太阳能电池封装，材料固化剂的协同效应

太阳能电池的封装材料重要采用环氧树脂进行薄膜灌封，但环氧树脂材料长期暴露在太阳光下，易变黄、发生老化，从而影响太阳能电池的光电转化效率。为了解决环氧树脂的老化问题，通常在环氧树脂中加入光稳定剂和抗氧剂，但是它们与环氧树脂的相容性差，在用量为质量分数1%~2%的情况下就能析出；或者对己二胺进行羟烷基化、氰乙基化改性来改善环氧树脂固化物的透光性，但其存在一定的毒性和对皮肤的刺激性，并能与空气中的CO2发生反应。因此，研究如何改善环氧树脂的透光性和抗紫外光老化性具有重要意义。笔者利用聚氧化丙烯二胺（D230）和异佛尔酮二胺（IpDA）固化剂的协同效应，提高环氧树脂透光性、抗紫外光老化性和耐热性，不但毒性低，无刺激性，而且工艺流程简单，成本低。

1.实验

1.1重要原料与仪器

双酚A型环氧树脂Ep828（广州市创远经贸有限公司）；固化剂：聚氧化丙烯二胺（D230，中穗化工有限公司），异佛尔酮二胺（IpDA，深圳市佳迪达化工有限公司）；稀释剂：501环氧活性稀释剂（江苏三木集团有限公司）；增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯（DBp，深圳江海天化工有限公司）；溶剂：苯甲醇（BA，天津市福晨化学试剂厂）。

DHG—9053A电热恒温鼓风干燥箱（上海申贤恒温设备厂）；TU—1901型双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；紫外灯；DSCQ10差示扫描量热仪(美国TA公司)，N2气氛，升温速率为10℃/min，扫描温度范围为室温~300℃。

1.2样品的制备

称取100g环氧树脂于塑料杯中，加入质量分数为15%的环氧活性稀释剂501，搅拌混合均匀，然后分别加入质量分数为10%的增塑剂、5%的溶剂和20%~35%的固化剂，混合均匀后浇注到115mm×25mm×2mm模具中，置于恒温干燥箱内，在80℃下固化90min，脱除模具，测试固化物样品性能。

1.3性能测试

1.3.1透光性的测定

采用紫外可见分光光度计，用空气做参比，测定固化物在波长400~800nm的透光率曲线。用透光率分析其透明性。透光率越大，其透明性越好。

1.3.2抗紫外光实验

将固化物放在70W的紫外灯下照射一按时间后，放入紫外可见分光光度计的样品池中，测定其在波长400~800nm的透光率曲线，用黄度指数衡量其抗紫外光老化性能。黄度指数YI用下列公式计算：

式中：T和T′分别为样品在紫外灯照射前后的透光率。

2.结果与讨论

2.1固化剂用量对固化物透光率的影响

在一定条件下，固化剂与环氧树脂进行固化反应，生成立体网状结构产物，固化剂的用量不仅会影响固化物的力学性能，也会影响固化物的光学性能。固化剂D230和IpDA用量对固化物透光率的影响分别见图1和图2所示。

由图1可知，随固化剂D230用量的新增，固化物的透光率新增，透明性渐好，但D230用量大于质量分数28%时，透明性又变差；同样从图2可以看出，IpDA用量在质量分数32%时，固化物透光率最大，具有较好的透明性。这是因为固化剂与环氧树脂反应较为充分，形成了比较均匀的网络结构，聚合物中分子结构排列有序程度较高，对可见光的吸收较弱，从而提高了固化物的透明性。但当固化剂过量时，固化剂反应效率降低，导致交联密度低，固化物未能形成理想的网状交联状态，透明性变差。

