CN103650159A - 光电模块及制备和使用其的方法 - Google Patents
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Abstract
光电模块组件(10)可以包括:光电电池(14);包括塑料材料的透明的第一层(12),其中所述第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面;第二层(18),其中所述第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面,其中所述光电电池位于第一层第二表面和第二层第一表面之间;以及第一层第二表面和第二层第一表面之间的固化层,其中在固化之前,所述固化层是具有小于或等于1,500厘泊粘度的液体。
Description
技术领域
在此公开了光电(PV)模块组件,具体地是热塑性晶体硅太阳能PV模块组件。
背景技术
PV模块通常包括集电极如通常由透明或半透明材料(如玻璃、聚合物、或类似材料)制造的平板。对于PV模块而言,必须满足机械性能要求以便有效地工作以及如所希望地工作。例如,对于形成集电极而言,聚合物聚(甲基丙烯酸甲酯)对于光透过是良好的(即,较高的光效率),但是缺乏抗冲击性和阻燃性,因而难以使用。对于生产平板而言,聚碳酸酯具有良好的机械性能,但具有较低的光效率。
此外,PV电池必须连接至集电极。与大多数是聚合物的集电极相比,一般多为硅的PV电池通常更易碎。故障意味着潜在地存在例如腐蚀和分层,因此对具有增加的产率、减少的组装时间、以及降低的重量的PV模块组件存在需要。
发明内容
在多种实施方式中公开了光电模块及制备和使用其的方法。
在一个实施方式中,光电模块组件包括:光电电池;包括塑料材料的透明的第一层,其中所述第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面;第二层,其中所述第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面,其中光电电池位于第一层第二表面和第二层第一表面之间;以及第一层第二表面和第二层第一表面之间的固化层,其中在固化之前,固化层是具有小于或等于1,500厘泊粘度的流体。
在一个实施方式中,光电模块组件包括:光电电池;包括塑料材料的透明的第一层,其中所述第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面;包括塑料材料的第二层,其中所述第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面,其中光电电池位于第一层第二表面和第二层第一表面之间;设置在第一层第二表面和第二层第一表面之间的连接层,其中所述连接层在第一层第一表面和第二层第二表面之间形成空隙,其中光电电池位于连接层中;以及空隙中的固化层,在第一层和光电电池之间。
在一个实施方式中,制备光电模块组件的方法,包括:将光电电池设置在具有第一层第一表面及第一层第二表面的第一层和具有第二层第一表面及第二层第二表面的第二层之间,其中,第一层是透明的且包括塑料材料,并且其中,第二层包括塑料材料;在第一层和第二层之间插入液体填充物,其中,在固化之前,液体填充物具有小于或等于1,500厘泊的粘度;以及固化液体填充物。
在一个实施方式中,光电模块组件包括:光电电池;包括塑料材料的透明的第一层;包括塑料材料的第二层,其中,第二层与光电电池物理连通;以及第一层和光电电池之间的流体层,其中,流体层具有0至1,000厘泊的粘度。
在一个实施方式中,制备光电模块组件的方法,包括:将光电电池设置在第一层和第二层之间,其中,第一层是透明的且包括塑料材料,并且其中,第二层包括塑料材料;以及将流体层设置在第一层和光电电池之间,其中,流体层具有0至1,000厘泊的粘度。
以下,将更具体地描述这些及其他特性和特征。
附图说明
以下是附图的简要说明,其中类似的元件进行类似的标号并且其是为了说明在本文中公开的示例性实施方式的目的,而不是为了限制其的目的而示出的。
图1是PV模块组件的单独部件的示意图。
图2是图1的PV模块的组装图。
图3是图1的PV模块组件的展开的截面侧视图。
图4是图1的PV模块组件的另一个展开的截面侧视图。
图5是包括连接层的PV模块组件的正视图。
具体实施方式
光学耦合至集电极的PV电池通常多数为硅,而集电极通常可以大多是聚合物。这些材料具有非常不同的热膨胀系数(CTE)。换句话说,当暴露于热时,它们以不同的速率膨胀。需要解决这种不匹配,以确保当两种组分改变尺寸时PV电池不被破坏。PV模块组件通常可以包括框架、接线盒、电缆、连接器、接地故障电路断流器(GFCI)、安装系统、跟踪系统、汇流箱、背层、包封层(例如,乙烯乙酸乙烯酯包封层)、晶片(即,PV电池)、防反射层、和/或玻璃前层。框架(当存在时)通常可以由铝制成。铝制框架和玻璃层是PV模块组件的重量的最大贡献者,它们通常可以使生产的组件笨重且昂贵。玻璃占据PV模块组件重量的最大部分。
如在本文中公开的,PV模块组件可以包括第一层、流体层和/或固化层、光电电池、具有可选的整体框架、接线盒、电缆、和微逆变器的第二层、以及将第一层连接至第二层的可选的连接层。
替换PV模块组件中的玻璃能够得到轻得多的组件(例如,与具有玻璃的组件的13kg/m2相比,没有玻璃的组件为10千克/平方米(kg/m2)),使得其能够放置在具有有限承载能力的屋顶(例如,平屋顶)上。例如,通过用塑料层(例如,第一层)替换玻璃层,和/或可选地在第二层中用整体的塑料框架(例如,聚碳酸酯或聚苯醚和聚苯乙烯的混合物)替换铝制框架和背层(例如,第二层)可以减少PV模块组件的重量。在一些实施方式中,连接层可以用于连接第一层和第二层,完全除去框架并进一步降低组件的重量。例如,连接层可以包括可以用于充当PV模块组件的层之间的隔离物并充当将层连接在一起的结构粘合剂的粘合剂(例如,胶带)。具有较少部件或具有彼此结合的部件(例如,接线盒、电缆、和/或连接器与框架结合)的PV模块组件可以减少用于生产和组装PV模块所需要的时间量。
流体层(例如,硅酮流体(硅酮液体、硅油))和/或固化层(例如,室温硫化硅酮、和/或橡胶或热固性弹性体硅酮和/或其他硅酮粘合剂)可以可选地用作封装剂以帮助在第一层和PV电池之间(意味着光通过第一层并到达光电电池,具有最小的反射损失(例如,流体层和PV电池彼此光连通)),和/或在PV电池和第二层之间提供光耦合。流体层和/或固化层还可以充当缓冲垫并可以去耦第一层和PV电池之间的机械运动。例如,在机械去耦中,由于流体层和/或固化层的液体特性,其将不会将力从第一层转移至PV电池。由于可以选择流体层和/或固化层的折射率以便增强系统的光学性能(例如,可以实现通过第一层至PV电池的最大光透过),使用流体层和/或固化层还可以是有利的。还可以选择折射率以确保第一层、封装剂(即,流体层和/或固化层)、以及太阳能电池之间的反射损失最小。
此外,通过使用非层压组件,如果检测出任何故障在制造过程中电池可以回收且在模块的使用寿命之后电池能够容易地重复使用。这降低了这种系统的碳排放(carbon footprint)。当存在流体层和/或固化层时,其还可以保护PV电池避免潮气并且传递热远离电池,这导致在较高操作温度下较高的效率。
可以通过结合在第二层中的空气动力学特征产生起冷却PV模块作用的紊流气流。可选地,第一层还可以做成纹理以降低光反射。在PV模块的寿命期间,在不同的情况下如以一定角度进入的太阳光、较高的环境温度、以及PV模块的部分遮蔽,紊流气流和纹理化可以提供较高的能量输出。例如,空气动力学特征可以包括,但不限于鳍片、肋材、挡板、以及包括上述的至少一种的组合。当将紊流气流和纹理化结合到PV模块中时,它们可以降低成本、减少生产时间、并且减小PV模块的重量以及优化其使用寿命期间的系统的产率。
