獨立光陷阱型光伏玻璃的製作方法

2023-06-29 13:16:51

獨立光陷阱型光伏玻璃的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用於太陽能電池的光伏玻璃，該光伏玻璃的表面具有獨立的圓環形結構，即獨立光陷阱結構，其中環的外徑在0.1～5mm範圍內，內外環的夾角小於等於90°，由此使光線的多次反射和折射在該獨立的圓環形結構內完成。採用上述光伏玻璃，可將首次進入到玻璃界面的入射光的99.8%捕獲，即：使首次產生的反射光中的96％被捕獲後再加以利用。而現有的光伏玻璃產品大約只能夠捕獲到首次進入到玻璃界面的反射光的30～40%，故採用本實用新型的光伏玻璃，能夠使更多的光透過光伏玻璃參與光電轉換，大幅度提高了太陽能電池的發電率。
【專利說明】獨立光陷阱型光伏玻璃

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及應用於太陽能光伏電池的光伏玻璃，特別涉及一種獨立光陷阱型的高透光度光伏玻璃。

【背景技術】
[0002]目前，能源的緊缺已經成為困擾世界各國發展的核心問題，太陽能作為一種既豐富又不會造成環境汙染的可持續利用的綠色能源，從長期戰略考慮，發展和利用太陽能是各國可持續發展的重要一環。目前，全球範圍內太陽能的利用主要有兩種方式:一種是通過集熱器將太陽輻射能轉化為熱能，例如太陽能熱水器等；另一種是通過太陽能電池將太陽能轉化為電能，即光伏發電，例如太陽能電池等。而無論是光能轉化為熱能的裝置，還是將光能轉化為電能的裝置，太陽能封裝組件都是其必不可少的組件之一，而太陽能封裝組件必須具備:光透過率高(透過率大於等於91%，含Fe2O3小於等於150ppm)、不透水、長期暴露在自然環境下性能無嚴重退化、對外力和熱應力有較高的機械強度、具有一定的耐腐蝕性能、膨脹係數小等。目前，可滿足上述條件的只有新型太陽能光伏玻璃和透明塑料板，但眾所周知，由於透明塑料板易老化、軟化點低、熱膨脹係數大而不易用作蓋板，而新型太陽能光伏玻璃由於具有化學性能穩定，幾乎不發生老化等優點而被廣泛成為太陽能封裝組件材料的優選。
[0003]太陽能電池又稱為「太陽能晶片」或「光電池」，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在有迴路的情況下產生電流。在物理學上稱為太陽能光伏(縮寫為PV)，簡稱光伏。而太陽能電池包括光伏玻璃、太陽能電池片等，其中光伏玻璃用於保護髮電主體(例如太陽能電池片)，而且必須滿足透光率高(如上所述，透光率一般為91%以上)以及超白鋼化處理；而太陽能電池片主要用於發電。這其中太陽能電池片2的轉換效率是影響太陽能電池性能的關鍵指標。目前已知的影響太陽能電池轉換效率的因素很多，譬如太陽能光強、電池材料、製造工藝水平等因素，上述各種因素導致目前在太陽能電池片的轉換效率研究中，意欲提高1%的轉換效率對產業界來說已是十分困難。
[0004]而根據太陽能電池的結構可知，光伏玻璃的透光度直接影響太陽能電池的轉換效率，故如果能夠提高光伏玻璃的透光度，將提高太陽能電池的光電轉換效率。
[0005]為了實現光的低反射率、低吸收率以及高光透過率，專利文獻I公開了一種控制表面形貌改變鏡面反射的光學元件，採用可削弱電磁波沿物體宏觀表面發生鏡面反射並可降低其總反射率且起到光學陷阱作用的光學器件，該光學器件具有反射和吸收能力的、表面由高低不一的若干個錐體錯落排列而成的錐形浮雕；表面浮雕的高度在0.1微米至2毫米之間，該表面浮雕的基本重複單元的形狀為稜錐形或三角錐形或多角椎形，每個重複單元的底面積為0.04平方微米至8平方毫米。
[0006]非專利文獻2揭示了光陷阱在晶矽太陽能電池中的應用，其公開了為了降低反射而採用光陷阱，其中常見的光陷阱包括金字塔絨面，其正方錐體絨面每個立方的頂角為70° 23』，絨面可將反射率降至光面的1/3，通過對絨面的光學性質進一步進行計算可知，還具有11%的二次反射光可能進行第三次反射和折射，由此可計算出絨面的反射率為9.04%ο
