專利名稱：混合屋頂覆蓋件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括有薄膜太陽(yáng)能電池片的混合屋頂覆蓋件，混合屋頂覆蓋件是適合于安裝在屋頂構(gòu)件上或屋頂構(gòu)件中的構(gòu)件，或者是與房屋一起構(gòu)成整體的其它形式，如果需要，也可按獨(dú)立系統(tǒng)存在，該系統(tǒng)中按兩種方式利用太陽(yáng)能。一方面，用薄膜太陽(yáng)能電池片把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。另一方面，用太陽(yáng)能加熱例如空氣和/或水的氣體和/或液體介質(zhì)。
包括薄膜太陽(yáng)能電池片的混合屋頂覆蓋件是已知的。US5589006和EP0820105，US5849006所述的混合屋頂覆蓋件從頂?shù)降装ㄍ该魍繉訕?gòu)成的頂層，填料澆注的薄膜太陽(yáng)能電池片，絕緣背面件、填料層、和屋頂覆蓋層?？諝獯┻^(guò)屋頂覆蓋層下面。EP0820105所述的系統(tǒng)中，薄膜太陽(yáng)能電池層設(shè)在有高負(fù)荷承載能力和好的加工性能的背面板上，因而，該背面板能任意彎成任何所需的形狀，更具體地說(shuō)，能彎成不規(guī)則的四邊形，空氣在背板下面和薄膜太陽(yáng)能電池片上面通過(guò)。
盡管這些混合屋頂覆蓋件有足夠的功能，用開(kāi)口可以提高發(fā)熱效率。
已發(fā)現(xiàn)讓低熱容量的薄膜太陽(yáng)能電池片與要加熱的介質(zhì)直接接觸，容易提高發(fā)熱效率。在部分屋頂覆蓋件上會(huì)產(chǎn)生更高的效率，當(dāng)加熱薄膜太陽(yáng)能電池片本身所需的能量較少時(shí)，就會(huì)剩下更多的能量用于加工。這就導(dǎo)致在部分混合屋頂覆蓋件上有更高的響應(yīng)速度。
按本發(fā)明的包括薄膜太陽(yáng)能電池片的混合屋頂覆蓋件，其特征是，它的熱容量低于3.5kJ/m2K，最好小于600J/m2K。
按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件中用的薄膜太陽(yáng)能電池片是柔性薄膜太陽(yáng)能電池片。由于多種原因使膜的柔軟性具有吸引力。首先，可以用卷筒形式把薄膜太陽(yáng)能電池片運(yùn)輸?shù)揭惭b屋頂覆蓋件的地方；第2，軟的薄膜太陽(yáng)能電池比在玻璃載體上的硬薄膜太陽(yáng)能電池更容易分割成所要求的尺寸的片段；第3，薄膜太陽(yáng)能電池片的柔軟性可以按要求用不同的方式把膜組合成屋頂覆蓋件，因此，可以面對(duì)太陽(yáng)的膜的位置最佳，也能達(dá)到任何所要求的審美效果。因此，柔性薄膜太陽(yáng)能電池片不僅能構(gòu)成最通用的平板層，也能彎成所說(shuō)的不規(guī)則的平行四邊形，或一些其它所需的形狀。用聯(lián)輥工藝制成的薄膜太陽(yáng)能電池片特別吸引人，它能充分滿足容易運(yùn)輸和容易分割成所需尺寸的片段等要求。
按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件中用的薄膜太陽(yáng)能電池片由軟載體、背電極、光電層，和透明前電極構(gòu)成。若需要，薄膜太陽(yáng)能電池層可以設(shè)有一層以上的保護(hù)層或其它頂層。這種薄膜太陽(yáng)能電池片的熱容量主要由載體和其它保護(hù)層和頂層的固有特性決定。選擇這些材料時(shí)，要選取那些能保證獲得所要求的例如熱容量的特性的材料。
按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件中用的薄膜太陽(yáng)能電池片的總厚度小于1000μm、小于500μm更好，大于300μm最好?？偟恼f(shuō)來(lái)，越薄的太陽(yáng)能電池層具有越小的熱容量。
按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件中用的薄膜太陽(yáng)能電池片的每平方米表面上的重量小于1400g/m2小于700g/m2更好?？偟恼f(shuō)來(lái)，越輕的薄膜太陽(yáng)能電池片的熱容量越小。而且，越輕的太陽(yáng)能電池層結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單、運(yùn)輸和加工費(fèi)用越少。
