專利名稱：：用于平流層和外層空間用途的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及在平流層在飛船上和在外層空間在航天器上使用的太陽能電池。更具體地，本發(fā)明涉及輕質(zhì)太陽能電池(比功率>500W/kg)和超輕太陽能電池(比功率〉1000W/kg),其沉積在聚合物或薄金屬膜上并包括沉積在其頂部用于抵御大氣、平流層和外層空間環(huán)境的噴涂有才幾娃包去t劑(siliconeencapsulant)。
背景技術(shù)：
：已經(jīng)非常清楚，輕質(zhì)、柔性太陽能電池在平流層和外層空間用途中具有極大潛力。平流層用途的一個實例是為高空平臺供應能量。在這方面，對高容量無線服務的要求帶來越來越多的挑戰(zhàn)。在地面上，對視線(line-of-sight)電磁傳播路徑的需求構(gòu)成限制，除非部署非常大量的基站天線桿，且衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有容量限制。對這些問題提供的解決方案是部署大量的在海拔大約22千米的平流層中運行的高空平臺(HAP)以提供可同時利用地面和衛(wèi)星方案的最佳特征的通信設施，但它們需要太陽能基動力結(jié)構(gòu)。太空用途包括用于通信和其它用途的衛(wèi)星、以及空間站、觀測站和其它大功耗設備。甚至已經(jīng)提出用于例如火星的行星探測的高空浮考慮到這些和其它可能的用途，近年來已經(jīng)在制造輕質(zhì)柔性太陽能電池方面作出大量研究工作。但是，尚未認真的考慮使用這些太陽能電池的嚴酷的破壞性環(huán)境。簡言之，尚未重視如何保護太陽能電池免受平流層和外層空間環(huán)境的有害影響。需要制造可耐受平流層或外層空間的嚴酷環(huán)境并仍提供強光伏性能的輕質(zhì)、柔性太陽能電池。能電池。這種涂層是粘著的并保護該太陽能電池抵御嚴酷的輻射能以及氧化要素和溫度極端狀況/周期變化。該涂層也保護太陽能電池4氐御該太陽能電池儲存處的地平面地面環(huán)境。最后，該涂層本身不受其抵御的環(huán)境的有害影響。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明包括適用在平流層或外層空間環(huán)境中的光伏器件。該光伏器件包括基底和至少一個沉積在所述基底上的太陽能電池。其還包括沉積在所述一個太陽能電池上并完全包封該太陽能電池的保護性涂層。該保護性涂層a)不會有害地影響該太陽能電池的光伏性質(zhì)；b)由保護所述太陽能電池抵御該光伏器件適用的大氣、平流層或外層空間環(huán)境中的嚴酷條件的材料形成；和c)暴露在該光伏器件適用的大氣、平流層或外層空間環(huán)境中的嚴酷條件中時保持基本不變。優(yōu)選地，該保護性涂層是有機硅基材料(siliconebasedmaterial)的涂層，如有機硅基材料的噴霧沉積涂層。該保護性涂層為0.01至2密耳厚，更優(yōu)選0.2至2密耳厚，再更優(yōu)選0.5至2密耳厚，最優(yōu)選1至2密耳厚。該基底包含薄片，如金屬或聚合物薄片。金屬可以包括不銹鋼，聚合物可以包括聚酰亞胺膜，如Kapton。該太陽能電池可包含至少一個太陽能電池，如三結(jié)無定形硅太陽能電池。該光伏器件可進一步包含位于該基底與太陽能電池之間的背反射結(jié)構(gòu)。該器件還可以包括位于太陽能電池與所述保護性涂層之間的頂部傳導層，其可以由氧化銦錫(ITO)制成。最后，該器件可進一步包括位于頂部傳導層與保護性涂層之間的集流柵(currentcollectiongrid)。附圖簡述圖1描繪了可在其上施加本發(fā)明的涂層的太陽能電池器件的一個實例；圖2繪制了六個涂布的太陽能電池的量子效率(Q)和光波長曲線的變化關系圖，其中四個太陽能電池用本發(fā)明的有機硅涂層包封；圖3繪制了來自圖1的相同樣品的內(nèi)量子效率Qs(其是Q/(1-R))對光波長的變化關系圖4繪制了三組太陽能電池樣品(棵/未涂布、有機硅涂布和丙烯酸類硬涂布)暴露在原子氧中之前和之后的填充因子(FF);圖5繪制了涂布和未涂布的太陽能電池在濕熱測試中的特定階段之前和之后的填充因子(FF);圖6繪制了涂布和未涂布的太陽能電池在從-175'C至100'C的1000次熱循環(huán)之前和之后的填充因子(FF);圖7繪制了涂布和未涂布的太陽能電池在500等效太陽小時(equivalent-sun-hours，ESH)的紫外線暴露之前和之后的總積分量子效率(Q)值；圖8繪制了涂有本發(fā)明的有機硅外覆層(siliconeovercoat)的太陽能電池和未涂布的太陽能電池在620等效太陽小時(ESH)的VUV暴露或592等效太陽小時(ESH)的NUV暴露之前和之后的總積分量子效率(Q)值；圖9(a)繪制了三組太陽能電池樣品(棵/未涂布、有機硅涂布和丙烯酸硬涂布)在含有大約1%臭氧的氣氛中暴露大約16小時之前和之后的填充因子(FF)值；圖9(b)繪制了三組太陽能電池樣品(棵/未涂布、有機硅涂布和丙烯酸硬涂布)在含有大約1%臭氧的氣氛中暴露大約16小時之前和之后的開路電壓(V。