CN105308769B - 光伏纺织品 - Google Patents

Abstract

用于纺织品系统的带结构和相关的电路构造以建立纺织品的电特性。纺织品包含诸如光伏构件的电荷承载构件，其与在单个带结构中的导电层接触以改善电性能而不影响纺织品的物理特性。纺织品包括光伏带，每个具有光透明层、光伏层、第一导电层、第二导电层以及位于第一导电层和第二导电层之间的绝缘衬底。

Description

光伏纺织品

技术领域

本发明涉及设计成将电荷诸如通过太阳能产生的电荷转换为可使用的电的纺织品。更具体地，本发明涉及减少电阻以便改善性能的电荷转移纺织品、光伏系统、太阳能纺织品和子构件。

背景技术

光伏系统通过光伏电池的作用将太阳光转换为电。目前使用的大型太阳能电池阵典型地具有多个板或模块，每个具有多个光伏电池。该电池阵由刚性构件构成。最近，发展了可并入纺织品中作为刚性电池和模块的替代物的柔性光伏构件。

诸如聚合物光伏（PPV）的柔性太阳能技术对于许多应用持有很大希望。由纺织品提供的移动自由性对于制造太阳能转换结构具有潜力，其与可比的刚性太阳能结构相比更容易运输和架设。该系统可用于将更需要的电带到否则将不具有电的偏远或受灾地区。在其他应用中，整合到常见物品诸如帽子、衣服、帐篷和覆盖物中的有效的太阳能纺织品可潜在地提供较小规模的电力。

用于太阳能纺织品应用的小截面光伏纤维提供均匀性和类似织物的柔性。廉价的和柔性的聚合物光伏（PPV）非常适合用作纤维。然而，从现有PPV构件生产有效的太阳能纺织品的尝试受到与其内在电阻有关的基本技术障碍的约束。

目前同轴结构的PPV纤维依赖居中的内部导体和透明的外部导体，诸如ITO（氧化铟锡）或导电聚合物诸如PEDOT（聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸）），以沿着纤维移动电荷。然而，当该纤维并入到纺织品中时，外部的、光透明的电极的低导电性引起在可用电中的显著电压降。电压降产生是因为透明的电极提供两个关键但矛盾的功能。第一功能是将太阳通量通过透明的电极通畅地进入在表面之下的光学活性光电层中。第二功能是沿着透明电极的片材尺寸轴向地移动或传送电荷，具有最小的电压降或损失。有效的光传输需要最大的光学清晰度，意味着相对薄的电极。然而有效的电荷传送需要足够的厚度以提供低的电阻通道。虽然一个功能随着增长的厚度而优化，但是另一个随着减少的厚度而优化。目前可用的光透明化合物，诸如ITO和诸如PEDOT的多种新的基于聚合物的物质，不能同时满足光学清晰度和导电性的要求。对于由这些物质制成的PPV构件，可接受的光传输导致使用在太阳能纺织品中的过大的片材电阻。

其他光伏纤维设计依赖在其整个长度上的双内部导体。然而，电力穿过由这种纤维制成的纺织品的移动一般是更复杂的和欠可靠的，因为需要产生和保持与外部电路的额外的电连接。而且，内部导体的通常的小截面尺寸限制电荷流。与同轴纤维相似，沿着双内部导体纤维的轴线的电荷传送产生大的电压降，从而降低使用该纤维的纺织品的性能。

生产用于纺织品的光伏（PV）纤维的尝试已经报道具有24%的电填充因子的仅有0.01%的电力转换效率。（A Photovoltaic Fiber Design for Smart Textiles. Textile Research Journal, Vol.80(11):1065-1074 DDL）。还据报道：“未见报道高导电性和光透明的n型载流对电极。即使具有低至10 ohm/cm²电阻率的氧化铟锡涂层也不能在不引起电损失的情况下传送通过在大于10-15mm上的1太阳辐照度产生的光电流。”（Solar Power Wires Based on Organic Photovoltaic Materials, Science Magazine,2009年四月10日）

除了低效率，由在本领域中已知的光伏纤维制成的太阳能纺织品模块易受来自导体短路的故障，尤其地在来自多个纤维的电荷汇合的连接处。除非本质上强化，否则小连接的易损的性质放任它们从轻微的碰撞或磨损中损坏。取决于设计，单次短路会削弱多个电池或甚至相邻太阳能模块的功能。相似地，由其他现有的光伏构件诸如薄膜制成的太阳能纺织品模块是太脆弱的或刚性的并且仍然很大程度上未证实用于开发太阳能纺织品的优点。

