CN104040728B - 新型太阳能模块、支承层层叠体及制造它们的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于机械支承太阳能电池的太阳能电池支承层层叠体。所述太阳能电池包括：刚性泡沫层；一个或多个邻近所述刚性泡沫层设置的表皮层；和当邻近所述太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和所述一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承。

Description

新型太阳能模块、支承层层叠体及制造它们的方法
相关申请
本申请要求2011年11月18日提交的申请号为61/561,337的美国临时专利申请的优先权，该申请以引用方式并入本文以用于所有目的。
技术领域
总体而言，本发明涉及新型太阳能模块、支承层层叠体及制造它们的方法。更具体而言，本发明涉及采用刚性的机械支承泡沫层和至少一个表皮层的新型太阳能模块、支承层层叠体及制造它们的方法。
背景技术
常规太阳能模块通常由层叠并粘结于一起的材料制成以形成支承组件。支承组件封装一个或多个太阳能电池，所述太阳能电池为设置在太阳能模块内的发电部件。采用这种构造，支承组件既用来保护太阳能电池使之免于因环境要素而损坏，又用来促进将太阳能转换为电的过程。
图1示出了常规太阳能模块10的分解侧截面图，该模块10包括由玻璃制成的盖板12。紧接于玻璃盖板12，提供封装物14和18以封装太阳能电池16(例如，由多晶硅或单晶硅制成)的两侧以形成“夹层状”结构。邻近封装物18设置背板。背板由单个或多个层构成并执行多个功能以确保太阳能模块的寿命和安全。图1示出了一个这样的背板设计，其包括聚合物介电层20和聚合物背膜24，它们由层合粘合剂22粘结于一起。聚合物背膜24提供湿气、UV和机械损伤防护。介电层20电学隔离太阳能模块10的外部部分与太阳能电池16，以便接近太阳能模块的安装人员、运输人员、维护人员和消防人员不会受到电击。此安全特征对于在高电压系统中接触太阳能模块的人员来说特别重要。太阳能模块10通常为铝制框架(为简化示意，未示出)所包围，所述铝制框架提供结构完整性、保护玻璃盖板12的边缘并为模块的安装和电气接地提供方便的附着点。在太阳能模块10中，设置在太阳能电池16和铝制框架之间的层12、14、18、20、22和24共同构成支承组件。
在此常规的模块组件中，玻璃是盖板12的理想材料，因为其经济地为太阳能模块提供结构支承，保护太阳能电池使之免于在运输、安装和使用过程中损坏，并还保护太阳能电池使之免受环境要素如湿气、雪、冰雹和风载碎片的影响。另外，玻璃的高度透明性允许太阳能穿过并撞击到太阳能电池上，从而产生电。为最大化和有效地利用太阳能，封装物14和18对太阳波长基本透明并通常由将模块粘结于一起的聚合物粘合剂制成。太阳能模块10的构造和各种部件，如图1中所示以及上面所讨论，自太阳能模块设计开始以来尚未改变。
不幸的是，常规太阳能模块对于所需的表面积和所获得的电力来说太重，并因此具有若干缺点。举例来说，常规模块的重量和尺寸使得其制造、包装、运输、安装和支承困难且昂贵。常规太阳能模块及其铝制框架的总重量介于约18kg和约21kg之间。取决于其尺寸和厚度，玻璃盖板(其重量通常介于约12kg和约15kg每模块之间)占模块重量的大半。而且，太阳能模块加铝制框架的厚度为约55mm。此外，玻璃盖板的易碎性质需要牢固地包装整个太阳能模块，从而增加包装重量和成本。
至于装运，常规太阳能模块的重量和厚度将限制固定容积的装运容器中可装运的模块的量。因此，在需要大量的模块时，将增加装运次数，继而增加装运成本。当在乡村目的地或其中运输基础设施缺乏的地方进行安装时，这些装运成本将进一步加剧。
至于安装，常规模块的重量和尺寸将增加住宅、商业和公共事业规模应用的安装成本。太阳能模块通常安装在建筑物或地面结构的屋顶。安装前，每个模块被提升到建筑物的屋顶并然后安放在所需的位置中。为装卸该较重且大的模块，此类安装前活动需要两名或更多名安装人员来提升、调度和安放。在一些情况下，并非太不寻常，需要其它措施(例如，起重机或升降机)来提升模块，这将增加安装成本。
因为安装需要可靠的结构支承系统(也称“支承座”)，故模块的重量也增加安装成本。在安装过程中，使用支承座来刚性地或牢固地连接太阳能模块到建筑物或独立设施。此外，支承座保持太阳能模块与太阳对齐并防止模块在恶劣天气过程中如疾风或大雪过程中损坏。甚至在不存在恶劣天气要素的情况下，重的太阳能模块自身将对屋顶和支承座加以大的负荷。因此，支承座设计为牢固地固定模块并承受来自疾风、地震和/或大雪的额外负荷。为此目的，地方、州和联邦建筑条例及工程标准通常对采用的支承座有规定以确保它们是安全的并将如预期的那样发挥作用。较重的太阳能模块通常需要较强的支承座，较强支承座的设计、建筑和安装将相对较昂贵。
