CN110767762A - 太阳能电池前板膜及其制作方法、太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池前板膜，包括依次设置的表层、粘接层、阻挡层和底层；所述底层朝向所述阻挡层的一面具有纳米结构阵列；在沿所述阻挡层到所述底层的方向上，所述纳米结构阵列中的纳米结构的截面积逐渐变化。本发明提出的太阳能电池前板膜及其制作方法、太阳能电池，能在一定程度上提高光透过性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，特别是指一种太阳能电池前板膜及其制作方法、太阳能电池。
背景技术
柔性薄膜太阳能电池是指以柔性材料，如不锈钢、聚合物等为衬底材料的薄膜太阳能电池。柔性薄膜太阳能电池具有重量轻、厚度薄、可弯曲等特点，可广泛应用于便携装备、移动能源，还可以直接粘贴在物体表面，应用于建筑屋顶、墙面等。
柔性薄膜太阳能电池组件从上到下可分为三大部分，分别为电池前板膜、电池功能层、电池背板。电池组件通常应用于户外环境中，经受风吹、日晒、雨淋、灰尘、磨损等考验，因此对其前板膜，也就是受光面的性能要求很高，需要具有高透光性、阻水性、抗UV性和一定的机械强度。目前常用的前板膜的表层的主要作用为增强、耐候、抗UV、防潮、低介电常数、高击穿电压等；前板膜的具有阻挡层的底层的主要作用为阻水、隔氧，其中的阻挡层通常为无机物涂层，厚度通常为10～500nm；表层和底层之间由压敏粘合胶进行粘连。
柔性薄膜电池的前板膜是太阳光进入电池功能层之前的一道屏障，因此需要其具有较高的透光性，以尽可能的降低光损耗，提高光利用效率，目前主流市场上的前板膜的透光率最高为90％左右。然而为了实现阻水、耐候、抗UV、防击穿、抗机械损伤等多种功能，前板膜必须采用复合多层膜结构，要实现阻水、隔氧功能，需要具备一定厚度，然而过厚的阻挡层会对光透过率产生较大损失；不仅每层膜本身存在光吸收，多层膜的界面之间的材料折射率差导致的光反射更成为主要的光损耗机制，对其整体的透光性提出较大考验。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的之一在于，提出一种太阳能电池前板膜及其制作方法、太阳能电池，能在一定程度上提高光透过性。
基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提供了一种太阳能电池前板膜，包括依次设置的表层、粘接层、阻挡层和底层；所述底层朝向所述阻挡层的一面具有纳米结构阵列；在沿所述阻挡层到所述底层的方向上，所述纳米结构阵列中的纳米结构的截面积逐渐变化。
可选的，所述底层朝向所述阻挡层的表面上具有凸出部和/或凹陷部，所述凸出部和/或凹陷部形成所述纳米结构。
可选的，所述纳米结构的形状为椎体、锥台、部分球体或部分椭球。
可选的，所述椎体为圆椎或棱锥，和/或，所述锥台为圆锥台或棱锥台。
可选的，所述纳米结构包括凸出部时，所述凸出部的高度为30～50nm；或，所述纳米结构包括凹陷部时，所述凹陷部的深度为30～50nm。
可选的，所述纳米结构的间距为80～120nm。
可选的，所述阻挡层的厚度为30～100nm。
可选的，所述阻挡层的折射率大于所述底层的折射率。
可选的，所述底层的制作材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯，所述阻挡层的制作材料为氧化铝、氧化钛或氮化钛，所述粘接层的制作材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性聚烯烃或乙烯-辛烯共聚物，所述表层的制作材料为乙烯-四氟乙烯共聚物。
本发明实施例的第二个方面，提供了一种太阳能电池，包括如前任一项所述的太阳能电池前板膜。
本发明实施例的第三个方面，提供了一种太阳能电池前板膜制作方法，包括：
在基材上形成纳米结构阵列，得到太阳能电池前板膜的底层；
在所述底层的形成有所述纳米结构阵列的一面上形成阻挡层；
在所述阻挡层上依次布设粘接层和表层；
层压形成所述太阳能电池前板膜；
其中，在沿所述阻挡层到所述底层的方向上，所述纳米结构阵列中的纳米结构的截面积逐渐变化。
可选的，在基材上形成纳米结构阵列，得到太阳能电池前板膜的底层，包括：
获取具有纳米图形阵列的模板，所述纳米图形阵列与所述纳米结构阵列的图形相反；
加热所述基材；
将所述模板与所述基材接触，加压使所述基材充满所述模板的纳米图形阵列；
降温使所述基材固化成型；
将所述模板取出，得到所述太阳能电池前板膜的底层。
从上面所述可以看出，本发明实施例提供的太阳能电池前板膜及其制作方法、太阳能电池，通过在底层表面利用纳米制备技术制备一层三维纳米结构阵列层，然后在纳米结构表面制备一层阻挡层，使阻挡层嵌入到底层表面的纳米结构之中，在底层和阻挡层之间形成一个底层/阻挡层的过渡层，该过渡层与现有的底层和阻挡层之间的平面式界面相比，利用材料占比的渐变形成渐变折射率，因此减小材料折射率突变引起的光反射，提高前板膜的光透过性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的太阳能电池前板膜的结构示意图；
