太阳能电池封装复合膜及使用其的低温封装方法与流程

本发明关于一种太阳能电池封装膜及使用其的封装方法，尤指一种太阳能电池封装复合膜及使用其的低温封装方法。

背景技术：

1、随着科技的发展与进步，对于能源的需求也与日俱增，加上近年来各国对于净零碳排目标的重视，如何提高再生能源(renewable energy)使用率俨然已成为未来不可或缺的研究重点。再生能源通常包含太阳能、地热能、水力能及风力能等，其中，太阳能由于具有能源来源稳定、成本低及安全性高等优点，因此与其相关的技术发展相对快速与成熟。

2、太阳能电池(solar cell)是指通过光伏效应(photovoltaic effect)将太阳光能转换成电能的装置。目前，最常见到的太阳能电池仍是以硅(silicon，si)作为主要材料的硅晶太阳能电池(silicon solar cell)，其具有光电转换效率(power conversionefficiency，pce)高及稳定性高等优点，但同时也存在工艺耗能、价格昂贵及空间限制性高等缺点，导致硅晶太阳能电池难以广泛应用和普及于都市建筑或一般住宅。因此，不论是业界或学界都积极开发可应用于太阳能电池的新颖材料。

3、钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cell，psc)是指以具有与钙钛矿(化学式为cati03)相同类型晶体结构的化合物(或称为钙钛矿材料)作为主要材料的新型太阳能电池。所述钙钛矿晶体结构一般为立方体或八面体，且能够以abx3的通式表示，其中，a离子通常指的是有机阳离子，其常见的种类为ch3nh3+(简称ma)和ch(nh2)2+(简称fa)；b离子通常指的是金属阳离子，其常见的种类为pb2+和sn2+；而x离子通常指的是卤素阴离子，其常见的种类为i-、cl-和br-。在钙钛矿晶体结构中，a离子位于立方晶胞的角顶，被12个x离子包围成配位八面体，其配位数为12，并且a离子和x离子的半径相近而共同构成立方最密堆积；而b离子则位于立方晶胞的中心，被6个x离子包围成配位立方八面体，配位数为6。

4、钙钛矿太阳能电池的工艺简单、成本低，能做成轻薄且具有柔性(或称为软性)或可挠性的太阳能电池，应用层面广，近年来颇受瞩目。然而，目前钙钛矿太阳能电池仅能在学术研究中达到光电转换效率约为26.1％的成果，但若要将其应用于实际情况或发展成商业产品时，由于钙钛矿材料容易与空气中的氧气与水气反应而影响其作用，因此如何阻隔钙钛矿材料和氧气与水气接触以提升钙钛矿太阳能电池的稳定性仍是急需解决的问题。

5、为了解决钙钛矿太阳能电池的稳定性问题，现有技术已发展出封装工艺以有效阻隔钙钛矿材料与空气中的氧气与水气接触。一般而言，所述封装工艺是将太阳能电池模块置于封装材料(通常是封装薄膜)中，随后再通过热压工序以完成封装工艺；其中，热塑性有机材料因其高灵活性、可弯曲性与低成本等优点而成为经常选用的封装材料，例如乙烯/醋酸乙烯酯共聚物(ethylene/vinyl acetate，eva)、聚乙烯醇缩丁醛(polyvinyl butyral，pvb)或聚异丁烯(polyisobutylene，pib)等。然而，选用热塑性有机材料进行封装的热压温度通常会高于130℃，但钙钛矿太阳能电池为了提升其光电转换效率，需要搭配热稳定温度低于85℃的有机载子作为传输材料，因此热塑性有机材料一般不适用于钙钛矿太阳能电池的封装工艺。

6、基于钙钛矿太阳能电池于封装工艺中的热压温度限制，目前多选用封装操作温度较低的紫外线固化型材料作为钙钛矿太阳能电池的封装材料，例如环氧树脂。不过，由于紫外线固化型材料的阻氧性通常不足，一般需要搭配使用硬质的透明玻璃一并进行封装；同时，紫外线固化型材料固化后的可挠性差，因此，选用紫外线固化型材料进行封装的钙钛矿太阳能电池不具有柔性或可挠性的特性，导致其可应用的范围受到大幅限制。

7、由此可知，目前仍有待研究与开发出新颖封装材料，其能够在低温(例如低于85℃)条件下完成钙钛矿太阳能电池的封装工艺，以维持其光电转换效率与提升其稳定性，并且同时能使封装后的钙钛矿太阳能电池保有柔性或可挠性的特性，进而提升其可应用范围，因此有利于后续普及与广泛应用于都市建筑或一般住宅中，从而符合提高再生能源使用率的目标。

