CN101911306B - 用于光伏组件的光致发光背板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于光伏组件的光致发光背板。该背板能够吸收大范围的太阳波长(UV、IR和可见光)并且以光子的形式将吸收的太阳辐射重发射，其中该光子的能量等于或高于相应半导体的频带隙能量。该背板能够被用在各种应用中，包括用在光伏装置中。

Description

用于光伏组件的光致发光背板
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年1月30日提交的第61/009,978号美国临时申请的优先权，该申请在此通过引用并入本申请。
发明背景
发明领域
本发明涉及光伏组件。更具体地，本发明涉及保护性背板。
相关技术描述
光伏组件所使用的太阳能是本世纪正被耗尽的化石燃料的最有希望的替代能源之一。然而，光伏组件的生产和安装仍然是昂贵的过程。典型的光伏组件由玻璃或柔韧透明的前部板、太阳能电池、胶囊密封材料、保护性背板、覆盖组件边缘的保护性密封以及覆盖密封的铝制边框组成。如图1所示，将前部板10、背板20以及胶囊密封材料30和30’设计为保护电池阵列40不受天气因素、湿度、机械载荷和冲击的影响。而且，这些部件提供了用于人的安全和漏电的电气隔离。保护性背板20旨在提高光伏组件的使用寿命和效率，从而降低光伏电流的单位功率成本。为了实现高度的光透射，前部板10及胶囊密封材料30和30’必须是透明的，而为了美观的目的，背板必须是高度不透明的，并且出于功能性目的，背板必须具有高反射率。出于很多原因，轻薄的太阳能电池组件是期望的，这些原因包括重量减轻，尤其是用于建筑(建筑物一体化的(PV))和太空应用，以及军事应用(结合在士兵的装备等中)的重量减轻。另外，轻薄组件有助于降低成本。所消耗的材料量的降低还使这种技术更加“绿色”，从而节约了更多的自然资源。
制造轻薄太阳能电池的当前手段是结合轻薄背板。然而，背部覆盖材料还必须具有高的抗潮湿性以防止湿气和水渗入，湿气和水的渗入能够引起诸如光伏元件、导线和电极的被覆盖的部件生锈并损坏太阳能电池。另外，背板应当提供电气隔离、机械保护、UV保护、对胶囊密封材料的粘着性以及连接输出线的能力。
目前使用的保护性背板通常是层压材料。图2提供了典型的层压材料背板20的图示。该层压材料由作为主要部件的最常见为
Figure BPA00001162791100021
的聚氟乙烯膜22、聚酯(PET)膜24以及乙烯-乙酸乙烯(EVA)共聚物膜26组成。EVA层26与组件中的胶囊密封材料层30粘合并被用作介电层，而且其具有良好的湿气阻隔特性。该EVA层的尺寸是稳定的。白色EVA使功率部分提高。聚酯层24非常坚固，具有优异的介电特性，尺寸稳定，并且还具有良好的湿气阻隔特性。聚氟乙烯层22被用作非常耐候的层。
光伏(PV)装置通过它们能够将入射太阳能转化成有用的电能的效率来表征。利用晶体硅或无定形硅的装置已经实现了23％或更高的效率。然而，制备高效的基于晶体的装置是困难和昂贵的。为了制备低成本的能量，太阳能电池必须高效率地运转
已经提出了许多用于提高PV组件的效率和有效性的技术。一种方法是通过太阳能电池的保护性背板来提高光反射。
现有技术既耗费时间又昂贵。例如，一种方法提出利用具有许多V形槽的背板，所述V形槽提供成角度的光反射面。通过若干步骤来制备具有这样的特征的材料。首先，将被用作基底的膜制成具有平的正面和背面的连续或伸展的网，然后将该连续的网缠绕在辊上用于随后的加工。进一步的加工包括先将膜压花以在一侧形成V形槽，然后将膜的具槽面金属化。当膜经过两辊之间时，将膜加热从而使其变软至足以通过压花辊上的棱角成形。形成槽之后，对塑料膜进行金属化处理，其中形成附着的金属膜。将金属化的膜缠绕在辊上，随后用作光反射机构。
发明简述
本发明提供了用于光伏组件的保护性背板。该背板能够吸收大范围的太阳波长(UV、IR和可见光)并且以光子的形式将吸收的太阳辐射重发射，其中该光子的能量等于或高于相应半导体的频带隙能量。背板通过增加多层结构的所有层的反射率来提供更高的反射度和输出功率。背板能够被用在各种应用中，包括用在光伏装置中。
在一实施方案中，提供了用于光伏组件的背板，该背板包括具有一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料的聚合物层。该聚合物层可含有约20至60重量百分比的白色颜料。该光致发光材料具有吸收UV线并将其重发射为可见光的能力。该光致发光材料可以为例如荧光增白剂。
