CN115706180A - 发色太阳能模块 - Google Patents

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Abstract

一种发色太阳能模块，包括于封装层中嵌埋至少一太阳能电池，且于该封装层上配置一透光板，该透光板具有含石英的单一涂层，以令该透光板以该涂层结合于该封装层上，以借由该涂层的设计以反射出所需的色光。

Description

发色太阳能模块
技术领域
本发明涉及太阳能模块，尤其涉及一种用于建筑整合太阳能(BuildingIntegrated Photovoltaic，简称BiPV)的发色太阳能模块。
背景技术
随着地球暖化日益严重，世界各国对于节能减碳的环保意识愈发重视，因此，降低能耗是首要之务。目前建筑物的能耗占了总体能耗的40％以上，故对于如何减缓气候变迁及地球暖化的速度，降低建筑物能耗是尤为重要。
在面对建筑物的能耗问题，许多先进国家提出了如近零能耗建筑(near ZeroEnergy Building，简称nZEB)或零能耗建筑(Zero Energy Building，简称ZEB)的政策目标，其中，建筑整合太阳能(Building Integrated Photovoltaic，简称BiPV)的应用，达成近零能耗建筑目标的一项重要方法。
然而，高楼层(如四层楼以上)的建筑物的能源需求较高，无法仅依赖于屋顶的有限面积上设置太阳能板即可达成近零能耗损或零能耗的目标，故需整合建筑物的墙面形成太阳能墙，以弥补前述能源需求的不足。此外，彩色建筑整合太阳能(Color BiPV)，除了达到近零能耗建筑的目标外，还可以弥补传统太阳能无法为建筑物外墙提供的美学性。
为使太阳能板于结合至建筑物的外墙时具有美化建筑物的效果，其解决方法使太阳能板具有彩色的图纹，以形成彩色建筑整合太阳能，借此达到近零能耗建筑的目标，更能弥补传统太阳能板无法为建筑物外墙提供的美学性的缺陷。
目前常用彩色太阳能模块的发色技术可分为电池芯片(Cell)发色、盖板玻璃(内面或外面)以有色颜料或釉料发色、封装胶材(聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA))发色及盖板玻璃上(内面)沉积光学干涉多层薄膜等四种，以达成发色效果。
然而，目前彩色建筑整合太阳能(Color BiPV)面临美学性、制造成本及光电转换率三者无法兼顾的瓶颈，以致于彩色建筑整合太阳能(Color BiPV)无法普及化。例如，现有彩色太阳能模块发色的量产技术存在以下问题：
现有技术一：太阳能电池芯片发色，其主要应用于多晶硅太阳能芯片，如TWI409962专利、EP2154727A2专利或US2010037948A1专利等，采用传统太阳能模块工艺，以简易制作，使生产成本较低。然而，此技术只能用于多晶硅太阳能电池片的规格，其发电效率较单晶硅太阳能电池片低，且颜色变化受限，导致所制成的太阳能模块局限于格子状布局的实施例，因而无法满足美学需求。
现有技术二：采用有色玻璃作为彩色太阳能模块的前盖板，其容易制作，使生产成本极低，但有色玻璃于强化作业后仍有结构强度不足的问题，且有色玻璃的穿透率偏低，导致光电转换率差，且美学性不佳。
现有技术三：将太阳能模块的封装胶材发色，如于EVA或PVB材质上涂色，以达到发色的目的，其采用建筑产业的发色胶结合玻璃的成熟技术，因而容易制作，使生产成本极低，但着色型封装胶材的穿透率低，导致光电转换率极低，且美学性不佳。
现有技术四：于太阳能模块前盖板(玻璃)的外侧或内侧涂布釉料或颜料，如TWI631718专利，其颜色变化选择性高，可配置各种图形，以提高美学性，但釉料形成的色层或色斑的密度较高时，除了反射该色层或色斑颜色所组成波长的光线外，也遮蔽了其它波长的光线进入太阳模块中，导致太阳能模块的转换率受到影响。
现有技术五：采用多层薄膜干涉(Multi-layer Interference)以产生色光反射，其利用等离子体溅镀(Plasma Sputtering)技术，在玻璃上沉积金属氧化膜或金属薄膜，以形成光学干涉效应而反射色光，以达到太阳能模块发色的效果，如LT2897795 T专利或CN104736338B专利，只将特定有色光反射出太阳能模块，以达成发色效果，其余部分入射光仍由太阳能模块内的太阳能电池芯片所吸收，因而转换率高于前述现有技术一至现有技术四。但于此方式中，多层膜沉积工艺需采用大型化真空溅镀机，导致设备成本及制造成本远高于前述现有技术一至现有技术四，且单一块太阳能模块只能使有一种颜色，更无法在其上设计图纹，导致美学性大受限制。
