CN109801988A - 一种发电建材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电建材及其制备方法，所述发电建材包括建材饰面保护层、光电转化层、功能层和建材基底层；所述建材饰面保护层设置于所述光电转化层第一表面，所述建材饰面保护层由液态固化得到。本发明的发电建材制备方法，包括如下步骤：在建材基底层设置功能层；然后将光电转化层第二表面紧贴于功能层上；通过功能层将建材基底层与光电转化层粘接；在光电转化层的第一表面覆盖建材饰面保护层的液态混合原料，固化制得建材饰面保护层。所述发电建材具有建材的肌理和品质，表现形式丰富多样，不会改变建筑风格和城市景观，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光伏领域，具体涉及一种发电建材及其制备方法。
背景技术
风能、太阳能、海洋能、地热能等是目前可被人们利用的新能源，其生产场所均设在人烟稀少、能源消耗少的郊区、荒漠或海洋上，而在人口集中、能源消耗巨大的城市中则鲜少看到新能源。这一方面是因为新能源分布不集中，如风能、海洋能、地热能的集中分布区域不适宜人类居住；另一方面则是由新能源的利用形式不够完善、合理造成的，如太阳能分布广泛，在人口密度大的城市中也有大量的可利用太阳能。目前城市与太阳能结合的主要方式是发电建筑一体化(BIPV)，但常规的BIPV所采用的光伏组件一般呈现深蓝色、灰色、黑色，其色彩、质感、肌理不美观，达不到建筑对美学的要求，难以与建筑高度融合，这些缺点限制了光伏组件在建筑中的广泛使用。
基于此，专利申请CN200420085961采用不同厚度及种类的光学减反膜，使得晶体硅太阳电池呈现不同颜色；专利申请CN201020272089在玻璃基底和透明导电膜之间加入光学介质膜层，使光学介质膜层与透明玻璃基底、透明导电膜、非晶硅膜组成一个可以对太阳光谱进行选择性反射和吸收的无源滤波器系统。当入射角度改变时，幕墙玻璃的颜色会发生变化，即从正面和侧面观察所看到的幕墙玻璃颜色可以不一样。专利申请CN201220200568在不改变电池片的前提下，通过改变EVA或PVB胶膜的颜色达到与建筑物颜色的匹配。
尽管上述专利可以使光伏组件呈现彩色，拓宽光伏组件的应用范围，但这些光伏组件所呈现的质感与玻璃相似、色彩依然单一，依然限制了光伏组件在建筑领域的应用。
发明内容
针对现有光伏组件存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种和大理石、花岗岩等天然石材呈现一样外观的发电建材，使发电建材不再局限于玻璃的质感和肌理。通过改变这种发电建材饰面保护层的配方、制备工艺和厚度，可以使得建材呈现各种人们想要的多彩的外观和丰富的质感与肌理。这种发电建材可以在不破坏建筑外观和风格的同时，在建筑物上开发利用太阳光辐射，具有广阔的应用前景。
本发明的具体技术方案如下：
一种发电建材；所述发电建材至少包括建材饰面保护层1、光电转化层2、功能层3、和建材基底层4；
所述光电转化层2具有发电功能；
所述建材饰面保护层1设置于所述光电转化层2第一表面2*2上，所述建材饰面保护层1由液态固化得到；
所述功能层3设置于所述光电转化层2的第二表面2*3上；
所述建材基底层4设置于所述功能层3远离所述光电转化层2的第四表上；
所述光电转化层2和所述建材基底层4通过所述功能层3粘接。
作为优选地，所述建材饰面保护层1原料包括母液与填充颜料。
所述母液包括有机硅乳液、硅酸盐水溶液、聚氨酯乳液、聚丙烯酸乳液和含有碳-氟键的高分子聚合物乳液中的一种或多种；
