專利名稱：光伏模塊背板、用于模塊背板的材料，和其制造方法
光伏模塊背板、用于模塊背板的材料，和其制造方法詳述
本申請要求2010年4月26日提交的美國臨時專利申請第61/327，862號的權益，所述專利申請以引用的方式并入本文中。本公開大體涉及光伏領域，具體來說涉及光伏領域中金屬和聚合物薄膜的使用，而且更具體來說，涉及一種改良的光伏模塊背板，和用于制造所述光伏模塊背板的方法。光伏(“PV”)模塊是將太陽輻射直接轉化成電能的大面積光電子裝置。PV模塊是通過以下方式制成的將各自獨立形成的單獨太陽能電池(例如多晶或單晶硅太陽能電池)互連在一起，并且接著通過將太陽能電池集成到層壓的PV模塊中來以機械方式支撐并保護這些太陽能電池免受環境影響而退化。層壓模塊一般來說包括堅硬并且透明的防護性前面板或片材，和通常被稱為背板的后面板或片材。互連的太陽能電池和可以使太陽輻射穿透的密封劑在前面板與背板之間形成夾層構造。前面板和背板將太陽能電池封裝在其 中，并且提供防護以免受環境損害。或者，可以將薄膜材料放置在堅硬的透明層(諸如，玻璃)上，并且用透明的粘合劑粘結到背板。舉例來說，已知的背板包括聚氟乙烯/聚酯/乙烯醋酸乙烯酯的層壓結構。然而，這種層壓結構并非完全防潮，因此隨著時間推移，(例如)由于吸收水分而引起電路短路、粘結層發生分離，或聚酯由于水解作用而發生分解，從而使得由這種背板材料制成的PV模塊的功率輸出和/或使用壽命減少。因此，PV模塊的基本設計和裝配方法可能展現出一定的缺點。然而，PV產業的目標在于使PV模塊具有數十年的有效工作壽命。因此，要考慮到使得PV模塊足夠抵抗因撞擊以及機械沖擊和熱沖擊而引起的損害，最大化電池接收到的可用太陽輻射的量，避免短路和漏電，以及最小化由于諸如潮濕、溫度和日光中的紫外線所誘發的化學反應的這些環境因素而引起的退化，來進行選擇在構造PV模塊的過程中使用的材料。PV產業的另一個問題是在商業上可接受的成本下實現PV模塊的目標使用壽命。除了實現使PV模塊在商業上可接受的成本下具有長久使用壽命的PV產業目標之夕卜，PV產業還尋求與其它形式的能源生產(諸如，通過石油和其它礦物燃料來產生能源)進行競爭。因此，PV產業的另一個主要目標在于除了減少對世界石油供應的依賴之外，也在成本比得上石油產業成本或者成本小于石油產業成本的情況下產生“清潔”電力。然而,PV模塊中使用的PV背板(諸如上文所描述的PV背板)通常是由基于石油的化學品而產生的，這在某種程度上與使用太陽能的這一目標背道而馳。在PV模塊中使用不基于石油的化學品的這一需求未能得到滿足。在過去的幾年里，由于石油原料供應減少、成本增加以及對環境問題的擔憂，已經從可再生資源中開發出樹脂來替代傳統樹脂。本發明人和其他人員已經考慮在PV背板中使用由谷物或其它可再生原料產生的一些樹脂(例如，聚乳酸(PLA)樹脂)。另外，本發明人已經考慮在PV背板中使用可回收礦物材料。然而，之前未考慮在PV背板中使用可回收材料和可以從可再生資源或可持續資源中產生的樹脂，這是因為其相對較差的材料性質，或者是在處理方面存在挑戰。舉例來說，由PLA樹脂擠壓成型的薄膜較脆，而且通常不具有適合用于PV背板的材料性質。通過在由PLA樹脂擠壓成型薄膜之后進行雙軸拉伸過程，已至少部分地解決了擠壓成型的PLA樹脂的脆性。在(例如)美國專利第5，443，780號中已經公開了 PLA樹脂擠壓的改良方法。然而，雙軸拉伸過程較為復雜，而且屬于資本密集型。此外，在第二個方向上拉伸(橫向拉伸)時，薄膜可能會經常斷裂，而且計量一致性可能難以控制。標準單軸(機器方向)過程簡單得多，而且資本密集程度更低，但無法解決脆性問題。另外，使用此過程制成的薄膜在機器方向上容易具有極低的撕裂強度。除了改良由樹脂擠壓成型的薄膜的材料性質(諸如，改良的延展性、抗沖擊性和熱性能)之外，用于PV背板中的材料將需要在真實世界條件下維持其操作性能，所述真實世界條件包括(例如)PV模塊上的背板在眾多氣候條件下操作時的持續使用期間。