由上可知，前述五种现有彩色太阳能模块的生产技术及其它目前彩色建筑整合太阳能(Color BiPV)都无法同时满足美学性、高光电转换率及低制造成本等需求。
因此，如何提供兼顾美学性、高光电转换率及低制造成本等需求的太阳能模块的技术，已成目前亟欲解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种发色太阳能模块，以解决上述至少一个问题。
有鉴于上述问题，本发明提出一种发色太阳能模块(Colored solar module)，包括：具有相对的第一表面与第二表面的封装层；至少一埋设于该封装层中的太阳能电池；以及具有含石英的单一涂层的透光板，其中，该透光板以该涂层结合于该封装层的第一表面上。
前述的发色太阳能模块中，该涂层复包含有杂质，其为碱金族、碱土族、硼族的元素的氧化物、碳酸盐、硼酸盐及硅酸盐的一种或多种所组成。
前述的发色太阳能模块中，该涂层的厚度为0.1至50微米。
前述的发色太阳能模块中，该涂层的折射率为同时大于该透光板折射率与该封装层折射率。
前述的发色太阳能模块中，该涂层的折射率为同时小于该透光板折射率与该封装层折射率。
前述的发色太阳能模块中，该透光板的折射率大于形成于该透光板与该至少一太阳能电池之间的该封装层的折射率。
前述的发色太阳能模块中，该涂层为全面单一厚度的结构或区域厚度不同的结构。
前述的发色太阳能模块中，该至少一太阳能电池片为硅晶太阳能电池片或薄膜太阳能电池片。
前述的发色太阳能模块中，该封装层的第二表面上配置有一盖板。
前述的发色太阳能模块中，该涂层的本质颜色为无色且透明。
综上所述，本发明的发色太阳能模块，主要借由该透光板具有含有石英的单一涂层，使入射光产生破坏性干涉效应(Destructive interference effect)，以反射对应的色光，而产生不同颜色或图纹的效果，故相较于现有技术，本发明应用于彩色建筑整合太阳能(Color BiPV)时能同时满足美学性、高光电转换率及低制造成本等需求。
附图说明
图1-1本发明的发色太阳能模块的第一实施例的剖面侧视示意图。
图1-2本发明的发色太阳能模块的第二实施例的剖面侧视示意图。
图1-3本发明的发色太阳能模块的第三实施例的剖面侧视示意图。
图1-4本发明的发色太阳能模块的第四实施例的剖面侧视示意图。
图1A至图1D本发明的发色太阳能模块的制法的第一实施例的示意图。
图1A-1为图1A的另一实施例示意图。
图2本发明的发色太阳能模块中透光前盖板、石英涂层以及封装层的折射示意图。
图3A至图3B本发明的发色太阳能模块的制法的第二实施例的示意图。
附图标记如下：
1:发色太阳能模块
11、11a:涂料
12:透光板
13、13a:表层流体
14:涂层
15:封装层
15a:第一表面
15b:第二表面
150:封装材
16:太阳能电池
160:基板
17:盖板
18:接线盒
19:框架
190:粘胶
2:超音波高压设备
20,30:储存槽
21:超音波高压喷嘴
22:通道
23:气体注入口
24:超音波针阀件
25:喷涂掩模
3:涂布机
31:移动载台
32:管路
33:供液泵
34:狭缝式喷嘴
F:移动方向
h:间距
L:入射光线
t:厚度
具体实施方式
以下借由特定的具体实施形态说明本发明的技术内容，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的优点与功效。然而本发明亦可借由其他不同的具体实施形态加以施行或应用。
图1-1为本发明的发色太阳能模块1的第一实施例的剖面侧视示意图。如图1-1所示，所述的发色太阳能模块1为硅晶双玻(Crystalline silicon double glass)形式，其包括一封装层15、埋设于该封装层15内的至少一太阳能电池16(以下以多个相互串接的太阳能电池16为例)、以及一结合于该封装层15上的透光板12，且该透光板12形成有一涂层14，并通过该涂层14结合该封装层15。
所述的封装层15为封装胶膜(encapsulation film)，其具有相对的第一表面15a与第二表面15b，且于该第二表面15b上配置有一盖板17，并于该盖板17上配置有一电性连接该太阳能电池16以进行供电的接线盒(Junction box)18。
