太陽(yáng)能光伏膠性能影響研究

胡小康，陳炳耀，張 熠，彭小琴，全文高，倪志薇

（1.三和化工科技有限公司，廣東 中山528429；2.中山市阜和化工科技有限公司，廣東 中山528434；3.順德三和化工有限公司，廣東 佛山528325）

前 言

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是指利用光生伏打效應(yīng)使太陽(yáng)光輻射轉(zhuǎn)變成電能。隨著人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)能源與環(huán)保的要求越來(lái)越高，這一發(fā)電方式越來(lái)越受到人們的重視。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電的核心部件是太陽(yáng)能電池片，由于太陽(yáng)能電池片自身存在著薄、脆、易氧化等缺陷，暴露在空氣、雨水等自然環(huán)境下很容易造成永久性破壞。因此要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的工業(yè)化應(yīng)用，就要求對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性密封從而形成太陽(yáng)能光伏組件[1]。有機(jī)硅密封膠由于其優(yōu)越的耐高低溫性能、耐候性能，良好的粘接性與密封性特別適用于太陽(yáng)能電池組件的保護(hù)性密封。本文就有機(jī)硅密封膠中填料的組成、硅油的黏度、硅烷偶聯(lián)劑的種類三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料及使用設(shè)備

α，ω-二羥基聚二有機(jī)硅氧烷（107膠）：黏度80000mPa·s(25℃），江西星火有機(jī)硅廠；二甲基硅油：黏度500～2000mPa·s(25℃），嘉興科瑞有機(jī)硅有限公司；納米碳酸鈣：粒徑60～80nm，恩平盛世化工科技有限公司；氣相二氧化硅：比表面積150m2/g，卡博特(中國(guó))投資有限公司；硅烷交聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑：純度≥98%，湖北新藍(lán)天新材料股份有限公司；催化劑：自制。

實(shí)驗(yàn)型強(qiáng)力分散機(jī)：QF-5佛山市金銀河機(jī)械設(shè)備有限公司；實(shí)驗(yàn)型壓料機(jī)：YLJ-5佛山市金銀河機(jī)械設(shè)備有限公司；高速分散釜：NX-5廣東省佛山市諾星機(jī)械設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：101-2AB天津市泰斯特儀器有限公司；雙柱拉力材料試驗(yàn)機(jī)：ZL-1009A東莞市正藍(lán)精密儀器有限公司。

1.2 太陽(yáng)能光伏膠的制備

將α，ω-二羥基聚二有機(jī)硅氧烷（107膠）、二甲基硅油、納米碳酸鈣一起加入到高速分散釜種進(jìn)行分散脫水，分散脫水后的基料加入到實(shí)驗(yàn)型強(qiáng)力分散機(jī)中進(jìn)行攪拌，依次加入硅烷交聯(lián)劑、氣相法白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑、催化劑最后制得膏狀太陽(yáng)能密封膠。

1.3 測(cè)試內(nèi)容

表干時(shí)間：按GB/T13477.5-2003試驗(yàn)；

固化深度：使用固化深度板檢測(cè)樣品在標(biāo)準(zhǔn)條件下24h的固化深度；

拉伸粘結(jié)強(qiáng)度：按GB/T13477.8—2002測(cè)試；

斷裂伸長(zhǎng)率：按GB/T528-1992測(cè)試；

體積電阻率：按GB/T1410-2006測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料的組成配比對(duì)太陽(yáng)能光伏膠性能影響

納米CaCO3由于粒子超細(xì)化，其晶體結(jié)構(gòu)和表面電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了普通CaCO3所不具有的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)，經(jīng)表面處理后用作聚合物的填料，不僅起增量及降低成本的作用，更重要的是對(duì)聚合物具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，被廣泛應(yīng)用于密封膠行業(yè)。

氣相法二氧化硅(俗稱氣相法白炭黑)具有粒徑小、比表面積大、表面活性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于高分子材料的諸多領(lǐng)域，起到補(bǔ)強(qiáng)、增韌、增稠觸變等作用[2]。它可以提高有機(jī)硅密封膠的力學(xué)性能、熱性能等。表1和表2為不同配比的納米碳酸鈣和氣相法白炭黑對(duì)太陽(yáng)能光伏膠的性能影響。

