CN115039246A - 通过电解对光伏模块除湿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏模块(1)，所述光伏模块(1)包括：至少一个太阳能电池(10)，其中太阳能电池(10)由封装设备(20)包围；以及用于对封装设备(20)的内部除湿的电解单元(30)。电解单元(30)具有阴极(31)、阳极(32)和使阴极(31)和阳极(32)连接的离子导体(33)。电解单元(30)设计用于将水分解成氢和氧。本发明还涉及用于借助于电解单元(30)对光伏模块(1)除湿的方法。

Description

通过电解对光伏模块除湿

技术领域

本发明涉及用于对光伏模块除湿的方法以及具有这种设备的光伏模块。

背景技术

近年来，在钙钛矿在太阳能电池中的可使用性方面研究钙钛矿、例如CH₃NH₃PbI₃。由于钙钛矿的光电特性，其原则上允许将电磁辐射能量高效率地转换为电能。基于钙钛矿的太阳能电池、在下文中也称为钙钛矿太阳能电池的特征一方面在于，其在制造中是相对成本有利的。另一方面，钙钛矿太阳能电池是对传统的硅基太阳能电池的有吸引力的和重要的替选物，因为由于近年来在所述钙钛矿太阳能电池的效率方面取得的从百分之几到如今高于25％的快速进步表明：可实现明显超过传统太阳能硅电池的效率的效率。在此可设想，单独地运行钙钛矿太阳能电池，或者以串联光伏模块、例如与晶体硅太阳能电池组合来运行钙钛矿太阳能电池。

与硅相比，钙钛矿材料的缺点是其高水分敏感性。即使少量的湿气也可以引起钙钛矿太阳能电池的重大损伤，所述损伤最终引起钙钛矿太阳能电池的效率的通常不可逆的降低，并从而引起对应的、具有钙钛矿太阳能电池的光伏模块的电能的低产量。

然而，在具有传统硅太阳能电池的模块中，侵入到光伏模块中的湿气通常也会引起模块的使用寿命缩短。在此，原因主要是光伏模块中的通流构件导电连接时的腐蚀。因此，避免模块内部中的潮气在具有硅太阳能电池的光伏模块中也是值得追求的。

出于所述原因，在现有技术中例如利用在边缘处借助聚合物粘接的玻璃-玻璃封装部来封装光伏模块中的太阳能电池。替选地，由有机层和无机层的(通常柔性地实施的)多层封装部也是可行的(例如，氮化物和氧化物的组合)。

借此通常获得令人满意的结果，并且以所述方式封装的电池通过光伏模块的标准负载测试，所述标准负载测试此外由在提高的温度的情况下用高水分浓度加载光伏模块构成。然而，由于每个实际的封装部具有即使小但也存在的泄漏率，在长时间运行中存在一定的风险：湿气缓慢侵入与由此引起的光伏模块的功率退化。

替选地或附加地，也可以将水分吸收材料引入到封装部中。然而，由于有限的材料量，所述水分吸收材料经过长时间耗尽，使得在此也可经过长时间(时间范围20至25年)预期水分进入到光伏模块中。

发明内容

因此，发明人提出以下目的：研发一种如何可以尽可能高效和持久地保持光伏模块内部干燥的构思。

在独立权利要求中公开所述目的的解决方案，所述独立权利要求要求保护用于对光伏模块除湿的方法和与现有技术相比对应地修改的光伏模块。在从属权利要求、说明书和附图中公开有利的实施方式和改进方案。

给出具有一个或多个太阳能电池和封装设备的光伏模块。封装设备在此包围太阳能电池。根据本发明的光伏模块的特征在于，所述光伏模块还具有用于对封装设备的内部除湿的电解单元，其中电解单元包括阴极、阳极和使阴极和阳极连接的离子导体，并且其中电解单元设计用于将水分解成氢和氧。

