CN110073170B - 遮蔽式颜色匹配的伪装太阳能电池板 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池板，其包括背板层、邻近所述背板层的底部封装层、邻近所述底部封装层的多个光伏电池、邻近所述多个光伏电池的顶部封装层和邻近所述顶部封装层的顶部层，在所述顶部封装层中构造有多个百叶窗以阻挡侧面观察所述多个光伏电池。

Description

遮蔽式颜色匹配的伪装太阳能电池板
相关申请的交叉引用
本申请要求以下美国临时专利申请的优先权：2016年10月28日提交的发明名称为“Obscuring Solar Arrays From Certain Viewing Angles”的美国临时专利申请第62/414,275号；2017年1月24日提交的发明名称为“Coated Backsheet for Solar Panels”的美国临时专利申请第62/450,000号；2017年1月30日提交的发明名称为“Solar CellCamouflage Structures”的美国临时专利申请第62/452,221号；以及2017年1月30日提交的发明名称为“Solar Cell Camouflage Structures”的美国临时申请第62/452,269号；这些申请中的每个申请的内容通过引用以所有目的全文并入本文。
技术领域
本发明涉及太阳能电池板；更具体地涉及用于从某些视线或有利位置遮蔽太阳能电池板，将太阳能电池板的背板与电池板的电池进行颜色匹配，以及伪装太阳能电池板的技术。
背景技术
目前，所产生用于给住宅和建筑物照明和供热的大部分电力来自煤、石油、水力发电坝、核能、风能、海流发电等。电力由公共事业公司在发电厂产生，并且经由传输线路和配电线路递送至终端用户。电力以可用电压配送至住宅和商业设施内。
目前使用的大多数用于产生电力的技术具有燃料成本。用于产生电力的所有设施都具有设施成本。此外，传输和配送线路的成本高昂。从电厂传输电力至终端用户期间的电力损失可能巨大。随着电力消耗持续增加，所以必须构建额外的设施来满足需求的增加。
产生大部分电能的化石燃料如石油和煤是不可再生的。这些自然资源的价格持续增加。在水力发电的情况下，可用的电力输出完全取决于自然环境，例如降雨。例如，在降雨量低的年数期间，发电量也低，其会影响使用这种电力源的所有群体。风能通常仅在白天期间可用，并且随季节波动和基于当地气候形势波动。在核能的情况下，技术昂贵，发电站的建造成本昂贵，尽管有广泛的保障措施，但不能完全排除核危害。由于安全原因，在世界上的许多地区都没有利用核能发电。
另外，所有这些发电方法产生的不利环境影响是巨大的。换言之，这些发电方法中的每种方法都具有其自身的不利环境影响，例如，水力发电坝对生物多样性产生不利影响，并且如果发生溃坝可能引发破坏巨大的洪灾。风能发电占据大量的土地，并且可能不美观。从长远来看，煤和石油发电以二氧化碳和有毒排放的形式导致环境退化，对自然气候循环造成巨大的不利影响，对地球上的所有生命均具有伤害作用。同样，核废料可能有害；处置核废料非常昂贵，并且还具有对环境造成不利影响的能力。
太阳能电池板，也称为光伏电池板，通常包括相对大量的光伏电池来将太阳能直接转化成电能。这种电能用于替代由其他来源产生的电能，并且用于给住宅和商业设施供电。太阳能电池板通常以阵列形式布置，并且电连接在一起以产生组合的电输出。太阳能电池阵列通常连接至电池组并经由逆变器连接至电网。由一系列太阳能电池板产生的过剩电能被馈送回公共电网并传输至其他用户。
附图说明
图1是示出安装在住宅斜顶上的太阳能电池板、步行观察者和太阳之间的关系的图。
图2是示出相对于水平参考线而言呈不同取向角的太阳能电池板阵列的各种角度的图。
图3是根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的分解视图。
图4是根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的百叶窗的图。
图5A是示出根据一个或多个实施例经由百叶窗层使日光辐照到太阳能电池板上的路径的图。
图5B是示出根据一个或多个实施例构建的包括倾斜式百叶窗的太阳能电池板的图。
图6A是示出街道能见度指数与根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的顶部屋顶角度相对的曲线图。
图6B是示出透射穿过百叶窗的太阳光的百分比与根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的太阳能板角度相对的曲线图。
