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TWI457391B - 具有低溼氣吸收度之含增塑劑的薄膜之光伏打模組 - Google Patents

具有低溼氣吸收度之含增塑劑的薄膜之光伏打模組 Download PDF

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TWI457391B
TWI457391B TW097138010A TW97138010A TWI457391B TW I457391 B TWI457391 B TW I457391B TW 097138010 A TW097138010 A TW 097138010A TW 97138010 A TW97138010 A TW 97138010A TW I457391 B TWI457391 B TW I457391B
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史馬汀
安德斯
霍格爾
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可樂麗歐洲有限公司
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Description

具有低溼氣吸收度之含增塑劑的薄膜之光伏打模組
本發明係關於光伏打模組之製造，該製造使用以聚乙烯縮醛為基礎之具有低溼氣吸收度之含增塑劑的薄膜。
光伏打模組係由光敏之半導體層構成，該層具有透明之包覆料作為抵抗外部效應之保護。作為光敏之半導體層，可使用單晶太陽電池或受承載之多晶、薄半導體層。薄膜太陽電池模組係由藉由例如蒸發塗布、化學蒸氣沈積、噴濺、或溼沈積而塗敷於幾乎透明之片板上之光敏之半導體層構成。
兩種系統通常皆係於玻璃平板與一種例如由玻璃或塑膠製造之剛性之後覆蓋平板之間，藉由透明之黏著劑而層合。
透明之黏著劑必須完全封閉該光敏之半導體層及其電互連，必須係紫外線安定的及溼氣不敏感的，及於層合製程之後必須完全不含氣泡。
作為透明之黏著劑，時常使用熱固性塑製之樹脂或可交聯之以乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)為基礎之系統，諸如例如於德國專利DE 41 22 721 C1或德國專利DE 41 28 766 A1中揭示。於未固化之狀態中，可調節此等黏著劑系統到達致使彼等不含氣泡地封閉太陽電池單元之低黏度。於固化劑或交聯劑之添加之後，獲得機械性強健的黏著劑層。此等黏著劑系統之一種缺點係，於固化製程之期間，時常釋出有化學活性之物質，諸如酸類，其等可能破壞光敏之半導體層，特定言之薄膜模組。此外，某些塑製之樹脂於若干年後由於紫外線照射之結果，趨於生成氣泡或分層。
對於熱固性黏著劑系統之一種可選擇方案係以聚乙烯縮醛類(諸如自夾層玻璃之製造而已為吾人所知之聚乙烯丁醛(PVB))為基礎之含增塑劑之薄膜之使用。太陽電池單元係以一層或一層以上之PVB薄膜覆蓋，及該等薄膜係於提高之壓力及溫度下以合適之覆蓋材料黏合成為層壓物。
使用PVB薄膜以製造太陽電池模組之方法係已為吾人所知的，例如自德國專利DE 40 26 165 C2、德國專利DE 42 278 60 A1、德國專利DE 29 237 70 C2、德國專利DE 35 38 986 C2、或美國專利US 4,321,418。PVB薄膜於太陽電池模組中作為層合之安全玻璃之使用係例如於德國專利DE 20 302 045 U1、歐洲專利EP 1617487 A1、及德國專利DE 35 389 86 C2中揭示。然而，此等文獻未包含關於使用之PVB薄膜之機械、化學、及電之性質之資訊。