e)值。發(fā)明詳述本發(fā)明包含用于衛(wèi)星和飛船用途的在不銹鋼或聚合物基底上的包封的薄膜無定形硅合金太陽能電池。包封劑層在該光伏器件上提供保護性涂層。該包封劑層是透明、柔性、空間相容且機械堅硬的。此外，該涂層很好粘附到該光伏電池的構(gòu)造材料上并阻擋大氣污染物。由于平流層和太空中不同的環(huán)境，包封劑材料必須符合許多嚴格的要求。該包封劑涂層必須實現(xiàn)兩個目的1)保護光伏器件；和2)控制電池的吸收率和發(fā)射率。關于第一目的，該包封劑涂層抵御a)地面環(huán)境因素，如濕度和大氣污染物；b)在;f莫塊/陣列制造和堆裝過程中的機械操作；和c)太空和平流層環(huán)境因素，如暴露在紫外線輻射、原子氧和臭氧中，以及如靜電放電之類的因素。關于第二因素，該包封劑涂層會調(diào)節(jié)電池的發(fā)射和吸收性質(zhì)以使該電池在所選環(huán)境中在所需溫度下運行。可在其上施加本發(fā)明的涂層的太陽能電池器件的一個實例顯示在圖1中。該圖是無定形硅光伏器件1的示意圖，該器件包括基底2，在其上沉積背反射體結(jié)構(gòu)3。該結(jié)構(gòu)還包括一個或多個光伏器件。圖l描繪了包括三個n-i-p結(jié)(4-5-6、7-8-9和10-11-12)的三結(jié)光伏器件。盡管該圖描繪了三n-i-p結(jié)太陽能電池，但任何類型的薄膜太陽能電池都會獲益于本發(fā)明的保護性涂層。因此，圖1的光伏器件被描繪成包括三個n型半導體層(4、7和10)、三個本征半導體層(5、8和11)和三個p-型半導體層(6、9和12)。應該指出，該圖的層的厚度不按比例，因此該相對厚度不代表實際器件中的實際相對厚度。在這些n小p結(jié)的上方沉積透明導電氧化物13和柵極結(jié)構(gòu)14。這類光伏器件的基本結(jié)構(gòu)是本領域中公知的。對于飛船和太空用途，優(yōu)選基底是金屬或聚合物的薄膜。金屬基底優(yōu)選可以是非反應性金屬，如不銹鋼，的超薄箔。優(yōu)選聚合物基底是穩(wěn)定的非反應性聚合物的薄膜，如聚酰亞胺膜，如KAPTON(TM)。因此，本發(fā)明的光伏板包含1)輕質(zhì)基底；2)至少一個沉積在該基底上的薄膜無定形硅合金太陽能電池；和3)沉積在該薄膜無定形硅合金太陽能電池上的包封劑層。該包封劑層優(yōu)選是有機硅基材料的噴涂薄膜。該涂層厚度優(yōu)選為0.01至2密耳厚，更優(yōu)選0.2密耳至2密耳厚，再更優(yōu)選0.5至2密耳厚，最優(yōu)選l-2密耳厚。該涂層優(yōu)選具有均勻厚度并且是連續(xù)的。如上所述，該包封劑涂層必須在大氣、平流層和外層空間中保護該太陽能電池。必須保護該太陽能電池以抵御各種要素和不同類型的有害輻射。該包封劑必須保護該太陽能電池以始終避免本身隨時間和暴露在這些條件下而劣化并始終不減損太陽能電池性能。為了確定合適的涂層，本發(fā)明人在各種條件下測試了許多涂層以確定太陽能電池的最佳涂層。如上所迷，有機硅基材料的噴涂薄膜在所有受試涂層中表現(xiàn)最好。受試涂層包括1)薄SiOx膜，大約500A厚，通過高沉積速率微波PECVD沉積；2)氣相聚合物(VPP)涂層，大約1微米厚，通過高沉積速率微波PECVD制備；3)丙烯酸類硬涂層(acrylichardcoat),小于0.5密耳厚，通過化學噴涂法制備；和'4)本發(fā)明的有機硅基外覆層(siliconebasedovercoat),通過化學噴涂法制備。使用用于優(yōu)化該薄膜的沉積方法和涂布性質(zhì)的設備通過高沉積速率微波PECVD法施加薄膜SiOx涂層。該SiOx膜為大約500A厚。在配有微波PECVD激發(fā)源的薄膜分批型沉積反應器中沉積所需包封劑膜。VPP涂布基于如下方法，其中將有機金屬含硅材料與其它氣體預混并送入微波等離子體反應器。該氣體分解并反應形成涂層。通過在VPP涂布之前和之后將樣品稱重，校準沉積速率。對進行的試驗而言，將VPP涂層厚度控制在大約1微米。在初始研究過程中，發(fā)現(xiàn)該涂層在某些位置/地點脫層。一旦開始脫層，對一些樣品而言，其在兩天內(nèi)蔓延至整個表面。脫層過程歸因于基底表面的清潔度問題。已經(jīng)開發(fā)出減輕該問題的適當?shù)幕浊鍧嵎?。盡管VPP涂層通過了許多初始篩選試驗，但該薄涂層看起來不保護太陽能電池的線柵(wiregrid)。丙烯酸類硬涂層目前正用在地面太陽能板的生產(chǎn)線中。其通過化學噴涂法沉積。地面產(chǎn)品中該涂層的標準厚度超過1密耳。在考慮重量的情況下，降低該厚度會是有利的，特別對飛船和太空用途而言。