图7A、7B、7C和7D是示出透射穿过百叶窗的太阳光百分比与根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的太阳能电池板角度相对的曲线图。
图8A和8B示出了现有技术的太阳能电池板和根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的一部分。
图9A和9B示出了现有技术的太阳能电池板和根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的一部分。
图10A和10B是其中安装有根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的屋顶瓦的照片。
图11A和11B包括照片和图，其示出了根据一个或多个实施例设计用于一个或多个住所的太阳能电池板的步骤。
图12是居住区的俯视图，该居住区的住宅中设有根据一个或多个实施例设计的家用太阳能电池板。
图13是示出其上安装有根据一个或多个实施例设计和构建的太阳能电池板的住宅的视图的照片。
图14是示出其上安装有根据一个或多个实施例设计和构建的太阳能电池板的住宅的视图的照片。
图15A、15B、15C和15D示出了由玻璃制成的顶层，其包括从低视角遮蔽被覆盖的光伏电池的锯齿表面。
图16是示出根据一个或多个实施例构建的层压太阳能电池板的截面侧视图。
图17是示出根据一个或多个实施例构建的涂覆背板的截面侧视图。
图18是示出根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的反射光谱的曲线图。
图19是示出根据一个或多个实施例构建的层压太阳能电池板的截面侧视图。
图20A-20B是根据一个或多个实施例生成的能够被用于产生伪装膜的随机图案。
图21A是根据一个或多个实施例的包括伪装膜的太阳能瓦。
图21B是根据一个或多个实施例的不包括伪装膜的太阳能瓦。
图22A-22D是根据一个或多个实施例的具有伪装膜的太阳能瓦。
图23是显示硅晶片形貌的一系列显微照片。
图24是示出根据一个或多个实施例的层压背板的截面侧视图。
具体实施方式
太阳能电池板存在多种设计折衷方案。由于呈阵列安装，对于太阳能电池板而言，有利的是高效、廉价且美观。这些太阳能电池板阵列可能被一些观察者认为刺眼。例如，居住区的太阳能电池阵列通常安装在住宅和其他建筑物的屋顶。当安装在房屋屋顶时，太阳能电池板平行于屋顶安装。虽然这种安装技术具有成本效益，但是太阳能电池板的光伏电池能够被观察住宅或其他结构的人员看见，导致住宅外观难看，降低了住宅的美观度。这样难看的外观也可能违反某些居住区的限制性契约。因而，对于太阳能电池板而言，期望的是具有与屋顶板相同/相似颜色的屋顶材料外观。此外，对于太阳能电池板而言，期望的是在其区域内具有均匀的感知颜色且视觉上吸引人。以下的公开内容提供了用于改善太阳能电池板的美观度和性能的各种技术。
1.从某些观察角度遮蔽太阳能电池阵列
图1是示出安装在住所倾斜屋顶上的太阳能电池板102(或太阳能电池板阵列)、步行观察者和太阳之间的关系图。如图所示及通常已知的，期望的是使太阳能电池板102垂直于来自太阳的太阳光线的入射角，以使捕获的太阳能最大化并将捕获的太阳能转化成电能。太阳能阵列102的步行观察者可能认为太阳能电池板102难看。此外，看得见太阳能电池板102可能违反限制性契约或降低其上安装有太阳能电池板102的住宅或其他结构的美学特性。
因此，根据一些实施例，太阳能电池板102具有帮助遮蔽太阳能电池板102以免被步行观察者观察的结构。在太阳能电池板102的结构中，太阳能电池板102包括一个或多个百叶窗层。这样的太阳能电池板结构将在下文参考附图3进一步描述。当从侧向角度，例如图1的步行观察者侧向角度观察时，太阳能电池板的百叶窗层使太阳能电池板具有基本上或完全纯净的颜色。也就是说，百叶窗层帮助遮蔽太阳能电池板或太阳能电池，以免沿某些视线观察到。百叶窗层任选地包括含有百叶窗的膜。
图2是示出相对于水平参考线而言呈不同取向角的太阳能电池板阵列的各种角度的图。太阳能电池板202、204和206中的每一个相对于图2中示出的太阳和步行观察者而言以不同的角度进行安装。根据一些实施例，太阳能电池板202、204和206的百叶窗基于太阳能电池板202、204和206的安装角度来设计和构建。针对太阳能电池板202、204和206的设计和构建过程的实例将在下文关于下列附图来进一步描述。
图3是根据一些实施例构建的太阳能电池板300的分解视图。太阳能电池板300包括背板层302、邻近背板层302的底部封装层304、邻近底部封装层304的多个光伏电池306、邻近多个光伏电池306且其中构建有多个百叶窗以阻挡侧向观察多个光伏电池306的顶部封装层308、以及邻近顶部封装层308的顶部层310。
