CN113228301A

CN113228301A - 用于光伏面板的盖板

Info

Publication number: CN113228301A
Application number: CN201980084693.8A
Authority: CN
Inventors: 彼得·迈克尔·卡明斯基; 亚当·迈克尔·劳; 刘易斯·大卫·赖特; 约翰·迈克尔·沃斯
Original assignee: Loughborough University
Current assignee: Loughborough University
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-08-06
Also published as: US20220077337A1; GB201821095D0; EP3900049A1; WO2020128510A1

Abstract

一种用于光伏面板(4)的盖板(7)，所述盖板(7)包括透明基板(8)和在所述基板(8)上的涂层(9)，所述涂层(9)使得所述盖板(8)对红外光谱中第一波长范围的光的反射比对可见光谱中第二波长范围的光的反射更强；其中所述涂层(9)包括第一材料(11，13)和第二材料(12，14)的交替层，其中所述第一材料(11，13)与所述第二材料(12，14)相比具有更高的折射率并且是透明导电氧化物，例如氧化铟锡(ITO)。还讨论了包含对所述第一材料进行退火和/或在高温下对其进行沉积的制造方法。

Description

用于光伏面板的盖板

本发明涉及一种用于光伏面板的盖板、使用此类面板的光伏模块和所述面板的用途，以及此类盖板的制造方法。

众所周知，光伏(PV)面板是一种将入射光—通常是太阳光—转换成电力的方法。近年来，在光伏模块的开发中取得了显著进展，从而使得成本大幅度降低。现在在世界的许多地方，太阳能实现能量产生的‘电网平价(grid parity)’成本。预计PV将为缓解全球日益增长的能量问题作出重要贡献。PV模块的全球供应已从2009年的6GWp(峰值千兆瓦)增加到2017年的95GWp和2018年的115GWp。截至2017年底，总共400GWp的太阳能容量在世界范围内产生电力(2018年为500GW)；这足以满足世界近2％的能量需求。

晶体硅(c-Si)PV占据着PV领域的主导地位，在2017年和2018年，占模块产量的90％以上。然而，c-Si模块会随着工作温度的升高而遭受严重损耗。通常，这些损耗相当于温度每升高1℃，效率下降0.25％。例如，在70℃下，模块效率将比在25℃下的标准测试条件下测得的模块效率低12.5％。在英国，模块温度通常达到70℃，并且在更靠近赤道的炎热气候下，温度很容易超过70℃。消除这些损耗将大大增加太阳能面板的能量输出。

该问题对于所有PV技术都是常见的，并且可通过以％/℃效率损耗表示的温度效率系数来衡量。这些损耗是半导体固有特性的结果，且没有简单的方法来减轻它们。附图的图4示出了随着温度升高，晶体硅模块的效率降低。针对典型热效率系数为0.25％/℃的装置标绘数据。此外，附图的图10示出了不同技术的标称25W PV模块的效率如何随着温度升高而下降。PV面板的所有效率图都在25℃下测量。

由于温度系数是半导体行为所固有的，因此无法通过修改模块材料来解决该问题。在工作期间限制温度升高将是该问题的解决方案。尽管使用再循环水冷却系统的主动冷却将起作用，但是主动冷却将是昂贵且复杂的。

根据本发明的第一方面，我们提供了一种用于光伏面板的盖板，所述盖板包括透明基板和在所述基板上的涂层，所述涂层使得所述盖板对红外光谱中第一波长范围的光的反射比对可见光谱中第二波长范围的光的反射更强。

因此，该涂层将优先反射红外辐射(红外辐射原本会有害地加热光伏面板)但将促进可见光的通过，所述可见光将有用地透射到光伏面板以用于转换成电能。

玻璃上的半透明IR反射涂层已在建筑物、汽车和烘箱等许多应用中使用。用于反射红外辐射的涂层通常基于薄银层。多层(2-3层)5nm厚Ag层用于生产半透明的彩色中性红外反射器。然而，这些涂层会引入吸收损耗，这使其不适用于PV应用。

