CN102097591A - 柔性薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜太阳能电池，包括：至少一层脱离保护层，在制造时所述脱离保护层形成于硬性载板表面；形成于所述脱离保护层表面的具有内级联的薄膜太阳能电池层系；以及与所述薄膜太阳能电池层系结合的柔性承载层；所述脱离保护层中包含纤维加强材料。本发明的柔性薄膜太阳能电池能够在很大程度上提高脱离保护层的抗拉强度和尺寸稳定性。

Description

柔性薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种柔性薄膜太阳能电池。

背景技术

能源是人类社会发展的动力，是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。目前广泛使用的常规能源(主要是煤、石油、天然气等化石能源)有限，且多年过度的开发利用已造成严重的环境问题，制约着经济和社会的发展。因此，开发可再生能源是关系到国家可持续发展战略的关键问题之一。在各种可再生能源中，太阳能光伏发电技术是近些年来太阳能利用领域中发展最快，最前沿的研究领域。其中薄膜太阳能电池因为耗材少、制造成本低而成为研究的热点。目前的薄膜太阳能电池按衬底可分为硬性衬底(如玻璃衬底)和柔性衬底(如高温塑料、树脂聚合物、铝箔、钢带)两大类。

柔性衬底薄膜太阳电池由于重量轻、可卷曲的特性，具有便于携带、易与建筑一体化和高功率重量比的优点，从而在军事和民用上均具有良好的应用前景，极大地扩展了太阳电池的应用空间。柔性衬底薄膜太阳电池便于采用卷到卷(roll-to-roll)的连续沉积工艺，虽生产成本较高但可大面积连续化生产。如果采用质量较轻且不易破碎的柔性太阳电池制作电站，不仅可以大大降低电池的运输成本和电站的建设成本，而且更便于在已有建筑的顶部和四周安装，且不需要增加建筑物的承重要求。也可以制造出可以自由移动的太阳能电站，还可制造出便携式、大众化太阳能电池，这样不仅可以最大限度的利用太阳能，而且可以满足形形色色的能源需求。

目前，柔性薄膜太阳能电池基本都是在柔性衬底上制备。但是，在柔性衬底表面沉积薄膜的生产设备与现有的、在硬性材料上沉积薄膜的设备不兼容，而且非常昂贵，工艺也较为复杂。其中，在利用临时衬底作为柔性转移衬底制造柔性薄膜太阳电池的方法中，存在着临时衬底需要蚀刻去除，不可重复利用，且不利于大面积产业化等问题。而且在柔性衬底上直接形成的薄膜太阳能电池难以高效地实现大面积内级联(monolithic integration)。

有诸多尝试，在玻璃等硬性基板表面粘贴柔性衬底，再在柔性衬底表面沉积薄膜层系来完成柔性薄膜太阳能电池的制造。但其遇到的问题包括对柔性衬底材料的苛刻要求，例如耐温性、真空腔室的非污染性、高温过程后的透光性，以及衬底与器件层系热膨胀系数的相对匹配、柔性衬底与硬性基板的温度性能匹配等。另外，大面积柔性衬底很难保证在整个器件制造过程中自始至终保持平展地铺设在玻璃表面、且工艺完成后利于柔性衬底的剥离。即使有这种材料，例如聚酰亚胺，但其价格昂贵，而且很难自始至终保持平展。特别在大面积柔性薄膜太阳能电池的制造过程中，形成内级联的激光划线工艺会对其造成损伤。

本发明人经过潜心研究和积极探索，在申请号为201010501502.4和201010540004.0的中国专利申请中提出了一种新型的柔性薄膜太阳能电池和制造方法，其宗旨是硬性制造、柔性成型，直接在玻璃等硬性载板上形成脱离保护层(或叫做剥离层)和包括透明导电前电极(TCO)、单结或多结半导体光电转换单元(例如p-i-n叠层结构)和背电极等层系结构的薄膜太阳能电池层系，且使其具有内级联结构，再将柔性载体(柔性承载层)牢靠地结合在电池层系上，然后将柔性载体和电池层系一起整体性地从硬性载板表面脱离，经过进一步封装，从而形成低成本、大面积、高度集成内级联的柔性薄膜太阳能电池及其组件。

在上述技术方案中，脱离保护层要求具有很好的透明度、耐高温性、抗拉强度和尺寸稳定性。但由于目前脱离保护层的材料主要为各类硅胶、高温胶、高温涂料和各种含有聚酰亚胺和特氟隆的聚合物，以及UV固化聚合物。其综合性能还不够理想，虽然具有较好的透明度和耐温性，但总体的抗拉强度还不够，整体尺寸稳定性较差，使拉力不均、局部易变形。在剥离时，由于电池层系与脱离保护层之间的结合是比较脆弱的，脱离保护层尺寸的变化极易使电池层系、特别是在划线处和外引线与薄膜的连接处等电池层系与脱离保护层粘结的薄弱环节出现被拉裂或拉断的现象，导致柔性薄膜电池的缺陷甚至损坏。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种柔性薄膜太阳能电池，能够在很大程度上提高脱离保护层的抗拉强度和尺寸稳定性。

