包含复合薄膜的光伏模块的制作方法

专利名称：：包含复合薄膜的光伏模块的制作方法
技术领域：
：本发明涉及包含1个或多个由多层复合薄膜组成的层的光伏模块并涉及其用于固定或移动发电方面的应用。玻璃几乎是刚性光伏模块用的唯一覆盖材料。玻璃覆盖层的特征是其机械强度低。作为玻璃代用材料的透明塑料覆盖层已有公开。它们大多主要由聚碳酸酯片材构成。它们用于要求较高机械强度的场合，例如用在帆船上。这里，模块被用来嵌入到甲板结构中，因此不能排除模块受到例如践踏的可能。以聚碳酸酯作为覆盖层的模块的缺点在于，它们的耐天候老化能力不太好。而且，它们可透过水蒸气，可能导致光伏模块的腐蚀。这使得此种模块经过相对短时间之后便不得不更换。氟化聚合物用作轻质、挠性光伏模块的透明覆盖片材的应用已有公开。诸如聚氟乙烯(PVF)之类的纯氟化聚合物或者诸如乙烯/四氟乙烯共聚物(ETFE)之类的改性氟化聚合物均可使用。Tedlar或Tefzel，二者均为杜邦公司的市售产品，可用作上述目的的薄膜。还可用包含“聚氟乙烯/聚酯/聚氟乙烯”顺序层结构的三层薄膜作为光伏模块的衬底薄膜。其一个例子是Icosolar，这是一种Isovolta公司的市售产品。用氟化聚合物薄膜制造覆盖层的光伏模块机械强度低。而且，要在氟化聚合物薄膜上印刷也很困难。本发明的基本目的是提供一种性能改善的光伏模块。首先，与用氟化聚合物制成的光伏模块相比，其可印刷性应有所改善。另外，其机械强度也应改善。与玻璃覆盖层光伏模块相比，需要减轻重量并提高抗破裂。与聚碳酸酯作覆盖层的光伏模块相比，其耐天候老化、防水蒸气透过以及抗划伤必须改善。氟化聚合物作为覆盖层的光伏模块的低热稳定性还有待提高。本发明这一目的是通过这样一种光伏模块达到的，其特征在于，它们包含1个或多个由多层复合薄膜组成的层，其中复合薄膜包含至少1个聚碳酸酯层和至少1个含氟聚合物层。本发明的光伏模块具有多项优点。基于聚碳酸酯/氟化聚合物复合薄膜的光伏模块，重量轻的同时还表现出改善的机械强度。该轻质特性在本发明光伏模块用于移动电源的情况下尤其有利。与聚碳酸酯覆盖层相比，它们具有改善的耐天候老化和改善的防水蒸气透过。其抗划伤能力强。另外，由于结构设计灵活性的提高，对覆盖层，以及需要的话，更深层的可印刷性要求也可得到满足。再有，这类型模块在实际使用条件下还可承受比氟化聚合物层制成的光伏模块更高的温度。本发明光伏模块包含至少1个由多层复合薄膜构成的层，其中(每层)复合薄膜包含至少1个聚碳酸酯层和至少1个含氟化聚合物层。另外，它们包含至少1个由1个或多个太阳能电池构成的层。该太阳能电池可并联或串联。本发明光伏模块优选地由几层构成，其中面对光的最上层由复合薄膜构成，后者包含至少1个聚碳酸酯层和至少1个含氟聚合物层。本发明光伏模块中的太阳能电池由无机和/或有机光敏材料构成，例如，单晶硅、多晶硅或非晶硅，或者由铜/铟硒化物或镉碲化物，或者由有机染料组成或者是Graetzel电池。该太阳能电池优选主要由硅制成。本发明的聚碳酸酯/氟化聚合物复合薄膜可由2个或更多个层组成。本发明聚碳酸酯/氟化聚合物复合薄膜的一种优选实施方案是2层结构，包括聚碳酸酯层和氟化聚合物层。在这两层之间可夹有增粘层。这些层中还可包含其他添加剂，例如紫外吸收剂。本发明聚碳酸酯/氟化聚合物复合薄膜的另一种优选实施方案是3层体系，由一个氟化聚合物层、一个聚碳酸酯层和一个乙烯/醋酸乙烯酯共聚物层组成。所述层之间可夹有增粘层。另外，这些层中还可包含其他添加剂，例如紫外吸收剂。此种层结构尤其有利于生产本发明光伏模块，因为太阳能电池可层合到乙烯/醋酸乙烯酯共聚物层中，而不需要使用单独的乙烯/醋酸乙烯酯共聚物薄膜。本发明聚碳酸酯/氟化聚合物复合薄膜可采用例如挤出、复合挤出或层合等方法来制备。