因此需要太阳能模块的新型设计及制造它们的方法，这些设计和方法不具有重的常规太阳能模块设计所遭遇的缺点。
发明内容
鉴于前述内容，本发明提供了新型太阳能电池支承层层叠体设计、太阳能模块设计及制造它们的方法。在一个方面，本发明提供了一种用于机械支承太阳能电池的太阳能电池支承层层叠体。所述支承层层叠体包括：(i)刚性泡沫层；和(ii)一个或多个邻近刚性泡沫层设置的表皮层；和(iii)其中当邻近太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承。
在本发明的支承层层叠体的一个实施例中，刚性泡沫层夹在一个或多个表皮层中的两个之间，其中在邻近太阳能电池设置支承层层叠体时将表皮层之一设置在刚性泡沫层和太阳能电池之间。支承层层叠体可包括设置在一个或多个表皮层与刚性泡沫层之间的粘合剂层。刚性泡沫层优选由选自以下的至少一种材料制成：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酰亚胺、苯乙烯丙烯腈、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、乙烯-醋酸乙烯酯、轻木、聚异氰脲酸酯、聚乙烯、碳、铝、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烃和聚丙烯。在本发明的一个更优选的实施例中，刚性泡沫芯可由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。泡沫层的厚度可介于约3mm和约25mm之间。根据本发明的一个实施例，泡沫层的密度介于约25kg/m3和约300kg/m3之间。
在本发明的某些实施例中，刚性泡沫层可具有足够的承载性质以支承太阳能电池。举例来说，泡沫层的压缩强度介于约0.6MPa和约7.5MPa之间。作为另一个例子，泡沫层的压缩模量介于约40MPa和400MPa之间。作为又一个例子，泡沫层的剪切强度介于约0.4MPa和4.5MPa之间。作为再一个例子，泡沫层的剪切模量介于约10MPa和约100MPa之间。
上面提到的一个或多个表皮层优选由选自以下的至少一种材料制成：聚氟乙烯；四氟乙烯、氟化六氟丙烯、偏二氟乙烯的聚合物；聚偏二氟乙烯；四氟乙烯共聚物；乙烯-三氟氯乙烯；聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚萘二甲酸乙二醇酯；聚酰胺-12；聚酰胺-11；聚甲基丙烯酸甲酯；聚碳酸酯；聚对苯二甲酸丁二醇酯；铝、不锈钢、镀锌钢、钛、铜、钼、具有玻璃纤维的聚乙烯树脂和具有玻璃纤维的聚丙烯树脂。然而，在本发明的一个更优选的实施例中，一个或多个表皮层由铝制成。在本发明的一个替代的更优选的实施例中，一个或多个表皮层由不锈钢制成。
在本发明的一个实施例中，一个或多个表皮层的厚度介于约0.025mm和约3.0mm之间。优选地，所述一个或多个表皮层中的至少之一为绝缘层，当邻近太阳能电池设置支承层层叠体时，所述绝缘层电学隔离支承层层叠体与太阳能电池。所述一个或多个表皮层中的至少之一可以是耐太阳UV能的。此外，所述一个或多个表皮层中的至少之一可具有小于0.05GM/m2/天的蒸气传输速率。
本发明的支承层叠体层可包括设置在一个或多个表皮层与刚性泡沫芯之间的粘合剂层。然而，在本发明的一个替代实施例中，可将泡沫层与一个或多个表皮层熔合形成支承层层叠体而不使用粘合剂。
在另一个方面，本发明提供了一种太阳能模块。所述太阳能模块包括：(i)太阳能电池；和(ii)邻近并机械支承太阳能电池的太阳能电池支承层层叠体。在此方面，太阳能电池支承层层叠体包括：(i)刚性泡沫层；和(ii)一个或多个邻近刚性泡沫层设置的表皮层；和(iii)其中当邻近太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承。
本发明的太阳能模块的宽度可介于约0.5m和约3m之间，长度可介于约0.5m和约3m之间，厚度可介于约4mm和约25mm之间。本发明的太阳能模块的重量可介于约4kg和约10kg之间。
存在于太阳能模块内部的太阳能电池优选包含选自以下的至少一种材料：多晶硅、单晶硅、碲化镉、铜铟镓二硒化物、非晶单结硅、非晶和多晶双结硅、晶体硅、砷化镓和铜锌锡硫化物。
在再一个方面，本发明提供了一种用于制造太阳能电池支承层叠体的方法。所述方法包括：(i)获得刚性泡沫层；(ii)获得一个或多个待邻近刚性泡沫层设置的表皮层，其中当邻近太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承；和(iii)在刚性泡沫层和一个或多个表皮层之间施加粘合剂以形成太阳能电池支承层层叠体。