本发明的一个重要方面在于，具有由封装设备包围的太阳能电池的光伏模块具有电解单元，所述电解单元可以将可能进入到封装设备中、即进入到封装设备的内部的水分解成氢和氧。“封装设备的内部”在此涉及封装部与太阳能电池之间的空间或区域。换言之，封装设备的内部也可以称为空腔。因此，由封装设备包围太阳能电池的陈述应理解为，封装设备形成封闭的空腔并且太阳能电池设置在所述空腔中。

对于光伏模块的太阳能电池的封装部，存在一系列方案，在下文中示例性地提及所述方案中的两个方案。

通常将太阳能电池施加到载体材料上以用于静态稳定。在大多数情况下，载体材料涉及玻璃，但也使用有机玻璃、金属或塑料膜。根据所述方法，太阳能电池可以处于载体材料上、载体材料后或载体材料之间。重要的是，在太阳能电池的光敏侧上的覆盖件具有高的透射性，以便将尽可能多的入射的太能转送到太阳能电池上。

在也称为玻璃/膜封装部的第一方案中，对于前侧使用硬化的白色玻璃片，使用具有乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)名称的交联塑料以嵌入，并且对于后侧使用膜复合体。所述膜复合体由三个膜构成。由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)构成的较厚的膜粘接在两个薄的聚氟乙烯膜(PVF，泰德拉)之间。所述膜复合体确保向后的电绝缘，并且同时非常耐候。

第二方案在于在两个玻璃片之间完全无压层地封装太阳能电池。在此基本上类似于在绝缘玻璃窗口构造中那样封装太阳能电池。在边缘处尽可能严密地封装两个玻璃片。为此考虑来自绝缘玻璃工业的用干燥剂填充的丁基橡胶或考虑借助于玻璃焊料的边缘密封部。这两个技术具有如下优点：在太阳能电池前不再存在塑料，可以减少所述塑料被阳光的透光性。此外，通过明显更短和更成本有利的压制和边缘密封步骤来替代持续大约20分钟的层压步骤。

因此，不同的部件可以作用为在本发明意义上的封装设备。例如，如果将太阳能电池设置在两个玻璃板之间并且侧边缘是密封的，则将具有边缘密封部的玻璃板视为封装设备。然后，电解单元设计用于分解进入到玻璃板之间的空腔中的水。例如，如果将太阳能电池嵌入到EVA中，则EVA也可以用作封装设备。然后，电解单元设计用于将EVA与太阳能电池之间的区域除湿，其方式为：所述电解单元将可能在那里存在的水分解。如果太阳能电池不仅嵌入在交联塑料中，而且设置在具有边缘密封部的两个玻璃片之间，则电解单元不仅可以设计用于将塑料与太阳能电池之间的区域除湿，而且可以设计用于玻璃片与塑料之间的区域。

强调的是，本发明原则上可以应用于任何类型的封装设备。在说明书和权利要求书中提及的实施方式是仅示例性的，并且不应限制保护范围。

电解单元包括阴极、阳极和使阴极和阳极连接的离子导体。阴极和阳极也称为电极。在两个电极上施加有直流电压。电压源引起在与正极连接的电极、即阳极中的电子缺乏以及在另一、与负极连接的电极、即阴极中的电子盈余。沉积的气态氢在阴极处聚集并且在阴极处上升；沉积的气态氧在阳极处聚集并且在阳极处上升。水电解的反应方程是：

在所述电极之间存在离子导体。离子导体也称为电解质，并且包括在固态、液态或溶解状态下离解为离子并且在电场的影响下做定向运动的化学化合物。

在一个优选的实施方式中，对于用于对封装设备的内部除湿的电解单元，不使用液态的电解质，而使用固体电解质，所述固体电解质也称为固态电解质或固体材料电解质。对此的原因是，在大多数情况下，在封装设备内不期望有液体，因为液体可能损坏太阳能电池(电解单元恰好具有对封装设备的内部除湿的目的)。

用于本发明的优选的离子导体例如是质子交换膜(英文：Polymer ElectrolyteMembrane(聚合物电解质膜)，PEM)或具有通式结构Na_1+xZr₂Si_xP_3-xO₁₂，0<x<3(英文：sodium(Na)super ionic conductor(钠超离子导体)，NASICON)的陶瓷。但是也可以使用其他已知的固体电解质、如钇稳定的二氧化锆、掺杂的氟化镧或β-铝酸钠(Natrium-β-aluminat)。

