CN103718320B - 薄膜太阳能电池模块以及具有该模块的温室 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种薄膜太阳能电池模块（1），该模块在至少第一波长区基本上是半透明的。该模块包括一个光电层（20），设置用于接收太阳辐射，并将与至少第一波长区不同的至少第二波长区中的太阳辐射转化为电能，该模块还可包括选择性反射层（30），其靠着光电层设置，用于选择性地反射光电层透射的所述第二波长区中的辐射。该模块进一步包括另一光电层（40），用于吸收并将至少第二波长区中的辐射转换为电能，选择性反射层（30）设置在光电层（20）和另一光电层（40）之间，其中，至少第一波长区包括从350nm到500nm的第一波段和从600nm到700nm的第二波段，而第二波长区包括一个从500nm延伸到600nm的波长范围。

Description

薄膜太阳能电池模块以及具有该模块的温室

发明背景

发明领域

本发明涉及一种薄膜太阳能电池模块。

本发明还涉及一种设置有薄膜太阳能电池模块的温室。

相关技术

温室对于植物(比如蔬菜和花卉)的生长非常重要。白天温室中的植物受日光照射，而夜晚（暗时）则使用人造光源。一个重要的问题是，在夜晚时温室照射植物会使用大量的能量。另一方面，白天植物仅吸收日光光谱的某一部分，而日光光谱的余下部分未被使用。

EP2230695公开了一种光伏温室，其包括：主温室框架结构，含有多个竖直壁和由所述竖直壁支撑的屋顶；以及安装在所述屋顶上的至少一个薄膜太阳能电池模块，其通过在光电层中选择性地吸收预先设定的太阳光光波段以将太阳能转换为电能，其中所述被至少一个薄膜太阳能电池模块选择性透射的太阳能包括了促进给定植物的光合作用所需的日光的光波段。

另外也有一些光电模块，其除了具有选择性吸收的光电层之外还具有选择性反射层，其反射带与选择性吸收的光电层的吸收带基本处于相同范围。这样，光电模块的效率就提高了。其实例在Y.Galagan,M.G.Debije,和P.Blom所著《具有有机波长依赖反射器的半透明有机太阳能电池》（应用物理快报98,043302_2011）中有描述。

温室通常设置有附加的光源以在晚上照射室内的植物。这些光源发出的大量辐射作为杂散辐射而逸出，导致“光污染”问题。“光污染”定义为在夜晚过量或突兀的光。在人口稠密的地区，来自温室的“光污染”的问题非常相关。环境中过度的光照会对居住于温室附近的人们的身体健康造成负面影响（比如缺乏睡眠）。希望减小这种光污染，并且将至少一部分杂散辐射转换为电能。从EP2230695所知的薄膜太阳能电池模块即能够转换杂散辐射。然而，其不可能使用除了具有选择性吸收的光电层之外还具有选择性反射层的光电模块。该反射层会在适合光电层波段的杂散辐射到达光电层之前就将其反射。希望可以提供既能够转换从温室外部接收的日光辐射又能够转换从温室内部照明源发出的杂散辐射并仍具有提高的转换效率的光电模块。

值得注意的是，另一个光伏设备已被公开于Lunt等人所著的《用于窗户和能量收集应用的透明的近红外有机光伏太阳能电池》（APPLIEDPHYSICSLETTERS,vol.98,(2011-03-17),113305-1-113305-3页）。Lunt公开了一种具有光伏电池的光伏设备(ITO/MoO3;CIAIPC-C60-;BCP/ITO)，其在光谱的可见光部分是透明的，并具有选择性反射红外波段辐射的反射器DBR。Lunt宣称：“我们注意到在波长为695至910nm的范围内具有99%的高反射率，也使得这些设备对于建筑降温中同时NTR排斥非常有用。”Lunt进一步指出，“通过将子电池串联层叠，并将有源层吸收范围深入到红外波段，该材料在设为几乎相同的可见光透射率的情况下，>2%-3%的效率是可能的。”

