CN111146301A - 一种光伏建材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏建材及其制备方法。所述光伏建材由上到下依次包括基材、太阳电池层、瓷釉保护层；所述基材包括玻璃、金属板、水泥基板材、柔性塑料薄膜、瓷砖、聚氟乙烯复合膜和瓦片中的一种；所述瓷釉保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率不小于40％，且莫氏硬度不小于4H，吸水率不大于0.5％。光伏建材的制备方法，包括如下的步骤：1)将太阳电池层附着到基材之上，并引出正负极，或者直接在基材上制备太阳电池层，并引出正负极；2)涂覆室温下为液态的瓷釉凃层材料，经过室温固化后，形成坚固的瓷釉保护层。本发明将传统建筑材料赋予发电功能，同时不改变传统建筑体的外观和艺术特性，使光伏电池与建筑相融合，达到绿色建筑、环保建筑的要求。
Description
技术领域
本发明属于光伏建筑领域，具体涉及一种光伏建材及其制备方法。
背景技术
随着社会的不断发展，人类对能源的需求也不断递增，而全球化石燃料逐渐枯竭，环境污染日益严重。发展清洁可再生能源已经成为人类社会的共识。太阳能作为一种清洁能源，其开采利用受到世界各国的重视，如何高效的采集和利用太阳能对于环境的保护有着相当深远的意义。
近年来，随着国家和公民环保意识的增强，光伏行业的快速发展，光伏发电被广泛应用于日常生活和生产当中，目前光伏行业正向产品的多元化发展，尤其是在建筑领域，对于环保和节能的要求越来越高，将光伏组件应用于建筑领域是未来的一种趋势，同时，光伏建材也是世界光伏发电应用领域重要的市场之一。
中国实用新型专利CN203462921U公开了一种光伏建材，所述光伏建材包括由上至下的建材本体、第一绝缘阻隔层、太阳能电池组件、第二绝缘阻隔层和前膜层；所述第一绝缘阻隔层、太阳能电池组件、第二绝缘阻隔层和前膜层小于建材本体的面积，所述第一绝缘阻隔层、太阳能电池组件、第二绝缘阻隔层和前膜层通过边缘密封材料与与建材本体的上表面密封。将建材与光伏发电功能合二为一。
中国发明型专利CN108022989A公开了一种晶硅太阳能电池柔性芯板、双面玻璃光伏建材构件及其制备方法。柔性芯板由树脂基复合薄膜材料、EVA、太阳能电池串加热层压封装而成，光伏建材构件由上保护层玻璃、聚乙烯醇缩丁醛、上述柔性芯板、聚乙烯醇缩丁醛、下保护层玻璃通过高压釜热压而成。本发明的晶硅太阳能电池柔性芯板能与上下玻璃构成一个整体，具备发电效率高、长期可靠性高、寿命长、安全性能高的特点，既有玻璃幕墙隔热、保温、隔音、防紫外线、防碎落的优势，又可以发挥晶硅太阳能高转换效率，高稳定性的采光发电性能，同时制造过程可以实现美观的弧度与单块大尺寸构件化，特别适合复杂曲面的幕墙、采光顶、农业大棚、阳光房、停车棚、候车厅等建筑使用。
但是，受限于现有技术工艺的限制，太阳电池并不能同其安装的建筑环境进行适宜的融合，一方面，太阳电池的安装往往会改变或增添原有建筑的外部结构或附加设施；另一方面，本身的安装也会影响建筑体本身的艺术价值和人文美观。
中国实用新型专利CN2730982Y公开了一种太阳能瓷砖，其技术方案为在陶瓷工业用无机坯土的表面，涂布玻璃质涂料剂，烧结形成瓷砖的基底；在上述瓷砖基底的表面设计有能进行光电转换的发电层；在上述发电层的上下表面设计有透明导电膜；通过上面所述的透明导电膜，可将在上述发电层上产生的电流加以利用的供电部件。其发电层为具有n型硅层-i型硅层-p型硅层结构或p型硅层-i型硅层-n型硅层结构的硅层；其玻璃质涂料剂可以是磷·硅酸盐玻璃或硼·硅酸盐玻璃，且为了防止太阳光的反射，在上述透明导电膜的上面形成含有氧化钛和氧化硅的防反射保护膜。
然而，上述的太阳能瓷砖存在如下的缺陷：1.由于硅基太阳电池容易受到环境的影响，一般在光伏领域，需要选取特殊的高分子材料进行封装后才能在户外进行使用，而该瓷砖的透明导电膜外加防反射保护膜很难起到保护电池的作用，达不到光伏行业相关标准；2.上述的表面抗反射保护膜是一种透明材料，因此绝大部分光线将直接入射到电池表面，反射出来的颜色将是电池本身的色彩，单一且无法形成建筑外表的质感。
