用於光伏模塊的封裝劑的製作方法
2024-03-23 23:21:05
本發明的一個主題是其中僅以非常小量存在交聯劑(過氧化物或異氰酸酯或任何其它具有交聯功能的組分)的基於乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物的光伏模塊封裝劑。本發明還涉及一種光伏模塊，或者涉及這種封裝劑組合物在這種模塊中的用途，該模塊，除了封裝劑層之外，還包括至少一個形成「前板」或「背板」的相鄰層，更一般地這三個連續的層：「前板」，封裝劑和「背板」。與化石能源所釋放的溫室氣體相關的全球變暖導致開發了在其運行期間不釋放這種氣體的替代能量解決方案，例如光伏模塊。光伏模塊包括「光伏電池」，這種電池能夠將光能轉換成電。存在許多類型的光伏面板結構。在附圖1中，已經示出了常規的光伏電池；這種光伏電池10包括單電池12，一個單電池包含通常基於經處理的矽以獲得光電性能的光伏傳感器14，光伏傳感器與設置在光伏傳感器上方(上收集器)和下方(下收集器)的電子收集器16接觸。單電池的上收集器16經由導電棒18連接到另一單電池12的下收集器16，導電棒18通常由金屬合金組成。所有這些單電池12彼此串聯和/或並聯連接以形成光伏電池10。當光伏電池10被放置在光源下方時，其釋放直流電流，其可在電池10的端子19回收。參考附圖2，光伏模塊20包括被包覆在「封裝劑」中的附圖1的光伏電池10，封裝劑由上部22和下部23構成。上保護層24(以英文術語「前板」而已知，用於下文中)和在模塊背面的保護層(以英文術語「背板」而已知，也用於下文中)26被設置於該被封裝的電池的任一側。光伏電池10的衝擊和溼氣保護由通常由玻璃製成的上保護層24提供。背板26，例如基於含氟聚合物和聚對苯二甲酸乙二醇酯的多層膜，有助於光伏模塊20的溼氣保護和單電池12的電絕緣，以防止與外部環境的任何接觸。封裝劑22必須完全匹配存在於光伏電池10和保護層24和26之間的空間的形狀，以避免空氣的存在，其將限制光伏模塊的效率。封裝劑22還必須防止單電池12與大氣中的氧和水接觸，以便限制其腐蝕。封裝劑22的上部分被包括在電池10和上保護層24之間。封裝劑22的下部分被包括在電池10和背板26之間。在太陽輻射的存在下，在太陽能模塊內部發生加熱，並且可以達到80℃(或更高)的溫度，這要求所述層在模塊的整個生命周期中彼此完美地結合。
背景技術：
：目前，大多數光伏封裝的市場對應於基於在其中添加過氧化物，矽烷和各種功能添加劑的EVA的配製劑。EVA顯示出許多對於這種應用有利的品質和性質。這是因為它主要賦予非常好的透明度、機械強度、耐老化性以及通常優異的熱機械和機械性質的性質。此外，這種熱塑性塑料相對便宜，因此它用於這種應用已經變得實際上是不可避免的。然而，具有過氧化物和矽烷的基於EVA的封裝劑類型表現出一個主要缺點。具體地，當環境條件惡化時，即當EVA封裝劑在熱和潮溼條件下(DHT(溼熱試驗)：85℃/85％HR(相對溼度))老化時，該組分受到水解，其導致乙酸的出現，其為封裝劑的黃化和光伏模塊的金屬連接的腐蝕的來源。本領域技術人員可以設想用乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物代替EVA，但是該技術方案雖然儘管避免了當EVA存在於苛刻的環境中時與EVA有關的具體問題，但是不允許獲得正確的光伏模塊。這是因為在層壓期間，由於大量存在的過氧化物，在交聯期間形成了許多氣泡。此外，文獻WO2006095911提供了通過使用基於乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物的製劑的解決方案，該共聚物根據標準JISK7121獲得的熔點(T，以℃計)將對應於以下式：-3.0X+125>T>-3.0X+109，變量（element）X表示極性共聚單體(丙烯酸酯)的摩爾含量。此外，該文獻提供了該共聚物與矽烷的組合以便在玻璃上引入粘合性質。然而，這種製劑不允許獲得長期有效的封裝劑。這是因為當矽烷不與聚合物化學鍵合時，矽烷具有不允許在玻璃上獲得優良的粘合水平的缺點。因此，目前正在尋求一種基於EVA的替代組分、但顯示出同樣有利的性質、同時限制釋放乙酸的風險的解決方案。