CN104465827A - 高效率太阳能电池模组结构 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种太阳能电池模组结构，其依序包含一可反射光线的太阳能电池背板、一掺混磷光体的第一聚合物层、一双面光伏电池层、一第二聚合物层及一钢化玻璃上盖板。本发明揭示的太阳能电池模组可有效提升光电转换效率。
Description
技术领域
本申请案有关一种高效率太阳能电池模组结构，特别是一种单晶硅或多晶硅的太阳能电池模组结构。
背景技术
太阳能电池模组主要是利用可进行光电效应的光伏电池层吸收光线，并将所吸收的光能转换为电能，进而达到发电的目的。目前常用的光伏电池层使用的光伏材料包含单晶硅、多晶硅、非晶硅等以硅为主的材料，以及诸如碲化镉、铜铟硒化物、铜铟镓硒化物、砷化镓等薄膜材料，以及光敏染料等有机材料。在这些光伏材料中，以硅材料的发展最为成熟，又在硅为主的太阳能电池中，以单晶硅及多晶硅太阳能电池最为普及。
目前太阳能电池的光电转换效率依所使用的材料而言大约在14%-20%左右，亦即每照射100能量单位的光能，仅能产生14-20能量单位的电能。造成此光能无法完全转换为电能的现象的一个重要因素在于各种光伏材料均仅能吸收部分光谱，且对于不同波长的光线有不同的吸收效率（参图1）。对于单晶硅或多晶硅而言，其主要吸收的光波长在400nm至800nm之间，而在太阳的光能中，波长300nm至400nm间（即紫外线、蓝光到天蓝光的范围）的能量占整个太阳光能量的10%左右（参图2），对于此部分波长之光线，单晶硅或多晶硅太阳能电池的发电效率仅为50%以下。是以，若能妥善利用此部分波长之光线，将可有效提升太阳能电池的效率。
鉴于上述因素，有文献提出以磷光体吸收特定波长光线，并将其波长转化为所使用的光伏材料较亦吸收者，以增加光伏电池层吸收之光能，进而提高整体光电转换效率。例如，美国第8,124,871号专利提出于太阳能电池之硅电池层之外表面额外置放一透明光线转换层，其中除聚合物外尚含有具有化学式(Sr1-XBaX)(BO2)2：EuLiCl（其中0≤x≤1）的磷光体粉末，其可将波长<400nm之光线并将之转换为500-780nm而再释放，以利于硅电池层之吸收，如图3所示（10为硅晶圆，20为透明光线转换层，21为磷光体）。惟于先前技术中，磷光体乃置于光伏电池层之上侧，故大部分经转化的光线将朝入光面漫射而仍无法被光伏电池层所利用。此外，先前技术中之磷光体是被掺混在一额外之光线转换层，此亦会增加制程所需之时间及成本，并易因各层间匹配性或黏着性不佳而导致缺陷产生。
有鉴于上述问题，本发明提出一种新的太阳能电池模组结构，其除可改善太阳能电池之整体光电转换效率外，亦能有效解决上述问题。
发明内容
本发明之目的是提供一种太阳能电池模组结构，其依序包含：
一可反射光线的太阳能电池背板；
一包含磷光体的第一聚合物层；
一双面光伏电池层；
一第二聚合物层；
一钢化玻璃上盖板。
本发明之太阳能电池模组结构主要具有以下的特色及优点：
(1)本发明之太阳能电池模组结构所采用的背板可反射光线，且所采用的光伏电池层为双面光伏电池层。藉由两者的搭配，能有效再利用通过光伏电池层而未被吸收的光线，或经电池间间隙到达背板的光线，以增加整体的光电转换效率。
(2)本发明之太阳能电池模组结构具有一掺混磷光体且设置于光伏电池层下方（即入光面的另一面）的聚合物层，此聚合层物中的磷光体可将短波长的太阳光转换成较长波长的光线，以利此等光线被光伏电池层吸收。又此等经转换之光线是于背板跟光伏电池层两者间产生，因此不会有如先前技术直接自入光面散出而无法使用的问题；
(3)本发明之太阳能电池模组结构中优选的磷光体具有300nm-400nm间的吸光峰值及450nm-500nm间的放光峰值，是对单晶硅或多晶硅最佳化的结果，能大幅提升整体模组之转换效率。
附图说明
图1所示者为多晶硅材料对于不同波长光线的转换效率。
图2所示者为太阳光谱图（AM1.5G）。
图3所示者为先前技术的透明光线转换层设置实例。
图4为根据本发明的太阳能电池模组结构的一个实施例。
图5为根据本发明的太阳能电池模组结构的另一个实施例。
图6为实例1及2磷光体（SPS及FPF）的吸收光谱。
图7为实例1及2磷光体（SPS及FPF）的放射光谱。
图8为比较例1及2磷光体（SAS及FAF）的吸收光谱。
图9为比较例1及2磷光体（SAS及FAF）的放射光谱。
具体实施方式