通常，涂层使得盖板与所述涂层不存在的情况相比对第一波长范围的光的反射更强。同样，通常，涂层使得盖板与所述涂层不存在的情况相比对第二波长范围的光的反射更弱。因此，涂层对第二波长范围是抗反射的，但是对第一波长范围的光的反射更强。

在一个实施例中，所述涂层可包括第一材料和第二材料的交替层，其中所述第一材料与所述第二材料相比具有更高的折射率。通常，涂层将被布置成使得在基板的顶部上形成第一材料的层。第一材料可以是透明导电氧化物，例如氧化铟锡(ITO)。通常，第二材料将是硅石(二氧化硅)，因为其便宜且耐用。涂层可由第一材料和第二材料中的各自(each)的两层组成(因此总共四层)，或替代地由第一材料和第二材料中的各自的三层组成(因此总共六层)或由更多层组成。

多层方法的优点是涂层设计的可调节性、高性能和耐用性。涂层不需要折射率明显低于玻璃的薄膜材料。可使用坚硬和耐用的材料，例如硅石，特别是用于第二种材料。使用此类材料的多层涂层已被证实在包含针对PV、耐磨性、酸侵蚀的IEC加速寿命测试的许多环境测试中具有稳定性，在各情况下均未表现出降解。

多层抗反射涂层(MAR)利用光干涉来控制反射。干涉是由于介质边界处的折射率变化而发生的。由于介质的变化，部分能量被反射而一些能量被透射。可使用菲涅耳方程来计算透射波和反射波的振幅。基于薄膜多层设计的MAR涂层利用介质边界处的相消干涉来减少反射。

多层光学涂层通过使高折射率层和低折射率层之间的对比度最大化来实现高性能抗反射。此类涂层中的第一范围的反射可通过使用折射率在IR区域中动态变化的材料来实现。透明导电氧化物(TCO)由于存在自由电子而具有所需特性。氧化铟锡(ITO)在可见光谱中的550nm处的折射率大致为2。所述ITO在光谱的可见光部分的第二波长范围内具有零消光系数，并且在IR光谱的第二范围内具有所需的变化。与选择其它材料相比，有可能使用TCO层制造的涂层要少得多。

这些特性使此类材料适用于涂层。可见光谱中的高折射率值使涂层能够减少来自玻璃前表面的反射。红外区域的较低折射率使涂层能够反射IR光子。

在一个实例中，涂层将包括以下各项或由以下各项组成：

a)在基板上的第一材料的第一层，其厚度为18.6nm±公差；

b)在第一层上的第二材料的第二层，其厚度为25.2nm±公差；

c)在第二层上的第一材料的第三层，其厚度为142.7nm±公差；以及

d)在第三层上的第二材料的第四层，其厚度为87.9nm±公差；

其中所述第一层、所述第二层、所述第三层和所述第四层中的每一个的所述公差为相应层的所述厚度的2％、1.5％或1％，或者为2nm或1nm。

已发现该布置在反射红外光但透射可见光方面特别有效。

通常，光伏面板将会具有将会转换成电能的波长的工作范围；工作范围可能在更长波长端处受到光伏面板的吸收边缘的限制。通常，第二范围将包含工作范围或工作范围的大部分。通常，第一范围与工作范围之间将不存在重叠。

第一范围可以是或可包括从第一值到第二值的范围。第二值可以是1150nm、1200nm、1300nm或1400nm中的任何一个。第二值可以是2750nm、2800nm、2900nm、3000nm或4000nm中的任何一个。

第二范围可以是或可包括从第一值到第二值的范围。第二值可以是300nm、325nm或350nm中的任何一个(后一个值是玻璃的吸收边缘)。第二值可以是800nm、900nm、1000nm或1150nm中的任何一个。

