作为太阳能模组系统所用封装的提高日光采集效率的波长转换材料的制作方法
【专利说明】作为太阳能模组系统所用封装的提高日光采集效率的波长 转换材料
[0001] 本申请是申请日为2012年9月28日、发明名称为"作为太阳能模组系统所用封装 的提高日光采集效率的波长转换材料"的中国专利申请201280001372. 5 (PCT申请号PCT/ US2012/058070)的分案申请。
[0002] 相关申请的引用
[0003] 本专利申请要求2011年12月6日提交的第61/567, 548号美国临时专利申请和 2012年6月21日提交的第61/662, 848号美国临时申请的优先权。所有上述申请在此通过 援引全部并入本文以用于所有目的。
[0004] 发明背景
技术领域
[0005] 本发明的实施方案通常涉及用于太阳能电池、太阳能电池板或光伏装置的包含发 光波长转换材料的封装结构，所述封装结构提高了这些装置的日光采集效率。
[0006] 相关技术描述
[0007] 对太阳能的利用提供了传统化石燃料的有前景的替代性能量来源，因此，能够将 太阳能转换为电的装置、如光伏装置（也称为太阳能电池）的开发近年来引起了广泛的关 注。已经开发了几种不同类型的光伏装置，包括基于硅的装置、ΙΙΙ-ν和II-VIPN结装置、 铜-铟-镓-硒（CIGS)薄膜装置、有机敏化剂（sensitizer)装置、有机薄膜装置以及硫 化镉/碲化镉（CdS/CdTe)薄膜装置，仅列举几例。有关这些装置的更多详情可以在诸如 Lin等人，"HighPhotoelectricConversionEfficiencyofMetalPhthalocyanine/ FullereneHeterojunctionPhotovoltaicDevice'，（InternationalJournalof MolecularSciences2011)等文献中找到。然而，这些装置中有许多种的光电转换效率仍 然具有提高的空间，并且对于许多研究人员而言，开发提高这种效率的技术是一持续性挑 战。
[0008] 最近，开发的用来提高光伏装置效率的一项技术是，利用波长下转移膜 (down-shiftingfilm)。许多光伏装置不能有效利用整个光谱，因为装置上的材料吸收某 些波长的光（通常为较短的UV波长），而不是使这些光穿过所述材料而到达将其转换成电 的光导材料层。波长下转移膜的应用吸收较短波长的光子，并且以更有利的较长波长将它 们再发射，随后它们可以被装置中的光导层吸收，并转换成电。
[0009] 这种现象经常在薄膜CdS/CdTe和CIGS太阳能电池中观察到，这两者都利用CdS 作为窗口层。这些薄膜太阳能电池的低廉成本和高效率，近年来已经引起了广泛关注，且典 型的商业电池的光电转换效率为10-16%。然而，这些装置的一个问题是，CdS的能隙为约 2. 41eV，这使得低于514nm波长的光被CdS吸收，而不是穿过而到达其能被转换成能量的光 导层。不能有效利用整个光谱，这降低了装置的整体光电转换效率。
[0010] 许多报道已经公开了利用波长下转移材料来改善光伏装置的性能。例如，第 2009/0151785号美国专利申请公开披露了含有波长下转移无机磷光剂材料的基于硅的太 阳能电池。第2011/0011455号美国专利申请公开披露了集成太阳能电池，其包括电浆层(plasmoniclayer)、波长转换层以及光伏层。第7, 791，157号美国专利披露了具有含量子 点化合物的波长转换层的太阳能电池。第2010/0294339号美国专利申请公开披露了含有 荧光下转移材料的集成光伏装置，然而并未建立实施例。第2010/0012183号美国专利申 请公开披露了具有波长下转移光致发光介质的薄膜太阳能电池；然而，未提供实施例。第 2008/0236667号美国专利申请公开披露了以薄膜聚合物形式制备的包含无机荧光粉的增 强的谱转换膜。然而，上述专利和专利申请公开（它们均通过援引整体并入本文）均将这 种额外的波长转换层直接应用于太阳能电池装置的顶部或内部，这增加了制造所述装置的 成本，并增加了装置的厚度，这会导致光子向端面外的环境中的损失增加。
