CN102422431B - 制造用于光伏器件的纹理板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造具有表面雕纹纹理的聚合物盖板的方法，其中至少一个表面雕纹结构由结构构成，其中每个结构具有至少0.5mm的高度，所述方法包括以下步骤：热软化聚合物；通过压力使软化的聚合物与模具接触，所述模具包括希望的表面雕纹纹理的反图像；以及在保持所述聚合物与所述模具之间的压力的同时硬化所述软化的聚合物。
Description
技术领域
本发明涉及制造聚合物盖板的方法。
所获得的聚合物盖板可被直接用作用于光伏器件的盖板或者通过使用合适的粘合剂而被施加到透明基底的表面之一。包含一个或多个聚合物盖板的透明基底可被用作用于光伏器件的另一盖板或在该盖板顶上。
背景技术
太阳能电池(光伏电池或光伏器件)被普遍用于将光能转换成电能。该效应称为光伏效应。太阳能电池包含有源层，该有源层由光吸收材料构成，该光吸收材料在暴露于光时产生电荷载流子。在光伏器件中普遍使用的有源层为硅。然而，可遇到各种材料，例如砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)或二硒化铜铟镓(CIGS)。在有源层中产生的电荷被分离到传输电的导电接触。由于有源层的薄且脆的性质，通常通过透明盖板(普遍为玻璃)防止有源层受到外部影响。该盖板位于光源与有源层的光接收侧之间。多数情况下，单个太阳能电池不能产生用于希望目的的足够电力，因此多个电池连接在一起形成较大类型的光伏器件。使用电池的组件来形成太阳能模块，太阳能模块又被连接成光伏阵列。单独的电池被用于对诸如计算器或电子表的小器件供电。模块或光伏阵列例如安装在房屋的屋顶上或诸如船、交通信号或航天器的离网型应用。
本领域公知有源层和盖板都会反射入射到光伏器件的光的一部分。特别地，有源层的高折射率引起大的反射损耗，在硅的情况下，反射损耗可超过入射光的30％。由于反射光不能被转换成电能，因此这些反射损耗导致光伏器件的效率的大的降低。
本领域公知可通过将表面纹理施加到盖板而降低光伏器件的反射损耗。表面纹理降低了有源层的反射损耗(称为“俘获”)和盖板的反射损耗(称为“抗反射”)。由于需要足够的强度来确保长期的户外耐用性，所述表面纹理的尺寸总是在毫米范围。较小的结构较容易受到损伤，而较大的结构需要过多的材料并因而导致高产品成本。可以使用不同的表面纹理，例如金字塔纹理的阵列(WO03/046617)、V形槽(G.A.Landis，21stIEEE photovoltaic specialist conference，1304-1307(1990))、圆形坑(P.Sánchez-Friera，IEEE 4th World Conference on photovoltaic energyconversion，2156-2159(2006))或将由通过n边形(其中n等于4或更大)表面连接的基面(base)和顶点构成的结构(WO2009059998)施加到盖板以降低所述板的反射损耗并提高光的投射。根据模型研究，这些盖板可将光伏器件的效率最高提高6％(U.Blieske et al，3rd World Conference onPhotovoltaic Energy Conversion，188-191(2003))。
然而，实践中，结果要低于6％，通常获得不高于3％的改善。该低性能可归因于制造工艺。表面纹理通过热轧而被普遍施加到玻璃或聚合物盖板(WO2005111670，WO03/046617)。这是用于以快速制造工艺产生毫米尺寸结构的典型技术。利用该技术，通过加热而软化要被纹理化的材料。通过与硬(通常为金属)模具机械接触而对软化的材料纹理化。为了固定纹理，将材料冷却到室温，在室温下，该材料硬化。由于聚合物和玻璃二者都具有变形回到其未被纹理化的平面形状的趋势，因而产生问题。该弛豫是由聚合物和玻璃的粘弹性特性引起的。在热轧期间，材料在仍是软的时离开模具，由此变形，导致模具中的雕纹(relief)的不完美复制。结果，盖板上的纹理的最终形状从其理想形状变形。通过不完美纹理化的盖板实现的光伏器件的性能提高当然要低于通过完美纹理化的盖板实现的光伏器件的性能提高。