于本文中，除非特别限定，单数形之用语（例如「一」）亦包括其复数形。本文中任何及所有实施例及例示性用语(如「例如」)目的仅为了更加突显本发明，并非针对本发明的范围构成限制，本案说明书中的用语不应被视为暗示任何未请求的组件可构成实施本发明时的必要组件。
本发明之一目的是关于一种太阳能电池模组结构，其依序包含：
一可反射光线的太阳能电池背板；
一包含磷光体的第一聚合物层；
一双面光伏电池层；
一第二聚合物层；
一钢化玻璃上盖板；
其中所述磷光体具有300nm-400nm间的吸光峰值及450nm-500nm间的放光峰值。
本发明之太阳能电池模组结构之示意图可参考图4及图5。
图4之结构包含一涂布有光反射材料的玻璃(1)、一第一聚合物层(2)，其中掺混有磷光体(3)、一双面光伏电池层(4)、一第二聚合物层(5)及一钢化玻璃上盖板(6)。光线(7)由钢化玻璃上盖板侧进入，部分光学能量经由光伏电池层(4)转化为电能，剩余的光线(8)（以300nm-400nm波长为主）则透过光伏电池层(4)进入第一聚合物层(2)并经其中掺混的磷光体(3)转换为波长较长的光线并经由漫射或反射回到光伏电池层(4)，进而被转换为电能。
图5之结构与图4相似，仅以白色背板(1')取代图4中的光反射玻璃(1)。
以下针对本发明之太阳能模组结构中之各层的技术特征及制法做进一步的说明。
太阳能电池背板
太阳能电池背板除必须具备良好的抗压、抗拉及抗弯等物理强度外，还需具有良好的防水、防潮、防氧化、防热变形等耐候性质，以保护内部太阳能电池组件，并延长电池的使用寿命。本发明中的太阳能电池背板可采用习知的聚合物背板材料，例如聚氟乙烯（PVF）/黏着层/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）/黏着层/PVF多层结构、PVF/黏着层/PET多层结构、PET/黏着层/SiO2PET多层结构及涂布层/PET/黏着层/乙烯醋酸乙烯酯树脂（EVA）底胶层多层结构等。
又为能有效反射光线，当采用上述聚合物背板材料多层结构时，可于其中额外黏着一层金属薄层，例如铝箔或银箔等，或于其中之一或多层添加白色物质，例如TiO2、BaSO4、Teflon等，使之得以反射光线，进而为光伏电池层再次利用。
本发明亦可采用玻璃材料作为太阳能电池背板，为能达到前述机械性质的要求，本发明之太阳能电池背板结构中的玻璃基板必须具有以下的性质：至少约120MPa的抗压强度(compressive Strength)、至少约120MPa的抗弯强度(bending strength)及至少约90MPa的抗拉强度(tensile strength)；较佳地，本发明之太阳能电池背板结构中的玻璃基板应具有约120MPa至约300MPa的抗压强度(compressive Strength)、约120MPa至约300MPa的抗弯强度(bending strength)及约90MPa至约180MPa的抗拉强度(tensile strength)。一般玻璃无法达到上述机械强度，因此必须使用钢化玻璃。
又一般物理钢化玻璃可能具有足够的机械性质，但是为了避免产生变形，其厚度一般来说必须在3毫米以上，此不但造成材料及运输成本的增加，更会影响太阳能电池的散热性。至于一般化学钢化玻璃亦可能达到以上机械性质的要求，且较无加工厚度的限制。然而化学钢化玻璃很容易因为环境因素造成破坏，且有后续涂膜不易、易产生脱膜现象及成本较高之缺点，其使用亦受限制。
在本发明的一个优选实例中，采用的玻璃背板可使用藉由气动加热及冷却之处理程序制得的新型式物理钢化玻璃。此种物理钢化玻璃的详细制法可参考中国专利第201110198526.1号申请案的内容。若采用此种物理钢化玻璃，则其厚度可减少至2mm以下而仍具有足够之物理强度。
相较于聚合物背板，玻璃背板具有下述优点：当使用玻璃作为背板材料时，可直接利用物理气相沈积等方法直接将金属（例如银、铝、金、铬等）沈积于玻璃基板上，使背板得以反射光线。此方法无需使用黏着剂，除了节省制程步骤外，亦可避免黏着剂变质所产生之问题，因此具有较佳的可靠性。将金属沈积于玻璃背板的步骤可于玻璃钢化后进行，亦可于玻璃进行气动加热之前进行。金属膜的厚度无特殊限制，一般来说，100nm至300nm的厚度均为合适。
另外，虽然本发明之太阳能电池背板结构于玻璃基板上有一层反射层，但是由于反射层可能非常薄，因此光线仍有可能穿透反射层而达到玻璃基板之表面。为了增加反射率，本发明之太阳能电池背板结构中的玻璃基板可于与反射层同侧的表面做粗化处理(texturization)而使光线经由散射再次回到背板之上。粗化处理之方式包括但不限于习知之喷砂、压花、蚀刻或雷射雕刻等。
