CN101681935A - 用于平流层和外层空间用途的太阳能电池 - Google Patents

用于平流层和外层空间用途的太阳能电池 Download PDF

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Abstract

用在平流层和外层空间用途中的轻质光伏器件。该器件在其光入射侧上包括保护性表面涂层。该保护性涂层不会有害地影响该太阳能电池的光伏性质，由保护所述太阳能电池抵御该光伏器件适用的平流层或外层空间环境中的严酷条件的材料形成；且暴露在平流层或外层空间中的严酷条件中时保持基本不变。该保护性涂层优选由喷涂的有机硅基材料制成并且为0.01至2密耳厚。

Description

用于平流层和外层空间用途的太阳能电池
政府许可权利
本发明在依据U.S.Air Force Contract号F29601-03-C-0122的政府资助下作出。政府在本发明中具有某些权利。
发明领域
本发明涉及在平流层在飞船上和在外层空间在航天器上使用的太阳能电池。更具体地，本发明涉及轻质太阳能电池(比功率：＞500W/kg)和超轻太阳能电池(比功率：＞1000W/kg)，其沉积在聚合物或薄金属膜上并包括沉积在其顶部用于抵御大气、平流层和外层空间环境的喷涂有机硅包封剂(silicone encapsulant)。
发明背景
已经非常清楚，轻质、柔性太阳能电池在平流层和外层空间用途中具有极大潜力。平流层用途的一个实例是为高空平台供应能量。在这方面，对高容量无线服务的要求带来越来越多的挑战。在地面上，对视线(line-of-sight)电磁传播路径的需求构成限制，除非部署非常大量的基站天线杆，且卫星通信系统具有容量限制。对这些问题提供的解决方案是部署大量的在海拔大约22千米的平流层中运行的高空平台(HAP)以提供可同时利用地面和卫星方案的最佳特征的通信设施，但它们需要太阳能基动力结构。
太空用途包括用于通信和其它用途的卫星、以及空间站、观测站和其它大功耗设备。甚至已经提出用于例如火星的行星探测的高空浮台。
考虑到这些和其它可能的用途，近年来已经在制造轻质柔性太阳能电池方面作出大量研究工作。但是，尚未认真的考虑使用这些太阳能电池的严酷的破坏性环境。简言之，尚未重视如何保护太阳能电池免受平流层和外层空间环境的有害影响。需要制造可耐受平流层或外层空间的严酷环境并仍提供强光伏性能的轻质、柔性太阳能电池。
本发明提供了通过其光入射表面上的薄涂层抵御这些环境的太阳能电池。这种涂层是粘着的并保护该太阳能电池抵御严酷的辐射能以及氧化要素和温度极端状况/周期变化。该涂层也保护太阳能电池抵御该太阳能电池储存处的地平面地面环境。最后，该涂层本身不受其抵御的环境的有害影响。
发明内容
本发明包括适用在平流层或外层空间环境中的光伏器件。该光伏器件包括基底和至少一个沉积在所述基底上的太阳能电池。其还包括沉积在所述一个太阳能电池上并完全包封该太阳能电池的保护性涂层。该保护性涂层：a)不会有害地影响该太阳能电池的光伏性质；b)由保护所述太阳能电池抵御该光伏器件适用的大气、平流层或外层空间环境中的严酷条件的材料形成；和c)暴露在该光伏器件适用的大气、平流层或外层空间环境中的严酷条件中时保持基本不变。优选地，该保护性涂层是有机硅基材料(silicone based material)的涂层，如有机硅基材料的喷雾沉积涂层。该保护性涂层为0.01至2密耳厚，更优选0.2至2密耳厚，再更优选0.5至2密耳厚，最优选1至2密耳厚。
该基底包含薄片，如金属或聚合物薄片。金属可以包括不锈钢，聚合物可以包括聚酰亚胺膜，如Kapton。该太阳能电池可包含至少一个太阳能电池，如三结无定形硅太阳能电池。该光伏器件可进一步包含位于该基底与太阳能电池之间的背反射结构。该器件还可以包括位于太阳能电池与所述保护性涂层之间的顶部传导层，其可以由氧化铟锡(ITO)制成。最后，该器件可进一步包括位于顶部传导层与保护性涂层之间的集流栅(current collection grid)。
附图简述
图1描绘了可在其上施加本发明的涂层的太阳能电池器件的一个实例；
图2绘制了六个涂布的太阳能电池的量子效率(Q)和光波长曲线的变化关系图，其中四个太阳能电池用本发明的有机硅涂层包封；
图3绘制了来自图1的相同样品的内量子效率Qs(其是Q/(1-R))对光波长的变化关系图；
图4绘制了三组太阳能电池样品(裸/未涂布、有机硅涂布和丙烯酸类硬涂布)暴露在原子氧中之前和之后的填充因子(FF)；
