太阳能电池模块及其制造方法
【专利摘要】一种太阳能电池模块及其制造方法。该太阳能电池模块的制造方法包括下列步骤：提供一溶有发光染料的溶液；使该溶液与第一波导材料混合，以得到第一混合物；将该第一混合物与含有纳米粉末及第二波导材料的第二混合物导入模具中，以形成具有相互堆栈的第一层体与第二层体的波导本体，该波导本体具有相对的顶面、底面和连接该顶面和底面的侧面，其中，该模具中设有至少一太阳能电池，使该至少一太阳能电池嵌埋于该波导本体内，由此增加光接收面积及聚光效率。
【专利说明】太阳能电池模块及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种太阳能电池模块及其制造方法，尤其是有关一种以铸模的方式制备太阳能电池模块的方法及一体封装的太阳能电池模块。
【背景技术】
[0002]目前,太阳能电池(solar cell)或称作光伏电池(photovoltaic cell)仍属于高成本产品，因此无法普及到日常生活。一般可将太阳能电池分为硅晶太阳能电池、聚光型太阳能电池以及薄膜太阳能电池。
[0003]硅晶太阳能电池的光电转换效率已达到约19至20%，经封装制成太阳能电池模块后转换效率约为15至17%。硅晶太阳能电池模块主要包含玻璃、硅晶太阳能电池、封装材料(EVA、PVB等)与绝缘材料(PET、TPT等)，以真空热压方式封装而成。虽然硅晶太阳能电池是目前市场上产量最大且较为广泛使用，然而其居高不下的价位仍是无法普及至日常生活中的最大因素。另外，硅晶太阳能电池模块的电池片是互相串联，若有遮阴发生便会使得效率降低，因此需要建立于空旷无遮阴处。
[0004]聚光型太阳能电池主要是以II1-V族太阳能电池搭配高倍聚光镜以及追日系统，其电池的转换效率约24至28%。聚光型太阳能电池虽然具有高转换效率，但因为使用II1-V族稀土金属(例如Ga、In等)作为材料，造成工艺成本远高于其它太阳能电池。为了使发电量能够符合成本，通常会以数十组聚光型太阳能电池模块搭配一套追日系统架构，整体的建构成本非常昂贵。由于需要庞大支架安装模块，且需满足搭上追日系统后的支架旋转半径，因此聚光型太 阳能电池模块系统需要有空旷的占地。在高倍聚光下会产生高温，散射设计也是模块考量的重点。另外，要使聚光型太阳能电池模块系统发挥最高效率，必须在阳光充足的地方，因此多云或是日照较弱都会直接影响发电量。
[0005]薄膜太阳能电池一般能分为化合物太阳能电池、非晶硅太阳能电池、铜化镓铟硒(CIGS)太阳能电池以及有机分子聚合物太阳能电池等，其主要是以价格低廉，且轻、薄和可挠作为诉求。目前薄膜太阳能模块最高效率为14.4%(CdTe，美国First Solar)。虽然薄膜太阳能电池是以成本低与可挠性作为诉求，然而目前最大问题仍是电池的转换效率不佳。另外，由于CIGS太阳能电池的工艺属于金属蒸镀合金，故无法拥有良好的挠曲度，使得应用受到限制。
[0006]除此之外，由于受限于太阳能电池的高成本及其它条件，应用太阳能的发光太阳能聚光器(luminescent solar concentrator, LSC)日益受到重视。发光太阳能聚光器(LSC)最早是由W.H.Weber与John Lambe于1976年提出，至今已有三十多年的发展历史。LSC主要是以玻璃或透明塑料材料作为基板，通过折射率差异产生全反射的波导特性，并以涂布或掺入发光染料(例如有机发光染料(Luminescent Dyes)、发光量子点(LuminescentQuantum Dots)等)，使入射光发生散射、波长红移(Red shift或Stokes Shift),改变光行进方向并调整波长至太阳能电池最佳吸收范围。目前，由荷兰能源研究中心(ECN)的L.H.Slooff及E.E.Bende等人于2008年提出LSC最高能量转换效率为?.1%。LSC的优点在于太阳能电池是置于基板侧边，光入射面无任何遮蔽，拥有良好的透光性，又因为波导特性，故无传统太阳能电池需考虑的遮阴问题。然而，由于目前主要朝建材一体光伏模块(Building-1ntegrated photovoltaic, BIPV)及智能节能窗等大型应用发展,大都使用坚固的玻璃或是透明压克力作为基板，然而，这些坚硬的材料将会局限其可应用的范围。另夕卜，太阳能电池与坚硬基板必须以光学胶粘贴或以治具嵌合等方式固定，亦会增加工艺的复杂性及困难度。
