太阳能光伏胶性能影响研究

胡小康，陈炳耀，张 熠，彭小琴，全文高，倪志薇

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

前 言

太阳能光伏发电是指利用光生伏打效应使太阳光辐射转变成电能。随着人类经济和社会的可持续发展对能源与环保的要求越来越高，这一发电方式越来越受到人们的重视。而太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池片，由于太阳能电池片自身存在着薄、脆、易氧化等缺陷，暴露在空气、雨水等自然环境下很容易造成永久性破坏。因此要实现太阳能发电的工业化应用，就要求对其进行保护性密封从而形成太阳能光伏组件[1]。有机硅密封胶由于其优越的耐高低温性能、耐候性能，良好的粘接性与密封性特别适用于太阳能电池组件的保护性密封。本文就有机硅密封胶中填料的组成、硅油的黏度、硅烷偶联剂的种类三个方面进行实。

1 实 验

1.1 主要原材料及使用设备

α，ω-二羟基聚二有机硅氧烷（107胶）：黏度80000mPa·s(25℃），江西星火有机硅厂；二甲基硅油：黏度500～2000mPa·s(25℃），嘉兴科瑞有机硅有限公司；纳米碳酸钙：粒径60～80nm，恩平盛世化工科技有限公司；气相二氧化硅：比表面积150m2/g，卡博特(中国)投资有限公司；硅烷交联剂、硅烷偶联剂：纯度≥98%，湖北新蓝天新材料股份有限公司；催化剂：自制。

实验型强力分散机：QF-5佛山市金银河机械设备有限公司；实验型压料机：YLJ-5佛山市金银河机械设备有限公司；高速分散釜：NX-5广东省佛山市诺星机械设备有限公司；电热鼓风干燥箱：101-2AB天津市泰斯特仪器有限公司；双柱拉力材料试验机：ZL-1009A东莞市正蓝精密仪器有限公司。

1.2 太阳能光伏胶的制备

将α，ω-二羟基聚二有机硅氧烷（107胶）、二甲基硅油、纳米碳酸钙一起加入到高速分散釜种进行分散脱水，分散脱水后的基料加入到实验型强力分散机中进行搅拌，依次加入硅烷交联剂、气相法白炭黑、硅烷偶联剂、催化剂最后制得膏状太阳能密封胶。

1.3 测试内容

表干时间：按GB/T13477.5-2003试验；

固化深度：使用固化深度板检测样品在标准条件下24h的固化深度；

拉伸粘结强度：按GB/T13477.8—2002测试；

断裂伸长率：按GB/T528-1992测试；

体积电阻率：按GB/T1410-2006测试。

2 结果与讨论

2.1 填料的组成配比对太阳能光伏胶性能影响

纳米CaCO3由于粒子超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通CaCO3所不具有的量子尺寸效应、表面效应和宏观量子效应，经表面处理后用作聚合物的填料，不仅起增量及降低成本的作用，更重要的是对聚合物具有一定的补强作用，被广泛应用于密封胶行业。

气相法二氧化硅(俗称气相法白炭黑)具有粒径小、比表面积大、表面活性高等优点，被广泛用于高分子材料的诸多领域，起到补强、增韧、增稠触变等作用[2]。它可以提高有机硅密封胶的力学性能、热性能等。表1和表2为不同配比的纳米碳酸钙和气相法白炭黑对太阳能光伏胶的性能影响。

从表1可以看出随着气相法二氧化硅比例的增加，制作出的太阳能光伏胶其表干时间缩短，固化深度变大，施工性逐渐变好。力学性能方面，拉伸强度表现为减小趋势，而断裂伸长率表现为增大趋势，这是因为纳米碳酸钙的补强效果要优于气相法二氧化硅，但气相法二氧化硅的增韧、增稠触变性要强于纳米碳酸钙。这就表现为随着气相法二氧化硅比例的增大，制作出的太阳能光伏胶其强度不断下降，韧性不断上升。当填料粒径比和不同粒径填料比例合适时，填料可以堆积紧密，呈现出最佳的补强效果。

表1 不同配比的纳米CaCO3 和气相法SiO2 对太阳能光伏胶老化前性能影响Table 1 The effect of ratio of nano CaCO3 to fumed SiO2 on the performances of solar photovoltaic glue before aging

表2 不同配比的纳米CaCO3 和气相法SiO2 对太阳能光伏胶老化后性能影响Table 2 The effect of ratio of nano CaCO3 to fumed SiO2 on the performances of solar photovoltaic glue after aging