图5绘制了涂布和未涂布的太阳能电池在湿热测试中的特定阶段之前和之后的填充因子(FF)；
图6绘制了涂布和未涂布的太阳能电池在从-175℃至100℃的1000次热循环之前和之后的填充因子(FF)；
图7绘制了涂布和未涂布的太阳能电池在500等效太阳小时(equivalent-sun-hours，ESH)的紫外线暴露之前和之后的总积分量子效率(Q)值；
图8绘制了涂有本发明的有机硅外覆层(silicone overcoat)的太阳能电池和未涂布的太阳能电池在620等效太阳小时(ESH)的VUV暴露或592等效太阳小时(ESH)的NUV暴露之前和之后的总积分量子效率(Q)值；
图9(a)绘制了三组太阳能电池样品(裸/未涂布、有机硅涂布和丙烯酸硬涂布)在含有大约1％臭氧的气氛中暴露大约16小时之前和之后的填充因子(FF)值；
图9(b)绘制了三组太阳能电池样品(裸/未涂布、有机硅涂布和丙烯酸硬涂布)在含有大约1％臭氧的气氛中暴露大约16小时之前和之后的开路电压(Voc)值。
发明详述
本发明包含用于卫星和飞船用途的在不锈钢或聚合物基底上的包封的薄膜无定形硅合金太阳能电池。包封剂层在该光伏器件上提供保护性涂层。该包封剂层是透明、柔性、空间相容且机械坚硬的。此外，该涂层很好粘附到该光伏电池的构造材料上并阻挡大气污染物。由于平流层和太空中不同的环境，包封剂材料必须符合许多严格的要求。
该包封剂涂层必须实现两个目的：1)保护光伏器件；和2)控制电池的吸收率和发射率。关于第一目的，该包封剂涂层抵御：a)地面环境因素，如湿度和大气污染物；b)在模块/阵列制造和堆装过程中的机械操作；和c)太空和平流层环境因素，如暴露在紫外线辐射、原子氧和臭氧中，以及如静电放电之类的因素。关于第二因素，该包封剂涂层会调节电池的发射和吸收性质以使该电池在所选环境中在所需温度下运行。
可在其上施加本发明的涂层的太阳能电池器件的一个实例显示在图1中。该图是无定形硅光伏器件1的示意图，该器件包括基底2，在其上沉积背反射体结构3。该结构还包括一个或多个光伏器件。图1描绘了包括三个n-i-p结(4-5-6、7-8-9和10-11-12)的三结光伏器件。尽管该图描绘了三n-i-p结太阳能电池，但任何类型的薄膜太阳能电池都会获益于本发明的保护性涂层。因此，图1的光伏器件被描绘成包括三个n型半导体层(4、7和10)、三个本征半导体层(5、8和11)和三个p-型半导体层(6、9和12)。应该指出，该图的层的厚度不按比例，因此该相对厚度不代表实际器件中的实际相对厚度。在这些n-i-p结的上方沉积透明导电氧化物13和栅极结构14。这类光伏器件的基本结构是本领域中公知的。
对于飞船和太空用途，优选基底是金属或聚合物的薄膜。金属基底优选可以是非反应性金属，如不锈钢，的超薄箔。优选聚合物基底是稳定的非反应性聚合物的薄膜，如聚酰亚胺膜，如KAPTON(TM)。
因此，本发明的光伏板包含：1)轻质基底；2)至少一个沉积在该基底上的薄膜无定形硅合金太阳能电池；和3)沉积在该薄膜无定形硅合金太阳能电池上的包封剂层。该包封剂层优选是有机硅基材料的喷涂薄膜。该涂层厚度优选为0.01至2密耳厚，更优选0.2密耳至2密耳厚，再更优选0.5至2密耳厚，最优选1-2密耳厚。该涂层优选具有均匀厚度并且是连续的。
如上所述，该包封剂涂层必须在大气、平流层和外层空间中保护该太阳能电池。必须保护该太阳能电池以抵御各种要素和不同类型的有害辐射。该包封剂必须保护该太阳能电池以始终避免本身随时间和暴露在这些条件下而劣化并始终不减损太阳能电池性能。为了确定合适的涂层，本发明人在各种条件下测试了许多涂层以确定太阳能电池的最佳涂层。如上所述，有机硅基材料的喷涂薄膜在所有受试涂层中表现最好。
受试涂层包括：
1)薄SiOx膜，大约
Figure G2008800094020D00041
厚，通过高沉积速率微波PECVD沉积；
2)气相聚合物(VPP)涂层，大约1微米厚，通过高沉积速率微波PECVD制备；
3)丙烯酸类硬涂层(acrylic hardcoat)，小于0.5密耳厚，通过化学喷涂法制备；和
4)本发明的有机硅基外覆层(silicone based overcoat)，通过化学喷涂法制备。
使用用于优化该薄膜的沉积方法和涂布性质的设备通过高沉积速率微波PECVD法施加薄膜SiOx涂层。该SiOx膜为大约
Figure G2008800094020D00051
厚。在配有微波PECVD激发源的薄膜分批型沉积反应器中沉积所需包封剂膜。