所述填充颜料采用无机颜料，包括碳酸盐、氧化物、硫化物、硒化物、硫酸盐、硅酸盐、亚铁氰化物、铬酸盐、钼酸盐和混合氧化物中的一种或多种；
所述填充颜料采用有机颜料，包括酞菁、偶氮和多环中的一种或几种。
作为优选地，所述建材饰面保护层1原料中还包括少量纳米颗粒、量子点和石墨烯。所述纳米颗粒包括无机光扩散剂和/或有机光扩散剂。
作为优选地，按重量份计，采用的母液占75～115份，颜料占1～5份。
进一步优选地，按重量份计，所述母液包括基料、填料和助剂；基料占50～70份，填料占5～15份，助剂占3～6份。
进一步优选地，所述基料包括氟碳树脂；颜料包括天然矿物颜料和/或人造颜料，天然矿物颜料包括石绿、炭黑、云母、珊瑚和雄黄中的一种或几种，人造颜料包括氧化铁红、氧化铁黄、钛白、铬黄和铁蓝中的一种或几种；填料包括白炭黑、高岭土、碳酸钙、硅灰石粉、滑石粉、石英粉、云母粉、硅酸铝、沉淀硫酸钡和膨润土中的一种或几种；助剂包括润湿剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂、防霉剂和增稠剂中的一种或几种。
进一步优选地，所述润湿剂包括甘油和/或二甲基亚砜；分散剂包括聚羧酸钠盐和/或聚丙烯酸铵盐；所述消泡剂包括乳化硅油、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚的一种或几种；所述成膜助剂包括十二碳酯醇；所述防霉剂包括丙酸钙、过硫酸铵和/或邻苯基苯酚；所述增稠剂为硅凝胶、甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或几种；
作为优选地，制备建材饰面保护层用原料以母液为主，辅以颜料。按重量份计，所采用母液占140～200份，颜料占1～10份。
进一步优选地，按重量份计，所述母液包括去离子水600～800份、交联剂0.1～1份、纤维素2～5份、分散剂0.5～3份、多功能助剂0.5～3份、杀菌剂1～4份、成型剂15～30份、乙二醇2～6份、成膜助剂8～10份、无皂聚合的硅丙乳液15～28份、核-壳结构共聚而成的自交联硅丙乳液70～110份和有机硅接枝丙烯酸酯乳液50～110份。
进一步优选地，所述颜料包括无机颜料5～15份，所述无机颜料包括天然矿物颜料和/或人造颜料，天然矿物颜料包括石绿、炭黑、云母、珊瑚和雄黄中的一种或几种，人造颜料包括氧化铁红、氧化铁黄、钛白、铬黄和铁蓝中的一种或几种。
进一步优选地，按重量份计，所述颜料可选择有机颜料，有机颜料5～15份，所述有机颜料包括偶氮颜料、酞菁颜料、三芳甲烷颜料和多环颜料中的一种或几种。
进一步优选地，所述建材饰面保护层原材料中还包括砂石粉末，所述砂石粉末包括石英砂、高岭土、大理石粉和汉白玉粉的一种或几种。
作为优选地，按重量份计，采用母液占143～296份，颜料占1～10份。
进一步优选地，所述的母液包括水玻璃30～90份、填料90～160份、消泡剂0.1～0.5份、增稠剂3～5份、成膜助剂1～5份、固化剂5～9份和水14～27份。所选母液的液体材料的固化机理包括在空气中吸收二氧化碳形成无定型硅酸盐并逐渐干燥而固化。
进一步优选地，所述颜料包括无机颜料和/或有机颜料，无机颜料包括天然矿物颜料和/或人造颜料，天然矿物颜料包括石绿、炭黑、云母、珊瑚和雄黄中的一种或几种，人造颜料包括氧化铁红、氧化铁黄、钛白、铬黄、铁蓝、珠光银和珠光金中的一种或几种；所述有机颜料包括偶氮颜料、酞菁颜料、三芳甲烷颜料和多环颜料中的一种或几种；所述水玻璃包括钠水玻璃和/或钾水玻璃，所述填料包括白炭黑、高岭土、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、硅灰石粉、滑石粉、石英粉、云母粉、硅酸铝、沉淀硫酸钡和膨润土中的一种或几种；所述消泡剂包括低级醇类，矿物油类和有机硅树脂中的一种或几种；所述增稠剂包括硅凝胶、甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或几种；所述成膜助剂包括十二碳醇酯；所属固化剂包括乙烯基三胺和/或间苯二胺m-PDA。