在封装设备的内部存在的水分解后，氢和氧应离开封装设备的内部，以便例如不又复合成水。

由于氢分子的尺寸非常小，所述氢分子可以无问题地扩散穿过大多数材料。因此，更大的挑战在于，也将氧分子向外“运输”。因此，在本发明的一个实施方式中，至少阳极设置在封装设备外，使得在阳极处导出的氧可以直接向环境排放。但是，如果封装设备的材料对于氧分子也具有足够高的可穿透性，那么同样可设想，将阳极和阴极分别完全设置在封装设备的内部。

本发明的另一有吸引力的实施方式在于，离子导体本身是封装设备的一部分。即离子导体尤其替代封装设备的一部分，即在所述离子导体处于的位置处，并且所述位置是封装设备的内部与外部之间的边界。

本发明的另一有吸引力的实施方式在于，离子导体安装在封装设备的一部分的内侧上。因此，离子导体具有稳定的“紧固装置”，并且靠近外部环境设置(仅通过封装设备本身分离)。

为了从一开始就排除对光伏模块的(多个)太阳能电池的可能的遮挡，在本发明的一个实施方式中可以将电解单元相对于光伏模块的如下一侧设置：该侧使光伏模块暴露于太阳的电磁辐射。换言之，即电解单元可以处于光伏模块的后侧。

替选地，在本发明的另一实施方式中，电解单元也可以设置在光伏模块的框架处或框架内(如果光伏模块具有框架)，以便避免太阳能电池被电解单元遮挡。所述变型方案尤其对于电解单元的阳极设置在封装设备外的实施方式显现为有利的，因为因此不需要阳极通过(或穿透)封装设备。这尤其在如下情况下显现为有利：封装设备基本上由玻璃片构成，否则所述玻璃片为了阳极通过而必须被穿破。

本发明原则上可应用于任何类型的光伏模块。然而，与具有钙钛矿太阳能电池的光伏模块结合，本发明显现为特别有利的。这原因在于，尤其在钙钛矿太阳能电池的情况下，少量的水分已经可能引起钙钛矿太阳能电池的严重损坏。所述损坏最终可能引起钙钛矿太阳能电池的效率的通常不可逆的降低，并从而引起对应的、具由钙钛矿太阳能电池的光伏模块的电能的产量低。

对封装设备的内部除湿、即电解单元的运行是耗费能量的过程。在本发明的一个实施方式中，因此光伏模块设计为，使得可以利用由一个或多个太阳能电池产生的电能来直接运行电解单元。

但是，此外可以假定，在本身功能正常并且稳定的封装部的情况下，仅最少量的水可以完全侵入到装设备的内部中。因此，用于运行电解单元所需的能量被估计为低。

除了具有电解单元的光伏模块之外，本发明也涉及一种用于对光伏模块除湿的方法。光伏模块包括至少一个太阳能电池、封装设备和电解单元。电解单元设计用于将水分解成氢和氧。太阳能电池由封装设备包围。电解单元具有阴极、阳极和使阴极和阳极连接的离子导体。

所述方法包括：

-将电压、尤其直流电压施加到电解单元的阴极和阳极上，以便将在离子导体处吸附的水分子分解成氢和氧；

-分别经由离子导体将氢导出到阴极并且将氧导出到阳极；以及

-将阴极和阳极与所施加的电压分离。

在一个可行的变型方案中，在施加电压后的预先确定的时间段之后进行与所施加的电压的分离，其中时间段处于2秒和2分钟之间、尤其在2秒和60秒之间、特别优选地在5秒和20秒之间的范围内。

换言之，有利地分别仅在短的时间段内激活电解单元。这减少电解单元的能量消耗，然而在大多数实际情况下，尤其当电解单元定期激活时，应足以对封装设备的内部除湿。例如能够有利的是：以每周一次或每月一次的规定的间隔运行电解单元。待施加的电压尤其小于10伏。所述电压有利地处于1.2伏至5伏的范围内、特别有利地处于2.5伏至3伏的范围内。