因此，考慮將由可再生、可回收或可持續資源制成的材料以及這些材料的組合應用到PV模塊的包裝(諸如，背板)的制備和處理中。特別是，需要從可再生、可回收或可持續資源中提供有用的層壓薄膜來用作PV模塊的背板。根據本文中所描述的系統和方法，提供一種制造光伏模塊的方法，所述方法包括 通過用約5重量％至約40重量％的至少一種礦物添加劑來填充尼龍樹脂材料而從所述尼龍樹脂材料形成光伏背板；和將所述光伏背板層壓到選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件上。根據本文中所描述的系統和方法，還提供一種光伏模塊，所述光伏模塊包括光伏背板，其包括含有約5重量％至約40重量％的至少一種礦物添加劑的尼龍樹脂材料；和選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件。根據本文中所描述的系統和方法，還提供一種制造光伏模塊的方法，所述方法包括從經過填充的尼龍樹脂材料中形成光伏背板，即，用約5重量％至約40重量％的含有VERTAL 503的至少一種礦物添加劑來填充RILSAN PAll級BESNO-TL尼龍-11或GRILAMID XE 4019尼龍-1010中的至少一種材料，以及可選地用約2重量％至約5重量％的含有二氧化鈦(TiO2)的額外添加劑來填充所述至少一種材料，所述光伏背板具有約I密耳至約14密耳的厚度；和將所述光伏背板層壓到選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件上。根據本文中所描述的系統和方法，還提供一種光伏模塊，所述光伏模塊包括光伏背板，其包括RILSAN PAll級BESNO-TL尼龍-11或GRILAMID XE 4019尼龍1010中的至少一種材料，所述至少一種材料包含約5重量％至約40重量％的含有VERTAL 503的至少一種礦物添加劑，以及可選地包含約2重量％至約5重量％的含有二氧化鈦(TiO2)的額外添加劑，所述光伏背板具有約I密耳至約14密耳的厚度；和層壓板，其包括所述光伏背板以及選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件。本發明的其它特征和優點將在以下描述中部分地闡述，從描述中或者通過對本發明的實施方案的實踐將顯而易見這些特征和優點。應理解，前述概述和以下的詳述都是示例性的和解釋性的，而且旨在提供對如所請求的本發明的進一步解釋。并入此申請中并構成此申請的一部分的附圖
示出了本發明的實施方案,并且與描述一起用來解釋本發明的特征、優點和原理。為達成說明的目的，以下附圖都不是按比例描繪。在圖式中
圖I示出根據本公開的一個實施方案的PV模塊的透視圖；和 圖2不出根據本公開的一個實施方案的PV模塊的橫截面圖。
現在將詳細地參考本公開的實施方案，本公開的實例在附圖中示出。將盡可能地貫穿全部圖式使用相同或相似的參考數字來指代相同或相似部件。如圖I和圖2中所展示，層壓的PV模塊100可以被裝配成夾層結構，包括透明前面板105 (例如，由玻璃或透明聚合物制成的前面板)；具有至少一片密封劑的前面層110 ；通過電導體互連的一排太陽能電池115 ;用來在層壓過程期間促進氣體排除的一片玻璃纖維(scrim) 120 ;具有至少一片密封劑的后面層125 ;和背板130，之后在加熱和加壓的條件下使用(例如)真空式層壓機將這些組件粘結在一起。已經使用包含熱塑性聚合物(例如，樹脂)、玻璃或某種其它材料的背板形成了 PV模塊。本公開提供光伏背板的生產，所述光伏背板包括由可再生、可回收和/或可持續資源制成的光伏背板(諸如，由尼龍樹脂制成并且包括礦物填料的背板)。