施加在刚性泡沫层和一个或多个表皮层之间的粘合剂优选包含选自以下的一种材料：乙烯-醋酸乙烯酯、聚氨酯、有机硅、聚乙烯醇缩丁醛、聚烯烃、离聚物、环氧树脂、基于丁基橡胶的粘合剂和乙烯基酚醛树脂。
在又一个方面，本发明提供了制造太阳能电池支承层层叠体的另一方法。制造替代的支承层层叠体的方法包括：(i)获得刚性泡沫层；(ii)获得一个或多个待邻近刚性泡沫层设置的表皮层，其中当邻近太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承；和(iii)加热所述刚性泡沫层和一个或多个表皮层至或基本接近刚性泡沫层或一个或多个表皮层中的至少之一的熔点以形成经加热的刚性泡沫层和一个或多个经加热的表皮层；和施加压力以粘结经加热的刚性泡沫层与一个或多个经加热的表皮层而形成太阳能电池支承层层叠体。
根据本发明的一个实施例，泡沫层的熔点介于约160℃和约275℃之间。一个或多个表皮层的熔点可介于约200℃和约240℃之间。加热包括使用以下中的至少之一提供热处理：常规热烘箱结合真空袋、红外烘箱伴随压紧辊、微波炉压机、火焰处理、加热压紧辊、液压加热压机、高压釜、加热真空袋以及具有连续并经加热金属带的平床层合机。施加以粘结经加热的刚性泡沫层与一个或多个经加热的表皮层的压力优选介于约10lbs/in2和约50lbs/in2之间。在一个实施例中，本发明的方法施加持续时间小于15分钟的压力。制造支承层层叠体的本发明方法可还包括在施加压力后冷却太阳能电池支承层层叠体以形成经冷却的太阳能电池支承层层叠体。如本发明的一个实施例所涵盖，冷却的持续时间可小于15分钟。
在又一个方面，本发明提供了一种制造太阳能模块的方法。所述制造太阳能模块的方法包括：(i)获得太阳能电池；(ii)获得待邻近太阳能电池设置的太阳能电池支承层层叠体，并且所述支承层层叠体包括：(a)刚性泡沫层；(b)一个或多个邻近刚性泡沫层设置的表皮层；和(c)其中当邻近太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承；和(iii)在太阳能电池与太阳能电池支承层层叠体之间施加粘合剂以形成太阳能模块。
然而，结合附图阅读下面的具体实施例描述，本发明的构造和操作方法加之其其它目的和优势将得到最好的理解。
附图说明
图1为常规太阳能模块的分解侧截面图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的太阳能电池支承层层叠体的侧截面图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的太阳能模块的分解侧截面图，该太阳能模块包括图2中所示的示例性本发明太阳能电池支承层层叠体。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的太阳能模块的分解侧截面图，该太阳能模块包括另一示例性本发明支承层层叠体，该支承层层叠体具有使用置于其间的粘合剂层粘附到单个表皮层的刚性泡沫层。
图5示出了根据本发明的又一个实施例的太阳能模块的分解侧截面图，该太阳能模块包括又一示例性本发明支承层层叠体，该支承层层叠体具有夹在两个表皮层之间的刚性泡沫层而无置于其间的粘合剂层。
图6为根据本发明的一个实施例的制造本发明太阳能模块(例如，图3和4中所示的那些)的方法的流程图。
图7为根据本发明的另一个实施例的制造另一本发明太阳能模块(例如，图5中所示的那个)的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，给出许多具体细节是为了提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说很明显，本发明的实施可不局限于这些具体细节中的一些或全部。在其它情况下，为了不非必要地混淆本发明，未详细描述众所周知的方法步骤。
本发明认识到，不包括玻璃盖板的太阳能电池支承层层叠体克服了常规太阳能模块设计所遭遇的缺点。根据本发明的一个实施例，支承层层叠体包括不由玻璃制成的盖板，而在常规组件中，玻璃制成的盖板用以抵抗环境要素如UV辐射、湿气、雪、冰雹和风载碎片。在一个优选的实施例中，本发明的支承层层叠体包括任何邻近或紧邻适宜的表皮层的刚性层。然而，在一个更优选的实施例中，本发明的刚性层由泡沫层构成。
值得指出的是，如本文所用，术语“邻近”不限于其中描述为“邻近”并设置在太阳能模块或太阳能电池支承层层叠体内部的不同层相互接触的实施例。相反，术语“邻近”的使用也涵盖其中一个或多个中间层置于两个“邻近”层之间的那些实施例。