在第一范围内的反射率可最大为3％、2％、1.75％或1.5％。第二范围内的反射率可以是至少20％、30％、40％、50％或60％。

基板可以是玻璃，通常是钠钙玻璃。替代地，所述基板可以是透明聚合物材料，例如聚碳酸酯。

在一个实施例中，盖板可与光伏面板分开。替代地，盖板可与光伏面板成一体，所述光伏面板可包括在基板上—通常在基板的与涂层的相反侧上—形成的作用表面(activesurface)。

根据本发明的第二方面，提供了一种光伏模块，其包括：光伏面板，所述光伏面板具有作用表面使得入射在所述作用表面上的光被所述光伏面板转换成电能；以及屏蔽(shielding)所述作用表面的盖板，其中所述盖板根据本发明的第一方面所述。

在一个实施例中，盖板可与光伏面板分开。盖板和光伏面板之间可存在空间，所述空间可填充有透明填料，例如透明聚合物填料，例如醋酸乙烯乙酯(EVA)。晶体硅(c-Si)光伏面板通常是这种情况。

在另一实施例中，盖板可与光伏面板成一体，并且可在基板上-通常在基板的与涂层的相反侧上-形成活性基板。薄膜碲化镉(CdTe)光伏面板通常是这种情况。

所述模块可进一步包括被布置成包含光伏面板并具有孔的壳体，其中盖板密封所述孔。

在前述方面中的任一个中，光伏面板可以是晶体硅(c-Si)、铜铟镓硒(CIGS)或碲化镉(CdTe)光伏面板，或任何其它合适的面板，尤其是其效率随着温度升高而降低的面板。

根据本发明的第三方面，提供了根据本发明的第一方面的盖板的用途，其用于减少所述第二波长范围内的反射且用于反射所述第一波长范围内的光。

根据本发明的第四方面，提供了一种制造根据本发明的第一方面的盖板的方法，所述方法包括在所述基板上沉积所述第一材料和所述第二材料的所述交替层并且对沉积层进行退火。

已发现对所述层进行退火可以所要方式来改进透射性能和反射性能(也就是说，可能在可见光谱中透射率更大且反射率更小，并且在红外光谱中反射率更大且透射率更小)。这提供了在透明导电氧化物(通常是氧化铟锡)中甚至更有利的折射率色散。

通常，在已经沉积所有所述层之后对所述层进行退火。退火可在至少250℃或300℃、或400℃或500℃下进行。层的沉积可在小于50℃、30℃、25℃或20℃下进行。

根据本发明的第五方面，提供了一种制造本发明的第一方面的盖板的方法，所述方法包括在所述基板上沉积所述第一材料和所述第二材料的所述交替层，其中所述第一材料的所述层的所述沉积在至少250℃的温度下发生。

已发现在高温下至少沉积第一材料的层可以所要方式改进透射性能和反射性能(也就是说，可能在可见光谱中透射率更大且反射率更小，并且在红外光谱中反射率更大且透射率更小)。

第二材料的层的沉积也可在高于250℃的温度下发生。沉积第一材料和/或第二材料的层的温度可为至少300℃、或400℃或500℃。

所述方法可包括将所述基板加热到至少250℃的温度的步骤。

现在，借助于实例，下面对本发明的实施例进行描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例的光伏模块的示意图；

图2示出了穿过图1的模块的盖玻璃的横截面；

图3a示出了图2的盖玻璃在不同波长下的反射图；

图3b示出了图2的盖玻璃在不同波长下的反射校正图；

图4示出了PV面板效率随工作温度变化的图；

图5示出了在退火之前和之后玻璃上的氧化铟锡层的透射率相对于波长的图；

图6和7分别示出了在退火之前和之后示例盖玻璃的反射率和透射率相对于波长的图；

图8和图9示出了在图6的盖玻璃下的光伏电池输出的功率和开路电压随时间变化的图；并且

图10示出了PV模块的功率输出随温度升高而变化的图。

在附图的图1中示出了根据本发明的实施例的光伏模块1。所述光伏模块包括壳体2，所述壳体在一个面3上是敞开的。壳体包含光伏面板4，所述光伏面板被布置成将入射在其前表面5上的光转换成电力，所述电力可通过电连接6传输到其它地方。