在一些实施例中，背板层302由玻璃或阻挡膜构成。底部封装层304可由作为乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物的乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)，也称为聚(乙烯-醋酸乙烯酯)(PEVA)构成。光伏电池306可具有常规构造。在一些实施例中，顶部封装层308是包括百叶窗的EVA的成型结构。顶部层310可由纹理化、增韧的玻璃构成，具有低铁含量且厚度足以保护太阳能电池板300底部组件。封装层也可以是聚烯烃密封剂如3M太阳能密封膜P08100N。
顶部封装层308可以包括分布在其区域内的多个百叶窗。该多个百叶窗可以包括跨顶部封装层308的不同入射角。此外，在一些实施例中，多个百叶窗中的第一组具有第一入射角，多个百叶窗中的第二组具有与第一入射角不同的多个百叶窗。在其他构造中，百叶窗具有多个不同的入射角。如本文中将进一步描述的，百叶窗被设计为在从侧向角度观察时为光伏电池306的提供视觉阻挡，但是使传递至光伏电池306的太阳能阻挡最小化。
多个百叶窗可具有设计颜色，当在从侧向角度观察时，该设计颜色使太阳能电池板具有设计颜色外观，从而阻挡太阳能电池板被观察到。此外，利用该构造，太阳能电池板可在从侧向角度观察时具有设计颜色且在从侧向角度之外的角度观察时具有不同的颜色。
对于本文描述的太阳能电池板的实施例，期望的是增加百叶窗的角度透明度以提高太阳能效率，但是使太阳能电池板从侧向角度观察时具有纯色的外观。可以使用各种颜色，包括从深至浅的灰色色调、泥土色调、雪松颜色或外观、以及印刷外观。因此，包括百叶窗的顶部封装层308可以构建为不仅产生从侧向观察角看到的特定颜色或颜色的外观，而且产生特定的图案或设计。
根据本发明公开的一些方面，太阳能电池板300可以包括小的垂直壁以在从侧面观察时进一步遮蔽光伏电池306。此外，顶部层310可以具有纹理化表面(纹理化玻璃)，例如呈锯齿状图案。这种锯齿状表面可以包括每个齿上协助阻挡从低观察角度观察所覆盖的光伏电池板的垂直壁。该结构的实例在图15A-15D中进一步示出。太阳能电池板300还可以包括用于将太阳能电池板300连接到其他太阳能电池板或其他电气连接的电子器件或电连接器。
图4是示出根据本发明一个或多个方面构建的太阳能电池板的百叶窗402的图。如图所示，百叶窗402分布于顶部封装层308。百叶窗的尺寸、形状、高度和间距被设计为使太阳能电池板从一个或多个特定侧向观察角度看具有期望的外观，并且还使穿过包括百叶窗的顶部封装层308)到达光伏电池306的太阳能的量最大。
图5A是示出根据本发明公开的一个或多个方面的经由百叶窗层502辐照到太阳能电池板500的太阳辐照路径的图。如图所示，百叶窗504优选设计和构建成使最大量的太阳能传递到光伏电池506并使太阳能电池板从侧向观察角度看具有期望的外观。百叶窗504的设计使得性能最大化且满足美观性。模拟可以包括简单的光线追踪并考虑到电池表面的折射率、多重反射的影响以及太阳的确切位置。设计中的类似因素可以考虑非偏振光、百叶窗内光伏电池的全吸收、模拟日为晴天以及该层是透明的。图5A中的百叶窗504可以倾斜以帮助内部收集太阳能，以增加太阳能电池板500的效率。百叶窗层502可以是包含百叶窗504的膜。
图5B是示出根据本发明公开的一个或多个方面构建的包括倾斜百叶窗512的太阳能电池板510的图。利用倾斜百叶窗512，例如在图5A中示出的那些，相对于太阳能电池板呈低角度的太阳光被吸收以阻挡从观察者角度观察光伏电池，并且以高入射角接收的太阳光被百叶窗512反射(在一些实施例中反射到内部)到光伏电池514上。
图6A是示出街道能见度指数与根据本发明公开的一个或多个方面构建的太阳能电池板的屋顶角度相对的曲线图。如图所示，当屋顶角度接近90度时，可以看见更多的光伏电池板(百叶窗隐藏更少)。此外，在低屋顶角度下，从零度侧向观察时不能观察到光伏电池板，但是从45度侧向观察时较少阻碍。建模产生这些模拟结果的参数包括百叶窗的形状和取向(例如具有100微米间隔的正交百叶窗)、屋顶取向(例如朝南)、屋顶的地理位置(例如，加利福尼亚州帕洛阿尔托)、日、小时、和其他参数，以及基质和百叶窗的折射率。
图6B是示出透过百叶窗的光百分比与根据本发明公开的一个或多个方面构建的太阳能电池板的太阳能电池板角度相对的曲线图。如图所示，这些图考虑了透过包括百叶窗的顶部封装层的透射光百分比的年度月份值和年平均值随特定百叶窗设计的太阳能电池板角度的变化。