图2示出了一个通常由粘合剂层附接到一个或多个太阳能电池的示例性本发明支承层层叠体120。支承层层叠体120包括使用置于其间的粘合剂层112和116夹在两个表皮层110和118之间的刚性泡沫层114。当将支承层层叠体120与太阳能电池一起组装在太阳能模块内时，泡沫层114将为太阳能电池提供机械支承。泡沫层114的机械性质的例子包括剪切强度、剪切模量、剪切伸长率、压缩强度、压缩模量、冲击韧性(即，回弹性)和抗疲劳性。
表皮层110和118可为泡沫部件和整个太阳能模块提供拉伸强度、拉伸模量、压缩强度、压缩模量以及其它关键的环境保护性能。表皮层110可充当介电层，其电学隔离太阳能电池与太阳能模块内表皮层110外部的部件。表皮层118优选为泡沫层114和太阳能电池提供保护使之免受环境要素如湿气、UV辐射、雪、冰雹和风载碎片的影响。
粘合剂层112和116优选能够承受表皮和芯之间的剪切和拉伸力，以及在太阳能模块的寿命内发挥将这些元件粘结在一起的基本作用。
图3示出了根据本发明的一个实施例的太阳能模块200。太阳能模块200引入了与图2中所示支承层层叠体120基本相似的支承层层叠体220。太阳能模块200包括盖膜202和太阳能电池206，其由置于其间的粘合剂层204粘附彼此。盖膜202、粘合剂层204和太阳能电池206的子组件由另一粘合剂层208粘附到支承层层叠体220。在这种构造中，值得指出的是，粘合剂层204和208将太阳能电池206夹在中间。在本发明的优选实施例中，粘合剂层204和208封装太阳能电池206，并因此通常被称为“封装物”。封装物204和208，如它们有时所知的那样，为太阳能电池提供额外的保护使之免受作用于太阳能模块的外力的影响。如图2中所述的支承层层叠体邻近封装物208设置。在图3中所示的实施例中，支承层层叠体220包括两个表皮层210和218，其将泡沫层214夹在中间。分别置于表皮层210和泡沫层214之间以及泡沫层214和表皮层218之间的粘合剂层212和216在太阳能模块200的寿命和运行过程中将支承层层叠体子组件220固持于一起。
在本发明的某些优选实施例中，本发明的支承层层叠体子组件中不必如图2和3中所示具有两个或更多个表皮层。图4示出了根据本发明的另一个实施例的太阳能模块300，其包括具有单个表皮层的支承层层叠体。
太阳能模块300包括与图3中所示它们的对应物即盖膜202、封装物204和208以及太阳能电池206相同或基本相似的盖膜302、封装物304和308以及太阳能电池306。此外，表皮层318、粘合剂层316和泡沫层314也与图3中所示它们的对应物即表皮层318、粘合剂层316和泡沫层314相同或基本相似。值得指出的是，在图4中所示的实施例中，不存在对应于表皮层210和粘合剂层212的层。表皮层和相关粘合剂层的不存在提供本发明的支承层层叠体享有最终产生的太阳能模块300的重量减轻并且制造成本较低的优势。
然而，同样重要的是指出，在本发明的某些优选实施例中，不必存在粘合剂层(例如，图3的粘合剂层212和216)来将本发明的支承层层叠体子组件固持于一起。为此，图5示出了根据本发明的一个替代实施例的太阳能模块400，其包括未使用任何粘合剂层而直接夹在表皮层410和418之间的泡沫层414。在所有其它方面，图5的太阳能模块400与图3中的太阳能模块200基本相似。换句话说，盖膜402、封装物404和408、太阳能电池406与图3中它们的对应物盖膜202、封装物204和208、太阳能电池206相同或基本相似。
在不存在粘合剂层的情况下，所得的图5的支承层层叠体420重量较轻、制造较廉价并且在支承层层叠体或太阳能模块制造工艺过程中需要的材料清单减少。在其中在支承层层叠体内不同的层间需要高粘结强度的那些应用中，支承层层叠体120可代表本发明的一个优选实施例。
泡沫层(例如，图2的114、图3的214、图4的314、图5的414)，如本发明所涵盖，不必由泡沫制成，而是可很好地由任何合适的能够为太阳能模块内的太阳能电池提供机械支承的刚性、轻质材料制成。然而，泡沫层优选由选自以下的至少一种材料制成：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酰亚胺、苯乙烯丙烯腈、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、乙烯-醋酸乙烯酯、轻木、聚异氰脲酸酯、聚乙烯、碳、铝、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚烯烃和聚丙烯。
本发明的支承层层叠体内部的泡沫层可具有为太阳能模块内的太阳能电池提供所需机械支承的合适厚度。根据本发明的一个实施例，本发明的支承层层叠体内部的泡沫层的厚度介于约3mm和约25mm之间。然而，在本发明的优选实施例中，泡沫层的厚度介于约4mm和约12mm之间。类似地，在本发明的一个更优选的实施例中，泡沫层的厚度介于约5mm和约10mm之间。