根据本发明的方法还公开一个特别的附加的好处：通过测量电解电流或用于电解的电荷量，可以确定侵入的水的量，从而经由电解过程的电荷量/间隔的比例来进行封装部的质量以及所述封装部的可能的变化的估计。由此评估光伏模块的总使用寿命是可行的。

此外，可以通过测量电解电流调节所述过程。为此施加电解电压并且观察产生的电解电流。如果电解电流下降或甚至不出现，则移除封装部的内部中的水。

因此，在本发明的一个有利的实施方式中，在施加电压后求取电解电流，并且基于所求取的电解电流选择将阳极和阴极与施加的电压分离的时刻。

附图说明

在下文中，根据附图图解说明本发明。

附图示出：

图1示出具有作为离子导体的固体电解质的电解单元。

图2示出根据本发明的光伏模块的第一实施方式，以及

图3示出根据本发明的光伏模块的第二实施方式。

具体实施方式

附图1(也称为图1)示意性地示出电解单元30。电解单元30具有作用为阴极31的第一电极和作用为阳极32的第二电极。这两个电极31、32与离子导体33导电地连接。在附图1中所示出的示例中的离子导体33是固体，因此所述离子导体称为固体电解质，例如与在其他情况下常见的液态的电解质相区别。

当施加在低或中位数伏特范围(例如在1.2伏和5伏之间)的直流电压时，积聚在离子导体上的水分子分解成氢分子(H₂)和氧分子(O₂)。氢分子是带正电的离子，并且因此迁移到阴极31，在所述阴极31上施加有直流电压的负极。氧分子是带负电的离子，并且因此迁移到阳极31，在所述阳极上施加有直流电压的正极。结果是水分解并且分离成氢分子和氧分子。

在附图2(也称为图2)中，在附图1中所示出的电解单元30以如其可以集成在光伏模块1中那样构成。光伏模块1具有多个太阳能电池10，为了概览性在附图2中仅示出其中一个太阳能电池。太阳能电池10由封装设备20包围。对于本发明基于的构思来说不重要的是，封装设备20如何具体地设计(在本发明的发明内容中，示例性地公开太阳能电池的封装部的多个可能的实现方案)。封装设备20完全包围太阳能电池10，从而保护所述太阳能电池10免受污染、湿气和机械作用。

电解单元30放置在封装设备20的内部的区域中。电解单元30的阴极31和阳极32以及使两个电极31、32连接的离子导体33完全处于封装设备20的内部。仅用于供给电极的电线路到达封装设备20的外部中。在穿引部处必须小心地防止水从外部的任何侵入，电导体在所述穿引部处从内部向外部导出穿过封装设备30(玻璃片、硬化的EVA……)。

电解单元30设置用于水分子，然而所述水分子以何种方式也始终到达封装设备20的内部。在所施加的电压的情况下，在离子导体33处积聚的水分子分解，并且作为气态的氢分子和氧分子迁移到阴极或阳极。换言之，所述气态的氢分子和氧分子导出到那里。所述气态的氢分子和氧分子在那里聚集并且在一段时间后溶解。在附图2中所示出的实施方式中，封装设备20设计为，使得不仅氢分子而且氧分子可以通过封装设备20的材料扩散。即所述氢分子和氧分子从封装设备20的内部逸出，使得以所述方式对封装设备20的内部除湿。

在附图3(也称为图3)中示出根据本发明的光伏模块1的略微变型的实施方式。在此电解单元30集成在封装设备20中。特别地，离子导体33、在此也又是固体电解质，是封装设备20的一部分。如果封装设备20包括例如基本上两个相对于彼此平面平行地设置的玻璃片，则在一个玻璃片中留空由离子导体33填充的区域。为此的优点是，可以将阳极32设置在外部(即在封装设备20之外)，从而更大的氧分子不必扩散穿过封装设备20，而可以直接向外逸出。

