CN115985986A - 一种宽温域柔性太阳电池组件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种宽温域柔性太阳电池组件及制备方法，涉及航天器能源系统领域，柔性太阳电池组件包括依次连接的柔性透明封装膜、透明胶粘层、薄膜太阳电池、底片胶、柔性电路基板；薄膜太阳电池通过底片胶粘贴到柔性电路基板上，薄膜太阳电池为分模块设置，相邻模块的薄膜太阳电池之间连接；柔性透明封装膜通过透明胶粘层粘接于薄膜太阳电池表面，柔性透明封装膜与透明胶粘层接触的一侧设置微结构层、另一侧设置设置SiOx膜层。实现透明封装材料与电池组件之间无气泡、高强度粘结，促进柔性太阳电池空间工程应用。

Description

一种宽温域柔性太阳电池组件及制备方法

技术领域

本发明提供了一种宽温域柔性太阳电池组件及制备方法，属于航天器能源系统领域。

背景技术

全柔性太阳电池组件具有轻量化、高压缩比、高效率的特点，对未来卫星增加载荷数量和降低发射成本的是非常有吸引力的。柔性太阳电池封装材料需要具有轻质柔性、耐高低温、热真空、电子辐照等空间环境，前表面封装材料同时需要满足长期保持高透明和机械性能的特点。

目前柔性太阳电池组件制备方式通常采用：方法一柔性透明有机薄膜(乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜、透明聚酰亚胺薄膜等)、透明热熔胶膜(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，乙烯-辛烯共聚物等)，通过层压方式进行一体化组件集成；方法二柔性玻璃、赝形玻璃、有机透明封装膜(乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜、透明聚酰亚胺薄膜等)等，通过透明液液态胶粘贴在太阳电池上表面，实现对柔性太阳电池的防护。但是方法一热熔胶膜热稳定性受限，耐温范围仅为-60℃到+80℃，不能满足空间极高极低环境温度使用需求。方法二柔性玻璃是厚度减薄的玻璃盖片，弯曲半径有限且易碎裂；赝形玻璃是由液体胶粘结微小玻璃球制备而成的薄膜，玻璃球之间的胶体直接暴露在严苛的空间环境中，存在空间环境适应差的风险；有机透明材料采用液态硅胶粘结时，存在胶接强度较差，反复弯曲后出现脱模，同时，大面积组件采用液态硅胶粘结，胶接区产生的气泡难以消除，以及有机封装膜抗空间粒子辐照性差等问题。

因此，开发既能满足全柔性太阳电池组件制备，又能满足空间环境使用要求的宽温域太阳电池组件的制备方法，显得尤为重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种宽温域柔性太阳电池组件及制备方法，实现有机膜与模块化组件之间无气泡、高粘结强度，具有轻质、柔性、耐空间环境等特点，可满足空间环境应用需求。

具体的，针对空间用全柔性薄膜太阳电池组件制备过程中存在的问题，采用模块化方式进行电池组件封装，通过对有机薄膜表面SiOx膜蒸镀、表面等离子处理以及排气孔加工进行模块化透明封装材料制备，根据透明封装材料排气孔设计进行布胶图案设计，采用液态硅胶进行流胶，实现透明封装材料与电池组件之间无气泡、高强度粘结，促进柔性太阳电池空间工程应用。

本发明的技术解决方案是：

一种宽温域柔性太阳电池组件，包括依次连接的柔性透明封装膜、透明胶粘层、薄膜太阳电池、底片胶、柔性电路基板；

薄膜太阳电池通过底片胶粘贴到柔性电路基板上，薄膜太阳电池为分模块设置，相邻模块的薄膜太阳电池之间连接；

柔性透明封装膜通过透明胶粘层粘接于薄膜太阳电池表面，柔性透明封装膜与透明胶粘层接触的一侧设置微结构层、另一侧设置设置SiOx膜层。

所述微结构层通过对柔性透明封装膜的表面进行等离子处理获得。

所述等离子处理的步骤包括：S1:将透明有机薄膜放入有机溶剂丙酮中浸泡24h后，用去离子水清洗干净，去除表面杂质；

S2：清洗后的透明有机薄膜放入烘箱中于50～60℃放置6h以上；

S3:干燥后的透明有机薄膜放入等离子处理仪器，通过负压吸附平台将透明有机薄膜样品台上。采用Ar等离子处理，微波功率约为1800W，压力约0.4Torr，Ar气流量约为800SS，处理时间为80～90S。