此外，該解決方案還允許使用矽烷，其特別允許在「前板」的壁，即由玻璃陶瓷或合成玻璃(常規的PMMA)製成的部件上的固定。技術實現要素：申請人公司在各種實驗和處理之後已經發現，基於乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物和矽烷與非常少量交聯劑的組合物，其可呈現特別滿意的熱機械性質和物理化學特性。因此，本發明涉及旨在包覆光伏電池的光伏模塊封裝劑，其包含：-乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物，所述共聚物的熔體流動指數MFI為1g/10min至40g/10min；-矽烷，佔所述組合物的重量的0.1％至0.5％；其特徵在於它還包含佔組合物重量的0.1％至0.5％的交聯劑，和特徵在於所述共聚物佔所述組合物重量的至少99％。申請人公司實際上已經發現在進行「不完全交聯」方面具有非常特定的優點。交聯劑，優選選自單過氧碳酸酯系列，更具體地由Luperox®TBEC或（OO-叔丁基O-（2-乙基己基）單過氧碳酸酯）組成以極少量存在，使得能夠將矽烷接枝到共聚物，並且使後者充分交聯，以使其抗蠕變，而不必實現顯著的凝膠水平。這種非常少量的過氧化物避免了在層壓步驟中出現氣泡的任何問題。這種「不完全交聯」具有能夠在目前進行的層壓步驟中實施的優點，而且還從包封劑膜的擠出開始，然後由此能夠更快地層壓。根據本發明的組合物首先表現出以下優點：-在其使用期間不管環境條件為如何，不可能出現乙酸，更通常地不可能出現酸；-在組合物的整個壽命期間，特別是在其用作為光伏模塊的封裝劑期間維持組合物的優異的粘合性質；-改善在困難環境中老化過程中的光學特性；-保持優異的熱機械性質和物理化學特性，至少與基於EVA(交聯劑和矽烷)的現有技術方案一樣令人滿意。本發明的初級混合物的其它特徵和特點為如下：-有利地，交聯劑屬於單過氧碳酸酯族，優選由OO-叔丁基-O-（2-乙基己基）單過氧碳酸酯組成;-對於上述共聚物，優選，乙烯的重量含量在50％至85％之間，優選在60％至84％之間，丙烯酸烷基酯的重量含量在15％至50％之間，優選在16％至40％之間;-有利地，矽烷由乙烯基矽烷或（甲基）丙烯酸矽烷組成;-根據本發明的非限制性說明，矽烷由甲基丙烯醯氧基丙基矽烷組成;-有利地，交聯劑佔組合物重量的小於0.3％;-優選地，上述共聚物具有2g/10min至10g/10min之間的熔體流動指數MFI;-根據由本發明提供的一種可能實施方案，組合物僅由上述共聚物，交聯劑和矽烷組成；-根據由本發明提供的另一個可能實施方案，該組合物另外包含旨在賦予額外的特定性質的添加劑，特別是增塑劑，粘合促進劑，UV穩定劑和吸收劑，抗氧化劑，阻燃劑和/或填料。本發明還涉及如上所述的封裝劑在光伏模塊中的用途。最後，本發明涉及包括由至少一種封裝劑和前板或背板的組合構成的結構的光伏模塊，其特徵在於，封裝劑如上所述。附圖說明下面的描述僅通過說明性的非限制性的方式通過參考附圖給出，其中：已經描述的附圖1表示光伏電池的示例，部分(a)和(b)為3/4視圖，部分(a)示出連接之前的單電池，部分(b)是2個單電池連接後的視圖；部分(c)是完整的光伏電池的俯視圖。已經描述的附圖2表示光伏模塊的橫截面，其「常規」光伏傳感器由上封裝膜和下封裝膜進行密封。發明的詳細描述關於乙烯/丙烯酸烷基酯共聚物，它是本領域技術人員公知的組分。在本發明的上下文中，該共聚物的特有特徵基本上源於乙烯和丙烯酸烷基酯的質量（或重量）比例和源於共聚物的熔體流動指數MFI，以克/10分鐘表示，並且在190℃，負荷2.16kg下測量。乙烯的重量含量在50％至85％之間，優選在60％至84％之間，丙烯酸烷基酯的重量含量在15％至50％之間，優選在16％至40％之間。共聚物的熔體流動指數（MFI）為1g/10min至40g/10min，優選為2g/10min至10g/10min。作為非限制性實例，申請人在商業上使用稱為LOTRYL®的組分，其是乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物。本領域技術人員完全知道如何根據兩種單體中的每一種的不同量生產/製造這樣的共聚物。