图7A、7B、7C、和7D是示出透过百叶窗的光百分比与根据本发明公开的一个或多个方面构建的太阳能电池板的太阳能电池板角度相对的曲线图。如图所示，这些图考虑了透过包括百叶窗的顶部封装层的透射光百分比的年度月份值和年平均值随特定百叶窗设计的太阳能电池板角度的变化。
图8A和8B示出了现有技术的太阳能电池板800和根据本发明公开的一个或多个方面构建的太阳能电池板802的一部分。太阳能电池板802使得光伏电池能够从靠近图8A中的垂直观察角度处观察，并且从图8B中的更多侧向角度中被隐藏。与此相比，现有技术的太阳能电池板800使得光伏电池从两个观察角度都能够被看见。
图9A和9B示出了现有技术的太阳能电池板900和根据本发明公开的一个或多个方面构建的太阳能电池板902的一部分。太阳能电池板902使得光伏电池能够从靠近图9A中的垂直观察角度处观察，并且从图9B中的更多侧向角度中被隐藏。与此相比，现有技术的太阳能电池板900使得光伏电池从两个观察角度都能够被看见。
图10A和10B示出了屋顶瓦1000，其中安装有根据本发明公开的一个或多个方面构建的太阳能电池板1002。当从基本上垂直观察角度观察时，屋顶瓦1000的光伏电池1002在图10A中可见。从图10B中显示的侧向角度观察时，屋顶瓦1000的光伏电池1002被隐藏或遮蔽。
图11A和11B包括照片和曲线图，其示出了设计根据本发明公开的一个或多个方面用于一个或多个住所的太阳能电池板的步骤。第一步是评估其上将被安装太阳能电池板的屋顶。在该情况下，给住所拍照，然后设置地理位置标签。由照片和地理位置标签产生数据，例如面积和特征、屋顶间距、地理数据和街道有利位置。然后基于所产生的数据设计、渲染、布置太阳能电池板并考虑其成本。在设计太阳能电池板时确定屋顶颜色、待安装的太阳能电池板类型、有利位置膜和其他考虑因素。然后屋顶套件被生成、回火、组装、层压、检查并运送至现场进行安装。
图12是居住区的俯视图，针对该居住区中的住宅，根据本发明公开的一个或多个方面设计了住宅太阳能电池板。住宅位于其中的居住区可能具有要求某些屋顶外观的限制性契约。太阳能电池板可以设计为满足这些限制性契约和当地法律，并且进一步使安装设施的外观具有吸引力。
图13是示出住宅视图的照片，该住宅上安装有根据本发明公开的一个或多个方面设计和构建的太阳能电池板。
图14是示出住宅视图的照片，该住宅上安装有根据本发明公开的一个或多个方面设计和构建的太阳能电池板。
图15A、15B、15C和15D示出顶部层(例如顶部层310)的一个实施例。图15A-15D中示出的顶部层1500由玻璃制成，并且包括遮盖从低观察角度观察被覆盖的光伏电池1504的锯齿状表面1502。首先参考图15A，顶部层1500显示为具有表面1502，该表面1502形成为具有垂直齿状表面1502A和倾斜齿状表面1502B的锯齿状图案。垂直齿状表面1502A形成为基本上垂直(约90度)于太阳能电池板结构，倾斜齿状表面1502B以垂直于太阳能电池板结构和平行于太阳能电池板结构之间的角度来形成。在一些实施例中，基于太阳能电池板的安装位置来选择该角度，以使太阳能电池板有效工作的同时仍然能够从低角度侧向观察时隐藏光伏电池板。图15A的视图是侧视图，因此顶部层1500基于垂直齿状表面1502上的黑色颜色而基本上不是透明的。
接下来参考图15B，顶部层1500显示为被从大致垂直于太阳能电池板的视角观察。因而，顶部层1500从该透视视图中大部分是透明的。
接下来参考图15C，顶部层1500显示为驻留于光伏电池层1504上。从与图15B的视图大致相同的观察角度来观察图15C。从该观察角度，顶部层大部分是透明的，使得通过顶部层1500可以观察光伏电池1504。
接下来参考图15D，从图15A的角度类似的角度观察，顶部层1500显示为驻留于光伏电池层1504。因而，基于顶部层的锯齿状表面的结构，光伏电池被隐藏在视野之外。
2.用于太阳能电池板的涂覆背板
现在参考图16-18，其描述了用于太阳能电池板的涂覆背板，其反射红外范围内的光以使太阳能电池板维持较低的电池温度，且同时还提供可见范围内的低反射以将背板与电池进行颜色匹配并改善太阳能电池板的美观度。
在建筑业内，由交替的电介质和金属层制成的物理气相沉积(PVD)涂层被成功用于减少进入建筑物内的热量。根据一个或多个实施例，由反射红外范围内的光的涂覆塑料膜制成的新型背板还提供了可见范围内的低反射。
