一种室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶及制备和使用方法

本发明属于太阳能光伏封装材料密封胶的研究，涉及一种室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶及制备和使用方法，特别是涉及一种用于太阳能光伏电池的室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶。

背景技术：

1、近年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，开发太阳能等清洁能源的利用以加速替代传统化石能源是当前社会发展的焦点问题。太阳能光伏电池作为太阳能利用的典型代表，可以将太阳光能直接转化为电能，展现了巨大的商业前景。在使用过程中，太阳能光伏电池通常需要进行封装，以保证器件出色的运行稳定性。目前，太阳能电池采用的封装材料主要是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(eva)。eva材料价格低廉，与玻璃和背板的粘结性好，但是eva在光照、氧气、湿热环境下容易发生水解，产生醋酸，容易对电池片表面、焊带等造成腐蚀；同时eva容易在光热环境下发生黄变，影响透光性，造成组件整体的效率损失。因此，研究者又开发出新型封装材料聚烯烃弹性体(poe)。poe材料具有高电阻率、高水汽阻隔率、耐低温、耐黄变等优异性能，但poe存在成本较高，加工难度偏大，膜唇容易挂料等问题。此外，两种常用的封装材料在使用过程中都需要真空热压封装，一定程度上增加了光伏器件的制造成本。(adv.funct.mater.2021,31,2100151,energy environ.sci.2022,15,13，acs materials au 2022,2,215.)

2、针对目前光伏封装材料存在的问题，迫切需要开发新型聚合物封装材料以满足行业发展的需求。对于面向太阳能光伏器件的聚合物封装材料而言，其不仅要具备出色的水汽和氧气阻隔性能，同时还要保证良好的黏结性和机械性能。有机硅聚合物具有透光率高、耐紫外光照、内应力小、耐黄变等性能优势，成为光伏器件封装材料的理想选择之一，但是有机硅聚合物存在黏结性能较差、机械强度不高的缺陷，一定程度上制约了其应用。聚氨酯封装材料黏结性好、电绝缘性能优良、疏水性好，对电子器件腐蚀性低，然而聚氨酯封装材料耐高温和耐黄变性能差，且使用过程中需要采用真空热压工艺。因此，将有机硅和聚氨酯的性能优势相结合，制备有机硅改性聚氨酯密封胶，可以实现封装材料的优势互补，极大拓宽聚合物封装材料的应用范围。然而，目前鲜有报道将有机硅改性聚氨酯树脂用作太阳能光伏器件的封装材料。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶及制备和使用方法。

3、技术方案

4、一种室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶，其特征在于组份为：二异氰酸酯、聚丙二醇和3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷。

5、所述组份的重量份比例为：5～10g二异氰酸酯、50～60g聚丙二醇，5～10g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷。

6、所述二异氰酸酯包括但不限于4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯mdi。

7、所述聚丙二醇包括但不限于ppg-200型聚丙二醇。

8、一种所述室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶的制备方法，其特征在于步骤如下：

9、步骤1：室温下将二异氰酸酯5～10g溶解在30～40ml四氢呋喃中；

10、步骤2：向反应体系中加入聚丙二醇，50～60g，进行聚合反应；

11、步骤3：随后向体系中加入3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷5～10g，搅拌聚合反应；

12、步骤4：向反应体系中加入乙醇终止反应，抽真空除去残留的四氢呋喃后，得到无色粘稠液体有机硅改性聚氨酯树脂密封胶。

13、所述步骤2的反应条件为在55～75℃下搅拌聚合反应1～1.5h。

14、所述步骤3的反应条件为：升温至80～100℃下搅拌聚合反应1～2h。

15、一种所述室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶的使用方法，其特征在于：用于太阳能光伏电池的封装，将spu和催化剂二月桂酸二丁基锡混合，在室温下搅拌后，用移液枪取未固化的聚合物滴加在盖板玻璃上；利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅改性聚氨酯薄膜，转速为1000～3000rpm，时间为30～60s；将表面涂敷有机硅改性聚氨酯涂层的盖板玻璃压在太阳能光伏电池上，静置等待封装材料完全固化，即得到封装的太阳能光伏电池。

