專利名稱：制造用于光伏器件的紋理板的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造聚合物蓋板的方法。所獲得的聚合物蓋板可被直接用作用于光伏器件的蓋板或者通過使用合適的粘合劑而被施加到透明基底的表面之一。包含一個或多個聚合物蓋板的透明基底可被用作用于光伏器件的另一蓋板或在該蓋板頂上。
背景技術(shù)：
太陽能電池(光伏電池或光伏器件)被普遍用于將光能轉(zhuǎn)換成電能。該效應(yīng)稱為光伏效應(yīng)。太陽能電池包含有源層，該有源層由光吸收材料構(gòu)成，該光吸收材料在暴露于光時產(chǎn)生電荷載流子。在光伏器件中普遍使用的有源層為硅。然而，可遇到各種材料，例如砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)或二硒化銅銦鎵(CIGQ。在有源層中產(chǎn)生的電荷被分離到傳輸電的導(dǎo)電接觸。由于有源層的薄且脆的性質(zhì)，通常通過透明蓋板(普遍為玻璃)防止有源層受到外部影響。該蓋板位于光源與有源層的光接收側(cè)之間。多數(shù)情況下，單個太陽能電池不能產(chǎn)生用于希望目的的足夠電力，因此多個電池連接在一起形成較大類型的光伏器件。使用電池的組件來形成太陽能模塊，太陽能模塊又被連接成光伏陣列。單獨的電池被用于對諸如計算器或電子表的小器件供電。模塊或光伏陣列例如安裝在房屋的屋頂上或諸如船、交通信號或航天器的離網(wǎng)型應(yīng)用。本領(lǐng)域公知有源層和蓋板都會反射入射到光伏器件的光的一部分。特別地，有源層的高折射率引起大的反射損耗，在硅的情況下，反射損耗可超過入射光的30%。由于反射光不能被轉(zhuǎn)換成電能，因此這些反射損耗導(dǎo)致光伏器件的效率的大的降低。本領(lǐng)域公知可通過將表面紋理施加到蓋板而降低光伏器件的反射損耗。表面紋理降低了有源層的反射損耗(稱為“俘獲”)和蓋板的反射損耗(稱為“抗反射”)。由于需要足夠的強(qiáng)度來確保長期的戶外耐用性，所述表面紋理的尺寸總是在毫米范圍。較小的結(jié)構(gòu)較容易受到損傷，而較大的結(jié)構(gòu)需要過多的材料并因而導(dǎo)致高產(chǎn)品成本。可以使用不同的表面紋理，例如金字塔紋理的陣列(W003/046617)、V形槽(G. A. Landis，21stIEEE photovoltaic specialist conference, 1304-1307 (1990))、圓形坑(P. Sanchez-Friera, IEEE 4th World Conference on photovoltaic energy conversion,2156-2159 (2006)) 或?qū)⒂赏ㄟ^η邊形(其中η等于4或更大)表面連接的基面(base)和頂點構(gòu)成的結(jié)構(gòu) (W02009059998)施加到蓋板以降低所述板的反射損耗并提高光的投射。根據(jù)模型研究，這些蓋板可將光伏器件的效率最高提高6% (U. Blieske et al，3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion,188-191(2003))。然而，實踐中，結(jié)果要低于6%，通常獲得不高于3%的改善。該低性能可歸因于制造工藝。表面紋理通過熱軋而被普遍施加到玻璃或聚合物蓋板(W02005111670， W003/046617)。這是用于以快速制造工藝產(chǎn)生毫米尺寸結(jié)構(gòu)的典型技術(shù)。利用該技術(shù)，通過加熱而軟化要被紋理化的材料。通過與硬(通常為金屬)模具機(jī)械接觸而對軟化的材料紋理化。為了固定紋理，將材料冷卻到室溫，在室溫下，該材料硬化。由于聚合物和玻璃二
3者都具有變形回到其未被紋理化的平面形狀的趨勢，因而產(chǎn)生問題。該弛豫是由聚合物和玻璃的粘彈性特性引起的。在熱軋期間，材料在仍是軟的時離開模具，由此變形，導(dǎo)致模具中的雕紋(relief)的不完美復(fù)制。結(jié)果，蓋板上的紋理的最終形狀從其理想形狀變形。通過不完美紋理化的蓋板實現(xiàn)的光伏器件的性能提高當(dāng)然要低于通過完美紋理化的蓋板實現(xiàn)的光伏器件的性能提高。在W003/046617中建議使用熱成形或澆鑄技術(shù)。然而，這些技術(shù)遠(yuǎn)非理想。利用熱成形，通過加熱軟化聚合物片/板。通過將軟化的板/片放置為使其與模具接觸，在其整個厚度上軟化的板/片完全變形。這在聚合物板的表面處變形時是產(chǎn)生紋理化的表面雕紋所需要的。