图16是示出根据一个或多个实施例构建的叠层太阳能电池板1600的截面侧视图。叠层太阳能电池板1600包括顶板1602、太阳能电池层1604和背板1606。顶板1602在示出的实施例中由玻璃制成，但是在其他实施例中可由不同的材料制成。太阳能电池层1604在示出的实施例中由EVA制成，但是在其他实施例中可由不同的材料如聚烯烃制成。太阳能电池层1604包括封闭在EVA材料内的多个太阳能电池1605。太阳光1608基本上穿过顶板1602并直射太阳能电池1605，或者在太阳能电池之间穿过至背板1606。背板1606吸收部分太阳光1608，并且反射一部分太阳光。
图17是示出根据一个或多个实施例构建的涂覆背板1606的截面侧视图。根据某些实施例，利用PVD工艺将图17中显示的层1704A-1704D沉积在基板1702的顶部。背板面板1606由透明或不透明基板1702如玻璃、EVA、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，或聚苯醚和苯乙烯的合金(改性PPO)制成。基板1702可以包含或可以不包含使其呈现黑色(或任意其他)颜色的吸收材料。在该基板1702上施加有由n+1个介电模块(1704A、1704B、1704C和1704D，也称为介电层)和n个金属层(1706A、1706B和1706C)制成的薄涂层，其中n为整数(例如1、2或3)。按以下施加2n+1个层的涂层：介电模块/金属层/介电模块/金属层…/介电模块/基板，每个金属层位于两个介电模块之间，基板与介电模块接触。在一些实施例中，层数与所示出的实施例不同。
在一些实施例中，介电模块是由元素Si、Al、Ti、Zn、Sn、Nb、In、Zr或这些元素的任意组合的一个或几个氮化物或氧化物层制成的透明材料。例如，3nm Si3N4材料为介电模块，30nm Si3N4和10nm锌铝氧化物堆叠体也是介电模块。介电模块厚度优选为10nm至100nm。
在一些实施例中，金属层由Ni、Cr、Fe、Nb、Ti、Cu、Al、Ag、Au、Pt或这些金属的任意组合的一个或几个层构成。例如，Nb层为金属层。Nb层上方或下方具有Ni和Cr层的Nb层也为金属层。金属层厚度优选为4nm至40nm。
根据本发明公开的某些实施例，根据利用PVD沉积的具体层，背板具有不同的特性。例如，Si3N4沉积层可以对碱性离子如Na+提供有效屏障。此外，沉积导电层作为背板涂层中的一个层可以用于增强静电性能。在一些实施例中，构成背板的一个或多个沉积层是导电性的，并且能够被用作能量收集机构的一部分。该层内的具体结构或电路可以通过利用PVD沉积层和随后激光蚀刻掉导电材料产生迹线(或电路)来产生。根据一些实施例，利用PVD形成的层使背板吸收可见范围内的光，其有助于背板与电池1605的颜色匹配。在一些实施例中，选择沉积层来提供低的总体辐射吸收(高反射)且同时在可见范围内保持低反射，以产生期望的电池颜色匹配且同时维持较低的电池温度(例如，与一些传统背板相比，向电池提供较少的热量)，从而提高电池效率和能量产生。
图18是示出根据一个或多个实施例构建的太阳能电池板的反射光谱的曲线图。产生图18光谱的实施例可以按以下构建：
<u>层</u> <u>厚度</u>
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> 66.7nm
Nb 25.1nm
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> 14.2nm
SiO<sub>2</sub> 38nm
TiO<sub>2</sub> 18nm
PET基板 0.5mm
在图18的反射光谱中，与可见光范围内的波长相比，红外波长的反射率较高，因此提供了低可见反射率和高能量反射率的高性能。总太阳能反射率(ISO9050)为28％(相比较而言，黑色板材为6％)。在60度入射角，D65 CIE 1934的可见颜色为L*＝55,a*＝1,b*＝-6(给定紫色匹配电池)。相比较而言，白色的背板的L*>70，与电池不匹配。
在一些实施例中，通过利用市售设备的PVD获得涂层，例如以辊-辊工艺获得。例如，能够通过在由氩和氮制成的等离子体中反应溅射Si靶来获得Si3N4；能够通过氩气中溅射TiOx靶来获得TiO2；能够通过在O2，Ar等离子体中溅射Si靶来获得SiO2；能够通过在Ar等离子体中溅射Nb靶来获得Nb层。
该PVD涂层技术对于建筑涂层而言是公知的。背板的任选功能包括用于能量收集的电传导。这可以通过激光蚀刻已经导电的膜内轨道来获得。在一些示例性涂层中使用的Si3N4层是对碱性离子如Na+的有效屏障。在一些实施例中，膜的导电性质具有良好的静电性能。
3.太阳能电池伪装结构
现在参考图19-24，描述了通过图案化伪装膜、纹理化背板和彩色背板的专用构造来遮挡太阳能电池板的技术。