[0007]專利文獻3公開了一種玻璃球一小孔陣光陷阱技術，在某種材料的薄板上製作出小孔陣列，薄板兩面包括小孔側壁經過鍍金屬反射層後在上表面依次鍍上薄膜電池所需的各種材料，在薄板上表面的每個小孔頂部放置有玻璃球，這些緊密相依的玻璃球組成表面玻璃球陣列，其能夠將陽光聚集成尺度微小的強光束陣列，這些光束能夠穿過薄板小孔，被陷入在薄板和位於薄板下面的超薄光伏電池板之間，被多次吸收並轉換成光能，形成光陷阱。
[0008]上述專利文獻I和非專利文獻2採用了錐形/金字塔形凸起作為光陷阱結構，專利文獻3採用了小孔陣光陷阱結構，但根據上述專利文獻和非專利文獻的記載，其最低可將二次反射後的反射率降為1%。也就是說，採用上述技術，光的透過率並沒有出現預料之外的大幅度的提高。
[0009]專利文獻1:CN1157929A
[0010]非專利文獻2:?光陷阱在晶矽太陽能電池中的應用》(?雷射與光電子學進展》，2004，41 卷，第 5 期，第 56-58,44 頁)
[0011]專利文獻3 CN102623578A。
實用新型內容
[0012]本實用新型鑑於上述現有技術中存在的技術問題，其目的在於提供一種應用於太陽能電池的獨立光陷阱型光伏玻璃，其採用特殊的獨立光陷阱結構，降低光反射率，由此大幅度提聞了光的透過率，從而進一步提聞了太陽能電池片的光電轉換效率。
[0013]根據本實用新型的一個技術方案，提供一種用於太陽能電池的光伏玻璃，該光伏玻璃的表面具有獨立的圓環形結構，即獨立光陷阱結構，其中環的外徑在0.1?5mm範圍內，內外環的夾角小於等於90°，由此使光線的多次反射和折射在該獨立的圓環形結構內完成。
[0014]優選地，在本實用新型所涉及的光伏玻璃中，在獨立光陷阱的空白位置設置有更小的光陷阱以改善光透過率。
[0015]優選地，在本實用新型所涉及的光伏玻璃中，更小的光陷阱為凹形尖圓錐形狀。
[0016]優選地，在本實用新型所涉及的光伏玻璃中，獨立光陷阱呈蜂窩狀緊密排列。
[0017]優選地，在本實用新型所涉及的光伏玻璃中，獨立光陷阱呈正方形排列。
[0018]本實用新型的獨立光陷阱型光伏玻璃由於採用了特有的環狀光陷阱結構，可將首次進入到玻璃界面的入射光的99.8%捕獲，即:使首次產生的反射光中的96%被捕獲後再加以利用。而現有的光伏玻璃產品大約只能夠捕獲到首次進入到玻璃界面的反射光的30 %?40%，故採用本實用新型的光伏玻璃，能夠使更多的光透過光伏玻璃參與光電轉換，這樣提高了太陽能電池的發電率。
[0019]據統計，截至2011年中國已經生產出約3000萬千瓦的太陽能電池，該產量約佔全世界總產量的一半，而相應地需要3億平方米的光伏玻璃。如果相關太陽能電池組件生產商以高於目前市場價2%?3%的採購價來購買本實用新型的光伏玻璃(光伏玻璃僅佔總成本的8%)，則經過核算可知，相關光伏玻璃生產商家可增加盈利2%?3%，而相關太陽能電池組件生產商則可增加盈利1.8%?2.7%，故本實用新型的商業價值、市場發展前景非常可觀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是太陽能電池的結構圖。
[0021]圖2是本實用新型的光伏玻璃的光透過原理圖。
[0022]圖3是表示本實用新型的光伏玻璃的獨立光陷阱結構的圖。
[0023]圖4是表示本實用新型的光伏玻璃的獨立光陷阱結構的平面排列的圖。
[0024]圖5是表示本實用新型的光伏玻璃的表面結構的圖。
[0025]圖6是在各光陷阱的空白位置製作出的小陷阱的立體圖。
[0026]附圖標記說明
[0027]I光伏玻璃
[0028]2太陽能電池片
[0029]3 襯底
[0030]4粘結劑
[0031]5密封膠
[0032]6 框架
[0033]10獨立光陷阱
[0034]12小陷阱。

【具體實施方式】