中国发明专利CN101755343A公开了一种用于制备含有光伏电池的瓷砖的方法，所述方法依次包括以下步骤：
制备陶瓷基体(2)，所述陶瓷基体具有一个或多个通孔(2c)并且吸水性等于或小于 0.5wt％，该步骤包括：
压制操作，其中在35到60MPa之间的压力下对湿度在3wt％到6wt％之间的雾化陶瓷粉实施压制操作，
干燥操作，以及烘焙操作，进行所述烘焙操作的最大温度在1100℃到1250℃之间；以及在所述陶瓷基体(2)的表面(2a)上直接沉积由Ag或Ag-Al制成的导电层(6)，多个活性层(7)，具有栅格状结构的导电材料层(9)，以及保护层(10)，所述保护层(10) 被设计成确保太阳辐射的高透射性、抗湿性和耐候性、紫外线稳定性、以及电绝缘性，所述多个活性层(7)依次包括n型层(11)、光敏层(12)和p型层(13)；将导电连接件(5)容置在所述通孔(2c)中，使所述导电连接件(5)与所述导电层(6)电接触；以及在所述陶瓷基体(2)的与所述表面(2a)相对的表面(2b)。其接受太阳光入射一侧的保护层包括以下材料之一：搪瓷、聚碳酸酯、氟化聚合物、聚三氟氯乙烯、以及聚甲基丙烯酸甲酯和聚氟乙烯的组合。其保护层存在如下的缺陷：
1)所述的光伏电池需要采用CVD法，优选等离子增强CVD法(PECVD)沉积到陶瓷基体之上，而性能较优的光伏电池往往需要较高的成膜条件，对于陶瓷基体材料显然很难直接在真空条件下成膜，尽管其含水量不大于0.5wt％，也会成为制备高性能光伏电池的关键障碍；
2)所述的保护层选用搪瓷时，由于搪瓷的烧成温度为500-900摄氏度，即使选择较低的温度在表面形成一个透明的搪瓷层，其也会对发电层造成不可逆转的损坏。
3)在形成的保护层较薄时，电极层的颜色也会暴露出来，这使得光伏电池和周围环境极为不配合，进而限制了其使用环境。而其他有机高分子材料则在长时间的户外环境中容易老化，导致其光线透过率、防水性能下降，严重影响其发电效率，甚至存在脱落建筑表面的风险，从而导致电极层底色露出。
发明内容
本发明的目的提供一种光伏建材，将传统建筑材料赋予发电功能，同时不改变传统建筑体的外观和艺术特性，使光伏电池与建筑相融合，达到绿色建筑、环保建筑的要求。
本发明的具体技术方案如下：
本发明提供了一种光伏建材，所述光伏建材由上到下依次包括基材、太阳电池层、瓷釉保护层；
所述基材包括玻璃、金属板、水泥基板材、柔性塑料薄膜、瓷砖、聚氟乙烯复合膜(TPT)和瓦片中的一种；
所述瓷釉保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率不小于40％，且莫氏硬度不小于4H，吸水率不大于0.5％。
作为优选地，所述的瓷釉保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率在40％～100％，且莫氏硬度为4H～10H，吸水率在0～0.5％。进一步优选，所述的瓷釉保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率为70％～100％，且莫氏硬度为4H～6H，吸水率为0～0.1％，耐老化性能达3000小时以上。
作为优选地，所述的瓷釉保护层为无色或有色的玻璃态薄层。
作为优选地，所述基材具有0.01mm～5cm的厚度，进一步优选，所述基材的厚度为2mm～3cm。
作为优选地，所述太阳电池层具有铜铟镓硒薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池、晶体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、有机太阳电池、铜锌锡硫薄膜太阳电池或钙钛矿薄膜太阳电池的结构。进一步优选，所述太阳电池层具有铜铟镓硒薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池、晶体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池的结构。