图19显示了截面侧视图，其示出了太阳能电池1900。图19中显示的太阳能电池1900包括用作光伏材料的硅晶片1906。在硅晶片1906的顶上通常是聚合物前板1904，在聚合物前板1904的顶上通常是玻璃层1902(例如，顶板)。玻璃层1902可以包含非晶二氧化硅。玻璃层1902还可以包含其他透明材料。在一些实施例中，太阳能电池1900被遮蔽，使得观察者发现难以看见太阳能电池1900并且太阳能电池1900混入背景中，或者看起来与周围环境相似。图21B示出了太阳能电池2108，其没有混入周围屋顶瓦2110中(统称为太阳能瓦2106)。朝向每个屋顶瓦2110的中心可观察到太阳能电池2108。太阳能电池可以在硅晶片侧面使用其他光伏材料，并且仍然会受益于本文描述的遮蔽和伪装技术。
本发明公开描述了通过将太阳能电池混入周围环境和/或遮蔽硅晶片不被观察到来视觉遮蔽或伪装太阳能电池的方式。根据一些实施例，一种系统使用伪装太阳能电池的图案化涂层。
A.伪装太阳能电池的图案化涂层
可以通过利用伪装图案将太阳能电池混入其余太阳能瓦中来视觉伪装太阳能电池。该伪装图案包括图案化的薄透明涂层。图案包括具体形状(例如方形、矩形、圆形或任意形状)块。例如，伪装形状可以包括方形，该方形比在观察太阳能电池时所观察到的最浅的颜色还浅。该方形(或其他几何形状)图案可以随机分布在太阳能电池区域周围。在一些实施例中，涂层允许透射大于50％的太阳光谱的光，但是轻度反射(反射太阳光谱的1至20％)。也就是说，涂层反射光伏材料可以吸收的太阳光谱的部分。
可以利用采用Metropolis算法的Ising模型来生成的形状(方形或其他形状)的随机图案。具体地，可以在临界温度附近应用Metropolis动态算法来生成适于遮蔽和伪装太阳能电池的具有良好尺度不变性性能的图像。然而，可以使用其他方法如随机空间过程、高斯随机域(例如利用Hurst频谱分布定律生成的域)或使用天然图案如石块图片来获得小尺度特征和大尺度特征两者，以使得能够遮蔽太阳能电池。图20A显示了利用采用Metropolis算法的Ising模型获得的输出。图20B显示高斯域的一个实施例。这些随机图案具有看起来天然和不重复的优点。任选地，瓦和图案的颜色可随瓦不同而变化，以提供更天然的外观。
可以使用该随机图案来生成具有类似图案的涂层。根据具体参数，例如物体的尺寸和形状，可以得到不同的图案。
涂层自身包括在一些区域(优选太阳能电池总面积的10％-90％)中施加至透明基板的一个或多个材料层，所述透明基板例如为玻璃或聚合物板，例如PET。可以利用PVD或本领域普通技术人员已知的其他技术将材料层沉积到透明基板。PVD或其他技术必须能够形成所需的涂层厚度，并且能够与涂层中的材料相容。例如，可以使用Ti、Zn、Si、Al、Sn、In、Cu、Zr、Nb、或Sb氧化物或氮化物作为基板上形成的一个或多个层。其他层可单独由金属如Nb、Ag、Cu、Fe、Cr、Ni、Al、或Ti构成或由其组合构成。示例性涂层包括在包含Ar和N2的等离子体中反应溅射Si靶在玻璃或PET上施加的50nm Si3N4，例如在PVD中广泛采用的。可以利用掩模(或本领域已知的其他技术)来获得优选的沉积。例如，掩模可以是包含待沉积的具体图案的
Figure GDA0002263300380000101
板。可用于产生沉积图案的其他技术包括照相平版印刷术或印刷技术。例如，可以在玻璃表面印刷具有负片图案的有机物(例如，有机聚合物)。聚合物可以用作用于利用PVD(或其他技术)涂覆的层的掩模。然后可以通过例如在烘箱中烧除材料来除去有机物。在一些实施例中，通过升华印刷或其他油墨印刷技术来实现涂层。
涂层可以为施加至图19的玻璃层1902(正面或背面)或图19的前板层1904(正面或背面)的形式。涂层也可以直接印刷到玻璃或者前板上。或者，涂层可以包含在图19所示硅晶片上方的独立层。
图21A显示根据本发明公开实施例的施加至太阳能电池2102的具有伪装图案的涂层示例。伪装图案遮蔽太阳能电池2102以与周围材料隔开，并且使太阳能瓦2100看起来外观更为均匀(例如，难以观察传统房顶材料2104止于何处和太阳能电池2102始于何处)。图21B示出了没有伪装膜的太阳能电池2108。太阳能电池2108是可见的(朝向每个太阳能瓦2106的中部)。
在一些实施例中，可以使用纹理化基板来进一步增强图案化膜的遮蔽效果。图22A-22D示出了根据本公开某些实施例的形成于纹理化基板上的示例性伪装涂层。该纹理可包括沿某个方向的凸起或凹陷的线、凸起或凹陷的方形图案、卵石纹或其他纹理。
B.具有电池颜色匹配的背板
根据本发明公开的某些实施例，遮蔽太阳能瓦内电池的另一种方式是将背板颜色与光伏电池的硅晶片进行匹配和/或产生纹理化背板。
