CN106024940A - 一种便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的封装结构和封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的封装结构和封装方法，用以提高便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的散热性、防水性、抗老化性和持续高效的光电转换效率等，所述便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备包括：上盖板(薄膜)、粘接剂、柔性薄膜太阳能电池片、散热层、背板。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备及其制作方法。
背景技术
在薄膜太阳能电池技术领域，便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的结构主要包括：封装膜(包括：上盖板(薄膜)和背板)、粘接剂、柔性薄膜太阳能电池片、散热膜等。
其中，便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备结构中的封装膜会直接影响太阳光到达柔性薄膜太阳能电池片表面的光子数。比如，上盖板(薄膜)和粘接剂的透光率较高时，在同一太阳光下某一时刻达到柔性薄膜太阳能电池片表面的光子数就越多，因而在某一时刻柔性薄膜太阳能电池片产生电量就越多。
上述结构中的封装膜和粘接剂的防水性和抗损性会直接影响便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的使用寿命。其中由于透明粘接剂的存在，在一体层压的过程中可以使柔性薄膜太阳能电池片与封装膜更牢固的粘在一起。比如：封装膜的防水性和抗损性(抗老化和耐磨损等)和粘接剂的粘着性和抗老化性较高时，便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的使用寿命将达到二十年以上(柔性薄膜太阳能电池片的光电转换效率保持在5％以上)。
上述结构中的散热膜的散热特性会直接影响柔性薄膜太阳能电池片持续高效率的进行光电转换。例如；当散热膜的散热特性较高时，散热膜会把柔性薄膜太阳能电池片进行光电转换产生的热量以尽可能高的速率导出，使柔性薄膜太阳能电池片在最佳的工作温度下持续高效率的进行光电转换，从而柔性薄膜太阳能电池片在短时间内产生更多的电能。
在上述结构中都采用了超薄的封装材料，经一体层压得到的柔性薄膜太阳能电池组件的厚度低于2mm。
在现有技术中，便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备所需散热膜的散热特性较差、制备材料的纯度不高；柔性薄膜太阳能电池片的生产成本高和光电转化效率较低，从而，便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的光电转化效率较低和高成本。目前，便携式柔性太阳能电池充电设备的光电转化效率还有待进一步提高，成本也有待降低。
发明内容
本发明实施例提供一种便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的封装结构和封装材料，用以提高便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的光电转化效率和使用寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的封装结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，为本发明实施例提供的封装后的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的结构示意图，包括：
背板1；
依次位于背板1上的第一粘接剂层2、导电天然石墨膜层3、柔性薄膜太阳能电池片(也可简称电池片)4、第二粘接剂层5、薄膜上盖板6；
其中所述导电天然石墨膜层与所述柔性薄膜太阳能电池片贴合设置。上述的各结构可以简称为各功能膜层，其中，各功能膜层叠层设置。
所述第一粘接剂层2和第二粘接剂层5分别用于上盖板与电池片之间和导电天然石墨膜层与背板之间，第一粘接剂层的作用是使上盖板与电池片在一体层压过程中紧密的粘接在一起，并使便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备在潮湿的条件下可有效帮助上盖板共同阻止潮湿气体和水进入充电设备内部；第二粘接剂层的作用是使导电天然石墨膜层与背板在一体层压过程中紧密的粘接在一起，防止导电天然石墨膜层与背板之间不能紧密粘接在一起产生一定的气泡造成导电天然石墨膜层快速导出的热量集聚在气泡中影响散热效果，也会有效帮助背板共同阻止潮湿气体和水进入充电设备内部。
在本发明提供的上述实施例中，由于第一粘接剂层2和第二粘接剂层5为乙烯-醋酸乙烯 共聚物制作而成的薄膜，在一定温度下会熔化，溶化后的乙烯-醋酸乙烯共聚物具有一定的流动性，如果乙烯-醋酸乙烯共聚物制作而成的薄膜厚度过厚会使薄膜在高温熔化后的流动性降低，使溶化后的液体分布不均匀，导致冷却后的薄膜透光率降低；如果厚度过薄，会使上盖板层与电池片层和导电天然石墨膜层与背板不能紧密粘接在一起，最终导致便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备使用寿命降低。经反复实验验证，乙烯-醋酸乙烯共聚物制作而成的薄膜最佳厚度范围为0.2-0.3mm。