在PCT申请序列号PCT/US2012/054866中发展并公开的现有设计提供布置以形成能够从太阳能产生电的纺织品的构件的组合。该现有设计使用高导电母线的组合，作为与光伏带或纤维接触的管道，以使电荷移入和移出纺织品单元电池。母线管道被布置成通过沿着光伏构件的长度为带电表面提供多个耐用的电触头以使电荷传送阻力在整个纺织品上最小化。遗憾地，根据本发明，以交错的方式被编织在一起的PV带和母线管道的组合的构造是无效率的。具体地，由于母线管道在其在PV带的顶部电极的上面通过时的叠排式路由，PV带是过度遮蔽的。该限制可导致功能性PV带区域的大约50%的遮蔽。利用在引用的PCT申请中公开的现有设计的纺织品也是难于制造的，因为它们依赖多个构件，这增加了制造成本和复杂性以及降低了广泛商业化的可能性。

关于现有的光伏构件和系统的这些和其他技术问题继续抑制用于太阳能纺织品的新应用的快速商业化。因此，在本领域中需要总体更有效的光伏纺织品构件和材料，尤其是耐用的但依然足够柔性以呈现织物的性能的那些（光伏纺织品构件和材料）。

发明内容

因此，本发明涉及与太阳能纺织品有关的新型的光伏系统、构件、和制造方法。总体地，本发明通过采用系统方法到整体设计来提高太阳能纺织品性能。根据本发明的纺织品利用包含电荷转换PV层和导电电荷传送层两者的集成的带结构。对于上面引用的PCT申请所公开的现有技术系统包括两个不同构件、PV带和导电母线管道。这两者是交织的并且因此不能利用太阳能纺织品的整个表面区域以收集太阳能。本发明通过将太阳能转换和电荷传送集成到单个带结构中来改善制造选项并且大体上消除遮蔽限制。具体地，单个带结构包括在绝缘衬底周围夹持的第一导电层和第二导电层。绝缘衬底可以是整体层或者其可以由多层形成。PV层应用在第一导电层的顶表面上。PV层可以是整体层或者其可以由多层形成。PV层提供光伏性能而第二导电层执行为低阻力传送通道以允许沿着带轴线的低损耗电荷运动。一个或多个导电触头可定位在由PV层从第一导电层隔开的PV层的上表面上。该设计通过允许收集穿过纺织品的整个表面区域的太阳能来克服先前描述的限制。额外地，通过同时提供需要的低阻力通道以将电荷移入和移出纺织品编织，单个带结构赋予适用于供能装置的充分有效的电荷承载纺织品的形成。

本发明的单个带结构可用作经纱和纬纱构件以及赋予太阳能纺织品的形成而不要求分立的母线管道。本发明的带结构赋予纺织品从多个该带结构的编织的制造，使得各种电路组合是可以的并且这些电路的输出好于当使用分立的太阳能转换和电荷传送构件时的可用的输出。

尽管本发明的描述涉及可适用于使用在将太阳能转换为电并且有效传送所述电的纺织品系统中的带结构，但是其不严格限制于“太阳能”纺织品。反而，其涉及在具有一个或多个柔性的和加长的电荷承载构件的任意纺织品中的带结构的并入，该电荷承载构件可以是光伏构件，但还可以是其他形式的电荷承载构件，包括但不限于其他形式的柔性导电元件。

