CN107195716A - 一种基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件，由基体层100、置于基体层之上的电池组件层200和覆盖于电池组件层封装层300构成。基底1设于基体层最下层，连接柱体2设于基底1和岛体3之间，岛体3设于基体层的最上层；在结构化设计的柔性集体中，改进因子IF取50％，本发明将刚性的电池组件集成在柔性可延展基体层上，使得施加在整个电子器件上的大尺度变形基本上全部通过柔性基体层的变形和交联导体的面外失稳或扭曲大变形消化掉，核心电子元器件相对而言变形很小；柔性基体的结构化设计打破了传统设计的局限性，实现了最佳的变形隔离效应，从而大幅度延长了电子器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于柔性可延展电子(Flexible and Stretchable Electronics)的技术领域，具体涉及一种基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件。
背景技术
柔性可延展电子(Flexible and Stretchable Electronics)技术是将电子元件和连接电子元件的交联导体全部集成在柔性可延展基体上的新兴电子技术。与传统集成电子技术相比，其最突出的特点就是将核心电子器件集成在柔性基体上。柔性基体包括各种柔软的材料，如具有超弹性性质的塑料以及生物体的表层等。柔性基体取代传统刚性基板，典型的设计如图5中5a所示的简单凸台结构，这一设计使得施加在整个电子器件上的大尺度变形基本上全部通过柔性基体的变形和交联导体的面外失稳或扭曲大变形消化掉，核心电子元器件相对而言变形很小。因此柔性电子器件的设计突破了传统刚性基板的限制，使整个器件在承受大尺度的拉压、折叠、扭曲等变形的同时而保持原有功能基本不变。
经过对现有技术的文献检索，Jongho Lee等人在“Stretchable GaAsphotovoltaics with designs that enable high areal coverage”(《AdvancedMaterials》2011年第23期一文)中提出将砷化镓薄膜太阳能电池组件集成在基底加岛体的基体上，从而得到具有良好延展性的空间太阳能电池器件。然而该设计存在两点局限性：一是在变形隔离上有特殊的岛体高度选择性，二是基体变形通过泊松效应对刚性电子模块产生弯曲变形。由于以上两点局限性而产生的界面剪应力大大缩短了电子器件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件，提出具有最佳变形隔离效应的基体设计方案，即施加在基体上的变形对岛体的表层部分几乎不会产生任何变形，从而大幅度延长了电子器件的使用寿命。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件，由基体层100、置于基体层之上的电池组件层200和覆盖于电池组件层封装层300构成。
所述的基体层100，包括基底1、连接柱体2和岛体3；基底1设于基体层最下层，连接柱体2设于基底1和岛体3之间，岛体3设于基体层的最上层；在结构化设计的柔性集体中，改进因子IF取50％，式中：L为岛体3的边长，结构尺寸M为连接柱体2的边长。
所述电池组件层200，包括砷化镓薄膜电池模块单元5和交联导体4；砷化镓薄膜电池模块单元5集成粘接于基体层的岛体3之上，交联导体4金属键合于砷化镓薄膜电池模块单元5之间。
进一步地，基底1、连接柱体2和岛体3是由超弹性材料PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷的简称)制备而成的一个整体。PDMS封装薄膜6的材质也是超弹性材料PDMS。
基体层包括基底1、连接柱体2和岛体3；基底1设于基体层最下层，承受拉伸、弯曲、扭转等变形过程中的主要载荷；连接柱体2设于基底1和岛体3之间，将基底1和岛体3隔离，主要起到应变隔离作用；岛体3设于基体层的最上层，是电池组件的集成平台，与电池组件进行粘接。
电池组件层包括砷化镓薄膜电池模块单元5和交联导体4；砷化镓薄膜电池模块单元5集成于基体层的岛体3之上，与岛体3进行粘接；交联导体4设于砷化镓薄膜电池模块单元5之间，与砷化镓薄膜电池模块单元5金属键合连接。
本发明的有益效果是：将刚性的电池组件集成在柔性可延展基体层上，使得施加在整个电子器件上的大尺度变形基本上全部通过柔性基体层的变形和交联导体的面外失稳或扭曲大变形消化掉，核心电子元器件相对而言变形很小；柔性基体的结构化设计打破了传统设计的局限性，实现了最佳的变形隔离效应，从而大幅度延长了电子器件的使用寿命。
附图说明
图1为基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件的结构示意图。
图2为基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件中柔性基体的结构尺寸。
图3为基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件制备工艺图。
图4为基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件中柔性基体的改进因子IF和岛体顶部的最大剪切应力τmax函数图。
图5为基体层拉伸至双向拉伸20％时的外观图，其中，图5a为现有技术基体层；图5b为本发明基体层。
图6为本发明采用不同改进因子IF取值时基体层拉伸20％时的外观图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括:基底1、连接柱体2、岛体3、交联导体4、砷化镓薄膜电池模块单元5和PDMS封装薄膜6，岛体3与砷化镓薄膜电池模块单元5粘接，交联导体4与砷化镓薄膜电池模块单元5金属键合连接，PDMS封装薄膜6与砷化镓薄膜电池模块单元5粘接。
如图2所示，在结构化设计的柔性集体中，结构尺寸L为岛体3的边长，结构尺寸M为连接柱体2的边长，提出改进因子IF(improvement factor)，其值大小为
如图3所示，基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件制备工艺包括五个步骤：第一步，利用转印法将砷化镓薄膜电池模块单元5粘接在基体层的岛体3上；第二步，将基底1双向拉伸20％，使得岛体3与岛体3之间的垂直距离为交联导体4的长度；第三步，利用金属键合技术将交联导体4的两端分别连接于两块砷化镓薄膜电池模块单元5的P结与N结；第四步，释放基体层的预应变，在交联导体面外失稳大变形的情况下，使其恢复到原有尺寸大小；第五步，将PDMS封装薄膜6粘接于电池组件层上表面。
如图4所示，柔性基体的改进因子IF越大，岛体顶部的最大剪切应力τmax越小，考虑到材料的许用应力和结构的稳定性问题，最终对基体进行改进因子IF为50％的优化设计，使得岛体顶部最大剪切应力τmax仅为未改进的8％。改进因子IF的取值受到一定的限制，如图6所示，改进因子IF超过50％后一定范围，许用应力和结构的稳定性呈现不利的锐减趋势。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件，其特征在于，由基体层(100)、置于基体层之上的电池组件层(200)和覆盖于电池组件层封装层(300)构成；
所述的基体层(100)包括基底(1)、连接柱体(2)和岛体(3)；基底(1)设于基体层最下层，连接柱体(2)设于基底(1)和岛体(3)之间，岛体设于基体层的最上层；在结构化设计的柔性集体中，改进因子IF取50％，式中：L为岛体(3)的边长，结构尺寸M为连接柱体(2)的边长；
所述电池组件层(200)，包括砷化镓薄膜电池模块单元(5)和交联导体(4)；砷化镓薄膜电池模块单元(5)集成粘接于基体层的岛体(3)之上，交联导体(4)金属键合于砷化镓薄膜电池模块单元(5)之间。
2.根据权利1所述的基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件，其特征在于，基底(1)、连接柱体(2)和岛体(3)为由超弹性材料PDMS制备而成的一个整体。
3.根据权利1所述的基于柔性基体结构化设计的空间薄膜太阳能电池器件，其特征在于，所述封装层(300)为成型的PDMS封装薄膜(6)；PDMS封装薄膜设于器件的最顶层，与砷化镓薄膜电池模块单元(5)进行粘接。
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