背板还可包括为耐候膜的第一外层。
在另一实施方案中，背板还可包括一层或多层的聚酯、EVA、聚丁二烯、聚丙烯酸酯、聚酰亚胺、胶乳、氟化镁、聚对二甲苯、散热材料、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氨基甲酸酯、液晶高分子、三氟氯乙烯均聚物(aclar)、铝、溅射氧化铝聚酯、溅射氧化硅/氮化硅聚酯、溅射氧化铝聚碳酸酯、和溅射氧化硅/氮化硅聚碳酸酯、具有可交联官能团的溅射氧化铝含氟共聚物、具有可交联官能团的溅射氧化硅/氮化硅含氟共聚物。
在另一实施方案中，提供了提高具有背板的光伏组件功率的方法。该方法包括将一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料加入面向光伏电池的背板的至少部分层或所有的层。
在另一实施方案中，提供了提高具有背板的光伏组件功率的方法。该方法包括将包含一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料的涂料涂覆至面向光伏电池的背板的至少部分层或所有的层。
在另一实施方案中，提供了提高具有背板的光伏组件功率的方法。该方法包括将包含一种或多种白色颜料和一种或多种非线性光学材料的涂料涂覆至面向光伏电池的背板的至少部分层或所有的层。
在另一实施方案中，提供了提高具有背板的光伏组件功率的方法。该方法包括将一种或多种白色颜料和一种或多种非线性光学材料加入面向光伏电池的背板的至少部分层或所有的层。
附图简要说明
为了更好地理解本发明，可参照附图。
图1为典型的光伏组件的部件的展开图。
图2为典型背板的一个实施方案。
图3为显示已制成的光致发光材料的典型激发和光致发光光谱的图。
图4显示向着色树脂中加入荧光增白剂对太阳能电池板的效率的影响。
图5显示向着色树脂中加入荧光增白剂对太阳能电池板的Pmax的影响。
图6显示太阳能电池和组件的典型电流对电压特性(I-V)曲线。
图7显示向着色涂料中加入荧光增白剂对太阳能电池板的Isc的影响。
图8显示向着色涂料中加入荧光增白剂对太阳能电池板的Pmax的影响。
图9显示均使用相同的白色EVA内层的6种不同的产品结构的常规3层背板结构在440nm下的反射度。
发明详述
综述
本发明提供了用于光伏组件的保护性背板。该背板能够吸收大范围的太阳波长(UV、IR和可见光)并且以光子的形式将吸收的太阳辐射重发射，其中该光子的能量等于或高于对应半导体的频带隙能量。该背板能够被用于各种应用中，包括用在光伏装置中。
“光伏效应”是基本的物理过程，PV电池通过该物理过程将阳光转化成电能。阳光由光子或太阳能粒子组成。这些光子含有对应于太阳光谱的不同波长的不同量的能量。当光子撞击PV电池时，它们可以被反射或吸收，或它们可从中穿过。仅能量等于或高于半导体频带隙能量的吸收的光子能够产生电能。当这种情况发生时，光子的能量被转移至电池(半导体)的原子中的电子。穿过电池或电池之间的光子被背板吸收并重发射。从背板重发射的光回到太阳能电池上，在这里其由半导体材料转化成电流。结果，当将本发明的背板用作PV组件的保护性背板时，与普通的背板相比，该背板引起功率提高效率增加。
背板
本发明的背板能够由任何材料制成，一般由通常用于制备背板的聚合物制成。在一实施方案中，将一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料的组合加入聚合物基体中以形成膜或板。在另一实施方案中，通过将包含一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料的涂料涂覆至聚合物膜来制备背板。许多方案是可能的。该背板的主要特性是发挥吸收各种波长的太阳辐射并将吸收的太阳辐射转化成光子的功能，所述光子的能量等于或高于相应半导体的频带隙能量。如下文进一步讨论的，在一实施方案中，通过使用进入背板的一层或多层中的白色颜料和光致发光材料的组合容易并简单地实现该功能。
在一实施方案中，本发明的背板含有任选的附加层并且使其形成层压材料。能够将该层压材料用在例如电子装置中，如光伏(PV)组件中。当将层压材料用作PV组件的保护性背板时，该层压材料提高组件输出功率，在持续的使用期间保持美观，对产生于PV组件中的电流提供有效保护并展现出高的介电强度。