于本实施例中，该封装层15可采用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-VinylAcetate，简称EVA)或聚乙烯醇缩丁醛(PVB)制成，且该盖板17为透光玻璃板，其可强化该发色太阳能模块1的支撑效果。
所述的太阳能电池16具有相对的向阳面与背阳面，以令该向阳面朝向该封装层15的第一表面15a。
所述的透光板12含有玻璃材质，其作为前板或层压板(Laminated plate)，且于其内侧表面上，即其与封装层接触的玻璃表面上，形成该涂层14。
所述的涂层14含有石英，其覆盖于该封装层15的第一表面15a上。
于本实施例中，该涂层14为碱金族、碱土族、硼族或前述的二或三者所混合的杂质与石英混合制成，使该涂层14成为杂质掺杂(Impurity mixed)的本质无色的单一层石英涂布(Single layer quartz coating)结构，其厚度t为0.1微米至50微米，其折射率同时大于该透光板12(玻璃的折射率为1.55或太阳能超白玻璃(Solar ultra-clear glass)的折射率约1.51至1.52)的折射率及该封装层15(EVA的折射率约1.49-1.50或PVB的折射约1.48至1.49)的折射率；或者，该涂层14的折射率同时小于该透光板12的折射率及该封装层15的折射率。而该透光板12的折射率大于该封装层15于该透光板12与该至少一太阳能电池16之间的部分(如图1-1所示的虚线与第一表面15a之间的部分)的折射率。
图1-2为本发明的发色太阳能模块1的第二实施例的剖面侧视示意图。本实施例与第一实施例的差异在于太阳能模块的形式，故以下不再赘述相同处。
如图1-2所示，所述的发色太阳能模块1为硅晶单玻背膜(Crystalline siliconglass/back-sheet)形式，其盖板17为背膜结构(back sheet)，故可配置一用以支撑该透光板12、封装层15及盖板17的铝材框架19(Aluminum frame)，其借由粘胶190固接该透光板12、封装层15及盖板17。
图1-3为本发明的发色太阳能模块1的第三实施例的剖面侧视示意图。本实施例与第二实施例的差异在于太阳能模块的形式，故以下不再赘述相同处。
如图1-3所示，所述的发色太阳能模块1为标准型薄膜双玻(Standard thin filmdouble)形式，其太阳能电池16为薄膜型，以结合于玻璃基板形式的盖板17上，且将框架19架设于该透光板12与该盖板17之间。
图1-4为本发明的发色太阳能模块1的第四实施例的剖面侧视示意图。本实施例与第三实施例的差异在于太阳能模块的形式，故以下不再赘述相同处。
如图1-4所示，所述的发色太阳能模块1为全嵌入型薄膜(Fully embedded thinfilm)形式，其太阳能电池16为薄膜型，且该太阳能电池16结合于一埋设于封装层15的基板160上，其中，该盖板17为透光玻璃板。
图1A至图1D为本发明的发色太阳能模块的制法的第一实施例的示意图。
首先，将石英及至少一种本质为无色或白色的杂质化合物研磨成粉末后均匀混合，其粉末中85％以上的粒子的粒径不大于1微米(一般介于0.1微米至1微米之间)，其中，白色矿物粉末仅会让该涂层14的透明度稍许下降，但不会形成发色，使该涂层14呈现本质无色且透明的状态，而石英所常用杂质化合物的种类如下表所示：
Figure BDA0003512281550000071
所述的石英的成分为二氧化硅，其在涂层14中的主要的功能是支撑及固定其他杂质化合物材料，在熔融并冷却后，固定并粘着于玻璃表面。
所掺杂的杂质化合物种类可为碱金族、碱土族、硼族或前述的碱金族、碱土族、硼族依比例混合的材质。
所述的碱金族(CAS IA)氧化物或碳酸盐，其供作为石英粉末的助熔剂，以大幅降低石英粉末的熔点。
所述的碱土族(CAS IIA)氧化物或碳酸盐，其功能在于大幅提高该涂层14的折射率，其中，钙、锶与钡的氧化物与碳酸盐还具有稳定该涂层14的效果，以提高该涂层14的强度。
所述的碱金族(CAS IA)与碱土族(CAS IIA)铝硅酸盐的功能则在于有效提高该涂层14的折射率。
所述的氧化硼及硼砂除了可作为大幅降低石英熔点的助熔剂外，同时具有稳定及强化该涂层14的效果。
应可理解地，可依据该涂层14所需的折射率及熔点，将石英粉末与上述的化合物粉末杂质依适当比例混和均匀，故有关该涂层14的石英与杂质的材质混合方式并无限制。