在下文中，本發明使用特定類型的乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物進行介紹，但是本發明人已經證明，當共聚物在上面定義的乙烯和丙烯酸烷基酯的含量範圍內變化時，根據本發明的封裝劑組合物滿足設定的目標，可能地，當所述共聚物具有在對於這兩種單體優選的範圍內所選擇的乙烯和乙酸乙烯基酯的含量時，可能稍微更好地滿足設定的目標。關於矽烷，這是允許在封裝劑和玻璃之間的粘附相互作用的化學化合物。作為矽烷的實例，可以提及甲基丙烯酸3-（三甲氧基甲矽烷基）丙酯、乙烯基三甲氧基矽烷或任何其它攜帶與過氧化物型交聯劑反應的官能團的矽烷。優選地，根據本發明的組合物中的矽烷是甲基丙烯酸3-（三甲氧基甲矽烷基）丙酯。然而，通過選擇乙烯基矽烷或（甲基）丙烯酸類矽烷族中的另一種矽烷，將獲得等同或基本上等同的結果。關於交聯劑，其分解以引發和傳播化學反應（用於將後者接枝到共聚物鏈上的矽烷）和（共聚物的）交聯反應的該元素（element）是本領域技術人員公知的並且其對其製造/製備沒有任何困難。這裡應當注意，交聯劑的特定家族最好地符合本專利申請的上下文中設定的目標：這些是單過氧碳酸酯，並且在這些之中特別是OO-叔丁基-O-（2-乙基己基）單過氧碳酸酯，其特別是由申請人公司以商標Luperox®TBEC銷售。形成根據本發明的封裝劑的組合物可以任選包含一定數量的旨在賦予額外的特定性質的添加劑。可以加入增塑劑以便於加工並改善用於製備組合物和結構的方法的生產率。作為實例，將提及鏈烷烴，芳族或萘屬礦物油，其也允許改進根據本發明的組合物的粘合能力。作為增塑劑，還可以提及鄰苯二甲酸酯，壬二酸酯，己二酸酯或磷酸三甲苯酯。當粘合性必須特別高時，可以有利地添加粘合促進劑(但不是必需的)，以便提高組合物的粘合能力。粘合促進劑是非聚合物成分；它可以是有機的，結晶的，無機的，更優選半無機半有機的。在這些中，可以提及鈦酸鹽。在組合物在光伏模塊的這種特定應用中，由於UV輻射能夠導致用作為所述模塊的封裝劑的組合物的輕微黃化，UV穩定劑和UV吸收劑例如苯並三唑，二苯甲酮和其它受阻胺可以被加入以確保封裝劑在其壽命期間的透明度。這些化合物可以例如基於二苯甲酮或苯並三唑。可以以小於組合物總重量的10重量％，優選0.05％至3％的量加入。還可以添加抗氧化劑以限制在製造封裝劑期間的變黃，例如含磷化合物(亞膦酸酯和/或亞磷酸酯)和受阻酚類化合物。這些抗氧化劑可以以小於組合物總重量的10重量％，優選0.05％至3％的量進行加入。也可以加入阻燃劑。這些阻燃劑可以是含滷素的或不含滷素的。在含滷素阻燃劑中，可以提及溴化產物。也可以使用磷基添加劑如磷酸銨、多磷酸鹽、次膦酸鹽或焦磷酸鹽，三聚氰胺氰尿酸鹽，季戊四醇，沸石和這些試劑的混合物作為不含滷素的阻燃劑。組合物可以包含相對於組合物的總重量的3％至40％比例的這些試劑。還可以以相對於組合物的總重量通常為5％至15％的比例添加顏料，例如二氧化鈦，染色化合物或增亮化合物。也可以加入填料，特別是無機填料，以改善組合物的熱機械強度。非限制性地，作為實例，將給出二氧化矽，氧化鋁或碳酸鈣或碳納米管或者玻璃纖維。將可以使用以約納米等級進行混合的改性或非改性的粘土；這使得可以獲得更透明的組合物。根據本發明的封裝劑的交聯/製備和封裝劑膜的製備(旨在併入光伏模塊中)：常規地，交聯是必要的，以便調節基於EVA的封裝劑的熱機械性質，特別是當溫度變得非常高時。在這種特殊情況下，在本發明的上下文中，由於交聯劑的含量非常低，交聯不完全，但允許矽烷接枝到共聚物鏈上和該共聚物的部分交聯。將組合物的其它元素，即矽烷和任選的填料，以本領域技術人員公知的常規方式加入到交聯劑和加入到前述共聚物中。關於上述方面，題名為「HandbookofPolymerFoamsandTechnology」的手冊，特別是第198至204頁，提供了本領域技術人員可以參考的補充說明。關於本發明的涉及熱塑性組合物在光伏模塊中的用途的方面，本領域技術人員可以參考例如「HandbookofPhotovoltaicScienceandEngineering」，Wiley，2003。這是因為，本發明的組合物可以用作在光伏模塊中的封裝劑或封裝劑-背板，其結構結合附圖進行描述。