CN112531055B

CN112531055B - 一种柔性太阳能电池及其制备方法

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Publication number: CN112531055B
Application number: CN202011548512.3A
Authority: CN
Inventors: 魏婷婷; 王兵; 杜伟; 何键华; 王硕
Original assignee: Zhongshan Dehua Chip Technology Co ltd
Current assignee: Zhongshan Dehua Chip Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2040-12-24
Also published as: CN112531055A

Abstract

本发明提供了一种柔性太阳能电池及其制备方法。一种柔性太阳能电池，包括依次设置的，材质为聚酰亚胺的底膜，材质为柔性聚合物的下胶膜，柔性太阳能电池片，材质为柔性聚合物的上胶膜，以及包括依次设置的聚酰亚胺层、粘附层、抗辐照层和增透层的盖片。本发明采用的盖片，相较于玻璃盖片，易于生产，提升了太阳电池组件柔性弯曲性能，扩宽了其应用场景；相较于单纯的聚酰亚胺或硅胶盖片，提升了抗辐照能力、透光性能，提升了柔性太阳能电池的使用寿命。

Description

一种柔性太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种柔性太阳能电池及其制备方法。

背景技术

能源是人类社会存在和发展的重要基础。随着人类社会对能源的需求不断增高，开发利用可再生能源迫在眉睫。太阳能是取之不尽的能源，太阳能电池可将无限、清洁的太阳能转换为电能，是人们利用太阳能的一种重要方式。

太阳能电池按形态可分为刚性太阳能电池和柔性太阳能电池，其中柔性太阳能电池相较于刚性太阳能电池，具有柔性可弯曲、表面覆盖性好、功率重量比高等优势，较适合空间装备的使用要求。在柔性太阳能电池中，单结的砷化镓电池理论效率达到30％，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50％。

目前航天器用的砷化镓太阳能电池，常采用掺有Ce的刚性玻璃作为太阳电池表面盖片，以抵抗质子、原子氧和紫外线等辐照。但若将玻璃盖片应用于柔性太阳能电池，则需将其减薄以获取部分柔性，但超薄玻璃盖片制作困难、极易破损，超薄玻璃盖片的极限弯曲半径也无法完全体现柔性太阳能电池的优势。除玻璃盖片外，有机硅胶盖片也较为常用，但是它难以承受太空环境中的原子氧侵蚀。

聚酰亚胺材料具有综合性能优异，加工方法多，合成途径多，应用领域广泛等优势，有希望与柔性太阳能电池相结合以适应太空中的恶劣环境。但若单纯以聚酰亚胺材料用作盖片，也不足以抵御太空环境中的各种辐照。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种柔性太阳能电池。

本发明还提供了一种柔性太阳能电池的制备方法。

一种柔性太阳能电池，包括依次设置的

底膜，所述底膜材质为聚酰亚胺；

下胶膜，所述下胶膜材质为柔性聚合物；

柔性太阳能电池片；

上胶膜，所述上胶膜材质为柔性聚合物；

盖片，所述盖片包括依次设置的聚酰亚胺层、粘附层、抗辐照层和增透层。

根据本发明的一些实施方式，所述底膜，厚度为20μm～100μm。

根据本发明的一些实施方式，所述柔性聚合物，为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)或乙烯-丁烯高聚物、乙烯-辛烯高聚物(POE)中的至少一种。

根据本发明的一些实施方式，所述下胶膜，厚度为20μm～200μm。

根据本发明的一些实施方式，所述柔性太阳能电池片，为单结至4结柔性太阳能电池片中的一种。

根据本发明的一些实施方式，所述柔性太阳能电池片，其支撑底的材质为聚酰亚胺或金属。

根据本发明的一些实施方式，所述上胶膜，厚度为20μm～200μm。

根据本发明的一些实施方式，所述聚酰亚胺层，厚度25μm～200μm。

根据本发明的一些实施方式，所述粘附层的材质为：Ti、Ni、Pt、铟锡氧化物(ITO)、铝掺杂氧化锌(AZO)中的至少一种。

根据本发明的一些实施方式，所述粘附层的厚度为1nm～50nm。

根据本发明的一些实施方式，所述抗辐照层的原材料为掺Ce玻璃粉。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述掺Ce玻璃粉，按质量百分数计，包括0.5％～1.5％的Al₂O₃、10％～15％的B₂O₃、75％～83％的SiO₂和4％～6％的CeO₂。

根据本发明的一些实施方式，所述抗辐照层的厚度为1μm～50μm。

以掺Ce玻璃粉作为原材料，形成柔性、膜状的抗辐照层，一方面继承了掺Ce刚性玻璃的抗辐照性能优势；另一方面，柔性、膜状的抗辐照层，提升了所述聚酰亚胺基膜材料的柔性性能，可应用与柔性太阳能电池。