技术实现思路

1、有鉴于上述现有技术仍存有的问题，本发明的目的在于提供一种新颖封装材料，其能够用于在低温(例如低于85℃)条件下完成对钙钛矿太阳能电池的封装工艺，进而可在通过低温封装工艺以提高其稳定性的情况下，获得与封装前相近的光电转换效率，同时能够使封装后的钙钛矿太阳能电池保有柔性或可挠性的特性。

2、为达成前述目的，本发明提供一种太阳能电池封装复合膜，其包含：一热封层，该热封层的材料包含一第一聚烯烃弹性体(polyolefin elastomer，poe)，其中，该第一聚烯烃弹性体的化学结构具有一第一主碳链以及与该第一主碳链连接的多个第一侧链，且该多个第一侧链各自独立为具有碳数为2至8的烷基(alkyl group)；该第一聚烯烃弹性体的熔点(melting point)大于或等于60℃且小于或等于120℃；一第一黏合层，该第一黏合层设置于该热封层的表面上；一阻氧层，该阻氧层设置于该第一黏合层的表面上，其中，该阻氧层的材料包含一乙烯/乙烯醇共聚物(ethylene vinyl alcohol copolymer，evoh)，且该乙烯/乙烯醇共聚物中的乙烯含量为25摩尔百分比至50摩尔百分比；一第二黏合层，该第二黏合层设置于该阻氧层的表面上；以及一菜单面层，该菜单面层设置于该第二黏合层的表面上，其中，该菜单面层的材料包含一第二聚烯烃弹性体，其中，该第二聚烯烃弹性体的化学结构具有一第二主碳链以及与该第二主碳链连接的多个第二侧链，且该多个第二侧链各自独立为具有碳数为2至8的烷基；该第二聚烯烃弹性体的熔点为大于或等于60℃且小于或等于160℃。

3、通过选用具有不同功能的多层层体并构成复合膜以及控制其中特定层体的形成材料，本发明的太阳能电池封装复合膜能够在低温(例如低于85℃)条件下完成对钙钛矿太阳能电池的封装工艺，进而可在通过低温封装工艺以提高其稳定性的情况下，使封装后的钙钛矿太阳能电池具有与封装前相近的光电转换效率；同时，由于本发明的太阳能电池封装复合膜本身具有柔性或可挠性，并且也具有良好的阻氧能力与阻水能力等特性，因此在封装工艺中不需配合使用硬质玻璃，故而能使封装后的钙钛矿太阳能电池维持柔性或可挠性的特性，因而提升其可应用范围，有利于钙钛矿太阳能电池发展成商业产品或实际应用于都市建筑或一般住宅中。

4、于本发明的一些实施例中，任两相邻的第一侧链在该第一主碳链上的碳数间距为大于或等于3个碳原子且小于或等于7个碳原子。于本发明的另一些实施例中，任两相邻的第一侧链在该第一主碳链上的碳数间距为大于或等于3个碳原子且小于或等于6个碳原子。于本发明的另一些实施例中，任两相邻的第一侧链在该第一主碳链上的碳数间距为大于或等于3个碳原子且小于或等于5个碳原子。

5、于本发明的一些实施例中，该多个第一侧链各自独立为具有碳数为2至6的烷基。于本发明的另一些实施例中，该多个第一侧链各自独立为具有碳数为4至6的烷基。应理解的是，该第一聚烯烃弹性体的熔点会受到该多个第一侧链的长度(即碳数)所影响。于本发明的一些实施例中，该多个第一侧链可为正烷基。

6、于本发明的一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体的熔点大于或等于80℃且小于或等于120℃。于本发明的另一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体的熔点大于或等于90℃且小于或等于110℃。

7、于本发明的一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体由一第一烯类(alkenes)与一第二烯类共聚合而成，其中，该第一烯类为具有碳数为2至5的烯类，该第二烯类为具有碳数为6至10的烯类。于本发明的另一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体由一第一烯类与一第二烯类共聚合而成，其中，该第一烯类为具有碳数为2至4的烯类，该第二烯类为具有碳数为6至8的烯类。于本发明的另一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体由乙烯(ethylene)与辛烯(octene)共聚合而成。于本发明的另一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体由乙烯与异辛烯(isooctene)共聚合而成。于本发明的另一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体由乙烯与6-甲基-1-庚烯(6-methyl-1-heptene)共聚合而成。于本发明的另一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体由乙烯与2，4，4-三甲基-1-戊烯(2，4，4-trimethyl-1-pentene)共聚合而成。