作为优选地，采用的颜料还包括感温变色颜料和/或感光变色颜料。
作为优选地，通过调配建材饰面保护层的厚度、原料配方及制备工艺，所述建材饰面保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率为10％～85％。
作为优选地，所述的建材饰面保护层厚度为0.01～5mm。
作为优选地，建材饰面保护层吸水率≤8％，50次冻融循环无破坏，不会出现炸裂和裂纹，耐人工气候老化性≥600h，耐沾污性≤20％，耐化学腐蚀性符合标准，耐洗刷性≥1000次，建材饰面保护层与光电转化层之间的附着力≥1MPa，建材饰面保护层的莫氏硬度≥3，达到了对常规建材所提出的各项性能指标。
作为优选地，所述光电转化层2包括薄膜太阳电池组件和/或晶硅太阳电池组件。
作为优选地，所述光电转化层2包括带有阻隔层的薄膜太阳电池芯片一片或多片串联，带有阻隔层的晶硅太阳电池芯片一片或多片串联，带有阻隔层的薄膜太阳电池芯片和带有阻隔层的晶硅太阳电池芯片多片混合串联。
作为进一步优选地，所述光电转化层2所用的薄膜太阳电池，包括铜铟镓硒太阳电池、砷化镓太阳电池、非晶硅太阳电池、碲化镉太阳电池、染料敏化太阳电池、铜锌锡硫太阳电池或钙钛矿太阳电池。
作为优选地，所述功能层3包含非酸性胶体或热熔性胶体中的一种。
作为进一步优选地，功能层3可以采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。
作为优选地，所述建材基底层3为普通建筑材料，包括玻璃、金属板、水泥基板材、柔性塑料薄膜、瓷砖和瓦片中的一种或几种。
作为优选地，所述发电建材至少包括一对正负电极。
作为优选地，所述建材饰面保护层1由液态固化得到。
一种发电建材的方法，包括如下的步骤：
1)在建材基底层4上设置功能层3；然后将光电转化层2第二表面2*3紧贴于功能层3之上；
2)通过功能层3将建材基底层4和光电转化层2粘接；
3)在光电转化层2的第一表面2*2上覆盖建材饰面保护层1原料混合液体，固化制得建材饰面保护层1。
作为优选地，所述建材饰面保护层1采用手工喷涂、自动喷涂、刷涂、旋涂、打印、印刷、流浆、滚刷、刮涂或涂布的方法将液态原料制备于光电转化层2第一表面2*2上。
作为优选地，所述建材饰面保护层1的固化温度为-10℃～100℃，固化时间为0.1s～72h。此外，通过控制建材饰面保护层1的厚度和配方，还可使建材饰面保护层1保持有较高的透过率。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)本发明提供的发电建材除了具有利用太阳光发电的功能外，完全克服了传统光伏组件由于镜面反射所造成闪光、眩晕等光污染的缺点。
2)本发明提供的发电建材可以根据需要设计建材饰面保护层的颜色和图案，具有丰富多彩的外观，达到和现代城市建筑艺术的高度融合，具有广阔的应用前景。
3)本发明采用的建材饰面保护层固化温度在-10℃～100℃之间，由于固化温度低，不会对太阳电池组件造成损伤，而且制备工艺简单，能耗低且无污染，产品成本低。
4)本发明所制备的建材饰面保护层不仅与光电转化层有较强附着力，而且具有较好的耐磨性能，较强的抗腐蚀性，达到普通建筑外墙建材的耐候性要求，使用寿命长远大于目前普通光伏组件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所制备发电建材的实物照片；
