CN105378946A - 用于太阳能组件的带有含曲面微结构的反射微结构化膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了反射微结构化膜，该反射微结构化膜包括基底层和从所述基底层突出的多个微结构的有序排列。所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，这些侧面中的至少一个为曲面。每个曲面由曲率角限定。另外，所述微结构包括反射层。这些反射微结构化膜可在太阳能组件中使用。
Description
技术领域
本公开涉及具有含曲面微结构化特征部的反射微结构化膜，以及它们在太阳能组件中的用途。
背景技术
可再生能源是来源于可补充的自然资源(诸如阳光、风、雨、潮汐和地热)的能源。随着技术的进步和全球人口的增长，对可再生能源的需求大幅提高。如今，尽管矿物燃料提供了绝大部分的能量消耗，但这些燃料是不可再生的。对这些化石燃料的全球性依赖不仅带来关于其耗尽的担忧，还带来对于由燃烧这些燃料所致的排放有关的环境问题。由于这些问题，世界各国一直都在倡导对大规模和小规模可再生能源的开发。当今前景较好的能源资源之一为阳光。在全球范围内，目前有数百万的家庭从太阳能光伏系统获得电力。对太阳能电力不断增长的需求伴随着对能够满足这些应用要求的装置和材料的不断增长的需求。
可通过使用用于光电转换的光伏(PV)电池(太阳能电池)(例如硅光伏电池)实现阳光利用。光伏电池尺寸相对较小，并且通常被组合到具有对应更大功率输出的物理集成光伏组件(太阳能电池组件)中。光伏组件一般由2“串”或更多“串”光伏电池形成，其中每串由成排布置并使用镀锡扁平铜线(也称为电连接器、接片条带或汇流线)串联地电连接的多个电池组成。这些电连接器通常通过焊接过程附着到光伏电池。
光伏组件通常包括由包封材料围绕的光伏电池，诸如美国专利公布2008/0078445(Patel等人)中大致所述。在一些实施例中，光伏组件包括位于光伏电池两侧上的封装剂。两个玻璃(或其它合适的聚合物材料)面板被定位成与封装剂的前侧和后侧相邻，并粘合至该前侧和后侧。两个面板对太阳能辐射是透明的，并且通常称为前侧层和后侧层或背板。前侧层和背板可由相同或不同的材料制成。封装剂是包封光伏电池的对光透明的聚合物材料，并且还粘合至前侧层和背板以将电池物理密封起来。这种层合构造提供对电池的机械支撑，并且还保护它们免于因诸如风、雪和冰的环境因素而造成的损坏。光伏组件通常装配到金属框架中，其中密封剂覆盖由金属框架接合的组件的边缘。金属框架保护组件的边缘、提供附加的机械强度并且促使该组件与其它组件组合以便形成更大的阵列或太阳能电池板，该阵列或太阳能电池板可安装至合适的支架，所述合适的支架以适当角度保持组件来最大化太阳能辐射的接收。
制造光伏电池和将光伏电池组合以制造层合组件的技术由以下美国专利例示：4,751,191(Gonsiorawski等人)；5,074,920(Gonsiorawski等人)；5,118,362(St.Angelo等人)；5,178,685(Borenstein等人)；5,320,684(Amick等人)以及5,478,402(Hanoka)。
发明内容
本发明描述了具有含一个或多个曲面的微结构化特征部的反射微结构化膜、由这些反射微结构化膜制备的太阳能组件以及制备太阳能组件的方法。
在一些实施例中，所述反射膜包括基底层以及从基底层突出的多个微结构的有序排列。所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，其中至少两个侧面中的至少一个包括由曲率角限定的曲面。另外，所述微结构包括反射层。
本发明还描述了太阳能组件。在一些实施例中，太阳能组件包括多个太阳能电池和反射膜，其中反射膜如上所述。
另外，本发明描述了用于制备太阳能组件的方法。所述方法包括提供反射膜，提供布置在支撑基板上并且通过接片条带连接的多个太阳能电池，将反射膜附接到太阳能电池和相邻区域，以及将透明覆盖层附接到反射膜上。所述反射膜如上所述。
附图说明
参照以下结合附图对本公开各种实施例的详细说明，可以更全面地理解本申请。
图1示出了本公开实施例的结构化反射膜的横截面。
图2示出了现有技术的结构化反射膜的微结构化元件的表面的剖视图。
图3示出了本公开实施例的结构化反射膜的微结构化元件的表面的剖视图。
图4示出了从现有技术的结构化反射膜的微结构化元件的表面的反射图案的光线跟踪。
图5示出了从本公开实施例的结构化反射膜的微结构化元件的表面的反射图案的光线跟踪。