用於形成所測試的製劑的材料：Lotryl®17BA07：乙烯/丙烯酸丁酯共聚物，其丙烯酸酯含量為共聚物的17重量％，其MFI為7g/10min（190℃，2.13kg）。它是根據高壓釜方法獲得的，其熔點為89℃。在下面給出的結果的表中，這個Lotryl®用縮寫17BA07表示。Lotryl®20MA08：乙烯-丙烯酸甲酯共聚物，其丙烯酸酯含量為共聚物的20重量％，並且其MFI為8g/10min(190℃，2.13kg)。它根據高壓釜方法獲得的，其熔點為75℃。在下面給出的結果的表中，此Lotryl®用縮寫20MA08A表示。Lotryl®35BA40：乙烯-丙烯酸丁酯共聚物，其丙烯酸酯含量為共聚物的35重量％，和其MFI為40g/10min(190℃，2.13kg)。它根據高壓釜方法獲得的，其熔點為66℃。在下面給出的結果的表中，此Lotryl®用縮寫35BA40表示。Lotryl®35BA320：乙烯-丙烯酸丁酯共聚物，其丙烯酸酯含量為共聚物的35重量％，和其MFI為320g/10min(190℃，2.13kg)。它根據高壓釜方法獲得的，其熔點為65℃。在下面給出的結果的表中，此Lotryl®用縮寫35BA320表示。Lotryl®28MA07：乙烯-丙烯酸甲酯共聚物，其丙烯酸酯含量為共聚物重量的28重量％，和其MFI為7g/10min(190℃，2.13kg)。它根據高壓釜方法獲得的，其熔點為68℃。在下面給出的結果的表中，此Lotryl®用縮寫28MA07表示。Lotryl®7BA01：乙烯-丙烯酸丁酯共聚物，其丙烯酸酯含量為共聚物的7重量％，和其MFI為1g/10min(190℃，2.13kg)。它根據高壓釜方法獲得的，其熔點為105℃。在下面給出的結果的表中，此Lotryl®用縮寫7BA01表示。Evatane®3345PV：乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，其乙酸酯含量為共聚物的33重量％，其MFI為45g/10min(190℃，2.13kg)。在下面給出的結果的表中，這種Evatane®由縮寫3345PV表示。Dynasylan®MEMO：由Evonik銷售的3-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷。在下面給出的結果的表中，這種矽烷由縮寫MTS表示。Luperox®TBEC：由申請人Arkema公司銷售的OO-叔丁基-O-(2-乙基己基)單過氧碳酸酯，在下文中表示為TBEC。Luperox®101：由申請人Arkema公司銷售的2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基過氧基)己烷，在下文中表示為101。測試的膜和配製劑的獲得：膜的製備：通過擠出經浸漬的聚合物顆粒獲得封裝劑膜：通過浸漬Lotryl或Evatane顆粒加入矽烷和必要時過氧化物。將顆粒和液體置於燒瓶中，並將燒瓶置於以每分鐘60轉的速度的輥式混合器上3小時。在浸漬後，將這些顆粒以及任選的附加顆粒置於寬度為10cm(釐米)的狹縫模頭的狹縫擠出機的引入進料鬥中。擠出在適於組合物的溫度下進行；因此，對於基於LuperoxTBEC的組合物，該溫度限於90℃，因為在該溫度以上，過氧化物將分解。對於基於Luperox10的組合物，此溫度可達到100℃至110℃之間。這種擠出使得可以獲得一卷膜，該膜在擠出機出口處的拉伸進行調節以獲得厚度在350-550μm(微米)之間的膜。所測試模塊的製備：為了表徵配製劑，通過熱層壓獲得測試模塊。測試模塊的結構可根據要實現的表徵而變化：-通過透射測量蠕變和光學性質：玻璃(4mm)/封裝劑膜/玻璃(4mm)-粘合力的測量：玻璃(4mm)/封裝劑膜/Apolhya背板所使用的層壓機由Penergy公司提供。層壓條件取決於層壓膜的組成。因此，在基於TBEC的配製劑的情況下，遵循的循環為以下：持續時間(s)T(°C)Vup(mbar)Vdown(mbar)啟動前108501000110850021808500310859000410851000056001501000063601501000071015000810150009-5001000此外，在基於Luperox101的製劑的情況下，由於該過氧化物的較高分解溫度而調節溫度。