為了將涂層厚度降至小于0.5密耳，設計和構(gòu)造R&D分批噴涂系統(tǒng)。該硬涂層通過了若干篩選試驗，但與薄涂層相關的早期問題之一是在涂層中存在針孔，這使水蒸汽和其它物類容易經(jīng)其侵入。在這種情況下，該包封劑不會為下方太陽能電池提供充足保護。為消除該問題，進行實驗以理解針孔形成的可能原因以及涂料的性質(zhì)。該有機硅基外覆層通過化學噴涂法制備。使用商業(yè)噴涂設備噴涂樣品。然后在升高的溫度下固化涂層。測試參數(shù)包括涂層厚度和溶劑濃度。較低稀釋產(chǎn)生織構(gòu)化(textured)的較厚涂層。較高稀釋產(chǎn)生大約O.l密耳的平滑薄涂層。該涂層透明、均勻且通過所有篩選試驗。合適的有才幾硅基材料的一個實例是已經(jīng)用DOWCORNINGOS-30溶劑稀釋的DOWCORNING1-2620(LowVOCConformalCoating或分散體)。使用DowCorning推薦程序固化的涂層具有幾個問題。例如，涂層中殘留著顯著量的揮發(fā)性化合物，它們在高溫下釋放。因此，開發(fā)出在大約125'C的更高溫度下固化有機硅膜的方法。高溫固化能使基本所有揮發(fā)性化合物轉(zhuǎn)化成固體涂層或蒸發(fā)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以以下列方式之一進行固化1.逐漸固化將該樣品從低溫緩慢加熱至高于或等于125°C;2.多步固化在低溫，例如70'C固化樣品，然后將它們在至高于或等于125'C的高溫下固化；和3—步固化將固化爐或系統(tǒng)溫度設定在高于或等于125'C并在該爐中固化太陽能電池預設時間量，例如30分鐘。使用上述方法固化的涂層通過依椐ASTM-E-595-93(2003)的標準釋氣試驗。如下文進一步論述的那樣，對該四個涂層施以許多試驗以確定哪個(如果有的話)是用于平流層和外層空間用途的太陽能電池的涂層的優(yōu)秀候選者。為此，進行下列段落中所述的試驗和結(jié)果。盡管所有潛在涂層都通過一些試驗，但只有有機硅基涂層充分通過所有試驗。光學評測室內(nèi)(In-house)I-V、量子效率(Q)和反射(R)測量已被用于評測備選包封劑涂層、涂布法和后涂布處理的光學特性。該包封劑涂層是太陽光在進入太陽能電池之前穿過的第一層。量子效率(Q)和短路電流(Isc或Jsc)是多少光被該包封劑層透射到太陽能電池中的直接衡量標準。作為波長函數(shù)的量子效率(Q)和反射(R)測量結(jié)果能夠與該包封劑涂層的光透射譜相關聯(lián)。所有包封劑涂層都通過光學試驗。涂層表現(xiàn)出僅大約1-2%的、可主要歸因于反射損失的Q和Jse損失。附加的抗反射涂層可能恢復初始Q和Jse值。六個樣品的量子效率(Q)與光波長曲線的變化關系繪制在圖2中。圖2中所示的樣品試驗是1)一個無包封劑的棵樣品；2)—個帶有30納米SiOx涂層的樣品；3)兩個帶有0.1密耳有機硅涂層的樣品(A和B)，和4)兩個帶有0.5密耳有機硅外覆層的樣品(A和B)。涂布后的樣品與無任何包封劑的棵樣品相比表現(xiàn)出在包封劑涂布后量子效率(Q)的降低。但是，如圖3中所示，所有涂布的樣品(包括SiOx和0.1密耳和0.5密耳有機硅外覆層)的內(nèi)量子效率Qs(其是Q/(l-R))與原始未涂布棵基準樣品相比沒有表現(xiàn)出顯著變化。盡管沒有顯示，但VPP和丙烯酸類硬涂層包封劑表現(xiàn)出非常類似的結(jié)果。這種結(jié)果表明，包封樣品的量子效率(Q)損失能歸因于反射損失而非光學吸收。如上所述，附加的抗反射涂層應該恢復初始Q和Jse值。原子氧暴露已知的是，在太空和飛船環(huán)境中都存在原子氧。使用Ar-02微波等離子體作為原子氧試驗的初步篩選工具。表l列出暴露之前和之后的電池的I-V特性。對于該試驗，所有樣品的尺寸都為大約2"x2"。在試驗過程中，將樣品安裝在等離子體下游以避免與等離子體直接相互作用。作為相對衡量標準，椐發(fā)現(xiàn)，在2小時暴露后，棵樣品(無包封劑)和SiOx涂布樣品表現(xiàn)出效率的極端降低，受試的四個樣品分別損失54%、69%、10%和88%。相反，帶有VPP和丙烯酸類硬涂層包封劑的樣品僅發(fā)生效率的極小損失。實際上，兩個VPP樣品表現(xiàn)出小于1%損失。要指出的是，等離子體暴露非常強，并且，盡管沒有參照任何標準校準，但其是初步但有力的篩選工具。在更下游的另一初步試驗(無直接等離子體暴露，較低原子氧濃度)表明，有機硅外覆層能夠更好抵御原子氧暴露。在這些初始結(jié)果后，與NASAGlennResearchCenter針對更受控的原子氧暴露試驗簽訂了合同，因為用于室內(nèi)原子氧試驗的原子氧通量未知。NASAGlennResearchCenter在該有機娃涂層上進行受控AO暴露試馬會。在該試馬全中，在運行樣品之前，通過將Kaptonwitnesscoupon(Kapton證椐小樣)放在樣品支架上的各種位置，測定AO通量。