一种太阳能电池背膜
阅读说明：本技术 一种太阳能电池背膜 (Solar cell back film ) 是由 张振喜 张茜 岑哲 李贵海 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种太阳能电池背膜,包括PET基材层以及设置在PET基材层至少一侧的耐候涂层,耐候涂层包括氟碳树脂以及分散在氟碳树脂中的功能填料,功能填料包括聚合物包覆纳米金刚石和表面改性纳米二氧化钛,聚合物包覆纳米金刚石在耐候涂层中的质量分数为0.1％～0.2％,表面改性纳米二氧化钛在耐候涂层中的质量分数为0.1％～2％。本申请通过在耐候涂层中引入纳米金刚石和纳米二氧化钛,获得了综合性能优异的太阳能电池背膜。(The application discloses solar cell back film, including the PET substrate layer and set up the resistant coating of waiting in at least one side of PET substrate layer, resistant coating of waiting includes fluorocarbon resin and the functional filler of dispersion in fluorocarbon resin, and the functional filler includes polymer cladding nano diamond and surface modification nanometer titanium dioxide, and the mass fraction of polymer cladding nano diamond in resistant coating of waiting is 0.1% ~ 0.2%, and the mass fraction of surface modification nanometer titanium dioxide in resistant coating of waiting is 0.1% ~ 2%. According to the solar cell back film, the nano diamond and the nano titanium dioxide are introduced into the weather-resistant coating, so that the solar cell back film with excellent comprehensive performance is obtained.)
技术领域
本申请涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种太阳能电池背膜。
背景技术
随着生态环境问题的日益严峻，化石燃料类能源的使用将受到很大的限制，然而以太阳能电池为主的光伏行业将获得快速的发展和推广。太阳能电池组件封装材料主要包括玻璃、EVA胶膜、边框、背板膜、接线盒、硅胶等。其中背板膜在太阳能电池板的背面，是太阳能电池组件重要的封装材料，其主要材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，PET薄膜具有优良的电绝缘性和阻水阻氧性能，但是其耐候性较差，且对湿老化的抵抗性较差，通常需要复合耐候及阻水性能较佳的氟材料来做保护。复合的工艺包括复胶型和涂覆型两类。复胶型太阳能背板背膜(TPT、KPK等)以PVF或PVDF等氟材料通过胶粘剂与PET基材粘结复合而成。该类背膜由于内部PET基材两面存在胶粘剂，而胶粘剂质量不一，加之复合工艺良莠不齐，在电池组件长期户外使用过程中复合型背膜受湿度和温度的双重因素的影响，易发生胶粘剂层水解，最终导致氟膜与PET基材层间剥离，难以满足电池组件长期的可靠要求。