参考附图能够获得对本文中公开的部件、方法、和装置更全面的了解。这些图形(在此也称为“图”)仅仅是基于方便地和容易地说明本公开的示意图,因此并不旨在显示装置或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方式的范围。尽管为了清楚的目的,在以下说明书中使用了专业术语,然而这些术语旨在仅指示为了说明附图而选择的实施方式的具体结构,而并不旨在限定或限制本公开的范围。在附图以及下面的描述中,应当理解的是类似的数字标识指示类似功能的部件。
图1示出了PV模块10的单独部件的示意图。图1示出第一层12可以通过流体层(例如,封装剂(参见图3,如硅酮流体))和/或第一层12和PV电池14之间的固化层光学偶联至PV电池14。第一层12和/或第二层18可以另外地包括在第一层12和/或第二层18的最外层表面上的硅酮硬涂层和/或等离子沉积层,以确保PV模块组件的20年寿命跨度。粘合剂(例如,图3中的硅酮凝胶垫16或室温硫化硅酮16)可以将PV电池14固定至第二层18。第一层12可以具有第一层第一表面20和第一层第二表面22,而第二层18可以具有第二层第一表面24和第二层第二表面26。
对于第一层和第二层而言,可以期望它们具有某些光学性能。例如,第一层可以是透明的,而第二层可以是透明、半透明、或不透明的。关于第一层和/或第二层的透明性,简要地指出的是最终用户说明书通常可以说明第一层和/或第二层满足特定的预定阈值。如通过ANSI/ASTM D1003-00测定的雾度值可以是第一层和/或第二层的光学特性的有用的测定。雾度水平越低,单独层的透明性越高。可以期望监测第一层和/或第二层的雾度水平。当在5.0毫米(mm)的厚度下测量时,透明的第一层的示例性雾度水平可以是0%至6%、具体地是0.5%至4%、并且更具体地是1%至2.5%。当在5.0mm的厚度下测量时,第二层的示例性雾度水平通常可以大于6%、具体地大于或等于10%。第一层可以具有如根据ASTM D1003-00测定的(使用光源D65,方法A或方法B)大于或等于80%、具体地大于或等于85%、更具体地大于或等于90%、甚至更具体地大于或等于95%、并且又更加具体地大于或等于99%的透明度。第二层通常可以是不透明的,但如果期望,例如出于审美原因,其也可以是透明的。例如,第二层可以具有大于或等于50%、具体地大于或等于65%、更具体地大于或等于75%、并且甚至更具体地小于或等于90%的透明度。透明度通过两个参数(透射百分比和雾度百分比)来描述。可以使用ASTM D1003-00(使用CIE标准光源C,方法B)来测定实验室规模样品的透射百分比和雾度百分比。ASTM D-1003-00(方法B,分光光度计,使用具有漫射照明的光源C,进行单向观察)将透射率定义如下:
其中,I=通过测试样品的光强度
Io=入射光的强度
可以根据ASTM D-1003-00(方法A,例如,使用来自BYK-Gardner的HAZE-GUARD DUAL,使用积分球(0°/漫射几何形状)测定,其中,在标准光源D65下光谱灵敏度符合CIE标准光谱值)测定雾度。ASTMD1003-00(方法B)还可以使用Macbeth7000A光谱仪,D65光源,10°观察器,CIE(国际照明委员会)(1931),和SCI(包含镜面反射组分),以及UVEXC(即,不包括UV组分)),而雾度使用与方法A相同的变量。应当注意,可以由以下等式预测和计算出雾度百分比:
其中,总透射是积分透射,而总漫射透射是如由ASTM D1003-00定义的被薄膜散射的光透射。例如,可以使用商业可获得的浊度计如BYK-Gardner Haze-Gard Plus,使薄膜的粗糙漫射侧面面对检测器。
可以期望第一层和第二层的折射率接近(例如,在约20%之内)流体层的折射率;还可以期望第一层和第二层的热膨胀系数接近(例如,在彼此的约15%之内)。进一步地,可以期望PV模块组件通过如在UL1703中提出的冲击试验要求。当选择用于第一层和第二层的材料时,如根据保险商实验室94(UL94)的标准测定的层的阻燃性可以是另一个考虑因素。例如,期望UL94等级应当是V0或更高(例如,5VB或5VA)。还可以期望第一层和第二层具有20年的紫外线稳定性,使得它们在20年期间内保持大于或等于80%的它们的光透射能力。
关于流体层而言,该层的粘度可以小于或等于1,000厘泊(cps)、具体地为0至1,000厘泊、更具体地为0至500厘泊、甚至更具体地为0至250厘泊、又更加具体地为0至100厘泊、还更具体地为5至90厘泊、并且还更具体地还为10至75厘泊。对于固化层而言(例如,包括室温硫化(RTV)硅酮、硅酮热固性弹性体(TSE)等),在固化之前,该层的粘度可以小于或等于1,500厘泊、具体地小于或等于1,000厘泊、更具体地小于或等于950厘泊、并且甚至更加具体地小于或等于750厘泊,但在固化之前,通常大于或等于500厘泊。粘度小于或等于1,500厘泊有助于液体填充物插入(例如,倾倒入)由第一层和第二层之间的连接层产生的空隙。具有固化前大于1,500厘泊粘度的材料将难以且很可能不能插入空隙中。
流体层和/或固化层的折射率可以在数值方面接近第一层材料的折射率(例如,在第一层折射率的15%之内)。例如,如果第一层的折射率是1.0,那么流体层和/或固化层的折射率将是0.85至1.15。如根据ASTMD1003-00测定的,流体层和/或固化层的透明度可以大于或等于95%、具体地大于或等于99%、并且甚至更加具体地大于或等于99.9%。流体层和/或固化层的热导率尽可能地高可能是有利的。
第二层18通常可以包括框架、接线盒、电缆、连接器、用于安装至外部结构的安装点、以及逆变器(例如,微逆变器)。将所有这些部件整合至第二层18中可以提供生产时间、组装时间、和成本的显著节省(与每个部件单独生产并在生产之后必须组装的PV模块相比)。图2示出了图1中示出的部件的组装图。
在实施方式中如在图5中示出的那些,框架可以是组件的可选部件。例如,当存在连接层28时,并且如在图5中示出的,连接层28(例如,结构层)可以位于第一层12和第二层18的周界周围(即,在边缘上)。例如,连接层28可以设置在第一层第二表面22的外部周围和第二层第一表面26的外部周围之间并与它们物理接触,在第一层12和第二层18之间形成空隙30。连接层28可以包括将在第一层12和第二层18之间提供期望的粘附力的任何材料,例如,连接层可以包括丙烯酸类泡沫胶带(例如,丙烯酸胶带或丙烯酸泡沫胶带)或乙酸酯泡沫胶带(例如,乙烯乙酸乙烯酯(EVA))。换句话说,连接层可以是任何粘合剂,其具有充分的结构完整性以及与第一层和第二层的相容性以抑制分层。例如,如根据ISO4587-1979(粘合剂-高强度粘合键的拉伸搭接剪切强度的测定(Adhesives-Determination of tensile lap shear strength of high strengthadhesive bonds))测定的,胶带可以具有大于或等于约0.1兆帕(MPa)、或更具体地大于或等于约0.2MPa的粘合强度。如根据ISO4587-1979(粘合剂-高强度粘合键的拉伸搭接剪切强度的测定)所测定的,胶带的断裂伸长率可以大于或等于约50%、或更具体地大于或等于约80%、或甚至更具体地大于或等于约95%。
胶带可以位于第一层和第二层的外周(例如,边缘)之间及其附近。胶带可以用作结构粘合剂以在第一层和第二层之间形成空隙,其中可以插入(例如,倾入)液体填充物。胶带可以具有约0.5mm至约10mm、或更具体地约1.0mm至约5.0mm的厚度。胶带可以具有小于或等于层(例如,它应用到其上的层)的总表面积的约50%、或更具体地总表面积的约1%至约40%、并且还更具体地总表面积的约2%至约20%的宽度。粘合剂可以位于第一层和/或第二层的外部40%(从相应层的中心朝向相应层的边缘测定)、或更具体地位于外部25%、并且还更具体地位于外部10%。例如,如果层具有1.0米(m)的宽度,胶带将位于外缘和距离外缘0.4m之间、或更具体地在外缘和距离外缘的0.25m之间、并且还更具体地在外缘和距离外缘的0.1m之间。
