CN115188850A

CN115188850A - 一种太阳能电池组件及其制备方法

Info

Publication number: CN115188850A
Application number: CN202211099947.3A
Authority: CN
Inventors: 田丰
Original assignee: Guangzhou Guangyuchao Material Co ltd
Current assignee: Guangzhou Guangyuchao Material Co ltd
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2022-10-14
Also published as: CN220439631U

Abstract

本发明涉及一种太阳能电池组件及其制备方法，该太阳能电池组件包括依次层叠的玻璃层、第一封装胶层、光子晶体层、第二封装胶层、电池片、第三封装胶层和背板；所述光子晶体层是由纳米微球在树脂连续相三维有序排列形成，所述纳米微球的平均粒径为150~350 nm，所述纳米微球的的单分散度PDI<0.2。本发明通过将具有随角度变色特性炫彩效果的光子晶体层与封装胶层、玻璃、电池片、背板等封装成太阳能电池，能够在不同视角的情况下，呈现出不同的色彩，并且在实现颜色外观的基础上，对太阳能电池组件的转化效率影响小，能够满足彩色光伏建筑一体化的要求。

Description

一种太阳能电池组件及其制备方法

技术领域

本发明涉及光伏领域，具体涉及一种太阳能电池组件及其制备方法。

背景技术

光伏建筑一体化（BIPV）是将太阳能光伏组件集成到建筑上的技术，从而充分利用建筑面积提供可再生能源电力，例如光伏幕墙、光伏屋顶等。为了满足建筑外观的美学需求，用于建筑集成一体化的光伏组件需要改善普通光伏组件外观单一的问题，使其具备丰富的颜色外观，以满足建筑美学的要求。

相关技术中，实现彩色光伏的技术方案主要有使用彩色玻璃、彩色封装夹胶、反射性中间层以及使用硅基电池和其他电池结构的组合例如钙钛矿太能电池、量子点电池等。在技术原理上，用于产生颜色的光吸收型或反射型材料与结构，会造成透光率的下降，从而导致光伏电池光电转化率的下降。使用彩色玻璃或者彩釉玻璃进行组件封装，该技术难度小成本低，但二者整体透光率较低，导致光伏组件的发电效率损失较大。在玻璃上镀多层介电材料可形成彩色外观，但是这种方式需要通过磁控溅射工艺逐层镀膜，生产工艺比较复杂，成本高且通常只能形成单一色彩。彩色镀釉玻璃是通过釉层定制颜色和透光率，其颜色丰富色彩鲜艳，但是釉层显著影响发电效率。

WO2019/122079A1公开了将珠光粉颜料加入到封装胶膜EVA中，以得到彩色外观的太阳能电池。CN113956801A 公开了一种用于太阳能光伏组件的彩色胶膜，彩色胶膜包括粘合剂和改性珠光颜料显色剂，通过挤出和流延成膜，以及紫外固化工艺制备。这类技术中，胶膜的颜色是通过所添加珠光粉的光干涉产生的，所得彩色胶膜的太阳光透光率仍有一定损失。此外，彩色胶膜封装有层间附着力变差的问题，导致光伏组件使用寿命缩短。CN113921624A公开了一种光伏电池表面喷涂高折光指数的纳米颗粒，形成无规堆积来实现颜色，但是所得外观反射率低，颜色暗淡单一，而且纳米颗粒在电池片表面的堆叠会导致组件的层间附着力变差，从而影响光伏组件使用寿命。因此，在本领域需要一种新型具有高透光率的材料，以实现彩色外观同时减小对光电转化效率的影响，从而满足光伏建筑一体化的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种太阳能电池组件，结构简单，色彩变化丰富，适用于光伏建筑一体化，解决现有技术中光伏电池颜色单一、发电效率损失大的问题。本发明的第二目的是提供该太阳能电池组件的制备方法。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种太阳能电池组件，包括依次层叠的玻璃层、第一封装胶层、光子晶体层、第二封装胶层、电池片、第三封装胶层和背板；所述光子晶体层是由纳米微球在树脂连续相三维有序排列形成，所述纳米微球的平均粒径为150~350 nm，所述纳米微球的单分散度PDI< 0.2。

