CN204167330U - 独立光陷阱型光伏玻璃 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于太阳能电池的光伏玻璃，该光伏玻璃的表面具有独立的圆环形结构，即独立光陷阱结构，其中环的外径在0.1～5mm范围内，内外环的夹角小于等于90°，由此使光线的多次反射和折射在该独立的圆环形结构内完成。采用上述光伏玻璃，可将首次进入到玻璃界面的入射光的99.8%捕获，即：使首次产生的反射光中的96％被捕获后再加以利用。而现有的光伏玻璃产品大约只能够捕获到首次进入到玻璃界面的反射光的30～40%，故采用本实用新型的光伏玻璃，能够使更多的光透过光伏玻璃参与光电转换，大幅度提高了太阳能电池的发电率。
Description
技术领域
本实用新型涉及应用于太阳能光伏电池的光伏玻璃，特别涉及一种独立光陷阱型的高透光度光伏玻璃。
背景技术
目前，能源的紧缺已经成为困扰世界各国发展的核心问题，太阳能作为一种既丰富又不会造成环境污染的可持续利用的绿色能源，从长期战略考虑，发展和利用太阳能是各国可持续发展的重要一环。目前，全球范围内太阳能的利用主要有两种方式：一种是通过集热器将太阳辐射能转化为热能，例如太阳能热水器等；另一种是通过太阳能电池将太阳能转化为电能，即光伏发电，例如太阳能电池等。而无论是光能转化为热能的装置，还是将光能转化为电能的装置，太阳能封装组件都是其必不可少的组件之一，而太阳能封装组件必须具备：光透过率高（透过率大于等于91%，含Fe2O3小于等于150ppm）、不透水、长期暴露在自然环境下性能无严重退化、对外力和热应力有较高的机械强度、具有一定的耐腐蚀性能、膨胀系数小等。目前，可满足上述条件的只有新型太阳能光伏玻璃和透明塑料板，但众所周知，由于透明塑料板易老化、软化点低、热膨胀系数大而不易用作盖板，而新型太阳能光伏玻璃由于具有化学性能稳定，几乎不发生老化等优点而被广泛成为太阳能封装组件材料的优选。
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（缩写为PV），简称光伏。而太阳能电池包括光伏玻璃、太阳能电池片等,其中光伏玻璃用于保护发电主体（例如太阳能电池片），而且必须满足透光率高（如上所述，透光率一般为91%以上）以及超白钢化处理；而太阳能电池片主要用于发电。这其中太阳能电池片2的转换效率是影响太阳能电池性能的关键指标。目前已知的影响太阳能电池转换效率的因素很多，譬如太阳能光强、电池材料、制造工艺水平等因素，上述各种因素导致目前在太阳能电池片的转换效率研究中，意欲提高1%的转换效率对产业界来说已是十分困难。
而根据太阳能电池的结构可知，光伏玻璃的透光度直接影响太阳能电池的转换效率，故如果能够提高光伏玻璃的透光度，将提高太阳能电池的光电转换效率。
为了实现光的低反射率、低吸收率以及高光透过率，专利文献1公开了一种控制表面形貌改变镜面反射的光学元件，采用可削弱电磁波沿物体宏观表面发生镜面反射并可降低其总反射率且起到光学陷阱作用的光学器件，该光学器件具有反射和吸收能力的、表面由高低不一的若干个锥体错落排列而成的锥形浮雕；表面浮雕的高度在0.1微米至2毫米之间，该表面浮雕的基本重复单元的形状为棱锥形或三角锥形或多角椎形，每个重复单元的底面积为0.04平方微米至8平方毫米。
非专利文献2揭示了光陷阱在晶硅太阳能电池中的应用，其公开了为了降低反射而采用光陷阱，其中常见的光陷阱包括金字塔绒面，其正方锥体绒面每个立方的顶角为70°23’，绒面可将反射率降至光面的1/3，通过对绒面的光学性质进一步进行计算可知，还具有11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可计算出绒面的反射率为9.04%。