在以下对图示实施例的描述中，参照了附图，并通过举例说明的方式在这些附图中示出在其中可以实施本公开的多种实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用实施例并且可以进行结构上的改变。这些附图未必按比例绘制。附图中使用的相似标号指示相似的部件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一附图中用相同标号标记的部件。
具体实施方式
太阳能组件通常被制备为光伏太阳能电池的层合阵列。该阵列通常在支撑层和覆盖层之间，所述支撑层一般是透明的，诸如玻璃或透明聚合物材料，所述覆盖层一般也是透明的，并且可为与支撑层相同的材料或者可为与支撑层不同的材料。因为太阳能电池自身相当小，并且仅覆盖组件总表面积的一部分，所以已经开发出多种技术以引导更多的阳光到太阳能电池上，并且因此增加组件的效率。在美国专利4,235,643(Amick)所描述的一种技术中，具有多个光反射刻面的光学介质被设置在相邻电池之间。光反射刻面被有角度地设置以使在由两个相互会合的刻面形成的顶点处以110°至130°，优选约120°的角度限定多个沟槽。这些刻面的结果是射在这些刻面上的光将以大于临界角的角度反射回到透明前盖构件，并且然后再次在内部从盖构件的前表面反射以射在太阳能电池上。在美国专利5,994,641(Kardauskas)中，灵活的反射器装置被作为具有多个沟槽的光学介质使用。该灵活的反射器装置为具有诸如银或铝的反射金属涂层的光学反射片材料。反射片材料的刻面具有直的侧面和尖峰。
在本公开中，描述了在太阳能组件中可用的反射膜(有时称为光定向介质)。此类反射膜具有大体为平面的背面和结构化正面。结构化正面包括一系列具有至少一个曲面的微结构。这些微结构可被视为棱镜，其中这些棱镜在剖视图中具有至少两个侧面。在棱镜中，当在剖视图中观察时，这些侧面或表面有时被称为“刻面(facet)”。由于刻面通常被描述为平坦的或平的，所以在本公开中，术语“侧面”或“表面”通常用于描述微结构的侧面，但这些术语能够与刻面互换使用。相对于具有包括直线或非弯曲侧面或先前已描述且使用的刻面的微结构的反射膜，这些具有含至少一个弯曲侧面的微结构的反射膜具有多种优点。此外，微结构的峰可为尖峰或圆形峰，圆形峰的优点在与本申请同日提交的标题为“ReflectingFilmsWithCurvedMicrostructuresForUseInSolarModules(用于太阳能组件的具有弯曲微结构的反射膜)”的共同未决的申请代理人案号61499中有所描述。
通过具有至少一个弯曲侧面的微结构获得多种优点。与具有直线侧面或刻面或基本上为直线侧面或刻面的微结构相比，具有至少一个弯曲侧面的微结构具有分散光的能力。这一优点将在下文更详细地描述。
除非另外指明，否则在说明书和权利要求书中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应该理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员使用本文所公开的教导内容寻求获得的期望性能而变化。通过端点表述的数值范围包括该范围内所包含的全部数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)和该范围内的任何范围。
本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一种”、“一个”和“所述”涵盖具有多个指代物的实施例，除非其内容明确指示另外的情况。例如，“一层”涵盖了具有一层、两层或更多层的实施例。本说明书和所附权利要求书中所用的术语“或”的含义一般来讲包括“和/或”，除非其内容明确指示另外的情况。
如本文所用，当用于描述微结构特征部时，尤其是多种微结构时，术语“有序排列”意指与自然表面粗糙度或其它自然特征不同的赋予图案模式，其中布置可为连续的或不连续的，可为重复构型、非重复构型、随机构型等。
如本文所用，术语“微结构”是指其中特征部具有至少2个微观尺寸的特征构型。这些特征部的局部视图和/或剖视图必须是微观的。
如本文所用，术语“微观”是指特征部的尺寸足够小，从而当肉眼从任何观察平面观察时需要光学辅助器才能确定其形状。在W.J.Smith,McGraw-Hill于1966年所著的ModernOpticEngineering(现代光学工程)第104-105页中发现一个标准，其中视敏度“……是根据可被识别的最小字符的角尺寸来定义和测量的。”正常的视敏度被认为是当最小的可识别字母正对视网膜上的弧的5分角高度时的视敏度。在250mm(10英寸)的典型工作距离处，得出该物体的横向尺寸为0.36mm(0.0145英寸)。