由上述方案可见，本发明提供的太阳能电池组件依次包括玻璃、光子晶体层、电池片和背板，其中上述层与层之间由封装胶层粘结。其中光子晶体层是由平均粒径在150~350nm范围内且单分散度PDI< 0.2（例如PDI在0.1~0.15范围内）的单分散纳米微球在连续相中三维有序排列而形成，光子晶体层微观上可以呈现密堆积的蛋白石结构。纳米微球与连续相的折射率不同，使光波在周期性结构中形成光程差，引起光干涉而产生颜色，而且在不同角度观察，得到不同的结构色，从而实现随角度变色的外观效果。光子晶体层的三维光子晶体结构中纳米微球具有单分散性，在特定光波长处会有较窄的选择性反射峰，对大部分的可见光具有高透射率。光子晶体层采用特定粒径的纳米微球能够实现光子晶体层在可见光范围内色彩变化幅度更大的炫彩效果。本发明通过将具有随角度变色特性炫彩效果的光子晶体层与封装胶层、玻璃、电池片、背板等封装成太阳能电池，能够在不同视角的情况下，呈现出不同的色彩，并且在实现颜色外观的基础上，对太阳能电池组件的转化效率影响小，能够满足光伏建筑一体化的要求。

在本发明的一些实施例中，所述纳米微球选自聚合物微球、无机微球和聚合物-无机复合微球中的至少一种；所述聚合物微球包括聚苯乙烯（PS）微球、核壳结构聚合物乳胶中的至少一种，所述无机微球包括二氧化硅（SiO₂）、二氧化钛（TiO₂）、四氧化三铁（Fe₃O₄）、硫化锌（ZnS）、二氧化铜（CuO2）、氧化锌（ZnO）中的至少一种，聚合物-无机复合微球包括PS/SiO₂，PS/TiO₂，PS/Fe₃O₄，PMMA/SiO₂中的至少一种。

由上可见，本发明的光子晶体层单分散纳米微球可以选自多种不同种类的纳米微球。优选地，从成本以及制备工艺成熟程度考虑，纳米微球选自聚苯乙烯、核壳结构聚合物乳胶、二氧化硅、聚合物无机复合胶体中的至少一种。核壳结构聚合物乳胶可以选自聚（苯乙烯-甲基丙烯酸）、聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸）、聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）、聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸）、聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）中的至少一种，上述核壳结构的聚合物中，其中聚苯乙烯可以作为核，（甲基）丙烯酸和（甲基）丙烯酸酯可以作为壳，核的聚合物与壳的聚合物可以是共聚。无机微球除了二氧化硅，还可以选择高折射率金属氧化物纳米颗粒二氧化钛、四氧化三铁、硫化锌、二氧化铜、氧化锌等。聚合物无机复合胶体是以聚合物合无机纳米粒子为构筑单元，如PS/SiO₂，PS/TiO₂，PS/Fe₃O₄，PMMA/SiO₂等，聚合物可以包裹无机纳米粒子。上述纳米微球可以通过乳胶、胶体的方式添加到连续相中。

在本发明的一些实施例中，所述光子晶体层中所述纳米微球的质量分数为40%~80%，树脂连续相的质量分数为20%~60%。

由上可见，本发明的光子晶体层中的纳米微球以及树脂连续相的质量分数优选在上述范围，纳米微球含量较高，有利于纳米微球有序地堆积。

在本发明的一些实施例中，所述树脂连续相为丙烯酸酯类聚合物。

由上可见，本发明的光子晶体层中树脂连续相优选丙烯酸酯类聚合物，丙烯酸酯类聚合物可以由丙烯酸酯等丙烯酸类单体或低聚物通过聚合例如共聚而成；采用丙烯酸酯类聚合物作为连续相，具有可制成环保的水性涂布液、粘度适中、有利于纳米微球分散、连续相固化工艺简单可控等优点，且丙烯酸酯类聚合物具有良好的粘结力，能够与封装胶层紧密粘合。