它们可利用下列方法进行表面处理等离子沉积，例如CVD(化学蒸汽沉积)，或者通过溅射、蒸发、离子束辅助沉积、喷漆等方法。本发明聚碳酸酯/氟化聚合物复合薄膜的厚度可介于5μm～最高1000μm。优选100μm～1000μm的厚度。尤其优选200μm～600μm的厚度。聚碳酸酯/氟化聚合物的重量比可介于1000∶1～1∶1000。该比例优选介于100∶1～1∶100，尤其优选20∶1～1∶20。可用于聚碳酸酯/氟化聚合物复合薄膜中的聚碳酸酯是基于通式(Ⅱ)的双酚的聚碳酸酯，其中A代表单键、C1～C5亚烷基、C2～C5烷叉(alkylidene)、C5～C6环烷叉(cycloalkylidene)基团、-S-或-SO2-，B代表氯或溴，q是0、1或2，以及p是1或0，或者基于通式(Ⅲ)的烷基取代的二羟苯基环烷烃，其中R7和R8各自彼此独立地是氢、卤素，优选氯或溴，C1～C8烷基、C5～C6环烷基、C6～C10芳基，优选苯基，或者C7～C12芳烷基，优选苯基-C1～C4烷基，尤其是苄基基团，m是4、5、6或7的整数，优选4或5，R9和R10对于每个Z可单独地选择，并彼此独立地代表氢或C1～C6烷基，以及Z代表碳，条件是R9和R10同时地代表在至少1个Z原子上的烷基。通式(Ⅱ)双酚的适当例子例如是氢醌、间苯二酚、4,4’-二羟基联苯、2,2-双(4-羟苯基)-丙烷(即，双酚A)、2,4-双(4-羟苯基)-2-甲基丁烷、1,1-双(4-羟苯基)-环己烷、2,2-双(3-氯-4-羟苯基)-丙烷以及2,2-双(3,5-二溴-4-羟苯基)丙烷。优选的通式(Ⅱ)双酚是2,2-双(4-羟苯基)-丙烷、2,2-双(3,5-二氯-4-羟苯基)-丙烷以及1,1-双(4-羟苯基)-环己烷。优选的通式(Ⅲ)双酚是1,1-双(4-羟苯基)-3,3-二甲基环己烷、1,1-双(4-羟苯基)-3,3,5-三甲基环己烷以及1,1-双(4-羟苯基)-2,4,4-三甲基环戊烷。适合用于本发明的聚碳酸酯包括均聚碳酸酯或共聚碳酸酯。上面规定的热塑性聚碳酸酯的混合物也是合适的。该聚碳酸酯可按照已知的方式由双酚与光气通过相界面法或者与光气通过均相法制备；通过所谓吡啶法或者通过熔融酯交换法，由双酚与碳酸酯来制备，其中分子量可按照已知的方式，利用适当数量已知链终止剂进行调节。这些制备方法例如描述在H.Schnell，“聚碳酸酯化学与物理”，《聚合物评论》，卷9,p.31～76，国际科学出版社，1964。适宜链终止剂例如是苯酚、对氯酚、对叔丁基酚或2,4,6-三溴酚，还包括长链烷基酚如4-(1,1,3,3-四甲基丁基)-苯酚，或者烷基取代基总碳原子数为8～20的单烷基酚或二烷基酚，例如3,5-二叔丁基酚、对异辛基酚、对叔辛基酚、对十二烷基酚、2-(3,5-二甲基庚基)酚及4-(3,5-二甲基庚基)酚。链终止剂的用量，以具体使用的通式(Ⅱ)和/或(Ⅲ)双酚总用量为基准，通常介于0.5～10mol％。适合本发明的聚碳酸酯的平均分子量(Mw重均，例如按超离心或光散射法测定)介于10,000～200,000，优选18,000～80,000。适合用于本发明的聚碳酸酯可按照已知方式进行支化，优选通过加入以双酚总用量为基准，0.05～2mol％三官能化合物或官能度大于3的化合物，例如包含3或3个以上酚基团的化合物。除了双酚A均聚碳酸酯之外，优选的聚碳酸酯是双酚A与以双酚总摩尔数为基准最高15mol％2,2-双(3,5-二溴-4-羟苯基)-丙烷的共聚碳酸酯，以及双酚A与以双酚总摩尔数为基准最高60mol％1,1-双(4-羟苯基)-3,3,5-三甲基环己烷的共聚碳酸酯。该聚碳酸酯可部分地或全部由芳族聚酯碳酸酯代替。芳族聚碳酸酯还可包含聚硅氧烷嵌段。其制备例如载于US-A3821325。