而涂覆型背板膜采用氟碳涂料，直接涂覆于PET基材之上，形成氟碳涂层，大大改善了背膜生产的工艺和经济性，且氟碳涂膜可直接与EVA贴合，必要时可于涂膜上施予电晕处理，即可提高贴合牢度。因此，以氟碳涂膜尤其是水性氟碳涂膜取代PVF、PVDF等复合膜，应用于太阳能背板上，可降低背板制造难度及材料成本，与传统复合型背板相比具有明显竞争优势，而且水性氟碳涂料具有零VOC或低VOC的特点，是一种环境友好型涂料。但是氟碳涂层的附着力较差，而且现有太阳能背膜的力学性能也有待进一步提升。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种综合性能优异的太阳能电池背膜。
为达到以上目的，本申请提供一种太阳能电池背膜，包括PET基材层以及设置在所述PET基材层至少一侧的耐候涂层，所述耐候涂层包括氟碳树脂以及分散在所述氟碳树脂中的功能填料，所述功能填料包括聚合物包覆纳米金刚石和表面改性纳米二氧化钛，所述聚合物包覆纳米金刚石在所述耐候涂层中的质量分数为0.1％～0.2％，所述表面改性纳米二氧化钛在所述耐候涂层中的质量分数为0.1％～2％。
进一步地，所述功能填料在所述耐候涂层中的质量分数为2％～4％。
进一步地，所述聚合物包覆纳米金刚石与所述表面改性纳米二氧化钛的质量比为1:(1～4)。
进一步地，所述聚合物包覆纳米金刚石中的纳米金刚石的粒径为1nm～500nm。
进一步地，所述纳米金刚石的粒径为50nm～200nm。
进一步地，所述改性纳米二氧化钛为硅烷偶联剂表面改性的纳米二氧化钛。
进一步地，所述聚合物包覆纳米金刚石为聚甲基丙烯酸甲酯包覆的纳米金刚石。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：本申请通过在耐候涂层中引入纳米金刚石和纳米二氧化钛，获得了力学性能、耐候性能、水汽隔绝能力、导热能力良好的太阳能电池背膜。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请提供一种太阳能电池背膜，包括PET基材层以及设置在PET基材层至少一侧的耐候涂层，该耐候涂层包括氟碳树脂以及分散在氟碳树脂中的功能填料，功能填料包括聚合物包覆纳米金刚石和表面改性纳米二氧化钛，聚合物包覆纳米金刚石在耐候涂层中的质量分数为0.1％～2％，表面改性纳米二氧化钛在耐候涂层中的质量分数为0.1％～2％。
纳米金刚石具有多种优异的特性，如高模量、高硬度、高热导率、良好的绝缘性、低摩擦系数、耐磨损、良好的化学稳定性等。本申请中，在耐候涂层中添加纳米金刚石有利于提高耐候涂层的内聚力，进而提高耐候涂层的附着力和力学性能；同时由于纳米金刚石能够有效的填补树脂及其它原料间的孔隙，有利于提高涂层的致密性以及耐腐蚀性；另外，高导热的纳米金刚石可以在耐候涂层中形成导热通路，提升了涂层的散热性能，有利于提高太阳能电池的寿命。但是纳米级的金刚石极易发生团聚，如果不经过处理直接添加到树脂中，纳米金刚石很难均匀分散到树脂中，甚至会因为团聚后的粒径较大，影响最终涂层的力学性能。因此，有必要对纳米金刚石进行表面处理，以使得其能够相对均匀地分散在树脂中。本申请采用聚合物包覆的方式对纳米金刚石进行表面改性，获得的聚合物包覆纳米金刚石可以较好地分散在树脂中，对涂层力学性能、致密性、导热性能、耐候性能的提升都有显著的作用。
纳米二氧化钛可以提高耐候涂层的耐紫外老化性能，纳米二氧化钛也能够有效的填补树脂及其它原料间的孔隙，提高涂层的致密性以及耐腐蚀性。同样，未经表面处理的纳米二氧化钛在树脂中的分散均匀性较差，本申请对纳米二氧化钛表面进行了改性，提高其在树脂中的分散均匀性。
本申请通过纳米金刚石和纳米二氧化钛的复配，获得致密性良好、力学性能良好、耐老化性能良好、导热性能较好的太阳能电池背膜。
在一些优选实施例中，聚合物包覆纳米金刚石与表面改性纳米二氧化钛的质量比为1:(1～4)。实验发现，当聚合物包覆纳米金刚石的含量超过纳米二氧化钛的含量较多时，耐候涂层的附着力有一定程度的下降。