在本发明的一些实施例中，所述光子晶体层在可见光范围内选择性地反射特定波长。

由上可见，本发明的光子晶体层可以在可见光范围内对特定波长具有反射峰，使得光子晶体在直视时显示出对应的可见光色彩，从而在较宽的可见光范围内显示出炫彩效果。

在本发明的一些实施例中，所述光子晶体层厚度为10~50μm，具有按照ASTM D1003为至少85%可见光透过率。

由上可见，本发明的光子晶体层可以选择在上述厚度范围内，避免光子晶体层过厚影响可见光透过率。

在本发明的一些实施例中，所述第一封装胶层、所述第二封装胶层和所述第三封装胶层分别独立地包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚烯烃弹性体（POE）中的至少一种。

由上可见，本发明的封装胶层可以采用预先制备好的封装胶膜，夹在依次设置的玻璃、光子晶体层、电池片和背板的两个相邻结构层之间，起到粘结两个相邻结构层的作用。其中，PVB、POE为热塑性胶膜，EVA为热固性封装胶膜。热塑性胶膜中无交联反应，耐候性以及长久稳定性均较好，并且可以重复加工利用，热固性胶膜中会在太阳能电池封装过程中由于受热而产生交联反应，粘结强度较好。封装胶层中除了聚合物树脂外，通常还可以包含交联剂、增粘剂、UV吸收剂、UV稳定剂和抗氧化剂等。

在本发明的一些实施例中，所述电池片的材质选自单晶硅、多晶硅、碲化镉和铜铟硒中的至少一种。

由上可见，本发明的光子晶体层可以适用于多种不同材质的电池片，适用范围广，无需改变现有的电池片来获得炫彩效果。

为实现本发明的第二目的，本发明提供了上述任一方案所述的一种太阳能电池组件的制备方法，其包括以下步骤：

将纳米微球分散到树脂中得到涂布液，将涂布液涂布于基材上并烘干，经震荡剪切规整化处理以及固化后得到所述光子晶体层；

将所述玻璃层、所述第一封装胶层、所述光子晶体层、所述第二封装胶层、所述电池片、所述第三封装胶层和所述背板层叠后热压制得所述太阳能电池组件。

由上可见，本发明的太阳能电池组件制备方法简单。其中，光子晶体层可以通过包括下述步骤的工艺制备：将纳米微球分散到树脂连续相中，制成涂布液，将涂布液均匀涂覆在基材上，在70~80℃温度下烘干；然后，通过震荡剪切规整化设备使得纳米微球在树脂连续相中呈现三维有序排列，纳米微球在震荡以及辊的挤压剪切力作用下，能够在树脂连续相中分散、堆积从而形成规整有序的排列方式，构造出光子晶体结构；最后进行固化，形成光子晶体层。光子晶体层可通过涂布于离型基材独自成膜或者直接涂布于封装胶膜表面，再与其他封装胶层、结构层叠合，然后热压成多层结构。本发明无需改变原有光伏组件的封装生产工艺和条件，光子晶体层可直接与玻璃前板、电池片及背板压合成光伏组件，几乎不增加产品总厚度，生产效率和良品率高。