本发明的支承层层叠体中泡沫层的密度可为提供太阳能模块以所需的强度从而承受住任何不适当的外力的任何值。泡沫层密度可为介于约25kg/m3和约300kg/m3之间的值，更优选为介于约75kg/m3和约250kg/m3之间的值，最优选为介于约100kg/m3和约200kg/m3之间的值。
在本发明的某些实施例中，期望泡沫层具有足够的承载性质，所述承载性质可提供解决太阳能模块在应用中将经历的静态和动态力所需的刚性和剪切强度。为此，本领域技术人员可能将本发明的支承层层叠体中泡沫层的压缩强度值的测量视为相关。在当如此看待该值时的那些情况下，本发明的泡沫层的压缩强度值优选介于约0.6MPa和约7.5MPa之间，更优选介于约1.0MPa和约3.5MPa之间，最优选介于约1.4MPa和约2.5MPa之间。在其它情况下，本领域技术人员可将压缩模量值视为泡沫层强度的重要量度。在这样的情况下，本发明的泡沫层的压缩模量值介于约40MPa和约400MPa之间，优选介于约75MPa和约200MPa之间，更优选介于约100MPa和约180MPa之间。
关于本发明的泡沫层的剪切强度值，可接受的范围是介于约0.4MPa和约4.5MPa之间。然而，优选地，所述剪切强度值介于约0.6MPa和约3.0MPa之间，更优选介于约0.8MPa和约1.6MPa之间。就将本发明的泡沫层所伴有的剪切模量值或剪切强度值视为相关来说，本发明涵盖较宽的测量值范围。举例来说，本发明的泡沫层的剪切模量值介于约10MPa和约100MPa之间，优选介于约20MPa和约75MPa之间，更优选介于约30MPa和约60MPa之间。
表皮层，除为支承层层叠体提供机械强度外或并非为支承层层叠体提供机械强度，可用来提供对太阳能电池的保护使之免受环境要素的影响。在本发明的某些其它实施例中，表皮层为支承层层叠体子组件提供介电强度。用于制造表皮层的代表性材料包括选自以下的至少一种材料：聚氟乙烯；四氟乙烯、氟化六氟丙烯、偏二氟乙烯的聚合物；聚偏二氟乙烯；四氟乙烯共聚物；乙烯-三氟氯乙烯；聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚萘二甲酸乙二醇酯；聚酰胺-12；聚酰胺-11；聚甲基丙烯酸甲酯；聚碳酸酯；聚对苯二甲酸丁二醇酯；铝、不锈钢、镀锌钢、钛、铜、钼、具有玻璃纤维的聚乙烯树脂和具有玻璃纤维的聚丙烯树脂。
在本发明的支承层层叠体中，具有不同物理或化学性质的表皮层将提供对宽范围的环境要素的防护。重要性质的例子包括：机械强度、抗UV性、热稳定性、水解稳定性、可燃性、氧气传输速率和湿气传输速率。除适宜厚度的泡沫层外，适宜地厚的表皮层也有助于本发明的支承层层叠体的机械强度，所述支承层层叠体支承太阳能模块内的太阳能电池。根据本发明的一个实施例，在本发明的支承层层叠体中，一个或多个表皮层的厚度介于约0.025mm和约3.0mm之间，优选介于约0.100mm和约1.0mm之间，最优选介于约0.175mm和约0.500mm之间。
长时间暴露于UV辐射将降低聚合物物理和光学性质。因此，期望本发明的支承层层叠体保持并提供对此类辐射的耐受性。为此，本发明的支承层层叠体中的一个或多个表皮层对介于300nm和400nm波长之间的UV辐射是100％不透明的，并使用间歇喷水在42℃和63℃之间的温度下暴露于0.35瓦特/m2的UV辐射10,000小时后保持不小于其初始机械和光学性质的80％。湿气渗透通过表皮层可能影响太阳能电池、泡沫和封装物的性能和寿命并优选降至允许整个太阳能模块中使用的材料实现长寿命和高性能的水平。本发明的本发明支承层层叠体中表皮层的湿气传输阻力值可小于约0.05gm/m2/天，更优选小于约0.005gm/m2/天的值，最优选小于约0.0005gm/m2/天的值。
在其中一个或多个表皮层为支承层层叠体子组件提供介电强度的那些实施例中，每个表皮层的介电强度足够高以产生介于约750伏特和约1,200伏特之间的局部放电电压水平。在本发明的一个优选实施例中，在距离太阳能电池最远处设置一个包含铝或另一导电金属的表皮层(例如，图2的表皮层118)并设计以提供对环境要素的防护。在此实施例中，紧邻太阳能电池设计另一包含聚酯和金属的表皮层(例如，图2的表皮层110)以提供所需的介电强度。
在其中在泡沫层与一个或多个表皮层之间设置了粘合剂层(例如，图2的粘合剂层112和116)以粘结所述两个层的那些本发明支承层层叠体实施例(例如，图2、3和4)中，粘合剂层可包含任何有效地实现粘结功能的有效粘合剂。在本发明的一个实施例中，粘合剂层包含选自以下的材料：乙烯-醋酸乙烯酯、聚氨酯、有机硅、聚乙烯醇缩丁醛、聚烯烃、离聚物、环氧树脂、基于丁基橡胶的粘合剂和乙烯基酚醛树脂。在一些情况下，这样的粘合剂层可包含为所述层提供强度的填料材料。这样的填料材料包括例如玻璃球、二氧化硅和纳米晶纤维素。