[0007]有关太阳能电池的研究，已知US6，476，312B1揭露通过光学材料的波导(Waveguide)特性,如聚光器(Concentrator)的动作将量子点的光聚集至侧边的太阳能电池，其是以发光量子点做为染料，并利用光学胶粘贴太阳能电池，然而，该专利以光学胶粘贴太阳能电池的后工艺序会造成工艺的复杂度。US7，672，549B2揭露利用光学材料的波导特性控制光路径，将入射光导至太阳能电池，然而，该专利将波导材料内部制作成不同形状或是加入反射镜来改变光路径亦会造成工艺的复杂度。US7，940，457B2揭露将以光学材料作为的窗户与太阳能聚光器结合，制作成智能节能窗，然而，该专利主要掲露的技术特征为一种智能节能窗的结构及制作方法，并未涉及可挠性波导组件。
[0008]因此，在现存太阳能电池模块的使用材料成本问题、因遮阴而造成整体发电效能降低问题、须以光学胶粘贴或治具嵌合固定基板与太阳能电池或安装作业繁杂等问题，皆需要增加工艺步骤及制造成本，使得经济效益差，且使用的光学材料的可塑性亦会限制太阳能电池模块形状。
[0009]是以，如何降低太阳能电池模块的工艺复杂性、困难度及制作成本，并使该模块具有可挠性及高光聚效率，将有助于太阳能电池模块可运用的范围。
【发明内容】
[0010]本发明提供一种太阳能电池模块的制造方法，包括下列步骤:(A)提供一溶有发光染料的溶液；(B)使该溶液与第一波导材料混合，以得到第一混合物；以及(C)将该第一混合物与含有纳米粉末及第二波导材料的第二混合物导入模具中，以形成具有相互堆栈的第一层体与第二层体的波导本体，该波导本体具有相对的顶面、底面和连接该顶面和底面的侧面，其中，该模具中设有至少一太阳能电池，使该至少一太阳能电池嵌埋于该波导本体内。
[0011]本发明还提供一种太阳能电池模块，包括:波导本体，具有相互堆栈的第一层体与第二层体，其中，该第一层体含有第一波导材料与发光染料，该第二层体含有第二波导材料与纳米粉末，且该波导本体具有相对的顶面、底面和连接该顶面和底面的侧面；以及至少一太阳能电池，嵌埋于该波导本体内。
[0012]本发明利用铸模的方式制作单层或多层结构的太阳能电池模块，具有工艺简单的优点。此外，当波导本体制成板体时，太阳能电池是嵌埋于该波导本体内，使该波导本体的顶面和底面作为入光面时，可增加光接收面积及聚光效率，并减少太阳能电池面积或数量。另外，可使用具有挠性的波导材料，塑形成所欲的尺寸和外型，解决传统太阳能电池模块过于厚重且安装作业繁复的问题，可以直接用铺排或是卷铺方式进行安装，大幅提升安装作业效率。另一方面，可重复本发明制法步骤，以得到具有多层结构的太阳能电池模块，并进一步控制发光染料颜色及位置，可提高模块效率。【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1A、1B及IC分别显示本发明的太阳能电池模块的示意图，其中，图1B是图1A中A-A线切面的剖视图；
[0014]图2显示本发明的实施例1所制得具有混合染料的单层结构的太阳能电池模块在照光下的电流-电压曲线变化图；
[0015]图3显示本发明的实施例2所制得具有三层发光层的太阳能电池模块在照光下的电流-电压曲线变化图；
[0016]图4显示本发明的比较例I所制得无染料的太阳能电池模块在照光下的电流-电压曲线变化图；以及
[0017]图5显示测试例所使用模具曲率及对应模块角度示意图。
[0018]主要组件符号说明
[0019]I太阳能电池模块
[0020]10波导本体
[0021]IOa 顶面
[0022]IOb 底面
[0023]IOc侧面
`[0024]101第一层体
[0025]102第二层体
[0026]12太阳能电池
[0027]A-A切线。
【具体实施方式】
[0028]以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，该领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明亦可通过其它不同的实施方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明所揭示的精神下赋予不同的修饰与变更。
[0029]此外，本文中所记载的“第一”及“第二”仅用以配合说明书所揭露的内容，以供该领域技术人员了解与阅读，并不具技术上的实质意义。