在审视本发明的以下详细描述、附图、和权利要求后，本发明的前述的和相关的方面和实施例和其他优势和特征对本领域技术人员将是显而易见的。

附图说明

图1是集成的带结构的横截面，其包括PV部分和由绝缘层彼此隔开的两个导电层。图1A是集成的带结构的PV转换层的横截面。

图2是本发明的集成的带结构的横截面，具有包括多个子层的绝缘层。

图3A是本发明的太阳能纺织品的一部分的顶部透视图，形成有图1的集成的带结构，和图3B是图3A的太阳能纺织品的一部分的底部透视图。

图4是本发明的太阳能纺织品的透视图，形成有具有端接在两带端部处的图1的集成的带结构。

图5是带结构的替代实施例的横截面，示出第二导电层的弯曲形式。

图6是带结构的另一个替代实施例，示出从绝缘层隔开的第二导电层。

图7是图6的带结构的实施例的横截面侧视图。

图8是包括图6的带结构构造的纺织品的底部透视图。

图9是包括本发明的带结构的纺织品的实施例的顶部透视图，包括改善在相邻带之间的接触的方法。

图10是图9的纺织品的顶部透视图，示出在带结构内的内部扩展以加强相邻带之间的接触。

具体实施方式

术语“沉积”涵盖在采用材料涂覆表面中使用的所有技术，其包括但不限于喷涂、浸涂、旋涂、真空和化学淀积、和包括但不限于喷墨印刷的印刷。

术语“光”包括一些电磁辐射，其公知为可见光和可应用于从光伏构件产生电的红外线和紫外线光谱的部分。

术语“光伏”意味着由于暴露于电磁辐射而具有有助于横穿相反的电极生产电的能力。

缩写“PPV”是聚合物光伏的简称，并描述具有光伏功能的包括结构性聚合物和其他材料的构件或系统。

缩写“PV”是光伏的简称，并描述具有光伏功能的构件或系统，其中光伏可以不是聚合物构件。

术语“PV层”指的是一个或多个光伏层，其在彼此组合时将促进电荷的产生和运动。

术语“太阳能纺织品”包括纺织品、布料、织物、和集成光伏构件和具有不同柔性的其他编织组件。

术语“带”指的是具有两个相对的平坦表面的相对薄和窄的构件，其尤其地是长度大于宽度。

术语“透明”意味着允许光穿过并且包括半透明和透明。

根据本发明的光伏系统包括通过将在此描述的集成的纺织品带结构的形式编织在一起制成的纺织品。

在优选的实施例中，本发明的系统包含在此描述的导电带结构的构造。图1示出的是本发明的集成的单个带结构10的横截面。带结构10包括PV转换层12，其可以是聚合物光伏带但在其制造中不限于包括聚合物材料。PV转换层12接触第一导电层14，其可以是PV转换层12的结构支撑。第一导电层14是柔性的和导电的，并且限定PV转换层12的活性宽度。第一导电层14可能是诸如铝的金属、导电聚合物或被选择成同时获得好的导电性、机械强度和柔性的金属和导电聚合物的堆叠层。如图1A中示出，PV转换层12由与第一导电层14接触的电子吸收子层22、光子吸收光敏子层24和光透明孔传输子层26制成。光透明孔传输子层26充当带结构10的上电极26。第一导电层14和PV转换层12彼此顺序地物理的和电的接触，形成对于光伏转换来说需要的连接结构。一般地，其他结构可提供由PV转换层12提供的光伏转换而不偏离本发明。

光透明的上电极26可由ITO或PEDOT或具有一些导电性的任何合适的光透明材料形成。即，上电极26由被选择以允许代表太阳能的光28从其穿过的材料制成。光28穿过上电极26并到达光子吸收光敏层24，其能够使电子移动到电子吸收层22。光敏层24可由P3HT:PCBM（聚-3-己基噻吩和[6,6] - 苯基C61丁酸甲酯混合物）制成。电子吸收层22可由氧化锌制成。本领域技术人员将认识到用于形成PV转换层12的所示子层的其他选择是可能的。PV转换层12可同时覆盖第一导电层14和部分绝缘衬底32，以便围绕第一导电层14的边缘建立绝缘裕度，以确保在否则带结构10本身的高导电层之间或用于形成太阳能纺织品的邻近带结构层的高导电层之间的电隔离。在图5中示出第一导电层14和PV转换层12的可选构造。

形成PV转换层12的材料的光伏和伴随层可沉积在第一导电层14上并且使用本领域已知的目前沉积方法装配一起。一个或多个触头30可固定到上电极26的上表面并可用于建立到上电极26的电连接。触头30可由诸如和第一导电层14相同的材料的高导电材料制成。

带结构10的剩余部分包括绝缘层32和第二导电层34。绝缘层32由一种或多种材料制成，其选择以从带结构10的第一导电层14电绝缘第二导电层34。绝缘层32可制成为整体结构或其可由两个或多个子层制成。例如，如图2中示出，绝缘层32可由第一绝缘子层36和第二绝缘子层38形成。第一绝缘子层36和第二绝缘子层38可由相同的或不同的材料形成。它们可物理地连接在一起以便当带结构10移动时它们一致移动或者它们可被允许相对于彼此不同地移动以增强作为纺织物的部分的带结构10的柔性。绝缘层32可由非金属材料制成，诸如聚酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙酯或其他材料，该其他材料具有当用作其预期目的时适用于保持带结构10的结构完整性的结构特征，并且还充分地电绝缘以便在第一导电层14和第二导电层34之间没有短路发生。