专利文献3公开了一种玻璃球－小孔阵光陷阱技术，在某种材料的薄板上制作出小孔阵列，薄板两面包括小孔侧壁经过镀金属反射层后在上表面依次镀上薄膜电池所需的各种材料，在薄板上表面的每个小孔顶部放置有玻璃球，这些紧密相依的玻璃球组成表面玻璃球阵列，其能够将阳光聚集成尺度微小的强光束阵列，这些光束能够穿过薄板小孔，被陷入在薄板和位于薄板下面的超薄光伏电池板之间，被多次吸收并转换成光能，形成光陷阱。
上述专利文献1和非专利文献2采用了锥形/金字塔形凸起作为光陷阱结构，专利文献3采用了小孔阵光陷阱结构，但根据上述专利文献和非专利文献的记载，其最低可将二次反射后的反射率降为1%。也就是说，采用上述技术，光的透过率并没有出现预料之外的大幅度的提高。
专利文献1：CN1157929A
非专利文献2：«光陷阱在晶硅太阳能电池中的应用»（«激光与光电子学进展»，2004，41卷，第5期，第56-58、44页）
专利文献3 CN102623578A。
实用新型内容
本实用新型鉴于上述现有技术中存在的技术问题，其目的在于提供一种应用于太阳能电池的独立光陷阱型光伏玻璃，其采用特殊的独立光陷阱结构，降低光反射率，由此大幅度提高了光的透过率，从而进一步提高了太阳能电池片的光电转换效率。
根据本实用新型的一个技术方案，提供一种用于太阳能电池的光伏玻璃，该光伏玻璃的表面具有独立的圆环形结构，即独立光陷阱结构，其中环的外径在0.1～5mm范围内，内外环的夹角小于等于90°，由此使光线的多次反射和折射在该独立的圆环形结构内完成。
优选地，在本实用新型所涉及的光伏玻璃中，在独立光陷阱的空白位置设置有更小的光陷阱以改善光透过率。
优选地，在本实用新型所涉及的光伏玻璃中，更小的光陷阱为凹形尖圆锥形状。
优选地，在本实用新型所涉及的光伏玻璃中，独立光陷阱呈蜂窝状紧密排列。
优选地，在本实用新型所涉及的光伏玻璃中，独立光陷阱呈正方形排列。
本实用新型的独立光陷阱型光伏玻璃由于采用了特有的环状光陷阱结构，可将首次进入到玻璃界面的入射光的99.8%捕获，即：使首次产生的反射光中的96％被捕获后再加以利用。而现有的光伏玻璃产品大约只能够捕获到首次进入到玻璃界面的反射光的30％～40%，故采用本实用新型的光伏玻璃，能够使更多的光透过光伏玻璃参与光电转换，这样提高了太阳能电池的发电率。
据统计，截至2011年中国已经生产出约3000万千瓦的太阳能电池，该产量约占全世界总产量的一半，而相应地需要3亿平方米的光伏玻璃。如果相关太阳能电池组件生产商以高于目前市场价2％～3%的采购价来购买本实用新型的光伏玻璃（光伏玻璃仅占总成本的8%），则经过核算可知，相关光伏玻璃生产商家可增加盈利2％～3%，而相关太阳能电池组件生产商则可增加盈利1.8％～2.7%，故本实用新型的商业价值、市场发展前景非常可观。
附图说明
图1是太阳能电池的结构图。
图2是本实用新型的光伏玻璃的光透过原理图。
图3是表示本实用新型的光伏玻璃的独立光陷阱结构的图。
图4是表示本实用新型的光伏玻璃的独立光陷阱结构的平面排列的图。
图5是表示本实用新型的光伏玻璃的表面结构的图。
图6是在各光陷阱的空白位置制作出的小陷阱的立体图。
附图标记说明
1 光伏玻璃
2 太阳能电池片
3 衬底
4 粘结剂
5 密封胶
6 框架
10独立光陷阱
12小陷阱。
具体实施方式
某些术语在本申请文件中自始至终用来指示特定部件。如本领域的技术人员将认识到的那样，通常可以用不同的名称来指示相同的部件，因而本申请文件不意图区别那些只是在名称上不同而不是在功能方面不同的部件。在本申请文件中，以开放的形式使用术语“包括（comprise）”、“包含（include）”和“具有（have）”，并且因此应将其解释为意指“包括但不限于…”。此外，在本文中可能使用的术语“大约”、“实质上”或者“近似地”涉及行业所接受的对相应术语的容差。