2.2固化剂协同效应对固化物性能的影响

D230与IpDA的协同效应是指将这两种固化剂按照一定质量比混合形成一种新体系，其新体系不仅具有各个组分的优点，同时互补缺点，新体系的某些性能优于单一组分的性能。IpDA与环氧树脂反应较剧烈，反应过程中有大量热放出，室温下可以固化，但反应不完全，难以生成体型大分子，需在体系中加入促进剂；而D230虽反应时间长，但其柔韧性好。当D230与IpDA混合使用时，不仅加快了固化速度，而且由于D230中具有较多的柔性基团如亚甲基和醚键等，其柔性基团很好地键合到致密的环氧树脂交联网络中，形成高度均匀、透明的固化物。

2.2.1对透光率的影响

以环氧树脂为基料，添加不同质量比的D230与IpDA二元固化剂进行固化反应，对透光率的影响如图3所示。从图3可看出，随着二元固化剂中IpDA用量的新增，固化物透明性逐渐变好，当m(D230):m(IpDA)=5:3时，透明性达到最佳，当超过这个比例时，透明性又开始下降。而且当m(D230):m(IpDA)=5:3时，在各个波长下，其固化物的透明性优于单一使用D230或IpDA，例如当波长为600nm时，使用单一的固化剂D230或IpDA固化环氧树脂，固化物的透光率分别为75.5%和75.8%，而发生协同效应固化物的透光率则为79.9%，其原因归根于D230和IpDA二元固化剂发生协同效应，其表观活化能比较小，反应在常温下就可以进行，反应比较缓和，其频率因子较高，分子间碰撞几率比较大，反应更完全。

2.2.2对耐热性的影响

耐热性是太阳能电池封装材料的重要性能指标之一，耐热性的好坏会直接影响其封装质量。具有交联结构的高分子材料的电气性能和力学性能在玻璃化转变温度θg附近将发生显著变化，而且长时间受热会发生热老化，所以θg是材料耐热性的重要性能参数。

图4是分别用D230、IpDA、D230与IpDA二元固化剂[m(D230):m(IpDA)=5:3]作固化剂时，固化物的DSC曲线。由图4可知，使用单一固化剂D230或IpDA固化环氧树脂，固化物的θg分别为101和122℃；当使用D230和IpDA二元固化剂时，固化物的θg达到138℃左右，比使用任意单一固化剂的θg都高出约20℃，这是由于二元固化剂发生了协同效应，新增了环氧树脂的交联度，以及它们形成的亚甲基桥接交联网络，提高了环氧树脂的耐热性能。

2.2.3对抗紫外光老化性的影响

固化剂对其固化物黄度指数的影响见图5。固化物的黄度指数越高，抗紫外光老化性能越差，越容易变黄。由图5可知，紫外光照射60min后，发生协同效应的固化物的黄度指数变化不大，曲线比较平缓。采用D230或IpDA单一固化剂的固化物黄度指数变化值?YI分别为20.48和14.98，而发生协同效应固化物的?YI仅为8.44，进一步说明发生协同效应的固化物有着较好的抗紫外光老化性能。环氧树脂变黄的原因是因其易水解出现苯酚或降解生成苯氧自由基，它们均易氧化生成生色基团苯醌[4]。因为D230与IpDA二元固化剂的协同效应，使得环氧树脂固化更完全，减少了环氧树脂水解和降解的机会，从而减少了生色基团的出现，在具有高度透明性的同时，还具有良好的抗紫外光老化性能。

3.结论

（1）使用单一固化剂D230或IpDA固化环氧树脂，它们的用量分别为质量分数28%和32%时，固化物的透明性较好，在波长为600nm处，固化物的透光率分别为75.5%和75.8%，玻璃化转变温度θg分别为101和122℃，紫外光照射60min后，黄度指数变化值?YI分别为20.48和14.98。

（2）D230与IpDA二元固化剂具有协同效应，其固化物比使用单一固化剂具有更好的透明性、耐热性和抗紫外光老化性能，并且当m(D230):m(IpDA)=5:3时，在波长为600nm处，其固化物透光率为79.9%，玻璃化转变温度θg为138℃，黄度指数变化值△YI为8.44。

（3）使用具有协同效应的固化剂，在提高太阳能电池封装材料的性能方面，有工艺流程简单和成本低的优点。