適合于用作薄膜太陽(yáng)能電池片的載體層的材料包括熱塑性或熱固性聚合物膜，及它們的組合膜，或在這些膜上加增強(qiáng)纖維的任何衍生物。適用的熱固性材料包括聚酰亞胺，不飽和聚酯，乙烯基酯類，SI等。熱塑性材料可以是非晶型材料或半結(jié)晶材料。適用的非晶型熱塑性材料的實(shí)例是PEI、PSU、PC、PPO、PES、PMMA、SI、PVC、PVDC、FEP或各種其它的含氟聚合物。適用的半結(jié)晶熱塑性材料的實(shí)例有PET、PEN、PEEK、PEKK、PP和PTFE。適用的液晶材料是PPTA(商標(biāo)為Twaron.Aramica.Kevlar)。也可用金屬壓出膜以及溶液澆鑄膜、浮狀液澆鑄膜、或懸浮體澆鑄膜。通常雙軸拉伸膜有優(yōu)異的機(jī)械性能。金屬膜上已加有絕緣(介電)頂層，如果需要，可用如用玻璃纖維加強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂材料的聚合物和纖維增物構(gòu)成的組合物作為載體層。
最好選用設(shè)有其軟化點(diǎn)低于載體自身的軟化點(diǎn)的熱塑性粘接層的聚合“共壓出”膜。共壓出膜設(shè)有例如Al或SiOx的防擴(kuò)散層。
當(dāng)前優(yōu)選的材料是雙軸拉伸的聚酯膜，而且，最好還加有防擴(kuò)散涂層。
載體厚度應(yīng)在75μm至1mm，優(yōu)選的厚度范圍是100μm至600μm，和150μm至300μm。如上所述，用聯(lián)輥(roll-to-roll)工藝制造的薄膜太陽(yáng)能電池層最有誘惑力。以下是最受人們關(guān)注的制造柔性薄膜太陽(yáng)能電池的聯(lián)輥工藝所包括的工藝步驟(a)提供臨時(shí)襯底；(b)在所述襯底上加透明導(dǎo)電電極；(c)加光電層；(d)加背電極；(e)背電極上加永久性載體；(f)去掉臨時(shí)襯底；(g)選擇性的加透明保護(hù)層，制造混合屋頂覆蓋件中用的薄膜太陽(yáng)能電池片的該方法受到關(guān)注的原因是，它使用了臨時(shí)襯底，因而可以在該條件下加透明導(dǎo)電氧化物制成的前電極，光電層，背電極，因而制造出高質(zhì)量的太陽(yáng)能電池。選擇在后面的階段把永久載體加到薄膜太陽(yáng)能電池上，因而容易滿足混合屋頂覆蓋件具體使用時(shí)所提出的條件。但是，永久襯底不需要有在加前電極，光電層和背電極的過(guò)程中通常有的耐高溫的特性，結(jié)果，對(duì)永久載體的選擇自由度更大。
為此，按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件包括用上述步驟a至g制成的薄膜太陽(yáng)能電池。適用的制造方法的實(shí)例已由WO98/13882和WO99/49483公開(kāi)。
背電極、PV層和透明前電極的固有特性并不是本發(fā)明的關(guān)鍵問(wèn)題。
透明前電極通常是透明導(dǎo)電氧化物(TCO)，適用的透明導(dǎo)電氧化物的實(shí)例是銦錫氧化物，氧化鋅，摻鋁、氟或硼的氧化鋅，硫化鎘，氧化鎘，氧化錫，最好是摻氟的SnO2。后面所述的透明電極材料是優(yōu)選材料，因?yàn)樗?00℃以上的最好在500至600℃的高溫下使用時(shí)，可以形成有針狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的所要求的結(jié)晶表面，此外它比廣泛使用的銦錫氧化物的耐化學(xué)腐蝕性更好。而且，它的價(jià)格低得多。
