CN113078229A - 太阳能电池模组、用于太阳能电池模组的背板及背板组合 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种太阳能电池模组、用于太阳能电池模组的背板及背板组合，该用于太阳能电池模组的背板包括一聚偏氟乙烯纳米材料复合层、设置于聚偏氟乙烯纳米材料复合层的相对两侧的二导电层、以及分别设置于二导电层的外侧的二粘着层，其中，该聚偏氟乙烯纳米材料复合层包括聚偏氟乙烯以及分散于该聚偏氟乙烯中的纳米材料。本公开的太阳能电池模组，包括透明前板、前述背板、设置于透明前板与背板之间的至少一封装层、串联并嵌埋于至少一封装层的多个太阳能电池、以及设置于背板上并电性连接背板中的二导电层的接线盒。
Description
技术领域
本公开关于一种太阳能电池模组、用于太阳能电池模组的背板及背板组合，详而言之，关于一种储能型太阳能电池模组、用于太阳能电池模组的背板及背板组合。
背景技术
太阳能发电是各国发展绿色能源的主要开发技术之一，在白天日照充足时，太阳能发电甚至可输出超过电网负载所需的电力，假设此时无电能储能系统，则电网将把多余能量直接消耗掉(排除掉)，但当有电能储能系统时，则可将这些多余的电力储存起来，以备供电不足时提供即时的补充发电，并弥补太阳能电池在晚上无法发电的缺点。此外，目前电能储能系统种类很广，从最小的二次电池，如锂离子电池，大至抽蓄水力储能或空气压缩储能系统等等，然而，一般储能系统可能有操作或维护不易的问题。
此外，在衡量太阳能电池的效能时，大多假设照射、温度以及电池参数等都保持在一般的条件下，而这些条件在太阳能光电阵列的所有电池元件中是一致的。然而，在实际的情况下却充满许多变数，在太阳能光电阵列中可能有部分的电池板会受到不同形式遮蔽的影响，这些因素在阵列中或太阳能电池面板的串列中会造成重大的变化，造成电池面板不匹配使得效能降低。例如，当受到遮阴时，太阳电池模组在10秒内发电量可能会下降80％，再经过此10秒当遮阴现象消除后，太阳电池模组又回复正常发电量，而在太阳光被遮住的这段期间，可能导致电力不稳问题。
此外，由于太阳能电池模组长期运作于外界照光及温湿度变化不一的环境下，可使造成封装材料裂化及电池的失效，导致影响太阳能电池模组一定的发电量。
因此，如何开发出一种能解决太阳光被遮蔽时电流不稳的问题，为目前业界积极朝向的目标之一。
发明内容
本公开的一实施例提供一种太阳能电池模组、用于太阳能电池模组的背板及背板组合，具有良好的电压维持率。
本发明的用于太阳能电池模组的背板，包括：一聚偏氟乙烯纳米材料复合层，包括聚偏氟乙烯以及分散于该聚偏氟乙烯中的纳米材料，其中，纳米材料的尺寸为5nm至500nm；二导电层，其设置于该聚偏氟乙烯纳米材料复合层的相对两侧；以及二粘着层，其分别设置于该二粘着层的外侧。
本公开的一实施例提供一种用于太阳能电池模组的背板组合，包括：二前述背板，其相互堆迭且电性并联。
本公开的一实施例提供一种太阳能电池模组，包括：透明前板；前述背板；至少一封装层，其设置于该透明前板及该背板之间；多个太阳能电池，其相互串联并嵌埋于该至少一封装层中；以及接线盒，其设置于该背板上并电性连接该背板中的该二导电层。
附图说明
图1A至图1E为本公开的用于太阳能电池模组的背板的实施例的结构示意图。
图2A为本公开的太阳能电池模组的实施例的结构示意图。
图2B为本公开的太阳能电池模组的实施例的局部结构示意图。
图3至图5为本公开的用于太阳能电池模组的背板的实施例的验证照光储能特性的示意图。
图6为本公开的用于太阳能电池模组的背板的实施例的验证储能特性与温度的关系的示意图。
附图标记说明
1 接线盒
2 背板
20 纳米材料
21 聚偏氟乙烯纳米材料复合层
22 导电层
23 保护层
24 绝缘层
25 粘着层
3、5 封装层
4 太阳能电池
6 透明前板
7 框架
具体实施方式
以下通过特定的实施例说明本公开的实施方式，熟习此项技艺的人士可由本文所揭示的内容轻易地了解本公开的其他优点及功效。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技艺的人士的了解与阅读，非用于限定本公开可实施的限定条件，故任何修饰、改变或调整，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本公开所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
请参阅图1A至图1D，说明本公开的用于太阳能电池模组的背板的结构示意图。
如图1A所示，本公开的用于太阳能电池模组的背板2主要包括一聚偏氟乙烯纳米材料复合层21、设置于聚偏氟乙烯纳米材料复合层21的相对两侧的二导电层22、以及设置于导电层的外侧的粘着层25。如图1B所示，二粘着层25的外侧可分别设置保护层23和绝缘层24。如图1C所示，二粘着层25的外侧可分别设置二保护层23。如图1D所示，二粘着层25的外侧可分别设置二绝缘层24。