隨著光敏之半導體層之逐漸提高之效率及太陽電池模組之全球之分布，黏著劑薄膜之電性質特定言之變成愈來愈重要。於該模組之整個壽命期間內，於極端之氣候條件(諸如熱帶之溫度、高溼度、或強烈之紫外線照射)下，亦必須避免半導體層之電荷之損失或甚至短路。根據CEI61215，光伏打模組係經歷多種試驗(溼熱試驗、溼漏洩電流試驗)，俾能降低模組之漏洩電流。
已知，PVB薄膜之電阻隨著增加之溼氣含量而劇烈地降低，該含量強烈地有利於光伏打模組中之漏洩電流之發生。於光伏打模組之邊緣區域中，該薄膜，作為密封材料，係曝露及經歷高之周圍溼度。此處，薄膜之水含量可劇烈地增加及增加至多至平衡之溼氣含量(約3重量%)之值。於薄膜之邊緣區域中之增加之水含量劇烈地降低於此區域中之電阻。朝向薄膜之中心，水含量不再降低，但是為了避免漏洩電流，因此不可將光敏之半導體層完全地置入薄膜或模組之邊緣區域中。此降低模組之表面密度及因此電流效率。
因此用於光伏打模組之黏著劑薄膜應具有儘可能低之溼氣吸收度。
 目的
因此本發明之目的係提供以聚乙烯縮醛為基礎之具有低溼氣吸收度之用於光伏打模組製造之含增塑劑的薄膜。
發現，以含增塑劑之聚乙烯縮醛為基礎之具有低之聚乙烯醇含量之薄膜顯示足夠低之溼氣吸收度。此外，可使用低極性之增塑劑，其進一步提高薄膜之抗溼氣性。
發明之介紹
本發明之標的因此係包含下列之層壓物之光伏打模組：
a)透明之前包覆料；
b)一層或一層以上之光敏之半導體層；
c)至少一層之以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜；及
d)後包覆料；
該聚乙烯縮醛具有低於20重量%之聚乙烯醇含量。
適合於光伏打模組之製造之薄膜，縱然於溼條件下，仍然較佳地具有2.3重量%之最大值、2.0重量%之最大值、1.8重量%之最大值、及特別較佳地1.5重量%之最大值之於邊緣區域中之溼氣或水含量。距離模組之邊緣至多3厘米之區域係被視為邊緣區域。於此區域中，薄膜經由曝露之邊緣而吸收溼氣，於模組之內部中，溼氣含量以受擴散作用控制之方式降低。具有此種類型之薄膜之光伏打模組可係以光敏之半導體層覆蓋至很接近薄膜之邊緣，及因此具有提高之表面及電流產率。
具有提高之玻璃轉移溫度Tg之聚乙烯縮醛薄膜亦具有提高之電阻率。不受理論之正確性束縛，此係歸因於似玻璃或高黏性環境中之降低之離子移動性。
用於光伏打模組之製造，於每種案例中根據本發明使用之薄膜c)另外較佳地具有至少20℃、22℃、24℃、26℃、27℃、30℃、或35℃之玻璃轉移溫度Tg。對於玻璃轉移溫度Tg，可指定40℃作為最大值。
於85%相對溼度之周圍濕度於23℃，根據本發明使用之薄膜較佳地顯示至少1E+11歐姆*厘米之電阻率，較佳地至少5E+11歐姆*厘米、較佳地1E+12歐姆*厘米、較佳地5E+12歐姆*厘米、較佳地1E+13歐姆*厘米、較佳地5E+13歐姆*厘米、較佳地1E+14歐姆*厘米。此等值應係於薄膜之任何位置達成，特定言之於模組之邊緣區域中。
以含增塑劑之聚乙烯縮醛為基礎之薄膜較佳地包含經由以丁醛將聚乙烯醇縮醛化而獲得之未交聯之聚乙烯丁醛(PVB)。
已交聯之聚乙烯縮醛，特定言之已交聯之聚乙烯丁醛(PVB)之使用亦係可能的。適合之已交聯之聚乙烯縮醛係例如於歐洲專利EP 1527107 B1及世界智慧財產權組織專利WO 2004/063231 A1(含羧基之聚乙烯縮醛之熱自身交聯)、歐洲專利EP 1606325 A1(以聚醛交聯之聚乙烯醇縮醛)、及世界智慧財產權組織專利WP 03/020776 A1(以乙醛酸交聯之聚乙烯縮醛)中敘述。此等專利申請案之揭示係以引用之方式完整地併入本文中。
使用具有5-10個碳原子之其他或另外之醛類(諸如例如正戊醛)以實現縮醛化作用，亦係可能的。
