CN101960615A - 高效光伏模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高效太阳能收集装置，该装置具有一个无光泽表面、一个低折光率的表面，或者两者兼有，这增强了太阳辐射进入该装置的透射。该无光泽表面是在一种热塑性塑料上并且能以多种方式提供，例如通过一种消光剂、通过使用一种无光泽的冷辊、压纹、或其他技术。该无光泽的和/或低折光率的表面可以是一个涂层、薄膜(单层或多层)或薄片(单层或多层)。本发明在刚性和柔性光伏模块两者中都是尤其有用的。

Description

高效光伏模块
技术领域
本发明涉及高效太阳能收集装置，该装置具有一个无光泽表面、一个低折光率的表面，或者两者兼有，这增大了太阳辐射进入该装置的透射。该无光泽表面是在一种热塑性塑料上并且能以多种方式提供，例如通过一种消光剂、通过使用一种无光泽的冷辊(matte chill roll)、压纹、或其他技术。该无光泽的和/或低折光率的表面可以是一个涂层、薄膜(单层或多层)或薄片(单层或多层)。本发明在刚性和柔性光伏模块两者中都是尤其有用的。
背景技术
热塑性薄膜和薄片被用在光伏(PV)模块釉料中作为玻璃的替代物。热塑性塑料提供了更轻的重量、连同更高的透光度的优点。在柔性和刚性的光伏模块上都可以使用这种热塑性釉料。ETFE(乙烯-四氟乙烯)目前作为上部的上釉材料被用于制造非晶硅电池、尤其是用于柔性的PV模块。这些作为光泽-光泽薄膜由商业供应商出售，如DuPont以及Saint Gobain。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)釉料也正被用于PV模块中。PMMA釉料的耐气候性以及污垢脱落性可以通过在外表面上添加一个薄的聚偏二氟乙烯(PVDF)膜而得到改进，如US 60/835855中所描述的。PVDF还可以作为一种薄膜用于柔性PV模块的前侧釉料，如US 60/989501中所描述的。在所有这些引用的文献中，这种热塑性釉料被用于平坦、有光泽的外侧。
在光伏模块工业中存在着持续的努力来改进模块的效率并降低成本。已经作出了努力来使用集线器降低硅的水平，并且使用更少量并且更廉价的材料。也已经使用了不同的表面图案来增强太阳能的透光度。
有纹理的表面已经被用于光伏釉料中。US 2005/0039788和US 2007/0240754描述了一种有纹理的透明釉料，这种釉料具有多个大的几何特征，这些特征可以改进面板的透光性。由于从该有纹理的表面的反射减小、并且还由于进入釉料之后反射回环境中的光减少，透光性得到增加。具有该有纹理的表面的釉料相对较厚——在0.5至10mm的范围内。测得的透光性高达91.9％。
US 2004/0261836描述了一种太阳能电池，该太阳能电池具有一个不平纹理的氟聚合物正面，这个正面经受了放电处理以改进耐污染性。该氟聚合物薄膜优选具有一种不平的图案，该图案可以通过用冷却辊压制或者喷砂来施加。
现在已经发现，具有外部无光泽表面的热塑性釉料比一个平坦表面、或在内表面具有无光泽表面的釉料透射了更多的太阳辐射。此外，该无光泽表面可以是半透明的，并且仍然透射了高水平的太阳辐射。一种具有低折光率的热塑性釉料也增强了太阳透光度，尤其是在与一个更高折光率的内层相结合时。
发明内容
本发明涉及一种高效太阳能收集装置，该装置包括一种外部的热塑性上釉材料，该上釉材料具有在通过珀金埃尔默(Perkin Elmer Lambda)19光谱仪使用250nm-1800nm的标准透光度扫描测量时93％或更大、优选94％或更大、甚至大于95％并且大于96％的平均透光度，其中积分球跨越从400nm至1100nm的波长范围。
本发明进一步涉及一种高效太阳能收集装置，该装置包括一种外部热塑性半透明无光泽的上釉材料，其中该无光泽的表面面向太阳辐射源，具有通过ASTMD1003测定为大于15％的雾度。
此外，本发明涉及一种用于增大太阳能收集装置的太阳光透射率的方法，该方法包括以下步骤：在该太阳能收集装置的外部形成一个无光泽的外部层，使得该无光泽表面面向太阳。
附图说明