[0030]本发明提供一种太阳能电池模块的制造方法，包括下列步骤:(A)提供一溶有发光染料的溶液；(B)使该溶液与第一波导材料混合，以得到第一混合物；以及(C)将该第一混合物与含有纳米粉末及第二波导材料的第二混合物导入模具中，以形成具有相互堆栈的第一层体与第二层体的波导本体，该波导本体具有相对的顶面、底面和连接该顶面和底面的侧面，其中，该模具中设有至少一太阳能电池，使该至少一太阳能电池嵌埋于该波导本体内。
[0031]由于波导材料为胶状物质，若加入微米(ym)以下颗粒尺寸的物质，不易混合均匀而会发生聚集现象。在本发明的实施例中，为使小颗粒的发光染料与波导材料能均匀搅拌，利用无毒的挥发性有机溶剂作为溶剂，先将该发光染料依比例溶于有机溶剂，以得到溶有该发光染料的溶液；再将该溶液溶于第一波导材料中，搅拌后加热以挥发有机溶剂，并使该发光染料均匀溶入该第一波导材料中，以得到第一混合物；另一方面，准备混合有纳米粉末与第二波导材料的第二混合物；最后将该第一混合物和第二混合物与所欲搭配的至少一种太阳能电池主体导入模具中，加入硬化剂，使该第一混合物与第二混合物分别固化成第一层体与第二层体后，以能将太阳能电池嵌埋于该波导本体内。此处，指该太阳能电池能结合于由相对顶面、底面与侧面所构成的该波导本体的内部。例如相对于该顶面或底面，该太阳能电池是直立于该波导本体内。
[0032]步骤(A)中，所述的发光染料是有机发光染料或发光量子点。此外，可使用醇类(例如甲醇或乙醇)、醚类(例如乙醚)或酮类(例如丙酮)的有机溶剂来溶解该发光染料。
[0033]步骤(A)的一实例中，是以乙醇作为有机溶剂溶解该发光染料，得到溶有发光染料的溶液。
[0034]该第一波导材料与第二波导材料各自为选自压克力材料(Polymethylmethacrylate, PMMA)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)、聚乙烯批咯烧酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)及聚二甲基娃氧烧(Polydimethylsiloxane,PDMS)所构成组中的至少一种。该第一波导材料与第二波导材料可相同或不同。
[0035]由于聚二甲基硅氧烷具有低杂噪、高可挠性及可塑性，于本发明的实施例中，以聚二甲基硅氧烷作为波导材料。
[0036]一例示性实例中，使纳米粉末与第二波导材料混合，以得到第二混合物，其中，该纳米粉末可使用例如二氧化钛(TiO2)、硫酸钡(BaSO4)、硫化锌(ZnS)、尼龙粉末(nylonpowder)以及金属氧化物颗粒等，以作为散射/反射入射的光线。
[0037]制作太阳能电池模块的一实例中，加热该第一混合物以除去该有机溶剂。具体而言，可先将发光染料溶解于乙醇，以获得溶有发光染料的溶液；接着，将该溶液溶于波导材料中，以得到第一混合物后，再使该第一混合物置于加热板加快乙醇的挥发。
[0038]步骤(C)中，使用热固化剂或光固化剂使该第一混合物固化成第一层体及使该第二混合物固化成第二层体。
[0039]步骤(C)的一实例中，该模具可选择使用具有多种形状的模具，例如(但不限于):圆形、多边形或特殊多边形，以使该波导本体结合该太阳能电池。或者，该模具的内壁具有微结构，以使该波导本体的顶面和底面的至少一者形成有对应的光导结构。此处，所述光导结构或微结构，可增加太阳能电池模块的表面积及曲率，有利于提升照光面积及聚光效率而增加入射光。
[0040]一实施例中，步骤(C)包括半固化该第一混合物与第二混合物，使该至少一太阳能电池嵌埋于该波导本体内；以及塑形该波导本体，以再加工得到所欲形状。具体而言，由于软性波导材料具有可塑形性，因而当含有波导材料的混合物处于半固化状态时，能进行弯曲形状的压制加工程序，使处于半固化状态的混合物塑形为所需形状。
[0041]至于太阳能电池，可视需要选择所欲的太阳能电池种类，且不限于电池的使用数量。本发明的一制作实例中，选用多晶硅太阳能电池。此外，为了解决传统太阳能电池置于模块中央而遮蔽光线的问题，制造过程中，可将太阳能电池置于模具侧边，例如通过胶带贴附、模具固定或真空吸附以固定该太阳能电池，以在形成波导本体后，以使该太阳能电池嵌埋于该波导本体内。