亦可使用已水解之乙酸乙烯酯/乙烯共聚物之三元共聚物，作為於本發明之範圍內之聚乙烯醇。此等化合物通常係水解至超過98%及包含1至10重量%之以乙烯為基礎之單元(例如Kuraray Europe GmbH之類型〝Exceval〞)。
聚乙烯縮醛包含，除了縮醛單元以外，亦自乙酸乙烯酯及聚乙烯醇產生之單元。根據本發明使用之聚乙烯縮醛較佳地具有低於18重量%、低於16重量%、或最佳地低於14重量%之聚乙烯醇含量。聚乙烯醇含量應不低於12重量%。
聚乙酸乙烯酯含量較佳地係低於5重量%，較佳地低於3重量%，及最佳地低於2重量%。自聚乙烯醇含量及殘餘之乙酸酯含量，可計算縮醛化作用之程度。
以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑之薄膜之抗溼氣性及玻璃轉移溫度Tg另外係經由使用之增塑劑之含量及極性或塑化之效應而決定。結果，薄膜之溼氣吸收度及電阻率亦可係以簡單之方法經由增塑劑而調節。
薄膜較佳地具有26重量%之最大值之增塑劑含量，更佳地24重量%之最大值，及最佳地22重量%之最大值；為了薄膜之加工性之理由，增塑劑含量應不低於15重量%。根據本發明之薄膜或光伏打模組可包含一種或一種以上增塑劑。
根據本發明之特別適合之增塑劑，以式100×O/(C+H)(其中O、C、及H代表於個別之分子中之氧、碳、及氫原子之數目)表示之極性係低於/等於9.4。下列之表顯示根據本發明可應用之增塑劑及其等根據式100×O/(C+H)之極性值。
適合性稍差者為下列增塑劑：
聚乙烯縮醛薄膜對於玻璃之黏著性通常係經由將黏著調節劑(諸如例如於世界智慧財產權組織專利WO 03/033583 A1中揭示之有機酸之鹼金屬及/或鹼土金屬鹽類)加入而調節。結果，乙酸鉀及/或乙酸鎂係特別適合的。此外，聚乙烯縮醛時常包含來自製造方法之無機酸之鹼金屬及/或鹼土金屬鹽類，諸如例如氯化鈉。
由於鹽類對於電阻率亦具有影響，因此具有低於50ppm(百萬分點)，更佳地具有低於30ppm，及最佳地具有低於20ppm之金屬離子之以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑之薄膜之使用係有利的。此可係藉由聚乙烯縮醛之適當之洗滌方法及經由使用特別有效之防黏附劑(antiblocking agents)而達成，諸如已為熟悉此項技藝者所知之有機酸之鎂、鈣、及/或鋅鹽類(例如乙酸鹽類)。
此外，離子移動性，其可能視薄膜之水含量而定，及因此電阻率可係經由煅製二氧化矽之添加而影響。以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑之薄膜較佳地包含0.001至15重量%，較佳地2至5重量%之煅製之SiO2 。
原則上，以聚乙烯縮醛為基礎之薄膜之製造及組成係例如於歐洲專利EP 185 863 B1、歐洲專利EP 1 118 258 B1、世界智慧財產權組織專利WO 02/102591 A1、歐洲專利EP 1 118 258 B1、或歐洲專利EP 387 148 B1中敘述。
光伏打模組之層合作用經由熔融該等薄膜而發生，致使以該等薄膜獲得光敏之半導體層之不含氣泡並且不含波狀起伏之圍壁(enclosure)。
於根據本發明之光伏打模組之一種不同形式中，光敏之半導體層係塗敷至包覆料d)(例如經由蒸發塗布、化學蒸氣沈積、噴濺、或溼塗布)及藉由薄膜c)而黏合至包覆料a)。
或者，可將光敏之半導體層插入於兩層薄膜c)之間及以此種方法黏合至包覆料a)及d)。
以聚乙烯醇縮醛為基礎之含增塑劑之薄膜之厚度通常係0.38、0.51、0.76、1.14、1.52、或2.28毫米。
於層合製程之期間，根據本發明所使用之薄膜充填於光敏之半導體層或其電連結存在之空隙。