如在本文中描述的流体层和/或固化层可以位于空隙30中(例如,液体材料可以通过可以可选地位于第一层第一表面20上的填充孔32插入空隙30中)。排气孔34还可以存在于第一层第一表面20上。在将液体材料插入填充孔32之后,可以关闭填充孔32和排气孔34(例如,使用塞子、按钮(例如,塑料按钮)等)。当将液体材料插入填充孔时,排气孔34可以能够排出产生的气体。
流体层可以包括硅酮流体(即,硅油)且固化层可以包括室温液态硫化填充物(液体填充物)、和/或橡胶或热固性弹性体(TSE)。例如,流体层可以包括室温硅酮硫化填充物(硅酮RTV)和/或硅酮流体、和/或硅橡胶或热固性弹性体(硅酮TSE)、和/或硅酮粘合剂如硅酮胶带。硅酮RTV和硅酮TSE可以进行热固化。例如,硅酮RTV可以可选地包括可以允许更快地室温固化的催化剂,然而硅酮TSE可以在升高的温度(例如,大于或等于60℃)下固化以减少固化时间,或当硅酮TSE包括催化剂时,可以在室温下固化。例如,液体填充物可以具有在将其倾倒入空隙中的过程中不形成肉眼可见的泡沫的粘度,并且可以具有在-40℃至200℃的温度范围内改变了小于或等于200帕斯卡(Pa)的储能模量(G’)。例如,流体层可以由具有在将其倾倒入空隙30的过程中不形成泡沫的粘度的液体以及具有在40℃至200℃的温度范围内偏离小于或等于约1,000的因子(或,更具体地偏离小于或等于约500的因子)的损失模量的液体形成。液体填充物可以在能够用很少的内含物或无包含物填充空隙30的粘度下制备。一旦在空隙30中,液体填充物就会固化,完成PV模块组件10的形成。
在固化之前,固化层通常可以具有小于或等于1,500厘泊、具体地小于或等于1,000厘泊、更具体地小于或等于950厘泊、并且甚至更加具体地小于或等于750厘泊的粘度,但是在固化之前,其通常为大于或等于500厘泊的粘度。例如,在固化之前,固化层可以具有小于或等于1,500厘泊、但大于或等于500厘泊的粘度。
如所提及的,第一层12和/或第二层18可以包括热塑料材料。可以用于第一层12和/或第二层18的可能的热塑性树脂包括,但不限于低聚物,聚合物,离子聚合物,树枝状聚合物,共聚物如嵌段共聚物、接枝共聚物、星型嵌段共聚物、无规共聚物、以及包括具有用于PV应用的期望的光学性能的上述的至少一种的组合。这类热塑性树脂的实例包括,但不限于聚碳酸酯类(例如,聚碳酸酯-聚丁二烯混合物、聚碳酸酯的混合物、共聚酯聚碳酸酯)、聚苯乙烯类(例如,聚碳酸酯和苯乙烯的共聚物)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯、聚苯醚-聚苯乙烯树脂、聚烷基丙烯酸甲酯类(例如,聚(甲基丙烯酸甲酯))、聚酯(例如,共聚酯、聚硫酯)、聚烯烃类(例如,聚丙烯和聚乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯)、聚酰胺类(例如,聚酰胺亚胺)、聚醚类(例如,聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚砜)、以及包括上述的至少一种的组合。
更具体地,用于第一层12和/或第二层18的热塑料材料可以包括,但不限于聚碳酸酯树脂(例如,可商购自SABIC Innovative Plastics的LEXAN*树脂)、聚苯醚-聚苯乙烯树脂(例如,可商购自SABIC InnovativePlastics的NORYL*树脂)、聚醚酰亚胺树脂(例如,可商购自SABICInnovative Plastics的ULTEM*树脂)、聚对苯二甲酸丁二酯-聚碳酸酯树脂(例如,可商购自SABIC Innovative Plastics的XENOY*树脂)、共聚酯碳酸酯树脂(例如,可商购自SABIC Innovative Plastics的LEXAN*SLX树脂)、以及包括上述树脂的至少一种的组合。甚至更具体地,热塑性树脂可包括,但不限于聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚苯醚、或包含上述树脂的至少一种的组合的均聚物和共聚物。聚碳酸酯可以包括聚碳酸酯的共聚物(例如,聚碳酸酯-聚硅氧烷类如聚碳酸酯-聚硅氧烷嵌段共聚物)、直链聚碳酸酯、支链聚碳酸酯、封端的聚碳酸酯(例如,腈封端的聚碳酸酯)、以及包括上述的至少一种的组合,例如支链和直链聚碳酸酯的组合。
第一层12和/或第二层18可以包括通常结合到这种类型的聚合物组合物中的多种添加剂,条件是选择添加剂以并不显著地不利地影响PV模块组件10的期望性能,尤其是能量产率和重量减轻。
可以包括在PV模块的多个层中的添加剂的实例包括光学效应填料、抗冲击改性剂、填料、增强剂、抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂、紫外(UV)光稳定剂、增塑剂、滑润剂、脱模剂、抗静电剂、着色剂(如碳黑和有机染料)、表面效应添加剂、辐射稳定剂(例如,红外吸收)、γ稳定剂、阻燃剂、以及抗滴落剂。可以使用添加剂的组合,例如,热稳定剂、脱模剂、和紫外光稳定剂的组合。一般而言,以通常已知有效的量使用添加剂。基于PV模块组件10和/或添加剂结合到其中的层的总重量,这些添加剂的每一种能够以0.0001至10重量百分数(wt.%)、0.001wt.%至5wt.%的量存在。
第一层12和/或第二层18可以可选地包括阻燃剂。阻燃剂包括有机和/或无机材料。有机化合物包括,例如磷、磺酸盐、和/或卤代物质(例如,包括溴、氯等,如溴化聚碳酸酯)。非溴化和非氯化的含磷阻燃添加剂可以优选用于某些应用中(为了调控原因),例如包含磷-氮键的有机磷酸酯和有机化合物。
无机阻燃剂包括,例如C1-16烷基磺酸盐如全氟丁烷磺酸钾(Rimar盐)、全氟辛烷磺酸钾、全氟己烷磺酸四乙基铵、以及二苯砜磺酸钾(例如,KSS);盐类如Na2CO3、K2CO3、MgCO3、CaCO3、和BaCO3;或氟阴离子络合物如Li3AlF6、BaSiF6、KBF4、K3AlF6、KAlF4、K2SiF6、和/或Na3AlF6。当存在无机阻燃剂盐时,基于它包含在其中的PV模块组件10的层(即,第一层12或第二层18)的总组合物的100重量份(除了任何填料以外),无机阻燃剂盐能够以0.01至10重量份、更具体地以0.02至1重量份的量存在。
抗滴落剂也可以用于形成第一层12和/或第二层18的组合物中,例如形成氟化聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)的小纤维。抗滴落剂可以被刚性共聚物,例如苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)包封。SAN中包封的PTFE被称作TSAN。基于包封的氟化聚合物的总重量,示例性TSAN包括50wt.%的PTFE和50wt.%的SAN。基于共聚物的总重量,SAN可以包括,例如75wt.%的苯乙烯和25wt.%的丙烯腈。基于特定层的总组合物的100重量份(除任何填料之外),能够以0.1至10重量份的量使用抗滴落剂。
在图3中,示出了PV模块组件10。如在图3中示出的,流体层36(例如,硅油)和/或固化层38(例如,硅酮RTV和/或硅酮TSE)可以分散在第一层12和PV电池14之间,从而包封PV电池14。可以通过另外的粘合剂16(例如,室温硫化(RTV)和/或硅酮凝胶,其中,当将RTV用作粘合剂时,除了这种用途之外,RTV还用作封装剂)将PV电池14可选地连接至第二层18。在液体填充物如室温硫化填充物用作固化层38的实施方式中,粘合剂16是可选的。图4示出了图3的PV模块组件的另一个视图。一体式硅油罐可以位于第二层18的下面且可以提供热虹吸效应。使用具有低粘度(例如,小于或等于1,000厘泊)的流体层可以使得热量能够通过热虹吸原理(即,热油比冷油更轻,使得热油上升至顶部)从PV电池传递至大气。
PV电池的实例包括单晶硅、多晶硅、无定型硅、硅串联电池、铜铟镓硒化物(CIGS)、碲化镉(CdTe)、和有机电池、以及包括上述的至少一种的组合。各种类型的电池对于防潮具有不同的要求,从仅抵抗液态水的保护至抵抗水蒸汽的高效保护变化,使得防潮阻挡层是可选的。