使用的氟化聚合物是那些聚乙烯碳链的氢原子全部或部分地被氟原子取代的聚合物，还包括由它们衍生的氯-或氟/氯-衍生物或者由它们衍生的共聚物。本发明光伏模块的一种优选实施方案可由下列结构代表。其面朝光源的这一面由本发明的复合薄膜构成。其下面是镶嵌在聚合物中的太阳能电池层。该聚合物可以是，例如乙烯/醋酸乙烯酯共聚物、聚氨酯或聚硅氧烷。在此，优选使用乙烯/醋酸乙烯酯共聚物。镶嵌实施方式优选为，将太阳能电池夹在2片乙烯/醋酸乙烯酯共聚物薄膜之间进行层合。这底下是玻璃、金属、环氧树脂平光板或塑料材料的衬底层。光伏模块的其他层也优选地与太阳能电池层合夹入的同时组装在一起，以便在一个制备步骤中制成完整模块。光伏模块可固定在金属或其他材料制成的边框中。光伏模块也可直接地坐落在其他底层上，例如在滑翔机机翼结构上，不需要采用衬底层。本发明光伏模块的另一种优选实施方案由下列对称结构代表。面朝光源的这一面由本发明的复合薄膜构成。其下面是镶嵌在聚合物中的太阳能电池层。该聚合物可以是，例如乙烯/醋酸乙烯酯共聚物、聚氨酯或聚硅氧烷。在此，优选使用乙烯/醋酸乙烯酯共聚物。镶嵌程序，优选这样实施将太阳能电池夹在2片乙烯/醋酸乙烯酯共聚物薄膜之间进行层合。这底下是第2层本发明复合薄膜。光伏模块可固定在金属或其他材料制成的边框中。本发明光伏模块可以是平面的或非平面的。它们优选是非平面的。本发明光伏模块还可以是用于发电并产生热量的所谓混杂模块的组成部分。本发明光伏模块可用于固定和移动发电。该光伏模块例如可用于太阳能动力交通工具，例如太阳能动力汽车、用于飞机或飞艇，用于舰船或小艇，用于私人游艇或大棚车，用于玩具，用于广告目的如广告牌的照明，用于时刻表的照明，用于停车检票机，用于长途跋涉和娱乐圈以及安全
技术领域：
的照明系统，用于招牌模块或屋面模块或者用于音障板壁模块。在所有上述用途中，本发明光伏模块既可用于为适当对象提供全部能量需求，即，例如为驱动太阳能动力汽车提供所要求的能量，或者本发明光伏模块也可仅仅提供适当对象所需能量的一部分，例如用于交通工具的照明。本发明光伏模块可采用镶嵌方法或者采用例如铸造方法来制备。用乙烯/醋酸乙烯酯(EVA)作为粘合膜的真空层合法已证明可用作主要镶嵌方法。在该方法中，光伏模块在真空室内组装在一起，在减压和/或增压以及提高的温度的作用下成形为“层合物”。EVA在此期间熔融并将太阳能电池各侧面全部包围起来。经过交联处理之后，太阳能电池便能够基本上不受湿气、污垢之类的侵袭。光伏模块的其他层也优选地一起组装，从而在单一加工步骤中制成整个模块，优选与太阳能电池层合到EVVA层中同时地进行。作为上述方法的替代方案，已开发出铸造方法，用于大二维结构模块的制备。在此情况下，太阳能电池被嵌入到2个覆盖层之间，例如聚碳酸酯/聚氟乙烯复合薄膜。中间的空间则充填上例如低粘度聚氨酯树脂或聚硅氧烷。该方法也适合小模块的制备。如果外壳具有合适的结构，便可实现最佳集成化。实例为检验可印刷性，针对不同薄膜的可印刷性进行了下列试验<tablesid="table1"num="001"><table>薄膜类型胶粘带试验划格法数值聚碳酸酯/聚氟乙烯复合薄膜(按照本发明)；在聚碳酸酯表面上印刷丝网色浆A丝网色浆B无色浆松脱无色浆松脱01聚氟乙烯薄膜(对比例)丝网色浆A丝网色浆B色浆不粘附色浆不粘附55乙烯/四氟乙烯共聚物薄膜(对比例)丝网色浆A丝网色浆B色浆不粘附色浆不粘附55聚氟乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚氟乙烯复合薄膜(对比例)丝网色浆A丝网色浆B色浆不粘附色浆松脱52</table></tables>在薄膜上的印刷是采用2种不同的单组分丝网色浆进行的1．