第一聚合物层
本发明之第一聚合物层具有两个主要的功能，其一为固定太阳能电池的光电组件并对其提供物理上的保护，例如抗冲击及防止水气进入等；其二为第一聚合物层其中的磷光体能将短波长的入射光线转换为长波长的光线，以利光伏电池层再利用。本发明之第一聚合物层可使用任何习知的封装材料，再掺混或涂布合适的磷光体制得。
目前EVA为使用最为广泛的太阳能电池板封装材料。EVA为一种热固性树脂，其固化后具有高透光、耐热、耐低温、抗湿、耐候等特性，且其与金属、玻璃及塑料均有良好的接着性，又具有一定的弹性、耐冲击性及热传导性，因此为理想的太阳能电池封装材料。EVA具有1.4至1.5的折射率，一般约为1.48。
本发明之第一聚合物层亦可由其它诸如聚乙烯纯缩丁醛（Polyvinyl butyral；PVB)、硅胶及薄膜离子型聚合物，如Dupont PV5400等材料制得。
当光伏电池层使用单晶硅或多晶硅材料时，第一聚合物层中的磷光体应具有300nm-400nm间的吸光峰值及450nm-500nm间的放光峰值，以将单晶硅或多晶硅难以吸收的短波长光线转换为具有较长波长的光线。
适用之磷光体可为无机磷光体，例如藉由于YAG或TAG中添加Bi+3或Tb+3所制得之无机磷光体。亦可使用有机磷光体。除可使用公知之有机磷光体外，可使用如下之新颖有机磷光体，以达较佳之功效：
其中任两对称之R分别为G1与G2，其余各R独立为氢、卤基或脂肪族基团，其中脂肪族基团包含但不限于、C1-C6烷基、C2-C8烯基、C2-C8炔基、C1-C6烷氧基、C3-C8脂族环基、包含O、N或S杂原子之C3-C8杂环基，上述烷基、烯基、炔基、烷氧基、脂族环基、杂环基可进一步经一种或一种以上之脂肪族基团取代或未经取代；
G1为
G2为
S各自独立为氢、卤基或脂肪族基团，其中脂肪族基团包含但不限于、C1-C6烷基、C2-C8烯基、C2-C8炔基、C1-C6烷氧基、C3-C8脂族环基、包含O、N或S杂原子之C3-C8杂环基，上述烷基、烯基、炔基、烷氧基、脂族环基、杂环基可进一步经一种或一种以上之脂肪族基团取代或未经取代；且任二相近之S可与相邻基团连结而形成脂肪族或杂缩合环。
本发明之有机磷光体更优选为
(分子式：C66H38；实际分子量：830.297)
或
(分子式：C68H46；实际分子量：862.360)。
本发明之磷光体优选为具有10nm至2000nm平均粒径的颗粒或粉末，其可均匀掺混于第一聚合物层中，或以滚涂、喷涂等方式涂布于第一聚合物层之上表面或下表面；优选为均匀掺混于第一聚合物层中。
光伏电池层
本发明之光伏电池层优选为单晶硅光伏电池层或多晶硅光伏电池层，然而亦可使用其它习知材料，如鉮化钾光伏电池层、非晶硅光伏电池层、碲化镉光伏电池层、铜铟硒光伏电池层、铜铟镓硒光伏电池层或染料敏化光伏电池层等。当使用单晶硅光伏电池层或多晶硅光伏电池层以外之材料时，应另选择合适之磷光体，以利将具有该等材料不易吸收之波长的光线转换为较易吸收的光线。
为能有效利用经由第一聚合物层中的磷光体转换的光线，本发明之光伏电池层必须采用上下两面均可进行光电转换的双层光伏电池层。此种双层光伏电池层可由市场上购得，例如日本SANYO公司出产的HIT系列双层光伏电池层。
第二聚合物层
本发明的第二聚合物层亦为封装层，其可使用任何习知的封装材料制得，例如前述的EVA、聚乙烯醇缩丁醛（Polyvinyl butyral；PVB)、硅胶及薄膜离子型聚合物等。同第一聚合物层，第二聚合物层亦可掺混或涂布前述的磷光体，但是磷光体乃置于光伏电池层之上侧，所以大部分经转化的光线将朝入光面漫射，导致效率之增加非常有限。
太阳能电池盖板
本发明中的太阳能上盖板无特殊限制，通常使用透明的玻璃板，以提供足够的透光性以及抗压、抗张及硬度等机械强度，并阻绝水气进入太阳能电池组件内部。本发明中的太阳能上盖板优选为具有厚度小于2mm的钢化玻璃，其制作方法及制程要求如先前太阳能电池背板一节中所述。
实例
以下说明本案较佳磷光体实例SPS及FPF与比较实例SAS及FAF之制备。
本案较佳磷光体实例SPS及FPF与比较实例SAS及FAF可经由以下之反应流程制备。详细反应步骤如实例1至实例4中所描述。
实例1：SPS之制备