PV电池可以由p-i-n半导体材料层形成。可选地,其每个层可以由半导体合金材料(例如,这种合金材料的薄膜)依次形成。在一个实施方式中,p-i-n型PV装置如太阳能电池可以包括单独的p-i-n型电池。在最下面的电池以下可以是基板(例如,透明基板)或包括金属材料如不锈钢、铝、钽、钼、铬、或嵌入在绝缘体内部的金属颗粒(金属陶瓷)的基板。在一些应用中,在沉积无定型半导体合金材料之前,存在薄氧化物层和/或一系列基底接触。
每个电池都可以由包括硅和氢的薄膜半导体合金材料的本体制造。半导体合金材料的每个本体包括半导体合金材料的n型层、半导体合金材料的实质性本征层、以及半导体合金材料的p型层。本征层可以包括痕量的n型或p型掺杂材料而并不丧失其特征的中性,因此可以将其称为“实质性本征层”。
而且,尽管描述了p-i-n型光电电池,所述方法和材料也可以用于生产单个或多个n-i-p型太阳能电池、p-n型电池或装置、肖特基势垒装置、以及其他半导体元件和/或装置如二极管、存储器阵列、光敏电阻器、光检测器、晶体管等。如在本文中使用的,术语“p-i-n型”定义为包括可操作地设置以提供用于响应于入射辐射光子的吸收产生电荷载体的光敏区域的n、i、和p层的任何积聚。
PV电池14将光能转换为电能。可以使用一些不同类型的PV电池14。合适的本体技术PV电池14包括无定形硅电池、多晶硅电池、以及单晶硅电池。合适的薄膜技术PV电池14包括碲化镉电池、铜铟硒化物电池、砷化镓或铟硒化物电池、以及铜铟镓硒化物电池。在具体实施方式中,PV电池是多晶硅PV电池或单晶硅PV电池。
通常,每种类型的PV电池都具有“最佳点(sweet spot)”,或波长(光能)范围(其最有效地转化为电能)。可以选择PV电池以使其最佳点尽可能地匹配通过涂层、第一层、以及硅油组合的透射光。例如,多晶硅光电池或单晶硅PV电池的最佳点为约700纳米至约1100纳米。
电池的生产方法可以影响PV电池的效率。当与激光引导的水切割相比通过使用30微米金刚石锯切割来产生PV电池时,可以将PV电池的效率提高1%。例如,可以使用在30,000rpm下操作的DISCO DAD321切割器(可从Disco公司获得)来生产PV电池。还参见美国专利号4,097,310,在此通过引用将其公开内容全部并入本文中。通常,期望PV电池具有光滑边缘和表面而不是粗糙边缘和表面。PV电池的尺寸(例如,长度和宽度)和形状可以改变。形状可以包括多种多边形设计如正方形、矩形等。长度和宽度可以各自达到约200毫米(mm)、具体地100mm至175mm。示例性尺寸包括约100毫米(mm)乘以约100mm、约125mm乘以约125mm、约150mm乘以约150mm、约156mm乘以约156mm、约175mm乘以约175mm、以及约200mm乘以约200mm、约100mm乘以约175mm、以及约125mm乘以约150mm。
通常,PV模块包括第一层、第二层、PV电池、第一层和PV电池之间的流体层和/或固化层、PV电池和第二层之间的流体层和/或固化层、第二层和PV电池之间可选的粘合剂(例如,凝胶)、以及背衬材料。固化层可以可选地包括可固化的材料如聚(乙烯乙酸乙烯酯)(EVA)、硅酮(例如,硅酮RTV、硅酮TSE等)、热塑料材料(如脂肪族聚氨酯和/或聚烯烃离子聚合物)、以及包括上述的至少一种的组合。流体层可以包括如之前所描述的硅油。可以基于透明性、粘附力、以及提供给PV电池的机械保护,来选择用于流体层和/或固化层的材料。
可以根据PV模块的期望的最终应用,来选择背衬材料。例如,柔性PV模块可以使用聚合物膜背衬材料,而晶体硅电池可以使用刚性背衬材料。
第一层和第二层可以使用各种附连技术彼此连接。例如,第一层和第二层可以用粘合剂(如胶水或胶带),和/或甚至通过使用焊接(且可以为组装的PV模块提供额外的刚度)连接。PV电池通常可以分散在第一层和第二层之间。流体层和/或固化层可以位于第一层第二表面和PV电池之间并可以用作在第一层和PV电池之间提供光耦合的封装剂,同时将它们机械去耦联。流体层和/或固化层可以另外地有助于将热量传送出PV电池至大气,导致随时间流逝PV模块的较高效率。如之前描述的,第二层可以完全地与包括但不限于接线盒、安装点、以及微逆变器的PV模块组件的其他特征结合。可以通过结合在第二层中的空气动力学特征来产生用于冷却PV模块的紊流气流。空气动力学特征可以包括,但不限于鳍片、肋材、挡板、以及包括上述的至少一种的组合。第一层可以可选地纹理化以降低远离PV模块的光反射,从而提高PV模块的阳光吸收率。在第二层中具有纹理化的第一层和/或空气动力学特征的这种设计可以允许在PV模块的寿命期间,在不同的情况下(如以一定角度进入的太阳光、高环境温度、以及局部阴影)能够具有较高的能量产率。
与其中玻璃作为一层或两层存在的PV模块组件相比,第一层和第二层可以形成刚性且较轻的结构。例如,当第一层和第二层各自独立地包括塑料材料且第二层另外地包括含有接线盒、电缆、控制器、和安装点的集成组件时,可以减少PV模块组件的生产时间和组装时间。通常,第二层可以用作PV模块组件的结构层。当如本文中公开的第二层包括塑料材料时,第二层可以可选地包括含有肋材和/或空心截面的多层片材以增加第二层的刚度。第二层还可以包括填料如玻璃或矿物填料以增加第二层的结构完整性和/或刚度。如所提及的,流体层例如硅油,和/或固化层例如硅酮室温硫化填充物可以位于第一层和PV电池之间,并且可选地位于PV电池和第二层之间以保护PV电池避免水份并在第一层和PV电池之间提供光耦合。PV电池可以通过任何方法粘附至第二层。例如,位于面向第二层的PV电池侧面上的可选粘合剂(例如,硅酮凝胶垫或PV电池支架)可以用于将PV电池粘附至第二层。可替换地或除此之外,集成特征如在第一和/或第二层中的卡扣配合连接或距离支架可以用于将PV电池保持就位,而不使电池产生应变。模制在第二层和/或第一层上的整体式支撑螺栓还可以用于将PV电池保持就位。在另一个可替代方案中,室温硫化硅酮可以用于将PV电池粘附至第二层。在又一个实施方式中,室温硫化硅酮可以用作在无流体层条件下的固化层,起到作为PV电池周围的封装剂和将PV电池粘附至第二层的双重目的。
如所提及的,第一层可以包括塑料材料如聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚酰胺、以及包括上述的至少一种的组合。塑料材料用于第一层可以允许结合光学结构如菲涅耳透镜以增加捕捉到的光的量。结合多种特性如流体层附近的第一层表面上的三角形可以捕捉PV电池之间的光(其通常将会损失掉)。使用具有低粘度(例如,小于或等于1,500厘泊)的流体层和/或固化层可以允许通过热虹吸原理(即,热油比冷油更轻,从而热油上升至顶部)将热量从PV电池传递至大气。正如前面提到的那样,结合在第二层中的空气动力学特性在面向PV模块组件附连到其上的结构(例如,屋顶)的第二层的表面上生成了紊流气流。紊流气流可以允许PV电池在较低的温度下运行,从而提高了PV模块的效率。在一个实施方式中,可以选择流体层和/或固化层使得这些层的折射率(RI)的值接近第一层的RI,因此限制流体层和/或固化层和第一层之间的光损失,并且进一步提高PV模块的效率。例如,聚碳酸酯的RI为约1.58且硅油的RI为约1.4。在一个实施方式中,第一层材料的折射率可以在流体层材料的折射率的15%之内。可以期望调节流体层材料和/或固化层材料的RI,使得其更接近第一层材料的RI值(例如,更接近聚碳酸酯的RI值)。
模块的总尺寸是用于制备模块的方法(如注射模制)的函数。模块的总尺寸可以是1.0米(m)乘以1.0m、具体地0.7m乘以1.0m。如之前所描述的,模块中单独的PV电池的尺寸可以为约125mm乘以约125mm、具体地约156mm乘以约156mm。第一层和第二层的厚度可以各自为约1mm至约25mm、具体地约2mm至约8mm、更具体地约3mm至约6mm、并且甚至更加具体地约3mm。第一层和第二层的厚度可以相同或不同。固化层和/或流体层的厚度可以为约0.5mm至约6mm、具体地约1mm至约5mm、更具体地约2mm至约4mm、并且甚至更加具体地约2.5mm至约3.5mm。