在一些实施例中，硅晶片表面包括金字塔形貌。图23以一系列电子显微照片的形式示出了硅表面的微结构。当硅(例如Si(111))表面为暴露表面时，可以得到金字塔形貌。如果露出不同的硅表面如Si(110)_或Si(100)表面，则硅表面的形貌可能不同。类似地，如果光伏电池包括另一种半导体如氮化镓、砷化镓、磷化镓或另一种半导体，则形貌可能不同。
根据本发明公开的一些实施例，背板包括纹理化聚合物层，例如PET、聚碳酸酯或其他合适的聚合物。纹理化聚合物层可具有金字塔形貌，其与图23中显示的Si(111)表面中表现出的结构相似。然后可以将涂层施加知纹理化聚合物层的顶部。在一些实施例中，相比电池(或具体而言硅晶片或光伏电池)，涂层具有相似的颜色(或颜色阵列)。聚合物背板顶上的涂层/膜的结果是膜与观察传统电池和硅晶片时观察到的非常复杂的颜色行为相匹配。如果硅的形貌不同，例如，其包含立体特征，则背板可以包括相似的特征(而不是金字塔形特征)。在某些实施例中，背板可以包括不需要为聚合物材料的玻璃或其他透明材料。
可以利用多种技术合成纹理化聚合物(例如PET)背板。例如，可以利用首先产生母模的聚合物注射法来合成纹理化背板。利用该方法产生母模。该母模可以是通过制备金属坯块和随后激光切割(或其他成型方式，例如通过蚀刻)将期望的特征放入至金属坯块中形成的金属母模。例如，金字塔形特征可以被激光切割或其方式成型于金属坯块中。或者，母模可以是通过激光切割或利用其他沉积或蚀刻技术如电成型形成的玻璃母模。也可以根据本领域普通技术人员已知的其他技术来形成母模。所得母模将包含特征的负向压痕，例如在所得膜中的金字塔形特征将呈现为母模中金字塔形凹坑。
根据某些实施例，可以用正向和负向压痕两者产生模具“母体”以使得能够进一步产生将用于产生纹理化聚合物背板的额外母模。也就是说，可以使用包含特征负向压痕的“母体”模具来产生具有待形成于纹理化聚合物背板中的特征正向压痕的一个或多个“其他母体”。可以使用具有正向压痕的一个或多个“其他母体”模具来产生随后用于形成纹理化聚合物背板的一个或多个负向母模。在某些情况下，期望的是产生“母体”和“其他母体”，因为其使得能够产生用于形成纹理化聚合物背板的其他母模，这在母模丢失或特征因使用变差的情况下可能是必要的。在增加产量时也必须产生额外的母模。
在已经产生母模之后，其可以用于形成纹理化聚合物背板。例如，可以使用母模作为聚合物注塑法的一部分来形成纹理化背板。可以将母模插入外壳(例如模具)中，并且将熔体聚合物(或其他物料)倾入模具中并使其干燥。纹理化背板将具有正向特征如金字塔形特征，与图23中显示的硅相似。可以对纹理化聚合物背板的进行质量标准测试。
在一些实施例中，可以使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)软光刻技术来产生母模和纹理化聚合物背板。可以使用其他制造技术来产生母模和纹理化聚合物背板。在一些实施例中，所得纹理化聚合物背板包含期望的表面特征(例如，与玻璃表面的表面形貌匹配的表面特征)。在一些实施例中，使用玻璃(二氧化硅或另一种透明材料)代替聚合物(例如PET)背板作为背板基板。
可以给背板基板(纹理化的或其他基板)涂覆一个或多个层以产生有助于在视觉上遮蔽电池(具体为光伏电池的硅晶片(或由其他半导体材料形成的晶片))的特定颜色配置。背板基板的顶上或底部的涂层可以由一个或多个层构成。不需要涂覆背板基板的整个表面。任选地，涂覆背板基板整个表面区域的10％-90％。可以利用本领域普通技术人员已知的PVD或另一种技术来形成涂层。PVD或其他技术形成所需的涂层厚度，并且可与涂层中的材料相容。例如，可以使用Ti、Zn、Si、Al、Sn、In、Cu、Zr、Nb、Sb氧化物或氮化物作为形成于背板基板上的一个或多个层。其他层可以单独包含金属如Nb、Ag、Cu、Fe、Cr、Ni、Al、Ti或其组合。例如，图24示出了根据某些实施例的涂层2400(TiO2)、2402(Al)、和2404(TiO2)。TiO2/Al/TiO2层(厚度在图24中显示，具体为100nm/4nm/5nm)产生紫色样颜色。在一些实施例中，涂层包括基板上的Si层和Si层上的氧化铟锡(ITO)层(例如基板/Si/ITO)或Si层上的Si3N4层(例如基板/Si/Si3N4)。任选地，使整个背板纹理化。在一些实施例中，使用纹理化背板来模拟实际晶片(例如以用作与实际晶片具有相同颜色的仿制晶片)。涂层可以包含硅酮基涂层或溶剂基油墨体系。
可以将图案涂层、纹理化基板上的图案涂层、纹理化背板或涂覆背板全部一起使用来帮助视觉遮蔽太阳能电池并使其混入其环境(例如太阳能瓦的其余部分)中，从而遮蔽或伪装太阳能电池。