[0011] 此外，太阳能模组通常在户外安装于屋顶上或安装于完全开放的空间，其中它们 能够最大化地暴露于日光下，参见第2007/0295388号美国专利申请公开，其在此通过援引 以整体形势并入作为参考。这种户外布置的类型使得这些装置持续不断地遭受天气和水分 暴露，因此它们必须具有足够的保护以提供多年的稳定运转。通常，利用玻璃板使太阳电池 组耐防风雨，但是玻璃板昂贵、沉重且是刚性的，并且还需要一些类型的边缘胶带来防止水 分渗透侧面。第7, 976, 750号美国专利公开了通过将太阳能模组包埋于两个聚合物层之间 且随后用泡沫剂填充缝隙来封装太阳能模组的方法。第2011/0017268号美国专利申请公 开披露了用于封装太阳能模组装置的纳米结构的聚合物材料。第7, 943, 845号美国专利公 开了利用聚（乙烯醇缩丁醛）组合物封装太阳能模组的方法。在此将这些专利和专利申请 通过援引全文并入作为参考，然而，它们中没有一篇试图为太阳能装置同时提供环境保护 以及提尚的日光米集效率。
[0012] 发明概述
[0013] 本发明的一些实施方案提供了用于太阳能转换装置的封装结构。本发明的一些实 施方案提供了包含发光波长转换材料的封装。在一些实施方案中，发光波长转换材料包含 至少一种生色团和光学透明基质，其中发光波长转换材料被设置为封装太阳能转换装置并 抑制水分和氧渗透到太阳能转换装置中。
[0014] 在一些实施方案中，封装结构包括发光波长转换材料和设置为抑制水分和氧渗透 到发光波长转换材料中的环境保护罩（environmentalprotectivecover)。在一些实施方 案中，发光波长转换材料包含至少一种生色团和光学透明聚合物基质。在一些实施方案中， 发光波长转换材料和环境保护罩被设置为能封装太阳能转换装置，从而使得光在到达太阳 能转换装置之前必须穿过发光波长转换材料和环境保护罩。
[0015] 本发明的一些实施方案提供了改善太阳能转换装置性能的方法，包括用封装结构 封装所述装置。在一些实施方案中，所述方法包括使用封装结构，所述封装结构包括发光波 长转换材料，所述发光波长转换材料被设置为封装太阳能转换装置并被设置为抑制水分和 氧渗透到太阳能转换装置中。在一些实施方案中，所述方法包括使用发光波长转换材料和 环境保护罩，其中环境保护罩被设置为能抑制水分和氧渗透到发光波长转换材料。
[0016] 附图简要说明
[0017] 图1示出封装结构的实施方案，其中单个太阳能电池装置被封装于发光波长转换 材料中，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
[0018]图2示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于发光波长转换 材料中，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
[0019] 图3示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装 中，发光波长转换材料层合于聚合物封装的顶部，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
[0020] 图4示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于发光波长转换 材料中，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
[0021] 图5示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装 中，发光波长转换材料层合于聚合物封装的顶部，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
[0022] 图6示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装 材料中，发光波长转换材料层合于纯聚合物封装的顶部，额外的纯聚合物膜层合于发光波 长转换层的顶部，且用玻璃板或塑料板作为环境保护罩。
[0023] 图7示出封装结构的实施方案，其中单个太阳能电池装置被封装于发光波长转换 材料中，且发光波长转换材料还用作环境保护器。
[0024] 图8示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于发光波长转换 材料，且发光波长转换材料还用作环境保护器。