丝网色浆A(高温着色剂NoriphanHTR，基料基于双酚A和1,1-双(4-羟苯基)-3,3,5-三甲基环己烷的共聚碳酸酯(商品名APECHT))，2．丝网色浆B(标准着色剂Jet200,Prll公司提供，基料聚丙烯酸酯树脂及纤维素衍生物)。在材料的1/100面积上印刷一遍。然后，样品在室温、托盘上干燥。印刷后经过43h再进行试验。按照DIN53151,ISO2409进行划格法试验。在结果评估中，划格数值0为最好的评估。随后，依次降等，直至划格数值5，即，最差的评估。样品按照划格数值0到划格数值5的分级是根据上面提到的标准采用比较图表进行的。胶粘带试验程序如下首先，交叉划格，然后将18mm宽的胶粘带贴到着色层上并用橡胶辊筒在适度压力下压实；随后，以中等速度均匀地剥离胶粘带。按照与划格试验相同的方式进行评估。为检验机械强度，进行如下测试测试装置的布局可从附图“图1”看出。对光伏模块进行如下试验以评估机械强度。测试装置描述250g测试重物放在杠杆上，使之能够旋转。测试重物的底面半径是20mm。测试期间，将重物抬高一段x距离，然后任其依重力下落到待测光伏模块上。底板由韧性材料制成。它可以交换并适应为支撑实际模块所使用的条件。自由落体的高度可从刻度标尺上读出。冲击强度是通过让重物下落10次，然后用肉眼评估损坏情况以及测量模块的电气特性来检验的。试验的实施及结果比较光伏模块(采用不同市售覆盖薄膜的镶嵌太阳能电池)耐受能力试验是采用250g质量的下落重物进行的。让重物从A=10cm、B=20cm、C=30cm高度下落到样品上10次。如此，每次测试，将样品从前一次冲击点后退30mm。评估镶嵌的太阳能电池是否被破坏。当损坏时，将所获乙烯/醋酸乙烯酯共聚物层中的电池碎片移动一段距离，以便在透射光下很容易察觉出损坏。试验产生下列结果聚氟乙烯薄膜(Tedlar)覆盖层A3个处于工作状态7个破坏B10个破坏聚碳酸酯薄膜覆盖层A10个处于工作状态B1个破坏9个处于工作状态C10个破坏聚碳酸酯/聚氟乙烯覆盖层复合薄A10个处于工作状态膜(MakrofolEPC)B10个处于工作状态C9个处于工作状态1个破坏权利要求1．一种光伏模块，其特征在于，它们包含1个或多个由多层复合薄膜组成的层，其中复合薄膜包含至少1个聚碳酸酯层和至少1个含氟聚合物层。2．权利要求1的光伏模块，其特征在于，多层复合薄膜由聚碳酸酯层和含氟聚合物层以及二者之间的任选增粘层构成。3．权利要求1的光伏模块，其特征在于，多层复合薄膜由含氟聚合物层、聚碳酸酯层、乙烯/醋酸乙烯酯共聚物层以及各层之间的任选增粘层构成。4．权利要求1～3之一的光伏模块，其特征在于，聚碳酸酯层或含氟聚合物层或者二者，包含紫外吸收剂。5．权利要求1～4之一的光伏模块，其特征在于，面朝光源的多层复合薄膜之一构成光伏模块的最上层。6．权利要求1～5之一的光伏模块，其特征在于，聚碳酸酯是基于双酚A的聚碳酸酯。7．权利要求1～5之一的光伏模块，其特征在于，聚碳酸酯是基于双酚A和以双酚总摩尔数为基准最高60mol％1,1-双(4-羟苯基)-3,3,5-三甲基环己烷的共聚碳酸酯。8．权利要求1～7之一的光伏模块，其特征在于，含氟聚合物是聚氟乙烯。9．权利要求1～8之一的光伏模块，其特征在于，至少1个多层复合薄膜上进行了印刷。10．权利要求1～9之一的光伏模块用于固定或移动发电的应用。全文摘要本发明涉及一种光伏模块,其特征在于,它们包含1个或多个由多层复合薄膜组成的层,其中复合薄膜包含至少1个聚碳酸酯层和至少1个含氟聚合物层;本发明还涉及所述模块的应用。文档编号B32B27/08GK1301402SQ99806394公开日2001年6月27日申请日期1999年3月22日优先权日1998年4月1日发明者K·桑德尔,H·布劳恩,U·福格尔,L·施勒格尔申请人:拜尔公司