总之，本发明显示如何可以尽可能高效和持久地保持光伏模块的内部干燥的优雅的方式。这尤其对于具有钙钛矿太阳能电池或具有钙钛矿份额的串联太阳能电池的光伏模块具有重要的实际意义。

附图标记列表

1 光伏模块

10 太阳能电池

20 封装设备

30 电解单元

31 阴极

32 阳极

33 离子导体

Claims (15)

1.一种光伏模块(1)，所述光伏模块(1)包括至少一个太阳能电池(10)，其中所述太阳能电池(10)由封装设备(20)包围，

其特征在于，

所述光伏模块(1)还具有用于对所述封装设备(20)的内部除湿的电解单元(30)，其中所述电解单元(30)具有阴极(31)、阳极(32)和使所述阴极(31)和所述阳极(32)连接的离子导体(33)，并且其中所述电解单元(30)设计用于将水分解成氢和氧。

2.根据权利要求1所述的光伏模块(1)，

其中至少所述阳极(32)设置在所述封装设备(20)外，使得在所述阳极(32)处产生的氧能够直接向环境排放。

3.根据上述权利要求中任一项所述的光伏模块(1)，

其中所述离子导体(33)安置在所述封装设备(20)的一部分的内侧上。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的光伏模块(1)，

其中所述离子导体(33)是所述封装设备(20)的一部分。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的光伏模块(1)，

其中不仅所述阳极(32)而且所述阴极(31)分别完全地设置在所述封装设备(20)的内部。

6.根据上述权利要求中任一项所述的光伏模块(1)，

其中所述电解单元(30)相对于所述光伏模块(1)的下述的一侧设置，该侧使所述光伏模块(1)暴露于太阳的电磁辐射。

7.根据上述权利要求中任一项所述的光伏模块(1)，

其中所述太阳能电池(10)是钙钛矿太阳能电池。

8.根据上述权利要求中任一项所述的光伏模块(1)，

其中所述封装设备(20)在所述光伏模块(1)的使所述光伏模块(1)暴露于太阳的电磁辐射的一侧上具有至少在所述太阳能电池(10)的激活能的波长范围内对应的基本上透明的覆盖件、尤其玻璃片。

9.根据上述权利要求中任一项所述的光伏模块(1)，

其中所述封装设备(20)具有交联塑料、尤其乙烯-乙酸乙烯酯，并且所述太阳能电池(10)嵌入到所述交联塑料中。

10.根据上述权利要求中任一项所述的光伏模块(1)，

其中所述光伏模块(1)还设计为，使得能够利用由一个或多个所述太阳能电池(10)产生的电能直接运行所述电解单元(30)。

11.一种用于对光伏模块(1)除湿的方法，所述光伏模块(1)包括至少一个太阳能电池(10)、封装设备(20)和电解单元(30)，所述电解单元(30)设计用于将水分解成氢和氧，其中所述太阳能电池(10)由所述封装设备(20)包围，并且其中所述电解单元(30)具有阴极(31)、阳极(32)和使所述阴极(31)和所述阳极(32)连接的离子导体(33)，所述方法包括：

-将电压、尤其直流电压施加到所述电解单元(30)的阴极(31)和阳极(32)上，以便将在所述离子导体(33)处吸附的水分子分解成氢和氧；

-分别经由所述离子导体(33)将氢导出到所述阴极(31)并且将氧导出到所述阳极(32)；以及

-将所述阴极(31)和所述阳极(32)与所施加的电压分离。

12.根据权利要求11所述的方法，

其中在施加所述电压后的预先确定的时间段之后进行与所施加的所述电压的分离，并且其中所述时间段处于2秒和2分钟之间、尤其2秒和60秒之间、特别优选地5秒和20秒之间的范围内。

13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，

其中所施加的电压小于10伏、尤其处于1.2伏至5伏的范围内、特别优选地处于2.5伏至3伏的范围内。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，

其中以例如每周一次或每月一次的规定的间隔进行所述电压的施加。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，

其中在施加所述电压后求取电解电流并且基于所求取的电解电流选择将阴极(31)和阳极(32)与所施加的所述电压分离的时刻。

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