为了保护面板4不受物理环境的影响，提供了盖玻璃板7。这不仅保护面板4免受环境侵扰，而且如下文所解释地起作用，以优先地将红外辐射反射离开面板4，同时减少有用的可见光的反射。

在附图的图2中可更详细地看到盖玻璃7；为了便于描述，层的厚度已经极大地变形。在图2中示出了盖玻璃7，使得所示出的最下面的面将面向面板4，并且所示出的最上面的面将面向外部世界，以及照明源(通常是太阳)。

盖玻璃7包括玻璃基板8，所述玻璃基板的厚度可与盖玻璃7的物理特性—特别是物理强度所需要的厚度相同。通常，玻璃基板8将由钢化钠钙玻璃形成，并且将大致为3mm厚。

盖玻璃7在其顶面上(背离面板4)具有涂层9。涂层对大部分在红外中的第一波长范围的光具有反射性，并且在大部分在可见光谱中的第二波长范围内减少反射—也就是说，抗反射。

涂层包括四层，从基板向上加工：

a)在基板8上的氧化铟锡(ITO)的第一层11(折射率2.13)，其厚度大致为18.6nm；

b)在第一层11上的硅石(SiO₂)的第二层12(折射率1.45)，其厚度大致为25.2nm；

c)在第二层12上的ITO的第三层13，其厚度大致为142.7nm；以及

d)在第三层13上的硅石的第四层14，其厚度大致为87.9nm。

选择层的厚度，使得在第一范围内，具有不同折射率的层与入射光交互，以通过干涉促进反射，而在第二范围内，相反的情况发生—反射减少。光学涂层是使用“EssentialMacleod”光学建模软件包设计的。所述软件通过考虑使用传递矩阵法的电磁波传播来模拟光学涂层的性能。

在该实施例中，选择氧化铟锡(ITO)作为高折射率材料，而选择硅石(SiO₂)作为低折射率材料。

这可在附图的图3a中所示的模拟行为中看到。基于光透射穿过涂层来估计光生电流。在1000W/m²下使用AM1.5g太阳光谱。为简单起见，已假设内部量子效率(IQE)为100％。针对带隙和光子能量之间的能量失配以及由于吸收红外光子而引起的能量失配，计算PV模块在工作期间的温度升高。吸收器的带隙用于限定两个光谱(在1150nm处划分)。这使得能够容易地估计涂层性能。

图3b中示出了图3a中所示数据的校正版本，从而消除了2500nm以上数据的潜在不正确的线性外插。

在该图中，迹线20示出了不具有涂层9的盖玻璃板7的反射率，而迹线21示出了具有涂层9的盖玻璃7的反射率。因此，可以看出，对于红外光谱中的第一波长范围22(从大致1500到3000nm)，具有涂层9的反射率高于不具有所述涂层的反射率。在的第二波长范围23中(从大致350到1150nm)，具有涂层9与不具有所述涂层相比反射率更低；优化涂层的设计，以第二范围的反射损耗减到最小。可以看出，第二范围在面板4的吸收边缘24(示出的碲化镉(CdTe)面板的吸收边缘)下方，而第一范围在上方。

因此，涂层9减少晶体硅(c-Si)光伏(PV)模块的工作范围内的反射。在350nm到1150nm的波长范围内，从盖玻璃7的前(顶)表面的反射从4.5％减少到低于1％。观察到较长波长的反射增加。增加的反射率是涂层设计引起的干涉的结果，且高达70％。