在一些实施例中，纳米金刚石的粒径为1nm～500nm。进一步地，纳米金刚石的粒径为50nm～200nm。实验发现，纳米金刚石的粒径过大时，容易对耐候涂层的附着力以及背膜的力学性能产生不良影响。
在一些实施例中，纳米金刚石在进行包覆之前经过以下表面改性方法中的至少一种：表面羧化、氢化、氨化、酰胺化、酰氯化、羟化。在包覆纳米金刚石之前，先对其进行表面改性，更有利于聚合物在其表面进行包覆。
用于包覆纳米金刚石的聚合物可以是各种聚酯。在一个具体实施例中，包覆在纳米金刚石表面的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。
在一些实施例中，改性纳米二氧化钛为硅烷偶联剂表面改性的纳米二氧化钛。
在一些实施例中，耐候涂层由氟碳涂料固化形成，氟碳涂料包括水性氟碳树脂、固化剂、功能填料、助剂、水。
在一些实施例中，氟碳涂料中的助剂包括以下至少一种：润湿分散剂、消泡剂、增稠剂、流平剂。
其中，润湿分散剂可以是非离子型聚氨酯类、聚羧酸铵盐类和聚乙二醇醚酯类分散剂中的一种或多种的混合。消泡剂可以是聚硅氧烷类和有机醇类消泡剂中的一种或两种的混合。增稠剂可以是缔合型聚醚类和缔合型聚氨酯类增稠剂中的一种或两种的混合。流平剂可以是氟改性表面活性剂类流平剂、丙烯酸类流平剂和聚醚改性聚二甲基硅氧烷类流平剂中的一种或几种的混合。
在一些实施例中，固化剂为水性聚异氰酸酯固化剂。
在一些实施例中，水性氟碳树脂是由FEVE与丙烯酸树脂共聚形成的水性氟树脂乳液。在另一些实施例中，水性氟树脂是由四氟乙烯/六氟丙烯共聚形成的乳液。
【实施例1】
原料：水性氟碳乳液(市售)50％、水性聚异氰酸酯固化剂12％、润湿分散剂3％、消泡剂0.5％、增稠剂0.3％、流平剂0.2％、聚合物包覆纳米金刚石1％和改性纳米二氧化钛1％，余量为水。
聚合物包覆纳米金刚石的制备方法为：(1)将粒径为50nm的纳米金刚石和去离子水混合配制成质量分数为6％的分散液，然后加入十二烷基苯磺酸钠，搅拌2小时，十二烷基苯磺酸钠的加入量是纳米金刚石质量的0.8％；(2)将分散液在搅拌条件下升温至85℃，稳定5min后加入引发剂过硫酸钾；(3)向步骤(2)所得的分散液中滴加甲基丙烯酸，滴加完成后保温反应12h，甲基丙烯酸的加入量为纳米金刚石质量的80％；(4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温后真空抽滤，将滤饼置于干燥箱中干燥，干燥的后滤饼粉碎，得到聚合物包覆纳米金刚石。步骤(1)-(4)在氮气气氛下进行。
改性纳米二氧化钛的制备方法为：将粒径为25nm的纳米二氧化钛和醋酸混合配制成质量分数为60％的分散液后，加入硅烷偶联剂KH-570搅拌24小时，KH-570的加入量是纳米二氧化钛的20％；洗涤后将产物于干燥箱中干燥24小时得到改性纳米二氧化钛。
氟碳涂料制备：按照前述计量，将去离子水、润湿分散剂、消泡剂在室温下搅拌分散均匀，然后加入功能填料继续搅拌分散均匀，然后再加入水性氟树脂乳液和流平剂搅拌，最后加入固化剂，搅拌均匀得到氟碳涂料。对制得的氟碳涂料进行附着力测试，测试方法根据标准GB/T 9286-1998，将氟碳涂料涂覆在底板上，干燥后进行附着力测试，测试结果见表2。
太阳能电池背膜制备：提供一厚度为200μm的PET基材，在PET基材的两面涂覆上述氟碳涂料，然后于烘箱中烘干，从而在PET基材的两侧形成耐候涂层，耐候涂层的厚度为20μm。
对制得太阳能电池背膜进行下列性能测试：根据标准ASTM F1249，采用TSY-W2水蒸气透过率测试仪对背膜-的水蒸气透过率进行测试。根据标准ASTM D882测试背膜拉伸强度和断裂伸长率。根据标准GB/T 2790-1995测试背膜与EVA胶膜层压后剥离强度。根据标准IEC61215测试背膜耐湿热老化性能。根据标准ISO4892-2测试背膜紫外老化性能。根据标准GB/T2423.17测试背膜的耐盐雾性。根据标准GB/T10297-2015测试背膜的导热系数。结果见表2。