因此，熱變形幾乎專用于產(chǎn)生三維物體，例如盒子或杯子，而不用于紋理化聚合物板的表面。雖然澆鑄可被用于產(chǎn)生表面雕紋紋理，但其通常被用于金屬或玻璃，而不被用于聚合物。澆鑄應(yīng)被理解為這樣的制造工藝，通過該制造工藝，通常將液體材料倒入包含希望形狀的空腔的模具中，然后使其固化。澆鑄材料通常是金屬或在將兩種或多種組分混合在一起之后固化的各種冷固性材料；實例為環(huán)氧、混凝土、石膏和粘土。在基于冷卻的澆鑄工藝中液化的材料的硬化期間的壓力缺乏導(dǎo)致因熱收縮而變形。并且，由于澆鑄在大氣壓力下完成，處理速度慢。另一澆鑄技術(shù)是樹脂澆鑄。樹脂澆鑄是塑性澆鑄的方法，其中，用液體合成樹脂填充模具，隨后該樹脂硬化。最普遍地，使用在室溫和常壓下通過與固化劑混合而聚合的熱固性樹脂。所使用的合成樹脂包括聚氨酯樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂和硅樹脂。如已經(jīng)描述的，在硬化期間壓力的缺乏導(dǎo)致變形和熱收縮。EP 1 054 456公開了一種制造保護(hù)片的方法，其中加熱熱塑性樹脂層并將壓紋壓向軟化的熱塑性樹脂層。通過該方法不能制造具有高再現(xiàn)性的結(jié)構(gòu)，這是因為這樣的結(jié)構(gòu)將在硬化時失去其形狀。結(jié)果，通過使用該方法，出現(xiàn)多種單獨的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的問題。這些問題可通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法而被克服。還可將聚合物蓋板稱為表面紋理化的聚合物板。表面雕紋紋理由結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中每個結(jié)構(gòu)具有0. 5到10mm、更優(yōu)選0. 75到5mm、最優(yōu)選0. 95到4mm的高度。應(yīng)注意，制造該范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)的方法完全不同于制造大結(jié)構(gòu)的方法。為了制造在上述范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)，有關(guān)精度和缺陷頻率的要求完全不同于制造大結(jié)構(gòu)的方法。因此，在US 6，075，652中描述的方法不能與本發(fā)明相比。從DE 100 01 135可知產(chǎn)生具有μ m到nm范圍的結(jié)構(gòu)的表面紋理。無接觸硬化是在DE 100 01 135中描述的方法中的要點。此外，從WO 2008/145176可知制造微透鏡的方法。在該方法中，利用印模對熱塑性聚合物進(jìn)行熱壓紋。通過在現(xiàn)有技術(shù)文件中公開的方法，可以產(chǎn)生ym范圍的極小結(jié)構(gòu)。 通過該方法不能產(chǎn)生大于微透鏡的結(jié)構(gòu)。上述加工技術(shù)都不適合在大表面內(nèi)產(chǎn)生具有微米精度的毫米尺寸的結(jié)構(gòu)。需要該精度來確保器件的性能。如果由毫米尺寸構(gòu)成，主要問題是壓紋結(jié)構(gòu)的變形，或者是器件本身的變形。從現(xiàn)有技術(shù)可知，可以在大表面內(nèi)產(chǎn)生具有微米精度的微米結(jié)構(gòu)。與已知方法相比，通過使用根據(jù)本發(fā)明的方法，可以獲得具有優(yōu)良品質(zhì)和性能的表面紋理化的蓋板。所獲得的聚合物板上的雕紋是模具內(nèi)的雕紋的精確負(fù)拷貝。根據(jù)在本發(fā)明中描述的方法制造的板可提高光伏器件的性能。所獲得的表面紋理化的聚合物板可優(yōu)選地被直接用作用于光伏器件的蓋板或者被用在用于光伏器件的蓋板的頂上。在該最后的情況下，表面紋理化的聚合物板優(yōu)選在硬化聚合物板之后被附加層所涂敷。在一個實施例中，表面紋理化的聚合物板例如通過使用合適的粘合劑而被施加到透明基底的表面之一。包含一個或多個表面紋理化的聚合物板的透明基底可被用作光伏器件的蓋板或用在光伏器件的蓋板的頂上。用于光伏器件的蓋板是可與光伏器件組合使用的任何板。優(yōu)選地，所述板位于光伏器件的光接收側(cè)的前面，最優(yōu)選與光伏器件中的有源層的光接收側(cè)直接光學(xué)接觸(即， 沒有空氣隙)。蓋板可以是任何尺寸，但優(yōu)選地，其橫向尺寸(X，y)顯著大于其軸向尺寸(ζ)。