CN101933162B - 包括半导体层的太阳能电池层压板 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一种光伏层压板，其包括光伏半导体材料。制造该光伏层压板时可不使用胶粘剂，从而避免了由于粘结层的吸收而产生的光耗损。该层压板通过以下步骤来形成：将结晶半导体材料夹在多层非经交联的可交联聚合物之间，随后原地交联聚合物。该层压板可结合到诸如船的船体或船甲板这样的结构的曲面表面中。

Description

包括半导体层的太阳能电池层压板

技术领域

本发明一般涉及包括半导体层的太阳能电池层压板(laminate)，更具体而言，涉及一种结构，该结构具有被整体结合到该结构的曲面表面中的太阳能电池层压板。

背景技术

传统太阳能电池板包括掺杂结晶硅的层作为半导体层。这种太阳能电池的光接收表面被提供保护的玻璃板所覆盖。即使玻璃的机械性很坚固，但还是很易碎。传统太阳能电池板不能承受住人在上面行走而施加的力，或被投掷到其上面的物体的撞击。传统太阳能板还很重。

DE 103 56 690揭露了一种结晶硅电池层压板，该结晶硅电池层压板覆盖有诸如环脂族环氧树脂的刚性透明聚合物薄片。该透明层可配置有凹槽，以便产生一定程度的挠性。在凹槽之间的板部分没有挠性。在透明聚合物薄片中提供的凹进处中采用了半导体材料。

已提议过太阳能层压板箔片是基于无定形半导体材料的。尽管这些材料具有很高的挠性，但是能量效率很低，通常低于10％，这归因于使用了无定形的半导体材料。一个实例为来自美国密歇根州的United Solar Ovonic ofAubum Hills的基于无定形硅的单太阳能产品。据报导，这种材料具有6％的能量效率(见DE 103 56 690第[0004]段)。该材料通过层压在聚合物材料箔片之间的半导体材料来制造。

DE 196 34 580揭露了基于铜铟硒化物(CIS)的光伏层压板(photovoltaiclaminates)。其能量效率是12％到14％(见卷1，第24-27行)。这种材料仍未坚固到足以承受诸如雹暴的冲击力。

因此，需要一种无玻璃的光伏层压板，这种层压板至少在半导体材料暴露于太阳的一侧避免了使用胶粘剂。还需要这样的层压板包括晶体半导体材料。更尤其需要这样的层压板坚固到足以承受冲击力。

发明内容

本发明通过提供一种制造层压板的方法解决了这些问题，该方法包括以下步骤：

a)在非粘结表面上形成第一层可交联聚合物材料；

b)在所述第一层可交联聚合物材料之上放置至少一个半导体材料板；

c)放置第二层可交联聚合物材料，该层与第一层和所述至少一个半导体材料板相接触；

d)交联所述第一层和所述第二层可交联材料。

本发明的另一方面是可通过这种方法获得的光伏层压板。

附图说明

参考以下附图将能体会到本发明的特征和优点，其中：

图1是包括晶体硅半导体和玻璃覆盖面的传统光伏电池横截面视图；

图2是本发明的一个实施例的横截面视图，其示出了层压板的各层；

图3是本发明的另一个实施例的横截面视图。

具体实施方式

以下是本发明的某些实施例的描述，其通过参考图示给出，并且仅作为例子给出。

本发明的依据是发现可通过将半导体材料夹在可交联(cross-linkable)的聚合物材料层之间，然后交联可交联的材料，来制造光伏层压板。通过这种方法可以避免使用胶粘剂，从而消除由于诸如乙烯-醋酸乙烯酯的粘结层的吸收而产生的入射太阳能耗损。现有技术中典型的玻璃覆盖的太阳板中存在的粘结层，可吸收大概20％到25％的入射光。