[0035]某些術語在本申請文件中自始至終用來指示特定部件。如本領域的技術人員將認識到的那樣，通常可以用不同的名稱來指示相同的部件，因而本申請文件不意圖區別那些只是在名稱上不同而不是在功能方面不同的部件。在本申請文件中，以開放的形式使用術語「包括(comprise)」、「包含(include)」和「具有(have)」，並且因此應將其解釋為意指「包括但不限於…」。此外，在本文中可能使用的術語「大約」、「實質上」或者「近似地」涉及行業所接受的對相應術語的容差。
[0036]在以下說明中，出於解釋的目的，闡述許多特定細節以便提供對本實用新型的透徹理解。然而，對於本領域的技術人員來說將顯而易見的是，可以在沒有這些特定細節的情況下實施本實用新型的裝置、方法和設備。在本說明書中對「實施例」、「示例」或類似語言的提及意指結合該實施例或示例所描述的特定特徵、結構或特性被包括在至少那一個實施例或示例中，但不一定會被包括在其它的實施例或示例中。
[0037]以下，結合優選實施例和說明書附圖對本實用新型作進一步描述。
[0038]圖1是太陽能電池的結構圖，其包括:用於太陽能電池的封裝保護的光伏玻璃1、作為將太陽光能直接轉換為電能的半導體器件的太陽能電池片2、襯底3、粘結劑4、密封膠5和框架6等。如上文中所提及的那樣，根據附圖1的太陽能電池的結構可知，光伏玻璃I是太陽能電池的重要組件之一，不僅擔負著保護、透光以及電池電極等作用，還具有增加光線利用率，提高電池效能的重要特性，光伏玻璃I的透光度直接影響到太陽能電池本身的光電轉換效率，故本實用新型著眼於提高光伏玻璃I的透光度進行研究。
[0039]目前，人們已經提出了很多有效方法來提高電池的光電轉換效率，如量子點結構、波長轉換結構和陷光結構等。本實用新型提供一種針對現有的光伏玻璃的新穎的陷光結構(陷光結構也被稱為「光陷阱」，是指當光線照射進入這一結構後，全部或者大部分光線都不會被反射回來。不同的表面會產生不同的陷光效果，進而對光伏電池產生不同影響)，即環狀鏡設計，使光的多次反射和折射可以在一個獨立的圓環形結構內完成，在本申請中將該獨立的圓環形結構稱之為「獨立光陷阱」。另外，陷光結構對入射光的散射能力也是判斷陷光結構優劣的重要指標，好的陷光結構不但能夠散射很多光線，而且散射光還應該分布在較大的角度範圍內，這樣能夠使更多的光線增加吸收光程，也能夠使不同角度的入射光都進入到太陽能電池的吸收範圍內，有利電池在實際使用過程中充分利用斜射陽光，提高發電能力。現有的光伏玻璃是在其表面壓制呈不規則分布的山丘狀凸起，但該結構只能捕獲少量的反射光。為了充分捕獲反射光，提高光透過率，本實用新型採用多個上述獨立光陷阱單元並使其布滿光伏玻璃I的表面，從而光線能夠經過多次反射和折射後，將反射光幾乎全部納入到太陽能電池片2中，由此大大地提高了光透過率，並由此提高太陽能電池本身的光電轉換效率，取得了突出的實際應用效果。
[0040]圖5是表示本實用新型的光伏玻璃的表面結構的圖，如該附圖5所示，光伏玻璃I的底面維持現有的網紋面，其頂面(即上表面)具有經專用壓花設備壓製出的花型，該花型為獨立的圓環形結構，即獨立光陷阱10，各獨立光陷阱10呈蜂窩狀緊密排列，並且該獨立光陷阱10在頂面上均勻連續地分布。
[0041]圖3示出了該獨立光陷阱的平面結構，其中該圓環形結構的內外環的夾角〈90° ,環的外徑由光伏玻璃的厚度來決定,在本實用新型中，該環的外徑確定為0.1?5_。
[0042]圖4示出了本實用新型的光伏玻璃的獨立光陷阱的平面排列。如附圖4所示，各獨立光陷阱10呈蜂窩狀緊密排列，由此能夠最大限度地利用表面積。同時，為了提高光透過率，可在各獨立光陷阱10的環與環的交接處製作出一些小陷阱12。
[0043]圖6是在各獨立光陷阱的空白位置製作出的小陷阱的立體圖。如附圖6所示，小陷阱12為凹形尖圓錐狀，以此改善光透過率。
[0044]在本實施方式中，各獨立光陷阱10呈蜂窩狀緊密排列，但各獨立光陷阱10的排列並不限於蜂窩式緊密排列，也可以採用例如正方形排列等，但是正方形排列等排列形式雖然加工簡便，但效率稍差，其並不是本實用新型的首選。
[0045]在本實用新型中，採用該特殊的環狀光陷阱結構來製作光伏玻璃以及太陽能電池的其它透明材料。由於本實用新型的光伏玻璃具有上述特殊的獨立光陷阱結構，能夠使絕大部分(大約99.8%)進入到玻璃內的光線產生二次反射、三次反射、四次反射甚至更多次的反射，故被反射回大氣層的光線大大減少，從而增強了光線的透過率。
