光伏建筑一体化组件及其制备方法与流程

本发明涉及光伏技术领域，具体而言，涉及一种光伏建筑一体化组件及其制备方法。

背景技术：

光伏建筑一体化(bipv)技术是将太阳能光伏发电产品集成到建筑上的技术，与建筑配套光伏(bapv)技术采用光伏电池组件串通过金属支架支撑在屋顶、遮阳板的情形不同，光伏建筑一体化是采用玻璃、柔性基底的太阳电池做发电主体，将其集成到建筑物的外墙、屋顶或室内，做智能发电幕墙、发电玻璃、发电瓦片、发电屏风、发电大棚、发电温室阳台等兼具美观和实用的建筑结构的重要组成部分。

在现代社会中，人们对建筑物的要求不仅是遮风挡雨，往往对建筑物的外观美学，居住舒适度以及能效利用率都有较高要求。在发达国家，建筑用能包括照明、空调、采暖以及办公等已经占全国各类总能耗的40％，我国的居民住宅及商业办公楼的能耗也占总能耗的20％以上。在经济发达的一二线城市，供地数量有限，楼顶面积有限，空置地段可放置大面积光伏电池板的区域寥寥无几，这都对太阳能发电建筑提出了更紧迫的需求。

目前的bipv组件大多采用正面是淬火钢化玻璃，中间夹层为eva胶粘光伏电池，背板为多层透过聚合物或是同样钢化玻璃的结构，根据建筑物的美学要求，可实现玻璃颜色定制、电池片占空比透光率定制以及保温度定制等多项用户需求。但处于防飓风、防冰雹、防震等安全性考虑，顶底保护玻璃或是聚合物膜往往经多种工艺多层薄膜加厚防护，导致组件的重量往往都在15kg/m²，对于高强度的双玻组件甚至达到20kg/m²。这样的重量应用在砖瓦结构的老旧破楼装修方面就面临诸多问题，比如墙体大面积承重过载、传统轻薄玻璃框架不适应以及价格成本过高等。因此，有必要开发出机械强度高，透光率好，更重要的是轻质持久耐劳的bipv组件。

目前解决bipv组件重量问题的常规方法是将光伏电池做成柔性或是半柔性，同时将背板玻璃替换成更轻质的聚合物复合膜背板，如tpt、ape、bbf等，但这样无法保证组件的机械强度，这些往往是应用在自主移动交通领域(如太空卫星、太阳能飞机、太阳能续航汽车、轮船等)，在强度要求较高的领域无法应用。

基于以上原因，有必要开发刚度强度更高的轻质型bipv组件。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种光伏建筑一体化组件及其制备方法，以解决现有技术中光伏建筑一体化组件无法兼顾轻质、刚度和强度的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光伏建筑一体化组件，其包括层叠设置的光伏电池和背板，背板包括：上盖膜层，靠近光伏电池设置；蜂窝支撑层，设置在上盖膜层远离光伏电池的一侧；下盖膜层，设置在蜂窝支撑层远离上盖膜层的一侧。

进一步地，蜂窝支撑层为金属材料蜂窝结构或聚合物材料蜂窝结构。

进一步地，金属材料蜂窝结构的金属材料为铝或锡；聚合物材料蜂窝结构的聚合物材料为芳纶。

进一步地，上盖膜层和下盖膜层的材料分别独立地选自gfrp材料或亚克力材料。

进一步地，还包括阻水透光保护层，设置在光伏电池远离背板的一侧。

进一步地，阻水透光保护层为etfe层、pet层、或者etfe层和pet层形成的叠层膜。

进一步地，还包括：第一胶层，设置在阻水透光保护层和光伏电池之间；第二胶层，设置在光伏电池和上盖膜层之间；第三胶层，设置在上盖膜层和蜂窝支撑层之间；第四胶层，设置在蜂窝支撑层和下盖膜层之间。

进一步地，第一胶层和第二胶层的材料分别独立地选自eva、surlyn树脂或poe，或者第一胶层和第二胶层分别独立地为eva、surlyn树脂及poe中任意两种或三种形成的叠层膜；第三胶层和第四胶层的材料分别独立地选自环氧树脂、eva或离子聚合物。