使用如在本文中所描述的PV模块组件中的流体层和/或固化层提供了一些优点。首先,在第一层、流体层、以及PV电池之间不存在粘附问题。其次,水蒸汽不会在焊接缝上冷凝且不会影响光透射。第三,与使用乙烯乙酸乙烯酯(EVA)层相比,流体层和/或固化层材料为固有地紫外(UV)光稳定的且不会随时间退化。第四,与使用硅油作为流体层相关,在PV模块的使用寿命之后,还可以收集并重复使用硅油。
PV模块还可以包括具有分散在第一层的最外层表面上的涂层(例如硅酮硬涂层和/或等离子涂层)的第一层。等离子涂层(例如,可商购自EXATEC LLC的EXATEC*E900涂层)确保PV模块可以在某个时间段例如20年内起作用。在一个实施方式中,当第一层和第二层包括聚碳酸酯时,第一层和第二层之一或两者可以包括可以含有硅酮硬涂层和/或等离子体处理过程的平面化层和/或有机-无机组合物阻挡层涂层。阻挡层涂层(可以是有梯度或无梯度的)可以包括组成基本上为有机物的区域和组成基本上为无机物的区域。在美国专利号7,449,246中描述了一些示例性有机-无机组合物阻挡层涂层。用于有机-无机阻挡层的示例性涂层组合物是有机、陶瓷、和/或无机材料、以及包括上述的至少一种的组合。这些材料可以是反应等离子体物质的反应产物或重组产物并沉积在基板表面上。根据反应物的类型,有机涂层材料通常包括碳、氢、氧、以及可选地其他元素如硫、氮、硅等。在涂层中产生有机组合物的示例性反应物是具有达到15个碳原子的直链或支链烷类、烯烃类、炔类、醇类、醛类、醚类、烯基氧化物类、芳族类、硅酮等。无机和陶瓷涂层材料通常包括氧化物;氮化物;碳化物;硼化物;或包括上述第IIA、IIIA、IVA、VA、VIA、VIIA、IB、以及IIB族元素的至少一种的组合;第IIIB、IVB、以及VB族金属;以及稀土金属。例如,阻挡层涂层可以具有沿着光透射轴线基本上均匀的光学性能,所述轴线基本上垂直于涂层的表面定向。
例如,通过由硅烷(SiH4)和有机材料如甲烷或二甲苯产生的等离子体的重组,可以将碳化硅沉积在基板(例如,第一层或第二层)上。硅碳氧化物可以由从硅烷、甲烷、以及氧气或硅烷和环氧丙烷产生的等离子体沉积。硅碳氧化物还可以由从有机硅酮前体如四乙氧基硅烷(TEOS)、六甲基二硅氧烷(HMDSO)、六甲基二硅氮烷(HMDSN)、或八甲基化环四硅氧烷(D4)产生的等离子体沉积。氮化硅可以由从硅烷和氨产生的等离子体沉积。碳氮氧化铝可以由从酒石酸铝和氨的混合物产生的等离子体沉积。可以选择反应物的其他组合以获得期望的涂层组合物。在将反应产物沉积以形成涂层的过程中,通过改变进料至反应器腔室中的反应物的组成来获得涂层的梯度组合物。
阻挡层涂层可以具有如在25℃下使用含有21vol%氧气的气体测定的氧通过阻挡层涂层的小于或等于0.1立方厘米/(平方米·天)(cm3/(m2·天))的透射率。水蒸气透过性可以为如在25℃下使用具有100%相对湿度的气体测定的小于约0.01克/(平方米·天)(g/(m2·天))。
可以通过多种方法如化学气相沉积(例如,等离子体增强化学气相沉积、射频等离子体增强化学气相沉积、膨胀热等离子体化学气相沉积、电子回旋加速器共振等离子体增强化学气相沉积、以及电感耦合等离子体增强化学气相沉积)、溅射(例如,反应溅射)等、以及包括上述的至少一种的组合,将阻挡层施加至聚合物膜。美国专利号7,015,640和美国专利公开号2006/0001040中描述了一些这类方法。
平面化层可以包括树脂如环氧类树脂(环脂族树脂)、丙烯酸类树脂、硅酮树脂、以及包括上述的至少一种的组合。平面化层的一个实例是UV固化的丙烯酸胶体硅涂层如可商购自SABIC Innovative Plastics的Specialty Film和Sheet business unit的LEXAN*HP-H UV固化的丙烯酸胶体硅涂层。平面化层和/或其他涂层可以进一步包括添加剂如柔性剂、粘合促进剂、表面活性剂、催化剂、以及包括以上的至少一种的组合。在一些实施方式中,平面化层厚度可以是1纳米(nm)至100微米(μm)。通常,平面化层厚度可以是100nm至10μm、具体地是500nm至5μm。
平面化层基本上可以是光滑的且基本上没有缺陷。术语“平均表面粗糙度”Ra定义为在评价长度上所测定的粗糙度曲线的绝对值的整数。术语“峰表面粗糙度”Rp是在评价长度上在粗糙度曲线中最高峰的高度。术语“基本上光滑”是指平均表面粗糙度Ra小于或等于4nm、具体地小于或等于2nm、并且更加具体地小于或等于0.75nm。峰表面粗糙度Rp可以小于或等于10nm、具体地小于或等于7nm、并且更加具体地小于或等于5.5nm。基本上无缺陷是指点缺陷的数目小于或等于100/平方毫米(mm2)、具体地小于或等于10/mm2、并且更加具体地小于或等于1/mm2。
应用这些层产生第一层和/或第二层的非常坚硬的、UV稳定的、且防潮的外表面,同时保留了聚碳酸酯的冲击性能。
还考虑了本文中公开的制备PV模块组件的方法。例如,在一个实施方式中,制备PV模块组件的方法可以包括:将光电电池设置在第一层(其中第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面)和第二层(其中第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面)之间。第一层可以是透明的且可以包括塑料材料。第二层也可以包括塑料材料。连接层(例如,胶带,其还可以用作结构粘合剂)可以附连至第二层,然后附连至第一层(或反之亦然),其中,连接层可以在第一层第二表面和第二层第一表面之间形成空隙。连接层可以设置在第一层和第二层的表面之间且与它们物理接触。例如,连接层可以设置在第一层第二表面和第二层第一表面之间并与它们物理接触。一旦第一层和第二层已经附连,可以将液体填充物插入空隙中以形成流体层和/或固化层。在固化之前,固化层可以是具有小于或等于1,500厘泊的粘度的液体,其中在插入空隙之后或插入第一层和第二层之间之后,将固化层固化。
第一层还可以可选地包括填充孔和排气孔以便于将液体填充物插入空隙中,其中在将液体填充物插入空隙中之后可以将填充孔和排气孔密封。填充孔和排气孔可以可选地用塑料按钮密封。在将液体填充物插入空隙之前,可以将光电电池的电器部件嵌入连接层。在附连连接层之前,可以将接线盒、控制器、电缆、以及微逆变器结合到第二层中。在固化之前,液体填充物可以具有小于或等于1,500厘泊的粘度。
PV模块作为整体可以设计成满足数种保险商实验室(UL)和国际电工委员会(IEC)标准。表1列出了PV模块组件的各种部件及可以设计的每种部件需满足的测试。
例如,PV电池可以设计成满足UL1703版本3-2008的条款7.3和7.4。UL1703的条款7.3说明聚合物基板或上层应该具有如根据聚合材料标准-长期性能评估,UL746B测定的热冲击指数(热指数,thermal index)(电子和机械),为不低于90℃(194°F)。此外,热冲击指数不应低于材料的测定操作温度以上的20℃(36°F)。所有其他聚合材料应该具有测定操作温度以上20℃的热冲击指数(电子和机械)。测定的操作温度为在用于温度测试(第19章节)的开路模式过程中测定的温度,或是短路模式过程中的温度,这两个温度无论哪个都较高。条款7.4说明了用作模块或面板的外部外壳的聚合材料(其:a)预期安装在多模块或多面板系统中;或b)具有大于10平方英尺(ft2)(0.93平方米(m2))的暴露表面积,或大于6英尺(ft)(1.83米(m))的单独尺寸)应该具有在如根据ASTM E162-2001,使用辐射热能源用于材料表面可燃性测试的标准方法下测定的100以下的火焰蔓延指数。
还可以将PV模块组件设计成满足UL1703的条款30中提出的描述冲击试验的要求。为了通过试验,当如以下描述冲击模块时,不应该存在如在章节15中定义的(未绝缘的带电部分的可触及性)可触及的带电部分。上层材料的破坏是可接受的,条件是不存在从它们的正常安装位置释放的6.5平方厘米(cm2)中大于1平方厘米的颗粒。冲击试验描述在以下UL1703的条款30.3中,模块或面板以代表它们的预期用途的方式安装,并且经受5英尺磅(ft-lb)(6.78焦耳(J))垂直于表面的冲击(由重量为1.18磅(lb)(535克(g))的2英寸(51毫米(mm))直径光滑钢球降落51英寸(1.295m)的距离而产生)。在认为最容易损坏的任何点处冲击模块或面板。如果模块或面板的结构不允许其被自由降落的球体从上部自由冲击,通过细绳悬挂球体并允许其作为钟摆降落通过51英寸(1.295m)的垂直距离,冲击方向与表面垂直。对于聚合物接线盒,在25摄氏度(℃)(77°华氏度(F))下,并且在冷却并在负35.0±2.0℃(负31.0±3.6°F)的温度下保持3小时之后在外壳上进行。