本发明的支承层层叠体不限于与任何特定类型的太阳能电池一起使用。相反，本发明的支承层层叠体可与广泛的太阳能电池一起用于太阳能模块中。代表性的太阳能电池包括多晶硅、单晶硅、碲化镉、铜铟镓二硒化物、非晶单结硅、非晶和多晶双结硅、晶体硅、砷化镓和铜锌锡硫化物。
本发明还提供了用于制造本发明的支承层层叠体和引入了所述支承层层叠体(例如，图2的支承层层叠体120、图3的支承层层叠体220和图4的支承层层叠体320中之一)的太阳能模块的方法。图6示出了根据本发明的一个实施例的用于制造支承层层叠体(例如，图2的支承层层叠体120、图3的支承层层叠体220和图4的支承层层叠体320中之一)的方法500的流程图。方法500优选从步骤502开始，步骤502包括获得刚性泡沫层(例如，图2的泡沫层114、图3的泡沫层214和图4的泡沫层314中之一)。如上面所提到的，泡沫层能够机械支承一个或多个太阳能电池。
接下来，步骤504包括获得一个或多个表皮层(例如，图2的表皮层110和118、图3的表皮层210和218以及图4的表皮层318中之一)。继续图6，在步骤506中向泡沫层与一个或多个表皮层之间施加粘合剂(例如，图2的粘合剂层112和116、图3的粘合剂层212和216以及图4的粘合剂层316中至少之一并且其可呈离散的层的形式)以形成本发明的层层叠体。虽然图6的步骤504需要至少一个表皮层是基本不透过湿气或热能的，但本发明不限于此。本发明的表皮层不限于任何特定的性质，而是可具有本文所述不同性质中的任何之一或组合。
本领域技术人员应认识，步骤502、504和506不必以任何特定的顺序进行，并且图5中呈现的步骤顺序为组装本发明的支承层层叠体的一个示例性顺序。举例来说，在步骤502后进行步骤506以产生其上具有粘合剂的泡沫层。接下来进行步骤504以固定表皮层到泡沫层而形成本发明的支承层层叠体。
本发明的方法不仅不限于特定的顺序，而且其不限于通过使用如图5的本发明支承层层叠体中所示的粘合剂层来实现粘附。为此，根据本发明的另一个实施例，本发明提供了用于制造支承层层叠体(例如，图5的支承层层叠体420)的方法600。方法600优选以步骤602开始，步骤602包括获得刚性泡沫层。步骤602与图5的步骤502相同或基本相似。接下来，方法600行进到步骤604，步骤604包括获得一个或多个表皮层并与图5的步骤504相同或基本相似。
然后进行步骤606。步骤606包括加热泡沫层和/或一个或多个表皮层至或基本接近泡沫层或表皮层中的任何一个的熔点以产生经加热的泡沫层和/或至少一个经加热的表皮层。
在步骤606中，哪个经加热层熔化是不要紧的，只要它们中的任何一个熔化至允许泡沫与一个或多个表皮层之间的有效粘结的程度即可。在本发明的一个实施例中，泡沫芯和/或一个或多个表皮层被加热至约200℃的温度。然而，泡沫和/或一个或多个表皮层优选被加热至约220℃，更优选被加热至高于约230℃。
步骤606不限于任何特定的热处理方法。在本发明的某些优选实施例中，泡沫层和/或一个或多个表皮层通过选自以下的一种方法加热：常规热烘箱结合真空袋、红外烘箱伴随压紧辊、微波炉压机、火焰处理、加热压紧辊、液压加热压机、高压釜、加热真空袋以及具有连续并经加热金属带的平床层合机。方法600包括步骤608，步骤608涉及施加压力以粘结经加热泡沫层与一个或多个经加热表皮层以形成本发明的支承层层叠体。步骤608中没有特定的压力要求，只要实现适宜强度的粘结即可。施加到经加热泡沫层和一个或多个经加热表皮层的压力介于约0lbs/in2和约50lbs/in2之间，更优选介于约12lbs/in2和约40lbs/in2之间，最优选介于约15lbs/in2和约30lbs/in2之间。在此阶段，形成与图5中所示相似的本发明支承层层叠体。然而，为确保泡沫芯与一个或多个表皮充分粘结，优选向支承层层叠体施加持续时间约10分钟的连续压力。较短的压力施加持续时间也可能很好地起作用。举例来说，在约2分钟至约5分钟的范围内的持续时间将产生有效地粘结的支承层层叠体。
无论采用何种方法来制造本发明的支承层层叠体，均可根据熟知的技术向本发明的支承层层叠体添加常规或非常规的盖板和太阳能电池层而形成本发明的太阳能模块(例如，图2的太阳能模块100、图3的太阳能模块200、图4的太阳能模块300和图5的太阳能模块400中之一)。因此，本发明还提供了引入了图6的方法500或图7的方法600的本发明太阳能模块制造方法。
