CN117467167A - 一种转光聚烯烃母粒的制备方法以及胶膜、光伏电池组件 - Google Patents

一种转光聚烯烃母粒的制备方法以及胶膜、光伏电池组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏胶膜的技术领域，公开了一种转光聚烯烃母粒的制备方法以及胶膜、光伏电池组件，包括如下步骤：（1）将铯源或铵盐、两亲性分子和非极性溶剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ；（2）将铅源、二价金属卤化物、两亲性分子、有机钝化剂、POE母粒和POE软化剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ；（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热后混合，进行原位生长反应，反应完成后经冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经熔融挤出，得到转光聚烯烃母粒。本发明中钙钛矿纳米晶能够在聚烯烃母粒中原位生长且具有高分散均匀性，从而提高胶膜的转光效果以及钙钛矿纳米晶在胶膜中的稳定性，应用于光伏电池组件也有更高的效率提升。

Description

一种转光聚烯烃母粒的制备方法以及胶膜、光伏电池组件
技术领域
本发明涉及光伏胶膜的技术领域，尤其是涉及一种转光聚烯烃母粒的制备方法以及胶膜、光伏电池组件。
背景技术
紫外光照射会加速硅基太阳能电池（尤其是异质结器件）的衰减。此外，硅基太阳能电池在紫外和蓝光波段光利用效率偏低，造成了一定的光电转换效率损失，将紫外光转换成硅电池能高效利用的可见光无疑是增强硅基光伏电池光谱响应度，提升其光电转换效率的有效途径。由于光伏胶膜处于硅等光伏技术的入光侧，太阳光需要透过光伏胶膜被光敏层吸收，同时光伏胶膜对于提高器件的稳定性具有重要的影响，因而具有转光功能的光伏胶膜可以同时提高器件的稳定性和光电转换效率。
POE胶膜透光率高、光照稳定性好，被用于晶硅光伏电池的封装，但其光电转换效率较低，现有技术中通常采用界面修饰手段将转光粒子分散在POE母粒中，使得POE母粒具备转光性能，但其存在分散困难且效果不好的问题。因此，发展可以将转光粒子与胶膜母料更好地分散并长时间稳定的技术对于制备高质量具有转光功能的光伏胶膜具有重要意义。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种转光聚烯烃母粒的制备方法以及胶膜、光伏电池组件，通过在POE母粒中原位生长钙钛矿纳米晶制得转光聚烯烃母粒，有效解决钙钛矿在光伏胶膜中的分散问题和稳定性问题，将其应用于电池组件的光伏胶膜中，可以提高器件的稳定性和光电转换效率。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供了一种转光聚烯烃母粒的制备方法，包括如下步骤：
（1）按质量份数计，将1~3份铯源或铵盐，2~10份两亲性分子和5~20份非极性溶剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ；
（2）按质量份数计，将0.5~2份铅源，0.1~1份二价金属卤化物，1~10份两亲性分子，5~15份有机钝化剂，10~30份POE母粒和20~60份POE软化剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ；
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热后按照1：35~40的质量比混合，进行原位生长反应，反应完成后经冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经熔融挤出，得到转光聚烯烃母粒。
钙钛矿纳米晶是一种优异的转光材料，本发明通过在POE母粒中原位生长钙钛矿纳米晶，不仅可以简化钙钛矿纳米晶嵌入POE的工艺步骤，还可以有效解决钙钛矿在光伏胶膜中的分散问题和稳定性问题。
目前制备钙钛矿纳米晶的溶剂主要包括：十八烯、油酸和油胺等，这些溶剂温度范围宽，制备的钙钛矿纳米晶结晶性好，发光强度高，但是，将制备好的钙钛矿纳米晶加入聚烯烃母粒中或者将十八烯、油酸和油胺等溶剂直接加入聚烯烃母粒中原位生长钙钛矿纳米晶，在制备过程中将会遇到如下问题：第一，分散性好的钙钛矿纳米晶与十八烯分离非常困难，并且分离过程极易破坏钙钛矿纳米晶的结构，导致转光性能下降；第二，先采用团聚的钙钛矿纳米晶离心分离后，再加入聚烯烃母粒进行重新分散，其分散性不佳，同样会导致转光性能变差；第三，十八烯、油酸和油胺等溶剂中存在双键，在长时间光照下容易氧化发黄，影响可见光透过。本发明通过采用非极性溶剂和两亲性分子替代十八烯、油酸和油胺等溶剂，避免了光照发黄的缺点，并且采用POE软化剂提高POE母粒的溶解性，并将铯源或者有机胺盐、铅源和卤素源用两亲性分子分散，通过调节原料配比，使得钙钛矿纳米晶能够在聚烯烃母粒中原位生长且具有较高的分散均匀性，从而提高光伏胶膜的转光效果。通过钙钛矿纳米晶的原位生长以及合适比例的POE包裹可以提高钙钛矿纳米晶在胶膜中的稳定性，从而可以提升胶膜的耐候性。
本发明公开了一种在聚烯烃（POE）母粒中原位生长钙钛矿纳米晶制备同时可以满足封装和转光功能光伏胶膜方法及其光伏器件中的应用。本发明通过原位生长的方式将钙钛矿纳米晶嵌入POE母粒，赋予POE光伏封装胶膜吸收紫外光并将其转换成为可见光的功能。该钙钛矿纳米晶原位生长技术可用于光伏转光胶膜，抑制紫外光照对器件的衰减、提高晶硅光伏电池在紫外波段的光吸收转换效率，从而达到同时提高器件稳定性和光电转换效率的目的。