第二导电层34由与为第一导电层14提供的材料相似的材料和尺寸形成。即，其是柔性的和导电的并可延伸到周边或相对于其宽度和绝缘层32的宽度的关系在其周边处凹进。其可以是诸如铝的金属、导电聚合物或被选择成同时获得好的导电性、机械强度和柔性的导电聚合物和金属的堆叠层。带结构10中的一个的第二导电层34被布置成当多个带结构诸如通过编织组合成纺织品时与带结构10中的邻近的不同一个的PV转换层12产生电接触。即，带结构10中的一个的第二导电层34具有电位，其基本上对应于该第二导电层34接触的带结构中的另一个的PV转换层12的上电极26的电位。在该实例中第一导电层14比第二导电层34具有更低的电位。

在完成时，带结构10可卷起以例如储存或装运，并且然后根据需要展开和供给到各种类型的织机中以形成多个纺织品编织。

图3A和3B示出本发明的纺织品100的实施例，其使用图1或图2的多个带结构10作为组装的编织，由此多个带结构10的每个具有在其上侧40上的具有一个或多个可选触头30的PV转换层12和在其底侧42上的第二导电层34。第一导电层14位于PV转换层12和绝缘层32之间，而第二导电层34在绝缘层32的相反侧上，形成带结构10的下侧42。第二导电层34与触头30接触或直接与PV转换层12接触。触头30是高导电的并且当两个带结构10放在一起时沿着带结构10的长度预期没有显著的电压降。

与外部电路的电端接可通过暴露第一导电层14的端部44完成。块夹紧系统也可用于建立到外部电路的电接触。比如，由于带结构10有统一的双极双向的本质，所以简单的双极机械压缩夹具可用于形成电连接以完成电路。当形成接触时，电流以从在PV转换层12或在存在时触头30和单独的交错编织的带结构10的第二导电层34之间的接口处建立的端子并返回通过在第一导电层14的端部44处建立的相对较低电位端子的电路行进。

包含图1和图2的带结构10的纺织品可规模设计到如图4示出的较大尺寸。注意电端接是不需要隔开单个极性的块宏观端接，因为带结构10的顶部总是一个极性并且在第一导电层14的端部44处的带结构10的中间区段实际上是另一极性。额外地，图4示出在带结构10的两端44处可做出端接，其可最小化电压降。从这些图还是明显的是该带结构构造消除了现有设计明显的遮蔽限制，因为纺织品的所有暴露表面都是光敏的。该构造还比现有设计更容易制造，现有设计需要使用两个单独结构，一个用来转换太阳能和另一个用来传送转换的电信号。

带结构10的替代实施例在图5中表示。在该实施例中，第二导电层34是弯曲的或拱起的以使其能够顺应在下相邻的带结构10，其是弯曲的，因为其柔性和包括带结构10的所制造纺织品的任意移动。这有多个目的：1）弯曲的表面几乎匹配下面拱起的带的曲率，从而增加带之间的有效接触区域，和2）接触压力更一致分布在接触区域上。结果是在拱起的带的上面和下面之间更一致的和受控的电接口。

图6示出设计替代物，其保持两个金属电极的希望的电性能，同时使对带刚度的影响最小化。这通过从绝缘层32隔开第二导电层34完成，虽然保持着某些物理接触，从而能够使机械剪切在层之间发生。这消除了工字梁行为并减少从带屈曲产生的层应力。图7示出与图6中示出的相同的隔开的设计，但是第二导电层34具有弯曲横截面。其他横截面设计也是可能的。图8示出底部弯曲的电极，其是第二导电层34，因为其在编织中将被实施。

在包括组合在一起的多个带结构10的纺织品中获得期望的好的带到带的电接触的方面在于促使带彼此建立更大的表面区域接触。施加的力将邻接的带更紧地压紧在一起，并且通过带屈曲，增加拱起的带的上面和下面之间的接触压力，其从可被建立的带的更紧的曲率半径产生。也可以通过扩展带横截面来增加带到带的接触压力。图9示出简单的长方形横截面带，其被布置以包括在非扩展的构造中的扩展元件50。图10示出图9的相同的带，但是具有在扩展的构造中的扩展元件50。扩展元件50的扩展形式引起带呈现凸的形状，以便如此扩展的相邻的带将在它们对应的第二导电层34和PV转换层12之间有更大的接触。提供扩展元件50的方法的一个实例是在绝缘层32内或邻近绝缘层32形成囊并且注入流体以扩展囊。如在图9和图10中示出，另一种方法是形成可扩展材料诸如可扩展的温度活性泡沫的绝缘层32的一部分，并施加流体压力到泡沫。绝缘层32也可由该材料制成并从而成为扩展元件50。