发明概要

根据本发明的第一个方面，提供一种改进的薄膜太阳能电池模块，该薄膜太阳能电池模块在至少一个第一波长区中基本半透明，其中光电层被设置为接收太阳辐射，并将不同于至少一个第一波长区的至少一个第二波长区中的太阳辐射转换为电能。该薄膜太阳能电池模块具有选择性反射层，该选择性反射层靠着光电层设置，以反射光电层透射的所述第二波长区中的辐射。该模块还包括另一层光电层，吸收并将至少第二波长区中的辐射转换为电能。选择性反射层被设置在光电层（以下也称为第一光电层）和另一光电层（以下也称为第二光电层）之间。

根据本发明第一方面的薄膜太阳能电池模块特别适用于应用辅助照明的温室（例如没有太阳辐射的情况下）。辅助辐射源发出的处于第二波长区的杂散辐射被第二层光电层吸收并转换成电能。设在第一和第二光电层之间的选择性反射层提高了两个光电层的效率。所述至少一个第一波长区包括了从350nm至500nm的第一波段和从600nm至700nm的第二波段，并且，第二波长区包括了从500nm延伸至600nm的波长范围。

如上所示，Lunt指出具有光伏设备的子电池可以被堆叠。然而Lunt表示堆叠的子电池应当具有彼此不同的感光度范围。即，堆叠中的一层应当具有深入到红外范围的有源层吸收。与此鲜明对比的是，在根据本发明的薄膜太阳能电池模块中，光电层和另一光电层都能吸收并转换第二波长区的辐射。

没有直接被第一光电层吸收的第二波长区内的太阳能辐射被选择性反射层反射，然后至少被部分吸收并转换为电能。

考虑到第一光电层吸收并转换光子辐射的一部分Cpa，同时选择性反射层在至少一个第二波长区具有反射率Crr，则(1-Cpa)*Crr的部分被反射回第一光电层，并且附加的Cpa*(1-Cpa)*Crr部分被第一光电层吸收并转换为电能。因此在第二波长区，该薄膜太阳能电池模块的吸收率被提高了1+(1-Cpa)*Crr的因数。假定选择性反射层在第一波长区中的透射率为Crt，则意味着该薄膜太阳能电池模块的选择性改善了(1+(1-Cpa)*Crr)*Crt。

同样地，第二波长区内的未被第二光电层直接吸收的杂散辐射被选择性反射层反射，然后至少被部分地吸收并转换为电能。

在实践中，选择性反射层可以被设计为紧密接近所需的高反射光谱，同时只有适度的吸收损失。例如，选择性反射层可以透射第一波长区的90%并反射第二波长区的90%。在该情况下，具有吸收并转换光子辐射的Cpa=0.5的部分的光电层的薄膜太阳能电池模块的选择性被提高1.4的因数。

通过选择性反射所述第二波长区部分中的辐射，原先会损失的辐射现在被光电层吸收，同时在至少一个第一波长区中的辐射可以无阻碍地被传输到温室的内部。附加吸收的辐射被转换为电能，这样提高了转换能量，同时保持了与光合作用相关的波段中的日光的良好透射率。

所述至少一个第一波长区包括了范围从350nm至500nm的第一波段和范围从600nm至700nm的第二波段。相应地，薄膜太阳能电池模块应当透射在这些波长范围中的至少50%的辐射。优选其中的透射率为至少75%。甚至更优选其中的透射率为至少90%。

在所述实施例中，第二波长区从500nm延伸到600nm。选择性反射层应当反射第二波长区中的辐射的50%。优选其中的反射率为至少75%。甚至更优选其中的反射率为至少90%。