图1和2是对具有外部无光泽表面的、具有不同构成及厚度的薄膜在一定的波长范围上的透光度百分比的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及一种高效光伏模块，其中该外表面是无光泽的、低折光率的，或者两者兼有。
如在此使用的，一个“无光泽表面”是指一个有纹理的表面，优选实际上是不规则的。如在此使用的，如对有纹理的表面所应用的“不规则的”是指在该无光泽一侧上的截面表面轮廓不具有一种实际上规则的重复图型。这种纹理导致了从表面的低的反射率，如可以通过60度光泽度测量法测量的。用BYK-Gardner Micro-TRI-光泽计测量的60度的光泽度应该小于15％并且优选小于10％、并且最优选小于5％。表面粗糙度测量对于限定本发明也可以是有用的，然而，可以对它们不作要求。使用具有4.953mm(0.195英寸)行程的Mahr Federal Pocket Profiliometer，我们测量了实例薄膜的Ra和Rz。满足对于本发明的性能要求的薄膜具有的Ra是小于或等于0.381微米(15微英寸)。可以实现更低的表面粗糙度并且仍然维持良好的性能以及低的光泽度。如在此使用的，一种“半透明的”釉料是具有的Haze值(通过ASTM D1003测量)是大于或等于15％、更优选大于或等于25％并且最优选大于或等于50％的一种釉料。
如在此使用的，术语“薄膜”是指一种包括一个或多个层的结构，其中总厚度为从5微米至375微米，并且优选是从10微米至250微米。
在本发明的一个优选实施方案中，本发明的外部上釉材料具有一个暴露于太阳辐射源的无光泽表面。
该外部的无光泽表面是由一种热塑性材料形成的。本发明中有用的热塑性塑料包括但不限于：(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物及共聚物、ABS三聚物、ASA共聚物、聚碳酸酯类、聚酯类、聚(对苯二酸丁二酯)、聚(对苯二酸乙二酯)、MBS共聚物、HIPS、丙烯腈/丙烯酸酯共聚物、丙烯腈/甲基丙烯酸甲酯共聚物、经抗冲击改性的聚烯烃类以及经抗冲击改性的PVC、氟聚合物、或它们的混合物。
在一个优选实施方案中，该外部的无光泽表面是一种氟聚合物。已知氟聚合物是韧性、耐化学性、污垢脱落性的材料，并且跨越光谱的广谱具有高的透光度，并且形成优异的保护性外层。有用的氟聚合物的实例包括但不限于：含至少50重量百分比的一种或多种含氟单体的多种聚合物。如根据本发明所使用的术语“含氟单体”是指能够进行自由基聚合反应的一种氟化的并且烯属的不饱和单体。用于根据本发明的合适的示例性含氟单体包括但不限于：偏二氟乙烯、氟乙烯、三氟乙烯、四氟乙烯(TFE)、乙烯-四氟乙烯和六氟丙烯(HFP)、以及它们对应的共聚物。优选的氟聚合物是一种聚偏二氟乙烯均聚物或共聚物、以及聚四氟乙烯均聚物或共聚物。还考虑到了含氟三聚物，包括三聚物，例如具有四氟乙烯、六氟丙烯以及偏二氟乙烯单体单元的三聚物。
在另一个实施方案中，该外层是基于聚偏乙烯的聚合物与一种基于聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物(它们是可熔融混合的)的一种共混物。在此使用的术语“基于”是指该聚合物是含有至少50重量百分比、优选至少75重量百分比、并且最优选至少85重量百分比的偏二氟乙烯或甲基丙烯酸甲酯单体单元的一种均聚物或共聚物。基于聚偏乙烯的聚合物与一种基于聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物的共混物可以处于从10-90至90-10、更优选从25-75至75-25的比率。
该上釉材料可以是澄清的或半透明的。典型地，太阳能收集装置使用了一种透明材料。出人意料地，已经发现一种无光泽的半透明外部釉料可以向太阳能收集装置中透射与一种透明材料一样多的或甚至更多的太阳辐射。