所述薄膜上盖板为乙烯-四氟乙烯共聚物制作而成的薄膜，由于具有优越的性能：卓越透光率，透光率可高达96％，经过20年后仍能维持在91％，比玻璃的透光率还要好；极强耐候性，使用寿命能维持20-35年；超强防水率：渗湿率为5.3g/m2d；优越的粘结性能，在湿度85％和85℃高温条件下测试1000小时后能保持2500gf/cm。因此乙烯-四氟乙烯共聚物制作而成的薄膜应用于便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的上盖板薄膜。又由于乙烯-四氟乙烯共聚物制作而成的薄膜的厚度会直接影响薄膜的透光率、防水率等，薄膜厚度过厚会导致透光率降低，防水率和耐候性提高；厚度过薄会导致透过率提高，防水率和耐候性降低。经反复实验得到乙烯-四氟乙烯共聚物制作而成的薄膜最佳厚度范围为0.1-0.2mm。
所述背板为聚氯乙烯制作而成的薄膜，薄膜的厚度会直接影响便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的轻薄性和使用寿命，薄膜厚度过厚，防水率会提高，但便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的厚度和重量会有所增加，与便携式设计相违背；厚度过薄，防水率会降低，导致便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备使用寿命降低。经反复实验得到聚氯乙烯制作而成的薄膜最佳厚度范围为0.35-0.55mm。
在本发明提供的上述实施例中，由于导电天然石墨膜可沿两个方向均匀导热，薄膜状结构可很好地适应任何表面。天然石墨膜表面内具有150-2000W/m-k范围内的超高导热性能。
天然石墨材料的化学成分主要是单一的碳(C)元素，是一种自然元素矿物。薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下石墨化薄膜，因为碳元素虽然是非金属元素，但是却有金属材料的导电、导热性能，还具有像有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性等优良的特性，因此，导电天然石墨膜可以为便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备有效散热。导电天然石墨膜的厚度会直接影响石墨膜的散热效果，导电天然石墨膜的厚度范围为0.05-0.09mm，经反复实验得到当导电天然石墨膜的厚度为0.07mm时，石墨膜的散热性等特能是最佳的。
天然导电石墨膜中的C元素可以通过电池片的衬底进入电池片的光电功能层(吸收层)，进入到光电功能层中的C元素形成正四价的碳(C+4)调节光电功能层的禁带宽度，进而提高 电池的光电转换效率，此时的C+4离子正好承担起了传统以钠钙玻璃为衬底的正一价的钠离子在光电功能层的作用。
通过实验验证得到：便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备中添加天然导电石墨膜的峰值功率比未添加散热膜的峰值功率提高了2％。
以下说明峰值功率提高了2％的机理：
在发生光伏效应的柔性薄膜太阳能电池中，两种极性相反的半导体组成了p-n结(p-n junction)，形成内建电场(built-in electric field)，驱动电子进入电路，在电路中形成电压和电流。由于在柔性薄膜太阳能电池中存在内电阻R，所以柔性薄膜太阳能电池在运行过程中会产生热量。
温度对开路电压(open circuit voltage，Voc)、短路电流(short circuit current，Isc)和峰值功率的关系：决定开路电压大小的是半导体的禁带宽度和费米能级，由于温度越高，其费米能级越靠近价带，所以温度越高其开路电压越小，也就是说，温度-开路电压二者的曲线大概是一个斜率为负值的直线，这个在太阳能组件认证的过程中叫做检测太阳能电池组件的电压温度系数。由于电压温度系数为210-212mv/℃，即温度每升高1℃，柔性薄膜太阳能电池的开路电压降低210-212mv；柔性薄膜太阳能电池的短路电流随温度的升高而升高；柔性薄膜太阳能电池的峰值功率随温度的升高而降低(直接影响到效率)，即温度升高1℃，柔性薄膜太阳能电池的峰值功率损失率约为0.132-0.145％。
由此可见，便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备结构中的导电天然石墨膜层把柔性薄膜太阳能电池运行时产生的热量快速的导出，可以有效降低柔性薄膜太阳能电池运行时的温度，因此柔性薄膜太阳能电池可以在最佳工作温度范围产生更多的电量。天然导电石墨膜中的C+4离子可以通过电池片的衬底进入光电功能层调节光电功能层的禁带宽度，进而提高电池的光电转换效率。
导电天然石墨膜为在柔性薄膜太阳能电池片衬底的背面通过喷墨印刷的方法和卷对卷工艺预先制备一层石墨烯材料，再把印刷有石墨烯层的电池片衬底通过特制高温高压的烘炉进行烘烤，最终形成一定厚度的导电天然石墨膜层。其中通过改变喷墨打印设备的瞬时喷墨量、卷对卷的传输速率和石墨烯材料的浓度就可以改变导电天然石墨膜的厚度。在高温高压下烘烤可有助于石墨烯薄膜石墨化和成型，且在一定程度的弯曲下不容易膜层断裂。最后用制备有导电天然石墨膜衬底的正面制备柔性薄膜太阳能电池。