本处引用的Y.Galagan等人所著文章描述了可由溶液加工的有机波长相关的手性向列型胆甾型液晶反射器，以用于半透明的有机太阳能电池。该胆甾型液晶（CLC）只反射日光光谱的很窄的一个带宽，而对于其余波长则保持透明。该反射带与有机太阳能电池的吸收谱相匹配，使得只有适合光电转换的未被吸收的光子被反射，从而第二次通过有源层。这样，半透明有机太阳能电池的效率可以提高，同时没有显著损失透明度。可以进一步参考S.H.Chen所著“Photoracemizationbroadeningofselectivereflectionandpolarizationbandofglassychiral-nematicfilms（玻璃手性向列型膜的选择性反射和偏振带的光外消旋化拓宽）”（LiquidCrystals(液晶)，2000,Vol.27,No.2,201-209页）。

其他已知的方法例如在USP7515336B2,USP6847483和USP6197224中有描述。同时，用于设计包括多个子层的选择性反射层的软件可以购买到，比如来自SoftwareSpectraInc公司（http://www.sspectra.com/）的TFCalc软件包。

根据本发明的第二个方面，提供了一种具有改进型薄膜太阳能电池模块的温室。根据此第二方面的该光伏温室包括：主温室框架结构，其含有壁，该壁围出内部空间以用于种植植物；以及至少一个薄膜太阳能电池模块，其安装在所述壁上。该壁具有多个壁部分，比如，该壁具有竖直部分和顶部分。或者，该壁可以形成为单个部分，比如半球型部分。

附图简述

这些和其他方面的内容参考附图被更详细地描述。其中：

图1示出了叶绿素a和b的吸收光谱，

图2示出了常规的薄膜太阳能电池模块，

图3示出了在白天时的具有常规薄膜太阳能电池模块的温室，

图3A显示了夜晚时的图3所示的温室，

图4示出了根据本发明第一个方面的薄膜太阳能电池模块的实施例，

图5示出了夜晚时的根据本发明第二个方面的温室的实施例，

图6更详细地示出了根据本发明第一个方面的所述薄膜太阳能电池模块的方面。

实施例的详细描述

不同示意图中相同的附图标记指示相同的元素，除非另有说明。

在以下详细描述中，许多具体细节被阐述，以便彻底理解本发明。然而，需了解，在本领域的普通技术人员可以不用这些具体细节而实践本发明。在其他实例中，众所周知的方法、过程和部件没有被详细描述，以便不混淆本发明的各方面。

以下将更完全地通过参考附图描述本发明，图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以实例化为许多不同的形式，并且不应解释为仅限于此处阐述的实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本公开彻底而完整，并且可以向本领域普通技术人员完整地传达本发明的范围。在图中，层和区域的尺寸和相对尺寸可能为了清晰起见而被夸大。本发明的实施例在此通过参考横截面图，即本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意图来描述。因此，与插图形状的差异（比如制造工艺和/或公差）是可以预期的。因此，本发明的实施例不应解释为限于此处绘制的特定区域的形状，而是包括相应的形状差异（比如源于制造的差异）。于是，图中所绘的区域本质上是示意性的，它们的形状并非为了示出设备的某个区域的实际形状，也不是为了限定本发明的范围。

需理解的是，当某个元素或者层被称为另一个元素或层的“上面”、“连接到”或者“耦合到”另一个元素或层时，它可能直接在另一个元素或者层的上面或连接到或耦合到后者，或者也可能存在中间元素或层。相反地，当某个元素被称为“直接在上”，“直接连接到”或者“直接耦合到”另一个元素或层时，则不会有中间元素或中间层。相同的数字指代通篇相似的元素。如本文所用，术语“和/或”包括一个或更多关联的所列项目的任意和所有组合。

需理解的是，尽管术语“第一”，“第二”，“第三”等可在此处用于描述各种元素、部件、区域、层和/或区段，但这些元素、部件、区域、层和/或区段不应受这些的限制。这些术语仅用来区分一个元素、部件、区域、层和/或区段和另一个区域、层和/或区段。因此，在下面讨论的部分中，某个第一元素、部件、区域、层或区段可能在不脱离本发明教导的情况下称为第二元素、部件、区域、层或区段。