在WO03/046617中建议使用热成形或浇铸技术。然而，这些技术远非理想。利用热成形，通过加热软化聚合物片/板。通过将软化的板/片放置为使其与模具接触，在其整个厚度上软化的板/片完全变形。这在聚合物板的表面处变形时是产生纹理化的表面雕纹所需要的。因此，热变形几乎专用于产生三维物体，例如盒子或杯子，而不用于纹理化聚合物板的表面。虽然浇铸可被用于产生表面雕纹纹理，但其通常被用于金属或玻璃，而不被用于聚合物。浇铸应被理解为这样的制造工艺，通过该制造工艺，通常将液体材料倒入包含希望形状的空腔的模具中，然后使其固化。浇铸材料通常是金属或在将两种或多种组分混合在一起之后固化的各种冷固性材料；实例为环氧、混凝土、石膏和粘土。在基于冷却的浇铸工艺中液化的材料的硬化期间的压力缺乏导致因热收缩而变形。并且，由于浇铸在大气压力下完成，处理速度慢。另一浇铸技术是树脂浇铸。树脂浇铸是塑性浇铸的方法，其中，用液体合成树脂填充模具，随后该树脂硬化。最普遍地，使用在室温和常压下通过与固化剂混合而聚合的热固性树脂。所使用的合成树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂和硅树脂。如已经描述的，在硬化期间压力的缺乏导致变形和热收缩。
EP 1 054 456公开了一种制造保护片的方法，其中加热热塑性树脂层并将压纹压向软化的热塑性树脂层。通过该方法不能制造具有高再现性的结构，这是因为这样的结构将在硬化时失去其形状。结果，通过使用该方法，出现多种单独的结构。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的问题。
这些问题可通过根据权利要求1的方法而被克服。
还可将聚合物盖板称为表面纹理化的聚合物板。
表面雕纹纹理由结构构成，其中每个结构具有0.5到10mm、更优选0.75到5mm、最优选0.95到4mm的高度。应注意，制造该范围内的结构的方法完全不同于制造大结构的方法。为了制造在上述范围内的结构，有关精度和缺陷频率的要求完全不同于制造大结构的方法。因此，在US6,075,652中描述的方法不能与本发明相比。
从DE 100 01 135可知产生具有μm到nm范围的结构的表面纹理。无接触硬化是在DE 100 01 135中描述的方法中的要点。
此外，从WO 2008/145176可知制造微透镜的方法。在该方法中，利用印模对热塑性聚合物进行热压纹。通过在现有技术文件中公开的方法，可以产生μm范围的极小结构。通过该方法不能产生大于微透镜的结构。
上述加工技术都不适合在大表面内产生具有微米精度的毫米尺寸的结构。需要该精度来确保器件的性能。如果由毫米尺寸构成，主要问题是压纹结构的变形，或者是器件本身的变形。从现有技术可知，可以在大表面内产生具有微米精度的微米结构。
与已知方法相比，通过使用根据本发明的方法，可以获得具有优良品质和性能的表面纹理化的盖板。所获得的聚合物板上的雕纹是模具内的雕纹的精确负拷贝。根据在本发明中描述的方法制造的板可提高光伏器件的性能。
所获得的表面纹理化的聚合物板可优选地被直接用作用于光伏器件的盖板或者被用在用于光伏器件的盖板的顶上。在该最后的情况下，表面纹理化的聚合物板优选在硬化聚合物板之后被附加层所涂敷。在一个实施例中，表面纹理化的聚合物板例如通过使用合适的粘合剂而被施加到透明基底的表面之一。包含一个或多个表面纹理化的聚合物板的透明基底可被用作光伏器件的盖板或用在光伏器件的盖板的顶上。
用于光伏器件的盖板是可与光伏器件组合使用的任何板。优选地，所述板位于光伏器件的光接收侧的前面，最优选与光伏器件中的有源层的光接收侧直接光学接触(即，没有空气隙)。
盖板可以是任何尺寸，但优选地，其横向尺寸(x，y)显著大于其轴向尺寸(z)。
优选地，将具有金字塔和/或槽和/或半球和/或立方形的反结构的模具用于制造用于表面纹理化的聚合物板的结构。
依赖于所应用的模具，表面纹理化的聚合物板可呈现槽、金字塔、锥和/或半球结构和/或从公开的申请WO 2009/059998可知的结构，其中该公开的申请以申请人的名义提交，并将其全部内容插入在本文中作为参考。盖板的表面纹理可以是板表面处的雕纹的任何纹理。该纹理可以由单种结构构成或由多种不同结构构成。所述结构可被设置在有序阵列中或随机取向。该纹理(这意味着表面纹理)可被设置在板的一个或多个表面上，优选地，该纹理被设置在盖板的背离光伏器件的有源层的表面上。当通过圆描述结构的投影区时，其中投影区的至少一个边位于圆的圆周线上，圆的直径D优选小于30mm，更优选小于10mm，最优选小于3mm。