图2a为本发明实施例示出的底层和阻挡层的占比沿着纳米结构阵列厚度方向的变化示意图；
图2b为本发明实施例示出的阻挡层、纳米结构阵列层和底层的折射率沿厚度方向的变化示意图；
图3为本发明实施例提供的太阳能电池的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的太阳能电池前板膜制作方法的流程示意图；
图5a为本发明实施例中准备利用模板在基材上形成纳米结构阵列的状态示意图；
图5b为本发明实施例中模板压入基材后的状态示意图；
图5c为本发明实施例中取出模板后形成的底层的示意图；
图5d为本发明实施例中在底层上形成阻挡层后的示意图；
图5e为本发明实施例中准备布设表层和粘接层的示意图；
图5f为本发明实施例中层压形成的太阳能电池前板膜的示意图；
图6为本发明实施例提供的太阳能电池前板膜制作方法中形成太阳能电池前板膜的底层的流程示意图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明实施例的第一个方面，提供了一种太阳能电池前板膜，能在一定程度上提高光透过性。如图1所示，为本发明实施例提供的太阳能电池前板膜的结构示意图。
所述太阳能电池前板膜，包括依次设置的表层14、粘接层13、阻挡层12和底层11；所述底层11朝向所述阻挡层12的一面具有纳米结构阵列；在沿所述阻挡层12到所述底层11的方向上，所述纳米结构阵列中的纳米结构的截面积逐渐变化。例如，沿所述阻挡层12到所述底层11的方向上，所述纳米结构截面积逐渐减小，或者，所述纳米结构的截面积逐渐增大。
可选的，所述底层11朝向所述阻挡层12的表面上具有凸出部或凹陷部，或者同时形成有凸出部和凹陷部；所述凸出部和/或凹陷部形成所述纳米结构。其中，所述凸出部可以采用纳米点的形式，所述凹陷部可以采用纳米孔的形式。
可选的，当所述纳米结构阵列包括所述凹陷部时，在沿所述阻挡层12到所述底层11的方向上，所述凹陷部的截面积逐渐减小；当所述纳米结构阵列包括凸出部时，在沿所述阻挡层12到所述底层11的方向上，所述凸出部的截面积逐渐增大。需要说明的是，图1中以由凹陷部构成纳米结构阵列为例示出了所述太阳能电池前板膜的结构，但是可以知道，当设计为由凸出部或者凸出部和凹陷部构成纳米结构阵列时，效果是基本一致的。
下面具体分析利用纳米结构减小材料界面光反射的原理。
假设底层材料的折射率为n1＝1.65，阻挡层材料的折射率为n2＝2.0，对于传统型前板膜，二者的折射率不同导致在底层和阻挡层的界面处存在折射率突变，产生光的反射损失。
图2a所示为本发明实施例示出的底层和阻挡层的占比沿着纳米结构阵列厚度方向的变化示意图；图2b所示为本发明实施例示出的阻挡层、纳米结构阵列层和底层的折射率沿厚度方向的变化示意图。
当底层11的表面有一层纳米孔阵列结构时，假设底层为无数个平面自下而上堆叠而成的结构，定义在某个厚度d的平面内底层材料与阻挡层材料的材料占比为材料所占面积占总面积的比值，那么自纳米孔的孔底到孔顶，底层材料的占比f1随着纳米孔截面积的增大而逐渐减小，其分布规律与纳米孔形状有关，孔底以下和孔顶以上的占比分别为1和0。孔阵列中沉积了阻挡层以后，阻挡层材料的占比分布与底层材料的关系是f2＝1-f1，如图2a所示。
由于纳米结构阵列层是非均匀材料，其折射率由两种材料的折射率n1、n2和两种材料的占比f1、f2决定，可以用等效折射率neff来表示，neff沿厚度方向的变化与f1和f2的分布存在关系neff＝f(f1,f2)，且neff(f1＝1)＝n1，neff(f1＝0)＝n2。图2(b)所示为一种渐变结构neff的示例。由此可见，与传统底层与阻挡层界面的折射率突变不同，本发明实施例中所述前板膜在底层和阻挡层之间存在一纳米孔层，其等效折射率neff在n1和n2之间产生渐变，使得光反射与折射率突变型界面相比大大降低，从而增加了前板膜的整体光透过性。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的太阳能电池前板膜，通过在底层表面利用纳米制备技术制备一层三维纳米结构阵列层，然后在纳米结构表面制备一层阻挡层，使阻挡层嵌入到底层表面的纳米结构之中，在底层和阻挡层之间形成一个底层/阻挡层的过渡层，该过渡层与现有的底层和阻挡层之间的平面式界面相比，利用材料占比的渐变形成渐变折射率，因此减小材料折射率突变引起的光反射，提高前板膜的光透过性。
作为本发明的一个实施例，所述纳米结构阵列中的纳米结构的形状为椎体、锥台、部分球体或部分椭球。
作为本发明的一个实施例，所述椎体为圆椎或棱锥，和/或，所述锥台为圆锥台或棱锥台。
作为本发明的一个实施例，所述阻挡层12的折射率大于所述底层11的折射率，以实现二者之间过渡层的渐变折射率。
作为本发明的一个实施例，所述阻挡层12的厚度需满足能够覆盖所述纳米结构阵列。