從表1可以看出隨著氣相法二氧化硅比例的增加，制作出的太陽(yáng)能光伏膠其表干時(shí)間縮短，固化深度變大，施工性逐漸變好。力學(xué)性能方面，拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，而斷裂伸長(zhǎng)率表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，這是因?yàn)榧{米碳酸鈣的補(bǔ)強(qiáng)效果要優(yōu)于氣相法二氧化硅，但氣相法二氧化硅的增韌、增稠觸變性要強(qiáng)于納米碳酸鈣。這就表現(xiàn)為隨著氣相法二氧化硅比例的增大，制作出的太陽(yáng)能光伏膠其強(qiáng)度不斷下降，韌性不斷上升。當(dāng)填料粒徑比和不同粒徑填料比例合適時(shí)，填料可以堆積緊密，呈現(xiàn)出最佳的補(bǔ)強(qiáng)效果。

表1 不同配比的納米CaCO3 和氣相法SiO2 對(duì)太陽(yáng)能光伏膠老化前性能影響Table 1 The effect of ratio of nano CaCO3 to fumed SiO2 on the performances of solar photovoltaic glue before aging

表2 不同配比的納米CaCO3 和氣相法SiO2 對(duì)太陽(yáng)能光伏膠老化后性能影響Table 2 The effect of ratio of nano CaCO3 to fumed SiO2 on the performances of solar photovoltaic glue after aging

從表2可以看出經(jīng)過(guò)老化處理(85℃×85RH%×1000h)后太陽(yáng)能光伏膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)規(guī)律可循，但對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析得出在氣相法二氧化硅的添加量沒(méi)達(dá)到20份之前，太陽(yáng)能光伏膠經(jīng)過(guò)老化處理后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都較老化前下降超過(guò)80%,下降幅度較大，當(dāng)達(dá)到20份以后下降幅度明顯減小。從表中還可以看出當(dāng)氣相法二氧化硅的添加量達(dá)到40份時(shí)，太陽(yáng)能光伏膠經(jīng)老化后出現(xiàn)輕微黃變現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诖笠?guī)模生產(chǎn)中，受原料、設(shè)備等諸多因素的影響，氣相法白炭黑中往往含有微量的氯化鐵(FeCl3)雜質(zhì)。FeCl3的存在給密封膠的色澤帶來(lái)較大影響，在本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)二氧化硅的添加量超過(guò)一定值后太陽(yáng)能光伏膠老化處理后會(huì)發(fā)生輕微黃變[3]。綜合考慮，填料中納米碳酸鈣與氣相法二氧化硅的配比為100∶20時(shí)，制作出的太陽(yáng)能光伏膠能夠達(dá)到優(yōu)異的性能。

2.2 硅油黏度對(duì)太陽(yáng)能光伏膠性能影響

二甲基硅油是一種無(wú)色透明的新型合成高分子材料，具有特殊的滑爽性、柔軟性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的電絕緣性、耐高低溫性和耐候性,被當(dāng)作增塑劑和耐候劑廣泛應(yīng)用于有機(jī)硅密封膠中。表3為不同黏度的二甲基硅油對(duì)太陽(yáng)能光伏膠性能的影響[4]。

表3 不同黏度的二甲基硅油對(duì)太陽(yáng)能光伏膠性能的影響Table 3 The effect of dimethyl silicone viscosity on the performances of solar photovoltaic glue