聚偏氟乙烯纳米材料复合层21包括聚偏氟乙烯以及分散于该聚偏氟乙烯中的纳米材料20。于一实施例中，纳米材料20包含无机纳米片材(如无机纳米粘土片材)或无机纳米粒子(无机纳米陶瓷粒子(钛酸钡))，纳米材料的尺寸为5nm至500nm。于一实施例中，聚偏氟乙烯与无机纳米片材的重量比为97：3至20：80。于一实施例中，聚偏氟乙烯与无机纳米粒子的体积比为100：1至60：40。于一实施例中，聚偏氟乙烯纳米材料复合层21在380至780nm的波长下的透明度大于85％。
纳米材料20为粘土或陶瓷。纳米材料20为粘土时，例如：无机纳米粘土片材(nanoclay platelets)；纳米材料20为陶瓷时，例如：无机纳米粒子(BaTiO3 nano particle)。
于一实施例中，无机纳米粘土片材可为天然或合成的纳米片状粘土，其尺寸介于约5～500nm之间，例如：约20～300nm。在一实施例中，纳米粘土片材的径长比最小不小于10，例如：径长比约在50～10000之间。
于一实施例中，聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具高透光性，亦可做成前板使用。
纳米粘土片材可为硅矾石粘土(smectite clay)、蛭石(vermiculite)、管状高岭土(halloysite)、绢云母(sericite)、云母(mica)、合成云母(synthetic mica)、合成水滑石(layered double hydroxide；LDH)、合成硅矾石粘土、或前述的组合。其中，硅矾石粘土包括：蒙脱土(montmorillonite)、皂土(saponite)、富铝蒙脱土(beidellite)、硅铁石(nontronite)、水辉石(hectorite)、富镁蒙脱石(stevensite)、或前述的组合。上述的纳米粘土片材可以单独或混合使用。
于一实施例中，无机纳米粒子的材质为陶瓷，例如：钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钙(CaTiO3)、或氧化钛锆(ZrTiO4)。
导电层22包含金属材料以及透明导电氧化物。于一实施例中，金属材料例如铝、钯、钛、金、银、铁、钼、钢、锌、或合金，其中，合金可例如不锈钢或黄铜；透明导电氧化物例如氧化铟锡(ITO)、氧化锡掺氟(FTO)、氧化锌掺铝(AZO)、或氧化锌(ZnO)。
于一实施例中，粘着层25主要包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene VinylAcetate,EVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨基甲酸乙酯(polyurethane)、硅树脂(silicone)，其中该粘着层可以单独存在。
于一实施例中，粘着层25也可以和其他高分子聚合物载体层(carrier film)(例如保护层或绝缘层)结合组成背板。载体层可以仅贴在粘着层的其中单一面或贴在二粘着层表面。
于一实施例中，保护层23主要包括高分子聚合物，例如乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)、氟代乙烯丙烯(FEP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)。
于一实施例中，绝缘层24主要包括高分子聚合物，例如乙烯聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(polyimide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚丙烯(PP)、聚烯烃(polyolefin)。
于一实施例中，可混掺不同体积比率的钛酸钡(BaTiO3)以调整聚偏氟乙烯纳米材料复合层21的介电常数。实验中，在室温下，以频率为1000Hz测量混掺不同体积比率的钛酸钡的聚偏氟乙烯纳米材料复合层21的介电常数(Dk)。不同介电常数的聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具有不同的击穿电压(breakdown voltage)，Dk为3的聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具有大于100kV/mm的击穿电压；Dk为10的聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具有约90kV/mm的击穿电压；Dk为20的聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具有约70至80kV/mm的击穿电压；Dk为25的聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具有约65kV/mm的击穿电压。
于一实施例中，聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具有至少1M Ohm的电阻值。
于一实施例中，聚偏氟乙烯纳米材料复合层21具有低于30g/m2的水气穿透率。
以下举例说明本公开的聚偏氟乙烯纳米材料复合层21的制作。