所述的瓷釉保护层在300～1300nm上的加权平均透过率大于等于40％，本领域技术人员可以根据需要对此进行进一步的改进，如通过在制备保护层的原料内添加或者掺杂特定的组分，从而使得其在特定的波长具有吸收或者保持高的透过率，使其在可见光波长范围内，达到透明或者半透明的特性，或者具有指定透过率(如50％) 的特点，更加具体的波长范围可以选择300-360，360-400，400-500，500-600，600-700， 700-760，760-860，860-1300nm，并通过改变原料成分使得保护层形成不同的颜色。
作为优选地，所述的瓷釉保护层的厚度为0.01～5mm，进一步优选，所述的瓷釉保护层厚度为0.1～3mm。
本发明提供了一种制备光伏建材的方法，包括如下的步骤：
1)将太阳电池附着到基材之上，并引出正负极，或者直接在基材上制备太阳电池层，并引出正负极；
2)涂覆室温下为液态的瓷釉凃层材料，经过室温固化后，形成坚固的瓷釉保护层。
作为优选地，步骤1)中将太阳电池附着到基材之上，还包括在基材表面或太阳电池背面涂覆一层硅胶。
作为优选地，步骤1)所述直接在基材上制备太阳电池层前需经抛光和清洁处理，处理后的基底表面粗糙度小于100nm，接触角为5～15°，且含水率为0。
作为优选地，步骤2)中还包括在太阳电池层表面涂覆一层硅胶。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)将传统建筑材料赋予发电功能，同时不改变传统建筑体的外观和艺术特性，使光伏电池与建筑相融合，达到绿色建筑、环保建筑的要求。
2)在太阳电池附着于建筑基材之上，然后在太阳电池入光面涂覆一层液态瓷釉涂层(颜色可调)，瓷釉涂层可在常温下直接固化，形成一层既透光又密封的保护层。在不改变现有建筑材料外观和特性的前提下，赋予一项新的功能，让其具备绿色节能的标准。
3)让太阳能发电系统与建筑施工同步进行，节省了施工成本和建设时间，同时也让建筑师拥有更多的选择余地，产生更多的设计元素。
附图说明
图1为本发明的光伏建材剖面结构图。
附图标记
1为基材、2为太阳电池层、3为瓷釉保护层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
所述的基材可以选择玻璃、瓷砖、水泥基材、金属板、塑料膜、TPT、瓦片等材料。
所述的太阳电池可以为多种薄膜太阳电池，其具体可以为具有CIGS薄膜太阳电池、GaAs薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、CdTe薄膜太阳电池、OPV薄膜太阳电池、CZTS薄膜太阳电池或钙钛矿薄膜太阳电池的结构。
所述的瓷釉保护层最好为厚度为0.01～5mm的无色或有色的玻璃态薄层，较厚的薄膜会带来较好的保护效果，显然也会使的太阳电池获得更好的保护。
所述的瓷釉保护层可以为釉质膜，可以为太阳电池设计光泽釉、半光泽釉、无光釉和碎纹釉，并且可以根据需要为釉质膜设计不同的颜色。按照本领域的通常做法，保护层应当尽量透明以使得太阳光可以最大的通过，而本发明中通过引入釉质层，并且可以对釉质层选择性的着色，从而使得太阳电池可以融入周围的环境，从而拓宽了太阳电池的应用。
本发明所选用的釉质膜最好是无机硅酸盐材料或无机有机复合材料，其组成包括O、Na、Ga、Mg、S、Si、Al、Ca、Co、K、Zr、Ba、P和B等元素中的多种，其形成可以是通过将含有这些元素的原料(如氧化物或者相应的盐，如硅酸钠、氢氧化镁、碳酸钾)在低温下反应形成釉料。
以釉料0.05MgSO4·0.05CaO·0.15ZrO·0.70Na2SiO3·0.05Al2(SO4)3的制备为例，按照上述釉料的原料成分配比准确称量各种原料，加入30-35wt％重量份的水，进行球磨，球磨时间36～40h，球磨至釉料细度250目筛余0.015％以内，即得合格釉料研磨料。