VPP涂布基于如下方法，其中将有机金属含硅材料与其它气体预混并送入微波等离子体反应器。该气体分解并反应形成涂层。通过在VPP涂布之前和之后将样品称重，校准沉积速率。对进行的试验而言，将VPP涂层厚度控制在大约1微米。在初始研究过程中，发现该涂层在某些位置/地点脱层。一旦开始脱层，对一些样品而言，其在两天内蔓延至整个表面。脱层过程归因于基底表面的清洁度问题。已经开发出减轻该问题的适当的基底清洁法。尽管VPP涂层通过了许多初始筛选试验，但该薄涂层看起来不保护太阳能电池的线栅(wire grid)。
丙烯酸类硬涂层目前正用在地面太阳能板的生产线中。其通过化学喷涂法沉积。地面产品中该涂层的标准厚度超过1密耳。在考虑重量的情况下，降低该厚度会是有利的，特别对飞船和太空用途而言。为了将涂层厚度降至小于0.5密耳，设计和构造R & D分批喷涂系统。该硬涂层通过了若干筛选试验，但与薄涂层相关的早期问题之一是在涂层中存在针孔，这使水蒸汽和其它物类容易经其侵入。在这种情况下，该包封剂不会为下方太阳能电池提供充足保护。为消除该问题，进行实验以理解针孔形成的可能原因以及涂料的性质。
该有机硅基外覆层通过化学喷涂法制备。使用商业喷涂设备喷涂样品。然后在升高的温度下固化涂层。测试参数包括涂层厚度和溶剂浓度。较低稀释产生织构化(textured)的较厚涂层。较高稀释产生大约0.1密耳的平滑薄涂层。该涂层透明、均匀且通过所有筛选试验。合适的有机硅基材料的一个实例是已经用DOWOS-30溶剂稀释的DOW
Figure G2008800094020D00053
1-2620(Low VOC Conformal Coating或分散体)。
使用Dow Corning推荐程序固化的涂层具有几个问题。例如，涂层中残留着显著量的挥发性化合物，它们在高温下释放。因此，开发出在大约125℃的更高温度下固化有机硅膜的方法。高温固化能使基本所有挥发性化合物转化成固体涂层或蒸发。已经发现，可以以下列方式之一进行固化：
1.逐渐固化：将该样品从低温缓慢加热至高于或等于125℃；
2.多步固化：在低温，例如70℃固化样品，然后将它们在至高于或等于125℃的高温下固化；和
3.一步固化：将固化炉或系统温度设定在高于或等于125℃并在该炉中固化太阳能电池预设时间量，例如30分钟。使用上述方法固化的涂层通过依据ASTM-E-595-93(2003)的标准释气试验。
如下文进一步论述的那样，对该四个涂层施以许多试验以确定哪个(如果有的话)是用于平流层和外层空间用途的太阳能电池的涂层的优秀候选者。为此，进行下列段落中所述的试验和结果。尽管所有潜在涂层都通过一些试验，但只有有机硅基涂层充分通过所有试验。
光学评测
室内(In-house)I-V、量子效率(Q)和反射(R)测量已被用于评测备选包封剂涂层、涂布法和后涂布处理的光学特性。该包封剂涂层是太阳光在进入太阳能电池之前穿过的第一层。量子效率(Q)和短路电流(Isc或Jsc)是多少光被该包封剂层透射到太阳能电池中的直接衡量标准。作为波长函数的量子效率(Q)和反射(R)测量结果能够与该包封剂涂层的光透射谱相关联。所有包封剂涂层都通过光学试验。涂层表现出仅大约1-2％的、可主要归因于反射损失的Q和Jsc损失。附加的抗反射涂层可能恢复初始Q和Jsc值。
六个样品的量子效率(Q)与光波长曲线的变化关系绘制在图2中。图2中所示的样品试验是：1)一个无包封剂的裸样品；2)一个带有30纳米SiOx涂层的样品；3)两个带有0.1密耳有机硅涂层的样品(A和B)，和4)两个带有0.5密耳有机硅外覆层的样品(A和B)。涂布后的样品与无任何包封剂的裸样品相比表现出在包封剂涂布后量子效率(Q)的降低。但是，如图3中所示，所有涂布的样品(包括SiOx和0.1密耳和0.5密耳有机硅外覆层)的内量子效率Qs(其是Q/(1-R))与原始未涂布裸基准样品相比没有表现出显著变化。尽管没有显示，但VPP和丙烯酸类硬涂层包封剂表现出非常类似的结果。这种结果表明，包封样品的量子效率(Q)损失能归因于反射损失而非光学吸收。如上所述，附加的抗反射涂层应该恢复初始Q和Jsc值。
原子氧暴露
已知的是，在太空和飞船环境中都存在原子氧。使用Ar-O2微波等离子体作为原子氧试验的初步筛选工具。表1列出暴露之前和之后的电池的I-V特性。对于该试验，所有样品的尺寸都为大约2″×2″。在试验过程中，将样品安装在等离子体下游以避免与等离子体直接相互作用。作为相对衡量标准，据发现，在2小时暴露后，裸样品(无包封剂)和SiOx涂布样品表现出效率的极端降低，受试的四个样品分别损失54％、69％、10％和88％。相反，带有VPP和丙烯酸类硬涂层包封剂的样品仅发生效率的极小损失。实际上，两个VPP样品表现出小于1％损失。要指出的是，等离子体暴露非常强，并且，尽管没有参照任何标准校准，但其是初步但有力的筛选工具。在更下游的另一初步试验(无直接等离子体暴露，较低原子氧浓度)表明，有机硅外覆层能够更好抵御原子氧暴露。