从表2可以看出经过老化处理(85℃×85RH%×1000h)后太阳能光伏胶的拉伸强度和断裂伸长率无规律可循，但对数据进行处理分析得出在气相法二氧化硅的添加量没达到20份之前，太阳能光伏胶经过老化处理后拉伸强度和断裂伸长率都较老化前下降超过80%,下降幅度较大，当达到20份以后下降幅度明显减小。从表中还可以看出当气相法二氧化硅的添加量达到40份时，太阳能光伏胶经老化后出现轻微黄变现象，这是因为在大规模生产中，受原料、设备等诸多因素的影响，气相法白炭黑中往往含有微量的氯化铁(FeCl3)杂质。FeCl3的存在给密封胶的色泽带来较大影响，在本实验中当二氧化硅的添加量超过一定值后太阳能光伏胶老化处理后会发生轻微黄变[3]。综合考虑，填料中纳米碳酸钙与气相法二氧化硅的配比为100∶20时，制作出的太阳能光伏胶能够达到优异的性能。

2.2 硅油黏度对太阳能光伏胶性能影响

二甲基硅油是一种无色透明的新型合成高分子材料，具有特殊的滑爽性、柔软性、良好的化学稳定性、优异的电绝缘性、耐高低温性和耐候性,被当作增塑剂和耐候剂广泛应用于有机硅密封胶中。表3为不同黏度的二甲基硅油对太阳能光伏胶性能的影响[4]。

表3 不同黏度的二甲基硅油对太阳能光伏胶性能的影响Table 3 The effect of dimethyl silicone viscosity on the performances of solar photovoltaic glue

从表3可以看出二甲基硅油的加入对太阳能光伏胶的性能有很大改善作用。随着二甲基硅油黏度的增大，太阳能光伏胶的拉伸强度也在逐渐增大，而断裂伸长率却呈现先增大后减小的趋势。当黏度达到2000mPa·s(25℃）时太阳能光伏胶的拉伸强度达到2.24MPa，断裂伸长率为334%，此时体积电阻率也达到最大。从老化后的性能数据中可以看出当加入的二甲基硅油的黏度小于2000mPa·s(25℃）时，老化处理后太阳能光伏胶的性能下降都超过处理前的80%。同时也可以看其体积电阻率反而优于处理前，这是因为老化处理在一定程度上破坏了太阳能光伏胶内部的结构，导致其电阻增大，从而使体积电阻率增加。综上所述，当二甲基硅油的黏度选用2000mPa·s(25℃）时，制得的太阳能光伏胶性能最优。

2.3 硅烷偶联剂种类对太阳能光伏胶性能影响

太阳能光伏组件不仅需要承受自重，还需承受风载、积雪、冰雹等机械载荷，因此应用在太阳能光伏组件上的有机硅密封胶必须具备足够的粘接强度。硅烷偶联剂是一类分子中同时具有两种不同化学性质官能团的有机硅化合物。通过使用硅烷偶联剂，可在无机物质和有机物质的界面之间架起“分子桥”，把两种性质悬殊的材料连接在一起，能提高它们的粘接强度、耐水、耐候等性能。有机硅密封胶中常用的硅烷偶联剂有KH550、KH560、KH792这三种。表4和表5为不同种类的硅烷偶联剂对太阳能光伏胶性能的影响[5]。

从表4可以看出三种牌号的硅烷偶联剂对太阳能光伏胶的各项性能都有明显的促进作用，其中KH792的促进作用最强，太阳能光伏胶的固化深度达到5.8mm/24h、拉伸强度达到2.32MPa、断裂伸长率达到388%[6]。与之相比使用KH550牌号的硅烷偶联剂的太阳能光伏胶其各项性能虽然没KH792的促进作用强，但两者数据相差不是很大。

表4 不同种类硅烷偶联剂对太阳能光伏胶老化前性能的影响Table 4 The effect of different types of silane coupling agent on the performances of solar photovoltaic glue before aging

表5 不同种类硅烷偶联剂对太阳能光伏胶老化后性能的影响Table 5 The effect of different types of silane coupling agent on the performances of solar photovoltaic glue after aging

表5为经过老化处理(85℃×85RH%×1000h)后太阳能光伏胶的性能的影响。从表中明显可以看出，经过老化处理后所有太阳能光伏胶的各项性能都有所下降。其中使用牌号为KH560、KH792的太阳能光伏胶其拉伸强度和断裂伸长率都不足老化处理前的80%，性能下降太多达不到使用要求，同时使用了KH792牌硅烷偶联剂的太阳能光伏胶在老化处理后出现了黄变现象，这就更加不能使用在太阳能光伏组件上[7]。综上所述，优选硅烷偶联剂的牌号为KH550。

4 结 论

太阳能光伏胶配方填料选择纳米碳酸钙和气相法白炭黑配比为100∶20、选择黏度1000mPa·s(25℃）的二甲基硅油、牌号为KH550硅烷偶联剂，可制得高性能的太阳能光伏胶。

［1］李云虎，张春良，赵辉，等.太阳能电池组件密封胶工艺研究［J］.南华大学学报:自然科学版，2008,22(2)：88～94.

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