一种用于太阳能电池的背板及制备方法
阅读说明：本技术 一种用于太阳能电池的背板及制备方法 (Back plate for solar cell and preparation method ) 是由 罗吉江 符书臻 崔如玉 花超 朱瑜芳 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明开发了一种新的用于太阳能电池的背板的制备方法,先采用静电纺丝的方法制备骨架结构的B层,然后在B层的上下两面流延聚烯烃材料的A层和C层,然后在真空压膜机内进行层压,由于层压的温度高于A层和C层的熔融温度、且低于B层的软化温度,在压力下熔融的聚烯烃薄膜层可以穿透并填充纳米纤维网络,由于A层和C层的聚烯烃在硅烷偶联剂的作用下会发生接枝交联反应,使得上下2层聚烯烃发生局部交联,从而彻底提高了复合背板各层之间的粘合力,不仅彻底解决了各层之间的层间剥离力差的技术问题。(The invention has developed a new preparation method used for the slab of the solar cell, adopt the B layer of the method preparation skeleton structure of the electrostatic spinning first, then the A layer and C layer of the polyolefin material of upper and lower two sides curtain coating of B layer, then laminate in the vacuum film pressing machine, because the temperature of laminating is higher than the fusing temperature of A layer and C layer, and lower than the softening temperature of B layer, the polyolefin film layer melted under the pressure can penetrate and pack the nanofiber network, because the polyolefin of A layer and C layer will take place the graft cross-linking reaction under the influence of silane coupling agent, make the polyolefin of upper and lower 2 layers take place the local cross-linking, thus has improved the cohesive force among each layer of the composite slab completely, not only solved the poor technical problem of interlaminar stripping force among each layer completely.)
技术领域
本发明涉及太阳能电池背板材料技术领域，具体涉及一种用于太阳能电池的背板及制备方法。
背景技术
目前，随着不可再生能源的衰竭及愈发严重的环境问题，作为清洁能源的太阳能受到前所未有的关注和重视。太阳能发电(又称为光伏发电)是有效利用太阳能的主要途径之一，而作为太阳能发电的核心部件，太阳能电池(又称为光伏电池)的可靠性直接决定了太阳能发电的效能。
现有技术中，太阳能电池一般由上层盖板、胶膜、电池片、胶膜和太阳能背板组成。其中，背板是太阳能电池的重要部分，一方面起到太阳能电池组件的结构粘结封装作用，另一方面保护太阳能电池，防止水汽渗入，提高太阳能电池的耐湿热老化性能和光电转换效率，延长太阳能电池的使用寿命。由于太阳能背板直接暴露于空气中，所处的环境条件恶劣，因此现有的产品均为多层复合结构：基板和耐候层；其中，基板主要采用聚酯基材或聚烯烃，耐候层大都为含氟耐候层。然而，现有的背板主要存在如下问题：(1)聚酯的分子主链中含有大量的酯基，易水解，即使经过改性处理，仍然难以达到太阳能背板的耐湿热老化性能的要求；(2)含氟耐候层价格昂贵、粘结性能差，导致各层之间的层间剥离力较差；(3)背板本身要求极高的机械强度、低温冲击强度和韧性，现有的背板材料难以在这方面做到优秀。
因此，开发一种能满足背板层间粘合力的多层背板，同时又能保证背板的高粘结性、高机械强度、高低温冲击性的要求，显然具有积极的现实意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种用于太阳能电池的背板及制备方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于太阳能电池的背板的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备B层：采用静电纺丝机，在其两个注射器中分别加入高分子纺丝液和无机纳米填料悬浊液，进行静电纺丝，然后进行干燥，即可得到B层；所述B层的厚度为20～100微米；
所述高分子纺丝液为高分子聚合物和溶剂的混合物，其高分子聚合物的质量含量为20～40％，所述高分子聚合物选自PET、PA6或PA66中的一种或几种，所述溶剂为2,2,2-三氟乙醇、三氟乙酸或六氟异丙醇；
所述无机纳米填料悬浊液为甲醇和无机纳米填料的混合物，其无机纳米填料的质量含量为5～20％，所述无机纳米填料选自二氧化钛、氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氢氧化铝、硫酸钡、滑石粉、云母粉中的一种或几种；
(2)用硅烷偶联剂对所述B层进行表面处理；
(3)将A层和C层原料按如下配方各自混合均匀后投入螺杆挤出机，分别熔融挤出并流延于所述B层两侧成膜，得到A/B/C三层结构的复合薄膜；所述A层和C层的厚度相同或不同，分别为20～200微米；
所述A层的原料配方如下，以质量份计，包括：
所述C层的原料配方如下，以质量份计，包括：
(4)将步骤(3)得到的A/B/C三层复合薄膜放入真空压膜机内，在180～220℃、3～20MPa的条件下进行层压，层压时间为3～8min，完成后自然冷却至室温，即可得到所述用于太阳能电池的背板；
所述层压的温度高于A层和C层的熔融温度、且低于B层的软化温度。
上文中，所述高分子纺丝液中高分子聚合物的质量含量为20～40％，优选为25～35％，更优选为28～32％。
上文中，所述将A层和C层原料按如下配方各自混合均匀后投入螺杆挤出机，是指将A层原料按配方混合均匀，以及C层原料按配方混合均匀；而不是A层和C层共混。
所述无机纳米填料悬浊液中无机纳米填料的质量含量为5～20％，优选为8～16％，更优选为10～13％。
优选的，所述步骤(1)中，进行静电纺丝后，将产物放入80℃真空干燥箱干燥24h，即可得到B层。
优选的，所述步骤(1)中，两个注射器并排放置，两个注射器中点距离收集器15cm，注射泵速度为1～3mL/h，电压为25千伏。
优选的，所述步骤(3)中，所述螺杆挤出机的温度为160～200℃，转速为90～120转/分。
优选的，所述步骤(3)中，A层和C层的原料配方中的相容剂选自PE-g-MAH、PP-g-MAH、POE-g-MAH、聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或几种。
优选的，所述步骤(3)中，A层和C层的原料配方中的添加剂为交联剂、引发剂、抗氧剂、紫外吸收剂和光稳定剂。
优选的，所述B层的厚度为20～40微米；所述A层和C层的厚度相同或不同，分别为30～40微米；三层总厚度小于100微米。即本发明的背板是非常薄的，小于现有的背板厚度，并可以保证背板的强度。
优选的，所述步骤(4)中，层压的压力为10～18MPa，层压时间为3～5min。
本发明同时请求保护一种由上述的制备方法制备得到的用于太阳能电池的背板。
本发明同时请求保护一种由上述的背板制备的太阳能电池。
本发明的工作机理如下：利用两个注射器分别同时喷射高分子纺丝液和无机纳米填料悬浊液，使无机纳米填料粒子可以均匀分散在合成的纳米纤维膜表面，从而有效避免了无机纳米填料在复合材料中的团聚问题，并使得复合材料的功能性提升：由静电纺丝制成的纳米纤维膜是一种以纳米纤维相互搭接而成的三维多孔无纺纤维膜，具有一定的孔隙率，高分子聚合物PET、PA6和PA66的耐温性能优于聚烯烃材料，此外，高分子聚合物的刚性和耐性较好，由其组成的纳米纤维网络在复合背板材料中可以起到骨架作用，使背板刚性增大，且纳米纤维膜具有较高的长径比和较大的比表面积以及分子链高度取向等特点，使背板增强增韧，拥有良好的力学性能；而且，在背板制备过程中纳米纤维膜有异相成核作用，也提高了背板的韧性，拉伸强度及杨氏模量也随之增大。
另一方面，聚烯烃薄膜层(A/C层)流延于纳米纤维膜层表面，在真空压膜机内进行层压时，层压的温度高于A层和C层的熔融温度、且低于B层的软化温度，在压力下熔融的聚烯烃薄膜层可以穿透并填充纳米纤维网络(而纳米纤维膜依然保持原来的纤维形态)，从而制备得到聚烯烃填充的复合材料；此外，由于B层表面采用硅烷偶联剂进行了处理，在层压时，接触了硅烷偶联剂的A层和C层聚烯烃会发生接枝交联反应，使得A层和C层的材料会发生一定的交联反应，从而彻底提高了复合背板各层之间的粘合力，不仅彻底解决了各层之间的层间剥离力差的技术问题，而且得到的复合背板具有更佳的力学性能。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明开发了一种新的用于太阳能电池的背板的制备方法，先采用静电纺丝的方法制备骨架结构的B层，然后在B层的上下两面流延聚烯烃材料的A层和C层，然后在真空压膜机内进行层压，由于层压的温度高于A层和C层的熔融温度、且低于B层的软化温度，在压力下熔融的聚烯烃薄膜层可以穿透并填充纳米纤维网络，由于A层和C层的聚烯烃在硅烷偶联剂的作用下会发生接枝交联反应，使得上下2层聚烯烃发生局部交联，从而彻底提高了复合背板各层之间的粘合力，不仅彻底解决了各层之间的层间剥离力差的技术问题；
2.实验证明，相比现有技术，本发明得到的复合背板不仅具有更佳的层间剥离力，而且兼具更好的机械强度、弹性模量和高低温冲击性，力学性能极佳；
3.本发明的制备工艺简单易行，且成本较低，适于推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，由如下步骤组成：
A层：70份嵌段共聚聚丙烯(北京燕山石化公司)、30份HDPE(北京燕山石化公司)、1份PP-g-MAH(北京加成助剂研究所)、1份PE-g-MAH(北京加成助剂研究所)、0.1份抗氧剂2，6-三级丁基-4-甲基苯酚(北京加成助剂研究所)、0.2份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(北京加成助剂研究所)、0.2份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(北京加成助剂研究所)，混合均匀；
B层：将PET溶于三氟乙酸溶剂且质量含量为20％，得到高分子纺丝液；将纳米二氧化钛分散于甲醇制备质量含量为10％的二氧化钛悬浮液并超声震荡15min；
分别将上述2种混合液加入静电纺丝机的两个并排放置的注射器中，注射泵速度为1mL/h，两个注射器中点距离收集器15cm，电压为20kV，进行静电纺丝，将产物放入80℃真空干燥箱干燥24h，得到TiO2/PET纳米纤维膜，膜厚度为20微米；
随后用硅烷偶联剂KH550(丹阳市有机硅材料实业有限公司)对纤维膜进行表面处理；
C层：70份均聚聚丙烯(北京燕山石化公司)、30份HDPE(北京燕山石化公司)、1份PP-g-MAH(北京加成助剂研究所)、1份PE-g-MAH(北京加成助剂研究所)0.1份抗氧剂2，6-三级丁基-4-甲基苯酚(北京加成助剂研究所)、0.2份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(北京加成助剂研究所)、0.2份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(北京加成助剂研究所)，混合均匀；
将A层和C层物料分别投入螺杆挤出机的2组螺杆中，控制温度为180℃，转速为100转/分，经过熔融挤出并流延于TiO2/PET纳米纤维膜的两侧，得到A/B/C三层结构薄膜，其中A层和C层厚度均为35微米；
然后，将其置于真空压膜机内，200℃，18MPa条件下层压5min，同时开启真空泵对体系进行抽真空，用来除去体系中所含气泡，熔融的A层、C层渗透到B层的纤维网络中；热压完成后，自然冷却至室温，得到一种高强度背板S1。
实施例二
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，与实施例一相同，唯一不同之处在于：得到的TiO2/PET纳米纤维膜的厚度为30微米。A层和C层厚度均为30微米。
得到高强度背板S2。
实施例三
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，与实施例一相同，唯一不同之处在于：得到的TiO2/PET纳米纤维膜的厚度为40微米。A层和C层厚度均为25微米。
得到高强度背板S3。
实施例四
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，与实施例一相同，唯一不同之处在于：在真空压膜机内，200℃，10MPa条件下层压6min，同时开启真空泵对体系进行抽真空，用来除去体系中所含气泡，熔融的A层、C层渗透到B层的纤维网络中；热压完成后，自然冷却至室温，得到一种高强度背板S4。
实施例五
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，与实施例一相同，唯一不同之处在于：在真空压膜机内，200℃，4MPa条件下层压8min，同时开启真空泵对体系进行抽真空，用来除去体系中所含气泡，熔融的A层、C层渗透到B层的纤维网络中；热压完成后，自然冷却至室温，得到一种高强度背板S5。
实施例六
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，与实施例一相同，得到的TiO2/PET纳米纤维膜的厚度也为20微米；唯一不同之处在于：
B层：将PA6溶于2,2,2-三氟乙醇溶剂且含量为20wt％，将得到高分子纺丝液。另一种也是采用和实施例一相同的二氧化钛悬浮液。
得到高强度背板S6。
对比例一
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，与实施例一相同，唯一不同之处在于：得到的TiO2/PET纳米纤维膜的厚度为15微米。A层和C层厚度均为35微米。
得到高强度背板D1。
对比例二
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，与实施例一相同，唯一不同之处在于：得到的TiO2/PET纳米纤维膜的厚度为100微米。A层和C层厚度均为100微米。
得到高强度背板D2。
对比例三
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，由如下步骤组成：
A层：70份嵌段共聚聚丙烯(北京燕山石化公司)、30份HDPE(北京燕山石化公司)、1份PP-g-MAH(北京加成助剂研究所)、1份PE-g-MAH(北京加成助剂研究所)、0.1份抗氧剂2，6-三级丁基-4-甲基苯酚(北京加成助剂研究所)、0.2份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(北京加成助剂研究所)、0.2份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(北京加成助剂研究所)，混合均匀；
C层:70份均聚聚丙烯(北京燕山石化公司)、30份HDPE(北京燕山石化公司)、1份PP-g-MAH(北京加成助剂研究所)、1份PE-g-MAH(北京加成助剂研究所)0.1份抗氧剂2，6-三级丁基-4-甲基苯酚(北京加成助剂研究所)、0.2份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(北京加成助剂研究所)、0.2份光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(北京加成助剂研究所)，混合均匀；
将A层、C层物料分别投入螺杆挤出机的2组螺杆中，控制温度为180℃，转速为100转/分，经过熔融挤出得到A/C二层结构薄膜，其中A层和C层厚度均为100微米。
然后将其置于真空压膜机内，200℃，18MPa条件下层压5min，同时开启真空泵对体系进行抽真空，用来除去体系中所含气泡，热压完成后，自然冷却至室温，得到一种高强度背板D3。
对比例四
一种用于太阳能电池的背板的制备方法，配方和实施例一相同，前面的制备步骤也和实施例一相同，只是没有进行层压步骤，而是直接将A层、C层经过熔融挤出并流延于PET薄膜的两侧，得到A/B/C三层结构薄膜。得到一种高强度背板D4。
测试实施例及对比例中背板的部分性能，详见下表：
上表中：S1至S6代表实施例一至六，D1至D2代表对比例一至四。
由上表可知，S1至S3是不同的B层厚度，和D1、D2相比，说明B层厚度不能太小，当B层厚度小于20微米时，背板在老化试验中容易出现褶皱；二B层厚度过大时，则会导致层间剥离力差、低温冲击强度差等问题。
S1、S4、S5是不同的层压工艺，说明高压短时间的层压效果更好，层压时间过长，会导致背板不平滑。
S1和S6是不同的B层材料，PET和PA6都可以满足要求，相对而言，采用PA6的刚性更好，弹性模量更好，但PET在低温环境下，PET作为B层原料制备的复合材料抗冲击强度更高，且比较便宜。
D3是没有B层，可见其弹性模量差、水蒸气透过率差、层间剥离力差，完全无法满足背板要求。D4是没有经过层压的案例，其层间剥离力很差，且不耐老化。而本发明的实施例相对对比例更有更好的层间剥离力，且具有很好的力学性能，机械强度高、低温冲击强度和韧性都很好。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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