[0042]本发明的一太阳能电池模块制作实例中，还包括重复步骤(A)至(C)，以得到具有多层含发光染料的太阳能电池模块，其中，各该层结构的波导材料为相同，而发光染料为相同或不同且可无须再导入第二混合物。据此可利用控制发光染料的颜色及位置，使该模块具有图案或文字，以运用于各项标示或看板。
[0043]本发明还提供一种太阳能电池模块。如图1A及IB所示的太阳能电池模块立体图及剖视图，其中，图1B是图1A中A-A切线切面的剖视图，该太阳能电池模块I包括波导本体10，由含有第一波导材料与发光染料的第一层体101、及含有第二波导材料与纳米粉末的第二层体102堆栈而成，且该波导本体10具有相对的顶面10a、底面IOb和连接该顶面IOa和底面IOb的侧面IOc ;以及至少一太阳能电池12，结合于该波导本体10的侧面10c。
[0044]图1C是本发明的另一太阳能电池模块立体图，该太阳能电池模块I包括波导本体10，由含有第一波导材料与发光染料的第一层体101、及含有第二波导材料与纳米粉末的第二层体102堆栈而成，且该波导本体10具有相对的顶面10a、底面IOb和连接该顶面IOa和底面IOb的侧面IOc ;以及至少一太阳能电池12，结合于该波导本体10的中央。
[0045]本发明并未限制波导本体10的形状，在本图中仅以矩形作例示性说明，故虽然该矩形具有四个侧面10c，仍无限制该侧面IOc数量之意。此外，本发明亦未限制该太阳能电池嵌埋于该波导本体内的位置，图1A及IB是对在该波导本体的一侧面IOc上设置两个太阳能电池12作例示性说明，及图1C是对在该波导本体的中央设置一太阳能电池12作例示性说明。
[0046]另一方面，本案所称的顶面和底面仅用以方便说明，通常，顶面和底面是指面积较大的那面。
[0047]太阳能电池模块的一具体实施例中，该发光染料是有机发光染料或发光量子点。
[0048]一实施例中，该第一波导材料及第二波导材料各自为选自压克力材料(Polymethylmethacrylate,· PMMA)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)、聚乙烯批咯烧酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)及聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)所构成组中的至少一种。
[0049]另外，本发明是使第二波导材料与纳米粉末混合成第二混合物，经固化成第二层体以作为散射层或反射层，其中，该纳米粉末是选自二氧化钛(钛白粉，Ti02)、硫酸钡(BaSO4)、硫化锌(ZnS)、尼龙粉末及金属氧化物颗粒所构成组中的至少一种。
[0050]此外，通常，该含有纳米粉末的第二层体位于该波导本体的外侧。
[0051]以下通过特定的具体实施例进一步说明本发明的特点与功效，但非用于限制本发明的范畴。
[0052]实施例1制备具有第一层体及第二层体堆栈的太阳能电池模块
[0053]根据表1所示比例，将有机发光染料溶于乙醇。
[0054]表1有机发光染料溶液配制比例
[0055]
有机发光染料溶液I有机发光染料/重量 I溶剂/容量^
溶液 IC545T/0.08gZM /16ml
溶液 2Rhodamine640/0.0Olg 乙醇 /5ml[0056]C545T 及罗丹明(Rhodamine) 640 (购自 Exciton)
[0057]接着，依据太阳能电池模块尺寸(3X3X0.5cm3)吸取4.5ml聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS,购自乔越实业)置于容器中，吸取0.3毫升的溶液I及0.2毫升的溶液2并同加入该容器后均匀搅拌，待溶液1、溶液2与PDMS均匀混合后，将容器置于90至120°C加热板加热，加速乙醇挥发。
[0058]待乙醇挥发完全后，将0.45毫升的热固化剂(购自乔越实业)加入混有有机发光染料的PDMS混合液(体积比:PDMS:固化剂=10:1)中，搅拌使其均匀混合后，将其放置于真空腔体中以移除气泡。
[0059]气泡移除后，将PDMS混合液倒入侧边放有两片2X0.7cm2面积的硅晶太阳能电池片的模具，该模具底部为平坦，并置于100至120°C加热板加热固化。