16、所述spu和催化剂二月桂酸二丁基锡的比例为3～5g spu和20～30mg催化剂二月桂酸二丁基锡。

17、所述太阳能光伏电池包括但不限于为单晶硅太阳能电池、碲化镉薄膜电池、有机太阳能电池、染料敏化纳米太阳能电池或钙钛矿太阳能电池。

18、有益效果

19、本发明提出的一种室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶及制备和使用方法，首先是制备一种有机硅改性聚氨酯聚合物，通过调控有机硅单体与聚氨酯原料的比例，制备出具有出色密封性、黏结性和机械强度的室温自交联聚合物密封胶。然后将合成的聚合物密封胶通过旋涂设备涂覆在盖板玻璃上，将玻璃盖在太阳能光伏器件表面，通过有机硅改性聚氨酯树脂室温下的快速交联固化实现太阳能光伏电池的封装。这种有机硅改性聚氨酯封装胶具有透明、耐湿热、高韧性的特点，可以满足太阳能光伏高质量快速生产的要求，提高其使用寿命，非常适合商业化光伏器件的封装工艺。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)相比于现有的聚乙烯醇缩丁醛封装材料存在的成本较高、加工工艺复杂、真空层压时间过长等问题，该有机硅改性聚氨酯密封胶中的有机硅树脂成分使其具备出色的透明度、耐黄变、耐紫外辐照性能，聚合物中聚氨酯交联网络具有较好的密封性和机械性能，并保持着优良的交联耐溶剂性和疏水性，可以大幅度提高钙钛矿太阳能电池的湿热稳定性与操作稳定性。同时该封装材料合成步骤简洁，成本低廉，原料来源广泛，使用方法简便。

22、(2)相比于紫外光固化封装过程中脱气蒸汽和真空热压封装过程中真空高压环境对钙钛矿层造成损坏，该有机硅改性聚氨酯密封胶可实现室温下的交联固化，无需真空热压设备，封装过程简便、高效且成本低廉。

23、利用有机硅改性聚氨酯封装胶对钙钛矿太阳能电池器件进行了快速封装。通过应用研究发现，封装后的钙钛矿电池效率损失为≤0.5％；另外，封装后的器件在50～60℃最大功率点追踪下运行1000小时保持初始效率的93％～97％，而常规封装工艺的效率损失为3％～5％，且封装后器件在50～60℃最大功率点追踪下运行1000小时仅初始效率的80％～90％。该工艺具有极好商业前景，有助于进一步推进钙钛矿光伏器件的产业化应用。

技术特征：

1.一种室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶，其特征在于组份为：二异氰酸酯、聚丙二醇和3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷。

2.根据权利要求1所述室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶，其特征在于：所述组份的重量份比例为：5～10g二异氰酸酯、50～60g聚丙二醇，5～10g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷。

3.根据权利要求1所述室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶，其特征在于：所述二异氰酸酯包括但不限于4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯mdi。

4.根据权利要求1所述室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶，其特征在于：所述聚丙二醇包括但不限于ppg-200型聚丙二醇。

5.一种权利要求1～4任一项所述室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶的制备方法，其特征在于步骤如下：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2的反应条件为在55～75℃下搅拌聚合反应1～1.5h。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3的反应条件为：升温至80～100℃下搅拌聚合反应1～2h。

8.一种权利要求1～4任一项所述室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶的使用方法，其特征在于：用于太阳能光伏电池的封装，将spu和催化剂二月桂酸二丁基锡混合，在室温下搅拌后，用移液枪取未固化的聚合物滴加在盖板玻璃上；利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅改性聚氨酯薄膜，转速为1000～3000rpm，时间为30～60s；将表面涂敷有机硅改性聚氨酯涂层的盖板玻璃压在太阳能光伏电池上，静置等待封装材料完全固化，即得到封装的太阳能光伏电池。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述spu和催化剂二月桂酸二丁基锡的比例为3～5g spu和20～30mg催化剂二月桂酸二丁基锡。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述太阳能光伏电池包括但不限于为单晶硅太阳能电池、碲化镉薄膜电池、有机太阳能电池、染料敏化纳米太阳能电池或钙钛矿太阳能电池。

技术总结
本发明涉及一种室温自交联有机硅改性聚氨酯密封胶及制备和使用方法，首先是制备一种有机硅改性聚氨酯聚合物，通过调控有机硅单体与聚氨酯原料的比例，制备出具有出色密封性、黏结性和机械强度的室温自交联聚合物密封胶。然后将合成的聚合物密封胶通过旋涂设备涂覆在盖板玻璃上，将玻璃盖在太阳能光伏器件表面，通过有机硅改性聚氨酯树脂室温下的快速交联固化实现太阳能光伏电池的封装。这种有机硅改性聚氨酯封装胶具有透明、耐湿热、高韧性的特点，可以满足太阳能光伏高质量快速生产的要求，提高其使用寿命，非常适合商业化光伏器件的封装工艺。

技术研发人员：李炫华,王彤,冯广鹏
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14