優(yōu)選地，將具有金字塔和/或槽和/或半球和/或立方形的反結(jié)構(gòu)的模具用于制造用于表面紋理化的聚合物板的結(jié)構(gòu)。依賴于所應(yīng)用的模具，表面紋理化的聚合物板可呈現(xiàn)槽、金字塔、錐和/或半球結(jié)構(gòu)和/或從公開的申請WO 2009/059998可知的結(jié)構(gòu)，其中該公開的申請以申請人的名義提交，并將其全部內(nèi)容插入在本文中作為參考。蓋板的表面紋理可以是板表面處的雕紋的任何紋理。該紋理可以由單種結(jié)構(gòu)構(gòu)成或由多種不同結(jié)構(gòu)構(gòu)成。所述結(jié)構(gòu)可被設(shè)置在有序陣列中或隨機(jī)取向。該紋理(這意味著表面紋理)可被設(shè)置在板的一個或多個表面上，優(yōu)選地，該紋理被設(shè)置在蓋板的背離光伏器件的有源層的表面上。當(dāng)通過圓描述結(jié)構(gòu)的投影區(qū)時，其中投影區(qū)的至少一個邊位于圓的圓周線上，圓的直徑D優(yōu)選小于30mm，更優(yōu)選小于 IOmm,最優(yōu)選小于3mm。
具體實施例方式下面，規(guī)定結(jié)構(gòu)，其中說明應(yīng)用于單個結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，說明還可被應(yīng)用于多個結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述結(jié)構(gòu)包含三個方形(這意味著η邊形)表面(n = 4)，這三個方形表面將六邊形基面直接連接到單個頂點，并且該結(jié)構(gòu)包含總共9個表面。該結(jié)構(gòu)還可以呈現(xiàn)部分圓形的表面。圓形的、曲面的或部分曲面的表面是其中η為無限大的η邊形表面。還優(yōu)選該結(jié)構(gòu)包括m邊形基面和頂點區(qū)。通過m個表面(其中m大于或等于3) 連接所述m邊形基面和頂點區(qū)。該結(jié)構(gòu)優(yōu)選的進(jìn)一步特征在于，將頂點連接到基面的m個表面中的至多兩個應(yīng)為η邊形，其中η大于或等于4。頂點區(qū)被定義為單獨的幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)的上部，連接到基面的表面與其組合。頂點區(qū)可以是點(例如，金字塔或錐中呈現(xiàn)的)或線 (例如，槽中所呈現(xiàn)的)。幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)的陣列的單個結(jié)構(gòu)的實例為具有三角形基面的金字塔、具有矩形基面的金字塔、錐形、ν形槽、傾斜的V槽或鋸齒輪廓。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，m極大且被考慮為等于無限大。在該特定實施例中，陣列的單獨的幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)至少部分為圓形的截面。這樣的幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)可以為錐形。頂點區(qū)還可以為與單獨的幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)的m邊形基面平行的表面。這樣的幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)的陣列的單個結(jié)構(gòu)的實例為具有圓形截面的圓柱或炮塔形結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，應(yīng)將在WO 2009059998中提到的表面雕紋紋理化的蓋板制造為使單個雕紋紋理的取向平行于表面雕紋紋理板的外邊緣中的一個，所述單個雕紋紋理的三個η邊形表面中的一個包括該單個壓紋紋理的取向。優(yōu)選地，η邊形表面應(yīng)被設(shè)置為與雕紋紋理板的下外邊緣或上外邊緣平行。對雕紋紋理的取向具有處理和自清潔特性的優(yōu)點。對于金字塔型的結(jié)構(gòu)，該效應(yīng)已被描述于US2007M0754A1中。然而，令人吃驚地，對于金字塔型的結(jié)構(gòu)，通過將金字塔所包括的三角形表面設(shè)置為不平行于表面雕紋紋理化板的外邊緣之一，實現(xiàn)該效果。在優(yōu)選實施例中，紋理板的雕紋紋理(這意味著結(jié)構(gòu))被具有與產(chǎn)生雕紋結(jié)構(gòu)的材料不同的折射率的附加涂層所覆蓋。