8、于本发明的一些实施例中，任两相邻的第二侧链在该第二主碳链上的碳数间距为大于或等于3个碳原子且小于或等于7个碳原子。于本发明的另一些实施例中，任两相邻的第二侧链在该第二主碳链上的碳数间距为大于或等于3个碳原子且小于或等于6个碳原子。于本发明的另一些实施例中，任两相邻的第二侧链在该第二主碳链上的碳数间距为大于或等于3个碳原子且小于或等于5个碳原子。

9、于本发明的一些实施例中，该多个第二侧链各自独立为具有碳数为2至6的烷基。于本发明的另一些实施例中，该多个第二侧链各自独立为具有碳数为4至6的烷基。应理解的是，该第二聚烯烃弹性体的熔点会受到该多个第二侧链的长度(即碳数)所影响。于本发明的一些实施例中，该多个第二侧链可为正烷基。

10、于本发明的一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体的熔点大于或等于60℃且小于或等于120℃。于本发明的另一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体的熔点大于或等于80℃且小于或等于120℃。于本发明的另一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体的熔点大于或等于90℃且小于或等于110℃。

11、于本发明的一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体由一第三烯类与一第四烯类共聚合而成，其中，该第三烯类为具有碳数为2至5的烯类，该第四烯类为具有碳数为6至10的烯类。于本发明的另一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体由一第三烯类与一第四烯类共聚合而成，其中，该第三烯类为具有碳数为2至4的烯类，该第四烯类为具有碳数为6至8的烯类。于本发明的另一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体由乙烯与辛烯共聚合而成。于本发明的另一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体由乙烯与异辛烯共聚合而成。于本发明的另一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体由乙烯与6-甲基-1-庚烯共聚合而成。于本发明的另一些实施例中，该第二聚烯烃弹性体由乙烯与2，4，4-三甲基-1-戊烯共聚合而成。

12、于本发明的一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体和该第二聚烯烃弹性体为相同。于本发明的另一些实施例中，该第一聚烯烃弹性体和该第二聚烯烃弹性体为不同。

13、于本发明的一些实施例中，该乙烯/乙烯醇共聚物中的乙烯含量为28摩尔百分比至50摩尔百分比。于本发明的另一些实施例中，该乙烯/乙烯醇共聚物中的乙烯含量为28摩尔百分比至40摩尔百分比。于本发明的另一些实施例中，该乙烯/乙烯醇共聚物中的乙烯含量为28摩尔百分比至35摩尔百分比。于本发明的另一些实施例中，该乙烯/乙烯醇共聚物中的乙烯含量为25摩尔百分比至30摩尔百分比。

14、于本发明的一些实施例中，该第一黏合层的材料包含以顺丁烯二酸酐改性的聚烯烃树脂(maleic anhydride grafted polyolefin resin)。通过选用特定种类的材料，该第一黏合层对于具有较低极性的该热封层及具有较高极性的该阻氧层之间提供了良好的黏合作用。于本发明的另一些实施例中，该第一黏合层的材料可为以顺丁烯二酸酐改性的聚乙烯树脂。

15、于本发明的一些实施例中，该第二黏合层的材料包含以顺丁烯二酸酐改性的聚烯烃树脂。通过选用特定种类的材料，该第二黏合层对于具有较低极性的该菜单面层及具有较高极性的该阻氧层之间提供了良好的黏合作用。于本发明的另一些实施例中，该第二黏合层的材料可为以顺丁烯二酸酐改性的聚乙烯树脂。

16、于本发明的一些实施例中，该热封层的材料还包含一第一添加成分，该第一添加成分包含乙烯/醋酸乙烯酯共聚物、一增黏树脂或其组合，其中，以该热封层的总重量为基准，该第一添加成分的含量可为10重量百分比(weight percent，wt％)至60wt％。于本发明的一些实施例中，该增黏树脂可为碳5石油树脂(c5 petroleum resin)或碳9石油树脂(c9petroleum resin)。于本发明的另一些实施例中，该增黏树脂可为碳5石油树脂。所述碳5石油树脂或碳9石油树脂一般是指分别以石油裂解过程中产生的碳5馏份或碳9馏份作为原料，再经过硫酸、无水三氯化铝、三氟化硼等催化剂加热聚合而成的聚合物。通过使该热封层的材料另包含特定种类的该第一添加成分，其能够进一步提升该热封层于封装工艺后的封装牢固程度。

17、于本发明的一些实施例中，该热封层的材料还包含一第一添加成分，该第一添加成分包含乙烯/醋酸乙烯酯共聚物，其中，以该热封层的总重量为基准，乙烯/醋酸乙烯酯共聚物的含量可为10wt％至30wt％。

