨烯的平均粒径为160nm；改性氧化铝的平均粒径为50nm；改性氧化锌的平均粒径为260nm。
改性氧化锌的制备方法包含以下几步(按重量份计)：(1)将10份丁二酸酐溶解于80份DMF溶液中，并加入5份的(3-氨丙基)三乙氧基硅烷，在水浴温度45℃下加热搅拌3.5小时；(2)之后将2份氧化锌加入反应溶液，保持搅拌速度为120rpm，持续搅拌反应3.5小时后获得预处理氧化锌；(3)将2份预处理氧化锌与14份2-甲基咪唑和5份硝酸锌混合并加入的200份乙醇溶剂，在650W的水浴超声装置下超声反应4.5小时，将得到的产物洗涤，干燥，得到改性氧化锌。
改性氧化铝的制备方法包含以下几步(按重量份计)：(1)称取预定量30份的氯乙烯单体，置入反应容器，升温至70℃，同时加入0.4份的过氧化二碳酸双十六烷基酯，剧烈搅拌反应25分钟；(2)将上述反应液置入新反应容器，加入20份氯乙烯单体和0.1份过氧化二碳酸双十六烷基酯以及10份氧化铝，温度固定至62℃，持续低速搅拌反应3.5小时；(3)反应完成，过滤烘干，精细研磨既得。
其中，得到的改性氧化铝的高分子材料壳平均厚度为40nm。
按重量份计，间隔层的原料至少包含以下成分：基料(EVA)85份，助剂(交联剂1份，偶联剂1份，抗PID剂6份和抗滴落剂2份)10份。
本实施例中，抗PID剂为二氧化硅和磷酸钛(质量比1:1)；抗氧化剂为对苯二胺和对二苯酚(质量比1:1)；交联剂为过氧化二异丙苯；偶联剂为KH-5700；抗滴落剂为抗滴落剂PA-5933。
本实施例中，EVA为美国杜邦公司出售的EVA210W型号的EVA产品。
本实施例中，POE为东莞市创仕塑胶原料有限公司出售的C0570D型的POE产品。
本实施例中，石墨烯为碳丰石墨烯科技有限公司出售的150～180nm级的石墨烯产品。
本实施例中，聚四氟乙烯为上海邦塑新材料有限公司出售的F-104U型号的聚四氟乙烯产品。
本实施例中，抗滴落剂PA-5933购买自上海凯茵化工有限公司。
本实施例第二方面提供一种上述导热胶膜的制备方法，包含以下步骤：(1)将各层所需原料按照预定量进行称取，备用；(2)将各层称取原料置入高温搅拌釜内，升温至80℃进行高温搅拌，直至形成均一分散的稳定相，取出造粒得到粒料；(3)将粒料进行高温混合挤出，并控制层厚度；(4)将成型后的各层按顺序共挤贴合，并且使用电磁辐照进行辐照交联，既得。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：导热胶层的基料中，EVA和POE，质量比为6:1。
对比例1
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：改性氧化锌的制备中，超声反应时间为2小时；2-甲基咪唑为5份和硝酸锌为10份，改性氧化锌的平均粒径为120nm。
对比例2
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：采用普通氧化铝材料替代改性氧化铝材料。
对比例3
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：石墨烯，改性氧化铝和改性氧化锌的质量比为3：1：1。
性能评价
1.亲疏水性：对每个实施例和对比例制得的导热胶层制样(2x2cm)通过座滴法水接触角测试仪对样品进行亲疏水角测试，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值的平均值记入表1。
2.导热系数：对每个实施例和对比例制得的导热胶膜参考ASTM D5740进行导热系数的测定，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值的平均值记入表1。
3.体积电阻率：对每个实施例和对比例制得的导热胶膜参考GBT29848-2018进行提及电阻率的测定，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值的平均值记入表1。
表1
实施例 水接触角° 导热系数W/(m·K) 体积电阻率Ω·cm
实施例1 121 1.19 8.9E+15
实施例2 119 1.11 8.4E+14
对比例1 97 0.97 6.9E+15
对比例2 102 1.05 7.1E+14
对比例3 93 1.04 7.3E+15
通过实施例1～2、对比例1～3和表1可以得知，本发明提供的太阳能电池用导热胶膜，具有优异的使用寿命，导热效率和体系电阻的同时，还有效减少了导热胶膜的吸湿现象，增强胶膜的防水性和力学性能，适宜在电池组件领域推广，具有广阔的发展前景。其中实施例1在具有最佳的制备原料配比和制备工艺等因素下获得了最佳性能指数。

Claims (10)

1.一种太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：导热胶膜的结构主要包括至少一层间隔层和至少一层导热胶层；所述间隔层贴附于导热胶层表面。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：按重量份计，所述导热胶层的原料至少包含以下成分：基料60～80份，导热填料20～40份，功能粒子10～15份，助剂5～10份。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：所述基料为EVA、POE、PO、EAA、EMA、酚醛树脂、环氧树脂中的至少一种。
4.根据权利要求2～3任一项所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：所述导热填料为石墨烯、氧化铝、氧化锌、氧化镁、碳化硅中的至少一种。
5.根据权利要求2～4任一项所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：所述导热填料的平均粒径为20～500nm。
6.根据权利要求2～5任一项所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：所述功能粒子为二氧化锑、二氧化硅、聚四氟乙烯、云母粉、滑石粉、膨润土、硅藻土中的至少一种。
7.根据权利要求2～6任一项所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：所述助剂为交联剂、抗老化剂、抗氧化剂、抗紫外剂、抗PID剂、抗滴落剂、偶联剂中的至少一种。
8.根据权利要求2～7任一项所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：所述抗PID剂为黄原酸酯离子捕捉剂、二硫代氨基甲酸盐衍生物、磷酸金属盐、金属氧化物中的一种。
9.根据权利要求2～8任一项所述的太阳能电池用导热胶膜，其特征在于：所述抗氧化剂为受阻胺类抗氧化剂和受阻酚类抗氧化剂中的至少一种。
10.一种根据权利要求1～9任意一项所述的太阳能电池用导热胶膜的应用，其特征在于：包括上述太阳能电池用导热胶膜在太阳能电池组件中的应用。
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