作为本发明的一个实施例，所述纳米结构阵列中凹陷部的深度为30～50nm，所述凹陷部的间距为80～120nm，所述阻挡层12的厚度为30～100nm。可选的，当所述凹陷部为圆锥或圆锥台时，所述凹陷部的直径为30～60nm。
作为本发明的一个实施例，所述纳米结构阵列中凸出部的高度为30～50nm，所述凸出部的间距为80～120nm，所述阻挡层12的厚度为30～100nm，从而实现较好的透光效果。可选的，当所述凸出部为圆锥或圆锥台时，所述凸出部的直径为30～60nm。
还可以通过进一步优化所述纳米结构的形状、高度、间隔和周期来达到最好的透光效果。
作为本发明的一个实施例，所述底层11的制作材料为树脂，所述阻挡层12的制作材料为无机物，所述粘接层13的制作材料为压敏粘合胶，所述表层14的制作材料为含氟聚合物。
可选的，所述阻挡层12还可以用其他材质代替，例如无机物复合材质、有机物、有机-无机复合材质等。
作为本发明的一个实施例，所述底层11的制作材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，所述阻挡层12的制作材料为氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)或氮化钛(TiN)，所述粘接层13的制作材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、热塑性聚烯烃(TPO)或乙烯-辛烯共聚物(DNP)，所述表层14的制作材料为乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)，从而实现较好的透光效果。
本发明实施例的第二个方面，提供了一种太阳能电池，能在一定程度上提高光透过性。如图2所示，为本发明实施例提供的太阳能电池的结构示意图。所述太阳能电池，包括所述太阳能电池前板膜的任意实施例及其实施例的任意组合。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的太阳能电池，通过在前板膜的底层表面利用纳米制备技术制备一层三维纳米结构阵列层，然后在纳米结构表面制备一层阻挡层，使阻挡层嵌入到底层表面的纳米结构之中，在底层和阻挡层之间形成一个底层/阻挡层的过渡层，该过渡层与现有的底层和阻挡层之间的平面式界面相比，利用材料占比的渐变形成渐变折射率，因此减小材料折射率突变引起的光反射，提高前板膜的光透过性。
作为本发明的一个实施例，所述太阳能电池从上到下可分为三大部分，如图3所示，分别为太阳能电池前板膜10、太阳能电池功能层20(其中包括太阳能组件21和边封(Edge Seal)22)、太阳能电池背板30。其中，太阳能电池前板膜10的表层14为透明含氟的聚合物，主要作用为增强、耐候、抗UV、防潮、低介电常数、高击穿电压等；太阳能电池前板膜10的底层11为表面带有阻挡层12的PET或PEN等树脂，主要作用为阻水、隔氧；表层14和底层13之间由粘接层13进行粘连，阻挡层12通常为无机物涂层，无机物可以为Al2O3、TiN、TiO2等，厚度可为10～500nm。此外，所述太阳能电池前板膜10的边缘还设置有用于遮光的黑胶带(Black Tape)15。
本发明实施例的第三个方面，提供了一种太阳能电池前板膜制作方法，能在一定程度上提高光透过性。如图4所示，为本发明实施例提供的太阳能电池前板膜制作方法的流程示意图。
所述太阳能电池前板膜制作方法，包括：
步骤501：在基材11’上形成纳米结构阵列，得到太阳能电池前板膜的底层11(如图5c所示)；
可选的，在形成纳米结构阵列之前，还可以对基材11’进行预处理，例如清洗；所述基材11’可选为PET材料，所述清洗可采用等离子体(plasma)清洗；可选的，在基材11’上形成纳米结构阵列可采用热压印法；所述纳米孔的尺寸可以是，深度为30-50nm，孔直径为30-60nm，孔间距为80-120nm。
步骤502：在所述底层11的形成有所述纳米结构阵列的一面上形成阻挡层12(如图5d所示)；
可选的，通过ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)工艺在所述底层11的表面沉积一层Al2O3层，沉积温度50-150℃，压力为10毫托-100托，沉积厚度为30-100nm，沉积厚度大于纳米孔深度，使得Al2O3层完全覆盖住纳米孔。
步骤503：在所述阻挡层12上依次布设粘接层13和表层14(如图5e所示)。
步骤504：将所述表层14、粘接层13、阻挡层12和底层11，层压形成所述太阳能电池前板膜(如图5f所示)；
其中，在沿所述阻挡层12到所述底层11的方向上，所述纳米结构阵列中的纳米结构的截面积逐渐变化。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的太阳能电池前板膜制作方法，通过在底层表面利用纳米制备技术制备一层三维纳米结构阵列，然后在纳米结构表面制备一层阻挡层，使阻挡层嵌入到PET表面的纳米结构之中，使阻挡层覆盖住纳米结构阵列，从而在底层和阻挡层之间形成一个过渡层，再与粘接层和表层一起进行层压，得到太阳能电池前板；该太阳能电池前板中的过渡层与现有的底层和阻挡层之间的平面式界面相比，利用材料占比的渐变形成渐变折射率，因此减小材料折射率突变引起的光反射，提高前板膜的光透过性。