18、于本发明的一些实施例中，该热封层的材料还包含一第一添加成分，该第一添加成分包含一增黏树脂，其中，以该热封层的总重量为基准，该增黏树脂的含量可为10wt％至25wt％。

19、于本发明的一些实施例中，该菜单面层的材料还包含一第二添加成分，该第二添加成分包含聚乙烯(polyethylene，pe)、聚丙烯(polypropylene，pp)或其组合，其中，以该菜单面层的总重量为基准，该第二添加成分的含量可为10wt％至80wt％。于本发明的另一些实施例中，以该菜单面层的总重量为基准，该第二添加成分的含量可为10wt％至50wt％。于本发明的另一些实施例中，以该菜单面层的总重量为基准，该第二添加成分的含量可为10wt％至30wt％。通过使该菜单面层的材料另包含特定种类的该第二添加成分，其能够进一步提升该菜单面层的机械强度及防护性。

20、于本发明的一些实施例中，该菜单面层的材料还包含一第二添加成分，该第二添加成分包含聚乙烯，其中，以该菜单面层的总重量为基准，聚乙烯的含量可为10wt％至80wt％；于本发明的另一些实施例中，以该菜单面层的总重量为基准，聚乙烯的含量可为10wt％至50wt％；于本发明的另一些实施例中，以该菜单面层的总重量为基准，聚乙烯的含量可为10wt％至30wt％。

21、于本发明的一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的厚度大于或等于30微米(μm)且小于或等于500μm。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的厚度大于或等于30μm且小于或等于400μm。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的厚度大于或等于30μm且小于或等于280μm。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的厚度大于或等于30μm且小于或等于100μm。该太阳能电池封装复合膜的厚度大于或等于30μm且小于或等于60μm。

22、于本发明的一些实施例中，该热封层的厚度可为5μm至25μm。于本发明的另一些实施例中，该热封层的厚度可为5μm至20μm。于本发明的另一些实施例中，该热封层的厚度可为5μm至15μm。

23、于本发明的一些实施例中，该第一黏合层的厚度可为1μm至10μm。

24、于本发明的另一些实施例中，该第一黏合层的厚度可为1μm至5μm。

25、于本发明的一些实施例中，该阻氧层的厚度可为1μm至10μm。于本发明的另一些实施例中，该阻氧层的厚度可为2μm至8μm。于本发明的另一些实施例中，该阻氧层的厚度可为2μm至6μm。

26、于本发明的一些实施例中，该第二黏合层的厚度可为1μm至10μm。于本发明的另一些实施例中，该第二黏合层的厚度可为1μm至5μm。

27、于本发明的一些实施例中，该菜单面层的厚度可为10μm至30μm。于本发明的另一些实施例中，该菜单面层的厚度可为10μm至25μm。于本发明的另一些实施例中，该菜单面层的厚度可为10μm至20μm。

28、于本发明的一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜可为具有五层结构的复合膜，即由该热封层、该第一黏合层、该阻氧层、该第二黏合层与该菜单面层所构成。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜可为具有大于五层结构的复合膜，例如，除了前述五层基本结构外，在不影响本发明所能达成的功效的情况下，该太阳能电池封装复合膜还可包含多层与该阻氧层相同的其他阻氧层，或者多层与该菜单面层相同的其他菜单面层，但不限于此。

29、于本发明的一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的阻氧能力为小于或等于每日0.5立方厘米/平方米(cm3/m2)。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的阻氧能力为每日0.1cm3/m2至每日0.5cm3/m2。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的阻氧能力为每日0.1cm3/m2至每日0.4cm3/m2。具体而言，所述阻氧能力是指该太阳能电池封装复合膜能够将氧气阻挡在其一侧而不穿过至另一侧的氧气总体积，且该太阳能电池封装复合膜是在环境温度约为20℃、环境相对湿度(relative humidity，rh)约为65％的条件下测试所述阻氧能力。

30、于本发明的一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的阻水能力为小于或等于每日5克/平方米(g/m2)。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的阻水能力为每日0.5g/m2至每日5g/m2。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜的阻水能力为每日2g/m2至每日5g/m2。具体而言，所述阻水能力是指该太阳能电池封装复合膜能够将水气阻挡在其一侧而不穿过至另一侧的水气总重量，且该太阳能电池封装复合膜是在环境温度约为38℃、环境相对湿度约为90％的条件下测试所述阻水能力。