该外部无光泽上釉材料可以是一个单层、或者可以是一种多层构造。该釉料可以是刚性的或柔性的。在一个实施方案中，该釉料是具有外部无光泽表面的一个单一的热塑性薄片。在另一个实施方案中，该釉料由一种热塑性、热固性、或甚至其上已经附有一个单层或多层无光泽热塑性薄膜的玻璃组成。该薄膜可以通过包括但不限于层压的手段、或者通过使用一种粘合剂来附连到一个透明的基底上。也考虑了包含两个或多个层的薄膜或薄片的共挤出，其中外层由于一种消光剂的存在、通过有纹理的冷辊、通过压纹、或通过其他手段而具有一个无光泽的表面。还能以含有消光剂的涂料的形式施加一个薄的无光泽的膜。该涂料可以处于溶液、悬浮液或乳液的形式，并且可以通过任何涂覆方法来施加，该方法包括但不限于：刷涂、喷涂、辊涂、激光喷射以及其他印刷技术。
本发明的釉料在外表面上具有一个无光泽的表面(表面面向辐射源)。已经发现，仅在外表面上具有一个无光泽表面的釉料比在内表面上具有无光泽表面的釉料、或在双面上都具有无光泽表面的釉料在透射太阳辐射方面更有效。
该无光泽表面可以通过几种方式形成——总体上是通过向聚合物基质添加一种消光剂、或者对聚合物薄膜或薄片进行后处理。在一个实施方案中，使用了一种消光剂来生产该无光泽表面。消光剂在本领域中是已知的——并且经常用来生产画框或屏幕上的无眩光的表面。消光剂包括无机填充剂以及聚合物的珠粒。总的来说，无机颗粒(如硫酸钡、碳酸钙、二氧化钛、硅石等)难以均匀分散在聚合物基质材料中，并且趋向于大大减小该聚合物的透光度。优选使用聚合物的珠粒(它们是高度交联的)来生产无光泽表面。这些珠粒可以与聚合物基质材料(具有小于0.02的折光率差)进行折光率匹配，或者可以与该基质轻微地折光率错配，其中具有的折光率与该基质聚合物差0.02或更多。优选地，这些颗粒是漫射光的，意思是它们散射或折射光。这些聚合物的珠粒是以基于该聚合物基质以及所结合的珠粒从5至60重量百分比、优选10-30重量百分比的水平使用。本发明中有用的颗粒具有的平均粒度是在1-500微米、优选5-100微米、更优选10-75微米的范围内。可以使用一种或多种不同类型的漫射颗粒。若使用多于一种类型和尺寸的漫射颗粒，则至少一种需要具有窄的粒度分布。
在一个实施方案中，这些颗粒具有一种核-壳结构，该结构在核内具有似橡胶的丙烯酸烷基酯聚合物以及至少一个聚合物壳，该核-壳结构是与聚合物基质相容的。该外壳仅代表总颗粒重量的一部分。该似橡胶的核典型地包括一种丙烯酸烷基酯聚合物，该聚合物具有的折光率与基质聚合物的折光率相差至少0.02或更多单位。
该消光剂可以在薄膜或薄片的形成过程中掺入热塑性基质中。无光泽薄膜可以在一个挤出平膜、吹膜、双轴定向膜、或溶液流延或分散体流延膜的方法中形成。薄的无光泽膜还可以通过涂覆一种溶液、悬浮液或乳液，通过刷涂、激光喷射、喷涂、或本领域中已知的其他手段将该消光剂和基质聚合物涂覆在一个表面上而形成。
还可以使用热塑性薄膜或薄片的表面处理来生产无光泽表面。该表面处理可以是一种化学处理如蚀刻，或是一种物理处理如压纹。在一个实施方案中，一种热塑性薄膜或薄片在挤出或共挤出的冷却过程中通过一个有纹理的冷辊。可以对表面进行微纹理化或纹理化以生产更光滑的但是仍然折射的表面以便将透光度和污垢脱落性的容易性两者最优化。
尽管不受限于任何具体理论，人们相信，这种表面纹理化(尽管最可能的是降低光学清澈度)通过减小从该表面的反射而出人意料地导致了总透光度的实质性增大——从而导致对于用这种表面作为顶部上釉材料而生产的太阳能电池而言每平方米更高的效率。这种纹理化必须是在外表面上，以使这种增强最佳化。
形成用于太阳能收集装置的无光泽表面的几个优选实施方案包括：
a)形成一个具有氟聚合物外层的薄膜(单层或多层)。使该外层在成型(优选是挤出或共挤出)过程中在一个有纹理的冷辊之下通过，以产生一种无光泽的成品。将该薄膜层压、粘附或共挤出到一个透明的热塑性、热固性或玻璃的基底上。
b)形成了一种水性聚偏二氟乙烯胶乳，并且向该胶乳中混入10至40重量百分比的交联的聚甲基丙烯酸甲酯珠粒。然后将该胶乳涂覆在一个透明基底上。
c)使用一个冷辊向具有基于聚偏乙烯的外层的一个柔性的多层薄膜提供一个无光泽表面。然后将该薄膜作为釉料用在一种柔性光伏模块上。
d)向聚偏二氟乙烯中混入交联的聚(甲基)丙烯酸酯均聚物或共聚物珠粒，这些珠粒具有选定的平均粒度(直径在从1至100微米范围内)；并且然后将其在一侧上用一个光泽冷辊挤出成一个薄膜，以便生产具有一个无光泽的以及一个光泽的表面的薄膜。