进一步地，上盖膜层、下盖膜层的厚度分别独立地选自0.5～2mm；蜂窝支撑层的厚度为3～10mm；阻水透光保护层的厚度为0.1～1mm；第一胶层、第二胶层、第三胶层、第四胶层的厚度分别独立地选自0.01～1mm。

另一方面，还提供了一种光伏建筑一体化组件的制备方法，制备方法包括以下步骤：将光伏建筑一体化组件的各层进行层压，使各层粘结固定在一起，进而形成光伏建筑一体化组件。

进一步地，制备方法具体采用以下方法一或方法二：

方法一包括以下步骤：将上盖膜层平铺，在上盖膜层的一侧表面顺次铺设第二胶层、光伏电池、第一胶层及阻水透光保护层，形成第一预制结构；将第一预制结构在层压机上进行层压，使各层粘结，形成预粘结体；在预粘结体的上盖膜层的另一侧表面顺次铺设第三胶层、蜂窝支撑层、第四胶层及下盖膜层，形成第二预制结构；以及将第二预制结构在真空状态下常温度化，得到光伏建筑一体化组件；且方法一中采用的第三胶层和第四胶层的材料均为环氧树脂；

方法二包括以下步骤：将下盖膜层平铺，在下盖膜层的一侧表面顺次铺设第四胶层、蜂窝支撑层、第三胶层、上盖膜层、第二胶层、光伏电池、第一胶层以及阻水透光保护层，形成第三预制结构；将第三预制结构层压机上进行层压，使各层粘结，形成光伏建筑一体化组件；且方法二中采用的第三胶层和第四胶层的材料分别独立地选自eva或离子聚合物。

本发明提供了一种光伏建筑一体化组件，其包括层叠设置的光伏电池和背板，背板包括上盖膜层、蜂窝支撑层和下盖膜层，上盖膜层靠近光伏电池设置；蜂窝支撑层设置在上盖膜层远离光伏电池的一侧；下盖膜层设置在蜂窝支撑层远离上盖膜层的一侧。

本发明提供的光伏建筑一体化组件采用了包括上盖膜层、蜂窝支撑层和下盖膜层的复合背板。其中的蜂窝支撑层是一种模仿自然界蜜蜂蜂巢结构的支撑结构，其具有重量轻的特点，且在相同的重量前提下，其具有更高的刚度和强度。在该蜂窝支撑层上下复合盖膜层，使得本发明提供的光伏建筑一体化组件能够很好地兼具轻质、刚度和强度等性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一种实施例的光伏建筑一体化组件的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中的光伏建筑一体化组件无法兼顾轻质、刚度和强度。为了解决上述问题，本发明提供了一种光伏建筑一体化组件，如图1所示，其包括层叠设置的光伏电池10和背板20，背板20包括上盖膜层21、蜂窝支撑层22及下盖膜层23，上盖膜层21靠近光伏电池10设置；蜂窝支撑层22设置在上盖膜层21远离光伏电池10的一侧；下盖膜层23设置在蜂窝支撑层22远离上盖膜层21的一侧。

本发明提供的光伏建筑一体化组件采用了包括上盖膜层21、蜂窝支撑层22和下盖膜层23的复合型的背板20。其中的蜂窝支撑层22是一种模仿自然界蜜蜂蜂巢结构的支撑结构，其具有重量轻的特点，且在相同的重量前提下，其具有更高的刚度和强度。在该蜂窝支撑层22上下复合盖膜层，使得本发明提供的光伏建筑一体化组件能够很好地兼具轻质、刚度和强度等性能。

上述光伏电池10可以是本领域常用的类型，比如可以是包括晶体硅、非晶硅、多晶硅、晶体锗、非晶锗、硅锗合金等一系列四族元素半导体太阳电池，可以是砷化镓、磷化铟、氮化镓等一系列三五族化合物半导体太阳电池，可以是硫化镉、硒化镉、碲化镉等一系列二六族化合物半导体太阳电池，还可以是铜铟镓硒、铜锌锡硫、有机、染料敏化、量子点、钙钛矿等一系列多元素化合物半导体太阳电池。