本发明的太阳能模块和支承层层叠体以及用于制造它们的新型方法提供了优于其常规对应物的若干优势。举例来说，通过不使用玻璃盖板而显著地减轻太阳能模块或支承层层叠体的重量，本发明将实现制造、包装、运输和安装成本的节省。本发明的太阳能模块的总重量可介于约4.0kg和约10.0kg之间，优选介于约4.5kg和约7.0kg之间，更优选介于约5.0kg和约6.0kg之间。轻质太阳能模块还使得它们易于运输。因此，可在固定容积的装运容器中装运大量的本发明太阳能模块。此外，轻质的本发明太阳能模块不对屋顶和支承座加以重荷。
本发明的支承层层叠体厚度的减小也将实现伴随制造、包装、运输和安装的大幅成本节省。举例来说，本发明的太阳能模块的厚度可介于约4mm和约25mm之间，更优选介于约5.0mm和约15mm之间，最优选介于约6.0mm和约10.0mm之间。
此外，在不存在玻璃的情况下，本发明的太阳能模块和支承层层叠体设计消除了对针对运输和安装过程中的易碎操作而采取的措施(包括安全包装)的需要。本发明的太阳能模块重量和厚度的减小以及易碎部件的不存在均带来各种成本节省，使得太阳能成为更商业上可行的替代能源解决方案。
虽然已示出并描述本发明的示意性实施例，但意在涵盖其它修改、改变和取代。举例来说，本发明公开了热粘结泡沫层与至少一个表皮层而不使用任何粘合剂，太阳能模块中的其它常规层可类似地粘结。因此，适宜的是宽泛地并以与如附随的权利要求中所述本发明的范围一致的方式来理解附随的权利要求。

Claims (30)

1.一种用于机械支承太阳能电池的太阳能电池支承层层叠体，其包括：
刚性泡沫层；
一个或多个邻近所述刚性泡沫层设置的表皮层；并且
其中当邻近所述太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和所述一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承，
所述刚性泡沫层和所述一个或多个表皮层被加热至所述刚性泡沫层或所述一个或多个表皮层中的至少之一的熔点以形成经加热的刚性泡沫层和经加热的一个或多个表皮层，施加压力以粘结所述经加热的刚性泡沫层与所述经加热的一个或多个表皮层而形成所述太阳能电池支承层层叠体。
2.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层夹在两个所述表皮层之间，并且在邻近所述太阳能电池设置所述支承层层叠体时将所述一个或多个表皮层中之一设置在所述刚性泡沫层和所述太阳能电池之间。
3.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其还包括设置在所述一个或多个表皮层与所述刚性泡沫层之间的粘合剂层。
4.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层由选自以下的至少一种材料制成：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酰亚胺、苯乙烯丙烯腈、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、乙烯-醋酸乙烯酯、轻木、聚异氰脲酸酯、碳、铝、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚烯烃。
5.根据权利要求4所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
6.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层的厚度介于3mm和25mm之间。
7.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层的密度介于25kg/m3和300kg/m3之间。
8.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层的压缩强度介于0.6MPa和7.5MPa之间。
9.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层的压缩模量介于40MPa和400MPa之间。
10.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层的剪切强度介于0.4MPa和4.5MPa之间。
11.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述刚性泡沫层的剪切模量介于10MPa和100MPa之间。