所述抗辐照层中，掺Ce玻璃粉形成薄膜后，可以防护低能质子对太阳电池的损伤；掺Ce的目的是避免质子对抗辐照层的轰击产生色心，降低透过率。

聚酰亚胺层为有机材质，与抗辐照层的掺Ce玻璃粉之间粘结性较差，因此需在两者之间设置粘附层，以增加粘性，提升聚酰亚胺基膜材料的使用寿命。

根据本发明的一些实施方式，所述增透层对波长为550nm光的折射率≤1.54。

所述抗辐照层的主要成分为二氧化硅，所述二氧化硅对550nm光的折射率≈1.54。

根据本发明的一些实施方式，所述增透层的材质为：MgF₂。

根据本发明的一些实施方式，所述增透层的厚度为50nm～200nm。

增透膜的原理是把光当成一种具有干涉性的波，当增透膜的厚度等于光波长四分之一时，在增透膜两侧反射回去的光会发生干涉，从而相互抵消，即光已全部穿过增透膜。也就是说，增透膜的作用为减小增透膜表面的反射光的强度，提升透射光的强度，进而提升光的利用率。

根据本发明的一些实施方式，当所述抗辐照层厚度满足上述厚度要求时，也可以起到增透膜的作用，增加光的透过率。一种柔性太阳能电池的制备方法，包含以下步骤：

S1.将所述粘附层、抗辐照层和增透层依次叠加至聚酰亚胺层上，得到所述盖片；

S2.在柔性砷化镓太阳电池片下表面贴附下胶膜，在所述下胶膜远离所述柔性砷化镓太阳电池片的一侧表面贴附底膜；

S3.在柔性砷化镓太阳电池片上表面贴附上胶膜，将步骤S1所得盖片的聚酰亚胺层一侧表面，贴附至所述上胶膜远离所述柔性砷化镓太阳电池片的一侧表面，得半成品柔性太阳能电池；

S4.对所述半成品柔性太阳能电池进行层压。

根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，在所述叠加前，还包括对聚酰亚胺层进行清洁。

根据本发明的一些实施方式，所述清洁，方法为：先以丙酮清洗，再以等离子体清洗。

根据本发明的一些实施方式，以丙酮清洗的目的是，以湿法清洗去除表面有机脏污，确保后续粘附层蒸镀的粘附性。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述等离子体，为Ar和O₂混合气体的等离子体。

根据本发明的一些实施方式，以等离子体清洗，可以进一步去除表面脏污，提升后续粘附层蒸镀的粘附性。

O₂等离子体可有效去除聚酰亚胺层表面油污；Ar等离子体的轰击，容易在聚酰亚胺表面形成悬挂键。

根据本发明的一些实施方式，以等离子体清洗，还可以改变聚酰亚胺原料的表面状态，增加悬挂键，提升粘附性。

由于聚酰亚胺层表面存在悬挂键，因此粘附层可通过键合的方式与聚酰亚胺层粘合。

根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述叠加，方法为等离子体辅助沉积、电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜或磁控溅射镀膜中的一种。

根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，所述层压，温度为130℃～140℃，压力为390mbar～410mbar。

根据本发明的一些优选的实施方式，步骤S4中，所述层压，温度为135℃，压力为400mbar。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述制备方法，还包括在所述层压后进行固化，所述固化，温度为150℃，压力为300mbar。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果。

(1)本发明以包括聚酰亚胺层、粘附层、抗辐照层和增透层的膜材料作为柔性太阳能电池的盖片，相较于玻璃盖片，柔性强，脆性低，不易破碎，因此易于生产，并提升了太阳电池组件柔性弯曲性能，扩宽了其应用场景。

(2)本发明提供的盖片中，抗辐照层采用掺Ce玻璃粉形成的柔性膜，继承了掺Ce玻璃的抗辐照性能，因此相较于单纯的聚酰亚胺或硅胶盖片，提升了抗辐照能力。

(3)本发明提供的盖片中，增透层可重新分配太阳能反射光和透射光的能量，降低反射光的能量，增加透射光的能量，因此相较于单纯的聚酰亚胺或硅胶盖片，提升了太阳能的利用率。

附图说明

图1是实施例1所得柔性太阳能电池的结构示意图。

图2是实施例1步骤S1所得盖片的结构示意图。

图号说明：

100、底膜；200、下胶膜；300、柔性砷化镓太阳能电池片；400、上胶膜；500、盖片；510、聚酰亚胺层；520、粘附层；530、抗辐照层；540、增透层。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本实施例制备一种柔性太阳能电池，具体方法包括以下步骤：