图2为实施例1所制备发电建材的I-V曲线；
图3为本发明发电建材结构图(含陶瓷薄膜)，1为建材饰面保护层；2为光电转化层；3为功能层；4为建材基底层；
图4为图3所示发电建材的侧视结构图，1为建材饰面保护层；2-1为陶瓷薄膜；2-2为太阳电池层；2*2为负电极面；2*3为正电极面；3为功能层；4为建材基底层；e1为引出负电极；e2为引出正电极；
图5为本发明发电建材结构图(含前膜与胶膜)，1为建材饰面保护层；2为光电转化层；3为功能层；4为建材基底层；
图6为图5所示发电建材的侧视结构图，1为建材饰面保护层；2-1为前膜；2-2为胶膜；2-3为太阳电池层；2*3为负电极面；2*4为正电极面；3为功能层；4为建材基底层；e1为引出负电极；e2为引出正电极；
图7为本发明发电建材结构图(含前膜与胶膜，两个基底层)，1为建材饰面保护层；2为光电转化层；3为功能层；4为建材基底层；
图8为图7所示发电建材的侧视结构图，1为建材饰面保护层；2-1为前膜；2-2为胶膜；2-3为太阳电池层；2*3为负电极面；2*4为正电极面；3为功能层；4-1为第一基底层；4-2为胶膜；4-3为第二基底层；e1为引出负电极；e2为引出正电极；
图9为本发明发电建材结构图(含前膜与胶膜，两个基底层)，1为建材饰面保护层；2为光电转化层；3为胶膜；4为建材基底层；
图10为图9所示发电建材的侧视结构图，1为建材饰面保护层；2-1为前膜；2-2为胶膜；2-3为太阳电池层；2-4第一基底层；2*3为负电极面；2*4为正电极面；3为胶膜；4为建材基底层；e1为引出负电极；e2为引出正电极。
具体实施方式
如下将结合附图对本发明进行进一步的解释和说明，其仅用作对本发明的解释而并非限制。
请参见图3和图4，其示出了一种新型的发电建材。
从上至下，发电建材依次包括建材饰面保护层、光电转化层、功能层和建材基地层。
所述光电转化层包括晶硅太阳电池组件或/和薄膜太阳电池组件。或者带有阻隔层的薄膜太阳电池芯片或/和晶硅太阳电池芯片。
所述建材饰面保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率为10％～85％。所述建材饰面保护层厚度为0.01～5mm，较厚建材饰面保护层会带来较好的保护效果，但建材饰面保护层的透过率有所下降。
实施例1
一种发电建材，光电转化层选择市售单晶硅电池芯片，功能层为PVB胶膜，建材基底层选用瓷砖。采用层压封装的方式通过PVB将电池芯片粘贴在瓷砖上，并在芯片上设置二氧化硅阻隔层，电池芯片上设置有导线引出电极，采用手工喷涂方法在光电转化层上涂覆建材饰面保护层原料混合液体，建材饰面保护层厚度为2mm。建材饰面保护层原料混合液体在50℃固化30min即得到本发明所述的发电建材。
建材饰面保护层原料以母液为主，辅以无机颜料。按重量份计算，母液占155份，颜料占7份，颜料选择相同重量的钛白粉和氧化铁红粉。所述母液包括去离子水764份、A1522交联剂0.4份、250HBR纤维素3份、5040分散剂1.5份、AMP-95多功能助剂1.5份、M30杀菌剂2.5份、R103成型剂21份、乙二醇4份、C-12成膜助剂9.5份、半导体氧化铈量子点0.02份、石墨烯0.001份、无皂聚合的硅丙乳液21份、核-壳结构共聚而成的自交联硅丙乳液90份和有机硅接枝丙烯酸酯乳液70份。
实施例1所制备发电建材的结构如图3、图4所示，所制备发电建材光电转化率为15.2％。
图2为本发明实施例1所制备发电建材的I-V曲线；
实施例2