在以下说明中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以便提供对本实用新型的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实施本实用新型的装置、方法和设备。在本说明书中对“实施例”、“示例”或类似语言的提及意指结合该实施例或示例所描述的特定特征、结构或特性被包括在至少那一个实施例或示例中，但不一定会被包括在其它的实施例或示例中。
以下，结合优选实施例和说明书附图对本实用新型作进一步描述。
图1是太阳能电池的结构图，其包括:用于太阳能电池的封装保护的光伏玻璃1、作为将太阳光能直接转换为电能的半导体器件的太阳能电池片2、衬底3、粘结剂4、密封胶5和框架6等。如上文中所提及的那样，根据附图1的太阳能电池的结构可知，光伏玻璃1是太阳能电池的重要组件之一，不仅担负着保护、透光以及电池电极等作用，还具有增加光线利用率，提高电池效能的重要特性，光伏玻璃1的透光度直接影响到太阳能电池本身的光电转换效率，故本实用新型着眼于提高光伏玻璃1的透光度进行研究。
目前，人们已经提出了很多有效方法来提高电池的光电转换效率，如量子点结构、波长转换结构和陷光结构等。本实用新型提供一种针对现有的光伏玻璃的新颖的陷光结构（陷光结构也被称为“光陷阱”，是指当光线照射进入这一结构后，全部或者大部分光线都不会被反射回来。不同的表面会产生不同的陷光效果，进而对光伏电池产生不同影响），即环状镜设计，使光的多次反射和折射可以在一个独立的圆环形结构内完成，在本申请中将该独立的圆环形结构称之为“独立光陷阱”。另外，陷光结构对入射光的散射能力也是判断陷光结构优劣的重要指标，好的陷光结构不但能够散射很多光线，而且散射光还应该分布在较大的角度范围内，这样能够使更多的光线增加吸收光程，也能够使不同角度的入射光都进入到太阳能电池的吸收范围内，有利电池在实际使用过程中充分利用斜射阳光，提高发电能力。现有的光伏玻璃是在其表面压制呈不规则分布的山丘状凸起，但该结构只能捕获少量的反射光。为了充分捕获反射光，提高光透过率，本实用新型采用多个上述独立光陷阱单元并使其布满光伏玻璃1的表面，从而光线能够经过多次反射和折射后，将反射光几乎全部纳入到太阳能电池片2中，由此大大地提高了光透过率，并由此提高太阳能电池本身的光电转换效率，取得了突出的实际应用效果。
图5是表示本实用新型的光伏玻璃的表面结构的图，如该附图5所示，光伏玻璃1的底面维持现有的网纹面，其顶面（即上表面）具有经专用压花设备压制出的花型，该花型为独立的圆环形结构，即独立光陷阱10，各独立光陷阱10呈蜂窝状紧密排列，并且该独立光陷阱10在顶面上均匀连续地分布。
图3示出了该独立光陷阱的平面结构，其中该圆环形结构的内外环的夹角< 90°，环的外径由光伏玻璃的厚度来决定，在本实用新型中，该环的外径确定为0.1～5mm。
图4示出了本实用新型的光伏玻璃的独立光陷阱的平面排列。如附图4所示，各独立光陷阱10呈蜂窝状紧密排列，由此能够最大限度地利用表面积。同时，为了提高光透过率，可在各独立光陷阱10的环与环的交接处制作出一些小陷阱12。
图6是在各独立光陷阱的空白位置制作出的小陷阱的立体图。如附图6所示，小陷阱12为凹形尖圆锥状，以此改善光透过率。
在本实施方式中，各独立光陷阱10呈蜂窝状紧密排列，但各独立光陷阱10的排列并不限于蜂窝式紧密排列，也可以采用例如正方形排列等，但是正方形排列等排列形式虽然加工简便，但效率稍差，其并不是本实用新型的首选。
在本实用新型中，采用该特殊的环状光陷阱结构来制作光伏玻璃以及太阳能电池的其它透明材料。由于本实用新型的光伏玻璃具有上述特殊的独立光陷阱结构，能够使绝大部分（大约99.8％）进入到玻璃内的光线产生二次反射、三次反射、四次反射甚至更多次的反射，故被反射回大气层的光线大大减少，从而增强了光线的透过率。