前述公开内容无意于将本发明公开限制于所公开用途的确切形式或特定领域。因此，设想的是，参考本发明，对本发明公开的各种替代实施例和/或修改方案(无论在本文是否具体描述或暗示)也是可能的。利用由此描述的本发明公开实施例，本领域的普通技术人员会认识到，在不脱离本发明公开范围的情况下可以在形式上和细节方面进行变化。因而，本发明公开仅受权利要求限制。
在前述说明中，已经参考具体实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员将会理解的，在不脱离本发明公开精神和范围的情况下，可以修改本文公开的实施例或以各种其他方式实施本文公开的实施例。相应地，本说明书应被视为举例说明性的，并且处于教导本领域普通技术人员的目的，其为制造和使用所公开系统、方法和计算机程序产品的各个实施例的方式。应当理解，本文显示和描述的公开形式应被考虑为代表性实施例。可以用等同要素、材料、工艺或步骤代替本文代表性示出和描述的那些。而且，如本领域普通技术人员在已经受益于本发明公开说明之后所全部明显的是，可以独立于所使用的其他特征来使用本发明公开的某些特征。
如本文所用的，术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或其任何上下文变体意在涵盖非排他性的包含。例如，包括要素列表的工艺、产品、制品或装置不一定仅限于这些要素，而是可以包括未明确列出或这些工艺、产品、制品或装置所固有的其他要素。进一步地，除非另有明确的相反说明，“或”是指包含性的“或”，而不是排他性的“或”。例如，条件“A或B”满足以下条件中的任一种：A为实(或存在)且B为虚(或不存在)、A为虚(或不存在)且B为实(或存在)以及A和B均为实(或存在)。
尽管可以以具体顺序列出步骤、操作或计算，但是在不同的实施例中该顺序可以变化。在一些实施例中，就本说明书中按顺序显示的多个步骤而言，可以同时实施替代实施例中的这些步骤的一些组合。本文描述的操作序列可以中断、暂停、反转或由另一工艺来控制。
还应理解，附图/图中描述的一个或多个要素也可以以更为分离或一体化的方式实施，或者甚至在某些情况下移除或变为不可操作，如可根据特定应用使用的。另外，附图/图中的任何指示箭头都应被仅视为示例性的，而非限制性的，除非另有具体说明。

Claims (8)

1.一种太阳能电池板，其特征在于，包括：
背板层；
邻近所述背板层的底部封装层；
邻近所述底部封装层的多个光伏电池；
邻近所述多个光伏电池的顶部封装层，顶部封装层具有在顶部封装层中构造的多个百叶窗以阻挡侧面观察所述多个光伏电池；和
盖设于所述顶部封装层的顶部层，其中所述顶部层表面包括锯齿状图案，所述锯齿状图案包括具有垂直齿表面和倾斜齿表面的多个齿，其中所述垂直齿表面阻挡从侧面角度观察所述光伏电池板。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中所述多个百叶窗分布于所述顶部封装层。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池板，其中所述多个百叶窗包括跨所述顶部封装层的不同入射角。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池板，其中所述多个百叶窗的第一组具有第一入射角，所述多个百叶窗的第二组具有与所述第一入射角不同的第二入射角。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能电池板，其中所述多个百叶窗包括设计颜色，所述设计颜色使得所述太阳能电池板在从侧面角度观察时具有所述设计颜色的外观。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池板，其中：
所述太阳能电池板在从所述侧面角度观察时具有所述设计颜色；和
所述太阳能电池板在从除所述侧面角度之外的角度观察时具有不同的颜色。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中所述垂直齿表面基本上垂直于所述太阳能电池板，所述倾斜齿表面形成为呈垂直于所述太阳能电池板和平行于所述太阳能电池之间的角度。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池板，其中所述垂直齿表面基本上是不透明的并且所述倾斜齿表面基本上是透明的，使得所述顶部层在从大致垂直于所述太阳能电池板的角度观察时基本上是透明的，并且在从所述侧面角度观察时基本上是不透明的。
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