专利名称：机械可靠的太阳能电池模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械可靠的薄膜太阳能电池模块。
背景技术：
由于太阳能电池可提供可持续能源，因此其使用范围正在迅速扩大。根据所采用的光吸收材料，太阳能电池通常可分为两种，即块状或基于晶片的太阳能电池和薄膜太阳能电池。单晶硅(c-Si)、多晶硅(poly-Si或mc-Si)和带状硅是用来形成较为传统的基于晶片的太阳能电池的最常用材料。源自基于晶片的太阳能电池的太阳能电池模块通常包括焊接在一起的一系列自承晶片(或电池)。这些晶片通常具有介于约180 μ m和约240 μ m 之间的厚度。此类太阳能电池板称为太阳能电池层，并且其可进一步包括电线，诸如连接各个电池单元的交叉带状线和一端连接至电池而另一端伸出模块的汇流条。接着还可以将太阳能电池层层压到一个或多个包封层和一个或多个保护层，以形成可以使用至少20年的耐候性模块。一般来讲，按照从前朝阳面到后非朝阳面的位置顺序，源自基于晶片的太阳能电池的太阳能电池模块包括⑴入射层(或前板)，⑵前包封层，(3)太阳能电池层，⑷ 后包封层，以及( 背衬层(或后板)。在这类模块中，重要的是，设置在太阳能电池层的朝阳面(即入射层和前包封层)的材料具有良好的透明性，以允许足够的日光到达太阳能电池。此外，一些模块可包括双面太阳能电池，该模块的太阳能电池能够通过接收直射到其朝阳面上的日光并接收反射回其非朝阳面上的日光而产生电能。在这类模块中，重要的是，太阳能电池层周围的所有材料具有充分的透明性。日益重要的可供选择的薄膜太阳能电池由通常由包括非晶硅(a-Si)、微晶硅 (μ c-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物(Cuhk2或CIS)、铜铟/镓二硒化物(Ci^nxGa(1_x) Se2或CIGS)、光吸收染料、以及有机半导体的材料形成。举例而言，薄膜太阳能电池公开于例如美国专利 5，507，881,5, 512，107,5, 948，176,5, 994，163,6, 040，521,6, 137，048 和 6，258，620 以及美国专利公布 2007/98590、2007/0281090、2007/0240759、2007/0232057、 2007/0238285,2007/0227578,2007/0209699 和 2007/0079866。通过将半导体层沉积到覆板(使用时其面对太阳)或基板(使用时其背对太阳)上来制备典型厚度小于2 μ m的薄膜太阳能电池。为了将薄膜太阳能电池结合到模块中，可随后将其层合到(a)(后)聚合包封片和后保护板(也称为背衬层，在太阳能电池沉积到覆板上时使用)或(b)(前)聚合包封片和前保护板(也称为入射层，在太阳能电池沉积到基板上时使用)。因为基板、覆板、前板和后板在太阳能电池模块中具有一些共同的功能，例如为模块提供机械支撑并保护太阳能电池免受环境损害，所以它们也称为保护板或保护层。此外，为了使功率输出最大化，则需要保护板中的一些(即，覆板和前板)是基本上透明的，以便使足够的日光能够到达太阳能电池。玻 璃和柔性膜(塑性和金属膜两者)已用于形成此类薄膜太阳能电池模块中的各种保护板。然而，由于玻璃的机械和光学性质，它仍是最令人满意的选择。在此类玻璃/玻璃型薄膜太阳能电池模块中，首先通过将半导体材料直接沉积到玻璃覆板或基板上、然后再层合到聚合包封片上的玻璃保护板(即后板或前板)上，来形成太阳能电池。通过将熔融的玻璃浮置在熔融锡浴上，然后让其缓慢冷却(不需要淬冷)而制备浮法玻璃(也称为退火玻璃或退火浮法玻璃)。另外，在退火过程中对玻璃进行热处理，以最小化由于不均勻冷却和热梯度而产生的残余应力。此类方法可以使浮法玻璃片具有均勻的厚度、以及非常平坦的表面。因此，浮法玻璃已优选地用作其上沉积有薄膜太阳能电池的覆板或基板。然而，此类浮法玻璃片没有因进一步加热或化学处理而产生的表面压应力，因此容易破损。在实施中，为了获得机械可靠的薄膜太阳能电池模块，通常由进一步强化或处理的玻璃制成后板或前板，如通过分别对未处理的浮法玻璃进一步进行热回火处理、热处理或某种化学处理而制成的钢化玻璃(也称为韧化玻璃)、热强化玻璃或化学强化玻璃。然而，使用此类进一步强化的玻璃有一些缺点。一方面，当通过进一步处理使这些玻璃片比未处理的浮法玻璃强度更大时，它们还会使玻璃表面变形，从而使这些玻璃不太适合层压。随着玻璃变形增大，模块的制造难度(和相关成本)也增大。此外，此类进一步处理的浮法玻璃的制造成本比未处理的浮法玻璃更高，从而提高了模块的总制造成本。另外，钢化玻璃会自然断裂，因为残余拉伸应力需要与表面压应力保持平衡，这会使缺陷(如硫化镍杂质)大规模扩大。工业中需要开发一项技术，用性价比更高和无变形的浮法玻璃替代较为昂贵并且不太平坦的进一步强化的玻璃。