上述制备导电天然石墨膜的石墨烯的制备要经历两个过程，第一个过程是，先由原材料325目天然鳞片石墨制备氧化石墨烯；第二个过程是，利用氧化石墨烯通过还原法得到石墨 烯。具体操作如下所示：
(1)氧化石墨烯的制备：在冰浴条件下，将硝酸钠加入98％浓硫酸中，匀速搅拌15min，325目天然鳞片石墨和高锰酸钾缓慢加入上述溶液中，并升温至35℃，匀速搅拌1h，逐滴加入蒸馏水，反应30min，将温度升至95℃再反应30min，自然冷却后加入30％双氧水，溶液呈金黄色。依次用质量分数5％的盐酸、蒸馏水进行离心洗涤，直至上清液PH值接近中性，将沉淀装入透析袋中，浸入蒸馏水透析5-7天，直至用1mol/L氯化钡溶液检测蒸馏水中无硫酸根离子为止。将氧化石墨中加入适量蒸馏水超声剥离2h，所得溶液冷冻干燥，即得到金黄色絮状氧化石墨烯粉末。
(2)氧化石墨烯还原制备石墨烯：将氧化石墨分散于水溶液中，得到棕黄色的悬浮液，再超声分散1h，得到稳定的分散液。然后移入烧瓶中，升温至80℃，滴加水合肼，反应24h后过滤，将得到的产物依次用甲醇和蒸馏水冲洗3-5次，得到不同溶度的石墨烯溶液。
所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的制作方法将待层压的柔性薄膜太阳能电池设备放置于层压机中，通过数据控制系统，对层压机下腔的加热板进行加热，加热温度为140-160℃，使乙烯-醋酸乙烯共聚物粘接剂熔化；随后对层压机的上腔和下腔抽真空处理，抽真空4-6分钟，把待层压的组件中层与层之间的空气抽掉，防止在加热加压的过程中层与层之间产生气泡，影响充电设备的性能；再向层压机上腔补充气体，由于压力会直接影响乙烯-醋酸乙烯共聚物加热溶化后的流动性，通过实验证实，当上下腔之间有10倍的压强差时乙烯-醋酸乙烯共聚物加热溶化后的流动性和粘接性最佳，并维持9-15分钟，使各层之间在粘接剂的作用下形成一个整体；最后对上腔抽气和下腔充气，使上下腔体压强平衡，待冷却到一定温度后取出层压完成的柔性薄膜太阳能电池充电设备。
本申请实施例提供的一种便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，由于采用了一种新型封装结构，其可以大大提高便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的散热性、防水性、抗老化性和持续高效的光电转换效率，采用轻薄的封装材料也为携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的随身携带提供了可能。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备包括：
背板，依次设置在所述背板上叠层设置的第一粘接剂层、导电天然石墨膜层，柔性薄膜太阳能电池片，以及第二粘接剂层，上盖板；
其中所述导电天然石墨膜层与所述柔性薄膜太阳能电池片贴合设置。
2.如权利要求1所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述导电天然石墨膜层为在柔性薄膜太阳能电池片衬底的背面通过喷墨印刷的方法和卷对卷工艺预先制备一层石墨烯材料，再经高温高压制得的薄膜。
3.如权利要求1或2所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述导电天然石墨膜层的厚度范围为0.05～0.09mm。
4.如权利要求3所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述导电天然石墨膜层的厚度为0.07mm。
5.如权利要求1所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述上盖板为乙烯-四氟乙烯共聚物制作而成的薄膜层。
6.如权利要求5所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述乙烯-四氟乙烯共聚物制作而成的薄膜层的厚度范围为0.1-0.2mm。
7.如权利要求1所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述第一粘接剂和第二粘接剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物制作而成的膜层。
8.如权利要求7所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述第一粘接剂和第二粘接剂的厚度相同，所述第一粘接剂和第二粘接剂的厚度范围均为0.2-0.3mm。
9.如权利要求1所述的便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备，其特征在于，所述背板为聚氯乙烯制作而成的膜层，所述背板厚度范围为0.35-0.55mm。
10.一种便携式柔性薄膜太阳能电池充电设备的制作方法，其特征在于，运用全自动层压机对柔性薄膜太阳能电池组件进行一体层压，使各个单独的薄膜层形成一个整体。
封装层压工艺参数：温度140-160℃；抽真空4-6分钟；加压9-15分钟。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2016
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