进一步的技术方案是，所述涂布液为水性涂布液；所述涂布选自辊涂、刮涂或狭缝涂布；所述固化为紫外光固化。

由上可见，本发明在制备涂布液时，可以将纳米微球分散、树脂连续相和水混合制成水性涂布液，制备过程安全环保。涂布液组合物可以通过辊涂、刮涂或狭缝涂布的方式涂覆到基材上，能够形成厚度均匀的涂层，另外还可以通过调整涂覆的工艺参数例如调整辊或刮刀与基材之间的距离、调整狭缝宽度、调整涂覆次数等控制涂层的厚度。树脂连续相的固化可以采用紫外光固化，紫外光固化具有固化速度快、固化温度低等优点，有助于提高生产效率、降低对生产工艺条件的要求。

为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，通过以下附图和详细描述举例说明。

附图说明

图1是实施例1中的光子晶体层的结构示意图，图中微球31，树脂连续相32。

图2是实施例1中的太阳能电池组件的结构示意图，图中玻璃层10、第一封装胶层20、光子晶体层30、第二封装胶层40、电池片50、第三封装胶层60、背板70。

图3是实施例1~5中的光子晶体层的透射光谱。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对上述方案进行进一步说明，以使本发明的优点和特点被本领域的相关技术人员更好得理解。应理解为，在不脱离本发明实施例原理的前提下，所述实施例仅帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例中的光子晶体层，按照重量份计，包括以下原料：100份聚苯乙烯微球（粒径190 nm， PDI=0.1）、65份聚丙烯酸酯、1份光引发剂、0.5份成膜剂和0.5份流平剂，将上述原料制成水性涂布液。通过微凹涂布的方式将水性涂布液均匀涂覆在基材上，在75℃温度下烘干，然后通过震荡剪切规整化设备处理以及紫外光固化，形成光子晶体层，厚度为20 μm。该光子晶体层的微观结构如图1所示，微球31在树脂连续相32（主要由聚丙烯酸酯组成）中三维有序排列，形成光子晶体结构。结果如表1所示，所得光子晶体层的可见光透过率为90%，雾度为1%，在480 nm附近形成窄反射峰和51%的阻隔率。

如图2所示，本实施例还提供了一种随角度变色的太阳能电池组件，将玻璃层10、第一封装胶层20、上述制备的光子晶体层30、第二封装胶层40、多晶硅电池片50、第三封装胶层60、背板70依次叠合，放入光伏层压机中，设定与普通光伏组件层压同样的层压参数，待层压完成后即可得到随角度蓝紫变色的太阳能电池组件。其中，第一封装胶层20、第二封装胶层40和第三封装胶层60采用EVA（福斯特）。

实施例2

将实施例1中的光子晶体层的原料更换为，按照重量份计，100份聚（苯乙烯-丙烯酸酯-丙烯酸）微球（粒径220 nm，PDI=0.15）、40份聚丙烯酸酯、1份光引发剂、0.5份成膜剂和0.5份流平剂。以与实施例1基本相同的制备方法制得光子晶体层，所得光子晶体层厚度为20 μm，可见光透过率为89%，雾度为1%，在540 nm附近形成窄反射峰和53%的阻隔率。最终制得的太阳能电池组件呈现绿色-蓝色范围变色。

实施例3

将实施例1中的光子晶体层的原料更换为，按照重量份计，100份聚（苯乙烯-丙烯酸酯-丙烯酸）微球（粒径240 nm， PDI=0.1）、50份聚丙烯酸酯，1份光引发剂、0.5份成膜剂和0.5份流平剂。以与实施例1基本相同的制备方法制得光子晶体层，所得光子晶体层厚度为20 μm，可见光透过率为89%，雾度为1%，在600 nm附近形成窄反射峰和42%的阻隔率。最终制得的太阳能电池组件呈现金红色-绿色范围变色。

实施例4

将实施例3中的光子晶体中微球更换为粒径250 nm、PDI=0.15的聚（苯乙烯-丙烯酸酯-丙烯酸）微球。以与实施例3基本相同的制备方法制得光子晶体层，所得光子晶体层厚度为15 μm，可见光透过率为88%，雾度为1%，在620 nm附近形成窄反射峰和44%的阻隔率。最终制得的太阳能电池并通过调整涂覆工艺参数调整光子晶体层的厚度，组件呈现橙红色-绿色范围变色。

