一种太阳能背板用阻水涂层及其制备方法与流程

1.本发明属于太阳能背板技术领域，具体涉及一种太阳能背板用阻水涂层及其制备方法。


背景技术：

2.随着全球气候变暖加剧，化石燃料的使用受到全世界各国的限制；清洁能源如太阳能、风能等逐渐被用来替代传统的能源如煤炭、石油的使用。然而，对于清洁能源的利用，需要新技术的投入使用。太阳能，作为最大的一种新型清洁能源，被各个领域广泛关注，太阳能电池背板作为电池芯片的保护材料对水汽的阻隔有极高的要求。
3.常规的太阳能背板集中采用氟塑料作为耐候层，氟塑料由于含氟，因此具有较好的耐候性，但由于氟塑料加工非常困难且具有较高的技术门槛，难以广泛应用。
4.因此，目前对太阳能背板用涂层材料的研究仍在进行。cn106328760a公开了一种低成本太阳能电池背板的生产工艺，利用该生产工艺制造的太阳能电池背板包括pet基材、聚酯耐候保护层及涂覆层，本发明的太阳能电池背板经2000小时紫外线照射条件下和75℃温度75％湿度的老化后，背板表面颜色无明显变化，背板的物理性能与老化前基本无变化，该发明通过采用聚酯耐候保护层使加工更容易、成本更低。cn202434552u公开了一种用耐候性高导热率涂层制作的太阳能背板，其特征在于包括基层，在所述的基层至少一面上或在基层与基层之间涂覆有耐候性涂层。一种用如上所述的太阳能背板制作的太阳能电池板，其特征在于包括太阳能前板和太阳能背板，在所述的太阳能前板和太阳能背板之间设有太阳能电池电路，在所述的太阳能前板与太阳能电池电路之间设有封装材料，在散热太阳能背板上设置或不设置防刮层。本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种使用耐候性高导热率涂层制作的太阳能背板，该耐候性高导热率涂层粘结力优秀，耐候性满足太阳能模组25年以上使用寿命要求，导热效果优秀。cn104393077a公开了一种用于太阳能电池背板的有机硅涂层及其制备方法，该用于太阳能电池背板的有机硅涂层包括以下重量份计的组分：合金元素6～10份、有机硅40～80份、碳酸氢钠20～40份、3-氯丙炔20～30份、聚氨酯丙烯酸酯40～80份、稳定剂50～90份、表面活性剂20～30份。制备方法：将合金元素、有机硅、碳酸氢钠、3-氯丙炔、聚氨酯丙烯酸酯、稳定剂、表面活性剂混合均匀，加热至600～800℃，熔融挤出，造粒；加入碳酸氢钠，混合均匀；拉伸成膜。
5.但是，上述现有技术中提供的涂层均无法同时满足耐高温高湿以及优异阻隔性能够的要求，难以满足太阳能背板的使用需求。
6.因此，开发一种耐高温高湿且具有优异阻隔性能的太阳能背板用阻水涂层，成为目前本领域急需解决的技术问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能背板用阻水涂层及其制备方法，所述太阳能背板用阻水涂层的制备原料包括单层氧化石墨烯和聚乙烯醇；利用单
层氧化石墨烯的特殊结构，搭配醇解度不低于97.5％的聚乙烯醇，使二者进行化学反应形成交联结构，得到了兼具耐高温高湿以及高阻隔性能的太阳能背板用阻水涂层。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供一种太阳能背板用阻水涂层，所述太阳能背板用阻水涂层的制备原料包括单层氧化石墨烯和聚乙烯醇的组合；
10.所述聚乙烯醇的醇解度不低于97.5％，例如97％、98％、99.1％、99.2％、99.3％、99.4％、99.5％、99.6％、99.7％、99.8％或99.9％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
11.本发明提供的太阳能背板用阻水涂层的制备原料包括单层氧化石墨烯和聚乙烯醇；单层氧化石墨烯属于二维材料，理论厚度仅有0.34nm，因其厚度小，能很好的与聚乙烯醇接触且均匀分散在聚乙烯醇内部；而且，所述单层氧化石墨烯具有的片层结构，使其在涂覆过程中能够平行于基板而存在于涂层中，当水汽分子穿过涂层时，需要绕过单层氧化石墨烯的片层，增加了水汽分子穿透涂层时路径，从而将其作为涂层的制备原料之一使用时，会使得涂层具有更好的阻隔效果；另外，将其和醇解度不低于97.5％的聚乙烯醇(pva)搭配使用，利用单层氧化石墨烯的表面含有较多的官能团(例如羧基、羟基和环氧基)，可与pva中含有的羟基进行多种化学反应，使两者更好的键合在一起，形成交联网状结构，提高了阻水涂层的耐高温高湿性能。
12.在本发明中选择醇解度不低于97.5％的pva，而非中低醇度的pva；醇解度不低于97.5％的pva，因羟基之间形成氢键相互作用，使其更容易结晶，进而具有更高的致密度，可以进一步提高涂层的阻水效果。
13.优选地，所述太阳能背板用阻水涂层的厚度为0.1～50μm，例如2μm、4μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm或40μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，优选为0.5～25μm，进一步优选为1～10μm。
14.优选地，所述单层氧化石墨烯和聚乙烯醇的质量比为1:(1～20000)，例如1:7.2、1:7.4、1:7.6、1:7.8、1:8、1:8.2、1:8.4、1:8.6、1:8.8、、1:10、1:20、1:50、1:100、1:300、1:500、1:1000、1:5000、1:10000或1:15000等。
15.优选地，所述聚乙烯醇的醇解度不低于98.5％，更进一步优选为不低于99％。
16.优选地，所述聚乙烯醇的聚合度不低于100，例如200、400、600、800、1000、1500、2000、2500、4000或5000等，进一步优选为不低于500，更进一步优选为不低于1700，再进一步优选为不低于2400。