本方法使得可以提供光透射率比传统玻璃覆盖层更大的透明聚合物层。该聚合物层可被加工为具有从80％到大概98％的光透射率。

对比玻璃覆盖的太阳能板，本发明的层压板的重量减轻了很多。就此观点来说，1.60米×1.80米的传统玻璃盖板重量为17kg，也就是13.28kg/m²。而通过本发明的方法制造的层压板重量大概为3kg，或表示为2.34kg/m²。这大大降低了对于板将被放置到上面的结构(比如屋顶结构)的要求，从而减少了成本。

传统玻璃盖板具有易碎的缺点。对于这样的板的任何损坏都是不可完全修复的。相比之下，本发明的层压板则可通过填充和研磨来修复。

在适当的实施例中，层压板包括许多半导体材料的薄片，彼此间隔一定距离放置。结果产生的层压板板可通过半导体薄片之间区域中的聚合物层被钻、被拧、或被钉，而不会损坏板，这大大增加了安装的简易性和成本。

如上所提到的，该层压板不需要将半导体材料粘附到聚合物层上的胶粘剂。结晶半导体材料的薄片通过包括以下步骤的处理被粘附到第一层和第二层聚合物材料：

a)在非粘附表面上形成第一非经交联的可交联聚合物层；

b)在所述第一层上至少放置一薄片半导体材料；

c)在半导体材料结晶薄片的顶部上形成第二非经交联的可交联聚合物层；

d)将第一层和第二层交联。

避免在聚合物层中产生气泡是很重要的。如果小心制作，铸型法可制出基本上无气泡的层压板。可选地，可在真空下完成交联，来确保去除夹带的空气，并为层压板组份之间提供最佳的接触。这种真空技术尤其适合于制造相对较硬的板，这种板旨在使用于诸如屋顶的平坦表面。

这种原地(in situ)的交联导致了半导体材料薄片和两个聚合物层的最佳粘附。由于不需要胶粘剂，也就没有由于粘结层的光吸收造成的碰撞(impinging)光能的耗损。

该原地交联还导致了在半导体材料的薄片之间和周围区域内第一层和第二层的融合，使得半导体材料薄片被嵌入到单层交联聚合材料中。

可交联聚合物的第一非经交联的层形成在非粘附表面上，例如在平坦的工作表面上展开的特富龙

箔片上形成。非经交联的聚合物层可通过任意适当的器件形成，例如用刮浆刀或抹刀(spatula)将聚合物展开。

在非经交联的状态下，可交联聚合物材料是液体。在与交联材料发生反应后，聚合物变为固体。交联反应有时称作“固化(curing)”。

可交联材料的适当例子包括热固性聚酯材料、聚氨酯、聚丙烯酸酯、环氧树脂。术语“环氧树脂”在这里通常指表氯醇(氯甲基环氧乙烷)与双酚A(4，4’-二羟基-2，2’-二苯基丙烷)交联的聚合物。

聚氨酯和聚丙烯酸酯是高度透明的，并具有良好的抗紫外线能力。出于这些原因，这两种聚合物对于层压板的许多应用是优选的。透明硅树脂由于它相对高的折射率而是优选的，即，例如聚氨酯的典型折射率为1.4，而相比之下该透明硅树脂的典型折射率为1.5。结果更多的落在层压板上的光可以到达半导体材料薄片。虽然与聚氨酯和聚丙烯酸酯相比，环氧树脂较不透明且抗紫外线能力较差，但是对于将其结合到基于环氧的结构中而言可能是优选的。可交联聚合物材料的供应商通常为聚合物提供适当数量的交联单体。该交联单体材料有时称作“催化剂”或“硬化剂”。

两层可交联聚合物都与适当数量的交联材料预混合。两种组份(聚合物和交联物)一旦混合，固化处理就开始了。交联物的数量被选择成能在开始变硬(hardening)之前提供足够的时间来形成这两层。根据两层聚合物层的厚度，在固化后可获得坚硬的或者有挠性的层压板。