e)将实例(d)中的配制品与另一个PVDF或其他聚合物的聚合物层共挤出并且通过一种吹膜法或流延膜法挤出。
f)将一种PVDF溶剂溶液或溶剂分散体与一种矿物质或PMMA交联的颗粒消光剂进行混合。然后将这个溶液或分散体通过逆辊涂覆、照相凹版涂覆或棒涂覆而涂覆在一个载体薄膜上，并且使其干燥/熔化成一种聚合物薄膜。可以将该薄膜从载体薄膜上脱下，或者该载体薄膜可以成为该釉料的一部分。
g)进行一个多层薄膜或薄片的共挤出，其中外层(优选是一种氟聚合物)包含一种消光剂。
在本发明的另一个实施方案中，该外层是一种低折光率的材料。如在此使用的，一种低折光率的材料是指所具有的折光率低于1.46、优选低于1.43的一种热塑性或热固性材料。低折光率材料的实例包括大多数氟聚合物。在具有一个氟聚合物外层的多层结构的情况下，在较高折光率的组合物顶部的这种较低折光率的氟聚合物还减小了反射以改进透光度。低折光率的表面材料可以与一种消光剂一起使用和不一起使用，并且可以与增大太阳光透射的其他技术相结合，以进一步增强透光度。
本发明的无光泽/低折光率表面的太阳能收集釉料产生了大于93％、甚至大于94％、大于95％并且甚至大于96％的太阳能透光度(当该透光度在400至1100nm的范围上平均时)。这个透光度百分比是使用Perkin Elmer Lambda 19光谱仪使用从250nm-1800nm的标准透光度扫描来测量的，在使用前用白光校准标准(IDUS25-99-010)自调零点。这个装置使用了一个积分球来测量总透光度——而不是线性透光度。
该无光泽表面以及低折光率的釉料在太阳辐射的透射上是高度有效的，从而使得它在太阳能收集装置中作为釉料是特别有用的。尽管不受限于任何具体理论，人们相信本发明的无光泽表面的一个优点是增强的捕获相对于收集器处于倾斜入射角的太阳辐射的能力。这模拟了太阳相对于固定的太阳收集器面板的运动。一种特别有用的应用是作为刚性和柔性光伏模块上的釉料。
该外部釉料层可以任选地包含低量值的UV吸收剂，基于聚合物固体是从0.01至约3重量百分比。该UV吸收剂可以是一种有机的UV吸收剂、或无机的UV吸收剂如氧化锌以及纳米氧化锌。
光伏模块包括一种外部上釉材料、总体上包封在用于防护的一个透明封装件中的多个太阳能电池、以及一个背板。这些太阳能电池是由已知的用在太阳能收集器中的材料制成，这些材料包括但不限于：硅、硒化镉铟(CIS)、硒化镉铟镓(CIGS)、量子点。这种背板是在光伏模块的背面暴露于环境中。背板的主要功能是提供低的水蒸气透过性、紫外线和氧气阻挡特性，并且对于保护硅晶片(光电池)免受由于和水、氧气、或紫外线辐射进行反应而引起的降解是必需的。
实施例
实施例1：
形成具有一个无光泽表面以及一个光泽表面的2密尔的聚偏二氟乙烯薄膜(KYNAR 720)，使用了一个有纹理的冷辊来生产该无光泽表面。当用以上提及的分光光度计测量时，由跨越400至1100nm的范围的平均透光度测得的透光度与所具有的平均透光度为仅仅92％的一个2密尔的ETFE薄膜(光泽/光泽)相比是97％。图1示出了对于这种薄膜测试无光泽一侧朝上并且无光泽一侧朝下的KYNAR720薄膜的的透光度曲线。表1示出了对无光泽的一侧朝上的KYNAR 720、无光泽的一侧朝下的KYNAR 720以及ETFE关于透光度进行比较的结果。只有无光泽一侧朝上显示了本发明的高水平的透光度。该表还显示了该薄膜的雾度以及60度的光泽度。该KYNAR 720薄膜如通过％雾度所测试的不是光学上澄清的，并且如通过60度光泽计所测量的具有非常低的光泽度。
表1
Figure BPA00001212581300081
实施例2
使用实施例1记录的相同技术生产另外的PVDF薄膜。使用KYNAR树脂等级(是与HFP的共聚物)生产薄膜。使用了均匀共聚物(KYNAR 2800)和不均匀共聚物(KYNAR 3120)两者。在KYNAR 2800的情况下，形成了一个更厚的(5密尔)薄膜并进行测试。收集了在一定波长范围上的透光度数据，结果在图1和图2中示出，使用Perkin Elmer Lambda 19光谱仪利用从250nm-1800nm的标准透光度扫描，在使用前用白光校准标准(ID US25-99-010)自调零点。这个装置使用了一个积分球来测量总透光度——而不是线性透光度。图2中的结果显示，本发明没有受组成所显著影响，因为两种共聚物都具有大于或等于96％的平均透光度。此外，这些结果并不强烈依赖于厚度，因为当无光泽的一侧朝上时，5密尔的KYNAR2800具有96％的平均透光度而2密尔的KYANR 3120薄膜具有97％的平均透光度。因此，本发明并不局限于氟聚合物或PVDF的组成或类型或者共聚物。

Claims (25)

1.一种高效太阳能收集装置，该装置包括一种外部的热塑性上釉材料，该上釉材料在通过珀金埃尔默19光谱仪使用从250nm-1800nm的标准透光度扫描测量时具有93％或更大的平均透光度，其中积分球跨越从400nm至1100nm的波长范围。
2.如权利要求1所述的太阳能收集装置，包括一个光伏模块。
3.如权利要求1所述的太阳能收集装置，其中所述上釉材料的表面具有一个面向太阳辐射源的一个无光泽表面。
4.如权利要求1所述的太阳能收集装置，其中所述釉料的表面层包括一种低折光率的材料，该材料具有1.46或更小的折光率。
5.如权利要求1所述的太阳能收集装置，其中所述上釉材料包括一种氟聚合物组合物。
6.如权利要求5所述的太阳能收集装置，其中所述氟聚合物是选自下组，其构成为：均聚物或与乙烯、四氟乙烯、偏二氟乙烯、六氟丙烯、全氟甲基(或丙基)乙烯醚、或氯三氟乙烯的共聚物。
7.如权利要求6所述的太阳能收集装置，其中所述氟聚合物是一种基于偏二氟乙烯的组合物或共混物，并且包括一种薄膜。
8.如权利要求1所述的太阳能收集装置，其中所述平均透光度是大于或等于94％或更大。
9.如权利要求8所述的太阳能收集装置，其中所述平均透光度是大于或等于95％或更大。
10.如权利要求9所述的太阳能收集装置，其中所述平均透光度是大于或等于96％或更大。
11.一种高效太阳能收集装置，该装置包括一种外部热塑性半透明无光泽的上釉材料，其中该无光泽的表面面向该太阳辐射源，具有当通过ASTM D1003测定时大于15％的雾度。
12.如权利要求11所述的高效太阳能收集装置，具有至少25％的雾度。
13.如权利要求12所述的高效太阳能收集装置，具有至少50％的雾度。
14.如权利要求11所述的太阳能收集装置，其中所述上釉材料包括一种无光泽的基于氟聚合物的组合物。
15.一种用于增大太阳能收集装置的太阳光透射率的方法，该方法包括以下步骤：在该太阳能收集装置的外部形成一个无光泽的外部层，使得该无光泽的表面面向太阳。
16.如权利要求15所述的太阳能收集装置，包括一个光伏模块。
17.如权利要求15所述的太阳能收集装置，其中所述外部层是一种具有1.46或更小的折光率的低折光率材料。
18.如权利要求15所述的太阳能收集装置，其中所述具有一个无光泽表面的上釉材料包括一种基于氟聚合物的组合物。
19.如权利要求15所述的太阳能收集装置，其中所述氟聚合物是一种基于偏二氟乙烯的组合物，并且包括一种薄膜。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述形成一个无光泽表面的步骤包括用一种消光剂涂覆所述表面。
21.如权利要求15所述的方法，其中所述形成一个无光泽表面的步骤包括使具有一个无光泽表面的一种基于氟聚合物的薄膜附着于所述太阳能收集装置的外部。
22.如权利要求15所述的方法，其中所述形成一个无光泽表面的步骤包括使一种热塑性材料通过一个有纹理的冷却辊。
23.如权利要求15所述的方法，其中所述形成一个无光泽表面的步骤包括将一种溶液涂料或胶乳涂料施加在一个载体膜上，其中该溶液或胶乳包括一种消光剂。
24.如权利要求15所述的方法，其中所述形成一个无光泽表面的步骤包括一个压纹步骤。
25.如权利要求15所述的方法，其中所述形成一个无光泽表面的步骤包括一个多层结构的共挤出，其中所述外层包括一种消光剂。
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