发明概述本文公开了太阳能电池模块，其包括(a)太阳能电池层，所述太阳能电池层包括沉积在第一浮法玻璃片上的薄膜太阳能电池，并具有与第一浮法玻璃片相对的面，所述面被层合在(b)包含离聚物的包封片上，所述包封片被层合在(c)第二浮法玻璃片上。在一个实施方案中，薄膜太阳能电池选自基于非晶硅(a-Si)、微晶硅(yc-Si)、 碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物(CIS)、铜铟/镓二硒化物(CIGS)、吸光染料和有机半导体的薄膜太阳能电池。在另一个实施方案中，第一和第二浮法玻璃片中的每一个独立地具有约2至约 5mm的厚度。在又一个实施方案中，离聚物包含羧酸根基团和阳离子，是前体α-烯烃羧酸共聚物的中和产物；前体α -烯烃羧酸共聚物包含(i)具有2至10个碳原子的α -烯烃共聚单元，和(ii)按α-烯烃羧酸共聚物的总重量计约18至约30重量％的具有3至8个碳原子的α，β -烯键式不饱和羧酸的共聚单元；并且前体α -烯烃羧酸共聚物中存在的羧酸基团的总量的约5%至约90%被中和而形成离聚物。在另一个实施方案中，离聚物包封片具有约1至约120密耳(约0. 025至约3mm)
的厚度。在另一个实施方案中，离聚物包封片具有约5至约45密耳(约0. 127至约1. 14mm)
的厚度。在太阳能电池模块的另一个实施方案中，在使用时，第一浮法玻璃片面对太阳并用作太阳能电池的覆板，而第二浮法玻璃背对太阳并用作后板。此外，太阳能电池层还可以包括通过设置在浮法玻璃后板上的孔而伸出模块的电线，所述孔可以具有约10至约IOOmm 的直径，或者所述孔可以是偏心设置的。在太阳能电池模块的另一个实施方案中，在使用时，第一浮法玻璃片背对太阳并用作太阳能电池的基板，而第二浮法玻璃面对太阳并用作前板。此外，包含离聚物的包封片是足够透明的。本文还公开了制备太阳能电池模块的方法，该方法包括(i)提供包括上述所有组件层的组合件，以及(ii)层压组合件以形成太阳能电池模块。层压步骤可以通过使组合件受热和任选地经受真空或压力来进行。附图简述
图1-3分别为本文所公开的薄膜太阳能电池模块的实施例的剖面图(未按比例绘制)。图4示出了离聚物(El)和乙烯/乙酸乙烯酯(EVA) (CEl)相对于聚(乙烯醇缩丁醛)(PVB) (CE2)的强度与挠曲之间的相对比较。图5示出了将模量输入FEM模块中的方式。图6示出了计算的应力分布和模块表面上的挠曲。发明详述除非另有定义，本文所用的所有技术和科学术语的含义均与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的一样。如发生矛盾，以本说明书及其包括的定义为准。虽然与本文所述方法和材料类似或等同的方法和材料均可用于本发明的实践或检验，但合适的方法和材料为如本文所述的那些。除非另行指出，所有百分数、份数、比率等均按重量计。当数量、浓度或其他值或参数以范围、优选范围或优选上限值和优选下限值的列表形式给出时，其应理解为具体地公开由任何范围上限或优选值和任何范围下限或优选值的任何一对所构成的所有范围，而不管所述范围是否被单独地公开。凡在本文中给出某一数值范围之处，该范围均旨在包含其端点，以及位于该范围内的所有整数和分数，除非另行指出。当定义一个范围时，不旨在将本发明的范围限定于所列举的具体值。当术语“约”用于描述值或范围的端点时，本公开内容应被理解为包括具体的值或所涉及的端点。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“含有”、“特征在于”、“具有”或者它们的任何
其他变型均旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括要素列表的工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或该工艺、方法、制品或设备所固有的其他要素。此外，除非有相反的明确说明，否则“或”是指包含性的“或”，而不是指排他性的“或”。连接短语“基本上由组成”将权利要求的范围限制为具体的材料或步骤以及不会显著影响受权利要求保护的本发明的基本和新型特征的那些要素。当申请人用诸如“包括”的开放式术语定义本发明或其一部分时，应被理解为该描述可被解释为等同于使用术语“基本上由组成”对本发明进行的描述，除非另行指出。“一个”或“一种”用于描述本发明的要素和组分。这仅出于方便考虑并给出本发明的一般性意义。这种描述应被理解为包括一个或至少一个，并且该单数也包括复数，除非很明显地另指他意。在描述某些聚合物时，应当理解，有时申请人提及聚合物时使用的是制备该聚合物的单体或用于制备该聚合物的单体的量。虽然此类描述可能不包括用于描述最终聚合物的具体命名或者可能不包含以方法限定产品的术语，但是对单体和量的任何此类提及均应被解释为表示聚合物包含这些单体(即，这些单体的共聚单元)或这些单体的量，以及对应的聚合物及其组合物。