從表3可以看出二甲基硅油的加入對(duì)太陽(yáng)能光伏膠的性能有很大改善作用。隨著二甲基硅油黏度的增大，太陽(yáng)能光伏膠的拉伸強(qiáng)度也在逐漸增大，而斷裂伸長(zhǎng)率卻呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)黏度達(dá)到2000mPa·s(25℃）時(shí)太陽(yáng)能光伏膠的拉伸強(qiáng)度達(dá)到2.24MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為334%，此時(shí)體積電阻率也達(dá)到最大。從老化后的性能數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)加入的二甲基硅油的黏度小于2000mPa·s(25℃）時(shí)，老化處理后太陽(yáng)能光伏膠的性能下降都超過(guò)處理前的80%。同時(shí)也可以看其體積電阻率反而優(yōu)于處理前，這是因?yàn)槔匣幚碓谝欢ǔ潭壬掀茐牧颂?yáng)能光伏膠內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其電阻增大，從而使體積電阻率增加。綜上所述，當(dāng)二甲基硅油的黏度選用2000mPa·s(25℃）時(shí)，制得的太陽(yáng)能光伏膠性能最優(yōu)。

2.3 硅烷偶聯(lián)劑種類對(duì)太陽(yáng)能光伏膠性能影響

太陽(yáng)能光伏組件不僅需要承受自重，還需承受風(fēng)載、積雪、冰雹等機(jī)械載荷，因此應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏組件上的有機(jī)硅密封膠必須具備足夠的粘接強(qiáng)度。硅烷偶聯(lián)劑是一類分子中同時(shí)具有兩種不同化學(xué)性質(zhì)官能團(tuán)的有機(jī)硅化合物。通過(guò)使用硅烷偶聯(lián)劑，可在無(wú)機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)的界面之間架起“分子橋”，把兩種性質(zhì)懸殊的材料連接在一起，能提高它們的粘接強(qiáng)度、耐水、耐候等性能。有機(jī)硅密封膠中常用的硅烷偶聯(lián)劑有KH550、KH560、KH792這三種。表4和表5為不同種類的硅烷偶聯(lián)劑對(duì)太陽(yáng)能光伏膠性能的影響[5]。

從表4可以看出三種牌號(hào)的硅烷偶聯(lián)劑對(duì)太陽(yáng)能光伏膠的各項(xiàng)性能都有明顯的促進(jìn)作用，其中KH792的促進(jìn)作用最強(qiáng)，太陽(yáng)能光伏膠的固化深度達(dá)到5.8mm/24h、拉伸強(qiáng)度達(dá)到2.32MPa、斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到388%[6]。與之相比使用KH550牌號(hào)的硅烷偶聯(lián)劑的太陽(yáng)能光伏膠其各項(xiàng)性能雖然沒(méi)KH792的促進(jìn)作用強(qiáng)，但兩者數(shù)據(jù)相差不是很大。

表4 不同種類硅烷偶聯(lián)劑對(duì)太陽(yáng)能光伏膠老化前性能的影響Table 4 The effect of different types of silane coupling agent on the performances of solar photovoltaic glue before aging

表5 不同種類硅烷偶聯(lián)劑對(duì)太陽(yáng)能光伏膠老化后性能的影響Table 5 The effect of different types of silane coupling agent on the performances of solar photovoltaic glue after aging

表5為經(jīng)過(guò)老化處理(85℃×85RH%×1000h)后太陽(yáng)能光伏膠的性能的影響。從表中明顯可以看出，經(jīng)過(guò)老化處理后所有太陽(yáng)能光伏膠的各項(xiàng)性能都有所下降。其中使用牌號(hào)為KH560、KH792的太陽(yáng)能光伏膠其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都不足老化處理前的80%，性能下降太多達(dá)不到使用要求，同時(shí)使用了KH792牌硅烷偶聯(lián)劑的太陽(yáng)能光伏膠在老化處理后出現(xiàn)了黃變現(xiàn)象，這就更加不能使用在太陽(yáng)能光伏組件上[7]。綜上所述，優(yōu)選硅烷偶聯(lián)劑的牌號(hào)為KH550。

4 結(jié) 論

太陽(yáng)能光伏膠配方填料選擇納米碳酸鈣和氣相法白炭黑配比為100∶20、選擇黏度1000mPa·s(25℃）的二甲基硅油、牌號(hào)為KH550硅烷偶聯(lián)劑，可制得高性能的太陽(yáng)能光伏膠。

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