IEC61215版本2-2005提供了针对通常在户外气候中适合长期操作的地面光电模块的设计合格和类型批准的要求。IEC61215的条款10.11提供了用于光电组件的热循环试验。对模块进行热循环试验,其中温度从-40℃±2℃至85℃±2℃循环,并且每次循环不超过6小时且总循环时间是1,000小时。本文中公开的光电模块组件在暴露于-40℃±2℃至85℃±2℃的热循环1,000小时之后,可以保持大于或等于95%的最大功率输出。IEC61215的条款10.12提供了湿度-冷冻试验用于测定模块承受高温和多湿随后为零下温度的作用的能力。模块进行85%相对湿度±5%的循环20分钟以及2至4小时的恢复时间。在对模块进行评价以确定与试验之前测定的值相比是否最大输出功率降低大于5%之前,进行10次这种循环。如果这样,认为模块测试失败。IEC61215的条款10.13提供了在85℃±2℃具有85%相对湿度±5%的条件下在根据IEC60068-2-3能够进行试验的恒温恒湿箱中进行湿热试验。该试验的目的是通过施加上述条件1,000小时,来测定模块承受长期暴露于潮湿渗透的能力。该试验的严重性尤其挑战层压过程以及边缘密封以避免湿度。由于潮湿渗透,可以观察到电池部件的分层和腐蚀。
IEC61646版本2-2008提供了如在IEC60721-2-1中定义的针对通常在户外气候中适合长期操作的地面薄膜光电模块的设计合格和类型批准的要求。IEC62108描述了如在IEC60721-2-1中定义的针对通常在户外气候中适合长期操作的聚光光电模块(concentrator photovoltaic module)和组件的设计合格和类型批准的要求。IEC61701测定了模块针对来自盐雾的腐蚀的耐受性,在高腐蚀性潮湿空气如海洋环境和临时腐蚀性气氛下观察,所述气氛还存在于冬季时期使用盐以在街道和道路上溶化冰形成物的地方。
通过以下非限制性实例进一步说明如在本文中描述的PV模块组件。
实施例
实施例1:
制备PV模块组件并测试其各种物理性能以帮助确定用于PV模块组件的材料的可接受的组合。模块组件为20cm乘以30cm,具有包括具有25mm厚度的聚碳酸酯多层片材(LEXAN*Thermoclear,可商购自SABICInnovative Plastics)的第二层和包括具有3mm至5mm厚度的UV保护的聚碳酸酯片材(LEXAN EXELL*D,可商购自SABIC Innovative Plastics)的第一层(如在表3中显示)。模块的总厚度根据第一层的厚度而改变。第一层的厚度在样品之间变化(如表2中示出)。在这些样品中,一个PV电池封装在聚碳酸酯第一层、固化层(例如,封装剂)、以及聚碳酸酯第二层之间。表2包括使用材料的说明,而表3列出了用于检测的单个组件的成分。聚碳酸酯1(PC1)是上述的UV保护的聚碳酸酯片材,其是在片材两侧具有UV保护以在片材两侧提供耐候性的透明的聚碳酸酯片材。
硅酮室温硫化填充物1(硅酮RTV1)是固化以形成非常软的凝胶状弹性体的低粘度液体硅酮。硅酮RTV1是可以提供无底漆粘合至各种基板的澄清的、无溶剂的、双组分材料。硅酮RTV1在室温下固化,其中固化时间可以大于24小时。硅橡胶或热固性弹性体1(硅酮TSE1)是在80℃下1小时内固化的双组分橡胶或热固性弹性体(TSE)硅酮。硅酮TSE1具有可以增强流动以及填充在窄小空间中和复杂几何形状周围的低粘度。硅酮TSE1还可以提供无底漆粘结至各种基板并在室温下具有较长的工作时间。硅橡胶或热固性弹性体2(硅酮TSE2)是在60℃至80℃下固化的双组分TSE硅酮。底漆1是提供作为处于挥发性硅氧烷中的潮湿反应物质的稀溶液的风干底漆,并且可以用于改善针对室温硫化硅酮密封剂至各种常见无孔基板的粘附发展的质量和速度。
还检测了比较PV模块组件。比较样品1至4(C1至C4)包括具有4mm厚度的玻璃第一层、具有1mm厚度嵌有PV电池的EVA封装剂、以及聚四氟乙烯-聚对苯二甲酸乙二酯第二层。PV模块组件为20cm乘以30cm。
在样品1至6中,通过将连接层(例如,间隔胶带(spacer tape))施加在第二层的周边上以生成待填充的空隙来生成组件。连接层还用作结构粘合剂。胶带两侧具有粘性,使得其充分粘结至第一层和第二层。PV电池的连接线包埋在胶带中,密封导线。在将第一层附连至第二层之前,在第一层中钻两个孔。一个孔用于填充(例如,将封装剂(即,液体填充物)插入第一层、第二层、以及PV电池之间的区域中)且一个孔用于排气。在将第一层附连至第二层之后,用封装剂填充第一层和第二层之间的开发空间(例如,空腔)。一旦填充,将填充孔和排气孔密封(例如,用塑料按钮等)。
根据如之前描述的IEC61215条款10.13,对模块进行湿热试验。样品1至6通过湿热试验,是指在经历85℃±2℃和85%±5%相对湿度1,000小时之后,没有观察到较大视觉缺陷(例如,分层、起泡、斑点等)的证据。样品7具有优异的填充质量,是指在视觉检查时,没有分层斑点或泡沫,但是在升高固化温度时粘合剂1和TSE1彼此反应,导致在胶带连接区域的边缘形成气泡,从而导致湿热试验失败。在样品8中,替代粘合剂1,使用粘合剂2来解决这个问题。样品8也通过了如在之前描述的,如在IEC条款10.11(热循环)和条款10.13(湿热)中提出的湿热试验和热循环试验。由于观察到TSE2本身不能充份地粘附至聚碳酸酯,样品9另外地包括底漆以便能够通过湿热试验。然而,使用底漆1导致聚碳酸酯变白,对于PV模块组件的第一层这不是期望的。
在表4中,示出了在针对湿热试验预处理之后,PV模块组件电流测量的结果。
如在表4中可以看出,在针对湿热试验预处理之后,样品1至6的电流(I)(以安培(A)测定)可以与针对C1至C4测定的电流相比较,表明本文中公开的组件可以提供玻璃模块的替代物。与样品4和6没有裂缝以及C1至C4没有裂缝相比较,在样品1、2、3、和5中观察到电池中的裂缝。
实施例2
在该实施例中,8光电模块组件用一个晶体硅PV电池、第一层、以及第二层构建。样品10至17的每一个的第一层包括由含有聚碳酸酯(LEXAN*LS2或LEXAN*DSS1259,可商购自SABIC Innovative Plastics)的组合物制备的片材并且第二层组分在含有聚碳酸酯(LEXAN*101,可商购自SABIC Innovative Plastics)的片材或含有聚苯醚和聚苯乙烯片材(PPE,NORYL*V0150B,可商购自SABIC Innovative Plastics)的混合物的片材之间改变。在组装PV模块组件的部件之后,通过第一层中的开孔用硅酮流体(MomentiveTMSF96-100)填充样品。第一层中的另一个开孔用于通气(即,排气)。表5描述了材料组成,而表6示出了PV模块组件的部件。通过如在表6中示出的胶粘或激光焊接来完成模块的组装。
使用在第一层的最外层表面上的等离子体沉积的EXATEC*E900涂层,由包括PC1的注射模制的第一层制备样品10。使用在第一层的最外层表面上的硅酮硬涂层,由包括PC2的挤出的第一层制备样品11至17。样品10、11、12、16、和17具有聚碳酸酯第二层,而样品13、14和15具有聚苯醚/聚苯乙烯第二层。比较样品5(C5)具有玻璃第一层和聚氟乙烯第二层。样品10-12的第一层和第二层用单部分的中性烷氧基固化硅酮密封剂彼此粘合,样品13-15的第一层和第二层用两部分的甲基丙烯酸酯粘合剂彼此粘合,而样品16和17的第一层和第二层通过激光焊接彼此粘合。