将化合物S(2.11g,4.8mmol)、化合物P(0.72g,2mmol)、Pd(PPh3)4(0.24g,0.2mmol)及搅拌子置于250mL双颈瓶中，架冷凝管后抽真空，并将瓶内气体置换成氩气，逐步打入除水后的甲苯(100ml)、0.05M PtBu3(4mL,2mmol)以及2M K2CO3水溶液(5.5mL,8mmol)，回流加热(120℃)下搅拌三天，过滤固体并分别以甲醇、纯水、乙酸乙酯(EthylAcetate)以及二氯化碳洗至金黄色，得金黄色固体(SPS)(1.02g,62%)。
1H NMR(CDCl3,400MHz)δ8.00(d,J=2.4Hz,4H),7.98(t,J=8.0Hz,4H),7.81～7.77(m,8H),7.62(d,J=8.0Hz,2H),7.41(t,J=8.0Hz,2H),7.34(t,4H),7.14(s,J=8.0Hz,6H),6.97(d,J=8.0Hz,2H),6,87(d,J=8.0Hz,4H),6.78(d,J=8.0Hz,2H);HRMS(m/z,FAB+)分子式：C66H38，实际分子量：830.2965。
实例2：FPF之制备
将化合物F(0.55g,1.2mmol)、化合物P(0.18g,0.5mmol)、Pd(PPh3)4(0.06g,0.05mmol)及搅拌子置于50mL双颈瓶中，架冷凝管后抽真空，并将瓶内气体置换成氩气，逐步打入除水后的甲苯(20mL)、0.05M PtBu3(1mL,0.1mmol)以及2M K2CO3水溶液(1.375mL,2mmol)，在回流加热(120℃)下搅拌三天，以氯仿(CHCl3)和水萃取，收取有机层以无水硫酸镁(MgSO4)除水后，以回旋浓缩仪去除溶液后，以氯仿/正己烷/甲苯混合比例为1/8/1的冲提液以细的gel进行管柱层析，得金黄色液体，回旋浓缩仪抽干后得金黄色固体(FPF)(0.34g,78%)
1H NMR(CD2Cl2,400MHz)δ8.15(d,J=4.0Hz,4H),7.98～7.95(m,6H),7.88(d,J=8.0Hz,2H),7.72(s,2H),7.66(t,J=4.0Hz,2H),7.45～7.41(m,4H),7.35～7.18(m,18H),7.06(d,J=8.0Hz,4H),2.12(s,6H);13C NMR(CD2Cl3,100MHz)δ152.2,152.1,146.6,143.4,141.1,140.4,139.9,138.4,137.1,130.9,130.6,129.5,129.3,129.0,128.8,128.7,128.6,128.5,128.4,128.2,127.9,127.0,127.3,126.8,125.7,125.0,121.0,120.8,65.9,21.2;HRMS(m/z,FAB+)；分子式：C67H46，实际分子量862.3598。
比较例1：SAS之制备
将化合物S(0.53g,1.2mmol)、化合物A(0.305g,0.5mmol)、Pd(PPh3)4(0.06g,0.5mmol)及搅拌子置于50mL双颈瓶中，架冷凝管后抽真空，并将瓶内气体置换成氩气，逐步打入除水后的甲苯(30mL)、0.05M PtBu3(1mL,0.1mmol)以及2M K2CO3水溶液(1.375mL,2mmol)，回流加热(120℃)下搅拌三天，过滤固体并分别以甲醇、纯水、乙酸乙酯(EthylAcetate)以及二氯化碳洗至金黄色，得金黄色固体(SAS)(0.34g,68%)
1H NMR(CDCl3,400MHz)δ7.83(d,J=8.0Hz,8H),7.73(s,2H),7.62(d,J=8.0Hz,2H),7.52(d,J=8.0Hz,2H),7.36～7.31(m,14H),7.11～7.05(m,6H),6.84(s,2H),6.73(t,J=8.0Hz,6H),2.51(s,6H);HRMS(m/z,FAB+)；分子式：C78H50，实际分子量：986.3932。
比较例2：FAF之制备
将化合物F(0.55g,1.2mmol)、化合物A(0.305g,0.5mmol)、Pd(PPh3)4(0.06g,0.5mmol)及搅拌子置于50mL双颈瓶中，架冷凝管后抽真空，并将瓶内气体置换成氩气，逐步打入除水后的甲苯(30mL)、0.05M PtBu3(1mL,0.1mmol)以及2M K2CO3水溶液(1.375mL,2mmol)，在回流加热(120℃)下搅拌三天，以氯仿(CHCl3)和水萃取，收取有机层并以回旋浓缩仪去除有机溶液后，以正己烷/甲苯/氯仿混合比例为20/5/1的冲提液进行管柱层析，得金黄色液体，回旋浓缩仪抽干后得金黄色固体(FAF)(0.37g,72%)