17.第二方面，本发明提供一种如第一方面所述太阳能背板用阻水涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
18.(1)将单层氧化石墨烯和聚乙烯醇分散于水中，得到涂覆液；
19.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在基板表面，干燥，醚化处理，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
20.本发明提供的太阳能背板用阻水涂层的制备方法首先将单层氧化石墨烯和聚乙烯醇分散或溶解于水中，得到涂覆液，然后将涂覆液直接涂覆在基板表面，干燥后形成涂层，然后对涂层进行醚化处理，在醚化处理的过程中，不但pva分子链之间的羟基之间发生
了化学反应，而且pva的羟基也与单层氧化石墨烯表面的官能发生了化学反应，产生了化学交联结构，进而有助于增强了涂层整体的耐高温高湿性能；且醚化处理使原本结晶的涂层脱水，涂层内部形成化学交联，使pva失去水溶性，还可以增加涂层在高温高湿环境下的耐水性。
21.优选地，步骤(1)所述分散具体包括：将聚乙烯醇溶解在水中，得到聚乙烯醇溶液，将单层氧化石墨烯分散在水中，得到单层氧化石墨烯分散液，将所述聚乙烯醇溶液和单层氧化石墨烯分散液混合，得到所述涂覆液。
22.在本发明中，为了使得聚乙烯醇和单层氧化石墨烯在水中分散的更加均匀，也是为了更加快速地完成分散，先将聚乙烯醇分散在水中，得到聚乙烯醇溶液，再将单层氧化石墨烯分散在水中，得到单层氧化石墨烯分散液，最后将二者进行混合，得到涂覆液。
23.优选地，所述聚乙烯醇溶解在水中的溶解温度为0～100℃，例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃或90℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为50～100℃，更进一步优选为80～95℃。
24.优选地，所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量百分含量为0.1～40％，例如5％、10％、15％、20％、25％、30％或35％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为1～20％，更进一步优选为2～10％。
25.优选地，所述单层氧化石墨烯分散在水中的分散温度为0～100℃，例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃或90℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为10～60℃，更近一步优选为20～40℃。
26.优选地，步骤(1)所述分散的温度为0～100℃，例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃或90℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为10～60℃，更进一步优选为15～40℃。。
27.优选地，步骤(2)所述基板包括聚酯类薄膜、聚烯烃类树脂膜或聚酰胺类薄膜中的任意一种。
28.优选地，所述聚酯类薄膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜或聚对苯二甲酸丁二醇酯薄膜。
29.优选地，所述聚烯烃类树脂膜聚乙烯膜或聚丙烯膜。
30.优选地，所述聚酰胺类薄膜包括尼龙-6薄膜、尼龙-66薄膜或尼龙-12薄膜中的任意一种。
31.优选地，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜为经过电晕处理的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
32.优选地，步骤(2)所述干燥的温度为0～120℃，例如10℃、20℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或110℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为60～100℃。
33.优选地，步骤(2)所述干燥的时间为2～60min，例如10min、15min、20min、25min、
30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为5～20min。
34.优选地，步骤(2)所述醚化处理的方法包括：将干燥后的涂层在110～200℃(例如115℃、120℃、125℃、130℃、145℃、160℃、185℃、190℃或195℃等)下热处理30～120min(例如40min、60min、80min、100min或110min等)，完成所述醚化处理。
35.作为优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
36.(1)0～100℃下，将聚乙烯醇溶解在水中，得到聚乙烯醇溶液，将单层氧化石墨烯分散在水中，得到单层氧化石墨烯分散液，将所述聚乙烯醇溶液和单层氧化石墨烯分散液混合，得到涂覆液；
37.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在基板表面，0～120℃干燥2～60min，将干燥后的涂层在110～200℃下醚化处理30～120min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
38.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
