CN107919407B - 柔性太阳能电池复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性太阳能电池复合材料，多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、太阳能电池层、第五树脂膜、第六树脂膜，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第三树脂膜的弹性模量大于第四树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量，其中，第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜双面的表面粗糙度为20μm<Ra<50μm。本发明的柔性太阳能电池光伏效率高，耐久性高，并且本发明的柔性太阳能电池使用寿命比现有的柔性太阳能电池显著提高。
Description
技术领域
本发明提供了一种复合材料及其制造方法，具体而言，提供了一种柔性太阳能电池复合材料及其制造方法。
背景技术
传统的太阳能产品受制于重量，厚度，便携性以及抗弯折程度多项制约，无法实现民用，只能用于山区和房项。UNISOLAR柔性晶片的出现，将改变这一行业的现状，让太阳能进入千家万户并成为随身之物成为可能。真正柔性超薄太阳能电池板是未来的太阳能发展方向，传统的硅晶玻璃层压或滴胶板必将被淘汰，同样的尺寸重量只有传统太阳能板的1/10，厚度只有原来的1/5，这将大大推广太阳能的应用，让太阳能做成任意形状和附着在任何物体表面成为可能，这是一次新的技术革命，具有广阔的市场前景。柔性太阳能电池性能优良、成本低廉、用途广泛。可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是BIPV(BuildingIntegrated Photovoltaic，光伏建筑一体化)，它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。
现有技术文献1(CN106409945A)提出了一种柔性太阳能电池板，该柔性太阳能电池板两侧分别粘贴前膜和背膜，这种柔性太阳能电池板虽然结构简单，但是由于太阳能电池板两侧都只有一层薄膜，所以柔性太阳能电池的耐久性较差。而且该太阳能电池板直接使用了柔性太阳能电池组件，所以成本高，光伏效率较低。现有技术文献2(CN106784082A)公开了一种柔性太阳能电池，这种太阳能电池同样存在结构过于简单，对于太阳能电池本身的保护不够的问题，并且现有技术文献2也使用了柔性太阳能电池组件，所以成本高，光伏效率较低。为了解决因为使用柔性太阳能电池组件而导致的成本高，光伏效率较低的问题，现有技术提出了将非柔性的太阳能电池片材分割为多个小片材的方法，但是现有技术尚未找到实现柔性电池与保证光伏效率之间的平衡。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性太阳能电池复合材料及其制造方法，从而克服现有技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种柔性太阳能电池复合材料，其特征在于：多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、太阳能电池层、第五树脂膜、第六树脂膜，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第三树脂膜的弹性模量大于第四树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量，其中，第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜双面的表面粗糙度为20μm<Ra<50μm。
优选地，上述技术方案中，在300-400摄氏度时，第一树脂膜的粘度大于第二树脂膜的粘度，第二树脂膜的粘度大于第三树脂膜的粘度，第三树脂膜的粘度大于第四树脂膜的粘度，第五树脂膜的粘度小于第六树脂膜的粘度。
优选地，上述技术方案中，太阳能电池层是由导线连接的多个太阳能电池片材。
优选地，上述技术方案中，多个太阳能电池片材大小相等，多个太阳能电池片长度为1-2mm，宽度为1-2mm。
优选地，上述技术方案中，第四树脂膜的厚度大于第三树脂膜的厚度，第三树脂膜的厚度大于第二树脂膜的厚度，第二树脂膜的厚度大于第一树脂膜的厚度。
优选地，上述技术方案中，第一树脂膜的厚度、第二树脂膜的厚度、第三树脂膜的厚度以及第四树脂膜的厚度为0.5mm-1mm。
本发明还提供了柔性太阳能电池复合材料的制造方法，其特征在于：方法包括如下步骤：提供多个太阳能电池片材，使用导线将多个太阳能电池连接起来，得到太阳能电池层；提供第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，使用压辊在第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜双面形成20μm<Ra<50μm的表面粗糙度，层叠第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，并使用第一热压工艺将第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜层压，形成第一层压体；提供第五树脂膜以及第六树脂膜，使用压辊在第五树脂膜以及第六树脂膜的双面形成20μm<Ra<50μm的表面粗糙度，层叠第五树脂膜、以及第六树脂膜，并使用第一热压工艺将第五树脂膜以及第六树脂膜层压，形成第二层压体；以及依次层叠第一层叠体、太阳能电池层和第二层叠体，使用第二热压工艺将第一层叠体、太阳能电池层和第二层叠体层压。