在描述本发明和/或提出本发明的权利要求时，术语“共聚物”用于指由两种或更多种单体共聚所形成的聚合物。此类共聚物包括二聚物、三元共聚物或更高阶共聚物。如本文所用，术语“酸性共聚物”是指包含α-烯烃、α，烯键式不饱和羧酸、 和任选地其他合适的共聚单体(例如α，β-烯键式不饱和羧酸酯)的共聚单元的聚合物。如本文所用，术语“离聚物”是指包含离子基团的聚合物，所述离子基团为金属离子羧酸盐，例如碱金属羧酸盐、碱土金属羧酸盐、过渡金属羧酸盐和/或此类羧酸盐的混合物。如本文所定义，此类聚合物通常通过部分或完全中和(例如通过与碱反应)前体或母体聚合物的羧酸基团来制备，其中前体或母体聚合物为酸性共聚物。本文所用碱金属离聚物的实例为钠离聚物(或钠中和的离聚物)，例如乙烯和甲基丙烯酸的共聚物，其中共聚化的甲基丙烯酸单元的羧酸基团的全部或一部分为羧酸钠形式。现在参见图1，本文所公开的薄膜太阳能电池模块包括太阳能电池层(12)，其包括直接设置在第一浮法玻璃片(14)上的一层薄膜太阳能电池(16)，并且其中与第一浮法玻璃片(14)相对的太阳能电池层(1 的一面被进一步层合在离聚物片(18)上，并且进一步被层合在第二浮法玻璃片00)上。太阳能电池层(1 可具有前朝阳面(也称为正面， 并且在实际使用条件下，通常会面向太阳)和后非朝阳面(也称为背面，并且在实际使用条件下，通常会背对太阳)。在一个实施方案中(图2中的30)，按从前朝阳面到后非朝阳面的位置顺序，太阳能电池模块包括(a)太阳能电池层(1 )，其包括第一浮法玻璃片(即覆板)(14)和设置在其上的薄膜太阳能电池(16a) ； (b)离聚物片(即后包封层)(18)；以及 (c)第二浮法玻璃片(即后板)00)。在另一个实施方案中(图3中的40)，按从前朝阳面到后非朝阳面的位置顺序，太阳能电池模块包括(a)第二浮法玻璃片(即前板M20) ； (b) 离聚物片(即前包封层)(18)；以及(c)太阳能电池层(12b)，其包括沉积在第一浮法玻璃片(即基板)(14)上的薄膜太阳能电池(16b)。术语“太阳能电池”旨在包括可将光转换为电能的任何制品。可用于本文所公开模块的薄膜太阳能电池包括但不限于如上文发明背景中所述的基于a-Si、μ c-Si、CdTe、CIS、 CIGS、吸光染料和有机半导体的太阳能电池。如上文所述，模块中的太阳能电池层包括直接沉积在一片浮法玻璃上的薄膜太阳能电池，所述浮法玻璃也可以称为基板或覆板，这取决于使用时浮法玻璃片是面对太阳还是背对太阳。此外，太阳能电池层还可包括电线，诸如交叉带状线和汇流条。此外，在薄膜太阳能电池沉积在浮法玻璃覆板上的那些实施方案中，浮法玻璃后板中还可以具有一个或多个孔或空隙，以便收集从太阳能电池出来的电线。在一个实施方案中，所述一个或多个孔或空隙可以各自具有约1至约100mm、或约10至约70mm、 或约25至约50mm的直径。在另一个实施方案中，此类一个或多个孔或空隙的位置可以是偏心的。也就是说，所述一个或多个孔或空隙的位置偏离浮法玻璃后板的几何中心。在模块具有矩形形状的另一个实施方案中，一个或多个孔或空隙的位置可以是偏心的，并靠近长边缘之一。在另一个实施方案中，模块具有矩形形状并为四边支撑，一个或多个孔或空隙可以沿着长边缘的中心线和与板边缘距离一个孔的直径设置。在另一个实施方案中，模块为两边支撑，一个或多个孔或空隙可以沿着支撑边缘的中心线和与板边缘距离一个孔的直
径设置。薄膜太阳能电池模块中使用的玻璃片为浮法玻璃，所述浮法玻璃是通过将熔融玻璃浮置在熔融锡浴上、然后让其缓慢冷却(不需要淬冷)而制备得到。此类浮法玻璃片未像那些钢化玻璃、热强化玻璃或化学强化玻璃一样接受进一步的强化处理，并因此具有基本上平坦的表面。浮法玻璃片的厚度可以在约2至约5mm、或约2. 5至约4mm、或约2. 5至约3mm的范围内。层压在薄膜太阳能电池与第二玻璃片(即前或后板)之间的离聚物片(即前或后包封片)包含离聚物组合物。所谓“层压”，是指在层压结构中，两个层直接(即两层之间无任何附加材料)或间接(即两层之间具有附加材料，诸如夹层或粘合剂材料)粘结。在一个实施方案中，离聚物片的一面直接粘合在太阳能电池上，另一面直接粘合在第二浮法玻璃片上。本文所用的离聚物组合物包含离聚物，该离聚物为前体酸共聚物的离子中和衍生物，所述前体酸共聚物包含具有2至10个碳原子的α -烯烃共聚单元和按前体酸共聚物的总重量计约18至约30重量％、或约20至约25重量％、或约21至约M重量％的具有3至 8个碳原子的α，烯键式不饱和羧酸的共聚单元。合适的α-烯烃共聚单体可以包括但不限于乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、 1-庚烯、3-甲基-1-丁烯、4-甲基-1-戊烯等以及它们中的两种或更多种的混合物。在一个实施方案中，α-烯烃为乙烯。合适的α，β-烯键式不饱和羧酸共聚单体可以包括但不限于丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、马来酸、马来酸酐、富马酸、单甲基马来酸、以及它们中的两种或更多种的混合物。