該涂層的形狀與所述結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，以便涂層的不與結(jié)構(gòu)接觸的表面可被視為平坦的。例如，可以產(chǎn)生高折射率材料的具有結(jié)構(gòu)的紋理板并用低折射率材料涂覆該板，以便在涂覆之后不存在雕紋紋理。換言之，高折射率的雕紋結(jié)構(gòu)被低折射率材料“填充”。優(yōu)選地，表面紋理化的聚合物板由聚(乙烯)、聚(丙烯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、 聚(丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚氨酯、尼龍4，6、尼龍6，6、聚(氯乙烯)和/或聚(四氟乙烯)或者這些聚合物的混合物。并且，可以向聚合物添加添加劑以進(jìn)行處理、穩(wěn)定化、附加功能或耐用性。這樣的添加劑的實例為無機(jī)(例如，SiO2或TiO2)納米顆粒、染料、UV吸收劑、HALS穩(wěn)定劑、塑化劑、熒光增白劑、抑制劑或抗氧化劑?？稍谄渖鲜┘颖砻婕y理化聚合物板的透明基底可以是聚合物或玻璃?；椎暮穸葍?yōu)選小于10cm，更優(yōu)選小于1cm，最優(yōu)選小于5mm。透明基底可包含一個表面紋理化聚合物板，但優(yōu)選多于一個表面紋理化聚合物板，最優(yōu)選多于兩個表面紋理化聚合物板?？梢酝ㄟ^使用合適的粘合劑將紋理化聚合物板施加到透明基底。這樣的粘合劑應(yīng)具有1. 3與1. 7之間的折射率，以便獲得紋理板與透明板之間的光學(xué)接觸。應(yīng)利用阿貝 (Abbe)折射計確定折射率。粘合劑可包括單體、聚合物、引發(fā)劑、催化劑或其任何組合。聚合物還可以在被施加在透明基底的頂上的同時被紋理化。在該情況下，粘合劑可以是聚合物自身，優(yōu)選在聚合物中具有添加劑以促進(jìn)粘合(例如，酸、酰胺、硅烷醇、醇類)，或者粘合促進(jìn)劑，例如硅烷的薄涂層，其可在施加液體聚合物之前被施加到透明基底的表面。包含希望的雕紋紋理的反紋理的模具可由任何材料制成。材料的實例為聚合物 (例如，聚(乙烯)、聚(丙烯)、聚(醚醚酮))或金屬(例如，鐵、鎳、鋼或銅)或陶瓷(例如，玻璃或瓷)。為了在聚合物中產(chǎn)生表面雕紋紋理，以產(chǎn)生表面紋理化聚合物板，需要熱軟化聚合物。優(yōu)選地，這可通過將聚合物加熱到高于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度或更高、優(yōu)選高于熔化溫度而實現(xiàn)。優(yōu)選地，通過將聚合物加熱成液態(tài)和/或通過將聚合物加熱成橡膠態(tài)而使聚合物軟化。還可以將部分聚合物加熱成液態(tài)且將部分聚合物加熱成橡膠態(tài)。軟化工藝中的這種變化是在表面紋理化聚合物板中產(chǎn)生不同深度的結(jié)構(gòu)所需要的。優(yōu)選地，通過在保持聚合物與模具之間的壓力的同時冷卻聚合物來使聚合物硬化。這意味著，在保持模具與聚合物彼此接觸的同時硬化聚合物。因此，在硬化步驟期間幾乎不可能使由模具產(chǎn)生的聚合物材料中的結(jié)構(gòu)變形。因此，表面紋理化聚合物板的結(jié)構(gòu)在硬化之后以高精度匹配模具的反結(jié)構(gòu)。因此表面紋理化聚合物板的表面的再現(xiàn)性特別高。優(yōu)選地，在20°C到150°C的溫度范圍內(nèi)發(fā)生冷卻。更優(yōu)選冷卻溫度在30°C到80°C 的范圍內(nèi)，最優(yōu)選在35到50°C的范圍內(nèi)。
通過壓力使軟化的聚合物與模具接觸。優(yōu)選地，壓力在0. 01巴到2000巴的范圍內(nèi)。更優(yōu)選壓力在0.05巴到200巴的范圍內(nèi)，最優(yōu)選在0. 1巴到50巴的范圍內(nèi)。優(yōu)選地， 可以通過例如液化所述聚合物并將所述液體聚合物注射到密封模具中而向軟化的聚合物施加壓力。在另一優(yōu)選實施例中，通過例如軟化所述聚合物并將模具壓到所述軟化的聚合物中而通過模具向聚合物施加壓力。優(yōu)選地，用于制造表面紋理化聚合物板的方法是批處理(batch process) 0另外，本發(fā)明涉及一種包含通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的表面紋理化聚合物板的光伏器件。優(yōu)選地，該紋理化聚合物板被用作用于光伏器件的蓋板。備選地或附加地，在光伏器件的另一蓋板的頂上使用紋理化聚合物板。