在该等离子处理的步骤设置下，透明有机薄膜具有足够的强度，且微结构层具有足够的粗糙度。

所述透明胶粘层采用透明液体硅橡胶布胶固化后形成。

所述透明液体硅橡胶的布胶图形包括多条相互平行的布胶线，沿着所述布胶线进行布胶，相邻布胶线之间形成排气通道，柔性透明封装膜上开设有排气孔，排气孔与排气通道连通；

排气孔正对相邻的薄膜太阳电池模块之间的缝隙区域。

一种宽温域柔性太阳电池组件的制备方法，包括：

S1:在透明有机薄膜的一侧制备SiOx膜层，采用静电保护膜粘贴到SiOx膜层表面，在透明有机薄膜的另一侧制备微结构层，得到柔性透明封装膜；

S2:对柔性透明封装膜和静电保护膜进行打孔，获得具有排气孔的柔性透明封装膜；

S3:将薄膜太阳电池的电池电路集成到柔性基板中，并预留电池串焊接窗口，获得柔性电路基板；

S4:将分模块的薄膜太阳电池通过电阻焊接方式连接，并将连接后的薄膜太阳电池通过底片胶布贴于柔性电路基板上，固化得到贴附基板；

S5:在贴附基板具有薄膜太阳电池的表面进行布胶，得到多个布胶线，然后将具有排气孔的柔性透明封装膜粘贴于布胶线上，排气孔与布胶线之间形成的排气通道连通，获得柔性电池组件；

S6:对柔性电池组件进行除气和固化。

所述透明有机薄膜为聚酰亚胺薄膜；

SiOx膜层通过蒸镀或溅射方式制备，微结构层通过等离子处理制备；

透明有机薄膜的光学透过率不低于91％，透明有机薄膜的厚度为25～50μm，SiOx膜层的厚度为300～500nm。

所述布胶间距为2～2.5mm，布胶线宽度约1～1.5mm。

所述排气孔直径为0.4～0.6mm。

所述步骤S6包括，在柔性透明封装膜表面均匀施加压力，并静止1-3h后，将施加压力撤除；然后将柔性电池组件转移到真空腔室抽真空排气，并进行热固化。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

本发明采用模块化方式进行柔性太阳电池组件的制备，通过有机薄膜表面SiOx膜蒸镀、表面等离子处理以及排气孔加工制备模块化透明封装材料，通过液态硅胶图形化布胶，实现有机膜与模块化组件之间无气泡、高粘结强度，具有轻质、柔性、耐空间环境等特点，可满足空间环境应用需求。

附图说明

图1为大面积柔性太阳电池组件模块分割图；

图2为柔性透明封装膜的平面图；

图3为柔性透明封装膜的剖视图；

图4为柔性太阳电池组件的截面图；

图5为布胶路线示意图。

附图标记说明：1、柔性透明封装膜；2、透明有机薄膜；3、SiOx膜层；4、微结构层；5、排气孔；6、透明胶粘层；7、薄膜太阳电池；8、底片胶；9、柔性电路基板。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定。

图1为大面积柔性太阳电池组件模块分割图，模块化柔性透明封装膜1可实现对3行4列薄膜太阳电池7的封装，模块化柔性透明封装膜1上包含排气孔5。

图2和图3为模块化柔性透明封装膜的平面和截面图，柔性透明封装膜1从上到下包含SiOx膜层3、透明聚酰亚胺薄膜2、透明聚酰亚胺薄膜下表面微结构4、排气孔5。

图4为柔性太阳电池组件的截面图，从上到下依次是柔性透明封装材料膜1、透明胶粘层6，薄膜太阳电池7，底片胶8，柔性电路基板9。

图5为单片电池对应的透明液态硅胶布胶图形，透明胶粘层6的布胶区域、太阳电池7、排气孔5。

本发明提供一种适用于空间应用的宽温域柔性太阳电池组件，如图4和图3所示，包括包括依次连接的柔性透明封装膜、透明胶粘层、薄膜太阳电池、底片胶、柔性电路基板。

如图1和图2所示，薄膜太阳电池通过底片胶粘贴到柔性电路基板上，薄膜太阳电池为分模块设置，相邻模块的薄膜太阳电池之间连接；柔性透明封装膜通过透明胶粘层粘接于薄膜太阳电池表面，柔性透明封装膜与透明胶粘层接触的一侧设置微结构层、另一侧设置设置SiOx膜层。