涂层9将第二有用波长区域中的加权平均反射(WAR)从4.22％降低到1.24％。对于该WAR值(1.24％)，最大可达到的电流从43.02mA/cm²增加到44.36mA/cm²。ITO的使用改进了涂层的抗反射性能，以及增加了反射红外第一范围的益处。

对太阳能电池在1000W/cm² AM1.5(PV照明的标准)照明下的温度升高进行模拟，结果表明，由于在没有涂层9的情况下单独吸收亚带隙光子，因此电池的温度升高了15.7℃。对于具有涂覆有涂层9的盖玻璃的太阳能电池，由于IR光子而引起的温度升高减少到10.1℃。这实现由于IR辐射而引起的温度升高减少超过35％。

在此情境下，与具有涂层9的情况下总温度升高21.2℃相比，在没有涂层9的情况下，总温度升高26.8℃。由于能量失配和亚带隙光子而引起的总温度升高减少20％。

已经制造了根据上述实施例的示例盖玻璃。使用硅和ITO靶，通过脉冲DC磁控管溅射将涂层沉积在石英玻璃基板上。硅层通过反应溅射沉积，其中溅射的材料是纯硅，所述纯硅随后穿过富氧等离子体以形成氧化层。ITO层是由复合靶沉积而成的。

所述层如下：

层	材料	厚度(nm)
			1	SiO<sub>2</sub>	88
2	ITO	143
			3	SiO<sub>2</sub>	25
4	ITO	19
			基板	玻璃	不适用

在制造期间，应了解，对层进行退火可改进性能。图5示出了在不同温度下退火之前和之后在玻璃基板上的单个ITO层(上表中的层4)的透射率。可以看出，当在至少300℃的温度下对ITO层进行退火时，在高波长IR范围内的透射率(合乎需要地)降低。因此，我们已发现，ITO可在室温下沉积，然后在至少300℃(其本身并不是特别高的温度，这仅需要使用适度的能量即可将堆叠加热到此温度)下退火。

我们还已了解，整个堆叠可在室温下沉积，随后退火。图6和7示出了如上表中所阐述的整个堆叠在300℃下退火一小时之前和之后的反射率和透射率。可以看出，仅使用四层，如本发明所要的，IR范围内的反射率高于可见光谱中的反射率，并且可见光范围内的透射率较高而IR范围内的透射率较低。

在模拟光下每15秒测量未涂布的样品和上文所论述的经涂布的样品，持续15分钟。下图示出了标准化开路电压(Voc)和最大功率点(MPP)。

经涂布的样品的Voc降低速率低于未涂布样品的Voc降低速率。速率的变化表明仍实现了预期的效果，从而成功再现理论预测。

在替代方案中，可在高温(300℃或更高)下进行层的沉积和/或可将基板加热到300℃或更高以实现上文对于退火所描述的优点。

因此，该实施例组合第二有用波长范围内的反射减少的益处，从而提高PV模块1可将入射光转换成电力的效率，以及增加仅有助于加热PV面板4的红外辐射的反射，由此通过至少部分地改善任何温度升高而提高PV面板的效率。

尽管我们已提议使用ITO作为具有较高折射率的材料，但有可能使用其它透明导电氧化物；通常使用计算机模型来改变交替层的厚度，直到实现所要反射和抗反射行为为止。

随着模块温度的升高，模块会遭受明显的性能损耗。已示出了使用交替的高折射率和低折射率的宽带多层抗反射涂层的前述设计可提供高效率增益。所述设计的耐用性已经过测试和证实，从而使其成为大批量制造的合适解决方案。