在一种优选的实施方式中，蜂窝支撑层22为金属材料蜂窝结构或聚合物材料蜂窝结构，用于提供整个组件结构的背面支撑和整体刚度，且具有轻质的特性。优选地，金属材料蜂窝结构的金属材料为铝或锡；聚合物材料蜂窝结构的聚合物材料为芳纶。更优选上述蜂窝支撑层22为芳纶支撑结构，芳纶蜂窝是经由树脂浸渍的芳纶纤维纸制成的非金属复合材料，除了具有质轻的性能以外，兼具非常优异的超高强度，在相同重量的情况下，其刚度与强度超过铝材甚至钢材数倍。

在一种优选的实施方式中，上盖膜层21和下盖膜层23的材料分别独立地选自gfrp材料或亚克力材料。gfrp全称为玻璃纤维增强复合材料，是以高分子环氧树脂为基体，以玻璃纤维作为结构增强体，经复合工艺而成的增强塑料材料，具有较高的强度，作为上盖膜层21和下盖膜层23的材料能够进一步提高组件的强度。更优选地，上盖膜层21和下盖膜层23均是由多层gfrp材料叠层而成，并且相邻两层中的玻璃纤维的取向交叉垂直，堆叠层数为4～10层。还需要说明的是，采用gfrp材料形成的下盖膜层23，还能够起到覆盖蜂窝支撑层22下表面，且隔绝水汽、腐蚀气从背部侵入光伏电池10内部的作用。而上盖膜层21设置在蜂窝支撑层22和光伏电池10之间，起到了覆盖蜂窝支撑层22上表面，防止后续的胶层受热流动到蜂窝孔内部的作用，且能够作为进一步的隔离层，防止水汽、腐蚀气从背部侵入光伏电池10内部。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，上述光伏建筑一体化组件还包括阻水透光保护层30，其设置在光伏电池10远离背板20的一侧。设置阻水透光保护层30可以对光伏电池10的顶面进行保护，并起到阻水、透光作用，提高组件的耐候性。优选地，阻水透光保护层30为etfe层、pet层、或者etfe层和pet层形成的叠层膜。etfe具有优良的透光性和超高的强韧性，且耐腐蚀，化学稳定性优异，作为阻水透光保护层30的材料非常适宜，除了能提高光伏建筑一体化组件的抗水汽侵入或腐蚀气腐蚀的能力外，保证了光伏电池10的受光条件，且辅助增加了组件的强度。pet是高透明热塑性聚酯塑料，具有良好的透光性。etfe层和pet层形成的叠层膜兼具了上述两种材料的优点。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，上述光伏建筑一体化组件还包括：第一胶层40、第二胶层50、第三胶层60和第四胶层70，第一胶层40设置在阻水透光保护层30和光伏电池10之间；第二胶层50设置在光伏电池10和上盖膜层21之间；第三胶层60设置在上盖膜层21和蜂窝支撑层22之间；第四胶层70设置在蜂窝支撑层22和下盖膜层23之间。利用上述胶层可以将各层更好地粘结固定。

优选地，第一胶层40和第二胶层50的材料分别独立地选自eva(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、surlyn树脂(乙烯-甲基丙烯酸基离子聚合物)或poe(乙烯-辛稀共聚物)，或者第一胶层40和第二胶层50分别独立地为eva、surlyn树脂及poe中任意两种或三种形成的叠层膜，能够起到更好的绝缘、固定、粘牢作用。优选地，第三胶层60和第四胶层70的材料分别独立地选自环氧树脂、eva或离子聚合物，这样有利于更好的粘结固定蜂窝支撑层22和上下盖膜层。