在一个实施方案中，α，β-烯键式不饱和羧酸选自丙烯酸、甲基丙烯酸、以及它们中的两种或更多种的混合物。在另一个实施方案中，α，β-烯键式不饱和羧酸为甲基丙烯酸。该前体酸共聚物还可包含一个或多个其他共聚单体的共聚单元，所述一个或多个其他共聚单体例如具有2至10个碳原子、或优选地3至8个碳原子的不饱和羧酸、或其衍生物。合适的酸衍生物包括酸酐、酰胺和酯。酯是优选的。不饱和羧酸的优选酯的具体实例包括但不限于丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、 甲基丙烯酸丙酯、丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸异丙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸辛酯、丙烯酸十一酯、甲基丙烯酸十一酯、丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十八酯、丙烯酸十二酯、 甲基丙烯酸十二酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸月桂酯、丙烯酸-2-羟乙基酯、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、聚(乙二醇)丙烯酸酯、聚(乙二醇) 甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇) 山嵛醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)山嵛醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)4-壬基苯基醚丙烯酸酯、 聚(乙二醇)4-壬基苯基醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)苯基醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)苯基醚甲基丙烯酸酯、马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二丁酯、富马酸二甲酯、富马酸二乙酯、富马酸二丁酯、富马酸二甲酯、乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、以及它们中的两种或更多种的混合物。在一个实施方案中，合适的其他共聚单体选自丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、乙酸乙烯酯、以及它们中的两种或更多种的混合物。然而，在另一个实施方案中，前体酸共聚物没有掺入其他共聚单体。前体酸共聚物可以如US 3，404, 134、US 5，028, 674、US 6，500, 888 或 US 6，518，365中所述进行聚合。为了获得可用于离聚物片(即前或后包封片)的离聚物组合物中的离聚物，可用一种或多种包含阳离子的碱将前体酸共聚物部分中和，其中前体酸的羧酸基的约5%至约 90%、或约10%至约60%、或约20%至约55%的氢原子被其他阳离子取代。也就是说，需将酸基中和至按前体酸共聚物的羧酸总含量计约5%至约90%、或约10%至约60%，或约 20%至约55%的含量，其中该含量通过计算得到或通过测量未中和的前体酸共聚物得到。在聚合物加工和太阳能电池制造条件下稳定的任何包含阳离子的碱均适用。在一个实施方案中，使用的阳离子为金属阳离子，其可以是一价的、二价的、三价的、多价的，或它们的混合物。可用的一价金属阳离子包括但不限于钠、钾、锂、银、汞、铜等的阳离子、以及它们的混合物。可用的二价金属阳离子包括但不限于铍、镁、钙、锶、钡、铜、镉、汞、锡、铅、 铁、钴、镍、锌等的阳离子、以及它们的混合物。可用的三价金属阳离子包括但不限于铝、钪、 铁、钇等的阳离子、以及它们的混合物。可用的多价金属阳离子包括但不限于钛、锆、铪、钒、 钽、钨、铬、铈、铁等的阳离子、以及它们的混合物。应注意的是，当金属阳离子为多价时，可以包含络合剂，如硬脂酸盐、油酸盐、水杨酸盐和酚盐基，如US 3，404，134中所述。在另一个实施方案中，使用的金属阳离子为一价或二价金属阳离子。在另一个实施方案中，金属阳离子选自钠、锂、镁、锌、钾以及它们的混合物。在另一个实施方案中，金属阳离子选自钠、锌的阳离子、以及它们的混合物。在另一个实施方案中，金属阳离子为钠阳离子。为了获得可用于本文的离聚物，用包含阳离子的碱中和前体酸共聚物，使得前体酸共聚物中的羧酸基反应形成羧酸根基团。可通过任何常规程序中和前体酸共聚物，例如美国专利3，404，134和6，518，365中所描述的那些程序。