【实施例2】
实施例2与实施例1的区别在于：制备聚合物包覆纳米金刚石时，纳米金刚石的粒径为100nm。
【实施例3】
实施例3与实施例1的区别在于：制备聚合物包覆纳米金刚石时，纳米金刚石的粒径为200nm。
【实施例4】
实施例4与实施例1的区别在：制备聚合物包覆纳米金刚石时，纳米金刚石的粒径为500nm。
【实施例5】
实施例5与实施例1的区别在：制备聚合物包覆纳米金刚石时，纳米金刚石的粒径为10nm。
【实施例6】
实施例6与实施例3的区别在：功能填料包括0.5％的聚合物包覆纳米金刚石和1.5％的改性纳米二氧化钛。
【实施例7】
实施例7与实施例3的区别在：功能填料包括0.2％的聚合物包覆纳米金刚石和1.8％的改性纳米二氧化钛。
【实施例8】
实施例8与实施例3的区别在：功能填料包括1.5％的聚合物包覆纳米金刚石和0.5％的改性纳米二氧化钛。
【实施例9】
实施例9与实施例3的区别在：功能填料包括1.8％的聚合物包覆纳米金刚石和0.2％的改性纳米二氧化钛。
【实施例10】
实施例10与实施例3的区别在于：功能填料包括2％的聚合物包覆纳米金刚石和2％的改性纳米二氧化钛。
【对比例1】
对比例1与实施例1的区别在于：原料中不含功能填料。
【对比例2】
对比例2与实施例3的区别在于：功能填料仅包括1％的聚合物包覆纳米金刚石。
【对比例3】
对比例3与实施例3的区别在于：功能填料仅包括2％的聚合物包覆纳米金刚石。
【对比例4】
对比例4与实施例3的区别在于：功能填料仅包括0.1％的聚合物包覆纳米金刚石。
【对比例5】
对比例5与实施例3的区别在于：功能填料仅包括1％的改性纳米二氧化钛。
【对比例6】
对比例6与实施例3的区别在于：功能填料仅包括2％的改性纳米二氧化钛。
【对比例7】
对比例7与实施例3的区别在于：功能填料仅包括0.1％的改性纳米二氧化钛。
【对比例8】
对比例8与对比例1的区别在于，纳米金刚石表面未包覆聚合物。
【对比例9】
对比例9与对比例5的区别在于，纳米二氧化钛表面未进行改性。
表1列出了各实施例和对比例中功能填料的添加情况。表2列出了各实施例和对比例的性能测试数据。
表1
表2中，若背膜的横向拉伸强度和纵向拉伸强度都达到120MPa以上记为通过，否则记为不通过；背膜的横向断裂伸长率和纵向断裂伸长率都达到100％以上记为通过，否则记为不通过；背膜在85℃、85％RH、2000h的老化条件下，若不粉化、不起泡、不分层且ΔE≤2记为通过，否则记为不通过；背膜在65℃，65％RH，60KWh紫外光照射条件下，不粉化、不起泡、不分层且ΔE≤2记为通过，否则记为不通过；背膜在进行盐雾试验中，3000h不粉化、不起泡、不分层且ΔE≤2记为通过，否则记为不通过。
表2
从表2的附着力数据可以看出，聚合物包覆纳米金刚石与改性纳米二氧化钛复配可以有效提高耐候涂层的附着力，而且纳米金刚石的粒径对耐候涂层的附着力有一定的影响，纳米金刚石的粒径过大或过小，都不利于附着力的提升。而且，聚合物包覆纳米金刚石的含量太低时(对比例4)，对于提高附着力的作用并不明显。
从表2拉伸强度和断裂伸长率的数据可以看出，在粒径和添加量合适的情况下，聚合物包覆纳米金刚石可以有效提高背膜的力学性能。当纳米金刚石的粒径达到500nm时，纳米金刚石的加入不利于背膜力学性能的提升。
从表2剥离强度的数据可以看出，聚合物包覆纳米金刚石与改性纳米二氧化钛复配可以有效提高背膜的剥离强度。
从表2水蒸气透过率的数据可以看出聚合物包覆纳米金刚石与改性纳米二氧化钛复配可以显著提高背膜的水蒸气隔绝能力。
从表2的耐湿热老化、紫外老化、耐盐雾性测试数据可以看出，聚合物包覆纳米金刚石与改性纳米二氧化钛复配可以提高背膜的耐老化性能和耐腐蚀性能。
从表2的导热系数测试数据可以看出，聚合物包覆纳米金刚石的加入可以有效提高背膜的导热系数。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。