CN103296111A - 卷绕式柔性薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷绕式柔性薄膜太阳能电池，所述太阳能电池包括中空设置的卷绕筒轴、固定安装于所述卷绕筒轴内部或分离式设于卷绕筒轴外部的控制电路和储能蓄电池、以及卷绕设置于所述卷绕筒轴外部的柔性薄膜电池组件，所述控制电路和储能蓄电池电性连接。本发明保留了柔性薄膜太阳能电池的轻薄优点；在运输与携带状态时太阳能电池变柔性为刚性，起到了优异的自保护作用；省去了通常卷绕功能原件通过外筒机构进行保护与储藏的办法，达到整体结构紧凑，使得产品在运输与携带状态，体积最小化。同时还具备保护功能好，重量轻，展开方面等优点。

Description

卷绕式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，特别是涉及一种卷绕式柔性薄膜太阳能电池。

背景技术

目前，随着科技的快速发展，层出不穷的电子产品在满足大众日益增长需求的同时，也给生活环境带来很大的压力。现有的普通干电池，作为这些电子产品的主要电源，消耗量越来越大，而在这些干电池中，除含有铁、锌、锰等金属元素，还含有微量的汞等重金属，如果处理不当，这些重金属就会污染环境，并给人类带来伤害，有统计表明，一节5号电池可以污染数十立方米的水，并且可以使一平方米土地荒废。可以看出普通干电池虽然用途广泛，但也让人类付出了非常大的环境成本，因此，太阳能电池技术的研究迫在眉睫。

目前大量使用的太阳能电池都是采用玻璃等刚性基材，重量大，不能弯曲，成品的单位功率重量约为每千瓦300公斤，不便于移动设备与个人随身携带使用。目前市场上的移动设备与随身携带的太阳能电池电源系统明显有重量体积过大，易于破碎，等重大缺陷，靠自身技术无法克服。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的卷绕式柔性薄膜太阳能电池。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其结构紧凑，易于携带和运输。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种卷绕式柔性薄膜太阳能电池，所述太阳能电池包括中空设置的卷绕筒轴、固定安装于所述卷绕筒轴内部或分离式设于卷绕筒轴外部的控制电路和储能蓄电池、以及卷绕设置于所述卷绕筒轴外部的柔性薄膜电池组件，所述控制电路和储能蓄电池电性连接。

作为本发明的进一步改进，所述卷绕筒轴的截面为圆形、椭圆形。

作为本发明的进一步改进，所述卷绕筒轴的筒壁至少包含一个安装控制电路的插糟或平面。

作为本发明的进一步改进，所述卷绕筒轴材质为塑料、轻金属材料、或复合材料。

作为本发明的进一步改进，所述卷绕筒轴为偏心设置，外部中心和内部中心位于不同的位置，所述卷绕筒轴至少部分壁厚不同，在壁厚最大位置处或旁侧设有用于连接柔性薄膜电池组件和卷绕筒轴的连接机构。

作为本发明的进一步改进，所述储能蓄电池为一个或多个可充电储能电池，包括各种锂离子电池串并联联而成，每个蓄电池的容量为2000mAh～20000mAh。

作为本发明的进一步改进，所述太阳能电池为单结或多结柔性非晶硅-微晶硅薄膜太阳能电池，单结太阳能电池中所述柔性薄膜电池组件包括柔性衬底及设于柔性衬底上的AL层、减反射层、由N层、I层、P层构成的n-i-p结构或其他类型p-n结构、以及透明导电膜，多结太阳能电池中所述柔性薄膜电池组件包括柔性衬底及设于柔性衬底上的AL层、减反射层、重叠设置的2个或2个以上的n-i-p结构或其它类型p-n结构、以及透明导电膜。