表1  Ar-O2等离子体试验之前和之后的IV-数据
Figure G2008800094020D00081
在这些初始结果后，与NASA Glenn Research Center针对更受控的原子氧暴露试验签订了合同，因为用于室内原子氧试验的原子氧通量未知。NASA Glenn Research Center在该有机硅涂层上进行受控AO暴露试验。在该试验中，在运行样品之前，通过将Kapton witness coupon(Kapton证据小样)放在样品支架上的各种位置，测定AO通量。通过已知该装置的通量，可以针对指定能流水平(fluence level)确定大致运行时间。在两个分开的AO试验中暴露26个太阳能电池试样。在第一种情况下，将15个样品(裸未涂布基准电池、有机硅涂层涂布电池和丙烯酸类硬涂层涂布电池各5个)与Kapton witness coupon一起放在样品支架上。暴露时间为35小时，能流水平为4.3×1020±4.3×1019个原子/平方厘米。在第二种情况下，使11个样品和Kapton witnesscoupon暴露35小时，且能流水平为4.1×1020±4.0×1019个原子/平方厘米。应该指出，在一年中，国际空间站(International Space Station)的面向太阳的表面上的有效AO剂量为大约4.6×1020个原子/平方厘米。在试验之前和之后测量太阳能电池I-V特性。只有丙烯酸类硬涂层样品在试验后直观上受损。一部分硬涂层材料看起来已被除去，样品表面变粗糙，且涂层看起来不连续。裸电池和有机硅涂布电池没有表现出任何直观变化。这三组样品的FF变化显示在图4中。在除去明显异常值后，清楚的是，有机硅涂层充分保护该电池。裸和硬涂层样品表现出一定的劣化。表2概括了在三种不同涂布条件下，所有样品在试验之前和之后的平均I-V结果的变化。该表表明，对于有机硅涂层，I-V参数的变化在测量误差限度内。裸和硬涂层情况下的I-V特性在试验后表现出填充因子的下降。总之，有机硅涂层耐受相当于在国际空间站环境下大约1年暴露的原子氧暴露。其在AO暴露后没有表现出直观或I-V劣化。
表2AO试验后的I-V特性的平均变化
  涂层   Pmax   Jsc   Voc   FF   Rs
  裸   -8.68％   -0.27％   -0.16％   -8.27％   17.93％
  有机硅   -0.78％   -1.03％   0.08％   0.16％   2.13％
  硬涂层   -0.92％   2.47％   0.06％   -3.37％   6.36％
粘合性
使用基本Scotch胶带测试来评测包封剂涂层在太阳能电池上的粘合性。程序由如下组成：(1)将一条干净玻璃纸胶带施加到包封剂涂层上，并在其充分粘合后，(2)从一端除去该胶带并检查脱层迹象。一开始粘附的所有包封剂都通过该试验。
湿热试验(Damp Heat test)
商业湿热实验室用于该试验。最初在50℃和85％相对湿度下测试电池。试验持续1个月，但是每周取出样品进行测量。由于在50℃和85％相对湿度下测试电池时只看出极小影响，所以它们也在85℃和85％相对湿度下测试。在仅仅AMO电池上这两种条件的试验结果概括如下。
试验1.在50℃，85％相对湿度下的湿热
受试包封剂包括：a)具有30纳米SiOx涂层的电池；b)具有60纳米SiOx的电池，c)不带任何包封剂涂层的裸样品，和d)带有丙烯酸类硬涂层的样品。各组中有10个H-条。
外观
裸样品、30纳米和60纳米SiOx涂布样品在几个试样上表现出一些脱层/腐蚀迹象。丙烯酸类硬涂层样品没有表现出任何可注意到的变化，除了在4周后，一个电池具有沿该电池的一个暴露边缘大约1毫米宽的小脱层区。
I-V测量
在太阳模拟器下的I-V测量没有将任何特定组与其它组明显区分开。对任何组而言，在湿热之前和之后，I-V参数看似不变。对30纳米SiOx、60纳米SiOx、裸、和丙烯酸类硬涂层样品而言，平均Pmax分别下降3.5％、2.7％、1.3％和1.1％。丙烯酸类硬涂层样品的损失小于1％Pmax(如果从该数据中排除一个脱层电池)。30纳米SiOx涂布情况的损失(3.5％)大于裸样品。结果表明，在实验误差限度内，裸样品和包封样品在此试验后没有表现出功率输出的任何下降。