实施例1：制备透明聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜。
(a)步骤：将25g粘土(Laponite RDS，粒径大小20nm x 20nm x 1nm)分散于1000g去离子水中。接着，取300g的H型阳离子交换树脂(Dowex H form)及300g的OH型阴离子交换树脂(Dowex OH form)加入至水性分散液中。接着，加入1440g的异丙醇并减压蒸馏得到2.5％的异丙醇，再加入287.5g的N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)并减压蒸馏8wt％的粘土有机分散液。
(b)步骤：将50g聚偏氟乙烯溶于450g N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)内，形成10wt％的PVDF-DMAc溶液。
(c)步骤：取2.78g的(a)步骤得到的粘土有机分散液与20g的(b)步骤得到的PVDF-DMAc溶液混合，以超音波震荡2小时，静置隔夜后以刮刀涂布成膜，接着分别在60℃下烘烤15分钟及在180℃下烘烤30分钟，得到10wt％的聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜。
实施例2：制备透明聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜。
如实施例1的相同方式进行，但(c)步骤的粘土有机分散液的量为0.773g，得到3wt％的聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜。
实施例3：制备透明聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜。
如实施例1的相同方式进行，但(c)步骤的粘土有机分散液的量为29.17g，得到70wt％的聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜。
实施例4：制备聚偏氟乙烯/纳米陶瓷混成薄膜。
实施例(a)步骤：首先将聚偏氟乙烯粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，然后在温度40℃下加入并搅拌纳米陶瓷钛酸钡BaTiO3数小时以形成稳定的PVDF-BaTiO3溶液混合。接着，以超音波震荡2小时，静置隔夜后以刮刀涂布成膜，然后分别在60℃下烘烤15分钟及在180℃下烘烤30分钟。实验中调整BaTiO3与聚偏氟乙烯混合物的体积百分率，范围从0到40％，以得到介电常数为10、20以及25的聚偏氟乙烯/BaTiO3混成薄膜。薄膜的厚度控制在10至15μm的范围内。
实施例5：制作背板。
将实施例1制备好膜厚为40μm的透明聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜的正、背面溅镀白金电极，然后再涂布液态型乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)在两个电极表面，经过热压后形成一背板。
实施例6：制作背板。
将实施例1制备好膜厚为40μm的透明聚偏氟乙烯/纳米粘土混成薄膜的正、背面溅镀白金电极，然后再以液态型乙烯-醋酸乙烯酯共聚物涂布在两个电极表面，再分别贴上ETFE薄膜以及PET薄膜，经过热压后形成一背板。
实施例7：制作背板。
将实施例4制备的膜厚为15μm的白色聚偏氟乙烯/纳米陶瓷混成薄膜的正、背面溅镀白金电极，然后再涂布液态型乙烯-醋酸乙烯酯共聚物在两个电极表面，经过热压后形成一背板。
实施例8：制作背板。
将实施例4制备的膜厚为15μm的白色聚偏氟乙烯/纳米陶瓷混成薄膜的的正、背面溅镀白金电极，然后再以液态型EVA涂布在两个电极表面，再分别贴上ETFE薄膜以及PET薄膜，经过热压后形成一背板。
实施例9：制作背板。
将实施例4制备的膜厚为15μm的白色聚偏氟乙烯/纳米陶瓷混成薄膜的正、背面网印银电极，然后再以液态型乙烯-醋酸乙烯酯共聚物涂布在两个电极表面，再分别贴上ETFE薄膜以及PET薄膜，经过热压后形成一背板。
将上述背板组成整理如表一
表一
实施例10：验证背板的储能特性。
将实施例5的背板的金属导线连接到6吋的硅晶太阳能电池膜组。利用卤素灯照光硅晶太阳电池30分钟的时间，以进行背板的充电。充电过程中，背板与太阳能电池并联。30分钟过后，将金属导线与硅晶太阳能电池膜组切换成开路并进行背板的电位追踪。结果显示，经过10秒，背板还保留了80％的电压；经过30秒，背板还保留了50％的电压，经过60秒，背板还保留了35％的电压。
实施例11：验证背板的储能特性。
将实施例6的背板连接到6吋的硅晶太阳能电池膜组。利用卤素灯照光硅晶太阳电池60分钟的时间，以进行背板的充电。充电过程中背板与太阳能电池并联，60分钟过后，将金属导线与硅晶太阳能电池膜组切换成为开路并进行背板的电位追踪。结果显示，经过10秒，背板还保留了90％的电压；经过30秒，背板还保留了65％的电压，经过60秒，背板还保留了50％的电压。