觀察到的周期如下：持續時間(s)T(°C)Vup(mbar)Vdown(mbar)啟動前10110010001101100021801100031011090004101101000056001701000063601701000071017000810170009-5001000對試樣進行的試驗(E1至E4和CE1至CE5組合物)：通過以下非限制性實施例更詳細地說明本發明。在下表中表示為E1，E2，E3和E4的組合物是根據本發明的組合物，而組合物CE1，CE2，CE3，CE4和CE5是根據現有技術和/或不根據本發明的組合物。組分1含量(%組合物重量)組分2含量(%組合物重量)組分3含量(%組合物重量)E128MA0799.5MTS0.3TBEC0.2E217BA0799.6MTS0.31010.1E320MA0899.6MTS0.31010.1E435BA4099.3MTS0.3TBEC0.4CE1EVA3345PV98.2MTS0.3TBEC1.5CE220MA0899.7MTS0.3--CE37BA0199.6MTS0.31010.1CE435BA32099.2MTS0.3TBEC0.5CE535BA4098.7MTS0.3TBEC1.0將注意到，上述目標試樣具有相同量的矽烷，固定為該組合物的重量的0.3％。然而，附加的測試使得可以鑑定在組合物中的矽烷的量可以佔所述組合物的0.1重量％至0.5重量％。根據本發明的組合物的實施例都具有相同的厚度，但是清楚地理解，本領域技術人員可以根據光伏模塊的應用和後者的性能來改變它們。通過透射率測量光學性能：使用Minolta牌的分光色度計在玻璃/封裝劑/玻璃結構上通過透射測量光學性能。測量條件如下：■波長：360nm-740nm(納米)■光源：C■角度：2°■測量開口：LAV25mm(毫米)■背景：「Cera」白板+進光孔。從該測量中獲取兩個數值數據：-霧度：霧度對應於所研究的結構的霧度。其根據標準ASTMD-1003-007計算。-透明度：通過取400至740nm之間的平均透射率值，通過玻璃層和玻璃/空氣和玻璃/封裝劑界面的相應貢獻校正，然後標準化為200μm的厚度，計算透明度。還在DHT（溼熱試驗-85℃/85％相對溼度/2000小時）老化期間評價透明度。為了滿足本發明的要求，透明度測試應顯示高於96％的結果，霧度測試結果低於20。蠕變試驗：蠕變試驗在玻璃/封裝劑/玻璃結構(使用具有長度L=70mm的玻璃板)上進行。在層壓之後，將測試模塊放置在與水平方向形成70°角的金屬結構上。每個模塊由覆蓋第一玻璃層的厚度的一部分的邊緣保持。將這種結構設置在100℃的烘箱中。在第二玻璃層的重量下可觀察到蠕變。因此測量的蠕變值是在這些條件下500小時後第二玻璃板行進的距離。該距離在0mm(無蠕變)至70mm(完全蠕變，結構分離)之間。為了滿足本發明的要求，蠕變測試應顯示低於4mm的結果。在玻璃層上的粘合試驗：使用在Zwick1445測力機上以50mm/min(毫米/分鐘)進行的90°剝離測試，在玻璃/封裝劑/背板結構上測量在封裝劑和玻璃之間的粘合水平。用於這種測量的背板是由申請人公司製造和銷售的由Apolhya®構成的單層。測量條件如下：-滑塊的位移速度：50mm/min-試樣切割寬度：10mm-剝離角度：90°。粘附結果以N/mm表示。為了滿足本發明的要求，粘合測試應顯示大於3.5N/mm的結果。還對封裝劑進行了測試以確認這種新型結構相對於根據文獻WO09138679中所述的封裝劑的性質保留了優異的性質，即相同的性質，即特別涉及其機械性質，熱機械性質和阻燃性質及其電絕緣性質。這些測試經證明是正面的。在DHT（溼熱試驗-85℃/85％相對溼度/2000小時）老化期間評價如本發明中所述配製的封裝劑的黃化性能（yellowingproperties）。獲得的結果證明比根據現有技術製劑獲得的結果更好。因此，根據本發明的組合物滿足用於能夠非常有利地用作為在太陽能模塊中的粘合劑或封裝劑的標準。對不同製劑的試樣進行的試驗結果：在CE1試驗樣品（根據現有技術的製劑）上獲得的結果是良好的，但是在DHT老化期間檢測到乙酸的形成並且導致該封裝劑的強烈黃化。在根據本發明製備的任何樣品上都沒有觀察到這種現象。當前第1頁1 2 3