作为本发明的进一步改进，所述透明导电膜作为太阳能电池的正电极或负电极与储能蓄电池的正极或负电极相连，AL层作为背电极与储能蓄电池的负极或正极相连。

作为本发明的进一步改进，所述卷绕筒轴至少一端设有与控制电路相连的电能输出接口与显示界面。

作为本发明的进一步改进，所述卷绕式柔性薄膜太阳能电池还包括用于收容卷绕筒轴和卷绕设置于卷绕筒轴外部柔性薄膜电池组件的收容保护套。

作为本发明的进一步改进，所述柔性薄膜太阳能电池为非晶硅-微晶硅薄膜电池、CIGS电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池或砷化镓电池。

本发明卷绕式柔性薄膜太阳能电池具有如下有益效果：

保留了柔性薄膜太阳能电池的轻薄优点；

进一步巧用了柔性薄膜太阳能电池的易于卷绕的特点，将其卷绕在一个薄壳中空筒轴上，经过多层卷绕加上筒轴的依托，使得柔性电池在运输与携带状态时，变柔性为刚性，起到了优异的自保护作用；

控制电路和储能蓄电池密封于卷绕筒轴内部，起到了很好的保护作用，延长了控制电路和储能蓄电池的使用寿命，结构非常紧凑，使得产品在运输与携带状态，体积最小化；

结构外形流畅、对称、美观、重量轻、展开方面，是随身携带的一大亮点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施方式中卷绕式柔性薄膜太阳能电池展开后发电状态的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中卷绕式柔性薄膜太阳能电池卷绕后运输或携带状态的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1、图2所示分别为本发明一具体实施方式中卷绕式柔性薄膜太阳能电池展开后发电状态和卷绕后运输或携带状态的结构示意图。

本实施方式中的卷绕式柔性薄膜太阳能电池包括中空设置的卷绕筒轴10、固定安装于卷绕筒轴10内部的控制电路20和储能蓄电池30、以及卷绕设置于该卷绕筒轴10外部的柔性薄膜电池组件40，控制电路20和储能蓄电池30电性连接，控制电路20用于控制向储能蓄电池30充电和储能蓄电池30向外放电。

优选地，卷绕筒轴10的材质为塑料、轻金属材料、或复合材料。卷绕筒轴10为偏心设置，外部中心和内部中心位于不同的位置，造成部分壁厚较厚，在壁厚最大位置处或旁侧设计用于连接柔性薄膜电池组件和卷绕筒轴的连接机构。进一步地，卷绕筒轴10的筒壁至少包含一个安装控制电路的插糟或平面。

进一步地，控制电路20和储能蓄电池30设置于卷绕筒轴10的内部，控制电路20与卷绕筒轴10的轴线平行设置，储能蓄电池30为一个锂离子电池或多个锂离子电池串联而成，锂离子包括各种类型可充电锂离子电池，每个锂电池的容量为2000mAH～20000mAh。整个卷绕筒轴10内部大部分空间均用来安装控制电路20和储能蓄电池30，结构非常紧凑，使得产品在运输与携带状态，体积最小化；同时可以在卷绕筒轴的两侧设置两个端盖，将控制电路和储能蓄电池密封于卷绕筒轴内部，起到了很好的保护作用，延长了控制电路和储能蓄电池的使用寿命。

本实施方式中卷绕筒轴10至少一端上设有与控制电路20相连的电能输出接口与显示界面50，可以显示储能蓄电池30的剩余电量，当剩余电量不足时及时进行充电。

本实施方式中控制电路20和储能蓄电池30固定安装于卷绕筒轴10内部，但对于较大功率的太阳能电池，储能蓄电池及控制电路可能因体积和重量等原因，不适合安装在卷绕筒轴内部，这时就要采用设置于卷绕筒轴外部的独立的可分离式储能蓄电池与控制电路。