在一实施方案中，层压材料包括(a)为耐候膜的第一外层；(b)至少一个中间层和(c)第二外层(或者称为内层或光致发光层)，该层能够吸收大范围的太阳波长(UV、IR和可见光)并将吸收的太阳辐射转化成光子，该光子的能量等于或高于相应半导体的频带隙能量。当在光伏组件中使用时，层压材料的第一外层被暴露在环境中，并且内层被暴露于或面向太阳能电池或太阳辐射。
在可选择的实施方案中，通过包括多于一层的层来提高层压材料的综合反射度，所述多于一层的层能够吸收各种波长的太阳辐射并将吸收的太阳辐射转化成光子，所述光子的能量等于或高于相应半导体的频带隙能量。例如，在如上所述的层压材料中，也将第一外层和/或中间层与一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料以与以下讨论的内层相同的方式结合。这样的方案引起净反射度和组件效率/输出功率的大幅提高。
能够将本发明的层压材料的各个层粘结在一起。形成本发明层压材料的具体方法将根据层的组成和所得到的层压材料的期望特性以及层压材料的最终用途而变化。
内层或光致发光层能够由任何材料制成，但是通常由一种或多种聚合物制成。在一实例中，内层由乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)制成。EVA中的乙酸乙烯的含量通常为约2至33重量百分比，并优选为2至8重量百分比。将白色颜料和光致发光材料的组合加入EVA(或其它聚合物)基体中来实现期望的光致发光。
可以使用任何白色颜料。例如，根据应用能够使用二氧化钛(例如由DuPont制的
Figure BPA00001162791100061
系列二氧化钛)、碳酸钙、锌钡白、硫酸锌、氧化铝、氮化硼等。此外，根据应用，通常，向内层的聚合物中加入白色颜料至含有约20-60重量百分比。这些化合物中，二氧化钛由于容易获得而优选。
优选地，将光致发光材料与白色颜料一起加入至内层中，但也能够不与颜料一起加入，和/或能够加入至层压材料的多于一层的层中或背板的所有层中。向多层中加入光致发光材料提高了层压材料的净反射度。光致发光是光吸收和重发射的完整过程。一般的颜料吸收并反射能量，而光致发光材料吸收、反射并重发射能量。通常，将它们加入至内层中至含有约0.01-30.0重量％。
光致发光材料的一个实例为荧光增白剂。荧光增白剂发荧光并特别优选用在背板中。诸如
Figure BPA00001162791100062
Figure BPA00001162791100063
OB的荧光增白剂吸收UV线并将其重发射为可见光。对于具有不同能域的不同半导体来说，很容易识别具有匹配特性的其它光致发光材料并将其加入背板中。
光致发光材料的另一实例为BASF生产的染料(香豆素和苝基)或Lightleader Co.，Ltd生产的材料。例如，YG-1F。典型的激发(左)和光致发光光谱(右)显示在图3中。或者，可以使用诸如金属氟化物荧光粉的非线性光学材料。这些荧光粉可以用于将红外(IR)辐射上转换成各种形式的可见光。
在另一实施方案中，内层或光致发光层为可溶于有机溶剂的和/或水分散性的、可交联的无定形含氟聚合物的基体，该基体含有白色颜料和光致发光材料。具体的实施方案包括四氟乙烯(TFE)与具有活性OH功能性的烯烃的共聚物。该层还可包含与含氟共聚物混合的交联剂。
在保护性涂层的形成中使用交联剂以获得不溶于有机溶剂的不剥落膜。优选的交联剂包括但不限于DuPont
Figure BPA00001162791100071
有机钛酸酯、硅烷、异氰酸酯、三聚氰胺等。由于这些膜通常会在户外使用超过30年，因此优选脂肪族异氰酸酯以确保耐候性。
在可选择的实施方案中，使用白色的聚氟乙烯(例如可从DuPont购买的Tedlar.RTM.聚氟乙烯)作为内层或光致发光层。为了实现期望的光致发光，用含有光致发光材料和任选地白色颜料的光反射薄膜覆盖该层。优选地，该白色涂料含有40至50重量％的白色颜料和0.01-2.0重量％的荧光增白剂。
光反射薄涂层的基体能选自各种聚合物，例如丙烯酸聚合物、氨基甲酸乙酯、聚酯、含氟聚合物、含氯氟聚合物、环氧聚合物、聚酰亚胺、胶乳、热塑性弹性体和尿素塑料。能够通过涂膜生产领域技术人员已知的各种方法将光反射薄涂层涂覆至第二外层。优选的方法包括通过喷涂、浸涂和刷涂的涂层涂覆。
能够将光致发光涂料涂覆至任何背板以赋予期望的光致发光。就是说，能够通过用光致发光涂料，优选含有白色颜料的光致发光涂料来涂覆背板，将本领域已知的任何背板转化成功率提高的背板。在选择具体光致发光材料中的首要考虑是使峰值发射波长与预期的光伏装置中的半导体材料的能域相匹配(即相等或接近)。