如图5所示，透明液体硅橡胶的布胶图形包括多条相互平行的布胶线，沿着布胶线进行布胶，相邻布胶线之间形成排气通道，柔性透明封装膜上开设有排气孔，排气孔与排气通道连通，且排气孔正对相邻的薄膜太阳电池模块之间的缝隙区域。

本发明还提供一种适用于空间应用的宽温域柔性太阳电池组件的制备方法,具体制备步骤如下：

步骤1：模块化透明封装膜1制备

采用光学透过率不低于91％的透明聚酰亚胺薄膜2，厚度约25μm，在透明聚酰亚胺薄膜2上表面通过磁控溅射方式制备SiOx膜层3，SiOx膜层3厚度约为500nm；

采用静电保护膜粘贴于SiOx膜层3表面，对制备的SiOx膜层3进行保护，通过对透明聚酰亚胺薄的下表面进行等离子处理，获得微结构层4，提高界面粘结强度，采用液态透明硅胶粘结后，剥离强度提升至0.28N/mm以上。

等离子处理的步骤如下：

S1:将透明有机薄膜2放入有机溶剂丙酮中浸泡24h后，用去离子水清洗干净，去除表面杂质。

S2：清洗后的透明有机薄膜2放入烘箱中于50～60℃放置6h以上。

S3:干燥后的透明有机薄膜2放入等离子处理仪器，通过负压吸附平台将透明有机薄膜2样品台上。采用Ar等离子处理，微波功率约为1800W，压力约0.4Torr，Ar气流量约为800SS，处理时间为80～90S。

根据太阳电池组件布局，将太阳电池组件分成多个模块，本实施例中，每个模块包含3行4列薄膜太阳电池7，薄膜太阳电池7的单个模块的尺寸为30.3mm×40mm。进行模块化透明封装膜1尺寸设计和排气孔5布局设计。通过激光切割透明封装膜，尺寸为124mm×126mm。对柔性透明封装膜7和静电保护膜打排气孔，排气孔5位置对应相邻薄膜太阳电池7模块之间的缝隙区域，排气孔5直径0.5mm，纵横两个方向的孔间距分别为3.13mm和4.1mm。

对制备完成的模块化透明封装膜1，通过超声清洗的方式对进行表面清洁。

步骤2：薄膜电池与电路集成制备

根据电池布局，进行太阳电池电路设计，并将电池电路集成到柔性基板中，预留电池串焊接窗口，制备柔性电路基板9。电池串焊接窗口用于将薄膜太阳电池串产生的电能与柔性基板连接，通过柔性基板电路向外输出。

支撑平整的薄膜太阳电池，通过电阻焊接方式实现薄膜太阳电池串联焊接；

通过空间太阳电池底片胶8将串联焊接后的薄膜太阳电池7布贴于柔性电路基板9上，并在常温固化24h后，进行12h真空加热固化，固化温度为60℃。

步骤3：薄膜太阳电池前表面封装

将贴附薄膜太阳电池7的柔性电路基板9固定于吸附平台上；根据透明有机薄膜排气孔5设计，进行透明胶粘层6的布胶图形设计，布胶图形包括多条相互平行的布胶线，相邻两条布胶线之间形成排气通道，排气孔5正对排气通道的两端。采用空间级透明液体硅橡胶在太阳电池正表面进行布胶，布胶间距为2.5mm，布胶线宽度约1～1.5mm，布胶后静止10min。

该布胶设置，使得排气通道内的微气泡、以及相邻薄膜太阳电池7模块之间缝隙位置的微气泡等均便于排出。布胶后静止10min中，消除布胶时产生的少了微气泡。

通过定位标记，将模块化透明封装膜1覆盖在布胶区域的太阳电池组件间上。在模块化透明封装膜1上均匀施加3N的压力，并静止2h后，将施加压力撤除。将覆盖透明封装膜的柔性电池组件转移到真空腔室抽真空排气，并进行热固化，固化温度60℃，固化时间4h。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种宽温域柔性太阳电池组件，其特征在于：包括依次连接的柔性透明封装膜(1)、透明胶粘层(6)、薄膜太阳电池(7)、底片胶(8)、柔性电路基板(9)；