前体酸共聚物可具有约1至约1000克/10分钟、或约20至约900克/10分钟、或约20至约70克/10分钟、或约70至约700克/10分钟、或约100至约500克/10分钟、或约150至约300克/10分钟的熔体流动速率(MFR)，所述熔体流动速率根据ASTM方法D1238 在190°C禾口 2. 16kg下测定。根据ASTM方法D1238在190°C和2. 16kg下进行测定，所得的离聚物可具有25克 /10分钟或更小、或约20克/10分钟或更小、或约10克/10分钟或更小、或约5克/10分钟或更小、或约0. 7至约5克/10分钟的MFR。离聚物组合物还可以包含本领域中已知的其他添加剂。这些添加剂可以包括但不限于加工助剂、流动增强剂、润滑剂、颜料、染料、阻燃剂、抗冲改性剂、成核剂、诸如二氧化硅的抗粘连剂、热稳定剂、紫外线吸收剂、紫外线稳定剂、分散剂、表面活性剂、螯合剂、偶联剂、诸如玻璃纤维的增强剂、填料等。一般来讲，将可降低组合物光学透明度的添加剂(诸如增强剂和填料)仅加入用作后包封的那些片材。可使用热稳定剂，其在本领域中已广泛公开。任何已知的热稳定剂均可用于本发明。示例性的热稳定剂的普通种类包括但不限于酚类抗氧化剂、烷基化一元酚、烷硫基甲基苯酚、对苯二酚、烷基化对苯二酚、生育酚、羟基化硫代二苯醚、亚烷基双酚、0-、N-和S-苄基化合物、羟基苄基化丙二酸酯、芳香羟基苄基化合物、三嗪化合物、氨基酸类抗氧化剂、芳基胺、二芳基胺、聚芳基胺、酰氨基酚、草酰胺、金属减活化剂、亚磷酸盐、亚膦酸盐、苄基膦酸盐、抗坏血酸(维生素C)、清除过氧化物的化合物、羟胺、硝酮、硫代增效剂、苯并呋喃酮、 吲哚酮等、以及它们的混合物。离聚物组合物可以包含任意有效量的热稳定剂。热稳定剂的使用是任选的。使用热稳定剂时，离聚物组合物可以包含按离聚物组合物的总重量计至少约0. 05重量％，并且最多约10重量％、或最多约5重量％、或最多约1重量％的热稳定剂。可使用紫外线吸收剂，其在本领域中也已广泛公开。任何已知的紫外线吸收剂均可用于本发明。示例性的紫外线吸收剂的普通种类包括但不限于苯并三唑、羟基二苯甲酮、 羟基苯基三嗪、取代的和未取代的苯甲酸的酯等以及它们的混合物。离聚物组合物可包含任何有效量的紫外线吸收剂。紫外线吸收剂的使用是任选的。使用紫外线吸收剂时，离聚物组合物可以包含按离聚物组合物的总重量计至少约0. 05重量％，并且最多约10重量％、 或最多约5重量％、或最多约1重量％的紫外线吸收剂。可使用受阻胺光稳定剂(HALS)，其在本领域中也已广泛公开。一般来讲，所公开的受阻胺光稳定剂为仲的或叔的、乙酰化的、N-烷氧基化取代的、羟基取代N-烷氧基化取代的、或特征在于具有显著空间位阻效应的其他取代环胺，并且一般是得自邻近胺基的碳原子上的脂族取代。离聚物组合物可包含任何有效量的受阻胺光稳定剂。受阻胺光稳定剂的使用是任选的。使用受阻胺光稳定剂时，离聚物组合物可以包含按离聚物组合物的总重量计至少约0. 05重量％，并且最多约10重量％、或最多约5重量％、或最多约1重量％的受阻胺光稳定剂。可将硅烷偶联剂加入离聚物组合物中以改善其粘附强度。可用于本发明组合物的示例性硅烷偶联剂包括但不限于Y -氯丙基甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷、Y-乙烯基苄基丙基三甲氧基硅烷、 N- β - (N-乙烯基苄基氨基乙基)-Y -氨基丙基三甲氧基硅烷、、-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、Y-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、Y-环氧丙氧丙基三乙氧基硅烷、β-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、乙烯基三氯硅烷、Y-巯丙基甲氧基硅烷、、-氨基丙基三乙氧基硅烷、N- β -(氨基乙基)-γ -氨基丙基三甲氧基硅烷、以及它们中的两种或更多种的混合物。可以将硅烷偶联剂以按离聚物组合物的总重量计约 0. 01至约5重量％、或约0. 05至约1重量％的含量掺入到离聚物组合物中。此外，离聚物片可具有约1至约120密耳(约0. 025至约3mm)、或约5至约100密耳(约0. 127至约2. 54mm)、或约5至约45密耳(约0. 127至约1. 14mm)、或约10至约35 密耳(约0. 25至约0. 89mm)、或约10至约30密耳(约0. 25至约0. 76mm)的总厚度。此外，当离聚物片用作薄膜模块中的前包封层时，它必须足够透明。例如，离聚物片可以具有根据ASTM D1003测得的小于约2%的雾度。离聚物片在一侧或两侧可以具有平滑表面或粗糙表面。在一个实施方案中，片材在两面均具有粗糙表面以利于在层压过程中脱气。可在片材挤出过程中进行机械压花或熔体破裂，然后让片材骤冷使其表面粗糙度在处理期间得以保持，通过这样的方式形成粗糙表面。