31、于本发明的一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜于可见光区域(即光波长约380纳米至750纳米的范围)的平均透光率为大于80％。于本发明的另一些实施例中，该太阳能电池封装复合膜于可见光区域的平均透光率为大于或等于82％且小于或等于95％。

32、此外，本发明另提供一种太阳能电池的低温封装方法，其包含以下步骤：步骤(a)：提供一太阳能电池模块，再将该太阳能电池模块夹置于二封装膜之间以获得一叠层，其中，该二封装膜为前述本发明的太阳能电池封装复合膜；以及步骤(b)：对该叠层进行一热压封装工序，以完成该太阳能电池模块的封装，其中，该热压封装工序的加热温度小于85℃。

33、通过选用前述本发明的太阳能电池封装复合膜作为封装材料，进而可使该太阳能电池模块(例如可为钙钛矿太阳能电池模块)的封装工艺在小于85℃的低温条件下完成，因此，若该太阳能电池为钙钛矿太阳能电池，则其不会对作为传输材料的有机载子(热稳定温度低于85℃)造成影响，进而可在通过低温封装工艺以提高稳定性的情况下，使封装后的钙钛矿太阳能电池仍具有与封装前相近的光电转换效率；同时，由于本发明的太阳能电池封装复合膜本身具有柔性与可挠性，并且也具有良好的阻氧能力与阻水能力等特性，因此在封装工艺中不需配合使用硬质玻璃，故而能使封装后的钙钛矿太阳能电池维持柔性或可挠性的特性。

34、于本发明的一些实施例中，在该步骤(b)中，该热压封装工序的加热温度小于或等于80℃。于本发明的另一些实施例中，在该步骤(b)中，该热压封装工序的加热温度大于或等于70℃且小于或等于80℃。应理解的是，该热压封装工序的加热温度是依据所选用的封装材料(或封装膜)的软化温度而定。

35、于本发明的一些实施例中，在该步骤(b)中，该热压封装工序的加热时间为5分钟至30分钟。于本发明的另一些实施例中，在该步骤(b)中，该热压封装工序的加热时间为10分钟至20分钟。

36、于本发明的一些实施例中，在该步骤(a)中，该太阳能电池模块包含一基板、一载子传输层、一钙钛矿层、一电洞传输层及一背电极，该载子传输层、该钙钛矿层、该电洞传输层及该背电极分别依序叠置于该基板的表面上。

37、于本发明的一些实施例中，该基板透明且具有良好导电性，故可作为电极。该基板可为在一基材上涂覆一层透明导电氧化物薄膜而制得，其中，所述导电氧化物可为二氧化锡(tin dioxide，sno2)中掺杂氟(fluorine，f)(称为fluorine-doped tin oxide，fto)或氧化铟锡(称为indium tin oxide，ito)，但不限于此。

38、依据本发明，该载子传输层的材料并无特别限制，本领域技术人员可根据实际需求，并且在不影响本发明的功效的情况下进行选择与调整。于本发明的一些实施例中，该载子传输层的材料可为二氧化钛(titanium dioxide，tio2)、二氧化锡、[6，6]-苯基碳61丁酸甲酯([6，6]-phenyl-c61-butyric acid methyl ester，pcbm)、一氧化锌(zinc oxide，zno)或其组合，但不限于此。

39、依据本发明，该钙钛矿层的材料并无特别限制，本领域技术人员可根据实际需求，并且在不影响本发明的功效的情况下进行选择与调整。于本发明的一些实施例中，该钙钛矿层的材料可为三碘合铅酸甲基铵(methylammonium lead iodide，mapbi3)、三碘合铅酸甲脒(formamidinium lead iodide，fapbi3)或其组合，但不限于此。

40、依据本发明，该电洞传输层的材料并无特别限制，本领域技术人员可根据实际需求，并且在不影响本发明的功效的情况下进行选择与调整。于本发明的一些实施例中，该电洞传输层的材料可为2，2′，7，7′-四[n，n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴(2，2′，7，7′-tetrakis[n，n-di(4-methoxyphenyl)amino]-9，9′-spirobifluorene，spiro-ometad)、硫氰酸亚铜(copper thiocyanate，cuscn)、一氧化镍(nickel oxide，nio)或其组合，但不限于此。

41、于本发明的一些实施例中，该背电极的材料可为常见用于制作电极的金属，例如金(gold，au)、银(silver，ag)，但不限于此。

42、在本说明书中，由“小数值至大数值”表示的范围，如果没有特别指明，则表示其范围为大于或等于该小数值且小于或等于该大数值。例如：碳数为2至8，即表示碳数的范围是“大于或等于2且小于或等于8”。