术语“(甲基)丙烯酸酯”是指醇的单体丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯单体或低聚物在本文中通称为“(甲基)丙烯酸酯”。描述成“(甲基)丙烯酸酯基”的聚合物为主要(大于50重量％)由(甲基)丙烯酸酯单体制备的聚合物或共聚物，并且可以包含另外的烯键式不饱和单体。
除非另外指明，否则“光学透明的”是指在可见光谱(约400nm至约700nm)的至少一部分范围内具有高透光率的制品、膜或粘合剂组合物。
如本文在参考两层时使用的术语“相邻”意指这两层相互毗邻，其间没有居间的开放空间。它们可以彼此直接接触(例如，层合在一起)或者可以存在居间层。
如本文所用，术语“临界角”是指一束光从较密集的光学介质传输到较不密集光学介质时可具有的入射角的最大值。如果入射角超过临界值，光束将不能进入较不密集的介质，而将完全在内部反射回到较密集的介质中。
本发明公开了适于在制造太阳能组件中使用的反射膜。这些膜包含基底层以及从基底层突出的多个微结构的有序排列，所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，其中至少一个侧面包括曲面，并且其中所述微结构包括反射层。
图1示出了本公开的微结构化反射膜的剖视图。在图1中，反射膜100包括微结构化特征部110，微结构化特征部110具有曲面并且包括反射层120。通常，反射层120为反射金属涂层，所述反射金属涂层包含银或铝，由于成本原因更经常为铝。微结构从基底层突出5微米至500微米。
微结构可被描述为具有曲率角。在一些实施例中，诸如在图1中示出的实施例，对于所有曲面，曲率角是相同的。这不一定是所有实施例中的情况。这种曲率角在图2和图3中说明。图3示出来自图1的膜100的一个结构的一部分的剖视图。图2示出来自膜的一个结构的一部分的剖视图，其中该结构的侧面不具有曲率。将图2中的角θ与在图3中的角θ1和θ2进行比较。图2能够由单个角θ限定，因为图2所示的侧边是直线(如果角θ1和θ2在图2中绘出，那么这些角将是相同的，因此不是两个角，而是单个角θ完全限定图2)。在图3中，角θ1和角θ2是不同的，因为图3所示出的侧边是弯曲的。具有恒定曲率半径的曲线的角宽为差值θ1-θ2，在本文中也称之为曲率角。从该表面反射的平行光线以等于曲率角两倍的角宽分散为扇形光线。由此清除的是图2中的曲率角为0°，因为如上所述，如果角θ1和θ2在图2中绘出，那么这些角将是相同的(角θ)，因此差值为零。在本公开的膜中，曲率角大于0°且小于或等于9°。
这个曲率角的效果在图4和图5中示出，图4和图5为使用被称作TracePro的可商购获得的软件所准备的光线跟踪。图4对应于具有0°曲率角(诸如图2所示)的微结构化表面的光线跟踪。在图4中，入射光400从微结构化表面反射，并且接触玻璃盖层402，并且通过全内反射在404处反射到太阳能电池的表面。图4示出反射的光线与太阳能电池接触的区域非常窄。图5对应于具有9°曲率角的微结构化表面的光线跟踪。在图5中，入射光500从微结构化表面反射，并且接触玻璃盖层502，并且通过全内反射在504处反射到太阳能电池表面。图5示出反射的光线与太阳能电池接触的区域非常宽，远宽于图4中的接触区。在用于准备该模制数据的实施例中，覆盖层(402或502)为玻璃。其它实施例也是可以的，其中不同材料用于此类覆盖层。在这些实施例中，合适的曲率角值的范围可一定程度地不同，由于不同覆盖层的材料具有不同的临界角，因此反射将不同。
由具有曲面的微结构产生的反射光的加宽接触区有利于在太阳能组件中使用，因为具有太阳能电池的反射光的窄接触区可产生“热点”或“热线”。这些热点或热线是有害的，因为在窄点或线上聚集太多光可使得太阳能电池效率低于当反射光更多地分散且在加宽接触区处接触太阳能电池时的效率。在极端情况下，聚集的光甚至可以损害太阳能电池。如在图4和图5中可以看出，图5中的接触区504比图4中的接触区404宽的多。