可通过本领域的常用方法将表面图案施加到片材上。例如，可以让刚挤出的片材从紧邻模头出口设置的模辊的特制表面上通过，从而赋予熔融聚合物的一侧所需的表面特性。因此，当此类模辊的表面具有微小的凹凸不平时，浇注在其上的聚合物片材在与辊接触的一侧上将生成粗糙表面，并且该粗糙表面上的凸起和凹陷一般分别适形于辊表面的凹陷和凸出。此类模辊在例如美国专利4，035，549和美国专利公布200301对四6中有所公开。离聚物片可通过任何适当的方法来制备。例如，可通过浸涂、溶液浇铸、压塑、注塑、层压、熔融挤出浇铸、吹塑膜、挤压涂布、串联挤压涂布或本领域技术人员所知的任何其他方法形成这些片材。在某些实施方案中，通过熔融挤出浇铸、熔融共挤出浇铸、熔融挤出涂布或串联熔融挤出涂布方法形成这些片材。如下文所提供的实施例所示，当离聚物(而不是其他聚合物，如乙烯/乙酸乙烯酯 (EVA)或聚(乙烯醇缩丁醛)(PVB))用作包封材料时，它可以提高模块的总抗压性并减小模块在压力下的挠曲，从而可以在不使用更昂贵和不太平坦的被进一步强化的玻璃的情况下获得机械可靠的薄膜模块。本文所公开的薄膜太阳能电池模块还可以包括嵌入模块中的其他功能膜或片材层(例如介电层或阻挡层)。此类功能性层可衍生自任何合适的聚合物膜、或涂覆有其他功能性涂层的那些。例如，涂覆有金属氧化物涂层的聚(对苯二甲酸乙二醇酯)膜(例如美国专利6，521，825和6，818，819以及欧洲专利EP1182710中所公开的)可充当层压板内的氧气和水分阻挡层。如果需要，太阳能电池层与包封片之间还可以包括非织造玻璃纤维(稀松布)层， 以有利于层压过程中除气和/或用来加强包封层。此类稀松布层的用途在例如美国专利 5，583，057,6, 075，202,6, 204，443,6, 320，115 和 6，323，416 以及欧洲专利 EP0769818 中有所公开。如果需要，可以在层压过程之前处理复合在薄膜太阳能电池模块中的玻璃保护板或离聚物包封片的一个或两个表面，以增强与其他层压层的粘附力。这种增强粘附力的处理可采取本领域已知的任何形式，并且包括火焰处理(参见例如美国专利2，632，921、 2，648，097,2, 683，894和2，704，382)、等离子处理(参见例如美国专利4，732，814)、电子束处理、氧化处理、电晕放电处理、化学处理、铬酸处理、热空气处理、臭氧处理、紫外线处理、喷砂处理、溶剂处理、以及它们中的两种或更多种的组合。而且，还可通过将粘合剂或底漆涂料涂覆在一层或多层层压层的表面上来使粘附强度得到进一步改善。例如，美国专利4，865，711公开了具有改善的可粘结性的膜或片材，它们的一个或两个表面上沉积有薄的碳层。其他示例性粘合剂或底漆可包括硅烷、聚(烯丙胺)基板漆(参见例如美国专利5，411，845,5, 770，312,5, 690，994和5，698，329)和丙烯酸基板漆(参见例如美国专利 5，415，942)。粘合剂或底漆涂层可以呈粘合剂或底漆的单层形式并具有约0. 0004至约1密耳(约0. 00001至约0. 03mm)、或优选约0. 004至约0. 5密耳(约0. 0001至约0. 013mm)、 或更优选约0. 004至约0. 1密耳(约0. 0001至约0. 003mm)的厚度。可将上述一系列薄膜太阳能电池模块进一步连接以形成太阳能电池阵列，这可产生期望的电压和电流。可以使用本领域内已知的任何层压方法(诸如高压釜法或非高压釜法)来制备薄膜太阳能电池模块。在示例性工艺中，薄膜太阳能电池模块的组件层以期望的次序层叠在一起以形成预层压组合件。然后将该组合件放入能够保持真空的袋子(“真空袋”)内，用真空管或其他装置抽去袋中的空气，将袋子密封同时保持真空(例如至少约27至观英寸汞柱(689至 711mm汞柱))，然后将密封袋放入高压釜中并将压力升至约150至约250psi (约11. 3至约18. 8巴)、温度约130°C至约180°C、或约130°C至约160°C、或约1!35°C至约155°C、或约 145°C至约155°C，放置时间为约10至约50分钟、或约20至约45分钟、或约20至约40分钟、或约25至约35分钟。可以用真空环来代替真空袋。美国专利3，311，517公开了一种类型的合适真空袋。在加热和加压循环后，使高压釜中的空气冷却，但不加入额外的气体以保持高压釜内的压力。冷却约20分钟后，释放高压釜中过量气体并将层压板从高压釜中取出ο作为另外一种选择，可将预层压组合件置于烘箱中在约80°C至约120°C、或约 90°C至约100°C的温度下加热约20至约40分钟，然后使加热后的组合件通过一组夹辊，通过这种方式挤出各层之间空隙内的空气、并密封组合件的边缘。此阶段的组合件称为预压件。然后可将预压件置于高压釜中，使釜中空气的温度升至约120°C至约160°C、或约 135°C至约160°C，压力为约100至约300psi (约6. 9至约20. 