通過已知該裝置的通量，可以針對指定能流水平(fluencelevel)確定大致運行時間。在兩個分開的AO試驗中暴露26個太陽能電池試樣。在第一種情況下，將15個樣品(棵未涂布基準電池、有機硅涂層涂布電池和丙烯酸類硬涂層涂布電池各5個)與Kaptonwitnesscoupon—起放在樣品支架上。暴露時間為35小時，能流水平為4.3xio20±4.3x1019個原子/平方厘米。在第二種情況下，使11個樣品和Kaptonwitnesscoupon暴露35小時，且能流水平為4.1x1020±4.0x1019個原子/平方厘米。應該指出，在一年中，國際空間站(InternationalSpaceStation)的面向太陽的表面上的有效AO劑量為大約4.6xio2G個原子/平方厘米。在試驗之前和之后測量太陽能電池I-V特性。只有丙烯酸類硬涂層表1Ar-02等離子體試驗之前和之后的IV-數(shù)據(jù)電池#包封刑等離子體試驗30MWPmax1241013507無之前8.721241013507之后3.981241013508無之前8.891241013508之后2.741241014501R&DHC之前8.711241014501之后1.181241033865R&DHC之前7.921241033665之后7.05'1243024671HC之前7鄰1243024671之后7.551243024672HC之前8.251243024672之后7.521282014501VPP之前8.621282014501之后8.551282026507SiOx之前7.651282026507之后6.B81282037509SiOx之前9.171282037509之后1.121282049509VPP之前9.081282049509之后9.01I-V特性Vocff2.1680:5971.8060.3582.1710.6021.4940.32.164O.鄉(xiāng)O.欲0.2512.152O.鄉(xiāng)2.110.524O.敏&0710.5542.1140.574之0570.552.1220.5960.60221040:5361.9650.S21Z146.0.6230:7066.2592.1710.6092.1670.61%改變=(4^~41"^)/之前(％)PmaxJSCVocff-54:36%■8.61%-16.70%■40,03%■69.化％-10.15%-31.18%-50.，7%■86.45%-20.09%-58.83%-58.72°/'-10.98%-1.5f/。-，.95%.7,75%-5.51%-1.79%'2.45%-1.42%8.85%-2.35%-2.70%4.18%■0.81%0.88%0.75%1.01%-10.07%-1.92%-5.66%-2,80%■87.79%-10.35%67.10%-58.43%■0.77%■0.67%0.18%0.16%祐8S57明53瓜SI4隊御i916CM8nl1一3l范范論站4幼9銀ii說明書第9/21頁樣品在試驗后直觀上受損。一部分硬涂層材料看起來已被除去，樣品表面變粗糙，且涂層看起來不連續(xù)。棵電池和有機硅涂布電池沒有表現(xiàn)出任何直觀變化。這三組樣品的FF變化顯示在圖4中。在除去明顯異常值后，清楚的是，有機硅涂層充分保護該電池?？煤陀餐繉訕悠繁憩F(xiàn)出一定的劣化。表2概括了在三種不同涂布條件下，所有樣品在試驗之前和之后的平均I-V結(jié)果的變化。該表表明，對于有機硅涂層，I-V參數(shù)的變化在測量誤差限度內(nèi)?？煤陀餐繉忧闆r下的I-V特性在試驗后表現(xiàn)出填充因子的下降?？傊?，有機硅涂層耐受相當于在國際空間站環(huán)境下大約1年暴露的原子氧暴露。其在AO暴露后沒有<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表現(xiàn)出直觀或I-V劣化。表2AO試驗后的I-V特性的平均變化粘合性使用基本Scotch膠帶測試來評測包封劑涂層在太陽能電池上的粘合性。程序由如下組成(1)將一條千凈玻璃紙膠帶施加到包封劑涂層上，并在其充分粘合后，(2)從一端除去該膠帶并檢查脫層跡象。一開始粘附的所有包封劑都通過該試驗。濕熱試與t(DampHeattest)商業(yè)濕熱實驗室用于該試驗。最初在50'C和85%相對濕度下測試電池。試驗持續(xù)l個月，但是每周取出樣品進行測量。由于在50'C和85%相對濕度下測試電池時只看出極小影響，所以它們也在85。C和85%相對濕度下測試。在僅僅AMO電池上這兩種條件的試驗結(jié)果概括如下。試馬tl.在50'C，85%相對濕度下的濕熱受試包封劑包括a)具有30納米SiOx涂層的電池；b)具有60納米SiOx的電池，c)不帶任何包封劑涂層的棵樣品，和d)帶有丙烯酸類硬涂層的樣品。各組中有10個H-條。