太陽能電池封裝，材料固化劑的協(xié)同效應(yīng)

太陽能電池的封裝材料主要采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行 薄膜灌封，但環(huán)氧樹脂材料長期暴露在太陽光下，易變黃、發(fā)生老化，從而影響太陽能電池的光電 轉(zhuǎn)化效率。為了解決環(huán)氧樹脂的老化問題，通常在環(huán)氧樹脂中加入光穩(wěn)定劑和抗氧劑，但是它們與環(huán)氧樹脂的相容性差，在用量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~2%的情況下就能析出；或者對(duì)己二胺進(jìn)行羥烷基化、氰乙基化改性來改善環(huán)氧樹脂固化物的透光性，但其存在一定的毒性和對(duì)皮膚的刺激性，并能與空氣中的 CO2發(fā)生反應(yīng)。因此，研究如何改善環(huán)氧樹脂的透光 性和抗紫外光老化性具有重要意義。筆者利用聚氧 化丙烯二胺（D230）和異佛爾酮二胺（IPDA）固化劑的協(xié)同效應(yīng)，提高環(huán)氧樹脂透光性、抗紫外光老化性和耐熱性，不但毒性低，無刺激性，而且工藝流程簡單，成本低。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1主要原料與儀器

雙酚A型環(huán)氧樹脂EP828（廣州市創(chuàng)遠(yuǎn)經(jīng)貿(mào)有 限公司）；固化劑：聚氧化丙烯二胺（D230，中穗化 工有限公司），異佛爾酮二胺（IPDA，深圳市佳迪達(dá) 化工有限公司）；稀釋劑：501環(huán)氧活性稀釋劑（江 蘇三木集團(tuán)有限公司）；增塑劑：鄰苯二甲酸二丁酯 （DBP，深圳江海天化工有限公司）；溶劑：苯甲醇 （BA，天津市福晨化學(xué)試劑廠）。

DHG—9053A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海申賢恒 溫設(shè)備廠）；TU—1901型雙光束紫外可見分光光度計(jì) (北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；紫外燈；DSCQ10 差示掃描量熱儀(美國TA公司)，N2氣氛，升溫速率 為10℃/min，掃描溫度范圍為室溫~300℃。

1.2 樣品的制備

稱取100 g環(huán)氧樹脂于塑料杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為15%的環(huán)氧活性稀釋劑501，攪拌混合均勻，然后 分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的增塑劑、5%的溶劑和 20%~35%的固化劑，混合均勻后澆注到115 mm×25 mm×2 mm模具中，置于恒溫干燥箱內(nèi)，在80℃下 固化90 min，脫除模具，測(cè)試固化物樣品性能。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1透光性的測(cè)定

采用紫外可見分光光度計(jì)，用空氣做參比，測(cè)定固化物在波長400~800nm的透光率曲線。用透光率分析其透明性。透光率越大，其透明性越好。

1.3.2抗紫外光實(shí)驗(yàn)

將固化物放在70 W的紫外燈下照射一定時(shí)間后，放入紫外可見分光光度計(jì)的樣品池中，測(cè)定其在波長400~800nm的透光率曲線，用黃度指數(shù)衡量其抗紫外光老化性能。黃度指數(shù)YI用下列公式計(jì)算 ：

式中：T和T′分別為樣品在紫外燈照射前后的透光率。

2.結(jié)果與討論

2.1固化劑用量對(duì)固化物透光率的影響

在一定條件下，固化劑與環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化反應(yīng)，生成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，固化劑的用量不僅會(huì)影響固化物的力學(xué)性能，也會(huì)影響固化物的光學(xué)性能。固化劑D230和IPDA用量對(duì)固化物透光率的影響分別見圖1和圖2所示。

由圖1可知，隨固化劑D230用量的增加，固化 物的透光率增加，透明性漸好，但D230用量大于質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%時(shí)，透明性又變差；同樣從圖2可以看出，IPDA用量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)32%時(shí)，固化物透光率最大，具有較好的透明性。這是因?yàn)楣袒瘎┡c環(huán)氧樹脂反應(yīng)較為充分，形成了比較均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，聚合物中分子結(jié)構(gòu)排列有序程度較高，對(duì)可見光的吸 收較弱，從而提高了固化物的透明性。但當(dāng)固化劑 過量時(shí)，固化劑反應(yīng)效率降低，導(dǎo)致交聯(lián)密度低，固化物未能形成理想的網(wǎng)狀交聯(lián)狀態(tài)，透明性變差。

2.2 固化劑協(xié)同效應(yīng)對(duì)固化物性能的影響

D230與IPDA的協(xié)同效應(yīng)是指將這兩種固化劑 按照一定質(zhì)量比混合形成一種新體系，其新體系不僅 具有各個(gè)組分的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)互補(bǔ)缺點(diǎn)，新體系的某些 性能優(yōu)于單一組分的性能。IPDA與環(huán)氧樹脂反應(yīng)較劇烈，反應(yīng)過程中有大量熱放出，室溫下可以固化，但反應(yīng)不完全，難以生成體型大分子，需在體系中加 入促進(jìn)劑；而D230雖反應(yīng)時(shí)間長，但其柔韌性好。當(dāng)D230與IPDA混合使用時(shí)，不僅加快了固化速度，而且由于D230中具有較多的柔性基團(tuán)如亞甲基和醚鍵等，其柔性基團(tuán)很好地鍵合到致密的環(huán)氧樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，形成高度均勻、透明的固化物。