因此，上述结果显示，具聚偏氟乙烯加入纳米粘土形成聚偏氟乙烯纳米材料复合层、保护层及绝缘层的背板，可具有优良的储能特性、机械性质和耐候性、低热膨胀系数、高耐热性、低吸水率、及低透气率。
另外，亦可将本案至少两个背板2相互堆迭且电性并联，以构成太阳能电池的背板组合，如图1E所示。
请参阅图2A和图2B，说明本公开的太阳能电池模组的结构示意图。本公开的太阳能电池模组包括接线盒(junction box)1、背板2、封装层3和5、多个太阳能电池4、透明前板6以及框架7。
透明前板6的材料；例如：玻璃以及高分子材料。
封装层3和5设置于透明前板6和背板2之间，可为两层或为一层以将多个串联的太阳能电池4嵌埋于其中。于一实施例中，封装层3和5的材料例如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)。
背板2主要包括一聚偏氟乙烯层纳米材料复合层21、设置于聚偏氟乙烯纳米材料复合层21的相对两侧的二导电层22以及分别设置于二导电层22外侧的二粘着层，如图1A所示，还可包括图1B至图1D所示包括保护层23及/或绝缘层24。接线盒1以导线连接二导电层22以控制背板2的充放电。
请参阅图3，说明本公开的用于太阳能电池模组的背板的照光储能特性。将实施例6的背板与单一片6吋硅晶太阳能电池进行模组封装，接着将该太阳能电池模组照光，过程中太阳能电池电性连接背板。背板的尺寸为18cm x 18cm，于图3中，横轴表示时间(秒(s))，纵轴表示电压(伏特(V))，方形表示照光30分钟、圆形表示照光60分钟、三角形表示照光90分钟，背板在不同的照光时间后，将背板与太阳能电池间的回路断开，使其形成开路，背板在与太阳能电池形成开路后，其电压随着开路后时间的增加而下降，详细数据如下表二所示。
表二
| 电压维持率 | 照光30分钟 | 照光60分钟 | 照光90分钟 |
| 开路0秒 | 0.57 | 0.54 | 0.54 |
| 开路5秒 | 0.49 | 0.5 | 0.49 |
| 开路10秒 | 0.44 | 0.46 | 0.46 |
| 开路15秒 | 0.38 | 0.42 | 0.41 |
| 开路20秒 | 0.33 | 0.4 | 0.4 |
| 开路25秒 | 0.31 | 0.37 | 0.37 |
| 开路30秒 | 0.29 | 0.35 | 0.36 |
| 开路40秒 | 0.26 | 0.32 | 0.33 |
| 开路50秒 | 0.24 | 0.31 | 0.32 |
| 开路60秒 | 0.21 | 0.28 | 0.3 |
参阅表二，例如，照光30分钟的背板在开路后60秒后，其电压由0.57V降为0.21V；照光60分钟的背板在开路后60秒后，其电压由0.54V降为0.28V；照光90分钟的背板在开路后60秒后，其电压由0.54V降为0.3V。由图3及表二得以理解，在比较不同照光充电时间对背板的电压维持率(retention)的影响之后，背板的电压维持率可随照光充电时间的增加而提高。照光时间为60分钟的电压维持率与照光时间为90分钟的电压维持率趋势很接近。此外，照光60min和90min的曲线重迭，显示照光60min就足够，背板已经充饱。
请参阅图4，其说明本公开的用于太阳能电池模组的背板的照光储能特性。将实施例9的背板与单一片6吋硅晶太阳能电池进行模组封装，接着将该太阳能电池模组照光，过程中太阳能电池电性连接背板。背板的尺寸为18cm x 18cm。由图4可知，当太阳能电池至背板之间的电路断开之后，本公开说明Dk为20的背板的电压维持率可达到约500秒以上。当电路断开超过3000秒，电压维持率的曲线也没有明显的变化。请参阅图5，其显示不同介电常数(Dk)的背板的电压维持率。方形图例表示Dk为20的背板，圆形图例表示Dk为10的背板，在相同的照光储能条件下Dk为20的背板相较于Dk为10的背板具有较佳的电压维持率，故介电常数越高，电压维持率越高。
另外，于一实施例中，将实施例7的背板与单一片6吋硅晶太阳能电池进行模组封装，接着将该太阳能电池模组照光，过程中太阳能电池电性连接背板。背板的尺寸为18cm x18cm，根据下表三可知，介电常数越大放电能量密度越大。此外，将两片实施例7的Dk为20的背板粘合成单一片背板，如图1E所示，再并联两片背板的电极。接着，将上述背板与单一片6吋硅晶太阳能电池进行模组封装，再将该太阳能电池模组照光，过程中太阳能电池电性连接背板。表三显示背板的放电能量密度由大至小的排列依序为两片并联的背板及单片的背板。因此，Dk值越高放电能量密度越高，且两片电性并联的背板其放电能量密度比单一片背板还高。
表三
另外，于一实施例中，将实施例9的背板与单一片6吋硅晶太阳能电池进行模组封装，接着将该太阳能电池模组照光，过程中太阳能电池电性连接背板，背板的尺寸为18cm x18cm。实验中模拟太阳能电池模组实据发电时背板的温度变化。根据图6可知背板的放电能量密度与温度变化呈现正相关，温度越高放电能量密度越大。详言之，Dk值为25的背板其放电能量密度在25℃为2.49J/cm3，在温度为55℃则上升到3.82J/cm3。此外，随着温度从25℃上升至75℃，Dk值为10的背板其放电能量密度增加为原来的2.89倍，而Dk值为25的背板其放电能量密度增加为原来的近1.85倍。换言之，随着温度从20℃上升至80℃，背板的放电能量密度可增加为原来的1.5至4倍。详细结果如表四所示。因此，高温能够显著的提高背板的储能特性，随着温度增加，背板的放电能量密度亦随之增加，两者间呈正相关的关系。