外觀裸樣品、30納米和60納米SiOx涂布樣品在幾個試樣上表現(xiàn)出一些脫層/腐蝕跡象。丙烯酸類硬涂層樣品沒有表現(xiàn)出任何可注意到的變化，除了在4周后，一個電池具有沿該電池的一個暴露邊緣大約1毫米寬的小脫層區(qū)。I-V測量在太陽模擬器下的I-V測量沒有將任何特定組與其它組明顯區(qū)分開。對任何組而言，在濕熱之前和之后，I-V參數(shù)看似不變。對30納米SiOx、60納米SiOx、棵、和丙烯酸類硬涂層樣品而言，平均Pmax分別下降3.5%、2.7%、1.3%和1.1%。丙烯酸類硬涂層樣品的損失小于l%Pmax(如果從該數(shù)據(jù)中排除一個脫層電池)。30納米SiOx涂布情況的損失(3.5%)大于棵樣品。結(jié)果表明，在實驗誤差限度內(nèi)，棵樣品和包封樣品在此試驗后沒有表現(xiàn)出功率輸出的任何下降。試馬全2.在85。C,85%相對濕度下的濕熱在此試馬全中，測試VPP包封電池的11個H-條、SiOx涂布電池的11個H-條、丙烯酸類硬涂層電池的22個H-條和有機硅包封樣品的28個H-條，并使用12個棵H-條作為參照。外觀在該濕熱室中笫一周后，在VPP涂布電池上出現(xiàn)脫層點。在棵電池和SiOx涂布電池上也發(fā)現(xiàn)較小的脫層點。有機硅基外覆層和丙烯酸類硬涂層看似保護電池抗脫層三周。但是，在85/85濕熱條件中在-1.25V反偏壓下再暴露2周后，在幾個硬涂層包封電池和有機硅外覆層包封電池上也可見脫層點。應該指出，由于施加連續(xù)偏壓的實驗問題，反偏壓的總施加時間未知。I-V測量在包封劑涂覆之前和之后在太陽模擬器下進行I-V測量。在濕熱暴露的第一、第二和第五周后重復測量。多數(shù)電池的V。c和Ise沒有明顯改變。對于濕熱暴露5周后(最后兩周施加非一致性的-1.25V反偏壓)的VPP、硬涂層、SiOx和棵電池，如圖5中所示的最終FF顯示出下降。對于有機硅基外覆層包封電池而言，F(xiàn)F僅輕微下降，表明有機硅外覆層在濕熱條件下更好地保護太陽能電池。按組計，棵、SiOx、VPP、有機硅外覆層和硬涂層樣品的FF如表3中所列分別下降6.3%、1.9%、5.8%、1.4%和5.3%。有機硅基外覆層看起來在受試包封劑中表現(xiàn)最好。表3在85'C，85%RH下5周的濕熱試驗的概迷<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>*在前三周沒有看見脫層，在5周后看見一些脫層。在85。C,85%相對濕度下的反偏壓濕熱試驗對于該試H使用6個棵H-條和6個使用有機珪外覆層的包封H-條。表4概括了所有樣品在85°C,85Q/。相對濕度下的濕熱中在-1.25V反偏壓試驗1周后的I-V數(shù)據(jù)。表4在-1.25V,l周，85°C，85%RH的反偏壓濕熱試驗后I-V<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>熱循環(huán)市售標準熱循環(huán)設備用于此試驗。依據(jù)NASA要求，該試驗在氮環(huán)境中從-175。C到IOO'C進行。該試驗進行1000個循環(huán)。表6顯示了熱循環(huán)試驗的1000個循環(huán)之前和之后的I-V特性。清楚看出，在除去明顯異常值(可能歸因于重復操作)后，任何包封劑材料在熱循環(huán)試驗后都沒有顯著變化。圖6顯示了熱循環(huán)試驗之前和之后的FF變化。清楚看出，在熱循環(huán)過程中沒有發(fā)生顯著變化。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>在高溫的熱穩(wěn)定性將樣品在預設在125。C的爐中放置過夜，此后測量試樣的I-V特性以與試驗之前的性能進行比較。試驗表明任何包封劑的電性能都沒有明顯損失。釋氣在室內(nèi)進行在兩組參數(shù)下的釋氣試驗(1)使用爐在15(TC和大氣壓下；和(2)在真空和室溫下，這些試驗表明，烘烤一開始造成有機硅基外覆層釋氣，但這在數(shù)小時內(nèi)停止。所研究的所有包封劑都以小于1%總重量損失通過釋氣試驗。構(gòu)造依據(jù)ASTM標準ASTM-E-595-93(1999)測量總質(zhì)量損失(TML)用的釋氣試驗系統(tǒng)在高真空室(優(yōu)于5xl0-s丁orr)中在高溫(125。C)下釋氣24小時。使用該設備優(yōu)化有機硅基包封劑的沉積和固化參數(shù)以降低TML。所有受試涂層，包括本發(fā)明的有機硅包封劑都符合ASTMTML要求。無針孔試驗為了為下方電池提供完全保護，包封劑涂層必須是內(nèi)聚性(coherent)且無針孔的。對于該試驗，在包封劑上沉積ITO(氧化銦錫)層，并使用在該頂部ITO層和包封劑下方的太陽能電池的ITO層之間測得的電阻量化該樣品是否無針孔。如果包封劑層中有針孔，該ITO會短路到包封劑下方的ITO上，因此，這兩個ITO層之間的電阻是該試驗用的直接衡量標準。