试验2.在85℃，85％相对湿度下的湿热
在此试验中，测试VPP包封电池的11个H-条、SiOx涂布电池的11个H-条、丙烯酸类硬涂层电池的22个H-条和有机硅包封样品的28个H-条，并使用12个裸H-条作为参照。
外观
在该湿热室中第一周后，在VPP涂布电池上出现脱层点。在裸电池和SiOx涂布电池上也发现较小的脱层点。有机硅基外覆层和丙烯酸类硬涂层看似保护电池抗脱层三周。但是，在85/85湿热条件中在-1.25V反偏压下再暴露2周后，在几个硬涂层包封电池和有机硅外覆层包封电池上也可见脱层点。应该指出，由于施加连续偏压的实验问题，反偏压的总施加时间未知。
I-V测量
在包封剂涂覆之前和之后在太阳模拟器下进行I-V测量。在湿热暴露的第一、第二和第五周后重复测量。多数电池的Voc和Isc没有明显改变。对于湿热暴露5周后(最后两周施加非一致性的-1.25V反偏压)的VPP、硬涂层、SiOx和裸电池，如图5中所示的最终FF显示出下降。对于有机硅基外覆层包封电池而言，FF仅轻微下降，表明有机硅外覆层在湿热条件下更好地保护太阳能电池。按组计，裸、SiOx、VPP、有机硅外覆层和硬涂层样品的FF如表3中所列分别下降6.3％、1.9％、5.8％、1.4％和5.3％。有机硅基外覆层看起来在受试包封剂中表现最好。
表3在85℃，85％RH下5周的湿热试验的概述
  包封剂   外观   AM1.5ΔFF(损失)
  裸电池   一些脱层   6.3％
  SiOx   一些脱层   1.9％
  VPP   一些脱层   5.8％
  有机硅外覆层   好*   1.4％
  硬涂层   好*   5.3％
*在前三周没有看见脱层，在5周后看见一些脱层。
在85℃，85％相对湿度下的反偏压湿热试验
对于该试验，使用6个裸H-条和6个使用有机硅外覆层的包封H-条。表4概括了所有样品在85℃，85％相对湿度下的湿热中在-1.25V反偏压试验1周后的I-V数据。
表4在-1.25V，1周，85℃，85％RH的反偏压湿热试验后I-V
Figure G2008800094020D00121
表5给出这两组的平均Voc和FF损失。所有裸样品的I-V特性显著下降：平均Voc下降1.5％且平均FF下降12.7％。有机硅外覆层包封电池发生极小损失：Voc下降仅0.3％且FF下降0.4％。
表5由表4计算的这两组的平均Voc和FF损失
  包封剂   外观   AM1.5ΔVoc(损失)   AM1.5ΔFF(损失)
  裸电池   一些脱层   1.5％   12.7％
  有机硅外覆层   好   0.3％   0.4％
热循环
市售标准热循环设备用于此试验。依据NASA要求，该试验在氮环境中从-175℃到100℃进行。该试验进行1000个循环。表6显示了热循环试验的1000个循环之前和之后的I-V特性。清楚看出，在除去明显异常值(可能归因于重复操作)后，任何包封剂材料在热循环试验后都没有显著变化。图6显示了热循环试验之前和之后的FF变化。清楚看出，在热循环过程中没有发生显著变化。
表6从-175℃到100℃的1000个热循环之前和之后的I-V测量
Figure G2008800094020D00131
在高温的热稳定性
将样品在预设在125℃的炉中放置过夜，此后测量试样的I-V特性以与试验之前的性能进行比较。试验表明任何包封剂的电性能都没有明显损失。
释气
在室内进行在两组参数下的释气试验：(1)使用炉在150℃和大气压下；和(2)在真空和室温下。这些试验表明，烘烤一开始造成有机硅基外覆层释气，但这在数小时内停止。所研究的所有包封剂都以小于1％总重量损失通过释气试验。构造依据ASTM标准ASTM-E-595-93(1999)测量总质量损失(TML)用的释气试验系统：在高真空室(优于5×10-5Torr)中在高温(125℃)下释气24小时。使用该设备优化有机硅基包封剂的沉积和固化参数以降低TML。所有受试涂层，包括本发明的有机硅包封剂都符合ASTM TML要求。
无针孔试验
为了为下方电池提供完全保护，包封剂涂层必须是内聚性(coherent)且无针孔的。对于该试验，在包封剂上沉积ITO(氧化铟锡)层，并使用在该顶部ITO层和包封剂下方的太阳能电池的ITO层之间测得的电阻量化该样品是否无针孔。如果包封剂层中有针孔，该ITO会短路到包封剂下方的ITO上，因此，这两个ITO层之间的电阻是该试验用的直接衡量标准。高电阻意味着无针孔的包封剂层。硬涂层样品、有机硅和VPP包封剂都通过该试验。