具体实施方式
下面，规定结构，其中说明应用于单个结构。当然，说明还可被应用于多个结构。
优选地，所述结构包含三个方形(这意味着n边形)表面(n＝4)，这三个方形表面将六边形基面直接连接到单个顶点，并且该结构包含总共9个表面。该结构还可以呈现部分圆形的表面。圆形的、曲面的或部分曲面的表面是其中n为无限大的n边形表面。
还优选该结构包括m边形基面和顶点区。通过m个表面(其中m大于或等于3)连接所述m边形基面和顶点区。该结构优选的进一步特征在于，将顶点连接到基面的m个表面中的至多两个应为n边形，其中n大于或等于4。顶点区被定义为单独的几何光学结构的上部，连接到基面的表面与其组合。顶点区可以是点(例如，金字塔或锥中呈现的)或线(例如，槽中所呈现的)。几何光学结构的阵列的单个结构的实例为具有三角形基面的金字塔、具有矩形基面的金字塔、锥形、v形槽、倾斜的V槽或锯齿轮廓。
在本发明的优选实施例中，m极大且被考虑为等于无限大。在该特定实施例中，阵列的单独的几何光学结构呈现至少部分为圆形的截面。这样的几何光学结构可以为锥形。
顶点区还可以为与单独的几何光学结构的m边形基面平行的表面。这样的几何光学结构的阵列的单个结构的实例为具有圆形截面的圆柱或炮塔形结构。
在本发明的一个优选实施例中，应将在WO 2009059998中提到的表面雕纹纹理化的盖板制造为使单个雕纹纹理的取向平行于表面雕纹纹理板的外边缘中的一个，所述单个雕纹纹理的三个n边形表面中的一个包括该单个压纹纹理的取向。优选地，n边形表面应被设置为与雕纹纹理板的下外边缘或上外边缘平行。对雕纹纹理的取向具有处理和自清洁特性的优点。对于金字塔型的结构，该效应已被描述于US2007240754A1中。然而，令人吃惊地，对于金字塔型的结构，通过将金字塔所包括的三角形表面设置为不平行于表面雕纹纹理化板的外边缘之一，实现该效果。
在优选实施例中，纹理板的雕纹纹理(这意味着结构)被具有与产生雕纹结构的材料不同的折射率的附加涂层所覆盖。该涂层的形状与所述结构互补，以便涂层的不与结构接触的表面可被视为平坦的。例如，可以产生高折射率材料的具有结构的纹理板并用低折射率材料涂覆该板，以便在涂覆之后不存在雕纹纹理。换言之，高折射率的雕纹结构被低折射率材料“填充”。
优选地，表面纹理化的聚合物板由聚(乙烯)、聚(丙烯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚氨酯、尼龙4，6、尼龙6，6、聚(氯乙烯)和/或聚(四氟乙烯)或者这些聚合物的混合物。并且，可以向聚合物添加添加剂以进行处理、稳定化、附加功能或耐用性。这样的添加剂的实例为无机(例如，SiO2或TiO2)纳米颗粒、染料、UV吸收剂、HALS稳定剂、塑化剂、荧光增白剂、抑制剂或抗氧化剂。
可在其上施加表面纹理化聚合物板的透明基底可以是聚合物或玻璃。基底的厚度优选小于10cm，更优选小于1cm，最优选小于5mm。
透明基底可包含一个表面纹理化聚合物板，但优选多于一个表面纹理化聚合物板，最优选多于两个表面纹理化聚合物板。
可以通过使用合适的粘合剂将纹理化聚合物板施加到透明基底。这样的粘合剂应具有1.3与1.7之间的折射率，以便获得纹理板与透明板之间的光学接触。应利用阿贝(Abbe)折射计确定折射率。粘合剂可包括单体、聚合物、引发剂、催化剂或其任何组合。聚合物还可以在被施加在透明基底的顶上的同时被纹理化。在该情况下，粘合剂可以是聚合物自身，优选在聚合物中具有添加剂以促进粘合(例如，酸、酰胺、硅烷醇、醇类)，或者粘合促进剂，例如硅烷的薄涂层，其可在施加液体聚合物之前被施加到透明基底的表面。
包含希望的雕纹纹理的反纹理的模具可由任何材料制成。材料的实例为聚合物(例如，聚(乙烯)、聚(丙烯)、聚(醚醚酮))或金属(例如，铁、镍、钢或铜)或陶瓷(例如，玻璃或瓷)。
为了在聚合物中产生表面雕纹纹理，以产生表面纹理化聚合物板，需要热软化聚合物。优选地，这可通过将聚合物加热到高于其玻璃转化温度或更高、优选高于熔化温度而实现。优选地，通过将聚合物加热成液态和/或通过将聚合物加热成橡胶态而使聚合物软化。还可以将部分聚合物加热成液态且将部分聚合物加热成橡胶态。软化工艺中的这种变化是在表面纹理化聚合物板中产生不同深度的结构所需要的。