太阳能电池可以为单结或多结柔性非晶硅-微晶硅薄膜太阳能电池，单结太阳能电池中柔性薄膜电池组件40包括柔性衬底及设于柔性衬底上的AL层、减反射层、由N层、I层(本征层)、P层构成的n-i-p结构结构或其他类型p-n结构、以及透明导电膜，柔性衬底可以为超薄的金属箔片或有机高分子材料，在柔性衬底上依次设有AL层、减反射层（如ZnO层）、N层、I层、P层和透明导电膜，透明导电膜作为太阳能电池的正电极或负电极与储能蓄电池30的正极或负电极相连，AL层作为背电极与储能蓄电池30的负极或正极相连。多结太阳能电池中柔性薄膜电池组件40包括柔性衬底及设于柔性衬底上的AL层、减反射层、重叠设置的2个或2个以上的n-i-p结构结构（由N层、I层、P层构成)或其他类型p-n结构、以及透明导电膜，同样地，透明导电膜作为太阳能电池的正电极或负电极与储能蓄电池30的正极或负电极相连，AL层作为背电极与储能蓄电池30的负极或正极相连。

现有技术中薄膜太阳能电池是指除基材以外的电池功能结构材料全部由微米或亚微米厚度的半导体等薄膜材料构成的太阳能电池。而本发明中的太阳能电池按照柔性程度可以分为：

半柔性薄膜太阳能电池：可以弯曲的太阳能电池；基材厚度大于0.1mm，该类电池弯曲半径一般大于50mm，单位面积重量大于2000克/平米，功率密度一般小于25W/公斤。

高柔性薄膜太阳能电池：基材厚度小于0.1mm，电池功能结构材料全部由微米或亚微米厚度的半导体等薄膜材料构成的太阳能电池。该类电池弯曲半径显著小（弯曲半径可小于15mm），并且单位面积重量可小于1000克/平米，功率密度可大于50W/公斤。

超柔性薄膜太阳能电池：电池功能结构材料全部由微米或亚微米厚度的半导体等薄膜材料构成的太阳能电池，总厚度为1微米量级。该类电池弯曲半径显著小（弯曲半径可小于5mm），并且单位面积重量可小于300克/平米，功率密度可大于150W/公斤。

优选地，本发明中卷绕式柔性薄膜太阳能电池不限于非晶硅-微晶硅薄膜电池，还可用于CIGS电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池或砷化镓等三五族电池等。

如图1、图2所示，本实施方式中卷绕筒轴10的截面为圆形，卷绕筒轴10的材料可以选用不锈钢等，在其他实施方式中卷绕筒轴10的截面还可以设置为椭圆形，即卷绕筒轴10为圆柱形或椭圆柱形。

在本发明其他实施方式中，卷绕筒轴10的筒壁还可以为若干平面和若干弧面的组合，只需要控制筒壁各处的弯曲半径满足柔性薄膜电池组件的弯曲半径。如此设置，在柔性薄膜太阳能电池展开后发电时，卷绕筒轴的平面与地面或其他平面放置处相接触，可以防止卷绕筒轴在放置处滚动，进而更高效地进行工作。

柔性薄膜电池组件的末端安装有若干绑带，用于对卷绕后的太阳能电池卷进行捆扎，以及对展开后的太阳能电池片进行悬挂，而卷筒的自重则可帮助太阳能电池片保持展开状态。

由以上技术方案可以看出，通过制备设备与工艺在超薄不锈钢基材上制造的高柔性太阳能电池，成品弯曲半径可小于15mm，单位面积重量可小于1000/平米，功率密度可大于50W/公斤；通过制备设备与工艺在超薄高分子材料基材上制造的高柔性与超柔性薄膜太阳能电池，成品弯曲可半径小于5mm，单位面积重量可小于300克/平米，功率密度可大于150W/公斤，由此极大地拓展了太阳能电池在移动设备与个人随身应用。

