一种光伏建材及其制备方法与流程

本发明属于建材领域，具体涉及一种光伏建材及其制备方法。

背景技术：

目前可被人们利用的新能源包括风能、太阳能、海洋能、地热能等，其生产场所均设在人烟稀少、能源消耗少的郊区、荒漠或海洋上，而在人口密度大、能源消耗集中的城市中则鲜少看到新能源。这一方面是新能源本身的分布集中地不在城市造成的，如风能、海洋能、地热能的集中区域并不适宜人类居住；另一方面则是由新能源的利用形式不够完善、不够合理造成的，如太阳能，其分布广泛，在人口密度大的城市中也有大量的可利用太阳能，但目前城市与太阳能的主要结合方式——光伏建筑一体化(bipv)，其所采用的光伏组件一般呈现深蓝色、灰色、黑色，色彩、质感、肌理不美观，难以与建筑高度融合，达不到建筑对美学的要求，这些缺点限制了光伏组件在建筑中的广泛应用，进而限制了太阳能在城市中的广泛应用。

基于此，专利申请cn200420085961采用不同厚度及种类的光学减反膜，使得晶体硅太阳电池呈现不同颜色；专利申请cn201020272089在玻璃基底和透明导电膜之间加入光学介质膜层，使光学介质膜层与透明玻璃基底、透明导电膜、非晶硅膜组成一个可以对太阳光谱进行选择性反射和吸收的无源滤波器系统。当入射角度改变时，幕墙玻璃的颜色会发生变化，即从正面和侧面观察所看到的幕墙玻璃颜色可以不一样。专利申请cn201220200568在不改变电池片的前提下，通过改变eva或pvb胶膜的颜色达到与建筑物颜色的匹配。

尽管以上提到的专利可以使光伏组件呈现彩色，拓宽光伏组件的应用范围，但这些光伏组件所呈现的质感与玻璃相似，质感、肌理单一，这些缺点依然限制了光伏组件在建筑领域的应用。

技术实现要素：

针对现有技术中光伏电池存在的各种缺陷，本发明的目的是提供一种用于建筑领域的光伏建材，这种光伏建材所呈现的质感、肌理不再局限于玻璃的质感和肌理，可以表现得和常规看到的大理石、花岗岩等天然石材所呈现的外表一样。通过改变这种光伏建材面层材料的配方，可以使得建材呈现各种人们想要的多彩的外观和丰富的质感与肌理。这种光伏建材可以在不破坏建筑外观和风格的同时，在建筑物上开发利用充足的阳光辐射，具有广阔的应用前景。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种光伏建材，所述光伏建材包括面层和发电层。

所述面层在300nm～1300nm波长范围内加权平均透过率为30％～85％，雾度为10％～95％。

作为优选地，所述面层原料含有固化母液、光扩散剂与着色剂。

作为优选地，所述固化母液包括有机硅乳液、硅酸盐水溶液、聚氨酯乳液、聚丙烯酸乳液、含有碳-氟键的高分子聚合物乳液中的一种或多种。

作为优选地，所述光扩散剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和有机硅中的一种或多种。

作为优选地，所述光扩散剂为球形，其尺寸分布为0.8μm～7μm。

作为优选地，所述光扩散剂在固化原料中的质量分数为0.3％～4％。

根据mie理论，当球形粒子均匀分散在树脂基体中，体系的散射光强与粒子粒径以及粒子相对于周围介质折射率密切相关。在一定范围内，粒子的粒径越大，折射率差值越大，散射光强越大。在本发明中，所采用的光扩散剂为有机光扩散剂，这些光扩散剂材质本身对大部分光子透过，并且光扩散剂的折射率与分散光扩散剂的乳液介质的折射率接近，其相对折射率为0.90～0.99或1.01～1.10，尽管经过了多次的光线折射，透射光的损失较少，起到高透的作用；同时，因为光线发生了多次折射，穿透面层的出射光的方向与入射光方向发生偏折，视觉上看不到面层后面的太阳电池层，对太阳电池的外观起到遮挡作用。

作为优选地，所述着色剂包括颜料、染料中的一种或多种。

作为优选地，所述染料与母液混合后，可以获得高透明度、高着色力的混合液。

作为优选地，所述颜料的折射率为1.4～2.5，若采用的颜料的折射率太高，会对透明度产生不利影响。

作为优选地，所述颜料的粒径小于等于300nm。较小的颜料粒径添加入母液中，在呈现一定色彩的情况下，有利于得到透明度较高的固化混合液。当颜料粒径尺寸小于入射光波长的1/4时，光线可绕射，颜料粒子不会干扰光线在其中的进程，因此面层遮盖力较低，而透过率较高。