[0060]将二氧化硅(TiO2)粉末(购自亚中实业)与PDMS均匀搅拌混合(TiO2:PDMS=0.2g:1.8ml)，混合均匀后加入0.18毫升的热固化剂(体积比=PDMS:固化剂=10:1)。待混合有机发光染料的PDMS加热固化后(约15至20分钟)，将混有TiO2的PDMS混合液倒入模具中，作为底部散射层。持续加热至PDMS完全固化后，将模具从加热板上取下，静置冷却后将模块从模具中脱离取下。制得太阳能电池模块，其具体结构如下表2所示，其中，第一层体与第二层体结合后形成一单层结构。
[0061]表2
[0062]
【权利要求】
1.一种太阳能电池模块的制造方法，包括下列步骤: (A)提供一溶有发光染料的溶液； (B)使该溶液与第一波导材料混合，以得到第一混合物；以及 (C)将该第一混合物与含有纳米粉末及第二波导材料的第二混合物导入模具中，以形成具有相互堆栈的第一层体与第二层体的波导本体，该波导本体具有相对的顶面、底面和连接该顶面和底面的侧面，其中，该模具中设有至少一太阳能电池，使该至少一太阳能电池嵌埋于该波导本体内。
2.如权利要求1所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该步骤(C)还包括使用热固化剂或光固化剂使该第一混合物固化成第一层体及使该第二混合物固化成第二层体，以堆栈形成波导本体。
3.如权利要求1所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该发光染料为有机发光染料或发光量子点。
4.如权利要求1所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该溶液包括有机溶剂，以溶解该发光染料。
5.如权利要求4所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该有机溶剂为醇类、醚类或酮类的溶剂。
6.如权利要求1所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该第一波导材料及第二波导材料各自为选自压克力材料、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮及聚二甲基硅氧烷所构成组中的至少一种。
7.如权利要求1所述`的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该步骤(C)包括半固化该第一混合物与第二混合物，使该至少一太阳能电池嵌埋于该波导本体内；以及将该波导本体塑形。
8.如权利要求1所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该纳米粉末选自为二氧化钛、硫酸钡、硫化锌、尼龙粉末及金属氧化物颗粒所构成组中的至少一种。
9.如权利要求4所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该步骤(C)包括加热该第一混合物以除去该有机溶剂。
10.如权利要求1所述的太阳能电池模块的制造方法，其特征在于，该模具内壁具有微结构，使该波导本体的顶面和底面的至少一者形成有对应的光导结构。
11.一种太阳能电池模块，包括: 波导本体，具有相互堆栈的第一层体与第二层体，其特征在于，该第一层体含有第一波导材料与发光染料，该第二层体含有第二波导材料与纳米粉末，且该波导本体具有相对的顶面、底面和连接该顶面和底面的侧面；以及 至少一太阳能电池，嵌埋于该波导本体内。
12.如权利要求11所述的太阳能电池模块，其特征在于，该发光染料为有机发光染料或发光量子点。
13.如权利要求11所述的太阳能电池模块，其特征在于，该第一波导材料及第二波导材料各自为选自压克力材料、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮及聚二甲基硅氧烷所构成组中的至少一种。
14.如权利要求11所述的太阳能电池模块，其特征在于，该纳米粉末为选自二氧化钛、硫酸钡、硫化锌、尼 龙粉末及金属氧化物颗粒所构成组中的至少一种。
【文档编号】H01L31/18GK103855248SQ201210570660
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月25日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】陈方中, 周俊贤, 庄睿纲, 林晏增 申请人:财团法人交大思源基金会