12.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述一个或多个表皮层由选自以下的至少一种材料制成：聚氟乙烯；四氟乙烯、氟化六氟丙烯、偏二氟乙烯的聚合物；聚偏二氟乙烯；四氟乙烯共聚物；乙烯-三氟氯乙烯；聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚萘二甲酸乙二醇酯；聚酰胺-12；聚酰胺-11；聚甲基丙烯酸甲酯；聚碳酸酯；聚对苯二甲酸丁二醇酯；铝、不锈钢、镀锌钢、钛、铜、钼、具有玻璃纤维的聚乙烯树脂和具有玻璃纤维的聚丙烯树脂。
13.根据权利要求12所述的支承层层叠体，其中所述一个或多个表皮层由铝制成。
14.根据权利要求12所述的支承层层叠体，其中所述一个或多个表皮层由不锈钢制成。
15.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述一个或多个表皮层中的每一个的厚度介于0.025mm和3.0mm之间。
16.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述一个或多个表皮层中的至少之一为绝缘层，使得当邻近所述太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述绝缘层电学隔离所述支承层层叠体与所述太阳能电池。
17.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述一个或多个表皮层中的至少之一是耐太阳UV能的。
18.根据权利要求1所述的支承层层叠体，其中所述一个或多个表皮层中的至少之一具有小于0.05GM/m2/天的蒸气传输速率。
19.一种太阳能模块，其包括：
太阳能电池；和
邻近并机械支承所述太阳能电池的太阳能电池支承层层叠体，并且所述太阳能电池支承层层叠体包括：
刚性泡沫层；
一个或多个邻近所述刚性泡沫层设置的表皮层，所述刚性泡沫层和所述一个或多个表皮层被加热至所述刚性泡沫层或所述一个或多个表皮层中的至少之一的熔点以形成经加热的刚性泡沫层和经加热的一个或多个表皮层，施加压力以粘结所述经加热的刚性泡沫层与所述经加热的一个或多个表皮层而形成所述太阳能电池支承层层叠体；和
其中邻近所述太阳能电池设置所述支承层层叠体时，所述刚性泡沫层和所述一个或多个表皮层能够为所述太阳能电池提供机械支承。
20.根据权利要求19所述的太阳能模块，其中所述太阳能模块的宽度介于0.5m和3.0m之间，长度介于0.5m和3.0m之间，厚度介于4.0mm和25mm之间。
21.根据权利要求19所述的太阳能模块，其中所述太阳能模块的重量介于4.0kg和10.0kg之间。
22.根据权利要求19所述的太阳能模块，其中所述太阳能电池包含选自以下的至少一种材料：碲化镉、铜铟镓二硒化物、非晶单结硅、晶体硅、砷化镓和铜锌锡硫化物。
23.一种制造太阳能电池支承层层叠体的方法，其包括：
获得刚性泡沫层；
获得一个或多个邻近所述刚性泡沫层设置的表皮层；和
加热所述刚性泡沫层和所述一个或多个表皮层至所述刚性泡沫层或所述一个或多个表皮层中的至少之一的熔点以形成经加热的刚性泡沫层和经加热的一个或多个表皮层；和
施加压力以粘结所述经加热的刚性泡沫层与所述经加热的一个或多个表皮层而形成所述太阳能电池支承层层叠体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述刚性泡沫层的所述熔点介于160℃和275℃之间。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述一个或多个表皮层的所述熔点介于200℃和240℃之间。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述加热包括使用以下中的至少之一提供热处理：常规热烘箱结合真空袋、红外烘箱伴随压紧辊、微波炉压机、火焰处理、加热压紧辊、液压加热压机、高压釜、加热真空袋以及具有连续并经加热金属带的平床层合机。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述施加压力包括施加介于10lbs/in2至50lbs/in2之间的压力。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述施加压力的持续时间小于15分钟。
29.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括在所述施加压力后冷却所述太阳能电池支承层层叠体以形成经冷却的太阳能电池支承层层叠体。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述冷却的持续时间小于15分钟。
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