实施例5

将实施例3中的光子晶体中微球更换为粒径270 nm、PDI=0.15的聚（苯乙烯-丙烯酸酯-丙烯酸）微球。以与实施例3基本相同的制备方法制得光子晶体层，并通过调整涂覆工艺参数调整光子晶体层的厚度，所得光子晶体层厚度为15 μm，可见光透过率为89%，雾度为1%，在650 nm附近形成窄反射峰和37%的阻隔率。最终制得的太阳能电池组件呈现玫红色-绿色范围变色。

对比例1

本对比例为普通太阳能电池组件，包括玻璃，EVA胶膜，多晶硅电池片，EVA胶膜，背板，放入光伏层压机中，待层压完成后得到太阳能电池组件。本对比例与实施例的区别在于组件中没有光子晶体层，外观为深蓝色多晶硅电池片的颜色。

性能测试

透过率测试按照ASTM D1003测试标准，紫外老化和湿热老化性能测试按照GB/T29848-2013测试标准。

表1

由以上5个实施例制得的光子晶体层的透射光谱如图3所示，分别在可见光范围内 480 nm、540 nm、600 nm、620 nm、650 nm 出现尖锐的反射峰，从而显示对应的颜色，90°直视分别为蓝色、绿色、金红色、橙红色、玫红色。随视角变化，颜色往波长变短的方向移动，整体外观呈现出随角变色的炫彩效果。由于所制得的光子晶体层在大部分可见光波段没有吸收或反射，从而保持前板整体高透射率，不影响电池片的发电效率，同时赋予太阳能电池组件的炫彩外观效果。本发明提供的太阳能电池组件，通过调整微球的直径等，可定制化颜色，帮助解决目前光伏电池外观单一的问题，为光伏建筑一体化提供了一种解决方案。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，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

1.一种太阳能电池组件，其特征在于包括依次层叠的玻璃层、第一封装胶层、光子晶体层、第二封装胶层、电池片、第三封装胶层和背板；所述光子晶体层是由纳米微球在树脂连续相三维有序排列形成，所述纳米微球的平均粒径为150~350 nm，所述纳米微球的单分散度PDI< 0.2。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件，其特征在于所述纳米微球选自聚合物微球、无机微球和聚合物-无机复合微球中的至少一种；所述聚合物微球包括聚苯乙烯微球、核壳结构聚合物乳胶中的至少一种，所述无机微球包括二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁、硫化锌、二氧化铜、氧化锌中的至少一种，聚合物-无机复合微球包括PS/SiO₂，PS/TiO₂，PS/Fe₃O₄，PMMA/SiO₂中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件，其特征在于所述光子晶体层中所述纳米微球的质量分数为40%~80%，树脂连续相的质量分数为20%~60%。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能电池组件，其特征在于所述树脂连续相为丙烯酸酯类聚合物。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种太阳能电池组件，其特征在于所述光子晶体层在可见光范围内选择性地反射特定波长。

6. 根据权利要求1至4任一项所述的一种太阳能电池组件，其特征在于所述光子晶体层厚度为10~50μm，具有按照ASTM D1003为至少85%可见光透过率。

7.根据权利要求1至4任一项所述的一种太阳能电池组件，其特征在于所述第一封装胶层、所述第二封装胶层和所述第三封装胶层分别独立地包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇缩丁醛、聚烯烃弹性体中的至少一种。

8.根据权利要求1至4任一项所述的一种太阳能电池组件，其特征在于所述电池片的材质选自单晶硅、多晶硅、碲化镉和铜铟硒中的至少一种。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种太阳能电池组件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于所述涂布液为水性涂布液；所述涂布选自辊涂、刮涂或狭缝涂布；所述固化为紫外光固化。