与空间相关的用语，比如“在……之下”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”或类似词语，可能在此处用来简便地描述在插图中一个元素或特性与其他一个或多个元素或特性的关系。需被理解的是，与空间相关的用语被倾向于用在指示使用设备的不同方向或图中所示方向上的操作。例如，如果图中的设备被翻转了，则用“下面”或“在……之下”描述的与其他元素或特性关系的元素将会被定向为其他元素或特性的“上方”。这样，示例的“下面”这个用语可以包括上方和下方两个方向。设备也可以被另外定位（旋转90度或者其他方向），并且使用相应的空间关系用语来解释。

除非另有定义，所有此处使用的用语（包括科技术语）与本发明所处专业普通技术人员所能理解的意义是相同的。进一步要理解的是，这些用语，比如在日常使用的词典中定义的，应该被解释为具有与相关领域上下文的意义相符合的意义，并且不被解释为理想化的或过于正式的意义，除非在此处明确地定义。当有冲突时，以本发明的说明书为准。此外，所述材料、方法和示例仅是说明性的，并不旨在进行限制。

日光是全光谱光线。然而，植物只使用该光谱的一部分进行光合作用。如图1所示，其示出了叶绿素a和b的吸收光谱，在植物中，叶绿素a和b是负责光合作用的色素。通常介于500至600nm之间的大光谱区域不适合用于光合作用。

图2示意性地示出了从所引用的Galagan等人所著出版物中得知的薄膜太阳能电池模块。该薄膜太阳能电池模块包括衬底10，该衬底10装载光电层20和选择性反射层30。

该光电层20被设置在衬底10和选择性反射层30之间。衬底可能是玻璃或半透明的聚合物，比如PET或PEN箔。光电层20由聚3-己基噻吩（P3HT）和[C60]PCBM子层构成。胆甾型液晶（CLC）子层的堆叠被用作选择性反射层30，其中每个子层只反射约80nm宽的窄带，而对于其余波长保持透明。各自具有相应波长的反射带的这样的CLC子层的堆叠形成的选择性反射层30具有合计的反射带，该反射带与光电层20的吸收带相匹配。该反射带与有机太阳能电池的吸收光谱匹配，从而使第二波长区中主要未被吸收的辐射能被反射到光电层20。取决于所使用的应用，其他的材料也可以用来当作光电层。例如，活性材料P3HT可以被更有序的有机材料替代，使光电层得到一个更窄的吸收带。

光电层20的另一些例子详细参考图6来描述。

该薄膜太阳能电池模块在第一波长区是基本半透明的，其中第一波长区包括350nm至500nm的波段和600nm至700nm的波段。特别是该薄膜太阳能电池模块应透射420nm至480nm波段、以及620nm至700nm波段辐射的至少75%。并且薄膜太阳能电池模块应阻挡500nm至600nm波长范围中的辐射的至少75%。所指示的百分比是光子辐射功率的百分比。光电层被设置用来接收太阳能辐射，并且将不同于至少第一波长区的从500nm至600nm的至少一个第二波长区的太阳能辐射转换为电能。选择性反射层30靠着光电层设置，并选择性地反射由光电层透射的第二波长区中的辐射。该选择性反射层包括例如具有交替变化折射率的子层（比如TiO2和ZrO2层）的堆叠。作为替代或者补充，可以使用诸如3M公司的聚合物分散液晶膜或双增亮膜（DBEF，Vikuiti^TM）的薄膜材料。

图3示意性地示出了具有图2所示薄膜太阳能电池模块的温室。图3所示的温室包括了主温室框架结构，其包含壁51，壁51围出内部空间52，以种植植物53。参考图2描述的薄膜太阳能电池模块1被安置在墙上。选择性反射层30被设置在光电层20和墙之间。