本发明进而提出柔性薄膜太阳能电池与储能蓄电池-控制电路的创新组合结构，即由配套的储能蓄电池-控制电路安装在一个卷绕筒轴内，利用柔性薄膜太阳能电池的独有的曲率半径非常小的特点，卷绕在该卷绕筒轴外，即外绕式卷绕，变柔软为刚性体，起到了良好的自保护，使得柔性薄膜太阳能电池不但重量最轻，而且储存运输携带体积最紧凑，而且柔性电池也得到了最大程度的保护，同时产品外形流畅美观。

本发明中卷绕筒轴内的体积的大部分都被利用安装储能蓄电池和控制电路，避免了控制电路等安装于外部时被硬物刮伤，从而完美地克服了现有技术作为移动与随身携带的太阳能电源的关键缺点。

进一步地，卷绕式柔性薄膜太阳能电池还可以包括用于收容卷绕筒轴和卷绕厚柔性薄膜电池组件的轻型收容保护套，该收容保护套可以对太阳能电池提供二次保护。

由上述实施方式可以看出，本发明具有如下有益效果：

保留了柔性薄膜太阳能电池的轻薄优点；

进一步巧用了柔性薄膜太阳能电池的易于卷绕的特点，将其卷绕在一个薄壳中空筒轴上，经过多层卷绕加上筒轴的依托，使得柔性电池在运输与携带状态时，变柔性为刚性，起到了优异的自保护作用；

控制电路和储能蓄电池密封于卷绕筒轴内部，起到了很好的保护作用，延长了控制电路和储能蓄电池的使用寿命，结构非常紧凑，使得产品在运输与携带状态，体积最小化；

结构外形流畅、对称、美观、重量轻、展开方面，是随身携带的一大亮点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括中空设置的卷绕筒轴、固定安装于所述卷绕筒轴内部或分离式设于卷绕筒轴外部的控制电路和储能蓄电池、以及卷绕设置于所述卷绕筒轴外部的柔性薄膜电池组件，所述控制电路和储能蓄电池电性连接。

2.根据权利要求1所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述卷绕筒轴的截面为圆形、椭圆形。

3.根据权利要求1所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述卷绕筒轴的筒壁至少包含一个安装控制电路的插糟或平面。

4.根据权利要求1所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述卷绕筒轴材质为塑料、轻金属材料、或复合材料。

5.根据权利要求1或2所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述卷绕筒轴为偏心设置，外部中心和内部中心位于不同的位置，所述卷绕筒轴至少部分壁厚不同，在壁厚最大位置处或旁侧设有用于连接柔性薄膜电池组件和卷绕筒轴的连接机构。

6.根据权利要求1所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述储能蓄电池为一个或多个可充电储能电池，包括各种锂离子电池串并联联而成，每个蓄电池的容量为2000mAh～20000mAh。

7.根据权利要求6所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池为单结或多结柔性非晶硅-微晶硅薄膜太阳能电池，单结太阳能电池中所述柔性薄膜电池组件包括柔性衬底及设于柔性衬底上的AL层、减反射层、由N层、I层、P层构成的n-i-p结构或其他类型p-n结构、以及透明导电膜，多结太阳能电池中所述柔性薄膜电池组件包括柔性衬底及设于柔性衬底上的AL层、减反射层、重叠设置的2个或2个以上的n-i-p结构或其它类型p-n结构、以及透明导电膜。

8.根据权利要求7所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述透明导电膜作为太阳能电池的正电极或负电极与储能蓄电池的正极或负电极相连，AL层作为背电极与储能蓄电池的负极或正极相连。

9.根据权利要求1所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述卷绕筒轴至少一端设有与控制电路相连的电能输出接口与显示界面。

10.根据权利要求1所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述卷绕式柔性薄膜太阳能电池还包括用于收容卷绕筒轴和卷绕设置于卷绕筒轴外部柔性薄膜电池组件的收容保护套。

11.根据权利要求1所述的卷绕式柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，所述柔性薄膜太阳能电池为非晶硅-微晶硅薄膜电池、CIGS电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池或砷化镓电池。

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