高電阻意味著無針孔的包封劑層。硬涂層樣品、有機硅和VPP包封劑都通過該試^\紫外線暴露試驗已知的是，在太空中存在VUV(<200納米)和NUV(200納米至400納米)。盡管VUV在飛船高度中極大降低，但仍有大量NUV照射。包封劑必須耐受紫外線照射而沒有顯著變暗或物理損壞。NASAGlennResearchCenter對VUV和NUV都進行了試驗?？偣?7個QA/QC電池都用不同涂層包封，包括SiOx、VPP、丙烯酸類硬涂層和有機硅外覆噴涂涂層。在27個樣品中，在NASA,20個暴露在VUV中，7個暴露在NUV中1周(對VUV而言相當于3300ESH(等效太陽小時)，對NUV而言相當于740ESH)。在紫外線暴露之前和之后測量量子效率(Q)、光反射(R)和I-V。在VUV暴露3300ESH和NUV暴露740ESH后，發(fā)現(xiàn)所有三個丙烯酸類硬涂層樣品都在NUV下直觀變暗，電池的總量子效率Q和Jsc降低大約20。/。。其它包封劑的量子效率Q損失為2-3%。但是，丙烯酸類樣品在VUV暴露時沒有大改變。圖7顯示了紫外線暴露之前和之后的總積分Q值?？脴悠返腝僅表現(xiàn)出小下降。如表8中所列，有機硅外覆層、SiOx、硬涂層(不包括變暗的3個)和VPP包封樣品的平均Q分別下降2.8。/。、2.3%、2.9%和1.7%。丙烯酸類硬涂層看起來在太空NUV下不穩(wěn)定。其它包封劑看起來還好。表8不同包封劑在VUV/NUV暴露后的平均Q損失<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>在附加試驗中，使5個小面積三結(jié)QA/QC電池(3個裸，2個帶有有機硅涂層)暴露在NUV中。使另外6個樣品(3個棵和3個帶有有機硅涂層)暴露在VUV中。在上述第一試驗過程中，以EquivalentSunHours(ESH)計的紫外線強度對VUV而言為3300ESH，對NUV而言為740ESH。對于該附加試驗，VUV暴露相當于620ESH且NUV為592ESH。在紫外線暴露之前和之后測量電池的Q、R和I-V特性的測量結(jié)果。圖8顯示了這兩個不同涂層在紫外線暴露之前和之后的總積分Q。圖8表明a)棵樣品的Q極小降低；b)有機硅涂布電池的平均Q下降3.8%，和c)帶有有機硅涂層的一個電池的Q在NUV下下降6.2%。所述一個有機硅涂布電池的Q在NUV暴露情況下下降6.2%的原因還不清楚。根據(jù)幾個獨立的來源，有機硅材料已安全用在太空用途中，且依據(jù)其制造商，任何潛在降解都應產(chǎn)生更高透明度和因此更高Q。本發(fā)明人推測，該樣品由于在試驗序列中的反復操作而機械受損。為了評測有機硅涂層是否耐受高度大約20千米的平流層環(huán)境，繪制在該高度的太陽紫外光語和在相同波長范圍內(nèi)的有機硅吸收。該圖表明，有機硅在大約220-270納米波長范圍內(nèi)具有吸收帶。但是，在該波長范圍內(nèi)的紫外線含量可忽略不計。在太陽光譜中在大約195-210納米波長范圍內(nèi)存在小UV峰，但有機硅在該范圍內(nèi)不吸收。因此可以推斷，無論NASANUV結(jié)果如何，有機硅涂層都對平流層用途而言充分保護電池。為證實這一點，設置室內(nèi)紫外線測試裝置以在模擬平流層紫外線暴露條件下進行更多試驗。該試驗裝置椐顯示具有在波長范圍280-500納米內(nèi)的大量輻射。表9列出在288小時紫外線暴露之前和之后的電池的Q測量。在該試驗中，通過該光語區(qū)域內(nèi)的積分功率強度測得的紫外線強度設定至5suns(個太陽)。清楚的是，該涂布電池表現(xiàn)出與棵基準電池類似的行為。該光譜的綠光和紅光區(qū)中的變化可忽略不計。在藍光范圍中，0僅降低大約1%,這可歸因于光誘發(fā)的Staebler-Wronski降解。因此，該涂層在紫外線試驗中穩(wěn)定。表9在5個太陽下紫外線暴露288小時之前/之后的電池的Q測量<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>表10列出在大約9.4個太陽的升高紫外線強度下的兩種紫外線暴露時間之前和之后的電池的Q測量結(jié)果。第一測量在187小時后進行，隨后繼續(xù)到376小時以進行第二測量。與棵電池相比，在該升高強度下在這兩種暴露時間后的Q降低可再次忽略不計。該結(jié)果證實如下結(jié)果該涂層在紫外線暴露下穩(wěn)定。因此，該有機硅涂層在平流層紫外線條件下沒有表現(xiàn)出可注意到的劣化。表10在9.4個太陽下紫外線暴露之前和之后的電池的Q測量<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>臭氧暴露該試驗僅適用于平流層用途。在平流層環(huán)境中存在顯著量的臭氧。20千米處的臭氧濃度為大約7ppm。因此，包封劑應該耐受該環(huán)境中的臭氧。