接着，将杂质混合后的石英粉末制成液态涂料11，如图1A所示。
于本实施例中，将该杂质混合后的石英粉末混合溶剂时，可采用两种溶剂，如40％重量百分比以下的乙醇水溶液、或具有极性的DEF(N,N-二乙基甲酰胺，C5H11NO)溶剂。例如，将杂质混合后的石英粉末与乙醇水溶液混合均匀，且乙醇溶剂重量百分比不超过40％，并控制溶液中固含量的重量百分比在35％以下。
接着，如图1A所示，将该涂料11装入一储存槽20中，再将该涂料11涂覆于该透光板12的表面上，以形成表层流体13。
于本实施例中，该涂料11的涂覆方式利用超音波高压设备2将该涂料11喷涂(spraying)覆盖于该透光板12的表面上。例如，该超音波高压设备2包括超音波高压喷嘴(Ultrasonic high-pressure nozzle)21、连通该储存槽20与该超音波高压喷嘴21的通道22、连通该超音波高压喷嘴21的气体注入口23及对应该超音波高压喷嘴21配置的超音波针阀件24。
于使用时，令该超音波高压设备2通过通道22导入该涂料11，并利用该气体注入口23导入氮气高压辅助气体，再经由该控制超音波针阀件24将该涂料11送入该超音波高压喷嘴21，以于该透光板12的表面上借由该超音波高压喷嘴21均匀喷涂形成一表层流体13。之后，以120℃的温度烘干，再送入玻璃强化炉(Tempering oven)内，以不高于680℃的温度进行加热，该温度低于太阳能用超白玻璃的软化温度(约710℃，一般建筑玻璃软化温度则约在650℃至700℃之间，实际所需的温度应依所使用玻璃的软化点来决定)。如图1B所示，待石英粉末充分熔融后，由高温强化炉内移出后，以冷空气喷气气流(Cool air jet)进行冷却，使该表层流体13冷却硬化成该涂层14并结合于玻璃表面上。因此，于工艺上涂料11可与透光板12进行烘烤，而不致造成透光板12熔化的问题。
再者，于另一实施例中，该超音波高压设备2亦可应用于具有图纹的太阳能模块。如图1A-1所示，在喷涂该涂料11之前，在该透光板12上设置图形化喷涂掩模(Sprayingmask)25，以于喷涂该涂料11后，于该透光板12的表面上形成对应该喷涂掩模25的图案化表层流体13a，以令后续形成的涂层呈现图纹状、局部喷涂状，甚至可利用多次喷涂，使该涂层于不同区域上具有不同厚度及/或颜色而呈现立体(3D)图案，如图1A-1所示的虚线，以提高发色太阳能模块的美学性。
如图1C所示，形成封装材150(即该封装层15于图1-1所示的虚线与第一表面15a之间的部分)于该透光板12上以覆盖该涂层14。接着，将多个太阳能电池16嵌埋于该封装材150中。
如图1D所示，借由盖板17压合另一封装材于该透光板12的封装材上，以形成封装层15。之后，配置接线盒，以获取该发色太阳能模块1。
因此，本发明的发色太阳能模块1可借由该涂层14的设计产生所需的光折射路径。如图2所示，于阳光入射该透光板12而抵达该太阳能电池16之前，该入射光线L的入射路径会依序经过透光板12、涂层14及封装层15，当该涂层14的折射率同时大于该透光板12的折射率及该封装层15的折射率时，即该入射光线L会由光疏介质(该透光板12)进入光密介质(该涂层14)，再由光密介质(该涂层14)进入另一光疏介质(该封装层15)；或当该涂层14的折射率同时小于该透光板12的折射率及该封装层15的折射率时，即该入射光线L会由光密介质(该透光板12)进入光疏介质(该涂层14)，再由光疏介质(该涂层14)进入另一光密介质(该封装层15)。若石英涂层14的折射率为nq及厚度为t，λ代表入射光的色光波长，当符合2nqt＝(i+1/2)λ的光学干涉条件时(其中，i为正整数，例如1、2、3、……)，则该入射光线L将发生破坏性干涉效应(Destructive interference effect)，因而该入射光线L中的色光波长λ会被反射出该发色太阳能模块1的透光板12，使发色太阳能模块1呈现所反射的色光的颜色，以达到发色效果(Coloring effect)。
例如，若要形成绿色外观的发色太阳能模块1，以波长532nm绿光为例，该涂层14的折射率经杂质掺杂调整后为1.65，整数i为20，该涂层14的厚度t约为3.31微米，则发色太阳能模块1在阳光下的外观将呈现绿色。或者，该涂层14的折射率经杂质掺杂调整后为1.46，即该涂层14的折射率为1.46，即同时小于该透光板12的折射率(1.51至1.55)及该封装层15的折射率(1.48至1.50)，且整数i＝20，而该涂层14的厚度t约为4.63微米，则该发色太阳能模块1在阳光下时，该透光板12将会反射660nm波长的光线，使该发色太阳能模块1的外观呈现红色。