在制备PV模块组件之后,对它们进行包括如在快速检测器中测定的效率的各种测试。在这个测试中,测试模块的效率,然后在85℃±2℃下使用85%相对湿度±5%下经历IEC60068-2-3中提出的条件,之后再次测定其他效率。在此,由于在经历湿热试验条件之后,液体从填充孔和排气孔泄漏,在湿热试验之后并不测定效率。表7中示出了如在湿热试验之前测定的效率。还根据IEC61215的条款10.11版本2-2005测定了热循环,以及如根据IEC61215的条款10.13版本2-2005测定的湿热试验。还目测检查了(即,通过人的裸眼)PV模块组件的电池和/或模块破坏。IEC61215的条款10.11提供了用于光电组件的热循环试验。对模块进行热循环试验,其中温度从-40℃±2℃至85℃±2℃循环,并且每次循环不超过6小时且总循环时间是1,000小时。IEC61215的条款10.13提供了在85℃±2℃使用85%相对湿度±5%的条件下能够根据IEC60068-2-3进行试验的恒温恒湿箱中进行湿热试验。该试验的目的是通过施加上述条件1,000小时,测定模块承受长期暴露于潮湿渗透的能力。该试验的严重性尤其挑战层压过程和边缘密封以避免潮湿。由于潮湿渗透,可以观察电池部件的分层和腐蚀。
如在表7中可以看出,在样品10至17中,在热循环和湿热条件过程中硅酮流体从填充口和排气口泄漏,使得不能测定循环之后的效率。表7中的TC100是指热循环100次,而DH500是指湿热条件持续500小时。如在表7中可以看出的,在测试之后没有出现电池或模块破坏(即,没有分层),并且模块的效率类似于C5的效率。
与包含玻璃第一层和/或铝框架的PV模块的13kg/m2相比,本文中公开的PV模块组件可以设计成重量为约10千克/平方米(kg/m2)。可以通过各种方法如注射模制、挤出、旋转模制、吹塑、和热成型由热塑性组合物形成PV模块的层。在一个实施方式中,通过注射模制实现成型。注射模制允许大规模生产模块,而不需要在包括玻璃第一层的模块中使用的层压过程。因此,PV模块的组装时间可以从大于或等于20分钟降低至约1分钟至约5分钟、具体地约2分钟至约3分钟。由于PV模块更轻且如所提及的结合允许其易于安装的一体化安装点,PV模块组件的安装可以更加容易且耗时更少。另外地,使用微逆变器可以使得系统能够即插即用,并且在不需要单独的逆变器安装步骤的情况下起作用。由于更快的安装时间,以及部分由于接线盒和逆变器的结合导致的较短的安装时间,使得PV模块组件的全部成本可以降低约10%。例如,由于局部阴影引起的模块的总产率、模块的非理想放置、或较高的室温,将比其他模块更高,将进一步将PV模块的成本降低20%。例如,与其他模块相比,模块的总产率可以高出大于或等于10%、具体地高出大于或等于20%、更具体地大于或等于25%、甚至更加具体地大于或等于50%、并且还更加具体地高出大于或等于75%。可以在模块的再循环能力方面发现本文中披露的PV模块组件的另外的优点。例如,在20年的使用寿命之后,模块可以容易地分解且PV电池回收并且重新装配用于新模块的组件。在新的第二层或结构支撑部分中,可以重新研磨和重复使用第一层和第二层。最后,包括硅酮流体的流体层可以在新模块中回收和重复使用。
PV模块组件能够以各种方式用于太阳能生产应用,如建筑物正面、屋顶上(如天窗或屋瓦)、高速公路/铁路音障、温室、两用玻璃窗、和商业建筑。
在一个实施方式中,光电模块组件,包括:光电电池;包括塑料材料的透明的第一层,其中所述第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面;第二层,其中所述第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面,其中光电电池位于第一层第二表面和第二层第一表面之间;以及第一层第二表面和第二层第一表面之间的固化层,其中在固化之前,固化层是具有小于或等于1,500厘泊粘度的流体。在一个实施方式中,光电模块组件,包括:光电电池;包括塑料材料的透明的第一层,其中所述第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面;包括塑料材料的第二层,其中所述第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面,其中光电电池位于第一层第二表面和第二层第一表面之间;设置在第一层第二表面和第二层第一表面之间的连接层,其中,连接层在第一层第一表面和第二层第二表面之间形成空隙,其中光电电池位于连接层中;以及空隙中的固化层,在第一层和光电电池之间。
在一个实施方式中,制造光电模块组件的方法,包括:将光电电池设置在具有第一层第一表面及第一层第二表面的第一层和具有第二层第一表面及第二层第二表面的第二层之间,其中第一层是透明的且包括塑料材料,并且其中第二层包括塑料材料;以及将液体填充物插入第一层和第二层之间,其中,在固化之前,液体填充物具有小于或等于1,500厘泊的粘度;以及固化液体填充物。
在各种实施方式中,(i)光电模块组件进一步包括设置在第一层第二表面和第二层第一表面之间并与它们物理接触的连接层,其中,连接层在第一层第一表面和第二层第二表面之间形成空隙;和/或(ii)固化层包括室温硫化填充物;和/或(iii)室温硫化填充物包括室温硫化硅酮和/或硅酮热固性弹性体;和/或(iv)连接层包括丙烯酸泡沫胶带;和/或(v)在固化之前,固化层是具有小于或等于1,5000厘泊粘度的液体;和/或(vi)组件进一步包括设置在第一层第一表面和/或第二层第二表面上的涂层,其中,涂层包括硅酮硬涂层、等离子体涂层、以及包括上述的至少一种的组合;和/或(vii)第一层和/或第二层包括聚碳酸酯;和/或(viii)第二层包括聚苯醚和聚苯乙烯的混合物;和/或(ix)第一层的折射率在流体层的折射率的15%之内;和/或(x)组件在第二层中进一步包括接线盒、控制器、电缆以及微逆变器;和/或(xi)第二层包括多层片材;和/或(xii)所述方法进一步包括通过连接层将第一层附连至第二层在它们之间形成空隙,其中,连接层设置在第一层第二表面和第二层第一表面之间并与它们物理接触;和/或(xiii)流体层的液体填充物包括室温硫化填充物;和/或(xiv)液体填充物包括室温硫化硅酮;和/或(xv)第一层包括填充孔;和/或(xvi)第一层包括排气孔;和/或(xvii)进一步包括在插入液体填充物之后封闭填充孔和/或排气孔;和/或(xviii)进一步包括在插入液体填充物之前将光电电池的电器部件嵌入连接层中。
在一个实施方式中,光电模块组件包括:光电电池;包括第一层塑料材料的透明的第一层;包括第二层塑料材料的第二层,其中光电电池位于第一层和第二层之间;以及第一层和光电电池之间的流体层,其中,流体层具有0至1,000厘泊的粘度。
在一个实施方式中,制备光电模块组件的方法,包括:将光电电池设置在第一层和第二层之间,其中,第一层是透明的且包括第一层塑料材料,并且其中,第二层包括第二层塑料材料;以及将流体层设置在第一层和光电电池之间,其中,流体层具有0至1,000厘泊的粘度。在各种实施方式中,(i)流体层包括硅油;(ii)光电模块组件进一步包括设置在第一层和/或第二层上的涂层,其中,涂层包括硅硬涂层、等离子体涂层、以及包括上述的至少一种的组合;和/或(iii)第一层和/或第二层包括聚碳酸酯;和/或(iv)第二层包括聚苯醚和聚苯乙烯的混合物;和/或(v)第一层的折射率在流体层的折射率的15%之内;和/或(vi)组件包括如在ASTME162-2001下测定的小于或等于100的火焰蔓延指数;和/或(vii)在暴露于–40℃±2℃至85℃±2℃的热循环不超过6小时之后,组件保持大于或等于95%的最大功率输出,其中总循环时间是1,000小时(根据IEC61215第2版-2005);和/或(viii)组件具有5至10千克/平方米的总重量;和/或(ix)光电模块组件进一步包括在第二层中的接线盒、控制器、电缆、以及微逆变器;和/或(x)通过选自由硅胶垫、在第二层上模制的整体式支撑螺栓、以及包括上述的至少一种的组合组成的组中的支撑将光电电池粘合至第二层;和/或(xi)光电模块组件进一步包括第二层和光电电池之间的第二流体层;和/或(xii)所述方法进一步包括将接线盒、控制器、电缆、以及微逆变器结合在第二层中。