S1.制备盖片：

S1a.先以丙酮清洗，再以Ar、O₂等离子体清洁聚酰亚胺层原料表面；

S1b.在步骤S1a所得材料表面，以电子束蒸发镀膜的方法，设置厚度为5nm的 Ti作为粘附层；

S1c.在粘附层远离所述聚酰亚胺层的一侧表面，以等离子体辅助沉积法，设置厚度为30μm的抗辐照层，按质量百分数计，抗辐照层包括1％的Al₂O₃、15％的B₂O₃、 79％的SiO₂和5％的CeO₂；

S1d.在所述抗辐照层远离所述聚酰亚胺层的一侧表面设置一层100nm厚的MgF₂作为增透层。

S2.在多结柔性砷化镓太阳电池片下表面贴附材质为EVA厚度为100μm的下胶膜，在所述下胶膜远离所述柔性砷化镓太阳电池片的一侧表面贴附厚度为50μm的聚酰亚胺底膜；

S3.在以聚酰亚胺为支撑底的柔性砷化镓太阳电池片上表面，贴附材质为EVA厚度为100μm的上胶膜；将盖片聚酰亚胺层一侧的表面，贴附至上胶膜远离多结柔性砷化镓太阳电池片的一侧表面，得半成品柔性太阳能电池；

S4.设置层压腔温度为135℃，层压段压力为400mbar，固化腔温度为150℃，固化压力为300mbar，对步骤S3所得半成品柔性太阳能电池层压800s，即得所述柔性太阳能电池A。

本实施例所得柔性太阳能电池的结构示意图如图1所示；

本实施例步骤S1所得盖片的结构示意图如图2所示。

测试例

本测试例测试了实施例1步骤S1所得盖片和掺Ce玻璃板的抗辐照性能、增透性能；以及柔性太阳能电池A的相关性能。具体的检测方法和检测结果如下。

检测方法：

D1.将实施例1所得盖片以及掺Ce玻璃板，放置于ELV-8型电子加速器形成的电子辐照场中，接受电子辐照的积分通量为10¹⁵e/cm²；

D2.以步骤D1处理后的盖片，与实施例1所用多结柔性砷化镓太阳电池片结合形成柔性太阳能电池B；以掺Ce玻璃板作为盖片，与实施例1所用多结柔性砷化镓太阳电池片结合形成柔性太阳能电池C；

D3.在日本WACOM太阳光模拟器上测试D2所得柔性太阳能电池B和C的相关性能；

D4.在日本WACOM太阳光模拟器上测试柔性太阳能电池A的相关性能；

D5.计算两种盖片辐照后，各性能的保持率，计算公式如式(1)所示：

保持率＝D3所得性能数值/D4所得性能数值*100％ (1)。

相关性能保持率的结果如表1所示。

表1相关性能保持率的结果。

Isc

Voc

FF

Eff

Vmpp

Impp

柔性太阳能电池A

100％

柔性太阳能电池B

99.29％

88.06％

95.90％

83.86％

86.25％

97.23％

柔性太阳能电池C

98.57％

88.35％

97.81％

85.17％

87.60％

97.23％

其中：

Voc表示开路电压；

Isc表示短路电流；

Vmpp表示最佳工作电压；

Impp表示最佳工作电流；

FF表示填充因子；

Eff表示效率。

表1结果显示，实施例1所得盖片以及掺Ce玻璃板的抗辐照性能、增透性能均相当。但是相较于掺Ce玻璃板，本发明提供的盖片，具有更优异的柔性性能，可有效提升太阳能电池的弯曲性能，且不易破损。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种柔性太阳能电池，其特征在于，包括依次设置的

底膜，所述底膜材质为聚酰亚胺；

下胶膜，所述下胶膜材质为柔性聚合物；

柔性太阳能电池片；

上胶膜，所述上胶膜材质为柔性聚合物；

盖片，所述盖片包括依次设置的聚酰亚胺层、粘附层、抗辐照层和增透层；

所述抗辐照层的原料为掺Ce玻璃粉；

所述掺Ce玻璃粉，按质量百分数计，包括0.5％～1.5％的Al₂O₃、10％～15％的B₂O₃、75％～83％的SiO₂和4％～6％的CeO₂。

2.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述柔性聚合物，为乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丁烯高聚物、乙烯-辛烯高聚物中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述粘附层的材质为：Ti、Ni、Pt、铟锡氧化物、铝掺杂氧化锌中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述粘附层的厚度为1nm～50nm。

5.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述抗辐照层的厚度为1μm～50μm。

6.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述增透层对波长为550nm光的折射率≤1.54。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

S4.对所述半成品柔性太阳能电池进行层压。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述叠加，方法为等离子体辅助沉积、电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜或磁控溅射镀膜中的一种。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述层压，温度为130℃～140℃，压力为390mbar～410mbar。