在白天，太阳辐射2被薄膜太阳能电池模块1的光电层20接收。在350nm至500nm波段以及600nm至700nm波段中的太阳辐射基本被透射，这样使得安置在温室50内部空间52的植物53上可以发生光合作用。500nm至600nm波段中的太阳辐射部分被光电层20部分吸收，并转换为电能，该电能被传递到电力系统60。该电力系统60可以例如包含DC/AC转换器，以将电能转换为适合供给到干线的形式。或者，电力系统60也可以包括储电设施。

图3A示出了夜晚时的情况。在夜晚，温室中的植物53可以被光源54人工照射。该光源可以使用白天从薄膜太阳能电池模块1中获取的能量供电。此情况下，光源54发出的杂散辐射是显著弱化的，因为第二波长区的辐射被层30反射。然而，基本上没有第二波长区的辐射能到达光电层20，因而阻止了转换能量为电能。

图4示出了根据本发明第一方面的薄膜太阳能电池模块1的实施例。图4所示的薄膜太阳能电池模块包括附加的光电层40，其被安置在选择性反射层30的背面。因此，选择性反射层30是被设置在第一光电层20和第二光电层40之间。图4的模块的第一光电层20和第二光电层40可以具有与图2中对应部分相同的构成和尺寸。选择性反射层30也可以具有与图2中对应部分相同的构成和尺寸。然而，也可以选择使用具有交替变化折射率的子层的堆叠，例如，TiO2与ZrO2层的堆叠。

衬底10设置在薄膜太阳能电池模块1的哪一边并没有关系。在某个实施例中，衬底设置在薄膜太阳能电池模块1的两边，这样可以保护太阳能电池模块不受环境（例如雨和冰雹）影响。

图5示出了根据本发明的第二方面的温室，其包括根据本发明第一方面的薄膜太阳能电池模块。在夜晚，光源54发出的波长在第二波长区中的杂散辐射直接、或者被选择性反射层30反射后，被光电层40至少部分地吸收。以此方式，不仅减少了逸出温室的杂散辐射，还使部分杂散辐射被转换成有用的电能。该薄膜太阳能电池模块优选地被安置在温室壁的内侧，这样可以受到保护。

图6更详细地示出了光电层20。图4所示的另一层光电层40也可以具有相同的构造。光电层20或40包括子层的堆叠，子层包括第一电极子层21、包括电子供体材料和电子受体材料混合的有源子层22、以及第二电极子层24。或者，有源子层可以被设置为具有供体材料的电子供体子子层(sub-sub-layer)和具有受体材料的电子受体子子层的组合，其中受体材料靠着彼此设置。然而，在图6所示的配置中，通过采用具有电子供体材料和电子受体材料的混合的单个有源子层22，获得体异质结，从而在供体和受体之间提供大界面。这样比双层结构更有效。第一和第二电极子层21和24应当是透明的导电子层，比如由透明导电氧化物（TCO），即例如铟锡氧化物（ITO）之类的金属氧化物，和导电聚合物构成。电极子层21和24可按顺序包括两个或更多子子层。为了提高导电性，电极子层21和24可用金属网格结合，如WO2011/016725,EP1693481和WO2010/0156763所述。

在实际实施例中，光电层20和另一个光电层40中的每一个包括嵌入的导电网格、导电聚合物的层（例如PEDOT：PSS）、包括供体-受体混合的有源层、可能以彼此不同的透明导电材料层堆叠的形式的阴极、和印刷金属网格。在倒置的设置下，光电层20和另一个光电层40可包括第一导电网格、导电聚合物的层（例如PEDOT：PSS）、锌氧化物层、供体-受体混合、另一个导电透明层、和第二导电网格。