構(gòu)建室內(nèi)臭氧測試系統(tǒng)并使用臭氧發(fā)生器制造濃臭氧，然后送入室中。當臭氧濃度升至所需水平時，關閉用于臭氧輸入和排出的兩個截止閥。迄今用于該測試的臭氧濃度為大約1%,這明顯高于在平流層中存在的估計7ppm。樣品在臭氧氣氛中暴露大約16小時，然后進4亍目測和實測。在16小時暴露后沒有直觀影響。但是，在大約64小時后，發(fā)現(xiàn)棵和30納米SiOx和1毫米VPP涂布樣品表現(xiàn)出變色。該變色材料在經(jīng)受玻璃紙膠帶粘合試驗時容易脫層。0.2密耳有機硅外覆層和丙烯酸類硬涂層沒有表現(xiàn)出任何直觀劣化。圖9(a)顯示數(shù)個試驗電池樣品的臭氧暴露的填充因子(FF)的試驗結(jié)果。清楚的是，棵電池的FF下降大約70%,而硬涂層和有機硅外覆層電池都保持很好。圖9(b)顯示了這三種情況的相應V。e值。作為該試驗的結(jié)果，硬涂層和有機硅外覆層電池的V。e基本是不變量，而裸樣品的V。。明顯變差?？傊?、30納米SiOx和1毫米VPP涂布樣品沒有通過臭氧暴露試^N而0.2密耳有機硅外覆層和丙烯酸類硬涂層在臭氧暴露后沒有表現(xiàn)出任何直觀劣化。設想在實際太空或平流層裝置中，太陽能電池陣列具有緊鄰放置的各個電池。具有極不同電位的兩個電池彼此緊鄰布置的情況是可能的。由于電池之間的間距能夠非常接近Paschen最小值，特別是在壓力相對較高的平流層高度中，必須采取預防措施以防止電弧放電或Paschen放電。對此試^M吏用真空系統(tǒng)。兩個太陽能電池在真空系統(tǒng)中在Teflon板上隔開大約1毫米放置。也就是說，它們的母線以大約1毫米間距彼此相鄰放置。使該系統(tǒng)達到大約40Torr壓力以;^莫擬平流層環(huán)境。電池隨后相對于彼此偏壓300V。施加此電偏壓大約15小時以評測是否會存在任何電弧放電。在試驗之前和之后測量太陽能電池性能。對于在電池頂部和底部都施加偏壓的試驗，沒有電弧放電或電池劣化的跡象。其它電池相對于彼此從0V到大約700V緩慢偏壓，或緩慢偏壓至觀察到電弧放電。對于在電池頂部和底部都施加偏壓的試驗，我們直到偏壓超過500V才看到電弧放電。這建議，如果陣列電壓超過500V,電池應隔開超過1毫米。4爭電方欠電(ESD)在NASAGlennResearchCenter對在獨立式聚合物基底上的電池施以ESD試驗。電池構(gòu)造為沉積在獨立式聚合物基底上的帶有0.2密耳有機硅涂層的三結(jié)器件。該電池通過該試驗。NASAGRC已經(jīng)在模擬LEO環(huán)境中進行我們的有機硅涂布電池的ESD試驗。配有低溫泵的水平真空室提供0.3pTorr的背景壓力。由一個Kaufman源產(chǎn)生氙氣(Xe)等離子體。等離子體參數(shù)為浮動電位-2V;等離子體電位7V,電子溫度0.85eV;電子數(shù)密度8E+51/cm3;中性氣體壓力30nTorr。將三組樣品(涂層厚度1.5密耳、0.2密耳、和棵基準電池)安裝在玻璃纖維板上。在高電壓擊穿試驗之前和之后測量所有樣品的集電。從-100V到+100V的各掃描重復三次。只有棵基準樣品在大約80V表現(xiàn)出電流幅值的急劇提高(snapover效應)，表明樣品表面在高電壓下的嚴重損壞。所有有機硅涂布電池都表現(xiàn)出如極低集電證實的高品質(zhì)絕緣。通過經(jīng)由RC網(wǎng)絡(R=100kQ,C=lnF)使各樣品對電源偏壓，進行高電壓擊穿試驗。負電壓逐漸升高直至記錄電流脈沖。電壓階躍之間的時間間隔在15和20分鐘之間變化。各種有機硅厚度下的擊穿電壓顯示在表11中。表ll用不同厚度有機硅包封的太陽能電池的擊穿電壓<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>應該指出，觀察到的"表面閃光"不是其它樣品共有的。盡管它們看起來像短放電，但電流和電壓探針都沒有檢測到任何效應。我們猜測，它們可能是由表面飛弧一一在太陽能電池中沒有顯著變動的情況下表面放電成等離子體——引起的。ESD試驗的結(jié)果表明，有機硅涂布的太陽能電池適用在具有與普通國際空間站和商業(yè)通信衛(wèi)星的運行電壓相當?shù)?氐于150V的總線電壓的LEO軌道中。隨著有機硅厚度提高，可以提高該總線電壓限額。發(fā)射率試驗已經(jīng)測量涂有本發(fā)明的有機硅基涂層的太陽能電池以及無任何涂層的棵樣品、丙烯酸硬涂層和氧化硅涂布電池的發(fā)射率。測試在不銹鋼基底以及KAPTON基底上的樣品。本發(fā)明的有機硅涂層確實顯著提高涂布樣品的發(fā)射率。表12顯示了發(fā)射率測試結(jié)果。表12涂布樣品的發(fā)射率和太陽能吸收率<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>最后，表13概括了所進行的多數(shù)試驗的結(jié)果，并清楚表明，有機硅涂層是唯一通過所有試驗的，因此是用于涂布輕質(zhì)平流層和外層空間太陽能電池的最佳選擇。此外，盡管有機硅涂層為太陽能電池提供抵御平流層環(huán)境的超極好保護和抵御外層空間環(huán)境的非常好保護，但沉積在有機硅層上的附加透明傳導材料層可以在外層空間環(huán)境中提供額外保護。也就是說，該附加層可以提供額外的防紫外輻射保護以及允許漏泄靜電電荷，有助于防止破壞性的ESD事件。這類透明傳導層的實例包括氧化銦錫(ITO)或氧化鋅(ZnO)層。表13各種包封劑涂層的試驗結(jié)果概述<table>tableseeoriginaldocumentpage24</table考慮到前述內(nèi)容，清楚的是，可以在不同于本文描繪和描述的那些的各種構(gòu)造中實施本發(fā)明。例如，本發(fā)明可用于無定形硅太陽能電池以外的太陽能電池，如結(jié)晶硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、二硒化銅-銦太陽能電池、二硒化銅-銦-鎵太陽能電池、鎘-碲太陽能電池等。所有這些變動和修改都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。上述附圖、論述和說明是要闡述本發(fā)明的特定實施方案而不是要限制其實施。由下列權(quán)利要求(包括所有對等物)劃定本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求1.適用在平流層或外層空間環(huán)境中的光伏器件，所述光伏器件包含基底；至少一個沉積在所述基底上的太陽能電池；和沉積在所述至少一個太陽能電池上并完全包封該太陽能電池的保護性涂層；其中所述保護性涂層a)不有害地影響所述至少一個太陽能電池的光伏性質(zhì)；和b)由降低平流層或外層空間環(huán)境中的嚴酷條件對該光伏器件的性能的不利影響的材料形成。2.權(quán)利要求1的光伏器件，其中所述保護性涂層也在暴露在該光伏器件適用的平流層或外層空間環(huán)境中的嚴酷條件中時保持基本不變3.權(quán)利要求1的光伏器件，其中所述保護性涂層包含有機硅基材料層。4.權(quán)利要求3的光伏器件，其中所述保護性涂層是有機硅基材料的噴霧沉積涂層。5.權(quán)利要求4的光伏器件，其中所述保護性涂層為0.01至2密耳厚。6.權(quán)利要求5的光伏器件，其中所述保護性涂層為0.2至2密耳厚。7.權(quán)利要求6的光伏器件，其中所述保護性涂層為0.5至2密耳厚。8.權(quán)利要求7的光伏器件，其中所述保護性涂層為1至2密耳厚。9.權(quán)利要求1的光伏器件，其中所述基底包含金屬或聚合物薄片。10.權(quán)利要求9的光伏器件，其中所述基底包含金屬薄片。11.權(quán)利要求10的光伏器件，其中所述金屬包含不銹鋼。12.權(quán)利要求9的光伏器件，其中所述基底包含聚合物薄片。13.權(quán)利要求12的光伏器件，其中所迷聚合物包含聚酰亞胺。14.權(quán)利要求1的光伏器件，其中所述至少一個太陽能電池包含至少一個無定形硅太陽能電池。15.權(quán)利要求14的光伏器件，其中所述至少一個太陽能電池包含至少一個三結(jié)無定形硅太陽能電池。16.權(quán)利要求1的光伏器件，進一步包含位于所述基底與所述至少一個太陽能電池之間的背反射結(jié)構(gòu)。17.權(quán)利要求1的光伏器件，進一步包含位于所述至少一個太陽能電池與所述保護性涂層之間的頂部傳導層。18.權(quán)利要求17的光伏器件，其中所述頂部傳導層包含氧化銦錫(ITO)。19.權(quán)利要求18的光伏器件，進一步包含位于所述頂部傳導層與所述保護性涂層之間的集流柵。20.權(quán)利要求3的光伏器件，其中所述保護性涂層進一步包括沉積在所迷有機硅基材料層上的透明傳導材料層。21.權(quán)利要求20的光伏器件，其中所述透明傳導材料層包含氧化銦錫層。22.權(quán)利要求20的光伏器件，其中所述透明傳導材料層包含氧化鋅層。全文摘要用在平流層和外層空間用途中的輕質(zhì)光伏器件。該器件在其光入射側(cè)上包括保護性表面涂層。該保護性涂層不會有害地影響該太陽能電池的光伏性質(zhì)，由保護所述太陽能電池抵御該光伏器件適用的平流層或外層空間環(huán)境中的嚴酷條件的材料形成；且暴露在平流層或外層空間中的嚴酷條件中時保持基本不變。該保護性涂層優(yōu)選由噴涂的有機硅基材料制成并且為0.01至2密耳厚。文檔編號H01L31/00GK101681935SQ200880009402公開日2010年3月24日申請日期2008年1月22日優(yōu)先權(quán)日2007年1月22日發(fā)明者A·班納吉,C·-C·楊,K·比爾寧克,S·劉,S·古哈申請人:聯(lián)合太陽能奧沃尼克有限責任公司