作为优选地，所述着色剂包括珠光颜料。

作为优选地，所述颜料包括感温变色颜料和\或感光变色颜料。

作为优选地，所述的面层厚度为0.02～5mm。

作为优选地，本发明所制备的光伏建材的面层，其面层吸水率≤8％，50次冻融循环无破坏，不会出现炸裂和裂纹，耐人工气候老化性≥600h，耐沾污性≤20％，耐化学腐蚀性符合标准，耐洗刷性≥1000次，面层与发电层之间的附着力≥1mpa，面层的莫氏硬度≥3，符合建筑领域中对面层的性能要求。

作为优选地，所述发电层是太阳电池组件，包括晶硅太阳电池组件或薄膜太阳电池组件中的一种。所述晶硅太阳电池组件是市售产品，包括基底、胶膜、太阳电池层、保护层；所述薄膜太阳电池组件包括基底、太阳电池层、保护层。

作为优选地，所述发电层是自制产品，包括基底、太阳电池层和保护层。

作为优选地，所述光伏建材包括电极。

作为优选地，所述基底和太阳电池层是本技术领域公知的。

作为优选地，所述基底包括玻璃、金属板、柔性塑料薄膜或瓷砖中的一种，发电层直接在基底层上沉积。

作为优选地，所述发电层所用的薄膜太阳电池包括铜铟镓硒太阳电池、砷化镓太阳电池、非晶硅太阳电池、碲化镉太阳电池、染料敏化太阳电池、铜锌锡硫太阳电池或钙钛矿太阳电池。

作为优选地，所述的光伏建材保护层包括陶瓷薄膜、乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)、聚乙烯-丁烯共聚物(poe)、硅胶、聚乙烯(pe)、聚乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)、全氟乙烯丙烯共聚物(fep)、聚偏二氟乙烯膜(pvdf)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、无机玻璃、有机玻璃(pmma)和聚碳酸酯(pc)中的一种或几种。

其中，所述保护层只有陶瓷薄膜，所述保护层采用的陶瓷薄膜包括氧化物、氮化物和氟化物中的一种或几种。所述氧化物包括氧化硅、氧化锌和氧化钛中的一种或几种；所述氮化物包括氮化铝和/或氮化硅；所述氟化物包括聚四氟乙烯。

其中，当所述保护层包括胶膜，即eva、pvb、poe和硅胶中的一种或几种时，所述保护层还包括前膜；

其中，前膜包括玻璃和/或高分子材料；

作为优选地，所述高分子材料包括pmma、pc、etfe、pvdf、fep、pet和pet/pe中的一种或几种。

作为优选地，所述陶瓷薄膜的厚度为0.4～1000μm。

作为优选地，所述陶瓷薄膜可以采用溅射法、化学气相沉积法制备得到。

作为优选地，所述的面层、发电层与第一基底的组合可以粘贴于第二基底上，第二基底包括玻璃、金属板、水泥基板材、木材板、竹材板、石材板、混凝土板、塑料板、瓷砖或瓦片中的一种或几种。

本发明提供一种光伏建材的制备方法，包括如下的步骤：

1)按照比例将固化母液、光扩散剂与着色剂混合，配制成面层用混合液；

2)在发电层上制备面层，所述面层是直接在发电层表面覆盖液体固化制得。

作为优选地，所述的面层可以采用手工喷涂、自动喷涂、刷涂、旋涂、打印、印刷、流浆、滚刷、刮涂或涂布的方法将液态材料制备于发电层上。

作为优选地，步骤2)中所述的固化温度为-10℃～90℃，固化时间为0.2s～48h。

一些方法制备面层材料需要在高温条件下进行，而高温会对光伏组件产生损伤。本发明改进了面层材料的配方，可使面层材料在-10℃～90℃固化；此外，通过控制面层的厚度和配方，还可使面层保持有较高的透过率。

上述制备方法整个过程在较低的温度下进行，无需进行高温处理，可有效降低能耗，亦可保证电池不受损伤。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1)本发明在太阳电池的表面制备面层，可使太阳电池表面呈现出常规建材的质感，在保证发电的同时，太阳电池的转换效率几乎不下降；

2)本发明采用的面层固化温度在-10℃～90℃之间，不会对光伏组件造成损伤，可以在光伏组件上形成硬度较高的面层；

3)本发明所制备的面层不仅能够稳固地与光伏组件相结合，而且还具有较好的耐磨性能；

4)本发明所制备的面层具有较好的耐候性，在建筑外墙可以服役数十年；

5)本发明制备的面层，具有较强的致密性和抗腐蚀性，因此，其能将面层内被包裹的太阳电池与外界有效隔离开；

6)本发明所制备的发电建材性能稳定，色彩鲜艳，装饰性良好，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明光伏建材结构图，1为面层；2为发电层；