背板还可包括附加层。可采用粘合剂或不采用粘合剂，将附加层涂覆至含氟共聚物层。任选的附加层可包含例如以下的一种：聚酯、EVA、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氨基甲酸酯、液晶高分子、三氟氯乙烯均聚物、铝、溅射氧化铝聚酯、溅射二氧化硅聚酯、溅射氧化铝聚碳酸酯、溅射二氧化硅聚碳酸酯、具有可交联官能团的溅射氧化铝含氟共聚物、具有可交联官能团的溅射氧化硅含氟共聚物。
示例性层压材料
制备了本发明的层压材料的实例。此外，还制备了比较例。然后对实例进行了一些测试。测试表明了本发明背板的优点。
根据本发明，如下所述制备了两种层压材料：
实施例1
实施例1为三层层压材料，具有厚度为1.5密耳的Tedlar白的第一外层。该层压材料具有厚度为5密耳的Polyester Mylar A的中间层。第三层为内光致发光层。该光致发光层为具有加入EVA中的白色颜料和光致发光材料的EVA。厚度为4密耳。
实施例2
实施例2为三层层压材料，其中第一外层与实施例1中的层相同。中间层为厚度为3密耳的Polyester Mylar A。内层也为厚度为1.5密耳的Tedlar白。内层用含有白色颜料和光致发光材料(
Figure BPA00001162791100081
Figure BPA00001162791100082
OB，0.9-1重量％)的组合的涂料涂覆。用Mayer Rod以9g/m的涂覆重量涂覆涂料。
除了内层仅含有白色颜料而不含光致发光材料外，比较例1为含有与实施例1相同的三层的层压材料。
除了内层上的涂层仅含有白色颜料而不含光致发光材料外，比较例2为含有与实施例2相同的三层的层压材料。
太阳能电池板
将实施例层压材料和比较例层压材料真空层压至EVA胶囊密封材料。使用利用36BP晶体硅电池的两个太阳能电池板SS80(各2-2.5W并且间隔2mm)。在约500毫托的真空和100℃的温度下，使用SPI-LAMINATORTM 480(Spire)进行真空层压，泵送5分钟并处理2分钟。
通过使用多脉冲SPI-SUN SIMULATOR 3500 Series(Spire)将太阳能电池板暴露至模拟太阳光评价了用在光伏组件中的背板的效率。对每个背板和每个太阳能电池板进行了11次测量。记录了Isc、Voc、Pmax、FF和效率。
将结果制图并记录在图4-8中。图4显示向白色EVA中加入荧光增白剂的效果(参见图4-5和图7-8中用荧光增白剂着色的TPE白或用荧光增白剂着色的Tedlar白)。与没有荧光增白剂的相同着色膜相比，加入荧光增白剂引起功率升高(约1w)并且效率增加0.9％。
图5显示向着色树脂中加入荧光增白剂对太阳能电池板的Pmax的影响为在产生短路电流中增加约2％。太阳能电池和组件的性能能够通过它们的电流对电压的特性(I-V)来描述。典型的I-V曲线显示在图6中。I-V曲线的重要参数为开路电压(Voc)、短路电流(Isc)和最大功率点(Pmax)。Isc，零电压时的最大电流与可获得的阳光成正比。能够从在零电流点附近的I-V曲线的线性拟合来确定Voc。Pmax为当在产生最大电流和电压的点运行时的电输出。
图7显示向着色涂料中加入荧光增白剂对太阳能电池板的Isc的影响。左栏表示实施例2的Isc，右栏表示比较例2的Isc。
图8显示向着色涂料中加入荧光增白剂对太阳能电池板的Pmax的影响。左栏表示实施例2的Pmax，右栏表示比较例2的Pmax。
通过用太阳模拟光源照射每个组件并测量短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、最大功率点(Pmax)和功率转化效率η来对组件的电功率输出进行测试。
Pmax为当在产生最大电流和电压的点运行时的电输出。
Pmax＝ImpVmp。
功率转化效率η定义如下：
η = P max Pin = FFVocIsc Pin
其中Pin为入射辐射功率；其由入射在太阳能电池上的光谱的性质来确定。
图9显示通过增加包括不面向太阳能电池的外层的多于一层或所有层的反射率引起净反射率的增加并随后提高电池的输出功率。该图显示均使用相同的白色EVA内层，但使用不同中间层和外层的6种不同的产品结构在440nm下的反射度值的范围。
左侧的三个方格表示使用3种不同白色外层(在图底部以“层3平均R”具体指定各自的反射度)和单独反射度为约15％的透明的PET中间层(“层2”)制备的背板结构。综合反射度取决于外层反射度。
用不透明的、反射的中间层(平均反射度99.6％)代替透明的PET中间层(层2)引起综合背板反射度的显著增加。这显示在图右侧的三个方格中。