1H NMR(CDCl3,400MHz)δ7.88(s,2H),7.75(t,J=8.0Hz,6H),7.59(s,2H),7.56～7.53(m,4H),7.41～7.33(m,16H),7.18(s,8H),7.08(d,J=8.0Hz,4H),7.00(d,J=8.0Hz,4H),2.57(s,6H),2.29(s,6H);13C NMR(CDCl3,100MHz)δ151.8,151.3,145.9,142.7,141.0,140.3,139.6,139.5,137.8,136.2,129.7,129.0,128.9,128.1,128.0,127.7,127.4,127.3,126.7,126.5,126.2,125.2,123.9,122.4,120.3,120.2,84.0,65.1,21.4,20.9;HRMS(m/z,FAB+)；分子式C80H581018.4539,实际分子量1018.4550。
實例3：光學性質測定
以分光光谱仪分别测定含SPS、SAS、FPF、FAF的标准溶液。测得各样品的光学性质如下表及图6至图9所示。
由上表数据可知尽管本案特殊的磷光体SPS与FPF与比较例中的磷光体SAS与FAF结构类似，本案特殊的磷光体SPS与FPF具有明显较优越的量子产率，将之应用于本案的太阳能电池模组中，将可大幅提升整体的转换效率。
应理解前述说明书之内容及所附图式之目的为说明本发明，并非限制本发明。本发明的范围应只被所附权利要求书所限制，且所属领域的技术人员可易于实现的任何修改或更改将属于本说明书和所附权利要求书的范围内。
Claims (11)
1.一种太阳能电池模组结构，其依序包含：
一可反射光线的太阳能电池背板；
一包含磷光体的第一聚合物层；
一双面光伏电池层；
一第二聚合物层；
一钢化玻璃上盖板；
其中所述磷光体具有300nm-400nm间的吸光峰值及450nm-500nm间的放光峰值。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池模组结构，其中所述的双面光伏电池层为双面单晶硅或多晶硅光伏电池层。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池模组结构，其中所述的磷光体为有机磷光体。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池模组结构，其中所述的磷光体选自
其中任两对称之R分别为G1与G2，其余各R独立为氢、卤基或经取代或未经取代的脂肪族基团；
G1为
G2为
各S独立为氢、卤基或脂肪族基团，且任二相近之S可与相邻基团连结而形成脂肪族或杂缩合环。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池模组结构，其中所述的磷光体选自
或
6.根据权利要求1所述的太阳能电池模组结构，其中所述的磷光体具有10nm至2000nm的平均粒径。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池模组结构，其中所述的背板为其上具有金属光反射膜的钢化玻璃背板。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池模组结构，其中所述的背板及所述的钢化玻璃盖板具有2mm以下之厚度。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池模组结构，其中所述的背板上具有作为光反射膜的银、铝、金、铬或其合金之薄层。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池模组结构，其中所述的背板为白色的聚合物层。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池模组结构，其中所述的第一聚合物层及所述的第二聚合物层包含选自乙烯醋酸乙烯酯树脂（EVA）、聚乙烯纯缩丁醛（Polyvinyl butyral；PVB)、硅胶及薄膜离子型聚合物之一的材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |