包含具有硅烷基团的绝缘层的光伏组件的制作方法
【专利说明】
[00011 本申请是申请号为200980123339.8、申请日为2009年6月10日、发明名称为"包含 具有硅烷基团的绝缘层的光伏组件"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种光伏组件，包括太阳能电池元件和层压到所述太阳能电池元件的 至少一侧的绝缘材料，涉及制备所述光伏组件的方法，还涉及一种烯烃共聚物作为太阳能 电池元件的绝缘材料的用途。
【背景技术】
[0003] 利用太阳能电池或光伏组件光伏发电正在获得越来越多的关注，这是因为这种发 电模式具有不会产生噪音、有害排放或污染性气体的独特性能。
[0004]在这些组件中通过将光转换成电能产生电力的元件是所述的太阳能电池元件，所 述太阳能电池元件包括如硅、镓-砷和铜-铟-硒的半导体材料。
[0005] 因为用于太阳能电池元件的材料是脆性的和敏感的，它们必须被机械支撑和保护 起来抵抗如雨水、冰雹、水的冷凝和蒸发、尘埃、风等有害环境的影响。此外，必须实现所述 太阳能电池元件的可靠的电气隔离。
[0006] 必须在光伏组件通常为20到30年的整个工作寿命期间保持的这些功能由所述组 件的层状结构提供，所述组件包括透明的保护性前盖和底部的保护性基底，通过使用绝缘 材料层将太阳能电池元件固定在这些保护性材料的层之间。通常，所述组件还额外由铝框 支撑和保护。
[0007] 太阳能电池元件的绝缘材料有时也称为"封装剂"、"包埋剂"、"粘合剂"或"灌封 剂"。
[0008] 在所述光伏组件中的绝缘层的主要功能是确保在所述太阳能电池和组件中安全 的能量传输。为了做到这一点，必须为太阳能电池电路组装件提供结构支撑和定位，物理地 和电气地隔离所述太阳能电池元件，即防止外界影响和短路损坏所述元件，提供热传导，并 且至少对于暴露在阳光下的上部绝缘层，实现和保持所述太阳能电池元件和入射的太阳辐 射之间最大程度的光学耦合，即提供并保持阳光向所述太阳能电池元件的最大传输以使能 量产率最大化。
[0009] 如今，已知多种类型的绝缘材料，如过氧化物交联的乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)共聚 物（参见如EP 1857500)、聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯（SBS)嵌段共聚物（参见如US 4692557)、离聚物（参见如US 6320116)和聚氨酯（参见如DE 20220444)。
[0010] 然而，迄今为止最常见的绝缘材料是过氧化物交联的乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)共聚 物，为了用于光伏组件，将其从一种乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)共聚物组合物中挤出成为板材， 所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物组合物包括作为交联剂的有机过氧化物，通常还包括抗氧化 剂。所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的交联是必须的以提供在较高温度下具有足够强度的绝 缘层，因为在使用时，通常所述光伏组件的温度在40到80°C之间。
[0011] 所述层压的光伏组件在真空层压工艺中制备。在该工艺中，所述组件的部件在组 装后装入真空层压设备，其中应用约100到180°c，通常150°C的升高的温度和升高的压力约 15到30分钟，在真空下形成所述层压板。
[0012] 使用过氧化物交联的EVA作为绝缘材料的第一个缺点是需要相对高的温度和相对 长的层压时间，这是因为需要分解在所述绝缘层中的所述有机过氧化物交联剂并实现和终 止其交联。因此，所述光伏组件的生产速度较低。
[0013] 但是，过氧化物交联的EVA作为绝缘层的使用还具有其它缺点。众所周知，光伏组 件显示出每年1到10%的性能损失，而造成此损失的主要原因是所述交联的EVA层的降解， 这可能会出现原本无色透明的膜发生变色(参见如A.W. Czanderna和F.J. Pern的文章"用乙 稀-醋酸乙稀酯共聚物作为灌封剂封装光伏组件：重要的综述(Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl Acetate copolymer as a pottant:A critical review)"，太阳能材料和太阳能电池 （Solar Energy Materials and Solar Cells)43 (1996)101-181)。此外，也报道了其它问题，如在界面分层、液体水渗透、短路和电弧、所述 太阳能电池元件因膨胀/收缩应力开裂、电池连接失败、在热点的焊料炭化和熔化、过多的 污物和风化。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是提供一种绝缘材料，其避免了已知技术的缺点，特别是使用过氧 化物交联的EVA共聚物作为绝缘材料的缺点。特别地，本发明的目的是提供一种绝缘材料， 其得以改善和促进所述光伏组件的生产工艺，如缩短所述组件层压所需的时间，同时，具有 更低的降解倾向并为所述太阳能电池提供改善的保护使其免遭外界不利影响。
[0015] 本发明基于这样的发现:如果在绝缘材料中存在可交联的硅烷基团，则可以实现 上述目的并可提供这样的绝缘材料。
[0016] 因此，本发明提供了一种光伏组件，包括太阳能电池元件和层压到所述太阳能电 池元件的至少一侧的绝缘材料，其中所述绝缘材料包括一种包括含硅烷基团的单体单元的 烯烃共聚物。
[0017] 本发明的光伏组件的独特优势是与包括含过氧化物的EVA的普通组件相比它可以 在更短的时间内生产，因此所述组件层压工艺的生产力提高。这是由于例如所述硅烷基团 的交联在环境条件下已经发生。因此，在层压时可使用更低的温度，而且，因为硅烷交联在 层压工艺后"自动"发生，因此在所述层压步骤中不需要针对交联工艺的停留时间。
[0018] 对于基于1.47wt%的常用过氧化物2,5-双（叔丁基二氧）-2,5-二甲基己烷 (Lupersol 101)的EVA绝缘材料，作为温度的函数达到70 %的凝胶量，相应的停留时间是例 如，在140 °C下45分钟、150 °C下15分钟、或160 °C下6分钟(数据来自Paul B Wi 11 i s，"太阳能 电池封装的材料和工艺的调查（Investigation of materials and processes for solar cell encapsulation)" JPL合同954527S/L项目 6072:1，1986)。
[0019] 降低的层压温度有可能使用更宽范围的前盖和后板。例如，硅烷交联将开辟更轻 的材料例如聚碳酸酯取代玻璃作为前盖，因为层压工艺可以轻松地在130°C以下发生。作为 承重材料聚碳酸酯可以将如低重量、高韧性和高硬度的性能结合在一起。这些性能有助于 防护建造、降低破损浪费以及降低制造、运输和安装成本。
[0020]其它优势是在所述绝缘材料的交联中没有形成可能损害所述光伏电池的腐蚀性 和其它副产物。所述过氧化物分解的副产物更是挥发性的，并且为了避免在层压过程中形 成空洞，需要保持压力直到层压板已经冷却到所述挥发性分解产物的沸点以下，一般80°C 以下。
[0021]此外，层压之前，制备通常为0.5毫米厚的薄膜。对于过氧化物可交联化合物，所述 薄膜挤出工艺应该在比薄膜挤出的最佳挤出温度要低得多的温度下进行，从而减少产量。 即使在低挤出温度下也会发生预固化(焦化），这表明所述薄膜中凝胶含量的增加。更大的 凝胶导致所述膜的破裂。形成的凝胶也对光传输产生负面影响并降低绝缘性能。
[0022] 硅烷可交联化合物没有这些限制，因为可能采用更典型的薄膜挤出温度从而提高 了产量，也导致在设计聚合物的初始熔体粘度方面更大的自由。因为降低了预固化的风险， 特别是当使用如在EP 449939或US 5350812中所述的适当的焦化延迟添加剂时，提高了所 述膜和光伏组件的质量。
[0023] 高分子材料的寿命长度取决于所述的聚合物的稳定，但为了抵御在光伏组件中的 高温和阳光照射，添加热稳定剂和紫外线稳定剂非常重要。在过氧化物交联过程中形成的 自由基摧毁这些添加剂中的很大一部分。由于没有自由基参与硅烷固化，这些相互作用将 不会发生。
[0024] 为了保护所述太阳能电池元件免遭水渗透，实现所述太阳能电池元件和所述绝缘 层之间良好的粘合是非常重要的。硅烷基团已显示出与极性表面如玻璃、水泥、铝等的共价 反应。因此，包含的硅烷基团有两个功能，即交联和促进粘合。
[0025] 优