作为优选，所述两亲性分子为烷烃羧酸中的一种或多种。其中，固态的烷烃羧酸需要先加热熔化再投入混合物Ⅰ和混合物Ⅱ中（例如癸酸、十一酸等）。
作为优选，所述非极性溶剂为沸点高于50℃的烷烃中的一种或多种；所述POE软化剂为沸点高于50℃的非极性烷烃中的一种或多种。
作为优选，所述混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热的温度为50~260℃；所述原位生长反应的时间为0.1~10min。
作为优选，所述混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热的温度为110~200℃；所述原位生长反应的时间为1~10min；所述非极性溶剂为沸点高于110℃的烷烃中的一种或多种；所述POE软化剂为沸点高于110℃的非极性烷烃中的一种或多种。
作为优选，所述两亲性分子为庚酸、辛酸、壬酸、癸酸和十一酸中的一种或多种。
作为优选，所述非极性溶剂为辛烷、壬烷、葵烷、十一烷和十二烷中的一种或多种；所述POE软化剂为辛烷、壬烷、葵烷、十一烷和十二烷中的一种或多种。
作为优选，所述铯源为Cs2CO3或硬脂酸铯；所述铵盐为甲胺盐酸盐、乙胺盐酸盐、丙胺盐酸盐和丁胺盐酸盐中的一种或多种；所述铅源为PbBr2、PbCl2或PbI2。
作为优选，所述二价金属卤化物为CaCl2、MgCl2或SrCl2；所述有机钝化剂为三正辛基膦或三正辛基氧膦。
有机钝化剂钝化钙钛矿纳米晶的表面缺陷，提高转光性能。
第二方面，本发明还提供了一种胶膜，其原料包括上述制备方法制得的转光聚烯烃母粒。
作为优选，所述胶膜的制备方法为：将转光聚烯烃母粒经熔融挤出，得到胶膜。第三方面，本发明还还提供了一种光伏电池组件，包括上述胶膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过制备方法的改进，避免采用十八烯、油酸和油胺等溶剂，从而有效改善光照发黄的缺点，并且提高POE母粒的溶解性，同时通过调节原料配比，使得钙钛矿纳米晶能够在聚烯烃母粒中原位生长且具有较高的分散均匀性，从而提高光伏胶膜的转光效果；
（2）本发明通过钙钛矿纳米晶的原位生长以及合适比例的POE包裹可以提高钙钛矿纳米晶在胶膜中的稳定性，从而可以提升胶膜的耐候性；
（2）钙钛矿纳米晶掺杂的POE母粒，可以用于制备光伏转光胶膜，实现紫外光向可见光的转换，提高光伏电池组件效率。
附图说明
图1为转光聚烯烃母粒中钙钛矿纳米晶和十八烯溶液生长的钙钛矿纳米晶的吸收光谱；
图2为转光聚烯烃母粒中钙钛矿纳米晶的激发光致发光谱（PLE）和发射光致发光谱（PL）；
图3为十八烯溶液中生长的钙钛矿纳米晶的激发光致发光谱（PLE）和发射光致发光谱（PL）。
具体实施方式
以下用具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
转光聚烯烃母粒的制备：
（1）按质量份数计，将1~3份铯源或铵盐，2~10份两亲性分子和5~20份非极性溶剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ；
（2）按质量份数计，将0.5~2份铅源，0.1~1份二价金属卤化物，1~10份两亲性分子，5~15份有机钝化剂，10~30份POE母粒（热塑性POE树脂，熔指 0.1~8g/10min(ASTMD1238，在190℃/2.16kg)，熔程为 85~120℃）和20~60份POE软化剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ；
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至50~260℃后，按照1：35~40的质量比混合，原位生长0.1~10min，反应完成20~30s后冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经熔融挤出，得到转光聚烯烃母粒。
其中，铯源为Cs2CO3或硬脂酸铯，铵盐为甲胺盐酸盐、乙胺盐酸盐、丙胺盐酸盐和丁胺盐酸盐中的一种或多种，铅源为PbBr2、PbCl2或PbI2。两亲性分子为烷烃羧酸中的一种或多种，可为庚酸、辛酸、壬酸、癸酸和十一酸中的一种或多种。非极性溶剂为沸点高于50℃的烷烃中的一种或多种，可为辛烷、壬烷、葵烷、十一烷和十二烷中的一种或多种。二价金属卤化物为CaCl2、MgCl2或SrCl2。所述有机钝化剂为三正辛基膦或三正辛基氧膦。POE软化剂为沸点高于50℃的非极性烷烃中的一种或多种，可为辛烷、壬烷、葵烷、十一烷和十二烷中的一种或多种。
实施例1
（1）铯源制备：将1.2份 Cs2CO3、4份辛酸和8份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ。
（2）铅源和卤素源制备：将0.9份铅源（PbCl2和PbBr2，其中Br占全部卤素的1%），0.18 份CaCl2，4份辛酸，12.5份三正辛基膦，16份POE母粒和32份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ。