所述的原料还可以选择硅钛酸钠、石英砂、长石粉、碳酸钠、硝酸钠3.7～4.0 份、冰晶石、二氧化锆、磷酸铝、硝酸钴、硝酸镍、氧化锌、碳酸钡等原料作为不同氧化物的来源。
所述的研磨料在高温下(如800-850摄氏度)烧结，并且经淬冷和粉碎得到搪瓷釉料，该釉料可以经球磨得到较细的颗粒，从而使得其可以适用于喷墨打印或者直接喷涂。
其他可以用的釉料的组分还可以为 0.06MgSO4·0.10CaO·0.12ZrO·0.64Na2SiO3·0.05Al2(SO4)3·0.03Co2O3,或 0.06BaSO4·0.11CaO·0.13TiO2·0.65Na2SiO3·0.04Al2(SO4)3·0.01Co2O3, 0.10BaSO4·0.10TiO2·0.75K2SiO3·0.04Al2(SO4)3·0.01Co2O3。或0.06MgSO4·0.10TiO2·0.12ZrO·0.605K2SiO3·0.085Al2(SO4)3·0.03CoCl2，或 0.08BaO·0.10Ga2O3·0.12ZrO·0.565K2SiO3·0.085Al2(SO4)3·0.03CoCl2·0.02B2O3等。
在如下的实施例中，所称的水性釉可以为上述材料的任一种。
可以在上述的薄膜内添加各种搀杂物，从而使得其在特定波长范围具备透过率，如加入紫外光吸收剂为苯并三唑类紫外线吸收剂，选自2-(2ˊ-羟基-5ˊ-甲基)-苯并三唑、2-(2ˊ-羟基-3ˊ-叔丁基-5ˊ-甲基)-5-氯-苯并三唑、2-(2ˊ-羟基-3ˊ5ˊ-二叔丁基)-5-氯-苯并三唑、2'-(2'-羟基-3'-叔丁基-5'-甲基苯基)-5-氯苯并三唑、2-(2ˊ-羟基-5ˊ-叔辛基)- 苯并三唑中一种或多种可以实现对于紫外光的吸收；加入氧化铟锡、氧化锡锑、三氧化钨、三氧化钼、钨青铜或具有氧缺陷的硫化铜中的一种或几种实现对于近红外光的调控；加入富勒烯衍生物PC61BM或PC71BM(参见CN106025080A)或者其他具有着色的材料实现对于可见光吸收的调控。
所述的薄膜还可以为含氟高分子化合物，所述的含氟高分子化合物典型的如聚四氟乙烯，0.01-1mm厚度的含氟高分子化合物作为保护层时，不仅可以保证透光，而且可以对太阳电池的外观做出改变。
所述的瓷釉保护层在300-1300nm上的透过率不小于40％，本领域技术人员可以根据需要对此进行进一步的改进，如通过在薄膜内添加或者掺杂特定的组分，从而使得其在特定的波长具有吸收或者保持高的透过率。其在300-400，400-500，500-600， 600-700，700-760，760-860，860-1000nm不同波长区间至少有一处透过率不小于40％，并且随着包膜种类的差异，其对于可见光以及760-1000nm的光的透过率从上到下依次降低。
实施例1
取长宽高分别为300mm*300mm*5mm的水泥基板材，清洁处理后，晾干，使其含水量不大于0.5％；在其上表面涂覆一层硅胶，在其固化之前，将3*3正方阵列的晶硅太阳电池串联组件背光面附着于水泥基板材上表面，并引出背电极；然后在其太阳电池入光面涂覆一层硅胶，并引出前电极；最后，在其表面，喷涂一层瓷釉保护层，完全固化后，瓷釉保护层厚度为2mm，在300-1300nm波长范围内加权平均透过率在80％，且莫氏硬度为6H，吸水率在0.001％。形成外观质感等同于普通大理石的光伏建材，其对于380-780nm的可见光的透过率为75％，其光电转换效率为 16％。
实施例2
取长宽高分别为300mm*300mm*10mm的水泥基板材，清洁处理后，晾干，使其含水量不大于0.5％；在其上表面涂覆一层硅胶，在其固化之前，将 298mm*298mm*0.5mm柔性薄膜太阳电池直接附着于水泥基板材上表面，并引出电极；最后，在其表面喷涂一层瓷釉保护层，完全固化后，瓷釉保护层厚度为0.7mm，在300-1300nm波长范围内加权平均透过率在85％，且莫氏硬度为5H，吸水率在 0.001％。形成外观质感等同于普通大理石的光伏建材，其对于380-780nm的可见光的透过率为83％，其光电转换效率为12.75％。
实施例3