为了使组件在轻质、刚度、强度等方面更加平衡，在一种优选的实施方式中，上盖膜层21、下盖膜层23的厚度分别独立地选自0.5～2mm；蜂窝支撑层22的厚度为3～10mm；阻水透光保护层30的厚度为0.1～1mm；第一胶层40、第二胶层50、第三胶层60、第四胶层70的厚度分别独立地选自0.01～1mm。

根据本发明的另一方面，还提供了一种上述光伏建筑一体化组件的制备方法，其包括以下步骤：将光伏建筑一体化组件的各层进行层压，使各层粘结固定在一起，进而形成光伏建筑一体化组件。本发明制备的光伏建筑一体化组件，采用了包括上盖膜层21、蜂窝支撑层22和下盖膜层23的复合型的背板20。其中的蜂窝支撑层22是一种模仿自然界蜜蜂蜂巢结构的支撑结构，其具有重量轻的特点，且在相同的重量前提下，其具有更高的刚度和强度。在该蜂窝支撑层22上下复合盖膜层，使得本发明制备的光伏建筑一体化组件能够很好地兼具轻质、刚度和强度等性能。

在实际制备过程中，可以将组件中的各层叠置后进行压制固化，形成组件产品，也可以将其中的某几个功能层预先压制成型，后再与其他功能层进行压制固化。

在一种优选的实施方式中，采用方法一或方法二制备上述光伏建筑一体化组件：

方法一的步骤如下：

第一步：将上盖膜层21平铺好，其上铺设第二胶层50。

第二步：在第二胶层50上铺设连接好的光伏电池10。

第三步：在第三层光伏电池串光伏电池10上铺设第一胶层40。

第四步：在第一胶层40上铺设阻水透光保护层30，完成光伏电池前板多层堆叠的预制结构。

第五步：将上述完成的多层堆叠的预制结构在层压机上进行层压，使各层膜及光伏电池能牢固的粘接成一体。

第六步：在上盖膜层21暴露的表面上涂第三胶层60(此处优选采用环氧树脂胶)。

第七步：在第三胶层60上铺设蜂窝支撑层22。

第八步：在蜂窝支撑层22上涂第四胶层70(此处优选采用环氧树脂胶)。

第九步：在第四胶层70上铺设下盖膜层23，完成光伏电池前板与芳纶蜂窝支撑体后板的堆叠预制结构。

第十步：将第九步完成的整个预制结构放在真空袋常温固化12小时以上，得到光伏建筑一体化组件。

上述方法一中，使用了环氧树脂作为第三胶层60和第四胶层70材料，通过真空固化方式即可很好的粘结背板各层。

方法二的步骤如下：

第一步：将下盖膜层23平铺好，其上铺设第四胶层70(此处优选为离聚物膜或eva膜)。

第二步：在第四胶层70上铺设蜂窝支撑层22。

第三步：在蜂窝支撑层22上铺设第三胶层60(此处优选为离聚物膜或eva膜)。

第四步：在第三胶层60上铺设上盖膜层21。

第五步：在上盖膜层21上铺设好第二胶层50。

第六步：在第二胶层50上摆放连接好的光伏电池10。

第七步：在光伏电池10上铺设第一胶层40。

第八步：在第一胶层40上铺设阻水透光保护层30，完成光伏电池前板与蜂窝支撑体后板的堆叠预制结构。

第九步：将上述完成的多层堆叠的预制结构在层压机上进行层压，使各层膜及光伏电池能牢固的粘接成一体。

使用上述方法二，能够将各层叠置有一次层压成型，操作方便简单。

上述制备方法中，也可以先从阻水透光保护层30开始依序铺设后续层，不局限于先从下盖膜层23开始，这是本领域技术人员都应理解的，在此不再赘述。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1

该实施例制备了结构如图1所示的光伏建筑一体化组件，具体工艺如下：

第一步：将第五层gfrp平铺好，其上依次铺设第四层eva膜、连接好的第三层光伏电池串、第二层eva膜、第一层阻水透光etfe膜，完成光伏电池前板多层堆叠的预制结构。