如上所述，本公开的反射膜包括基底层以及从基底层突出的多个微结构的有序排列，所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，其中至少一个侧面包括曲面，并且其中所述微结构包括反射层。基底层材料包含聚合物材料。广泛的聚合物材料适用于制备基底层。合适的聚合物材料的例子包括包含一种或多种聚合物的膜，所述聚合物诸如乙酸丁酸纤维素；乙酸丙酸纤维素；三乙酸纤维素；聚(甲基)丙烯酸酯，诸如聚甲基丙烯酸甲酯；聚酯，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯，以及聚萘二甲酸乙二醇酯；基于萘二羧酸的共聚物或共混物；聚醚砜；聚氨酯；聚碳酸酯；聚氯乙烯；间规聚苯乙烯；环烯烃共聚物；基于有机硅的材料；以及包含聚乙烯和聚丙烯的聚烯烃；以及它们的混合物。具体地，对于基底层合适的聚合物材料为聚烯烃和聚酯。
通常，微结构也包含聚合物材料。在一些实施例中，微结构的聚合物材料是与基底层相同的成分。在其它实施例中，微结构的聚合物材料与基底层的聚合物材料不同。在一些实施例中，基体材料层为聚酯，并且微结构化材料为聚(甲基)丙烯酸酯。
在一些实施例中，微结构化膜是通过将微结构施加到膜上制备的。在这些实施例中，基底层和微结构包含相同的聚合物组合物。在其它实施例中，微结构层是单独制备的并且层合至基底层。这种层合可利用加热、加热和加压的组合或通过粘合剂的使用来实现。在其它实施例中，微结构在基底层上形成。
微结构化膜或微结构层可通过压印来制备。在这种方法中，通过施加压力和/或热使得具有可压印表面的平膜与结构化工具接触，以形成压印表面。整个平膜可包含可压印材料，或者平膜仅可具有可压印表面。可压印表面可包括与平膜的材料不同的材料的层，也就是说平膜可在其表面处具有可压印材料的涂层。该压印表面为结构化表面。在可压印表面上的结构为工具表面上的结构的反转，即工具表面上的突出部将形成压印表面上的凹入部，并且工具表面上的凹入部将形成压印表面上的突出部。微结构特征可以呈现多种形状。图1示出圆形峰，但多种多样的其它形状也是可以的。
通常，微结构化工具是模制工具。结构化模制工具可以是平面压印板、柔性或非柔性带或辊的形式。此外，模制工具通常被认为是藉以通过压印、涂布、浇铸或平压而在表面中生成微结构化图案但不成为成品的一部分的工具。
本领域技术人员已经知道许多种生成微结构化模制工具的方法。这些方法的示例包括但不限于：照相平版印刷、蚀刻、放电机加工、离子铣削、显微机械加工和电铸。微结构化模制工具也可通过以下方法制备：利用可模压材料复制多种微结构化表面(包括不规则形状和图案)，所述可模压材料为诸如选自可交联液态硅橡胶、辐射固化性的聚氨酯橡胶等，或者通过电铸复制多种微结构以生成阴模或阳模的复制中间体或最终压印模具。此外，具有随机和不规则形状和图案的微结构化模具可通过化学蚀刻、喷砂、喷丸或下沉可模压材料中的离散结构化颗粒而生成。另外，任何微结构化模制工具可根据在美国专利5,122,902(Benson)中教导的过程进行改变或修改。工具可以由多种材料制备，所述材料包含诸如镍、铜、钢或金属合金的金属或者聚合物材料。
以这种方式，基底层和微结构化层为单个构造，并且因此由相同的材料制成。在微结构化层不是基础层的部分的情况下，还存在用于生成微结构化层的几种方法。例如，可抵靠微结构化模制工具浇铸可固化或熔融的聚合物材料，并且使其固化或冷却以在模具中形成微结构化层。然后，通过加热和/或加压或通过使用粘合剂，诸如压敏粘合剂或固化性粘合剂，使得模具中的这层可附着到聚合物膜。然后，模制工具可被去除以生成具有基底层和微结构化层的构造。在这个方法的变型中，在微结构化模制工具中的熔融或可固化的聚合物材料可与膜接触然后固化或冷却。聚合物材料在模制工具中固化或冷却的过程中，可附着到膜上。在去除模制工具时，形成包括基底层(膜)和微结构化层的结构。在一些实施例中，微结构化层是由辐射固化性(甲基)丙烯酸材料制备的，并且模制的(甲基)丙烯酸材料是通过暴露在光化辐射下固化的。
本发明还公开了太阳能组件。这些太阳能组件包括多个太阳能电池和反射膜，所述反射膜包括从基底层突出的多个微结构，所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，其中至少一个侧面包括曲面，并且包括反射层。所述反射膜如上所述。太阳能电池的阵列通常在支撑层和覆盖层之间，所述支撑层一般是透明的，诸如玻璃或透明聚合物材料，所述覆盖层一般也是透明的，并且可为与支撑层相同的材料或可为与支撑层不同的材料。
本文还公开了用于制备太阳能组件的方法。这些方法包括：提供反射膜，所述反射膜包括从基底层突出的多个微结构，所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面并且包括反射层，其中至少一个侧面包括曲面；提供布置在支撑基板上并且通过接片条带连接的多个太阳能电池；将反射膜附接到太阳能电池和相邻区域；以及将透明覆盖层附接到反射膜上。所述反射膜如上所述。