一种发电建材，光电转化层选择市售多晶硅电池芯片，功能层选用EVA胶膜，建材基底层选用水泥基板。采用层压封装的方式通过EVA将电池芯片粘贴在水泥基板上，并在电池芯片上设置EVA和玻璃作为阻隔层，电池芯片上设置有导线引出电极，采用打印方法在光电转化层上涂覆建材饰面保护层原料混合液体，建材饰面保护层厚度为0.01mm。建材饰面保护层原料混合液体在100℃固化0.1s即得到本发明所述的发电建材。
按重量份计，采用母液占186份，颜料占5份。采用的母液包括钾水玻璃45份，填料130份，所述填料为滑石粉、碳酸钙和高岭土的混合，其重量比例为2：1：1。所述母液还包括有机硅树脂0.2份、硅凝胶3份、十二碳醇酯1份、乙烯基三胺6份、水20份和硫酸钡光扩散剂0.2份。颜料5份，为石绿和雄黄的混合，其重量比为1：3。实施例2所制备发电建材的结构如图5、图6所示，所制备发电建材光电转化率为16.1％。
实施例3
一种发电建材，光电转化层选择市售单晶硅电池组件，功能层选用EVA，建材基底层选用瓦片。采用层压封装的方式通过EVA将组件粘贴在瓦片基底上，光电转化层上设置有导线引出电极，采用丝网印刷方式在组件上涂覆建材饰面保护层原料混合液体，建材饰面保护层厚度为0.5mm。建材饰面保护层原料混合液体在30℃固化4h即得到本发明所述的发电建材。
建材饰面保护层原料配比，按重量份计，采用母液占100份，颜料占5份。所述母液原材料包括基料、填料、助剂；基料占60份，填料占18份，助剂占3.8份。所述基料包括氟碳树脂；颜料采用天然矿物颜料，天然矿物颜料包括云母、珊瑚两种；填料包括硅灰石粉、石英粉及膨润土，重量比为1：1.5：0.8；助剂包括二甲基亚砜0.2份、聚羧酸钠盐1.1份、乳化硅油0.3份、十二碳酯醇1.5份、邻苯基苯酚0.2份和甲基纤维素0.5份。
实施例3所制备发电建材的结构如图7、图8所示，所制备发电建材光电转化率为16.3％。
实施例4
一种发电建材，光电转化层选择市售铜铟镓硒电池组件，功能层选用PVB，建材基底层选用聚四氟乙烯板。采用层压封装的方式通过PVB将组件粘贴在聚四氟乙烯基底上，光电转化层上设置有导线引出电极，采用喷涂方式在光电转化层上涂覆建材饰面保护层原料混合液体，建材饰面保护层厚度为5mm。建材饰面保护层原料混合液体在-10℃固化72h即得到本发明所述的发电建材。
按重量份计，采用母液占240份，颜料占10份。采用的母液包括钠水玻璃75份，填料112份，所述填料为硅灰石粉、硅酸铝和高岭土的混合，其重量比为3：2：5。所述母液还包括有机硅树脂0.1份、甲基纤维素5份、十二碳醇酯5份、间苯二胺6份、水14份和有机硅光扩散剂0.05份。颜料10份，为酞菁颜料。
实施例4所制备发电建材的结构如图9、图10所示，所制备发电建材光电转化率为12.3％。
实施例5
一种发电建材，光电转化层选择市售非晶硅薄膜电池组件，功能层选用EVA，建材基底层选用不锈钢板。采用层压封装的方式通过EVA将组件粘贴在不锈钢板基底上，光电转化层上设置有导线引出电极，采用喷涂的方式在光电转化层上涂覆建材饰面保护层原料混合液体，建材饰面保护层厚度为3mm。建材饰面保护层原料混合液体在50℃固化1h即得到本发明所述的发电建材。
建材饰面保护层是通过自动喷涂的方法制备的，原料包括母液和颜料，按重量份计，采用母液占70，颜料占10份。所述母液原材料包括基料、填料和助剂；基料占70份，填料占30份，助剂占6份。所述基料采用氟碳树脂；颜料采用人造颜料，人造颜料采用铁蓝；填料包括石英粉及沉淀硫酸钡；助剂包括甘油0.4份、聚羧酸钠盐1.0份、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚0.4份、十二碳酯醇2份、过硫酸铵0.1份和羟丙基甲基纤维素0.6份。