将多层抗反射涂层与红外反射器组合是降低模块温度的新概念。避免将银用于红外反射意味着光学透射不会受损。

计算表明，新型光学涂层可将由亚带隙光子引起的温度升高减少>35％。在太阳能盖玻璃上采用涂层会增加PV模块产生的能量。

降低面板的工作温度将具有增加PV寿命的额外益处，因为温度在降解中起重要作用。这将进一步降低PV发电的成本。

红外反射光学涂层是技术不可知的解决方案。效率增益与装置效率成正比。PV模块的效率越高，通过涂布盖玻璃获得的能量增益就越高。涂层还充当由太阳能模块吸收的波长中的抗反射涂层。该效果通过将反射损耗从4.22％降低到1.24％来提高模块效率。将抗反射与降低模块温度组合的盖玻璃涂层的益处将显著影响太阳能设备的效率，并相应降低发电成本。掺入透明导体(例如ITO)还将引入抗静电功能，以使得盖板不会将太多的灰尘吸引到表面，从而防止由于表面污染而引起的损耗。

Claims

1.一种用于光伏面板的盖板，所述盖板包括透明基板和在所述基板上的涂层，所述涂层使得所述盖板对红外光谱中第一波长范围的光的反射比对可见光谱中第二波长范围的光的反射更强；

其中所述涂层包括第一材料和第二材料的交替层，其中所述第一材料与所述第二材料相比具有更高的折射率并且是透明导电氧化物。

2.根据权利要求1所述的盖板，其中所述涂层使得与所述涂层不存在的情况相比，所述盖板对所述第一波长范围的光的反射更强。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的盖板，其中所述涂层使得与所述涂层不存在的情况相比，所述盖板对所述第二波长范围的光的反射更弱。

4.根据任一前述权利要求所述的盖板，其中所述涂层被布置成使得在所述基板的顶部上形成所述第一材料的层。

5.根据任一前述权利要求所述的盖板，其中所述第一材料是氧化铟锡(ITO)。

6.根据任一前述权利要求所述的盖板，其中所述第二材料是硅石(二氧化硅)。

7.根据任一前述权利要求所述的盖板，其中所述涂层由所述第一材料和所述第二材料中的各自的两层组成。

8.根据任一前述权利要求所述的盖板，其中所述涂层包括：

a)在所述基板上的氧化铟锡的第一层，其厚度为18.6nm±公差；

b)在所述第一层上的硅石的第二层，其厚度为25.2nm±公差；

c)在所述第二层上的氧化铟锡的第三层，其厚度为142.7nm±公差；以及

d)在所述第三层上的硅石的第四层，其厚度为87.9nm±公差；

9.根据任一前述权利要求所述的盖板，其中所述光伏面板具有将转换成电能的波长的工作范围，其中所述工作范围在更长波长端处受到所述光伏面板的吸收边缘的限制，

其中所述第二范围包含所述工作范围或所述工作范围的大部分。

10.根据权利要求9所述的盖板，其中所述第一范围与所述工作范围之间不存在重叠。

11.一种光伏模块，其包括光伏面板，所述光伏面板具有作用表面，使得入射在所述作用表面上的光被所述光伏面板转换成电能；以及屏蔽所述作用表面的盖板，其中所述盖板根据任一前述权利要求所述。

12.根据权利要求11所述的光伏模块，其进一步包括被布置成包含所述光伏面板并具有孔的壳体，其中所述盖板密封所述孔。

13.一种根据权利要求1至10中任一项所述的盖板的用途，用于减少所述第二波长范围内的反射且用于反射所述第一波长范围内的光。

14.一种制造根据权利要求1至10中的任一项所述的盖板的方法，所述方法包括在所述基板上沉积所述第一材料和所述第二材料的所述交替层并且对沉积层进行退火。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在已经沉积所有所述层之后对所述层进行退火。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述退火在至少250℃或300℃下进行。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述层的所述沉积在小于50℃、30℃、25℃或20℃下进行。

18.一种制造根据权利要求1至10中任一项所述的盖板的方法，所述方法包括在所述基板上沉积所述第一材料和所述第二材料的所述交替层，其中所述第一材料的所述层的所述沉积在至少250℃的温度下发生。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二材料的所述层的所述沉积也在高于250℃的温度下发生。

20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其包括将所述基板加热到至少250℃的温度的步骤。