光伏纺织品的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及设计成将电荷诸如通过太阳能产生的电荷转换为可使用的电的纺织品。更具体地，本发明涉及减少电阻以便改善性能的电荷转移纺织品、光伏系统、太阳能纺织品和子构件。
【背景技术】
[0002]光伏系统通过光伏电池的作用将太阳光转换为电。目前使用的大型太阳能电池阵典型地具有多个板或模块，每个具有多个光伏电池。该电池阵由刚性构件构成。最近，发展了可并入纺织品中作为刚性电池和模块的替代物的柔性光伏构件。
[0003]诸如聚合物光伏(PPV)的柔性太阳能技术对于许多应用持有很大希望。由纺织品提供的移动自由性对于制造太阳能转换结构具有潜力，其与可比的刚性太阳能结构相比更容易运输和架设。该系统可用于将更需要的电带到否则将不具有电的偏远或受灾地区。在其他应用中，整合到常见物品诸如帽子、衣服、帐篷和覆盖物中的有效的太阳能纺织品可潜在地提供较小规模的电力。
[0004]用于太阳能纺织品应用的小截面光伏纤维提供均匀性和类似织物的柔性。廉价的和柔性的聚合物光伏(PPV)非常适合用作纤维。然而，从现有PPV构件生产有效的太阳能纺织品的尝试受到与其内在电阻有关的基本技术障碍的约束。
[0005]目前同轴结构的PPV纤维依赖居中的内部导体和透明的外部导体，诸如ITO(氧化铟锡)或导电聚合物诸如PEDOT (聚(3，4-乙烯二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸))，以沿着纤维移动电荷。然而，当该纤维并入到纺织品中时，外部的、光透明的电极的低导电性引起在可用电中的显著电压降。电压降产生是因为透明的电极提供两个关键但矛盾的功能。第一功能是将太阳通量通过透明的电极通畅地进入在表面之下的光学活性光电层中。第二功能是沿着透明电极的片材尺寸轴向地移动或传送电荷，具有最小的电压降或损失。有效的光传输需要最大的光学清晰度，意味着相对薄的电极。然而有效的电荷传送需要足够的厚度以提供低的电阻通道。虽然一个功能随着增长的厚度而优化，但是另一个随着减少的厚度而优化。目前可用的光透明化合物，诸如ITO和诸如PEDOT的多种新的基于聚合物的物质，不能同时满足光学清晰度和导电性的要求。对于由这些物质制成的PPV构件，可接受的光传输导致使用在太阳能纺织品中的过大的片材电阻。
[0006]其他光伏纤维设计依赖在其整个长度上的双内部导体。然而，电力穿过由这种纤维制成的纺织品的移动一般是更复杂的和欠可靠的，因为需要产生和保持与外部电路的额外的电连接。而且，内部导体的通常的小截面尺寸限制电荷流。与同轴纤维相似，沿着双内部导体纤维的轴线的电荷传送产生大的电压降，从而降低使用该纤维的纺织品的性能。
[0007]生产用于纺织品的光伏(PV)纤维的尝试已经报道具有24%的电填充因子的仅有
0.01% 的电力车专换效率。(A Photovoltaic Fiber Design for Smart Textiles.TextileResearch Journal, Vol.80 (11): 1065-1074 DDL)。还据报道:“未见报道高导电性和光透明的η型载流对电极。即使具有低至10 ohm/cm2电阻率的氧化铟锡涂层也不能在不引起电损失的情况下传送通过在大于10-15mm上的I太阳福照度产生的光电流。” (Solar PowerWires Based on Organic Photovoltaic Materials, Science Magazine, 2009 年四月 10
曰)
除了低效率，由在本领域中已知的光伏纤维制成的太阳能纺织品模块易受来自导体短路的故障，尤其地在来自多个纤维的电荷汇合的连接处。除非本质上强化，否则小连接的易损的性质放任它们从轻微的碰撞或磨损中损坏。取决于设计，单次短路会削弱多个电池或甚至相邻太阳能模块的功能。相似地，由其他现有的光伏构件诸如薄膜制成的太阳能纺织品模块是太脆弱的或刚性的并且仍然很大程度上未证实用于开发太阳能纺织品的优点。
[0008]在PCT申请序列号PCT/US2012/054866中发展并公开的现有设计提供布置以形成能够从太阳能产生电的纺织品的构件的组合。该现有设计使用高导电母线的组合，作为与光伏带或纤维接触的管道，以使电荷移入和移出纺织品单元电池。母线管道被布置成通过沿着光伏构件的长度为带电表面提供多个耐用的电触头以使电荷传送阻力在整个纺织品上最小化。遗憾地，根据本发明，以交错的方式被编织在一起的PV带和母线管道的组合的构造是无效率的。具体地，由于母线管道在其在PV带的顶部电极的上面通过时的叠排式路由，PV带是过度遮蔽的。该限制可导致功能性PV带区域的大约50%的遮蔽。利用在引用的PCT申请中公开的现有设计的纺织品也是难于制造的，因为它们依赖多个构件，这增加了制造成本和复杂性以及降低了广泛商业化的可能性。
[0009]关于现有的光伏构件和系统的这些和其他技术问题继续抑制用于太阳能纺织品的新应用的快速商业化。因此，在本领域中需要总体更有效的光伏纺织品构件和材料，尤其是耐用的但依然足够柔性以呈现织物的性能的那些(光伏纺织品构件和材料)。
【发明内容】