实施例5所制备发电建材的结构如图9、图10所示，所制备发电建材光电转化率为8.3％。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种发电建材，其特征在于，所述发电建材包括建材饰面保护层(1)、光电转化层(2)、功能层(3)和建材基底层(4)；
所述光电转化层(2)具有发电功能；
所述建材饰面保护层(1)设置于所述光电转化层(2)第一表面(2*2)；所述功能层(3)设置于所述光电转化层(2)的第二表面(2*3)；
所述建材基底层(4)设置于所述功能层(3)远离所述光电转化层(1)的第四表面上；
所述光电转化层(2)和所述建材基底层(4)通过所述功能层(3)粘接。
2.根据权利要求1所述的发电建材，其特征在于，所述建材饰面保护层(1)原料包括母液与填充颜料；
所述母液包括有机硅乳液、硅酸盐水溶液、聚氨酯乳液、聚丙烯酸乳液和含有碳-氟键的高分子聚合物乳液中的一种或多种；
所述填充颜料采用无机颜料，包括碳酸盐、氧化物、硫化物、硒化物、硫酸盐、硅酸盐、亚铁氰化物、铬酸盐、钼酸盐和混合氧化物中的一种或多种；
所述填充颜料采用有机颜料，包括酞菁、偶氮和多环中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的发电建材，其特征在于，所述的建材饰面保护层(1)厚度为0.01～5mm；所述建材饰面保护层(1)具备建材的肌理和品质，且所述建材饰面保护层(1)在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率为10％～85％。
4.根据权利要求1所述的发电建材，其特征在于：所述发电建材饰面保护层(1)吸水率≤8％，50次冻融循环无破坏，耐人工气候老化性≥600h，耐沾污性≤20％，耐洗刷性≥1000次，建材饰面保护层(1)与光电转化层(2)之间的附着力≥1MPa，建材饰面保护层(1)的莫氏硬度≥3，满足建材的各项性能指标。
5.根据权利要求1所述的发电建材，其特征在于，所述光电转化层(2)包括带有阻隔层的薄膜太阳电池芯片或/和晶硅太阳电池芯片，或者所述光电转化层(2)包括薄膜太阳电池组件或/和晶硅太阳电池组件。
6.根据权利要求1所述的发电建材，其特征在于，所述功能层(3)包含非酸性胶体或热熔性胶体中的一种。
7.根据权利要求1所述的发电建材，其特征在于，所述发电建材至少包括一对正负电极。
8.根据权利要求1所述的发电建材，其特征在于，所述建材饰面保护层(1)由液态固化得到。
9.一种权利要求1～8任一所述发电建材的制备方法，包括如下步骤：
1)在建材基底层(4)设置功能层(3)；然后将光电转化层(2)第二表面(2*3)紧贴于功能层(3)之上；
2)通过功能层(3)将建材基底层(4)与光电转化层(2)粘接；
3)在光电转化层(2)的第一表面(2*2)覆盖建材饰面保护层(1)的原材料混合液体，固化制得建材饰面保护层(1)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述建材饰面保护层(1)采用手工喷涂、自动喷涂、刷涂、旋涂、打印、印刷、流浆、滚刷、刮涂或涂布的方法将原料混合液体制备于光电转化层(2)第一表面(2*2)上。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述建材饰面保护层(1)的固化温度为-10℃～100℃，固化时间为0.1s～72h。
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