优选地，上述技术方案中，第一热压工艺是三阶段热压工艺，三阶段热压工艺具体为：第一阶段热压，第一阶段热压温度为70-120℃，压力为5-10MPa，时间为30-60s；随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为300-400℃，压力为30-50MPa，时间为300-600s；随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为120-150℃，压力为10-15MPa，时间为20-50s。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在太阳能电池层两侧都设计了多层树脂膜，并且各层树脂膜的弹性模量均不相同，这样就在太阳能电池层两侧形成了具有弹性模量梯度的树脂膜结构，在反复弯折的过程中，这些树脂膜能够分担太阳能电池层受到的拉应力和压应力，大幅度提高太阳能电池的使用寿命。由于弹性模量大的树脂膜与任何表面都更容易相互贴合，所以在靠近纤维层处使用弹性模量大的树脂膜，在远离纤维层处使用弹性模量小的树脂膜，使得树脂膜与纤维层贴合更紧密。经过大量实验，确定了太阳能片材尺寸与光伏效率之间的平衡。设计了独特的树脂膜表面粗糙结构，使得在多次弯折之后，界面之间不产生脱层。特别的粘度设计，使得在制造过程中，各树脂层之间的贴合更加紧密。
附图说明
图1是根据本发明的层结构的示意图；
图2是根据本发明的太阳能电池层的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明的树脂层可以是本领域公知的具有相应特性的树脂层，例如如同现有技术文献CN1715046A中介绍的那些树脂材料。举例而言，高弹性模量的树脂可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，中等弹性模量的材料例如可以是任何弹性模量低于PET但是高于FEP的树脂(例如尼龙)，具有低弹性模量的树脂可以是FEP材料，这些材料都可以购自化学商店。本发明用于热压的机器是本领域公知的热压机。粘度的调整方式是本领域公知的，例如可以通过增加聚合物的分子量来增加聚合物的粘度。由于聚合物粘度的调整不可能做到绝对精确，本发明中所指的有关粘度的“等于”关系是指基本相同，也即粘度差别在2％之内，都可以认为是具有相同粘度。
图1是根据本发明的层结构的示意图。本发明的多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层11、第一树脂膜12、第二树脂膜13、第三树脂膜14、第四树脂膜15、太阳能电池层16、第五树脂膜17、第六树脂膜18。
图2是根据本发明的太阳能电池层的俯视示意图。本发明的店太阳能电池层包括多个太阳能电池片材21，使用导线22将多个太阳能电池连接起来，得到太阳能电池层.
以下介绍本发明的实施例，在此之前，需要指出，对于实现本发明的技术效果而言，树脂层的具体成分并不重要，所以以下实施例并未指出树脂层的具体成分，而为了保持实验结果的可比较性，本发明各个实施例中的各个树脂层的化学组成自始至终保持一致(即，例如实施例1的第一树脂层与实施例8的第一树脂层化学组成完全一致)。
实施例1
一种柔性太阳能电池复合材料，多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、太阳能电池层、第五树脂膜、第六树脂膜，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第三树脂膜的弹性模量大于第四树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量，其中，第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜双面的表面粗糙度约为Ra 20μm。在300-400摄氏度时，第一树脂膜的粘度大于第二树脂膜的粘度，第二树脂膜的粘度大于第三树脂膜的粘度，第三树脂膜的粘度大于第四树脂膜的粘度，第五树脂膜的粘度小于第六树脂膜的粘度。太阳能电池层是由导线连接的多个太阳能电池片材。多个太阳能电池片材大小相等，多个太阳能电池片长度为1mm，宽度为2mm。第四树脂膜的厚度为1mm，第三树脂膜的厚度为0.8mm，第二树脂膜的厚度为0.7mm，第一树脂膜的厚度为0.5mm。
实施例2
一种柔性太阳能电池复合材料，多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、太阳能电池层、第五树脂膜、第六树脂膜，其中，第一树脂膜的弹性模量大于第二树脂膜的弹性模量，第二树脂膜的弹性模量大于第三树脂膜的弹性模量，第三树脂膜的弹性模量大于第四树脂膜的弹性模量，第五树脂膜的弹性模量小于第六树脂膜的弹性模量，其中，第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜双面的表面粗糙度约为Ra 50μm。在300-400摄氏度时，第一树脂膜的粘度大于第二树脂膜的粘度，第二树脂膜的粘度大于第三树脂膜的粘度，第三树脂膜的粘度大于第四树脂膜的粘度，第五树脂膜的粘度小于第六树脂膜的粘度。太阳能电池层是由导线连接的多个太阳能电池片材。多个太阳能电池片材大小相等，多个太阳能电池片长度为2mm，宽度为2mm。第四树脂膜的厚度为0.9mm，第三树脂膜的厚度为0.8mm，第二树脂膜的厚度为0.7mm，第一树脂膜的厚度为0.6mm。
实施例3
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层、太阳能电池层、第六树脂膜，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例4