本說(shuō)明書中的術(shù)語(yǔ)“PV層”或“光電層”包括吸受光并發(fā)電所需的整個(gè)多層系統(tǒng)。適用的膜層結(jié)構(gòu)是已知的，加這些膜層的方法也是已知的。本領(lǐng)域的一般的現(xiàn)有技術(shù)參見(jiàn)YHkinoro Kuwano，“Photovoltaic Cells”，Ullmann’s Encyclopedia，Vol A20(1992)，161，和“Solar Technology”Ullmann’s Encyclopedia VolA24(1993)，369PV層制造中也可以用各種薄膜半導(dǎo)體，實(shí)例是非晶硅(a-SiH)，微晶硅，多晶非晶硅碳化物(a-SiC)，非晶硅鍺(a-SiGe)和a-SiGeH。此外，按本發(fā)明的薄膜太陽(yáng)能電池片中的PV層包含例如CIS(銅銦二硒，即Culn Se2)PV晶胞，碲化鎘晶胞，Cu(In，Ga)Se晶胞，ZnSe/CIS晶胞，ZnO/CIS晶胞，Mo/CIS/CdS/InO晶胞和染色敏化晶胞，還會(huì)出現(xiàn)堆晶。
當(dāng)TCO包含摻氟的氧化錫時(shí)，PV層最好是非晶硅層。那種情況下，通常PV層將包括一組或多組P-(摻雜)型，本征(i)型和n-(摻雜)型非晶硅層，P型層設(shè)在接收入射光一側(cè)。
按本發(fā)明的薄膜太陽(yáng)能電池片中的背電極最好是既能用作反光層也能用作電極。背電極可含有反光性能的任何適用的材料，如Al，Ag或它們的化合物。反光材料是Ag時(shí)，最好首先加粘接催化劑層。粘接催化劑層適用的材料例有TiO2和ZnO，當(dāng)粘接催化劑層的厚度適當(dāng)如80nm時(shí)，它有反射性能。
與帶有例如銅板制成的有負(fù)荷承載能力的硬的全天侯載體上制成的有纖維澆鑄的薄膜太陽(yáng)能電池片的常規(guī)混合屋頂覆蓋件相比，按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件有更高的響應(yīng)速度。本文中所說(shuō)的響應(yīng)速度是指當(dāng)輻射強(qiáng)度變化時(shí)，要加熱的材料的溫度變化速度。因此響應(yīng)速度的定義是單位時(shí)間的溫度變化與凈光通量之比，單位為K/W。
按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件，一方面能顯示出薄膜太陽(yáng)能電池片本身的響應(yīng)速度，另一方面能顯示出散熱介質(zhì)的響應(yīng)速度。該后面一個(gè)響應(yīng)速度也叫做混合屋頂覆蓋件的響應(yīng)速度。薄膜太陽(yáng)能電池片本身的響應(yīng)速度首先顯示出混合屋頂覆蓋件的響應(yīng)速度。按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件中用的薄膜太陽(yáng)能電池片的響應(yīng)速度應(yīng)大于5.7*10＾-4K/W，大于11*10＾-4K/W更好。
當(dāng)混合屋頂覆蓋件中要加熱的介質(zhì)是空氣時(shí)，屋頂覆蓋件的響應(yīng)速度應(yīng)大于5.7*10＾-4K/W，大于11*10＾-4K/W更好。
當(dāng)混合屋頂覆蓋件中要加熱的介質(zhì)是水時(shí)，屋頂覆蓋件的響應(yīng)速度大于1*10＾-4K/W，大于2*10＾-4K/W更好。
按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件可以構(gòu)成不同的形式，它適合于同時(shí)發(fā)電和熱水，或者，它能同時(shí)發(fā)電和加熱空氣，個(gè)別情況下，也能加熱其它氣體或液體介質(zhì)。
按本發(fā)明的混合屋頂覆蓋件可包括從頂?shù)降桌缬袉螌踊蚨鄬油该髂?，薄膜太?yáng)能電池片，和隔熱材料。在透明膜層與薄膜太陽(yáng)能電池片之間和/或薄膜太陽(yáng)能電池片與隔熱材料之間是含被加熱介質(zhì)如空氣的空隙。這種情況下，單層或多層透明膜層最好能使70％以上可見(jiàn)光透過(guò)的透射率和K值小于4W/m2K。K值是面板隔離性能技術(shù)領(lǐng)域中常用的參數(shù)。
以下將參見(jiàn)適于加熱空氣的屋頂覆蓋件詳細(xì)說(shuō)明按本發(fā)明的混合屋頂覆合件，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，也可用相應(yīng)的方式加熱不同的介質(zhì)。