7巴)、或优选约200psi (13. 8 巴)。这些条件维持约15至约60分钟、或约20至约50分钟后，在不引入另外空气的情况下使高压釜中的空气冷却。冷却约20至约40分钟后，释放高压釜中过量气体并将层压产品从高压釜中取出。还可通过非高压釜法制备薄膜太阳能电池模块。此类非高压釜法在例如美国专利 3，234，062,3, 852，136,4, 341，576,4, 385，951,4, 398，979,5, 536，347,5, 853，516、 6，342，116 和 5，415，909、美国专利公布 20040182493、欧洲专利 EP1235683B1、以及 PCT 专利公布W09101880和W003057478中有所公开。一般来讲，非高压釜法包括加热预压组合件并且施加真空、压力或二者。例如，可使组合件相继通过加热烘箱和夹辊。或者非高压釜层压方法可以包括以下步骤定位所有层压结构的组件层以形成预层压组合件，并且使组合件经受高温、真空、以及任选地压力。参见例如美国专利3，234，062,4, 421，589,5, 238，519、 5，536，347,5，759，698,5，593，532,5，993，582,6，007，650,6，134，784,6，149，757, 6，241，839,6, 367，530,6, 369，316,6, 481，482，美国专利公布 20040182493,20070215287, 以及PCT专利公布WO 2006057771。可以商购获得和使用各种类型的层压机，如Meier ICOLAM 10/08 层压机(Meier Vakuumtechnik GmbH(Bocholt, Germany))、型号为 1834N、 1734N、680N、580N、580 和 480 的 SPI-层压机(Spire Corporation (Bedford, MA))、组件层压机 LM、LM-A 和 LM-SA 系列(NPC Incorporated (Tokyo, Japan))。层压方法的这些实例并不旨在进行限制。基本上可以使用任何层压方法。如果需要，可通过本领域公开的任何方式密封太阳能电池模块的边缘，以减少水分和空气侵入并使一个或多个太阳能电池效率下降和使用寿命缩短的潜在趋势减缓。合适的边缘密封材料包括但不限于丁基橡胶、多硫化物、硅酮、聚氨酯、聚丙烯弹性体、聚苯乙烯弹性体、嵌段弹性体、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBQ等。下面通过特定实施方案的实施例对本发明作进一步说明。
实施例
比较实施例CEl至CE2和实施例El图4示出了用离聚物(El)和EVA (CEl)制备的模块相对于用PVB (CE2)制备的模块的计算的强度与计算的挠曲之间的相对比较。使用建立的双边简支梁工程公式 (engineering formulae for two-side simply-supported beams)计算这些性质，并连同ASTM E1300-09(附录XII)计算层压板的有效厚度。模块结构由结合各种玻璃厚度的 1.52mm包封材料构成。未支撑的模块跨度为2m。用于对包封材料建模的属性值为1)EVA， 杨氏模量=1. 23MPa ；2)PVB，杨氏模量=2. 94MPa ；c)离聚物，杨氏模量=213MPa。计算结果证明，与其他两种包封材料相比，离聚物包封材料在整个层压板厚度范围内具有更佳的强度，从而使模块具有更大的机械强度。比较实施例CE3-CE4和实施例E2用有限元建模(FEM)计算这些实施例中的虚拟薄膜模块的应力发展和挠曲。在每个实施例中，对由两块外层玻璃板和一片聚合物夹层组成的三层层压板进行分析。使用三维有限元建立层压板模型。用非协调模式的8节点块体单元来离散玻璃板以便准确捕获弯曲变形。用于聚合物夹层建模的单元使用可获得几乎不可压缩材料的准确结果的杂交单元。典型的加载过程可以是在指定时间内逐渐将施加的压力增至其最大值，或者快速施加压力，然后在相同的持续时间内保持恒定。用商用有限元程序ABAQUS 开发和解决模型。 通过以下方法建立充分的离散化用连续的细网格建立模型，直到获得与网格无关的结果， 通过收敛总模拟中计算的最大主应力和施加最大压力处的挠曲判断与网格无关的结果。将钠钙硅浮法玻璃作为线性弹性材料建立模型，其中杨氏模量为72GPa，泊松比为0. 22。结果显示，对于可产生玻璃破裂的速率范围和层压板变形中遇到的变形而言，可以用线性粘弹性本构方程准确表现夹层。用根据ASTM D 4065获得的动态机械分析数据独立地为本文所研究的聚合物建立这些方程。使用I^ractice D 4065中指定的强迫恒定振幅、固定频率张力摆动测试，提取所关注的温度和负载持续时间的剪切模量主曲线。虚拟薄膜模块具有1200X800mm的尺寸并包括0. 89mm厚的聚合物夹层，该夹层层压在两块3mm厚的热强化玻璃片之间。