为达到上述目的，本发明提供了一种柔性薄膜太阳能电池，包括：

至少一层脱离保护层，在制造时所述脱离保护层形成于硬性载板表面；

形成于所述脱离保护层表面的具有内级联的薄膜太阳能电池层系；以及

与所述薄膜太阳能电池层系结合的柔性承载层；其特征在于：

所述脱离保护层中包含纤维加强材料。

可选的，所述纤维加强材料为短细纤维丝条。

可选的，所述短细纤维丝条包括玻璃丝。

可选的，所述短细纤维丝条表面具有便于粘结的涂层。

可选的，所述涂层材料含有表面活性剂。

可选的，所述纤维加强材料包括至少一层超薄平展网布。

可选的，所述超薄平展网布包括薄型纤维织物、纤维薄毡。

可选的，所述薄型纤维织物包括薄型玻璃纤维织物、细纱薄型玻璃纤维网布和玻璃纤维薄毡。

可选的，所述超薄平展网布的厚度包括20～60μm的范围。

可选的，所述脱离保护层和电池层系之间具有至少一层结合层。

可选的，所述结合层的材料为透明、柔性、耐温、绝缘材料，包括绝缘性金属氧化物、氧化物、氮化物或碳化物，各类硅胶、各类聚合物、各类高温胶、各类高温涂料，以及含上述材料的混合物。

可选的，所述柔性承载层的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、耐热透明树脂、光硬化型树脂、热硬化型树脂或沙林树脂，及各种聚合物或含上述成分的复合材料。

可选的，所述脱离保护层的材料为透明、柔性、耐温、且抗拉的可成膜材料，包括含各类硅酮、硅胶、各类聚合物、各类高温胶、各类高温涂料，以及含上述材料的混合物。

可选的，所述聚合物包括含聚酰亚胺、特氟隆的聚合物。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。为清楚起见，放大了层的厚度。

图1为根据本发明实施例的柔性薄膜太阳能电池结构示意图；

图2a至图2b为短细纤维丝条结构示意图；

图3为根据本发明另一实施例的柔性薄膜太阳能电池结构示意图；

图4为根据本发明又一实施例的柔性薄膜太阳能电池结构示意图；

图5为本发明的柔性薄膜太阳能电池从硬性载板表面脱离的状态示意图。

所述示图是示意性的，而非限制性的，在此不能过度限制本发明的保护范围。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1为根据本发明实施例的柔性薄膜太阳能电池结构示意图。如图1所示，根据本发明实施例的柔性薄膜太阳能电池包括脱离保护层300，形成于脱离保护层300表面的具有内级联的薄膜太阳能电池层系400，以及与薄膜太阳能电池层系400结合的柔性承载层500。脱离保护层300为一层或多层(图中仅示出一层)。其中，在脱离保护层300中含有短细纤维丝条200。短细纤维丝条200的直径在几微米，长度几十微米，优选是玻璃丝，在制作过程中，将玻璃丝粉混入脱离保护层材料中。脱离保护层的材料要求是可成膜材料，要能够便于大面积均匀敷设形成膜层，包括各类硅胶、各类聚合物、各类高温胶、各类高温涂料，以及含上述材料的混合物。可选的例子例如含有聚酰亚胺、特氟隆TEFLON、氟化乙烯丙烯共聚物FEP或硅酮silicone材料的聚合物，或UV固化聚合物。将玻璃丝粉混入脱离保护层材料之后，搅拌均匀，例如利用超声搅拌，然后涂布在硬性载板(例如玻璃基板)表面。由于玻璃丝具有透明、理化性能稳定、耐高温、高强度硬度等优点，掺入玻璃丝后的脱离保护层300整体的抗拉强度得到很大提高，尺寸稳定性明显改善。

图2a至图2b为短细纤维丝条结构示意图。如图所示，在与脱离保护层材料混合之前，在短细纤维丝条200表面优选地涂敷一层便于粘结的涂层，该涂层中含有表面活性剂(surfactant)。这样能够使短细纤维丝条200和脱离保护层材料混合时减少气泡的产生，使充分混合。也有利于在玻璃基板表面涂布脱离保护层时减少气泡的产生。