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至120℃，按照1：36的质量比迅速混合，反应1min，20s后冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经120℃熔融挤出，得到钙钛矿纳米晶掺杂的转光聚烯烃母粒。
实施例2
（1）铵源制备：将2.4份 甲胺盐酸盐、4份辛酸和8份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ。
（2）铅源和卤素源制备：将0.9份铅源（PbCl2和PbBr2，其中Br占全部卤素的1%），0.18 份CaCl2，4份辛酸，12.5份三正辛基膦，16份POE母粒和32份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ。
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至120℃，按照1：36的质量比迅速混合，反应1min，20s后冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经120℃熔融挤出，得到钙钛矿纳米晶掺杂的转光聚烯烃母粒。
实施例3
（1）铯源制备：将2份 Cs2CO3、6份壬酸和12份壬烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ。
（2）铅源和卤素源制备：将1.2份铅源（PbCl2和PbBr2，其中Br占全部卤素的1%），0.25 份CaCl2，6份壬酸，13份三正辛基膦，16份POE母粒和32份壬烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ。
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至150℃，按照1：38的质量比迅速混合，反应5min，20s后冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经120℃熔融挤出，得到钙钛矿纳米晶掺杂的转光聚烯烃母粒。
实施例4
（1）铯源制备：将1.2份 Cs2CO3、4份癸酸（加热熔化后投入）和8份葵烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ。
（2）铅源和卤素源制备：将0.9份铅源（PbCl2和PbBr2，其中Br占全部卤素的1%），0.18 份CaCl2，8份癸酸（加热熔化后投入），12.5份三正辛基膦，25份POE母粒和50份葵烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ。
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至170℃，按照1：40的质量比迅速混合，反应3min，20s后冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经120℃熔融挤出，得到钙钛矿纳米晶掺杂的转光聚烯烃母粒。
对比例1
与实施例1的区别在于：POE母粒替换为十八烯。
（1）铯源制备：将1.2份 Cs2CO3、4份辛酸和8份辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ。
（2）铅源和卤素源制备：将0.9份铅源（PbCl2和PbBr2，其中Br占全部卤素的1%），0.18 份CaCl2，4份辛酸，12.5份三正辛基膦，16份十八烯和32份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ。
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至120℃，按照1：36的质量比迅速混合，反应1min，20s后冰水浴冷却，离心分离后烘干，得到钙钛矿纳米晶。
（4）将钙钛矿纳米晶研磨得到粉末后，与POE母粒按照0.1：100的重量比混合，140℃熔融挤出，得到具有转光效应的胶膜。
对比例2
与实施例1的区别在于：混合物Ⅰ和混合物Ⅱ的质量比为1：45。
（1）铯源制备：将1.2份 Cs2CO3、4份辛酸和8份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ。
（2）铅源和卤素源制备：将0.9份铅源（PbCl2和PbBr2，其中Br占全部卤素的1%），0.18 份CaCl2，4份辛酸，12.5份三正辛基膦，16份POE母粒和32份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ。
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至120℃，按照1：45的质量比迅速混合，反应1min，20s后冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经120℃熔融挤出，得到钙钛矿纳米晶掺杂的转光聚烯烃母粒。
对比例3
与实施例1的区别在于：混合物Ⅰ和混合物Ⅱ的质量比为1：25。
（1）铯源制备：将1.2份 Cs2CO3、4份辛酸和8份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ。