紫外线暴露试验
已知的是，在太空中存在VUV(＜200纳米)和NUV(200纳米至400纳米)。尽管VUV在飞船高度中极大降低，但仍有大量NUV照射。包封剂必须耐受紫外线照射而没有显著变暗或物理损坏。NASA GlennResearch Center对VUV和NUV都进行了试验。总共27个QA/QC电池都用不同涂层包封，包括SiOx、VPP、丙烯酸类硬涂层和有机硅外覆喷涂涂层。在27个样品中，在NASA，20个暴露在VUV中，7个暴露在NUV中1周(对VUV而言相当于3300ESH(等效太阳小时)，对NUV而言相当于740ESH)。在紫外线暴露之前和之后测量量子效率(Q)、光反射(R)和I-V。
在VUV暴露3300ESH和NUV暴露740ESH后，发现所有三个丙烯酸类硬涂层样品都在NUV下直观变暗，电池的总量子效率Q和Jsc降低大约20％。其它包封剂的量子效率Q损失为2-3％。但是，丙烯酸类样品在VUV暴露时没有大改变。图7显示了紫外线暴露之前和之后的总积分Q值。裸样品的Q仅表现出小下降。如表8中所列，有机硅外覆层、SiOx、硬涂层(不包括变暗的3个)和VPP包封样品的平均Q分别下降2.8％、2.3％、2.9％和1.7％。丙烯酸类硬涂层看起来在太空NUV下不稳定。其它包封剂看起来还好。
表8不同包封剂在VUV/NUV暴露后的平均Q损失
  电池   裸   有机硅   SiOx   硬涂层   VPP
  Q损失   0.3％   2.8％   2.3％   2.9％   1.7％
在附加试验中，使5个小面积三结QA/QC电池(3个裸，2个带有有机硅涂层)暴露在NUV中。使另外6个样品(3个裸和3个带有有机硅涂层)暴露在VUV中。在上述第一试验过程中，以Equivalent SunHours(ESH)计的紫外线强度对VUV而言为3300ESH，对NUV而言为740ESH。对于该附加试验，VUV暴露相当于620ESH且NUV为592ESH。在紫外线暴露之前和之后测量电池的Q、R和I-V特性的测量结果。图8显示了这两个不同涂层在紫外线暴露之前和之后的总积分Q。图8表明：a)裸样品的Q极小降低；b)有机硅涂布电池的平均Q下降3.8％，和c)带有有机硅涂层的一个电池的Q在NUV下下降6.2％。所述一个有机硅涂布电池的Q在NUV暴露情况下下降6.2％的原因还不清楚。根据几个独立的来源，有机硅材料已安全用在太空用途中，且依据其制造商，任何潜在降解都应产生更高透明度和因此更高Q。本发明人推测，该样品由于在试验序列中的反复操作而机械受损。
为了评测有机硅涂层是否耐受高度大约20千米的平流层环境，绘制在该高度的太阳紫外光谱和在相同波长范围内的有机硅吸收。该图表明，有机硅在大约220-270纳米波长范围内具有吸收带。但是，在该波长范围内的紫外线含量可忽略不计。在太阳光谱中在大约195-210纳米波长范围内存在小UV峰，但有机硅在该范围内不吸收。因此可以推断，无论NASA NUV结果如何，有机硅涂层都对平流层用途而言充分保护电池。为证实这一点，设置室内紫外线测试装置以在模拟平流层紫外线暴露条件下进行更多试验。该试验装置据显示具有在波长范围280-500纳米内的大量辐射。
表9列出在288小时紫外线暴露之前和之后的电池的Q测量。在该试验中，通过该光谱区域内的积分功率强度测得的紫外线强度设定至～5suns(个太阳)。清楚的是，该涂布电池表现出与裸基准电池类似的行为。该光谱的绿光和红光区中的变化可忽略不计。在蓝光范围中，Q仅降低大约1％，这可归因于光诱发的Staebler-Wronski降解。因此，该涂层在紫外线试验中稳定。
表9在5个太阳下紫外线暴露288小时之前/之后的电池的Q测量
Figure G2008800094020D00161
表10列出在大约9.4个太阳的升高紫外线强度下的两种紫外线暴露时间之前和之后的电池的Q测量结果。第一测量在187小时后进行，随后继续到376小时以进行第二测量。与裸电池相比，在该升高强度下在这两种暴露时间后的Q降低可再次忽略不计。该结果证实如下结果：该涂层在紫外线暴露下稳定。因此，该有机硅涂层在平流层紫外线条件下没有表现出可注意到的劣化。
表10在9.4个太阳下紫外线暴露之前和之后的电池的Q测量
Figure G2008800094020D00171
臭氧暴露
该试验仅适用于平流层用途。在平流层环境中存在显著量的臭氧。20千米处的臭氧浓度为大约7ppm。因此，包封剂应该耐受该环境中的臭氧。构建室内臭氧测试系统并使用臭氧发生器制造浓臭氧，然后送入室中。当臭氧浓度升至所需水平时，关闭用于臭氧输入和排出的两个截止阀。迄今用于该测试的臭氧浓度为大约1％，这明显高于在平流层中存在的估计7ppm。样品在臭氧气氛中暴露大约16小时，然后进行目测和实测。