本公開還提供用來改良這些光伏背板在高溫和潮濕的惡劣環境下的性能的系統和方法，諸如在嚴格的UL測試期間呈現出來的性能，所述UL測試包括(例如)如在UL 1703中概述的濕熱測試和濕冷凍測試。此外，本公開提供適合于包裝PV模塊的光伏背板。舉例來說，這種背板包括由尼龍-11、尼龍-1010或兩者的組合的樹脂制成的薄膜，其用于PV模塊的背板和前部玻璃、薄膜PV模塊的背板和前部玻璃，以及適合于通過真空沉降、印制或其它方式來應用活性PV材料的背板。在根據本公開的實施方案中，已經將由可持續資源制成的材料作為目標，并且開發用作PV模塊中的背板由蓖麻籽制成的一種尼龍。這些材料可以填充有各種礦物添加劑以降低水蒸氣透過率(“WVTR”)。WVTR是水蒸氣在指定的溫度和相對濕度條件下滲透薄膜或薄片的穩態速率。雖然條件可能變化，但ExxonMobil已經將條件標準化為100° F(37. 8°C )和90%的相對濕度。在本公開中所呈現的實驗結果中使用的就是這些條件。低WVTR值較為理想，因為WVTR值低表示維持防潮層能很好地隔絕水份并且減少腐蝕。根據一個實施方案的PV背板可以由商品名稱為“RILSAN* PAll級BESN0-TL”的尼龍-11、商品名稱為“GRILAMID XE 4019”的尼龍-1010或任何其它合適聚酰胺-1010制成。尼龍-1權利要求
1.一種制造光伏模塊的方法，所述方法包括 通過用約5重量％至約40重量％的至少一種礦物添加劑來填充尼龍樹脂材料而由所述尼龍樹脂材料形成光伏背板；和 將所述光伏背板層壓到選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件上。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述尼龍樹脂材料是選自尼龍-11、尼龍-1010或兩者的組合。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述尼龍-11是RILSAN PAll級BESNO-TL，而所述尼龍-1010 是 GRILAMID XE 4019 級別。
4.根據權利要求I所述的方法，其中所述至少一種礦物添加劑包含大體薄片形狀的礦物粒子。
5.根據權利要求I所述的方法，其中所述至少一種礦物添加劑包含選自以下的至少一種成分滑石、云母、石英、玻璃、玻璃鱗片、粘土、硅酸鈣、碳酸鈣、氫氧化鋁、VERTAL 503、二氧化鈦(TiO2)和以上的組合。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述至少一種礦物添加劑進一步包含額外的二氧化鈦(TiO2)添加劑。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述額外添加劑具有約2重量％至約5重量％的負載范圍。
8.根據權利要求I所述的方法，其中所述尼龍樹脂材料通過單步驟擠壓過程而形成，所述單步驟擠壓過程包括 將所述尼龍樹脂材料與約5重量％至約40重量％的至少一種礦物添加劑復合在一起； 熔融所述復合的尼龍樹脂材料； 將所述復合的尼龍樹脂材料擠壓成薄膜； 在鑄造鼓或三輥鑄造裝置上冷卻所述薄膜；和 將所述薄膜纏繞到合適的輥心上。
9.根據權利要求I所述的方法，其中所述尼龍樹脂材料通過兩步驟擠壓過程而形成，所述兩步驟擠壓過程包括 使用雙螺桿擠壓機來 將所述尼龍樹脂材料與約5重量％至約40重量％的至少一種礦物添加劑復合在一起； 熔融所述復合的尼龍樹脂材料；和 擠壓所述復合的尼龍樹脂材料； 將所述經過擠壓的復合物輸送到拉模以進行冷卻并將所述經過冷卻的尼龍樹脂材料切割成小球； 將所述小球饋送到單螺桿擠壓機中； 使用所述單螺桿擠壓機將所述小球擠壓成薄膜； 在鑄造鼓或三輥鑄造裝置上冷卻所述薄膜；和 將所述薄膜纏繞到合適的輥心上。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述復合步驟進一步包括將所述尼龍樹脂材料與約2重量％至約5重量％的額外二氧化鈦(TiO2)添加劑復合在一起。