例如，可將紋理化聚合物板施加到太陽能模塊的玻璃蓋板。為了說明但不限制本發(fā)明，在下面給出實例實例1 向包含具有Imm高度的方形基面的金字塔結(jié)構(gòu)的陣列的密封鎳模具 (33X33X0. 15cm)中注入熱液化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。通過冷卻到約40攝氏度而硬化該液化的聚合物。在硬化之后，打開模具，獲得紋理化聚合物板。通過使用液體粘合劑向1X1米的玻璃板(基底)施加總共四個紋理板。包含紋理板的玻璃板被用作用于光伏器件的蓋板。實例2 通過將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的溫度均勻地升高到使材料橡膠化的約135攝氏度而熱軟化PMMA的33X33X0. 15cm板。通過使用150巴的壓力將相同尺寸的鎳模具壓入軟化的PMMA中。該模具包含具有Imm高度的方形基面的金字塔結(jié)構(gòu)的陣列。通過在保持鎳模具在板上的壓力的同時冷卻到約40攝氏度來硬化該軟化的PMMA板。在硬化之后， 打開模具，獲得紋理化聚合物板。通過使用具有約1.5的折射率(硬化之后)的液體粘合劑向1X1米的玻璃板(基底)施加總共四個紋理板。包含紋理板的玻璃板被用作用于光伏器件的蓋板。
權(quán)利要求
1.一種制造用于光伏器件的聚合物蓋板的方法，該蓋板呈現(xiàn)至少一個表面雕紋紋理， 其中所述至少一個表面雕紋結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中每個結(jié)構(gòu)具有至少0. 5mm的高度，所述方法包括以下步驟熱軟化聚合物；通過壓力使軟化的聚合物與模具接觸，所述模具包括希望的表面雕紋紋理的反圖像；以及在保持所述聚合物與所述模具之間的壓力的同時硬化所述軟化的聚合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過冷卻所述聚合物而硬化所述聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在20°C到150°C的溫度范圍內(nèi)發(fā)生所述冷卻。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中通過將所述聚合物加熱成液態(tài)或通過將所述聚合物加熱成橡膠態(tài)而軟化所述聚合物。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述壓力在0.01巴到2000巴的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中使用聚甲基丙烯酸甲酯作為聚合物。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中使用具有金字塔和/或槽和/或半球和/ 或立方體的反結(jié)構(gòu)的模具。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中在硬化所述聚合物板之后用附加層涂覆所述聚合物板。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述制造方法為批處理。
10.一種光伏器件，包含通過根據(jù)權(quán)利要求1到9的方法獲得的聚合物板。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光伏器件，其中所述紋理化聚合物板被用作蓋板。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的光伏器件，其中在另一蓋板的頂上使用所述紋理化聚合物板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造具有表面雕紋紋理的聚合物蓋板的方法，其中至少一個表面雕紋結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中每個結(jié)構(gòu)具有至少0.5mm的高度，所述方法包括以下步驟熱軟化聚合物；通過壓力使軟化的聚合物與模具接觸，所述模具包括希望的表面雕紋紋理的反圖像；以及在保持所述聚合物與所述模具之間的壓力的同時硬化所述軟化的聚合物。
文檔編號H01L31/0236GK102422431SQ201080019903
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者B·斯萊格爾 申請人:卓越太陽能有限公司