到目前为止描述的用于纺织品的带结构10的实施例仅仅是根据本发明可被构造的多个中的实例。具有达到本发明的功能目标的其他编织的纺织品是可以的，其使用相同的PV转换层12、第一导电层14、绝缘层32和第二导电层34。而且，多个纺织品产品可通过变化带结构10的几何结构和相对于彼此的取向制成。

如在此描述的，本领域技术人员将理解用于制造改善的太阳能纺织品的新颖系统、构件和方法在此公开，其解决了在现有技术中的显著缺陷。提供的实施例仅仅意在作为示例性说明，而不是为了限制本发明会寻求的权利要求的范围的目的。额外于示出或描述的那些，各种变化、修改和等同物对本领域技术人员将是明显的，并同样地意在落入本发明的精神和范围内，无论它们是否当前存在于下述修改的权利要求中或在修改的权利要求中以后做出。

Claims (14)

1.一种用于在具有多层的纺织品中的光伏带结构，所述光伏带结构包括：

a)光透明的上电极；

b)用于将光能转换为电的光子吸收光敏层，其中所述光子吸收光敏层位于所述光透明的上电极下面；

c)位于所述光子吸收光敏层下面的电子吸收层；

d)位于所述电子吸收层下面的第一导电层；

e)位于所述第一导电层下面的绝缘层；和

f)位于所述绝缘层下面的第二导电层。

2.如权利要求1所述的光伏带结构，其特征在于，所述光伏带结构沿着所述光伏带结构的上表面具有一个或多个导电触头以提供用于电荷传送的接触点。

3.如权利要求1所述的光伏带结构，其特征在于，所述第二导电层是弯曲构造的。

4.如权利要求1所述的光伏带结构，其特征在于，所述绝缘层由第一绝缘子层和第二绝缘子层形成，其中所述第一绝缘子层联结到所述第一导电层，和所述第二绝缘子层联结到所述第二导电层。

5.如权利要求1所述的光伏带结构，其特征在于，所述第二导电层从所述绝缘层滑动地隔开。

6.如权利要求1所述的光伏带结构，其形成光伏纺织品的一部分，所述光伏纺织品包括以交错方式编织在一起的多个光伏带结构。

7.如权利要求6所述的光伏纺织品中的光伏带结构，其特征在于，所述多个光伏带结构的第一组被布置成基本平行于另一组，并且所述多个光伏带结构的第二组被布置成基本平行于另一组，其中所述第一组的所述光伏带结构以基本垂直布置与所述第二组的所述光伏带结构交错。

8.如权利要求7所述的光伏纺织品中的光伏带结构，其特征在于，光伏带结构的所述第一组的所述第二导电层接触光伏带结构的所述第二组的所述光透明的上电极，和光伏带结构的所述第二组的所述第二导电层接触光伏带结构的所述第一组的所述光透明的上电极。

9.如权利要求6所述的光伏纺织品中的光伏带结构，其特征在于，所述光伏带结构沿着所述光伏带结构的上表面具有一个或多个导电触头以提供用于电荷的传送的接触点。

10.如权利要求6所述的光伏纺织品中的光伏带结构，其特征在于，所述多个光伏带结构的所述第二导电层是弯曲构造的。

11.如权利要求6所述的光伏纺织品中的光伏带结构，其特征在于，所述多个光伏带结构的每个的所述绝缘层由第一绝缘子层和第二绝缘子层形成，其中所述第一绝缘子层联结到它们相应的第一导电层，和所述第二绝缘子层联结到它们相应的第二导电层。

12.如权利要求6所述的光伏纺织品中的光伏带结构，其特征在于，所述多个光伏带结构的所述第二导电层从它们相应的绝缘层滑动地隔开。

13.如权利要求11所述的光伏纺织品中的光伏带结构，其特征在于，允许每个第一绝缘子层相对于其对应的第二绝缘子层不同地移动。

14.如权利要求4所述的光伏带结构，其特征在于，允许所述第一绝缘层相对于所述第二绝缘子层不同地移动。