图3为根据本发明另一实施例的柔性薄膜太阳能电池结构示意图。如图3所示，根据本发明另一实施例的柔性薄膜太阳能电池包括脱离保护层300’，脱离保护层为单层，也可以是多层，图中仅示出一层300’。形成于脱离保护层300’表面的具有内级联的薄膜太阳能电池层系400，以及与薄膜太阳能电池层系400结合的柔性承载层500。在单层的脱离保护层中，或多层脱离保护层的任意一层或几层中，以300’表示，包括至少一层超薄平展网布210。在一个实施例中，所述超薄平展网布210包括薄型纤维织物和纤维薄毡。薄型纤维织物优选地包括薄型玻璃纤维织物、细纱型玻璃纤维网布和玻璃纤维薄毡。所述薄型纤维织物优选为细纱薄型纤维织物，例如细纱薄型玻璃纤维网布。上述的超薄平展网布的厚度优选的在20～60μm之间。

图4为根据本发明又一实施例的柔性薄膜太阳能电池结构示意图。如图4所示，本实施例中，多层脱离保护层600包括掺入短细纤维丝条200的脱离保护层300和包含至少一层超薄平展网布210的脱离保护层300’。在其他实施例中，多层脱离保护层中的任意一层或几层中都可以分别是加入短细纤维丝条200的层，或包含至少一层超薄平展网布210的层。加入短细纤维丝条200的层和包含至少一层超薄平展网布210的层单独或任意叠加在一起，甚至在一层中同时包括短细纤维丝条200和至少一层超薄平展网布210，构成具有短细纤维丝条200和/或超薄平展网布210等纤维加强材料的脱离保护层600(300、300’)。

在其他实施例中，脱离保护层600和电池层系400之间具有至少一层结合层(图中未示出)。所述结合层的材料为透明、柔性、耐温、绝缘材料，包括绝缘性金属氧化物、氧化物、氮化物或碳化物，各类硅胶、各类聚合物、各类高温胶、各类高温涂料，以及含上述材料的混合物。

上述实施例中，柔性承载层500的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、耐热透明树脂、光硬化型树脂、热硬化型树脂或沙林树脂，及各种聚合物或含上述成分的复合材料。

图5为本发明的柔性薄膜太阳能电池从硬性载板表面脱离的状态示意图。如图5所示，在脱离的过程中，通过例如提拉、牵引柔性承载层500或风刀吹离等方式，柔性承载层500连同薄膜太阳能电池层系400和脱离保护层600一起整体性地从玻璃100表面脱离。加入短细纤维丝条200和/或超薄平展网布210等纤维加强材料之后，纤维加强材料起到了基布骨架的作用，脱离保护层600的整体抗拉强度、整体尺寸稳定性、耐高温性能理化稳定性都得到显著提高，能够在很大程度上提高提拉过程对电池层系的保护作用。此外，由于加入了纤维加强材料，对脱离保护层材料的涂布要求大大放宽，提升了工艺容许度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (14)

1.一种柔性薄膜太阳能电池，包括：

至少一层脱离保护层，在制造时所述脱离保护层形成于硬性载板表面；

形成于所述脱离保护层表面的具有内级联的薄膜太阳能电池层系；以及

与所述薄膜太阳能电池层系结合的柔性承载层；其特征在于：

所述脱离保护层中包含纤维加强材料。

2.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述纤维加强材料为短细纤维丝条。

3.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述短细纤维丝条包括玻璃丝。

4.根据权利要求2所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述短细纤维丝条表面具有便于粘结的涂层。

5.根据权利要求4所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述涂层材料含有表面活性剂。

6.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述纤维加强材料包括至少一层超薄平展网布。

7.根据权利要求6所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述超薄平展网布包括薄型纤维织物、纤维薄毡。

8.根据权利要求7所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述薄型纤维织物包括薄型玻璃纤维织物、细纱薄型玻璃纤维网布和玻璃纤维薄毡。

9.根据权利要求6所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述超薄平展网布的厚度包括20～60μm的范围。

10.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述脱离保护层和电池层系之间具有至少一层结合层。

11.根据权利要求10所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述结合层的材料为透明、柔性、耐温、绝缘材料，包括绝缘性金属氧化物、氧化物、氮化物或碳化物，各类硅胶、各类聚合物、各类高温胶、各类高温涂料，以及含上述材料的混合物。

12.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述柔性承载层的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、耐热透明树脂、光硬化型树脂、热硬化型树脂或沙林树脂，及各种聚合物或含上述成分的复合材料。

13.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述脱离保护层的材料为透明、柔性、耐温、且抗拉的可成膜材料，包括含各类硅酮、硅胶、各类聚合物、各类高温胶、各类高温涂料，以及含上述材料的混合物。

14.根据权利要求13所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述聚合物包括含聚酰亚胺、特氟隆的聚合物。

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