39.(1)本发明提供的太阳能背板用阻水涂层的制备原料包括单层氧化石墨烯和聚乙烯醇的组合；将所述单层氧化石墨烯作为涂层的制备原料之一，搭配醇解度不低于97.5％的聚乙烯醇，利用单层氧化石墨烯的片层结构及其表面的官能团(例如羧基、羟基和环氧基)，与可结晶的pva含有的羟基进行反应，使两者有更好的键合，从而使氧化石墨烯提供可交联的位点，使得制备得到的阻水涂层具有更为优异的阻隔性能以及耐高温高湿性能。
40.(2)本发明提供的太阳能背板用阻水涂层的制备方法包括对涂层进行醚化处理的步骤，在醚化处理的过程中，不但pva分子链之间的羟基之间发生了化学反应，而且pva的羟基也与单层氧化石墨烯表面的官能发生了化学反应，产生了化学交联结构，使pva失去水溶性，进而有助于增强了涂层整体的耐高温高湿性能。
具体实施方式
41.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
42.实施例1
43.一种太阳能背板用阻水涂层，厚度为10μm；
44.其制备方法包括如下步骤：
45.(1)将5重量份单层氧化石墨烯的水相分散液(质量百分浓度为1％)和5质量份聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇的醇解度为99％、质量浓度为8％)分散在30重量份的水中，通过机械搅拌、超声的方法，使单层氧化石墨烯与聚乙烯醇分散均匀，得到涂覆液；
46.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在电晕处理过、厚度为75μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的表面，60℃下干燥20min，170℃下醚化处理60min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
47.实施例2
48.一种太阳能背板用阻水涂层，厚度为5μm；
49.其制备方法包括如下步骤：
50.(1)将1重量份的单层氧化石墨烯水相分散液(质量百分浓度为1％)和5重量份聚
乙烯醇水溶液(聚乙烯醇的醇解度为99％、质量百分浓度为8％)分散于30重量份的水中，通过机械搅拌、超声的方法，使单层氧化石墨烯与聚乙烯醇分散均匀，得到涂覆液；
51.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在电晕处理过、厚度为75μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的表面，80℃下干燥10min，150℃下醚化处理120min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
52.实施例3
53.一种太阳能背板用阻水涂层，厚度为15μm；
54.其制备方法包括如下步骤：
55.(1)将0.1重量份的单层氧化石墨烯水相分散液(质量百分浓度为1％)和25重量份聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇的醇解度为99％、质量百分浓度为8％)分散于100重量份的水中，通过机械搅拌、超声的方法，使单层氧化石墨烯与聚乙烯醇分散均匀，得到涂覆液；
56.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在电晕处理过、厚度为75μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的表面，100℃下干燥5min，160℃下醚化处理90min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
57.实施例4
58.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，所使用的聚乙烯醇的醇解度为98％，其他条件和步骤均与实施例1相同。
59.实施例5
60.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，步骤(2)中聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的厚度为275μm，其他条件和步骤均与实施例1相同。
61.实施例6
62.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，太阳能背板用阻水涂层厚度为20μm，其他条件和步骤均与实施例1相同。
63.实施例7
64.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中单层氧化石墨烯的加入量为40重量份，其他条件和步骤均与实施例1相同。
65.实施例8
66.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中单层氧化石墨烯的加入量为0.002重量份，其他条件和步骤均与实施例1相同。
67.实施例9
68.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中使用的聚乙烯醇水溶液的质量浓度为2％，加入量为2.5重量份，其他条件和步骤均与实施例1相同。
69.实施例10
70.一种太阳能背板用阻水涂层，厚度为10μm；
71.其制备方法包括如下步骤：
72.(1)将0.05重量份的单层氧化石墨烯和5质量份的聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇的醇解度为99％、质量百分浓度为8％)加入到34.95质量份的水中，通过机械搅拌、超声的方法，使单层氧化石墨烯与聚乙烯醇分散均匀，得到涂覆液；