优选地，通过在保持聚合物与模具之间的压力的同时冷却聚合物来使聚合物硬化。这意味着，在保持模具与聚合物彼此接触的同时硬化聚合物。因此，在硬化步骤期间几乎不可能使由模具产生的聚合物材料中的结构变形。因此，表面纹理化聚合物板的结构在硬化之后以高精度匹配模具的反结构。因此表面纹理化聚合物板的表面的再现性特别高。
优选地，在20℃到150℃的温度范围内发生冷却。更优选冷却温度在30℃到80℃的范围内，最优选在35到50℃的范围内。
通过压力使软化的聚合物与模具接触。优选地，压力在0.01巴到2000巴的范围内。更优选压力在0.05巴到200巴的范围内，最优选在0.1巴到50巴的范围内。优选地，可以通过例如液化所述聚合物并将所述液体聚合物注射到密封模具中而向软化的聚合物施加压力。在另一优选实施例中，通过例如软化所述聚合物并将模具压到所述软化的聚合物中而通过模具向聚合物施加压力。
优选地，用于制造表面纹理化聚合物板的方法是批处理(batchprocess)。
另外，本发明涉及一种包含通过根据本发明的方法获得的表面纹理化聚合物板的光伏器件。
优选地，该纹理化聚合物板被用作用于光伏器件的盖板。备选地或附加地，在光伏器件的另一盖板的顶上使用纹理化聚合物板。例如，可将纹理化聚合物板施加到太阳能模块的玻璃盖板。
为了说明但不限制本发明，在下面给出实例：
实例1：
向包含具有1mm高度的方形基面的金字塔结构的阵列的密封镍模具(33×33×0.15cm)中注入热液化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。通过冷却到约40摄氏度而硬化该液化的聚合物。在硬化之后，打开模具，获得纹理化聚合物板。通过使用液体粘合剂向1×1米的玻璃板(基底)施加总共四个纹理板。包含纹理板的玻璃板被用作用于光伏器件的盖板。
实例2：
通过将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的温度均匀地升高到使材料橡胶化的约135摄氏度而热软化PMMA的33×33×0.15cm板。通过使用150巴的压力将相同尺寸的镍模具压入软化的PMMA中。该模具包含具有1mm高度的方形基面的金字塔结构的阵列。通过在保持镍模具在板上的压力的同时冷却到约40摄氏度来硬化该软化的PMMA板。在硬化之后，打开模具，获得纹理化聚合物板。通过使用具有约1.5的折射率(硬化之后)的液体粘合剂向1×1米的玻璃板(基底)施加总共四个纹理板。包含纹理板的玻璃板被用作用于光伏器件的盖板。
Claims (12)
1.一种制造用于光伏器件的聚合物盖板的方法，该盖板呈现至少一个表面雕纹纹理，其中所述至少一个表面雕纹结构由结构构成，其中每个结构具有0.5到10mm的高度，所述方法包括以下步骤：
热软化聚合物；
通过压力使软化的聚合物与模具接触，所述模具包括希望的表面雕纹纹理的反图像；以及
在保持所述聚合物与所述模具之间的压力的同时硬化所述软化的聚合物。
2.根据权利要求1的方法，其中通过冷却所述聚合物而硬化所述聚合物。
3.根据权利要求2的方法，其中在20℃到150℃的温度范围内发生所述冷却。
4.根据上述权利要求中任一项的方法，其中通过将所述聚合物加热成液态或通过将所述聚合物加热成橡胶态而软化所述聚合物。
5.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中所述压力在0.01巴到2000巴的范围内。
6.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中使用聚甲基丙烯酸甲酯作为聚合物。
7.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中使用具有金字塔和/或槽和/或半球和/或立方体的反结构的模具。
8.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中在硬化所述聚合物板之后用附加层涂覆所述聚合物板。
9.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中所述制造方法为批处理。
10.一种光伏器件，包含通过根据权利要求1到9的方法获得的聚合物板。
11.根据权利要求10的光伏器件，其中所述聚合物板被用作盖板。
12.根据权利要求10的光伏器件，其中在另一盖板的顶上使用所述聚合物板。
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