合适的电子供体材料可以选择以下组中的材料，包括：聚噻吩,聚苯胺,聚乙烯咔唑,聚亚苯基,聚对苯撑乙炔,聚硅烷,聚噻吩亚乙烯(polythienylenevinylenes),聚异硫茚,聚环戊基二噻吩(polycyclopentadithiophenes),聚硅代环戊基二噻吩(polysilacylopentadithiophenes),聚环戊基二噻唑(polycyclopentadithiazoles),聚噻唑并噻唑（polythiazolothiazoles）,聚噻唑,聚苯并噻二唑,聚（噻吩氧化物）,聚（环戊二噻吩氧化物）,聚噻二唑喹喔啉（polythiadiazoloquinoxaline）,聚苯并异噻唑（polybenzoisothiazole）,聚苯并噻唑,聚噻吩并噻吩（polythienothiophene）,聚（噻吩并噻吩氧化物）,聚二噻吩并噻吩,聚（二噻吩并噻吩氧化物）,聚四氢异吲哚（polytetrahydroisoindoles）以及以上材料的共聚物。例如，该电子供体材料可包括选自聚噻吩（例如聚3-己基噻吩（P3HT））和聚环戊基二噻吩(例如聚(环戊基二噻吩－共苯并噻二唑))和其共聚物组成的组中的聚合物。

合适的电子受体材料可以选择以下组中的材料，包括：富勒烯，无机纳米颗粒，噁二唑，碟状液晶，碳纳米棒，无机纳米棒，含有CN基团的聚合物，含有CF3基团的聚合物，以及这些材料的组合。例如，该电子受体材料可包括取代的富勒烯（例如，C61-苯基-丁酸甲酯（PCBM））。

如本文所用，用语“包括”，“含有”，“具有”和其他变型均旨在非排他性的包括。例如，过程、方法、条目或装置，其包含的要素的列表不一定仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或这些过程、方法、条目或装置所固有的其他的要素。此外，除非明确相反地说明，“或”指的是包括性的或，而非排他性的或。例如，条件A或B由下列任一情况满足：A为真（或存在）和B为假（或不存在），A为假（或不存在）和B为真（或存在），A和B都为真（或存在）。

同样的，也使用冠词“一个”来描述发明的元素和部件。这仅仅是为了方便，并给予本发明的一般意义。这种描述应被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，除非很明显另有含义。

Claims (7)

1.一种薄膜太阳能电池模块(1)，包括

-光电层(20)，其设置用于接收太阳辐射，并将与至少第一波长区不同的至少第二波长区中的太阳辐射转换为电能，

-选择性反射层(30)，其靠着所述光电层设置，用于选择性反射所述光电层透射的所述第二波长区中的辐射，

-另一光电层(40)，用于吸收并将至少第二波长区中的辐射转换为电能，所述选择性反射层(30)被设置在光电层(20)和另一光电层(40)之间，其中至少第一波长区包括从350nm到500nm的第一波段和从600nm到700nm的第二波段，而第二波长区包括从500nm延伸到600nm的波长范围，并且其中所述薄膜太阳能电池模块在所述第一波长区中是半透明的，因为所述薄膜太阳能电池模块透射从420nm到480nm以及从620nm到700nm的波段中的辐射的至少50％。

2.根据权利要求1的薄膜太阳能电池模块，其特征在于，所述薄膜太阳能电池模块透射所述波段中的辐射的至少75％。

3.根据权利要求2的薄膜太阳能电池模块，其特征在于，所述薄膜太阳能电池模块透射所述波段中的辐射的至少90％。

4.根据权利要求1的薄膜太阳能电池模块，其特征在于，所述选择性反射层(30)对第二波长区中的辐射具有至少50％的反射率。

5.根据权利要求4的薄膜太阳能电池模块，其特征在于，所述选择性反射层(30)对第二波长区中的辐射具有至少75％的反射率。

6.根据权利要求5的薄膜太阳能电池模块，其特征在于，所述选择性反射层(30)对第二波长区中的辐射具有至少90％的反射率。

7.一个光伏温室(50)，包括：主温室框架结构，其包括壁(51)，所述壁(51)包围内部空间(52)以用来种植植物(53)；以及至少一个如前述权利要求所述的薄膜太阳能电池模块(1)，安装于所述壁上。