[0025] 图9示出封装结构的实施方案，其中多个太阳能电池装置被封装于纯聚合物封装 材料中，发光波长转换材料层合于纯聚合物封装的顶部，且发光波长转换材料还用作环境 保护器。
[0026] 图10示出封装结构的示例性实施方案，其中具有数个太阳能电池装置的太阳能 电池板利用发光波长转换材料来封装太阳能电池装置，玻璃底板和玻璃顶板提供环境保 护，背板（backsheet)位于太阳能电池装置的光入射表面之下，且边框将太阳能电池板保 持在一起。
[0027] 图11示出封装结构的示例性实施方案，其中具有数个太阳能电池装置的太阳能 电池板利用发光波长转换材料来封装太阳能电池装置，背板位于太阳能电池装置的光入射 表面之下，玻璃顶板提供环境保护，且边框将太阳能电池板保持在一起。
[0028] 详细描述
[0029] 本发明的实施方案在一个系统中一箭双雕地实现了保护电池免受有害的环境暴 露并且提高了效率。用本文公开的包含发光波长转换材料的封装结构封装太阳能模组装 置，提高了太阳能电池装置的日光采集效率，并为该装置提供了稳定的长期环境保护。包含 发光波长转换材料的封装结构可以被形成为与所有不同类型的太阳能电池和太阳能电池 板（包括基于硅的装置、III-V和II-VIPN结装置、CIGS薄膜装置、有机敏化剂装置、有机 薄膜装置、CdS/CdTe薄膜装置、染料敏化装置等）相容。通过使用该结构封装太阳能模组 装置，可以提高太阳能转换装置（如太阳能电池、光伏装置、太阳能电池板以及任何太阳能 模组系统）的光电转换效率。
[0030] -些实施方案提供了包含发光波长转换材料的用于至少一种太阳能电池或光伏 装置的封装结构。一些实施方案提供了包含发光波长转换材料和环境保护罩的用于至少一 种太阳能电池或光伏装置的封装结构。在一些实施方案中，环境保护罩被设置为抑制水分 和氧渗透到发光波长转换材料和太阳能电池或光伏装置，且包括塑料板或玻璃板。在一些 实施方案中，将密封带应用于太阳能电池板的周围以抑制氧和水分从边缘进入。图1-6示 出应用于太阳能电池或光伏模组装置的该封装结构的示例性实施方案。
[0031] 本发明的一些实施方案提供了包含发光波长转换材料的用于至少一种太阳能电 池或光伏装置的封装结构。在一些实施方案中，发光波长转换材料用作防止水分和氧渗透 到太阳能电池中的环境保护器。在一实施方案中，发光波长转换材料被设计为防止氧和水 分渗透到太阳能电池，从而不再需要额外的环境保护罩，且该材料还能提高电池的日光采 集效率。图7-9示出应用于太阳能模组装置的该封装结构的示例性实施方案。
[0032] 本发明的实施方案还涉及改善光伏装置、太阳能电池、太阳能模组或太阳能电池 板的性能的方法，包括用本文公开的封装结构封装所述装置。在一些实施方案中，可以将封 装结构的发光波长转换材料浇铸在太阳能电池装置上，并就地固化。在一些实施方案中，封 装结构的发光波长转换材料可以采用膜或层的形式。在一些实施方案中，可将作为薄膜形 式的发光波长转换材料辑层压于太阳能模组装置上，其中仅前层（frontlayer)层合于太 阳能模组上，或者前层和背层（backlayer)两者均层合于太阳能模组装置上。
[0033] 其他形式的发光波长转换材料也是可能的，以及将发光波长转换材料应用于太阳 能模组装置的其他方法也是可能的。可以将封装结构应用于刚性装置，或可以将其应用于 柔性装置。此外，可以用封装结构改善多个太阳能电池或光伏装置的性能。例如，在一些实 施方案中，封装结构包括多个太阳能电池或光伏装置。
[0034] 在一些实施方案中，还可以使用其他材料以提供增强的环境保护。玻璃板或塑料 板经常用作环境保护罩，其可以应用于用发光波长转换材料封装的太阳能模组装置的顶部 和/或底部。在一些实施方案中，可以将密封带应用于装置的周围，从而防止氧或水分通过 侧面进入。在一些实施方案中，还可以将背板用于太阳能模组装置之下，以反射和折射未被 太阳能电池吸收的入射光。在一些实施方案中，还可以将封装的太阳能装置放入边框中，如 用于形成太阳能模组或太阳能灯串（solarstrings)的那些。图10和11示出用于太阳能 模组装置中的封装结构的示例性实施方案。
[0035] 生色团也称为发光染料或荧光染料，是吸收特定波长或波