2.2.1對(duì)透光率的影響

以環(huán)氧樹脂為基料，添加不同質(zhì)量比的D230與 IPDA二元固化劑進(jìn)行固化反應(yīng)，對(duì)透光率的影響如圖3所示。從圖3可看出，隨著二元固化劑中IPDA用量的增加，固化物透明性逐漸變好，當(dāng)m(D230): m(IPDA)=5:3時(shí)，透明性達(dá)到最佳，當(dāng)超過這個(gè)比 例時(shí)，透明性又開始下降。而且當(dāng)m(D230):m(IPDA) =5:3時(shí)，在各個(gè)波長下，其固化物的透明性優(yōu)于單一使用D230或IPDA，例如當(dāng)波長為600 nm時(shí)，使用單一的固化劑D230或IPDA固化環(huán)氧樹脂，固化物的透光率分別為75.5%和75.8%，而發(fā)生協(xié)同效應(yīng)固化物的透光率則為79.9%，其原因歸根于D230和 IPDA二元固化劑發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，其表觀活化能比較小，反應(yīng)在常溫下就可以進(jìn)行，反應(yīng)比較緩和，其頻率因子較高，分子間碰撞幾率比較大，反應(yīng)更完全。

2.2.2對(duì)耐熱性的影響

耐熱性是太陽能電池封裝材料的重要性能指標(biāo)之一，耐熱性的好壞會(huì)直接影響其封裝質(zhì)量。具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子材料的電氣性能和力學(xué)性能在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度θg附近將發(fā)生顯著變化，而且長時(shí)間受熱會(huì)發(fā)生熱老化，所以θg是材料耐熱性的重要性能參數(shù)。

圖4是分別用D230、IPDA、D230與IPDA二 元固化劑[m(D230):m(IPDA)=5:3]作固化劑時(shí)，固化 物的DSC曲線。由圖4可知，使用單一固化劑D230 或IPDA固化環(huán)氧樹脂，固化物的θg分別為101和 122℃；當(dāng)使用D230和IPDA二元固化劑時(shí)，固化 物的θg達(dá)到138℃左右，比使用任意單一固化劑的θg都高出約20℃，這是由于二元固化劑發(fā)生了協(xié)同效應(yīng)，增加了環(huán)氧樹脂的交聯(lián)度，以及它們形成的 亞甲基橋接交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提高了環(huán)氧樹脂的耐熱性能。

2.2.3對(duì)抗紫外光老化性的影響

固化劑對(duì)其固化物黃度指數(shù)的影響見圖5。固化物的黃度指數(shù)越高，抗紫外光老化性能越差，越容易變黃。由圖5可知，紫外光照射60 min后，發(fā)生 協(xié)同效應(yīng)的固化物的黃度指數(shù)變化不大，曲線比較平緩。采用D230或IPDA單一固化劑的固化物黃度 指數(shù)變化值?YI分別為20.48和14.98，而發(fā)生協(xié)同效應(yīng)固化物的?YI僅為8.44，進(jìn)一步說明發(fā)生協(xié)同效應(yīng)的固化物有著較好的抗紫外光老化性能。環(huán)氧樹 脂變黃的原因是因其易水解產(chǎn)生苯酚或降解生成苯氧自由基，它們均易氧化生成生色基團(tuán)苯醌[4]。因?yàn)?D230與IPDA二元固化劑的協(xié)同效應(yīng)，使得環(huán)氧樹脂固化更完全，減少了環(huán)氧樹脂水解和降解的機(jī)會(huì)，從而減少了生色基團(tuán)的產(chǎn)生，在具有高度透明性的同時(shí)，還具有良好的抗紫外光老化性能。

3.結(jié)論

（1）使用單一固化劑D230或IPDA固化環(huán)氧樹脂，它們的用量分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%和32%時(shí)，固化物的透明性較好，在波長為600 nm處，固化物的透光率分別為75.5%和75.8%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度θg 分別為101和122℃，紫外光照射60 min后，黃度指數(shù)變化值?YI分別為20.48和14.98。

（2）D230與IPDA二元固化劑具有協(xié)同效應(yīng)，其固化物比使用單一固化劑具有更好的透明性、耐熱性和抗紫外光老化性能，并且當(dāng)m(D230):m(IPDA) =5:3時(shí)，在波長為600nm處，其固化物透光率為 79.9%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度θg為138℃，黃度指數(shù)變化值△YI為8.44。

（3）使用具有協(xié)同效應(yīng)的固化劑，在提高太陽能電池封裝材料的性能方面，有工藝流程簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。