（2）铅源和卤素源制备：将0.9份铅源（PbCl2和PbBr2，其中Br占全部卤素的1%），0.18 份CaCl2，4份辛酸，12.5份三正辛基膦，16份POE母粒和32份正辛烷混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ。
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热至120℃，按照1：25的质量比迅速混合，反应1min，20s后冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经120℃熔融挤出，得到钙钛矿纳米晶掺杂的转光聚烯烃母粒。
如图1和图2所示，将实施例1制得的转光聚烯烃母粒进行性能测试， 400 nm以下的紫外光子可以被有效吸收，转换为422 nm的可见光。而对比例1中十八烯溶液中生长的钙钛矿纳米晶，在可见光区域（波长大于400 nm）存在一定的吸收。这是因为十八烯中的双键，在高温下分解，产生有颜色的物质，对可见光有吸收，这会影响光伏电池的光子利用效率，导致光电转换效率下降。
如图2和图3所示，钙钛矿的PL发射峰不同，POE原位生长的钙钛矿PL峰在422 nm，十八烯溶液中生长的钙钛矿PL峰在408 nm，分别是蓝光和紫光，这说明POE对钙钛矿纳米晶的生长结构产生一定的影响，具有更大的斯托克斯位移。
将实施例1-4中转光聚烯烃母粒经120℃熔融挤出，得到具有转光效应的胶膜。将实施例和对比例中胶膜按照“光伏玻璃-胶膜-电池片-光伏背板”制得光伏电池组件，封装额定功率为250W的多晶硅光伏组件。
（1）紫外黄变：将光伏电池组件放入紫外加速老化箱中，紫外辐照量达到15 KWh/m2后，采用反射法测试计算组件紫外辐照前后的黄色指数变化。
（2）透光率：采用紫外-可见分光光度计进行测定（将胶膜置于两张离型膜之间，140℃层压15min，测定透光率）。
（3）组件功率：参照IEC61215在太阳光照射条件下测试组件功率。
表1
如表1所示，实施例1-4制得光伏电池组件具有低紫外黄变指数、高透光率和高组件功率，紫外黄变指数低表明转光聚烯烃母粒中钙钛矿纳米晶原位生长的稳定性高，胶膜透过率高表明钙钛矿纳米晶在转光聚烯烃母粒中的分散性好，组件功率高说明原位生长的纳米晶结构良好，且具有较好的分散均匀性，能够有效发挥转光性能，光电转换效率高。而对比例1中采用十八烯溶剂制得的钙钛矿纳米晶与POE母粒制备胶膜，其分散性较差，并且残余的十八烯容易导致胶膜发生黄变。对比例2中转光聚烯烃母粒中含POE母粒组分添加比例过大，将导致组件功率降低。对比例3中转光聚烯烃母粒中含POE母粒组分添加比例过少，将会影响钙钛矿纳米晶的分散性和稳定性，导致黄变指数升高以及透光率降低。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按质量份数计，将1~3份铯源或铵盐，2~10份两亲性分子和5~20份非极性溶剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅰ；
（2）按质量份数计，将0.5~2份铅源，0.1~1份二价金属卤化物，1~10份两亲性分子，5~15份有机钝化剂，10~30份POE母粒和20~60份POE软化剂混合后，搅拌溶解，得到混合物Ⅱ；
（3）将混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热后按照1：35~40的质量比混合，进行原位生长反应，反应完成后经冰水浴冷却，得到钙钛矿纳米晶掺杂聚烯烃材料；再经熔融挤出，得到转光聚烯烃母粒。
2.根据权利要求1所述转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述两亲性分子为烷烃羧酸中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述非极性溶剂为沸点高于50℃的烷烃中的一种或多种；所述POE软化剂为沸点高于50℃的非极性烷烃中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述混合物Ⅰ和混合物Ⅱ分别加热的温度为50~260℃；所述原位生长反应的时间为0.1~10min。
5.根据权利要求1-4之一所述转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述两亲性分子为庚酸，辛酸，壬酸，癸酸和十一酸中的一种或多种。
6.根据权利要求1-4之一所述转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述非极性溶剂为辛烷，壬烷，葵烷，十一烷和十二烷中的一种或多种；所述POE软化剂为辛烷，壬烷，葵烷，十一烷和十二烷中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述铯源为Cs2CO3或硬脂酸铯；所述铵盐为甲胺盐酸盐，乙胺盐酸盐，丙胺盐酸盐和丁胺盐酸盐的一种或多种；所述铅源为PbBr2、PbCl2或PbI2。
8.根据权利要求1或7所述转光聚烯烃母粒的制备方法，其特征在于，所述二价金属卤化物为CaCl2、MgCl2或SrCl2；所述有机钝化剂为三正辛基膦或三正辛基氧膦。
9.一种具有转光效应的胶膜，其特征在于，其原料包括如权利要求1-8任一项所述制备方法制得的转光聚烯烃母粒。
10.一种光伏电池组件，其特征在于，包括如权利要求9所述胶膜。
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