此外，两块玻璃片之一具有偏心孔，孔直径为40mm， 并设置在沿着其中心线与短边缘通常距离160mm的地方，其类似实际模块中用于收集电线和连接的孔。在CE3-CF4和E2的每一个中，夹层分别由EVA、PVB和离聚物形成。用于对包封材料建模的属性值为1)EVA，杨氏模量=5. OMPa，泊松比=0. 4999 ；2) PVBj^S 模量=1.5MPa，泊松比=0.4999 ；c)离聚物，杨氏模量=416MPa，泊松比=0.465。使用 ABAQUS (v6. 7)软件，计算4边支撑或2边(模块的长边缘)支撑的每个层压板的最大应力发展和挠曲并记入表1中。图5示出了如何将模量输入FEM模块中，图6示出了计算的应力分布和模块表面上的挠曲。结果证明，当离聚物用作E2中的夹层材料时，对于给定支撑而言，层压板具有最小的玻璃应力发展和最小的挠曲。当层压板为2边支撑时，差值变得甚至更大。因此，当离聚物用作包封材料、并且未处理的浮法玻璃用作两个保护层时，可以获得具有足够机械可靠性的薄膜模块。结果还证明，当层压板为4边支撑、并且夹层材料为离聚物或EVA时，即使后板上的孔是偏心的，最大玻璃应力位置仍位于中心。相比之下，也在4边支撑条件下， 当夹层材料为PVB时，最大玻璃应力位置在孔的位置周围。因此，将后板上的孔的位置设置为偏心还可以提高具有离聚物包封片的薄膜模块的机械可靠性。
表1
包封材枓最大压力和支撑最大破璃应力和位置最大挠曲(kPa)(MPa)(mm)PV53002.4 (4-边)14.9 (中心)3.42EVA2.4 (4-边)17.7 (中心)5.98PV52002.4 ( 4-边)21.3 (孔)7.81PV53002.4 ( 2-边)45.4 (孔)6.35EVA2.4 ( 2-边)53.3 (孔)10.3PV52002.4 ( 2-边)59.5 (孔)16.权利要求
1.太阳能电池模块，所述模块包括(a)太阳能电池层，所述太阳能电池层包括沉积在第一浮法玻璃片上的薄膜太阳能电池，并具有与所述第一浮法玻璃片相对的面，所述面被层合到(b)包含离聚物的包封片，所述包封片被层合到(c)第二浮法玻璃片。
2.权利要求1的太阳能电池模块，其中所述薄膜太阳能电池选自基于非晶硅(a-Si)、 微晶硅(μ c-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物(CIS)、铜铟/镓二硒化物(CIGS)、光吸收染料、和有机半导体的薄膜太阳能电池。
3.权利要求1或2的太阳能电池模块，其中所述第一和第二浮法玻璃片中的每一个独立地具有约2至约5mm的厚度。
4.权利要求1-3中任一项的太阳能电池模块，其中所述离聚物包含羧酸根基团和阳离子并且是前体α-烯烃羧酸共聚物的中和的产物；所述前体α-烯烃羧酸共聚物包含(i) 具有2至10个碳原子的α-烯烃共聚单元，和(ii)按所述α-烯烃羧酸共聚物的总重量计约18至约30重量％的具有3至8个碳原子的α，β -烯键式不饱和羧酸的共聚单元；并且所述前体α-烯烃羧酸共聚物中存在的羧酸基团的总量的约5%至约90%被中和以形成所述离聚物。
5.权利要求1-4中任一项的太阳能电池模块，其中所述离聚物包封片具有约1至约 120密耳(约0. 025至约3mm)的厚度。
6.权利要求1-5中任一项的太阳能电池模块，其中所述离聚物包封片具有约5至约45 密耳(约0. 127至约1. 144mm)的厚度。
7.权利要求1-6中任一项的太阳能电池模块，其中在使用时，所述第一浮法玻璃片面对太阳并用作所述太阳能电池的覆板，而所述第二浮法玻璃背对太阳并用作后板。
8.权利要求7的太阳能电池模块，其中所述太阳能电池层还包括电线，所述电线通过所述浮法玻璃后板上设置的孔从所述模块伸出。
9.权利要求8的太阳能电池模块，其中所述孔具有约10至约IOOmm的直径。
10.权利要求8的太阳能电池模块，其中所述孔是偏心设置的。
11.权利要求1-6中任一项的太阳能电池模块，其中在使用时，所述第一浮法玻璃片背对太阳并用作所述太阳能电池的基板，而所述第二浮法玻璃面对太阳并用作前板。
12.权利要求11的太阳能电池模块，其中包含所述离聚物的包封片是足够透明的。
13.制备太阳能电池模块的方法，所述方法包括(i)提供包括权利要求1-12中任一项所述的所有组件层的组合件，以及(ii)层压所述组合件以形成所述太阳能电池模块。
14.权利要求13的方法，其中所述层压步骤通过使所述组合件受热和任选地经受真空或压力来进行。
全文摘要
本发明公开了薄膜太阳能电池模块，所述模块包括沉积在第一浮法玻璃片上的薄膜太阳能电池、离聚物包封片和浮法玻璃保护板。
文档编号H01L31/048GK102256784SQ200980150831
公开日2011年11月23日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月19日
发明者K·普鲁斯特, R·A·海斯, S·J·贝尼森 申请人:纳幕尔杜邦公司