作为本发明的一个实施例，如图6所示，在基材11’上形成纳米结构阵列，得到太阳能电池前板膜的底层11，具体包括：
步骤601：获取具有纳米图形阵列的模板40，所述纳米图形阵列与所述纳米结构阵列的图形相反(如图5a所示)；
步骤602：加热所述基材11’；可选的，可将所述基材11’放在加热装置中，加热到100-150℃，以使基材11’的材料具有一定流动性；
步骤603：将所述模板40与所述基材11’接触，加压使所述基材11’充满所述模板40的纳米图形阵列(如图5b所示)；
步骤604：降温(例如降至80℃以下)使所述基材11’固化成型；
步骤605：将所述模板40取出，得到所述太阳能电池前板膜的底层11(如图5c所示)。
通过上述方法，得到相应的纳米结构阵列，实现所述过渡层的效果。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种太阳能电池前板膜，其特征在于，包括依次设置的表层(14)、粘接层(13)、阻挡层(12)和底层(11)；所述底层(11)朝向所述阻挡层(12)的表面具有纳米结构阵列；在沿所述阻挡层(12)到所述底层(11)的方向上，所述纳米结构阵列中的纳米结构的截面积逐渐变化。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述底层(11)朝向所述阻挡层(12)的表面上具有凸出部和/或凹陷部，所述凸出部和/或凹陷部形成所述纳米结构。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述纳米结构的形状为椎体、锥台、部分球体或部分椭球。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述椎体为圆椎或棱锥，和/或，所述锥台为圆锥台或棱锥台。
5.根据权利要求2所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述纳米结构包括凸出部时，所述凸出部的高度为30～50nm；或，所述纳米结构包括凹陷部时，所述凹陷部的深度为30～50nm。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述纳米结构的间距为80～120nm。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述阻挡层(12)的厚度为30～100nm。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述阻挡层(12)的折射率大于所述底层(11)的折射率。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池前板膜，其特征在于，所述底层(11)的制作材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯，所述阻挡层(12)的制作材料为氧化铝、氧化钛或氮化钛，所述粘接层(13)的制作材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性聚烯烃或乙烯-辛烯共聚物，所述表层(14)的制作材料为乙烯-四氟乙烯共聚物。
10.一种太阳能电池，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的太阳能电池前板膜。
11.一种太阳能电池前板膜制作方法，其特征在于，包括：
在基材(11’)上形成纳米结构阵列，得到太阳能电池前板膜的底层(11)；
在所述底层(11)的形成有所述纳米结构阵列的一面上形成阻挡层(12)；
在所述阻挡层(12)上依次布设粘接层(13)和表层(14)；
层压形成所述太阳能电池前板膜；
其中，在沿所述阻挡层(12)到所述底层(11)的方向上，所述纳米结构阵列中的纳米结构的截面积逐渐变化。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在基材(11’)上形成纳米结构阵列，得到太阳能电池前板膜的底层(11)，包括：
获取具有纳米图形阵列的模板(40)，所述纳米图形阵列与所述纳米结构阵列的图形相反；
加热所述基材(11’)；
将所述模板(40)与所述基材(11’)接触，加压使所述基材(11’)充满所述模板(40)的纳米图形阵列；
降温使所述基材(11’)固化成型；
将所述模板(40)取出，得到所述太阳能电池前板膜的底层(11)。
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