在16小时暴露后没有直观影响。但是，在大约64小时后，发现裸和30纳米SiOx和1毫米VPP涂布样品表现出变色。该变色材料在经受玻璃纸胶带粘合试验时容易脱层。0.2密耳有机硅外覆层和丙烯酸类硬涂层没有表现出任何直观劣化。图9(a)显示数个试验电池样品的臭氧暴露的填充因子(FF)的试验结果。清楚的是，裸电池的FF下降大约70％，而硬涂层和有机硅外覆层电池都保持很好。图9(b)显示了这三种情况的相应Voc值。作为该试验的结果，硬涂层和有机硅外覆层电池的Voc基本是不变量，而裸样品的Voc明显变差。总之，裸、30纳米SiOx和1毫米VPP涂布样品没有通过臭氧暴露试验，而0.2密耳有机硅外覆层和丙烯酸类硬涂层在臭氧暴露后没有表现出任何直观劣化。
Paschen放电
设想在实际太空或平流层装置中，太阳能电池阵列具有紧邻放置的各个电池。具有极不同电位的两个电池彼此紧邻布置的情况是可能的。由于电池之间的间距能够非常接近Paschen最小值，特别是在压力相对较高的平流层高度中，必须采取预防措施以防止电弧放电或Paschen放电。对此试验使用真空系统。两个太阳能电池在真空系统中在Teflon板上隔开大约1毫米放置。也就是说，它们的母线以大约1毫米间距彼此相邻放置。使该系统达到大约40Torr压力以模拟平流层环境。电池随后相对于彼此偏压300V。施加此电偏压大约15小时以评测是否会存在任何电弧放电。在试验之前和之后测量太阳能电池性能。对于在电池顶部和底部都施加偏压的试验，没有电弧放电或电池劣化的迹象。
其它电池相对于彼此从0V到大约700V缓慢偏压，或缓慢偏压至观察到电弧放电。对于在电池顶部和底部都施加偏压的试验，我们直到偏压超过500V才看到电弧放电。这建议，如果阵列电压超过500V，电池应隔开超过1毫米。
静电放电(ESD)
在NASA Glenn Research Center对在独立式聚合物基底上的电池施以ESD试验。电池构造为沉积在独立式聚合物基底上的带有0.2密耳有机硅涂层的三结器件。该电池通过该试验。NASA GRC已经在模拟LEO环境中进行我们的有机硅涂布电池的ESD试验。配有低温泵的水平真空室提供0.3μTorr的背景压力。由一个Kaufman源产生氙气(Xe)等离子体。等离子体参数为：浮动电位-2V；等离子体电位7V，电子温度0.85eV；电子数密度8E+51/cm3；中性气体压力30μTorr。将三组样品(涂层厚度1.5密耳、0.2密耳、和裸基准电池)安装在玻璃纤维板上。在高电压击穿试验之前和之后测量所有样品的集电。从-100V到+100V的各扫描重复三次。
只有裸基准样品在大约80V表现出电流幅值的急剧提高(snapover效应)，表明样品表面在高电压下的严重损坏。所有有机硅涂布电池都表现出如极低集电证实的高品质绝缘。通过经由RC网络(R＝100kΩ，C＝1μF)使各样品对电源偏压，进行高电压击穿试验。负电压逐渐升高直至记录电流脉冲。电压阶跃之间的时间间隔在15和20分钟之间变化。各种有机硅厚度下的击穿电压显示在表11中。
表11用不同厚度有机硅包封的太阳能电池的击穿电压
  样品号   有机硅厚度(密耳)   击穿电压(V)   评论
  103   0，裸基准电池   -600
  105   0，裸基准电池   -600
  1   0.2   -150   表面闪光
  9   0.2   -150   表面闪光
  4   1.5   -250   表面闪光
  5   1.5   -200
应该指出，观察到的“表面闪光”不是其它样品共有的。尽管它们看起来像短放电，但电流和电压探针都没有检测到任何效应。我们猜测，它们可能是由表面飞弧--在太阳能电池中没有显著变动的情况下表面放电成等离子体--引起的。
ESD试验的结果表明，有机硅涂布的太阳能电池适用在具有与普通国际空间站和商业通信卫星的运行电压相当的低于150V的总线电压的LEO轨道中。随着有机硅厚度提高，可以提高该总线电压限额。
发射率试验
已经测量涂有本发明的有机硅基涂层的太阳能电池以及无任何涂层的裸样品、丙烯酸硬涂层和氧化硅涂布电池的发射率。测试在不锈钢基底以及KAPTON基底上的样品。本发明的有机硅涂层确实显著提高涂布样品的发射率。表12显示了发射率测试结果。
表12涂布样品的发射率和太阳能吸收率
Figure G2008800094020D00201