表四
综上所述，本公开的用于太阳能电池模组的背板以一包含聚偏氟乙烯以及分散于该聚偏氟乙烯中的纳米材料的聚偏氟乙烯纳米材料复合层、设置于该聚偏氟乙烯层的相对两侧的二导电层及两导电层外的粘着层为主要结构，这样的背板具有良好的电压维持率，即良好的储能特性，还具能阻隔水气进入太阳能电池模组。本公开利用太阳能电池发电所产生的直流电进行背板的照光储能特性，背板都在频率为0Hz进行储能。
上述实施例仅例示性说明本公开的功效，而非用于限制本公开，任何熟习此项技艺的人士均可在不违背本公开的精神及范畴下对上述该些实施态样进行修饰与改变。因此本公开的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (17)
1.一种用于太阳能电池模组的背板，其特征在于，包括：
一聚偏氟乙烯纳米材料复合层，其包括聚偏氟乙烯以及分散于该聚偏氟乙烯中的纳米材料，其中，该纳米材料的尺寸为5nm至500nm；
二导电层，其设置于该聚偏氟乙烯纳米材料复合层的相对两侧；以及
二粘着层，其分别设置于该二导电层的外侧。
2.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该背板还包括一保护层和一绝缘层，其分别设置于该二粘着层的外侧。
3.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该背板还包括二保护层，其分别设置于该二粘着层的外侧。
4.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该背板还包括二绝缘层，其分别设置于该二粘着层的外侧。
5.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该聚偏氟乙烯与该纳米材料的重量比为97：3至20：80。
6.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该聚偏氟乙烯与该纳米材料的体积比为100：1至60：40。
7.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该纳米材料为无机纳米片材。
8.根据权利要求7所述的背板，其特征在于，该无机纳米片材为无机纳米粘土片材。
9.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该纳米材料为无机纳米粒子。
10.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该导电层包含金属材料以及透明导电氧化物。
11.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该纳米材料为粘土或陶瓷。
12.根据权利要求11所述的背板，其特征在于，构成该粘土的材质为合成锂皂石(Laponite)、多水高领土(Halloysite)、或海泡石(Sepiolite)。
13.根据权利要求11所述的背板，其特征在于，构成该陶瓷的材质为钛酸钡、钛酸铅、钛酸钙、或氧化钛锆。
14.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该背板的放电能量密度的增加，随着温度增加而呈正相关。
15.根据权利要求1所述的背板，其特征在于，该背板的放电能量密度随着温度自20℃增加至80℃，而增加1.5～4倍。
16.一种用于太阳能电池的背板组合，其特征在于，包括：
至少二根据权利要求1至15中的任一项所述的背板，其相互堆迭且电性并联。
17.一种太阳能电池模组，其特征在于，包括：
透明前板；
根据权利要求1至15中的任一项所述的背板；
至少一封装层，其设置于该透明前板及该背板之间；
多个太阳能电池，其相互串联并嵌埋于该至少一封装层中；以及
接线盒，其设置于该背板上并电性连接该背板中的该二导电层。
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| CN208148726U (zh) * | 2018-01-19 | 2018-11-27 | 中天科技精密材料有限公司 | 一种高反射率耐腐蚀的pvdf薄膜 |
-
2020
- 2020-01-03 TW TW109100158A patent/TW202126484A/zh unknown
- 2020-02-12 CN CN202010088502.XA patent/CN113078229A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (6)
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