下面详细说明本实用新型的光伏玻璃的光透过原理。根据物理学原理，当光从一种介质进入到另一种介质时，只要介质的密度不同，就将发生反射和折射。当入射光在光伏玻璃的陷光结构的斜面上产生一次反射和一次折射后，一部分反射光又入射到相邻的斜面，再次产生二次入射，这样使得入射光增加。同时，在多次入射的过程中，产生了不同角度的入射光，起到了光散射的效果。
图2是本实用新型的光伏玻璃的光透过原理图，如该图2所示，当光线S入射到本实用新型的独立光陷阱10的A-B斜面时，将发生反射和折射，产生反射光线S1和折射光线S2，而当反射光线S1前进到该独立光陷阱10的相邻斜面，即B-C斜面时，该反射光线S1再次发生反射和折射，产生反射光线S3和折射光线S4(图中未示出)，该反射光线S3在另一界面再次发生反射和折射，产生反射光线S5和折射光线S6......依次类推,由于该独立光陷阱10密集分布在光伏玻璃1的表面以及其独特的结构，最后，绝大部分光线被多次折射，而被反射回大气层的光线大大减少。
在本实用新型中，如附图2所示，在发生第一次反射和折射时，入射光线的大约96%在独立光陷阱结构的斜面上发生折射，而大约有4%的光线在该斜面上发生反射，该发生了反射的大约4%的光线在上述独立光陷阱结构的相邻斜面继续发生反射和折射，经过多次反射和折射后，最后，大约4%的反射光线中的大约3.64%（即：4%×96%＝3.64%）被捕获，而仅仅有大约0.16%的光线被返回到大气层。
另外，为了加工出独立光陷阱结构的花形，本申请的实用新型人开发出相应的专用设备和专用刀具，能够较容易地制造出母轮，而采用母轮去滚压轧辊则为传统的技术。为此，发明人曾进行多次试验，实现了在直径为300mm的轧辊滚压出0.15mm的锥形花纹，接下来只需采用本实用新型的轧辊取代现有的光伏生产线上的轧辊，即可生产出新的独立光陷阱型光伏玻璃。
下面对本实用新型的独立光陷阱结构的光伏玻璃的加工过程进行简要说明。
本申请的发明人采用上述专用设备和专用刀具加工出带有独立光陷阱结构的母轮，然后，采用该母轮去滚压轧辊，最后将该轧辊安装到压延机上压制出玻璃、PMMA、PET等透明板片。
从技术层面来看，现有的轧辊是采用腐蚀法加工而成的，其加工过程复杂，成本较高。而本实用新型采用上述的滚压方法，既能够降低成本又简单可靠。
通过以上实施方式的描述，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以对本实用新型的具体实施方式作出各种变更和替换。这些变更和替换都落在本实用新型的权利要求书所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种用于太阳能电池的光伏玻璃，其特征在于，该光伏玻璃的表面具有独立的圆环形结构，即独立光陷阱结构，其中环的外径在0.1～5mm范围内，内外环的夹角小于等于90°，由此使光线的多次反射和折射在该独立的圆环形结构内完成。
2.根据权利要求1所述的光伏玻璃，其特征在于，在所述独立光陷阱的空白位置设置有更小的光陷阱以改善光透过率。
3.根据权利要求2述的光伏玻璃，其特征在于，所述更小的光陷阱为凹形尖圆锥形状。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的光伏玻璃，其特征在于，所述独立光陷阱呈蜂窝状紧密排列。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的光伏玻璃，其特征在于，所述独立光陷阱呈正方形排列。
6.一种太阳能电池，其具有用于封装保护的、权利要求1～5所述的光伏玻璃。
7.一种用于加工光伏玻璃花形的装置，其特征在于，所述花形呈独立的圆环形结构，即独立环状光陷阱结构，其中环的外径在0.1～5mm范围内，内外环的夹角小于等于90°。
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| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20150218 |