73.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在电晕处理过、厚度为75μm的聚对苯二甲酸乙二
醇酯薄膜的表面，在60℃下干燥20min，170℃下醚化处理60min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
74.实施例11
75.一种太阳能背板用阻水涂层，厚度为10μm；
76.其制备方法包括如下步骤：
77.(1)将5重量份的单层氧化石墨烯水相分散液(质量百分浓度为1％)和0.4重量份的聚乙烯醇(聚乙烯醇的醇解度为99％)加入到34.6重量份的水中，通过加热、机械搅拌、超声的方法，使单层氧化石墨烯与聚乙烯醇分散均匀，得到涂覆液；
78.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在电晕处理过、厚度为75μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的表面，在60℃下干燥20min，170℃下醚化处理60min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
79.实施例12
80.一种太阳能背板用阻水涂层，厚度为10μm；
81.其制备方法包括如下步骤：
82.(1)将0.05重量份的单层氧化石墨烯和0.4重量份的聚乙烯醇(聚乙烯醇的醇解度为99％)加入到39.45重量份的水中，通过加热、机械搅拌、超声的方法，使单层氧化石墨烯与聚乙烯醇分散均匀，得到涂覆液；
83.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在电晕处理过、厚度为75μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的表面，在60℃下干燥20min，170℃下醚化处理60min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
84.对比例1
85.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，采用多层氧化石墨烯(常州第六元素材料股份有限公司、se2430w-n(用水稀释至1％质量浓度后使用))替换单层氧化石墨烯，其他条件和步骤均与实施例1相同。
86.对比例2
87.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，采用单层石墨烯(江苏先丰纳米材料科技有限公司、xf001w(用水稀释至1％质量浓度后使用))替换单层氧化石墨烯，其他条件和步骤均与实施例1相同。
88.对比例3
89.一种太阳能背板用阻水涂层，厚度为10μm；
90.其制备方法包括如下步骤：
91.(1)将5重量份单层氧化石墨烯的水相分散液(质量百分浓度为1％)和5质量份聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇的醇解度为99％，质量浓度为8％)分散在30重量份的水中，通过机械搅拌、超声的方法，使单层氧化石墨烯与聚乙烯醇分散均匀，
92.(2)将步骤(1)得到的涂覆液涂覆在电晕处理过、厚度为75μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的表面，60℃下干燥20min，得到所述太阳能背板用阻水涂层。
93.对比例4
94.一种太阳能背板用阻水涂层，其与实施例1的区别仅在于，采用醇解度为88％的聚乙烯醇替代醇解度为99％的聚乙烯醇，其他条件和步骤均与实施例1相同。
95.性能测试：
96.(1)水汽阻隔性能：在38℃、涂层(含基材)两侧的湿度差为90％的条件下，测量24h内透过1m2涂层的水汽的质量，用透湿度表示，单位为g/(day
·
m2)；
97.(2)耐高温高湿性能：在121℃条件下的高温高湿蒸煮48h后，测量涂层的水汽阻隔性能。
98.按照上述测试方法对实施例1～12和对比例1～4提供的太阳能背板用阻水涂层进行测试，测试结果如表1所示：
99.表1
100.[0101][0102]
根据表其数据可以看出：本发明提供的阻水涂层具有更为优异的阻隔性能以及耐高温高湿性能，具体而言，实施例1～12得到的阻水涂层在高温高湿处理前的水汽透过值为1.5～4.2g/(day
·
m2)，高温高湿处理后的水汽透过值为1.8～6.1g/(day
·
m2)。
[0103]
比较实施例1和对比例1、2可以发现，采用多层氧化石墨烯或单层石墨烯替换单层氧化石墨烯制备得到的阻水涂层高温高湿处理前的水汽透过值以及高温高湿处理后的水汽透过值均较高，说明对比例1和2得到的阻水涂层的阻隔性能和耐高温高湿性能较差。
[0104]
比较实施例1和对比例3可以发现，没有经过醚化处理得到的阻水涂层虽然高温高湿处理后的水汽透过值增加非常大，说明对比例3得到的阻水涂层耐高温高湿性能很差。
[0105]
进一步比较实施例1和对比例4可以发现，采用醇解度为88％的聚乙烯醇替代醇解度为99％的聚乙烯醇得到的阻水涂层的阻水性能以及耐高温高湿性能同样有所下降。
[0106]
综上，只有选择单层氧化石墨烯与醇解度不低于97.5％的醇解度聚乙烯醇作为原料，且经过醚化处理得到的阻水涂层才兼具优异的阻水性能和耐高温高湿性能。
[0107]
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明一种太阳能背板用阻水涂层及其制备方法，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。