11.根據權利要求I所述的方法，其中所述光伏背板具有在約I密耳至約14密耳范圍內的厚度。
12.一種光伏模塊，所述光伏模塊包括 光伏背板，其包括含有約5重量％至約40重量％的至少一種礦物添加劑的尼龍樹脂材料；和 選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件。
13.根據權利要求12所述的模塊，其中所述尼龍樹脂材料是選自尼龍-11、尼龍-1010或兩者的組合。
14.根據權利要求13所述的模塊，其中所述尼龍-11是RILSAN*PA11級BESNO-TL，而所述尼龍-1010是GRILAMID XE 4019級別。
15.根據權利要求12所述的模塊，其中所述至少一種礦物添加劑包含大體薄片形狀的礦物粒子。
16.根據權利要求12所述的模塊，其中所述至少一種礦物添加劑包含選自以下的至少一種成分滑石、云母、石英、玻璃、玻璃鱗片、粘土、硅酸鈣、碳酸鈣、氫氧化鋁、VERTAL 503和以上的組合。
17.根據權利要求12所述的模塊，其中所述至少一種礦物添加劑進一步包含額外的二氧化鈦(TiO2)添加劑。
18.根據權利要求12所述的模塊，其中所述額外添加劑具有約2重量％至約5重量％的負載范圍。
19.根據權利要求12所述的模塊，其中所述光伏背板具有在約I密耳至約14密耳范圍內的厚度。
20.一種制造光伏模塊的方法，所述方法包括 由經過填充的尼龍樹脂材料形成光伏背板，即，用約5重量％至約40重量％的含有VERTAL 503的至少一種礦物添加劑來填充RILSAN PA11級BESNO-TL尼龍-I I或GRILAMID XE 4019尼龍-1010中的至少一種材料，以及可選地用約2重量％至約5重量％的含有二氧化鈦(TiO2)的額外添加劑來填充所述至少一種材料，所述光伏背板具有在約I密耳至約14密耳范圍內的厚度；和 將所述光伏背板層壓到選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件上。
21.一種光伏模塊，所述光伏模塊包括 光伏背板，其包括 RILSAN PAjS BESNO-TL 尼龍-11 或 GRILAMID XE 4019 尼龍-1010中的至少一種材料，所述至少一種材料包含約5重量％至約40重量％的含有VERTAL 503的至少一種礦物添加劑，以及可選地包含約2重量％至約5重量％的含有二氧化鈦(TiO2)的額外添加劑，所述光伏背板具有約I密耳至約14密耳的范圍內的厚度；和 層壓板，其包括所述光伏背板以及選自光伏電池、密封劑和前面板的至少一個元件。
22.根據權利要求I中任一項所述的方法，其中所述光伏背板具有至少約125°C的連續工作溫度額定值，和大于或等于約105°C的相對溫度指數。
23.根據權利要求I中任一項所述的方法，其中所述背板具有約2，000伏特/密耳至約3，300伏特/密耳的介電強度，和約200至約325的楊氏模量(ksi)。
全文摘要
公開了改良的光伏模塊背板和其制造方法，所述光伏模塊背板包括用于光伏層壓模塊中的填充有礦物添加劑的尼龍樹脂薄膜。本公開提供用作光伏模塊中的背板材料的尼龍-11和/或尼龍-1010薄膜和礦物添加劑，其具有改良的熱性能和防潮性能。
文檔編號H01L31/048GK102859718SQ201180020774
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月25日 優先權日2010年4月26日
發明者斯坦利·伯頓·利維 申請人:生物太陽能公司