[0046]下面詳細說明本實用新型的光伏玻璃的光透過原理。根據物理學原理，當光從一種介質進入到另一種介質時，只要介質的密度不同，就將發生反射和折射。當入射光在光伏玻璃的陷光結構的斜面上產生一次反射和一次折射後，一部分反射光又入射到相鄰的斜面，再次產生二次入射，這樣使得入射光增加。同時，在多次入射的過程中，產生了不同角度的入射光，起到了光散射的效果。
[0047]圖2是本實用新型的光伏玻璃的光透過原理圖，如該圖2所示，當光線S入射到本實用新型的獨立光陷阱10的A-B斜面時，將發生反射和折射，產生反射光線SI和折射光線S2，而當反射光線SI前進到該獨立光陷阱10的相鄰斜面，即B-C斜面時，該反射光線SI再次發生反射和折射，產生反射光線S3和折射光線S4(圖中未示出)，該反射光線S3在另一界面再次發生反射和折射，產生反射光線S5和折射光線S6......依次類推，由於該獨立光陷阱10密集分布在光伏玻璃I的表面以及其獨特的結構，最後，絕大部分光線被多次折射，而被反射回大氣層的光線大大減少。
[0048]在本實用新型中，如附圖2所示，在發生第一次反射和折射時，入射光線的大約96%在獨立光陷阱結構的斜面上發生折射，而大約有4%的光線在該斜面上發生反射，該發生了反射的大約4%的光線在上述獨立光陷阱結構的相鄰斜面繼續發生反射和折射，經過多次反射和折射後，最後，大約4%的反射光線中的大約3.64% (即:4%X96% = 3.64%)被捕獲，而僅僅有大約0.16%的光線被返回到大氣層。
[0049]另外，為了加工出獨立光陷阱結構的花形，本申請的實用新型人開發出相應的專用設備和專用刀具，能夠較容易地製造出母輪，而採用母輪去滾壓軋輥則為傳統的技術。為此，發明人曾進行多次試驗，實現了在直徑為300mm的軋輥滾壓出0.15mm的錐形花紋，接下來只需採用本實用新型的軋輥取代現有的光伏生產線上的軋輥，即可生產出新的獨立光陷講型光伏玻璃。
[0050]下面對本實用新型的獨立光陷阱結構的光伏玻璃的加工過程進行簡要說明。
[0051]本申請的發明人採用上述專用設備和專用刀具加工出帶有獨立光陷阱結構的母輪，然後，採用該母輪去滾壓軋輥，最後將該軋輥安裝到壓延機上壓製出玻璃、PMMA、PET等透明板片。
[0052]從技術層面來看，現有的軋輥是採用腐蝕法加工而成的，其加工過程複雜，成本較高。而本實用新型採用上述的滾壓方法，既能夠降低成本又簡單可靠。
[0053]通過以上實施方式的描述，本領域中的普通技術人員能夠理解，在不偏離本實用新型的精神和範圍的情況下，還可以對本實用新型的【具體實施方式】作出各種變更和替換。這些變更和替換都落在本實用新型的權利要求書所限定的範圍內。
【權利要求】
1.一種用於太陽能電池的光伏玻璃，其特徵在於，該光伏玻璃的表面具有獨立的圓環形結構，即獨立光陷阱結構，其中環的外徑在0.1?5mm範圍內，內外環的夾角小於等於90°，由此使光線的多次反射和折射在該獨立的圓環形結構內完成。
2.根據權利要求1所述的光伏玻璃，其特徵在於，在所述獨立光陷阱的空白位置設置有更小的光陷阱以改善光透過率。
3.根據權利要求2述的光伏玻璃，其特徵在於，所述更小的光陷阱為凹形尖圓錐形狀。
4.根據權利要求1?3中任意一項所述的光伏玻璃，其特徵在於，所述獨立光陷阱呈蜂窩狀緊密排列。
5.根據權利要求1?3中任意一項所述的光伏玻璃，其特徵在於，所述獨立光陷阱呈正方形排列。
6.一種太陽能電池，其具有用於封裝保護的、權利要求1?5所述的光伏玻璃。
7.一種用於加工光伏玻璃花形的裝置，其特徵在於，所述花形呈獨立的圓環形結構，即獨立環狀光陷阱結構，其中環的外徑在0.1?5mm範圍內，內外環的夾角小於等於90°。
【文檔編號】H01L31/048GK204167330SQ201420510431
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】嚴世傑, 嚴斌, 嚴慷 申請人:嚴世傑