在本文中公开的所有范围包括端点,并且端点可以独立地彼此结合(例如,“达到25wt.%、或更具体地5wt.%至20wt.%”的范围包括端点和“5wt.%至25wt.%”范围的所有中间值”,等等)。“组合物”包括掺混物、混合物、合金、反应产物等。此外,本文中的术语“第一”、“第二”等并不表示任何的顺序、数量、或重要性,而是用于确定一个元件不同于另一个。本文中的术语“一个”和“一种”以及“该”并不表示数量的限制,而应解释为涵盖单数和复数两者,除非本文中另有陈述或通过上下文明显地矛盾。如在本文中使用的后缀“(s)”旨在包括其修饰的术语的单数和复数两者,因此包括该术语的一种或多种(例如,薄膜(film(s))包括一种或多种薄膜)。贯穿说明书提及“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“实施方式”等是指与该实施方式相结合描述的具体元件(例如,性质、结构、和/或特征)包含在本文中所描述的至少一个实施方式中,并且可能或不可能存在于其他实施方式中。此外,应当理解的是所描述的元件能够以任何合适的方式结合到各种的实施方式中。
通过引用将所有引用的专利、专利申请和其他参考文献的全部内容结合于此。然而,如果本申请中的术语与结合的参考文献中的术语相矛盾或冲突,则来自本申请的术语优先于来自结合的参考文献的中的相冲突的术语。
尽管已经描述了具体的实施方式,申请人或本领域其他技术人员可以做出目前无法预料或目前可能无法预料的替代方案、变更、改变、改进、以及实质等效物。因此,提交的且可以修改的所附权利要求旨在包括所有这类替代方案、变更、改变、改进、以及实质等效物。
Claims (30)
1.一种光电模块组件,包括:
光电电池;
包括塑料材料的透明的第一层,其中所述第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面;
第二层,其中所述第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面,其中所述光电电池位于所述第一层第二表面和所述第二层第一表面之间;以及
所述第一层第二表面和所述第二层第一表面之间的固化层,其中在固化之前,所述固化层是具有小于或等于1,500厘泊粘度的流体。
2.根据权利要求1所述的光电模块组件,进一步包括设置在所述第一层第二表面和所述第二层第一表面之间且与它们物理接触的连接层,其中所述连接层在所述第一层第一表面和所述第二层第二表面之间形成空隙。
3.一种光电模块组件,包括:
光电电池;
包括塑料材料的透明的第一层,其中所述第一层具有第一层第一表面和第一层第二表面;
包括塑料材料的第二层,其中所述第二层具有第二层第一表面和第二层第二表面,其中所述光电电池位于所述第一层第二表面和所述第二层第一表面之间;
设置在所述第一层第二表面和所述第二层第一表面之间的连接层,其中所述连接层在所述第一层第一表面和所述第二层第二表面之间形成空隙,其中所述光电电池位于连接层中;以及
位于所述空隙中的固化层,在所述第一层和所述光电电池之间。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述固化层包括室温硫化填充物。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述室温硫化填充物包括室温硫化硅酮和/或硅酮热固性弹性体。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的光电模块组件,其中,在固化之前,所述固化层是具有小于或等于1,500厘泊粘度的流体。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的光电模块组件,进一步包括设置在所述第一层第一表面和/或所述第二层第二表面上的涂层,其中,所述涂层包括硅酮硬涂层、等离子体涂层、以及包括上述的至少一种的组合。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述第一层和/或第二层包括聚碳酸酯。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述第二层包括多层片材。
10.一种制备光电模块组件的方法,包括:
将光电电池设置在具有第一层第一表面及第一层第二表面的第一层和具有第二层第一表面及第二层第二表面的第二层之间,其中,所述第一层是透明的且包括塑料材料,并且其中,所述第二层包括塑料材料;以及
在所述第一层和所述第二层之间插入液体填充物,其中,在固化之前,所述液体填充物具有小于或等于1,500厘泊的粘度;以及
固化所述液体填充物。
11.根据权利要求10所述的方法,进一步包括利用在其间形成空隙的连接层将所述第一层附连至所述第二层,其中,所述连接层设置在所述第一层第二表面和所述第二层第一表面之间并与它们物理接触。
12.根据权利要求10-11中的任一项所述的方法,其中,所述液体填充物包括室温硫化填充物。
13.根据权利要求10-12中的任一项所述的方法,其中,所述液体填充物包括室温硫化硅酮。
14.根据权利要求10-13中的任一项所述的方法,其中,所述第一层包括填充孔。
15.根据权利要求10-14中的任一项所述的方法,其中,所述第一层包括排气孔。
16.根据权利要求10-15中的任一项所述的方法,进一步包括在插入所述液体填充物之后,关闭所述填充孔和/或所述排气孔。
17.根据权利要求10-16中的任一项所述的方法,进一步包括在插入所述液体填充物之前,将所述光电电池的电气部件嵌入所述连接层中。
18.一种光电模块组件,包括:
光电电池;
包括第一层塑料材料的透明的第一层;
包括第二层塑料材料的第二层,其中,所述光电电池位于所述第一层和所述第二层之间;以及
在所述第一层和所述光电电池之间的流体层,其中,所述流体层具有0至1,000厘泊的粘度。
19.根据权利要求18所述的光电模块组件,其中,所述流体层包括硅油。
20.根据权利要求18-19中的任一项所述的光电模块组件,进一步包括设置在所述第一层和/或所述第二层上的涂层,其中,所述涂层包括硅酮硬涂层、等离子体涂层、以及包括上述的至少一种的组合。
21.根据权利要求18-20中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述第一层和/或所述第二层包括聚碳酸酯。
22.根据权利要求18-21中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述第二层包括聚苯醚和聚苯乙烯的混合物。
23.根据权利要求18-22中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述第一层的折射率在所述流体层的折射率的15%之内。
24.根据权利要求18-23中的任一项所述的光电模块组件,其中,所述组件具有5至10千克/平方米的总重量。
25.根据权利要求18-24中的任一项所述的光电模块组件,在所述第二层中进一步包括接线盒、控制器、电缆、以及微逆变器。
26.根据权利要求18-25中的任一项所述的光电模块组件,其中,通过选自由硅胶垫、模制在所述第二层上的整体式支撑螺栓、以及包括上述的至少一种的组合组成的组中的支撑,将所述光电电池附连至所述第二层。
27.根据权利要求18-26中的任一项所述的光电模块组件,进一步包括在所述第二层和所述光电电池之间的第二流体层。
28.一种制备光电模块组件的方法,包括:
在第一层和第二层之间设置光电电池,其中,所述第一层是透明的且包括塑料材料,并且其中,所述第二层包括塑料材料;以及
在所述第一层和所述光电电池之间设置流体层,其中,所述流体层具有0至1,000厘泊的粘度。
29.根据权利要求28所述的方法,其中,所述流体层包括硅油。
30.根据权利要求28-29中的任一项所述的方法,进一步包括将接线盒、控制器、电缆、以及微逆变器结合在所述第二层中。
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