在一些实施例中，反射膜被设置成与接片条带相邻。接片条带(电连接器)创建非活性的阴影区域，也就是说射在这些区域上的光不用于光伏转换。与这些接片条带相邻放置反射膜可因此增加由太阳能组件生成的能量，如在提交于2013年3月27日的美国专利代理人案卷号69734US002中所描述的。
Claims (23)
1.一种反射膜，包括：
基底层；和
从所述基底层突出的多个微结构的有序排列，
所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，其中
所述侧面中的至少一个包括由曲率角限定的曲面，并且
其中所述微结构包括反射层。
2.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述微结构从所述基底层突出5微米至500微米。
3.根据权利要求1所述的反射膜，其中所有所述至少两个侧面包括曲面，并且其中所述曲面的所述曲率角是相同的。
4.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述曲率角大于0°并且小于或等于9°。
5.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述基底层包括聚合物层。
6.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述微结构包含聚合物材料。
7.根据权利要求6所述的反射膜，其中所述微结构包含与所述基底层相同的聚合物材料。
8.根据权利要求6所述的反射膜，其中所述微结构包含与所述基底层不同的聚合物。
9.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述反射层包括金属涂层。
10.根据权利要求9所述的反射膜，其中所述金属涂层包含铝、银或它们的组合。
11.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述微结构的所述峰被倒圆。
12.一种太阳能组件，包括：
多个太阳能电池；和
反射膜，所述反射膜包括：
基底层；和
从所述基底层突出的多个微结构的有序排列，所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，其中所述侧面中的至少一个包括由
曲率角限定的曲面，并且其中所述微结构包括反射层。
13.根据权利要求12所述的太阳能组件，其中所述微结构从所述基底层突出5微米至500微米。
14.根据权利要求12所述的太阳能组件，其中所述曲率角大于0°并且小于或等于9°。
15.根据权利要求12所述的太阳能组件，其中所述反射层包括金属涂层。
16.根据权利要求12所述的太阳能组件，其中所述反射层与所述太阳能电池相邻定位和/或与连接所述太阳能电池的接片条带相邻定位。
17.一种制备太阳能组件的方法，所述方法包括：
提供反射膜，所述反射膜包括：
基底层；和
从所述基底层突出的多个微结构的有序排列，所述微结构具有包括至少两个侧面的横截面，其中所述侧面中的至少一个包括由
曲率角限定的曲面，并且其中所述微结构包括反射层；
提供布置在支撑基板上并且通过接片条带连接的多个太阳能电池；
将所述反射膜附接到所述太阳能电池和/或相邻区域；以及
将透明覆盖层附接到所述反射膜上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述微结构从所述基底层突出5微米至500微米。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述曲率角大于0°并且小于或等于9°。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述反射层包括金属涂层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述金属涂层包含铝、银或它们的组合。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述微结构的所述峰被倒圆。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述反射膜与所述接片条带的至少一部分相邻附接。
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