在层压板的向阳面上的聚合物层必须是透明的。优选地，聚合物层的光透射率比相同厚度的玻璃大。第二聚合物层可以与第一层采用相同的材料，也可能采用不同的聚合物材料。适宜的可交联聚合物材料包括环氧树脂、聚氨酯，和聚丙烯酸酯。这些材料都是可从市场上买到的，并且通常与适当的交联材料一起销售。

可理解的是聚合物层可以薄到足以提供有挠性的层压板。许多应用需要板足够硬以便可在地心引力的影响下仍保持它们的形状。这可以通过选择足够厚的聚合物层来获得。可以提供紧靠第二聚合物层的支撑层，来进一步增强板的刚性。

可从市场上买到的诸如掺杂结晶硅的半导体材料的形式为约12cm×12cm或16cm×16cm的方形薄片。期望数量的方形被铺开到第一非经交联的可交联聚合物层上。在将半导体薄片放置在第一非经交联的可交联聚合物层上之前，所有必要的电引线被首先焊接到半导体薄片上。可理解的是，形成电引线的电线必须能够穿过这个第二层。

在尤其优选的实施例中，提供了一层热传导材料，该层热传导材料布置成与第二聚合物层热传导地相接触。热传导层的存在，使得可从板中收回热量。这是合乎需要的，因为在较低的工作温度下太阳能板的能量效率更高。由于光能到电能的转化小于100％，因此会在板中逐渐形成热量。此外，诸如红外辐射(IR radiation)这样的波长较长的光不能转化为电能。

从板中收回的热量可用于例如空间加热、水加热等目的。

适宜的热传导材料的例子包括金属、氮化硼和石墨。

本发明的层压板的重要特性是它可包括结晶半导体材料。结晶半导体材料具有大大高于相应的无定形材料的能量效率(如IEC Corm 60904-3所定义的)。例如，基于无定形硅的光伏电池的能量效率小于10％，而基于砷化镓(GaAs)晶体的光伏电池的能量效率近似为24％。

就其本身来说，结晶硅薄片是有挠性的，但是极为脆弱。已经令人惊讶地发现结晶硅可以被嵌入到既具有挠性又坚固的聚合物材料的层压板中。

本发明的光伏层压板包括被夹在第一聚合材料层和第二聚合材料层之间的一薄片或多薄片光伏半导体材料。至少第一聚合材料层是透明的。

重要的是，结晶半导体材料薄片被附着到第一和第二聚合材料层上，以便阻止结晶材料薄片相对于第一或第二聚合材料层的移动。结晶半导体材料的薄片是因为聚合物原地交联而被附着到第一和第二聚合物层的。不需要玻璃薄板或板来为第一聚合材料层提供支撑。

本方法适于制造有挠性的层压板。本文中在提到层压板时使用的术语“有挠性”描述了这样一种特性，即，当将局部力以大体垂直于层压板的面的方向施加到层压板上时，层压板将发生弯曲而非断裂。使层压板弯曲所需的力通常取决于第一和第二层的厚度。如本文中所描述的，“第一”层是光伏结构在使用中面向太阳的层，“第二”层面向支撑结构。可以理解的是，可将制造方法调整成，使得“第一”层是面向结构的层，“第二”层是面向太阳的层。

取决于打算中的应用，第一层的厚度的范围可从约0.025mm到约3mm。通常，最理想的是将这一层保持成如结构要求所允许的一样薄。在从0.025mm到3mm的范围内的厚度是优选的。

第二层必须至少厚到足以完全嵌入半导体薄片。通常，厚度将由所希望的层压板的结构强度来决定。一般，第二层的厚度范围从0.2mm到6mm。

图1示出了传统的玻璃覆盖太阳能板10的结构。太阳能电池3通过粘结层2附着到玻璃板1上。粘结层2典型地是一种乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)胶粘剂。板的背面包括，该聚合物薄膜5通过粘结层4附着到光伏电池。类似于粘结层2，粘结层4典型地用EVA制成。聚合物薄膜5优选地呈白色，以便最大地将太阳光反射回电池(cell)3。在许多情况下，聚合物薄膜是诸如来自DuPont^TM的