因此，混入杂质的石英材所制作的涂层14虽为本质无色，但是调整该涂层14的厚度t至色光波长λ的整数倍又二分之一波长时，该发色太阳能模块1的透光板12会因破坏性干涉效应反射该色光而呈现出发色效果，故通过单一层的含有石英的涂层14控制其折射率及于不同区域形成对应的厚度t，可达到发出不同颜色或形成图纹的功效。
图3A至图3B为本发明的发色太阳能模块1的制法的第二实施例的示意图。本实施例与第一实施例的差异在于采用不同的混合液，故以下不再赘述相同处。
首先，将杂质混合后的石英粉末混合极性DEF(N,N-二乙基甲酰胺,N,N-diethylformamide，C5H11NO)溶剂，以形成溶液状态涂料11a，并控制该溶液中的石英含量的重量百分比在40％以下，再装入储存槽30。
接着，如图3A所示，当该涂料11a混合均匀后，利用供液泵33将该涂料11a输入狭缝式涂布机(Slit Coater)3，且将透光板12置放于一可程序控制速度的移动载台(Movingstage)31上，该涂布机3的狭缝式喷嘴(Slit Nozzle)34近接于该透光板12的表面约相距10～数10微米(未接触到玻璃)时，通过该狭缝式喷嘴34与该移动载台31的相对移动，使该涂料11a经由管路32从该狭缝式喷嘴34喷出，以均匀涂布在该透光板12上。之后，借由烘烤与冷却，以令该涂料11a形成该涂层14。
于本实施例中，通过该狭缝式喷嘴34与透光板12之间的间距h及相对移动速度(如图3B所示的移动载台31的移动方向F)，以控制该表层流体13的厚度，即调整该涂层14的厚度t(如图1-1)，故该间距h愈大及/或相对移动速度愈慢，该涂层14的厚度t愈厚，反之则愈薄。
因此，本实施例的制法适用于单色或大尺寸的发色太阳能模块1的规格，不仅可进行快速大面积涂布的作业，且可减少涂料11a的浪费，以达到降低生产成本的目的。相对地，第一实施例的制法以乙醇作为溶剂，其利用高压喷嘴涂布，容易因喷出该透光板12外而造成浪费。
综上所述，本发明的发色太阳能模块1，主要借由该涂层14的设计，以达到以下技术功效：
第一点：于该透光板12内侧形成一光学干涉的涂层14，即含有石英，以借由控制该涂层14的厚度t而形成光学干涉的功效，进而将对应的色光反射出该发色太阳能模块1的外界环境，借此达到发色效果，且由于该发色太阳能模块1于发色时，仅反射部分色光，其余光线仍能通过该涂层14，故该发色太阳能模块1得以维持高光电转换效率。
第二点：通过单一涂层14的厚度t及/或折射率的调整，即可在单一透光板12上产生多种颜色，亦可在形成该涂层14时同时制作图纹，使美学性质不受限制，故可增加美学性。
第三点：本发明的发色太阳能模块1仅通过置放于大气环境中的超音波高压设备2或狭缝式涂布机3，即可形成该涂层14，而无需使用真空溅镀机等大型真空设备，故可达成降低生产成本的目的。
上述实施形态仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施形态进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种发色太阳能模块，包括：
封装层，其具有相对的第一表面与第二表面；
至少一太阳能电池，其埋设于该封装层中；以及
透光板，其具有含石英的单一涂层，其中，该透光板以该涂层结合于该封装层的第一表面上。
2.如权利要求1所述的发色太阳能模块，其中，该涂层复包含有杂质，其为碱金族、碱土族、硼族的元素的氧化物、碳酸盐、硼酸盐及硅酸盐的一种或多种所组成。
3.如权利要求1所述的发色太阳能模块，其中，该涂层的厚度为0.1至50微米。
4.如权利要求1所述的发色太阳能模块，其中，该透光板的折射率大于形成于该透光板与该至少一太阳能电池之间的该封装层的折射率。
5.如权利要求1所述的发色太阳能模块，其中，该涂层为全面单一厚度的结构或区域厚度不同的结构。
6.如权利要求1所述的发色太阳能模块，其中，该至少一太阳能电池片为硅晶太阳能电池片或薄膜太阳能电池片。
7.如权利要求1所述的发色太阳能模块，其中，该封装层的第二表面上配置有一盖板。
8.如权利要求1所述的发色太阳能模块，其中，该涂层的本质颜色为无色且透明。
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