半导体纤维多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、太阳能电池层、第六树脂膜，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例5
调整各树脂层的粘度，使得在300-400摄氏度时，第一树脂膜的粘度小于第二树脂膜的粘度，第二树脂膜的粘度小于第三树脂膜的粘度，第三树脂膜的粘度小于第四树脂膜的粘度，第五树脂膜的粘度大于第六树脂膜的粘度。其余条件及参数与实施例1相同。
实施例6
调整各树脂层的粘度，使得在300-400摄氏度时，第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜粘度相同。其余条件及参数与实施例1相同。
实施例7
各层树脂膜均使用FEP，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例8
各层树脂膜均使用PET，其余条件及参数与实施例1相同。
实施例9
第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜双面的表面粗糙度约为Ra 100μm。其余条件及参数与实施例1相同。
实施例10
第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜双面的表面粗糙度约为Ra 5μm。其余条件及参数与实施例1相同。
实施例11
多个太阳能电池片长度为5mm，宽度为5mm。其余条件及参数与实施例1相同。
实施例12
多个太阳能电池片长度为0.5mm，宽度为0.5mm。其余条件及参数与实施例1相同。
实施例13
第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜厚度为0.7mm。其余条件及参数与实施例1相同。
特别强调的是，实施例1-13的所有实施例都是使用相同方法制造的。对实施例1-13进行耐久性实验、抗剥离实验、脱层风险实验、光伏效率实验。其中，光伏效率实验是使用白光照射材料100小时，测试光伏材料产生的电量，结果基于实施例1的实验值归一化；耐久性实验是将材料反复弯折300次，随后测试光伏效率，计算弯折后的光伏效率与原始材料的光伏效率的比值；抗剥离实验是测试材料的剥离强度，结果基于实施例1的实验值归一化；脱层风险实验是将材料反复弯折300次，随后检查材料是否出现脱层。对比例1来自现有技术文献1附图中的结构，对比例2来自现有技术文献2附图中的结构。
表1
| 耐久性 | 剥离强度 | 脱层风险 | 光伏效率 | |
| 实施例1 | 95％ | 100％ | 未脱层 | 100％ |
| 实施例2 | 97％ | 99％ | 未脱层 | 99％ |
| 实施例3 | 60％ | 42％ | 脱层 | 102％ |
| 实施例4 | 70％ | 67％ | 脱层 | 103％ |
| 实施例5 | 90％ | 73％ | 脱层 | 96％ |
| 实施例6 | 87％ | 78％ | 脱层 | 97％ |
| 实施例7 | 89％ | 77％ | 脱层 | 99％ |
| 实施例8 | 86％ | 74％ | 脱层 | 100％ |
| 实施例9 | 92％ | 82％ | 脱层 | 97％ |
| 实施例10 | 93％ | 84％ | 脱层 | 96％ |
| 实施例11 | 36％ | 98％ | 未脱层 | 98％ |
| 实施例12 | 97％ | 97％ | 未脱层 | 83％ |
| 实施例13 | 82％ | 87％ | 脱层 | 97％ |
| 对比例1 | 42％ | 37％ | 脱层 | 97％ |
| 对比例2 | 37％ | 45％ | 脱层 | 102％ |
实施例14
提供多个太阳能电池片材，使用导线将多个太阳能电池连接起来，得到太阳能电池层；提供第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，使用压辊在第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜双面形成Ra 30μm的表面粗糙度，层叠第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，并使用第一热压工艺将第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜层压，形成第一层压体；提供第五树脂膜以及第六树脂膜，使用压辊在第五树脂膜以及第六树脂膜的双面形成Ra 30μm的表面粗糙度，层叠第五树脂膜、以及第六树脂膜，并使用第一热压工艺将第五树脂膜以及第六树脂膜层压，形成第二层压体；以及依次层叠第一层叠体、太阳能电池层和第二层叠体，使用第二热压工艺将第一层叠体、太阳能电池层和第二层叠体层压。其中，第一热压工艺是三阶段热压工艺，三阶段热压工艺具体为：第一阶段热压，第一阶段热压温度为70℃，压力为10MPa，时间为60s；随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为300℃，压力为50MPa，时间为600s；随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为120℃，压力为15MPa，时间为50s。
实施例15