这样的含氟聚合物(fluoropolymer)薄膜。

为了防止光伏电池遭受空气和湿气，在边缘处用密封层(未示出)来密封叠板。通常，密封的叠板进一步在结构上被刚架所保护，例如金属框架(也未示出)。尤其是该框架相当大地增加了板的重量。

图2示出了本发明的层压板20的实施例。光伏半导体薄片13被嵌入经交联的聚合物层11中。如上文所描述的，聚合物层11由两层非经交联的聚合物形成，这两层非经交联的聚合物通过后续交联融合在一起，从而形成单一的层11。包括半导体13和树脂11的层压板20可照原样使用，用于结合到例如屋顶瓦片、船和车辆等的结构部件中。层压板20不包括覆盖聚合物层11的玻璃板。

图2进一步示出了可选的加强层12。此层可包括强化纤维，例如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维等。还示出了热传导层14，该层可以是有挠性的石墨薄片、金属层等。可选的承载层15提供了所希望的结构强度。可以理解，例如如果使用了金属，则承载层还可以起到热传导层14的作用。

图3示出了本发明的层压板30的另外的实施例，光伏半导体薄片23被嵌入到经交联的聚合物层21内。如上文所描述的，聚合物层21由两层非经交联的聚合物形成，这两层非经交联的聚合物经过后续交联融合在一起，从而形成单一的层21。聚合物层21配置有菲涅耳透镜(Fresnel lens)结构28。使用这样的菲涅耳透镜结构28可改善层压板的性能，因为该结构的存在使得光的捕捉能够在更大的角度范围内进行。例如，如果配置了菲涅耳透镜结构的层压板被用于太阳能板，则在太阳仍然位于比较低的位置的清晨，就可捕捉更多的太阳光。由半导体23和树脂21组成的层压板30可被照原样使用，用于结合到诸如屋顶瓦片、船和车辆的结构部分等结构元件中。层压板30不包括覆盖聚合物层21的玻璃板。

图3中进一步示出可选的强化层22、可选的热传导层24、和可选的承载层25。它们的构造、组成和功能与参照图2描述的层12、14和25类似。

本发明的光伏层压板尤其适合被结合到结构的表面中，尤其是曲面表面。优选地，该曲面表面由聚合物材料形成，以便层压板可与表面完全结合成一体。

将层压板结合到曲面表面中的概念将通过参考玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的船来说明，但是可领会到，通过类似的技术，层压板可被结合到任意结构的任意平坦的或曲面的表面，任意结构例如是野营车、大篷车、汽车、大客车、卡车、建筑结构、飞机、宇宙飞船、庭园结构等。

一般地，例如船体、甲板、船舱顶等GFRP船部件是在模具中形成的。基本上，多层玻璃纤维毡(glass mat)和非经交联的环氧树脂或聚酯被施加到模具内部。模具通常被首先涂上脱模蜡，来确保船部件可与模具分离。通常，蜡首先被覆盖以凝胶漆喷雾层，这给部件提供了颜色和耐久的末道漆。在施加了多层玻璃纤维毡和可交联聚合物后，交联该聚合物。通常在交联期间施加减小的压力，以消除带入的空气和确保聚合物和玻璃纤维之间的最佳接触。可以理解，替代玻璃纤维或除玻璃纤维以外，也可使用其他增强材料，例如芳族聚酰胺纤维、碳纤维等。整个处理称作“建立(lay up)”。

为达到本发明的目，光伏层压板在凝胶涂层和任意的GFRP部件之前被施加到模具。可通过使用某种临时胶粘剂将该板附着到模具上。用于构造正在讨论的船部件的可交联的聚合物，被直接施加到板，由此确保了板成为该结构的整体部分。

在船部件固化后，将其从模具中移走。光伏层压板板则已经成为该结构的整体部分。该结构为板提供了极好的支撑。板的挠性提供了对破碎和断裂的抵抗力。已经发现，例如，太阳能板可结合到船甲板中。所产生的结构坚固到足以允许船员，例如在靠岸和抛锚过程中，在板上行走，而不会压断板。

可以理解，在敷层处理过程中，所有来自太阳能板的电引线被引导穿过GFRP结构。船的各种部分组装后，电线被连接到船的总布线系统中。由光伏板提供的电能可用于船上任意预期的电负载，例如照明、冷却、加热、通风、烹饪、导航、驱动等。通常，这些电能被用来为一组电池充电，该组中的各电池轮流给船上的电负载馈电。

在优选的实施例中，各单个光伏板被并联连接，或者成小组的板被串联连接，而各个组与其他组并联连接。并联线路具有在系统中性能差的板并不会减弱系统的总性能的优点。并联线路可察觉的缺点是，组装的太阳能板提供较低的电压。这个缺点可以通过我们的升压电路来克服，这是我们早先的WO06/041295号专利申请的主题，该专利所揭露内容被并入本文中作为参考。

Claims (21)

1.一种制造光伏层压板的方法，其包括以下步骤：

a)在非粘附表面上形成第一层与交联材料预混合的可交联聚合物材料，其中所述可交联聚合物材料一与所述交联材料相混合，则所述第一层的固化就开始；

b)在所述第一层之上放置至少一个半导体材料板；

c)放置第二层与交联材料预混合的可交联聚合物材料，该第二层与所述第一层和所述至少一个半导体材料板相接触，其中所述可交联聚合物材料一与所述交联材料相混合，则所述第二层的固化就开始；

d)其中所述第一层和所述第二层的固化继续进行，使得这两层通过后续在至少一个半导体材料板之间和周围的区域中进行的交联被融合在一起，从而形成单一的层。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层的可交联聚合物材料与所述第二层的可交联聚合物材料相同。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中交联后的可交联聚合物材料提供了透明材料。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述可交联聚合物材料是从环氧树脂、硅树脂、聚氨酯和聚丙烯酸酯中选出的。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述半导体材料是掺杂硅。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述半导体材料是结晶材料。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中支撑层被添加到所述层压板，以便提供刚度。

8.如权利要求1所述的方法，其中一层热传导材料被添加到所述层压板。

9.如权利要求8所述的方法，其中热传导材料的层包括石墨、金属或氮化硼。

10.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一层被制模成形成菲涅耳透镜结构。

11.一种光伏层压板，通过权利要求1所述的方法来获得，其中所述第一层的材料与所述第二层的材料不同。

12.如权利要求11所述的光伏层压板，其中所述光伏层压板不包括覆盖所述第一层的玻璃板。

13.如权利要求11或12所述的光伏层压板，其中由所述第一层接收的多于80％的太阳能到达所述半导体材料。

14.如权利要求11或12所述的光伏层压板，其在通往所述半导体材料的光路上无胶粘剂。

15.如权利要求11或12所述的光伏层压板，其中所述第一层配备有菲涅耳透镜结构。

16.如权利要求11所述的光伏层压板，其包括多个所述半导体材料板，所述半导体材料板被并联连接以便形成光伏电池。

17.如权利要求16所述的光伏层压板，其中所述光伏电池通过升压电路连接到电负载。

18.如权利要求11所述的光伏层压板，其与热能收集器相结合。

19.如权利要求18所述的光伏层压板，其中所述热能收集器收集所述半导体材料中产生的热量和从太阳接收的热能中的至少一种。

20.如权利要求11或12所述的光伏层压板，其被结合到一种结构的曲面表面中。

21.如权利要求11或12所述的光伏层压板，其中由所述第一层接收的多于90％的太阳能到达所述半导体材料。

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