透明之前包覆料a)通常係由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構成。根據本發明之光伏打模組之後包覆料d)(所謂後片板)可係由玻璃、塑膠、或金屬或其等之複合物構成，可能地至少一種之該等支座係透明的。設計該等包覆料之一層或兩層成為夾層玻璃(即如由至少兩片玻璃板與一層PVB薄膜製成之層壓物)或成為具有氣體中間空間之絕緣玻璃，亦係可能的。必然地，此等步驟之結合亦係可能的。
於該等模組中使用之光敏之半導體層不需要具有任何特殊之性質。可使用單晶、多晶、或非晶形系統。
於薄膜太陽電池模組之案例中，光敏之半導體層係直接塗敷至支座。於此處，密封是不可能的。為了此種原因，複合物係自支座(例如後包覆料)使用至少一層夾於中間之根據本發明之以聚乙烯縮醛為基礎含增塑劑之薄膜而與光敏之半導體層及透明之前包覆料組合，及藉由此種薄膜於提高之溫度而黏合。或者，光敏之半導體層可係塗敷至作為支座之透明之前包覆料，及藉由至少一層夾於中間之根據本發明以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜而黏合至後包覆料。
對於如此獲得之複合物之層合作用，可使用已為熟悉此項技藝者所知之方法，具有或無預層壓物之先前製造。
所謂熱壓製程係於約10至15巴之提高之壓力及130至145℃之溫度於約2小時之過程中進行。真空袋或真空環方法，例如根據歐洲專利EP 1 235 683 B1，於約200毫巴及130至145℃操作。
對於根據本發明之光伏打模組之製造，較佳地使用真空層合機。彼等係由可加熱並且可抽真空之腔室構成，其中夾層玻璃可係於30至60分鐘之內層合。已證實，0.01至300毫巴之減壓及100至200℃之溫度，最佳地130至160℃，於實務上係有價值的。
或者，如以上敘述組合之複合物可係於至少一對之於60至150℃之溫度之輥之間模製成為根據本發明之模組。此種類型之裝置對於夾層玻璃之製造係已為吾人所知的，及通常具有自於具有兩個加壓器械之裝置中之第一加壓器械之上游或下游之至少一個加熱隧道。
本發明之另一種標的係以聚乙烯縮醛為基礎含增塑劑的薄膜用於光伏打模組之製造之用途，其中該聚乙烯縮醛具有低於20重量%之聚乙烯醇含量。
可使用根據本發明之光伏打模組，作為建築物壁面元件、屋頂區域、冬天花園包覆料、隔音牆、陽台或欄杆元件、或作為窗區域之構件。
 測量程序
薄膜之玻璃轉移溫度之測定係藉由示差掃描量熱法(DSC)根據DIN 53765使用於-50℃至150℃之溫度間隔中之10K/min之加熱速率而進行。使用第一加熱斜坡(ramp)，接著冷卻斜坡，接著第二加熱斜坡。玻璃轉移溫度之位置係根據DIN 51007自與第二加熱斜坡結合之測量之曲線測定。DIN中間點(Tg DIN)係定義如於半階高度之水平線與測量之曲線之交點。階高度係經由於玻璃轉移之前及之後的中間切線與測量曲線之基準線之兩個交點的垂直距離而定義。
薄膜之流動行為之測定係如根據ISO 1133於適合之儀器(例如來自Gttfert Company，型號MI2)上之熔體流動指數(熔體質量流動速率：MFR)而進行。MPR值係於100℃及140℃以2毫米噴嘴及21.6公斤之重量負荷以克每10分鐘(克/10分鐘)表示之方式指定。
薄膜之體積電阻率之測量係根據DIN IEC 60093於定義之溫度及周圍溼度(23℃及85%相對溼度)於已將該薄膜於此等條件下調節歷時至少24小時之後進行。對於該測量之執行，使用來自公司Fetronic GmbH之類型302 132之板電極及來自Amprobe Company之用於電阻率測量ISO-Digi 5千伏特之儀器。試驗電壓係2.5千伏特，於試驗電壓之施加後直到測量數據之獲得為止之等待時間係60秒。當根據DIN EN ISO 4287測量時，為了保證於測量電極之平板與薄膜之間之充份之接觸，薄膜之表面粗糙度Rz 應不大於10微米；即倘若必要，則該PVB薄膜之原來之表面於電阻率測量之前必須經由再熱壓(thermal reembossing)而使其平滑。