图2为图1所示光伏建材的侧视结构图，1为面层；2-1为陶瓷薄膜；2-2为太阳电池层；2-3为胶膜；2-4为基底；2*2为负电极面；2*3为正电极面；e1为引出负电极；e2为引出正电极。

具体实施方式

如下将结合附图对本发明进行进一步的解释和说明，其仅用作对本发明的解释而并非限制。

实施例1

光伏建材基底为柔性不锈钢箔，厚度为0.2mm，其上设置有发电层，并设置有导线引出电极。在发电层上设置有面层。

发电层制备方法具体如下：

将柔性不锈钢箔衬底清洗干净后放入磁控溅射机中。为防止不锈钢中元素向太阳电池中扩散，先溅射一层0.5μm的wti阻挡层。工作气体采用ar气，溅射气压为0.7pa，本底真空为2.0×10^-3pa，溅射时基底不加热。采用三亚层工艺制备mo膜，第一层溅射气压为1.5pa，第二层溅射气压为0.6pa，第三层溅射气压为1.5pa。在mo膜上通过溅射方法沉积1.2～2μm的cigs薄膜，溅射气压为0.7pa，本底真空为1.5×10^-3pa，随后进行硒化退火处理。将硒化后的薄膜置于硫酸镉，硫脲以及氨水的混合溶液中，于70℃下沉积30～50nmcds。接着，重新将薄膜置于溅射腔室内，工作气体采用o2+ar，溅射气压为0.7pa，本底真空为2.0×10^-3pa，溅射时保持基底温度为150～200℃，分别沉积本征zno薄膜及azo薄膜。最后再采用蒸发方法沉积nial栅极，制成柔性的薄膜太阳电池板。然后，通过射频溅射法沉积一层厚度为3μm的氮化铝，最终形成发电层。

采用打印方法制备面层，面层原料混合液含有固化母液、光扩散剂与着色剂。固化母液采用无皂聚合的硅丙乳液21份、核-壳结构共聚而成的自交联硅丙乳液90份和有机硅接枝丙烯酸酯乳液70份，光扩散剂采用球形聚甲基丙烯酸甲酯，其粒径为0.8μm，光扩散剂在混合液中的质量分数为0.3％。着色剂包括孔雀石和群青紫颜料，其粒径分布为30～150nm，颜料在混合液中占比为0.5％，此外，面层原料混合液中还包括水40份、5040分散剂1.5份，m30杀菌剂2.5份。制备的面层厚度为0.02mm，其固化温度为90℃，固化时间为1h。所制备的面层的透过率为85％，雾度为52％。

实施例2

一种光伏建材，其基底为玻璃，厚度为2.0mm，其上设置有发电层，并设置有导线引出电极。电池的制备工艺与实施例1的相似，所不同的是将cigs薄膜换成cu2(znsn)(sse)4，薄膜的后处理工艺换为硒化或硫化。在电池层上设置有保护层，保护层为eva和玻璃。

面层是通过手工喷涂方法制备得到的，面层原料混合液含有固化母液、光扩散剂与着色剂。固化母液采用水玻璃45份，是钾水玻璃与钠水玻璃的混合，其比例为2：1，光扩散剂采用有机硅光扩散剂，其粒径为7μm，光扩散剂在混合液中的质量分数为2％。着色剂包括酞菁红和锌白，颜料在混合液中占比为0.9％。此外，面层原料混合液中还包括填料20份，采用滑石粉、碳酸钙的混合，还包括硅凝胶1份。

本实施例制得的面层厚度为2mm，其固化温度为20℃，固化时间为2h。

光伏建材面层对于300～1300nm的可见光的透过率曲线，加权平均透过率为35％，雾度为10％。

以其他的方式也可获得本申请的光伏建材的保护层，如将液体混合物以刮涂、打印、流桨的形式涂覆到发电层的表面。

实施例3

一种光伏建材，其基底为瓷砖，厚度为8.0mm，其上设置有电池层，并设置有导线引出电极。电池层具有cdte太阳能电池结构，具体制备工艺如下：先将清洗干净的基底置于溅射仪中，工作气体为ar气，溅射气压为0.7pa，本底真空为1.5×10^-3pa，在基底上溅射沉积一层透明导电氧化铟锡薄膜。随后采用丝网印刷方法将cds浆料涂覆成薄膜，于90～120℃下烘干1～3h，再在n2气氛下烧结0.5～2h，烧结温度为650～710℃。接着将含有cdte粉料的浆液印刷至cds上烧结1h。最后在cdte上印刷碳电极和ag浆作为引出电极。在电池层上设置有保护层，保护层为pvb和etfe，再在保护层上制备面层，面层厚度为0.1mm，其原料如下所示。