薄膜太阳电池(7)通过底片胶(8)粘贴到柔性电路基板(9)上，薄膜太阳电池(7)为分模块设置，相邻模块的薄膜太阳电池(7)之间连接；

柔性透明封装膜(1)通过透明胶粘层(6)粘接于薄膜太阳电池(7)表面，柔性透明封装膜(1)与透明胶粘层(6)接触的一侧设置微结构层(4)、另一侧设置设置SiOx膜层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种宽温域柔性太阳电池组件，其特征在于：通过对所述透明有机薄膜(2)的一侧表面制备SiOx膜层(3)、另一层进行等离子处理，获得具有SiOx膜层(3)和微结构层(4)的柔性透明封装膜(1)。

3.根据权利要求2所述的一种宽温域柔性太阳电池组件，其特征在于：所述等离子处理的步骤包括：

S1:将透明有机薄膜(2)放入有机溶剂丙酮中浸泡24h后，用去离子水清洗干净，去除表面杂质。

S2：清洗后的透明有机薄膜(2)放入烘箱中于50～60℃放置6h以上。

S3:干燥后的透明有机薄膜(2)放入等离子处理仪器，通过负压吸附平台将透明有机薄膜(2)样品台上，采用Ar等离子处理，微波功率约为1800W，压力约0.4Torr，Ar气流量约为800SS，处理时间为80～90S。

4.根据权利要求1所述的一种宽温域柔性太阳电池组件，其特征在于：所述透明胶粘层(6)采用透明液体硅橡胶布胶固化后形成。

5.根据权利要求4所述的一种宽温域柔性太阳电池组件，其特征在于：所述透明液体硅橡胶的布胶图形包括多条相互平行的布胶线，沿着所述布胶线进行布胶，相邻布胶线之间形成排气通道，柔性透明封装膜(1)上开设有排气孔，排气孔与排气通道连通；

排气孔正对相邻的薄膜太阳电池(7)模块之间的缝隙区域。

6.一种宽温域柔性太阳电池组件的制备方法，其特征在于：包括

S1:在透明有机薄膜(2)的一侧制备SiOx膜层(3)，采用静电保护膜粘贴到SiOx膜层(3)表面，在透明有机薄膜(2)的另一侧制备微结构层(4)，得到柔性透明封装膜(1)；

S2:对柔性透明封装膜(1)和静电保护膜打排气孔(5)，获得具有排气孔(5)的柔性透明封装膜(1)；

S3:将薄膜太阳电池(7)的电池电路集成到柔性基板中，并预留电池串焊接窗口，获得柔性电路基板(9)；

S4:将分模块的薄膜太阳电池(7)通过电阻焊接方式连接，并将连接后的薄膜太阳电池(7)通过底片胶(8)布贴于柔性电路基板(9)上，固化得到贴附基板；

S5:在贴附基板具有薄膜太阳电池(7)的表面进行布胶，得到多个布胶线，然后将具有排气孔的柔性透明封装膜(1)粘贴于布胶线上，排气孔(5)与布胶线之间形成的排气通道连通，获得柔性电池组件；

S6:对柔性电池组件进行除气和固化。

7.根据权利要求6所述的一种宽温域柔性太阳电池组件的制备方法，其特征在于：所述透明有机薄膜(2)为聚酰亚胺薄膜；

SiOx膜层(3)通过蒸镀或溅射方式制备，微结构层(4)通过等离子处理制备；

透明有机薄膜(2)的光学透过率不低于91％，透明有机薄膜(2)的厚度为25～50μm，SiOx膜层(3)的厚度为300～500nm。

8.根据权利要求6所述的一种宽温域柔性太阳电池组件的制备方法，其特征在于：所述布胶间距为2～2.5mm，布胶线宽度约1～1.5mm。

9.根据权利要求6所述的一种宽温域柔性太阳电池组件的制备方法，其特征在于：所述排气孔(5)直径为0.4～0.6mm。

10.根据权利要求1所述的一种宽温域柔性太阳电池组件的制备方法，其特征在于：所述步骤S6包括，在柔性透明封装膜(1)表面均匀施加压力，并静止1-3h后，将施加压力撤除；然后将柔性电池组件转移到真空腔室抽真空排气，并进行热固化。

Images