聚乙烯縮醛之聚乙烯醇及聚乙酸乙烯酯含量係根據ASTM D 1396-92測定。金屬離子含量之分析係藉由原子吸收光譜學(AAS)而進行。
薄膜之水或溼氣含量係經由Karl Fischer方法而測定。為了模擬於溼條件之溼化行為，薄膜係先於23℃及85%相對溼度儲存歷時24小時。該方法係可對應薄膜之邊緣之距離而對於未層合之薄膜及已層合之光伏打模組實施。
實例
製造於以下之表中列出之組成之混合物，及對於該等混合物試驗玻璃轉移溫度Tg、離子含量、增塑劑含量、及電阻率。
3G8意表三乙二醇雙-2-乙基己酸酯
DOS意表二-2-乙基己基癸二酸酯
DOA意表二-2-乙基己基己二酸酯
DOP意表二-2-乙基己基酞酸酯
DHA意表己二酸二己酯
DBS意表癸二酸二己酯
DBES意表二-2-丁氧基-乙基癸二酸酯
DINCH意表1,2-環己烷二羧酸二異壬基酯
明顯地，於所使用之PVB中具有高聚乙烯醇含量之標準薄膜(比較實例1至比較實例6)顯示對於光伏打應用太低之電阻。
於PVB中之聚乙烯醇含量之降低(實例1至20)造成電阻率之重大之增加。除了經由使用低極性之增塑劑而提高移動性以外，此可係進一步改良。
此外，經由增塑劑之選擇及含量，可獲得具有高於20℃之習用之Tg之薄膜，其具有對於太陽電池或電連接器之密封作用足夠之撓性。

Claims (9)

  1. 一種光伏打模組，其包含由下列各者所組成之層壓物：a)透明之前包覆料；b)一層或一層以上之光敏之半導體層；c)至少一層之以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜；及d)後包覆料；其特徵為，該聚乙烯縮醛具有低於20重量%之聚乙烯醇含量，且該以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜c)具有至少20℃之玻璃轉移溫度Tg。
  2. 如申請專利範圍第1項之光伏打模組，其特徵在於該以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜c)具有26重量%之最大值之增塑劑含量。
  3. 如申請專利範圍第1項之光伏打模組，其特徵在於該聚乙烯縮醛具有低於5重量%之聚乙酸乙烯酯含量。
  4. 如申請專利範圍第1項之光伏打模組，其特徵在於使用一種或一種以上化合物作為增塑劑，該等化合物之以式100×O/(C+H)(其中O、C、及H代表於個別之分子中之氧、碳、及氫原子之數目)表示之極性係低於/等於9.4。
  5. 如申請專利範圍第1項之光伏打模組，其特徵在於使用一種或一種以上來自二-2-乙基己基癸二酸酯、二-2-乙基己基己二酸酯、二-2-乙基己基酞酸酯、己二酸二己酯、癸二酸 二丁酯、二-2-丁氧基-乙基癸二酸酯、1,2-環己烷二羧酸二異壬基酯、及三乙二醇雙-2-乙基己酸酯之群中之化合物作為增塑劑。
  6. 如申請專利範圍第1項之光伏打模組，其特徵在於該以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜包含低於50ppm之金屬離子。
  7. 如申請專利範圍第1項之光伏打模組，其特徵在於該以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜包含0.001至5重量%之SiO2 。
  8. 如申請專利範圍第1項之光伏打模組，其特徵在於使用聚乙烯丁醛作為該聚乙烯縮醛。
  9. 一種以聚乙烯縮醛為基礎之含增塑劑的薄膜用於光伏打模組之製造之用途，其中該聚乙烯縮醛具有低於20重量%之聚乙烯醇含量。
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