对于本领域技术人员来说，本公开发明的各种不同的修改、调整和应用是显而易见的，并且本申请旨在包括这样的实施方案。尽管已经在某些优选的实施方案的上下文中描述了本发明，但应当通过参照权利要求的范围来确定这些实施方案的全部范围。
本文所引用的各种出版物、专利和专利申请的公开内容通过引用整体被并入本文。

Claims (22)

1.用于光伏组件的背板，其包括：
含有一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料的聚合物层，其中所述背板是不透明的，
其中所述聚合物层还包括其外表面上的光反射涂层。
2.如权利要求1所述的背板，其中所述聚合物层包含约20至60重量百分比的白色颜料。
3.如权利要求1所述的背板，其中所述白色颜料包含二氧化钛、碳酸钙、锌钡白和硫酸锌中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的背板，其还包括为耐候膜的第一外层。
5.如权利要求4所述的背板，其还包括选自以下的一层或多层：聚酯、EVA、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氨基甲酸酯、液晶高分子、三氟氯乙烯均聚物、铝、溅射氧化铝聚酯、溅射二氧化硅聚酯、溅射氧化铝聚碳酸酯、和溅射二氧化硅聚碳酸酯、具有可交联官能团的溅射氧化铝含氟共聚物、具有可交联官能团的溅射氧化硅含氟共聚物。
6.如权利要求1所述的背板，其中所述光致发光材料吸收UV线并将其重发射为可见光。
7.如权利要求6所述的背板，其中所述光致发光材料为荧光增白剂。
8.如权利要求1所述的背板，其中所述聚合物层包含可溶于有机溶剂的和/或水分散性的、可交联的无定形含氟聚合物。
9.如权利要求8所述的背板，其中所述含氟聚合物为三氟氯乙烯(CTFE)与一种或多种烷基乙烯基醚的含氟共聚物。
10.如权利要求5所述的背板，其中一层或多层的附加层含有一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料。
11.光伏组件，其包括：
含有一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料的背板，其中所述背板能够吸收太阳辐射并将吸收的太阳辐射转化成峰值发射波长；以及
一个或多个半导体，其由具有等于或接近所述峰值发射波长的能域的材料组成。
12.如权利要求11所述的光伏组件，其中所述背板包括含有约20至60重量百分比的白色颜料的聚合物层。
13.如权利要求12所述的光伏组件，其中所述白色颜料包含二氧化钛、碳酸钙、锌钡白和硫酸锌中的一种或多种。
14.如权利要求11所述的光伏组件，其中所述背板还包括为耐候膜的第一外层。
15.如权利要求11所述的光伏组件，其中所述背板还包括选自以下的一层或多层：聚酯、EVA、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氨基甲酸酯、液晶高分子、三氟氯乙烯均聚物、铝、溅射氧化铝聚酯、溅射二氧化硅聚酯、溅射氧化铝聚碳酸酯、溅射二氧化硅聚碳酸酯、具有可交联官能团的溅射氧化铝含氟共聚物、具有可交联官能团的溅射氧化硅含氟共聚物。
16.如权利要求11所述的光伏组件，其中所述光致发光材料吸收UV线并将其重发射为可见光。
17.如权利要求11所述的光伏组件，其中所述光致发光材料为荧光增白剂。
18.如权利要求12所述的光伏组件，其中所述聚合物层包含可溶于有机溶剂的和/或水分散性的、可交联的无定形含氟聚合物。
19.如权利要求18所述的光伏组件，其中所述含氟聚合物为三氟氯乙烯(CTFE)与一种或多种烷基乙烯基醚的含氟共聚物。
20.如权利要求12所述的光伏组件，其中所述聚合物层还包括其外表面上的光反射涂层。
21.如权利要求15所述的光伏组件，其中一层或多层的附加层含有一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料。
22.提高具有不透明的背板的光伏组件的功率的方法，其包括：
将包含一种或多种白色颜料和一种或多种光致发光材料的涂料涂覆至面向光伏电池的部分所述背板，其中所述涂料能够吸收太阳辐射并将吸收的太阳辐射转化成峰值发射波长；以及
为所述光伏电池提供具有等于或接近所述峰值发射波长的能域的材料。
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