第二步：将上述完成的多层堆叠的预制结构放进双层真空层压机，将层压机上下两层同时抽真空，加热叠层件，至温度110-120℃，上层压力恢复至常压，层间橡胶膜由于压力差对下层的叠加件形成挤压，温升至130-170℃，恒温固化，保持下层真空进行循环冷却。也可以采用一步加温法，将初始温度直接设置为eva的固化温度165℃，恒温固化。最后取出组合件，切除多余的封装材料。经上述层压机上进行层压后，各层膜及光伏电池能牢固的粘接成一体。

第三步：在第五层gfrp暴露的表面上依次涂第六层环氧树脂胶、铺设第七层芳纶蜂窝支撑体、涂第八层环氧树脂胶、铺设第九层gfrp，完成光伏电池前板与芳纶蜂窝支撑体后板的堆叠预制结构。

第四步：将第九步完成的整个预制结构放在1bar以下的真空袋中常温固化12小时以上。当然适当加热温度在100℃以下可以加速固化过程。

上盖膜层、下盖膜层的厚度为2mm；蜂窝支撑层的厚度为5mm；阻水透光保护层的厚度为1mm；各胶层的厚度分别独立地选自均为1mm。

该组件性能如下：根据iec61215标准，该组件经历200个-40℃～85℃的温度循环后，组件的相对功率损失量为1.2％，经过1000小时的湿热老化后，相对功率损失量为1.4％。弯曲刚度达到15n·m²，剥离强度达到30n/cm，屈服载荷达到350n，冰雹实验组件功率衰减小于5％，组件重量为6kg/m²。

实施例2

该实施例制备了结构如图1所示的光伏建筑一体化组件，具体工艺如下：

第一步：将gfrp平铺好，其上依次铺设第离聚物膜或eva膜、芳纶蜂窝支撑体、离聚物膜或eva膜、gfrp、eva膜、连接好的第三层光伏电池串、eva膜、阻水透光etfe膜，完成光伏电池前板与芳纶蜂窝支撑体后板的堆叠预制结构。

第二步：将上述完成的多层堆叠的预制结构放进双层真空层压机，将层压机上下两层同时抽真空，加热叠层件，至温度110-120℃，上层压力恢复至常压，层间橡胶膜由于压力差对下层的叠加件形成挤压，温升至130-170℃，恒温固化，保持下层真空进行循环冷却。也可以采用一步加温法，将初始温度直接设置为eva的固化温度165℃，恒温固化。在层压过程中，为保证eva胶膜的交联度，层压机的上下都需要有热板，保证上下eva膜受热均匀，如果只有底面有热板，那么一面层压完成后，需要将组件翻面后再行层压。最后取出组合件，切除多余的封装材料。经上述层压机上进行层压后，完成光伏电池前板与芳纶蜂窝支撑体后板的堆叠结构。

上盖膜层、下盖膜层的厚度为0.5mm；蜂窝支撑层的厚度为6mm；阻水透光保护层的厚度为0.5mm；各胶层的厚度分别独立地选自均为0.6mm。

该组件性能如下：根据iec61215标准，该组件经历200个-40℃～85℃的温度循环后，组件的相对功率损失量为2.4％，经过1000小时的湿热老化后，相对功率损失量为4.1％。弯曲刚度达到10n·m²，剥离强度达到40n/cm，屈服载荷达到120n，冰雹实验组件功率衰减小于5％，组件重量为5kg/m²。

总之，本发明提出的bipv组件，具有单位面积重量轻的优势(组件重量可低至5kg/m²)，不会给建筑物外墙增加过多额外的重量，对固定框架的机械强度要求也不高。相比于传统的正面玻璃配合背面聚合物膜的单玻组件或是正背都是玻璃的双玻组件，本发明提出的组件其刚性更大，刚度能达到15n·m²甚至更大，对于冰雹、落石以及建筑物局部物理冲击、振动具有较强的抵抗力。且优选地，本发明的复合夹层背板结构的bipv光伏组件具有抗水汽、湿热以及冷热冲击的优势，效率稳定度高，衰减慢。该组件应用于建筑、航空或是可移动能源领域具有重大优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。