面层原料混合液含有固化母液、光扩散剂与着色剂。固化母液60份，采用氟碳树脂乳液和聚丙烯酸乳液的混合，其混合比例为3：1，光扩散剂采用聚苯乙烯光扩散剂，其粒径为2μm，光扩散剂在混合液中的质量分数为4％。着色剂包括群青蓝、有机绿和甲苯胺红的混合，颜料在混合液中占比为1.5％。此外，面层原料混合液中还包括填料15份，采用硅灰石粉、石英粉及膨润土的混合，重量比为1：1.5：0.8，还包括二甲基亚砜0.2份、聚羧酸钠盐1.1份、乳化硅油0.3份。

将构成面层的液态溶液以喷涂、打印、流桨的形式涂覆到发电层的表面，其固化温度为90℃，固化时间为0.2s。面层对于300～1300nm的可见光的透过率曲线，加权平均透过率为52％，雾度为50％。

实施例4

一种光伏建材，其基底为氮化铝陶瓷，厚度为10.0mm，其上设置有发电层，电池层选择非晶硅电池，并设置有导线引出电极。在电池层上设置有保护层，保护层的材质为陶瓷薄膜二氧化硅，其厚度为15μm，二氧化硅是通过反应溅射得到的：将真空室抽至2.0×10^-3pa后开始工作。采用600w恒功率溅射，0.6pa溅射气压，溅射气氛为ar+o2，其中ar：o2为3:1，靶材为6n纯度的单晶硅，靶基距为60mm。

面层是通过印刷方法制备得到的，按重量份计，面层原料混合液含有固化母液、光扩散剂与着色剂。固化母液采用水玻璃75份，是钾水玻璃与钠水玻璃的混合，其比例为1：1，光扩散剂采用聚甲基丙烯酸甲酯光扩散剂，其粒径为1μm，光扩散剂在混合液中的质量分数为3％。着色剂包括酞菁红和金云母，颜料在混合液中占比为1.0％。此外，面层原料混合液中还包括填料20份，采用硅灰石粉、硅酸铝、高岭土的混合，其重量比为3：2：5，还包括硅凝胶0.5份。

光伏建材面层对于300～1300nm的可见光的透过率曲线，加权平均透过率为45％，雾度为40％。

以其他的方式也可获得本申请的光伏建材的保护层，如将液体混合物以喷涂、丝印、流桨的形式涂覆到发电层的表面。

实施例5

一种光伏建材，选择多晶硅组件产品，其基底为吸水率小于1％的瓷砖，厚度为5mm，发电层上设置有导线引出电极。在电池层上设置有保护层，保护层是二氧化硅陶瓷薄膜。

面层是通过自动喷涂的方法制备的，面层原料混合液含有固化母液、光扩散剂与着色剂。固化母液70份，采用氟碳树脂乳液和聚氨脂乳液的混合，其混合比例为1：1，光扩散剂采用聚苯乙烯光扩散剂，其粒径为2μm，光扩散剂在混合液中的质量分数为1％。着色剂采用珠光颜料，颜料在混合液中占比为1.25％。此外，面层原料混合液中还包括填料10份，采用石英粉及沉淀硫酸钡的混合，重量比为2：3，还包括甘油0.4份、聚羧酸钠盐1.0份。

面层厚度为0.3mm，固化温度为50℃，固化时间为1s。对于300～1300nm的可见光的透过率曲线，加权平均透过率为45％，雾度为95％。光伏建材结构示意图如图1、2所示。

实施例6

一种光伏建材，选择市售单晶硅电池组件产品。其基底为玻璃，厚度为2mm，发电层上设置有导线引出电极，并设置有保护层，保护层包括硅胶和前膜，前膜选用etfe。

采用旋涂方法制备面层，面层原料混合液含有固化母液、光扩散剂与着色剂。固化母液采用无皂聚合的硅丙乳液28份、核-壳结构共聚而成的自交联硅丙乳液70份和有机硅接枝丙烯酸酯乳液110份，光扩散剂采用球形聚苯乙烯，其粒径为2.5μm，光扩散剂在混合液中的质量分数为1％。着色剂包括耐晒桃红色淀和酸性湖蓝色淀的混合，染料在混合液中占比为0.9％，此外，面层原料混合液中还包括250hbr纤维素2份、m30杀菌剂2.5份。制备的面层厚度为0.05mm。固化温度为-20℃，固化时间为30h。

本实施例得到的发电建材面层其对于300～1300nm的光的加权平均透过率为55％，雾度为70％。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。