取普通钠钙玻璃，厚度为3.5mm，清洁处理后，在其表面制备铜铟镓硒薄膜太阳电池层，并引出正负极；然后在其太阳电池入光面沉积一层二氧化硅薄膜；最后，在其外表面，喷涂一层瓷釉保护层，常温下完全固化后，瓷釉保护层厚度为1mm，在300-1300nm波长范围内加权平均透过率在75％，且莫氏硬度为6H，吸水率在 0.001％。形成外观质感等同于普通大理石的光伏建材，其对于380-780nm的可见光的透过率为83％，其光电转换效率为12.7％。
实施例4
取普通钠钙玻璃，厚度为3.5mm，清洁处理后，在其表面制备非晶硅薄膜太阳电池层，并引出正负极；然后在其太阳电池入光面沉积涂覆一层有机硅灌封胶；最后，在其外表面，喷涂一层瓷釉保护层，常温下完全固化后，瓷釉保护层厚度为2mm，在300-1300nm波长范围内加权平均透过率在80％，且莫氏硬度为6H，吸水率在 0.001％。形成外观质感等同于普通大理石的光伏建材，其对于380-780nm的可见光的透过率为76％，其光电转换效率为8％。
实施例5
取金属板材，厚度为2mm，清洁处理后，在其表面制备铜铟镓硒薄膜太阳电池层，并引出正负极；然后在其太阳电池入光面沉积涂覆一层有机硅灌封胶；最后，在其外表面，喷涂一层瓷釉保护层，常温下完全固化后，瓷釉保护层厚度为3mm，在300-1300nm波长范围内加权平均透过率在78％，且莫氏硬度为6H，吸水率在 0.001％。形成外观质感等同于普通大理石的光伏建材，其对于380-780nm的可见光的透过率为74％，其光伏转换效率为12.1％。
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 (9)
1.一种光伏建材，其特征在于，所述光伏建材由上到下依次包括基材、太阳电池层、瓷釉保护层；
所述基材包括玻璃、金属板、水泥基板材、柔性塑料薄膜、瓷砖、聚氟乙烯复合膜和瓦片中的一种；
所述瓷釉保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率不小于40％，且莫氏硬度不小于4H，吸水率不大于0.5％。
2.根据权利要求1所述的光伏建材，其特征在于，所述的瓷釉保护层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率为40％～100％，且莫氏硬度为4H～10H，吸水率为0～0.5％。
3.根据权利要求1或2所述的光伏建材，其特征在于，所述的瓷釉保护层为无色或有色的玻璃态薄层。
4.根据权利要求1所述的光伏建材，其特征在于，所述太阳电池层具有铜铟镓硒薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池、晶体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、有机太阳电池、铜锌锡硫薄膜太阳电池或钙钛矿薄膜太阳电池的结构。
5.根据权利要求1所述的光伏建材，其特征在于，所述的基材的厚度为0.01mm～5cm。
6.根据权利要求1所述的光伏建材，其特征在于，所述的瓷釉保护层的厚度为0.01～5mm。
7.一种权利要求1-6任一所述的光伏建材的制备方法，包括如下的步骤：
1)将太阳电池层附着到基材之上，并引出正负极，或者直接在基材上制备太阳电池层，并引出正负极；
2)涂覆室温下为液态的瓷釉凃层材料，经过室温固化后，形成坚固的瓷釉保护层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤1)中将太阳电池附着于基材之上时，还包括在基材表面或太阳电池背面涂覆一层硅胶。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2)中还包括在太阳电池层表面涂覆一层硅胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200512 |
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