[0010]因此，本发明涉及与太阳能纺织品有关的新型的光伏系统、构件、和制造方法。总体地，本发明通过采用系统方法到整体设计来提高太阳能纺织品性能。根据本发明的纺织品利用包含电荷转换PV层和导电电荷传送层两者的集成的带结构。对于上面引用的PCT申请所公开的现有技术系统包括两个不同构件、PV带和导电母线管道。这两者是交织的并且因此不能利用太阳能纺织品的整个表面区域以收集太阳能。本发明通过将太阳能转换和电荷传送集成到单个带结构中来改善制造选项并且大体上消除遮蔽限制。具体地，单个带结构包括在绝缘衬底周围夹持的第一导电层和第二导电层。绝缘衬底可以是整体层或者其可以由多层形成。PV层应用在第一导电层的顶表面上。PV层可以是整体层或者其可以由多层形成。PV层提供光伏性能而第二导电层执行为低阻力传送通道以允许沿着带轴线的低损耗电荷运动。一个或多个导电触头可定位在由PV层从第一导电层隔开的PV层的上表面上。该设计通过允许收集穿过纺织品的整个表面区域的太阳能来克服先前描述的限制。额外地，通过同时提供需要的低阻力通道以将电荷移入和移出纺织品编织，单个带结构赋予适用于供能装置的充分有效的电荷承载纺织品的形成。
[0011]本发明的单个带结构可用作经纱和玮纱构件以及赋予太阳能纺织品的形成而不要求分立的母线管道。本发明的带结构赋予纺织品从多个该带结构的编织的制造，使得各种电路组合是可以的并且这些电路的输出好于当使用分立的太阳能转换和电荷传送构件时的可用的输出。
[0012]尽管本发明的描述涉及可适用于使用在将太阳能转换为电并且有效传送所述电的纺织品系统中的带结构，但是其不严格限制于“太阳能”纺织品。反而，其涉及在具有一个或多个柔性的和加长的电荷承载构件的任意纺织品中的带结构的并入，该电荷承载构件可以是光伏构件，但还可以是其他形式的电荷承载构件，包括但不限于其他形式的柔性导电元件。
[0013]在审视本发明的以下详细描述、附图、和权利要求后，本发明的前述的和相关的方面和实施例和其他优势和特征对本领域技术人员将是显而易见的。
【附图说明】
[0014]图1是集成的带结构的横截面，其包括PV部分和由绝缘层彼此隔开的两个导电层。图1A是集成的带结构的PV转换层的横截面。
[0015]图2是本发明的集成的带结构的横截面，具有包括多个子层的绝缘层。
[0016]图3A是本发明的太阳能纺织品的一部分的顶部透视图，形成有图1的集成的带结构，和图3B是图3A的太阳能纺织品的一部分的底部透视图。
[0017]图4是本发明的太阳能纺织品的透视图，形成有具有端接在两带端部处的图1的集成的带结构。
[0018]图5是带结构的替代实施例的横截面，示出第二导电层的弯曲形式。
[0019]图6是带结构的另一个替代实施例，示出从绝缘层隔开的第二导电层。
[0020]图7是图6的带结构的实施例的横截面侧视图。
[0021]图8是包括图6的带结构构造的纺织品的底部透视图。
[0022]图9是包括本发明的带结构的纺织品的实施例的顶部透视图，包括改善在相邻带之间的接触的方法。
[0023]图10是图9的纺织品的顶部透视图，示出在带结构内的内部扩展以加强相邻带之间的接触。
【具体实施方式】
[0024]术语“沉积”涵盖在采用材料涂覆表面中使用的所有技术，其包括但不限于喷涂、浸涂、旋涂、真空和化学淀积、和包括但不限于喷墨印刷的印刷。
[0025]术语“光”包括一些电磁辐射，其公知为可见光和可应用于从光伏构件产生电的红外线和紫外线光谱的部分。
[0026]术语“光伏”意味着由于暴露于电磁辐射而具有有助于横穿相反的电极生产电的能力。
[0027]缩写“PPV”是聚合物光伏的简称，并描述具有光伏功能的包括结构性聚合物和其他材料的构件或系统。
[0028]缩写“PV”是光伏的简称，并描述具有光伏功能的构件或系统，其中光伏可以不是聚合物构件。
[0029]术语“PV层”指的是一个或多个光伏层，其在彼此组合时将促进电荷的产生和运动。
[0030]术语“太阳能纺织品”包括纺织品、布料、织物、和集成光伏构件和具有不同柔性的其他编织组件。
[0031]术语“带”指的是具有两个相对的平坦表面的相对薄和窄的构件，其尤其地是长度大于宽度。
[0032]术语“透明”意味着允许光穿过并且包括半透明和透明。
[0033]根据本发明的光伏系统包括通过将在此描述的集成的纺织品带结构的形式编织在一起制成的纺织品。
[0034]在优选的实施例中，本发明的系统包含在此描述的导电带结构的构造。图1示出的是本发明的集成的单个带结构10的横截面。带结构10包括PV转换层12，其可以是聚合物光伏带但在其制造中不限于包括聚合物材料。PV转换层12接触第一导电层14，其可以是PV转换层12的结构支撑。第一导电层14是柔性的和导电的，并且限定PV转换层12的活性宽度。第一导电层14可能是诸如铝的金属、导电聚合物或被选择成同时获得好的导电性、机械强度和柔性的金属和导电聚合物的堆叠层。如图1A中示出，PV转换层12由与第一导电层14接触的电子吸收子层22、光子吸收光敏子层24和光透明孔传输子层26制成。光透明孔传输子层26充当带结构10的上电极26。第一导电层14和PV转换层12彼此顺序地物理的和电的接触，形成对于光伏转换来说需要的连接结构。一般地，其他结构可提供由