最后，表13概括了所进行的多数试验的结果，并清楚表明，有机硅涂层是唯一通过所有试验的，因此是用于涂布轻质平流层和外层空间太阳能电池的最佳选择。此外，尽管有机硅涂层为太阳能电池提供抵御平流层环境的超极好保护和抵御外层空间环境的非常好保护，但沉积在有机硅层上的附加透明传导材料层可以在外层空间环境中提供额外保护。也就是说，该附加层可以提供额外的防紫外辐射保护以及允许漏泄静电电荷，有助于防止破坏性的ESD事件。这类透明传导层的实例包括氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)层。
表13各种包封剂涂层的试验结果概述
  包封剂   有机硅   VPP   丙烯酸类硬涂层   SiOx   裸电池
  粘合性   好   好   好   好   好
  释气   好   好   好   好   好
  热循环   好   好   好   好   好
  光学   好   好   好   好   好
  湿热   好   一些脱层   好   一些脱层   一些脱层
  反偏压   好   失败   好   失败   失败
  针孔   好   失败   好   失败   失败
  VUV辐射   好   好   好   好   好
  NUV辐射   好   好   变暗   好   好
  臭氧   好   失败   好   失败   失败
  原子氧   好   好   好   失败   失败
考虑到前述内容，清楚的是，可以在不同于本文描绘和描述的那些的各种构造中实施本发明。例如，本发明可用于无定形硅太阳能电池以外的太阳能电池，如结晶硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、二硒化铜-铟太阳能电池、二硒化铜-铟-镓太阳能电池、镉-碲太阳能电池等。所有这些变动和修改都在本发明的范围内。上述附图、论述和说明是要阐述本发明的特定实施方案而不是要限制其实施。由下列权利要求(包括所有对等物)划定本发明的范围。

Claims (22)

1.适用在平流层或外层空间环境中的光伏器件，所述光伏器件包含：
基底；
至少一个沉积在所述基底上的太阳能电池；和
沉积在所述至少一个太阳能电池上并完全包封该太阳能电池的保护性涂层；其中所述保护性涂层：
a)不有害地影响所述至少一个太阳能电池的光伏性质；和
b)由降低平流层或外层空间环境中的严酷条件对该光伏器件的性能的不利影响的材料形成。
2.权利要求1的光伏器件，其中所述保护性涂层也在暴露在该光伏器件适用的平流层或外层空间环境中的严酷条件中时保持基本不变。
3.权利要求1的光伏器件，其中所述保护性涂层包含有机硅基材料层。
4.权利要求3的光伏器件，其中所述保护性涂层是有机硅基材料的喷雾沉积涂层。
5.权利要求4的光伏器件，其中所述保护性涂层为0.01至2密耳厚。
6.权利要求5的光伏器件，其中所述保护性涂层为0.2至2密耳厚。
7.权利要求6的光伏器件，其中所述保护性涂层为0.5至2密耳厚。
8.权利要求7的光伏器件，其中所述保护性涂层为1至2密耳厚。
9.权利要求1的光伏器件，其中所述基底包含金属或聚合物薄片。
10.权利要求9的光伏器件，其中所述基底包含金属薄片。
11.权利要求10的光伏器件，其中所述金属包含不锈钢。
12.权利要求9的光伏器件，其中所述基底包含聚合物薄片。
13.权利要求12的光伏器件，其中所述聚合物包含聚酰亚胺。
14.权利要求1的光伏器件，其中所述至少一个太阳能电池包含至少一个无定形硅太阳能电池。
15.权利要求14的光伏器件，其中所述至少一个太阳能电池包含至少一个三结无定形硅太阳能电池。
16.权利要求1的光伏器件，进一步包含位于所述基底与所述至少一个太阳能电池之间的背反射结构。
17.权利要求1的光伏器件，进一步包含位于所述至少一个太阳能电池与所述保护性涂层之间的顶部传导层。
18.权利要求17的光伏器件，其中所述顶部传导层包含氧化铟锡(ITO)。
19.权利要求18的光伏器件，进一步包含位于所述顶部传导层与所述保护性涂层之间的集流栅。
20.权利要求3的光伏器件，其中所述保护性涂层进一步包括沉积在所述有机硅基材料层上的透明传导材料层。
21.权利要求20的光伏器件，其中所述透明传导材料层包含氧化铟锡层。
22.权利要求20的光伏器件，其中所述透明传导材料层包含氧化锌层。
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