提供多个太阳能电池片材，使用导线将多个太阳能电池连接起来，得到太阳能电池层；提供第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，使用压辊在第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜双面形成Ra 30μm的表面粗糙度，层叠第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，并使用第一热压工艺将第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜层压，形成第一层压体；提供第五树脂膜以及第六树脂膜，使用压辊在第五树脂膜以及第六树脂膜的双面形成Ra 30μm的表面粗糙度，层叠第五树脂膜、以及第六树脂膜，并使用第一热压工艺将第五树脂膜以及第六树脂膜层压，形成第二层压体；以及依次层叠第一层叠体、太阳能电池层和第二层叠体，使用第二热压工艺将第一层叠体、太阳能电池层和第二层叠体层压。其中，第一热压工艺是三阶段热压工艺，三阶段热压工艺具体为：第一阶段热压温度为120℃，压力为5MPa，时间为30s；随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为400℃，压力为30MPa，时间为300s；随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为150℃，压力为10MPa，时间为20s。
实施例16
不进行第三阶段热压，其余条件及参数与实施例13相同。
实施例17
不进行第一阶段热压，其余条件及参数与实施例13相同。
对实施例13-16进行耐久性实验、抗剥离实验、脱层风险实验、光伏效率实验。结果列于表2。
表2
| 耐久性 | 剥离强度 | 脱层风险 | 光伏效率 | |
| 实施例14 | 100％ | 100％ | 未脱层 | 100％ |
| 实施例15 | 99％ | 102％ | 未脱层 | 98％ |
| 实施例16 | 82％ | 86％ | 脱层 | 87％ |
| 实施例17 | 83％ | 83％ | 脱层 | 89％ |
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (8)
1.一种柔性太阳能电池复合材料，其特征在于：多层结构自下而上依次包括：第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、太阳能电池层、第五树脂膜、第六树脂膜，其中，所述第一树脂膜的弹性模量大于所述第二树脂膜的弹性模量，所述第二树脂膜的弹性模量大于所述第三树脂膜的弹性模量，所述第三树脂膜的弹性模量大于所述第四树脂膜的弹性模量，所述第五树脂膜的弹性模量小于所述第六树脂膜的弹性模量，其中，所述第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜、第四树脂膜、第五树脂膜以及第六树脂膜双面的表面粗糙度为20μm<Ra<50μm。
2.如权利要求1所述的柔性太阳能电池复合材料，其特征在于：在300-400摄氏度时，所述第一树脂膜的粘度大于所述第二树脂膜的粘度，所述第二树脂膜的粘度大于所述第三树脂膜的粘度，所述第三树脂膜的粘度大于所述第四树脂膜的粘度，所述第五树脂膜的粘度小于所述第六树脂膜的粘度。
3.如权利要求1所述的柔性太阳能电池复合材料，其特征在于：所述太阳能电池层是由导线连接的多个太阳能电池片材。
4.如权利要求3所述的柔性太阳能电池复合材料，其特征在于：所述多个太阳能电池片材大小相等，所述多个太阳能电池片长度为1-2mm，宽度为1-2mm。
5.如权利要求1所述的柔性太阳能电池复合材料，其特征在于：所述第四树脂膜的厚度大于所述第三树脂膜的厚度，所述第三树脂膜的厚度大于所述第二树脂膜的厚度，所述第二树脂膜的厚度大于所述第一树脂膜的厚度。
6.如权利要求1所述的柔性太阳能电池复合材料，其特征在于：所述第一树脂膜的厚度、第二树脂膜的厚度、第三树脂膜的厚度以及第四树脂膜的厚度为0.5mm-1mm。
7.如权利要求1-6之一所述的柔性太阳能电池复合材料的制造方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
提供多个太阳能电池片材，使用导线将所述多个太阳能电池连接起来，得到太阳能电池层；
提供第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，使用压辊在所述第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜双面形成20μm<Ra<50μm的表面粗糙度，层叠所述第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜，并使用第一热压工艺将所述第一碳纤维层、第一树脂膜、第二树脂膜、第三树脂膜以及第四树脂膜层压，形成第一层压体；
提供第五树脂膜以及第六树脂膜，使用压辊在所述第五树脂膜以及第六树脂膜的双面形成20μm<Ra<50μm的表面粗糙度，层叠所述第五树脂膜、以及第六树脂膜，并使用第一热压工艺将第五树脂膜以及第六树脂膜层压，形成第二层压体；以及
依次层叠所述第一层压体、所述太阳能电池层和所述第二层压体，使用第二热压工艺将所述第一层压体、所述太阳能电池层和所述第二层压体层压。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述第一热压工艺是三阶段热压工艺，所述三阶段热压工艺具体为：
第一阶段热压，第一阶段热压温度为70-120℃，压力为5-10MPa，时间为30-60s；
随后进行第二阶段热压，第二阶段热压温度为300-400℃，压力为30-50MPa，时间为300-600s；
随后进行第三阶段热压，第二阶段热压温度为120-150℃，压力为10-15MPa，时间为20-50s。
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