按本發(fā)明適于同時(shí)發(fā)電和加熱空氣的混合屋頂覆蓋件中，一邊上有引入冷空氣的間隙，另一邊上釋放熱空氣。用模氣板供給和釋放空氣或引起空氣自然地汲取和引入。
薄膜太陽(yáng)能電池片以自由懸掛的方式安裝在屋頂覆蓋件中，使空氣能從任何一邊上的薄膜太陽(yáng)能電池片上通過(guò)。如果需要，可把薄膜太陽(yáng)能電池片安裝在混合屋頂覆蓋件中的有良好絕緣性能的硬襯底上。所述的后一種情況下，襯底的熱容量應(yīng)低于薄膜太陽(yáng)能電池片和硬襯底的組合熱容量，不超過(guò)3000J/m2K。薄膜太陽(yáng)能電池片和硬襯底的組合熱容量小于900J/m2K，最好小于450J/m2K。從能量效率考慮，薄膜太陽(yáng)能電池片最好安裝在空氣室內(nèi)，以使薄膜太陽(yáng)能電池片與一邊上流動(dòng)的空氣接觸。為了穩(wěn)固可用硬襯底。硬襯底用盡可能最薄的(發(fā)泡)塑料或類似材料構(gòu)成。
接收入射光一側(cè)上的空氣室還要充分隔絕，以保證所產(chǎn)生的熱不會(huì)散到外部空氣中。可以設(shè)置適當(dāng)?shù)慕^緣頂層來(lái)達(dá)到隔絕空氣室的目的。如上所述，該頂層最好能透過(guò)70％以上的K值小于4W/m2K的可見(jiàn)光。如上所述，不需要浮動(dòng)安裝薄膜太陽(yáng)能電池片，可按例如EP0820105所述的方式或任何其它方式安裝薄膜太陽(yáng)能電池片。
用按本發(fā)明的屋頂覆件產(chǎn)生其中的熱空氣，而且借助熱交換器用該熱空氣生成熱水，從而以最大效率獲得熱水。
例1同時(shí)發(fā)電和加熱空氣的混合屋頂覆蓋件用以下構(gòu)件構(gòu)成，從頂?shù)降子蟹罋夂钣绊懙拿芊鈱?；透明絕緣塑料空心板，空氣能在它下面流動(dòng)；泡沫塑料絕緣層上的薄膜太陽(yáng)能電池片，和屋頂覆蓋層。屋頂覆蓋件設(shè)有分別讓冷空氣和熱空氣進(jìn)出的進(jìn)氣孔和出氣孔。在薄膜太陽(yáng)能電池片與透明絕緣塑料板之間的間隙中的空氣被加熱。
薄膜太陽(yáng)能電池片包括塑料載體，它上面疊置有也能用作反光器的鋁背電極；非晶硅光電層；和作為透明前面電極的摻氟的氧化錫。膜上覆蓋有聚合物保護(hù)頂層。薄膜太陽(yáng)能電池片的熱容量為440J/m2K，厚度為250μm；每平方米表面積的重量是300g/m2。薄膜太陽(yáng)能電池片和泡沫塑料板組合物的熱容量是2500J/m2K。
薄膜太陽(yáng)能電池片的響應(yīng)速度是2.2*10＾-3K/W。屋頂覆蓋件的響應(yīng)速度是6.7*10-4K/W。
權(quán)利要求
1.一種混合屋頂覆件，能同時(shí)加熱介質(zhì)和發(fā)電，它包括熱容量小于3.5kJ/m2K，最好小于600J/m2K的柔性薄膜太陽(yáng)能電池片。
2.按權(quán)利要求1所述的混合屋頂覆蓋件，其中，柔性薄膜太陽(yáng)能電池每平方米的重量小于1400g/m2，最好小于700g/m2。
3.按權(quán)利要求1或2所述的混合屋頂覆蓋件，其中，柔性薄膜太陽(yáng)能電池的響應(yīng)速度大于5.7*10＾-4K/W，最好大于11*10＾-4K/W。
4.按前面任一權(quán)利要求所述的混合屋頂覆蓋件，其中，薄膜太陽(yáng)能電池片包括載體，背電極，光電層和透明電極。
5.按前面任一權(quán)利要求所述的混合屋頂覆蓋件，其中，薄膜太陽(yáng)能電池片的厚度小于1000μm，小于500μm更好，小于250μm最好。
6.按權(quán)利要求4至5中任一項(xiàng)所述的混合屋頂覆蓋件，其中，載體厚度為75μm至1mm，厚度為100μm至600μm更好，為150μm至300μm最好。
7.按前面任一權(quán)利要求所述的混合屋頂覆蓋件，其中，柔性薄膜太陽(yáng)能電池片是用聯(lián)輥方法制成的。
8.按權(quán)利要求7所述的混合屋頂覆蓋件，其中，制造柔性薄膜太陽(yáng)能電池的方法包括以下步驟·提供臨時(shí)襯底；·所述襯底上加透明導(dǎo)電電極；·加光電層；·加背電極；·背電極上加永久載體；·去掉臨時(shí)襯底；·選擇地加透明保護(hù)層。
9.按前面任一權(quán)利要求所述的混合屋頂覆蓋件，其中，被加熱的介質(zhì)是空氣，其中，混合屋頂覆蓋件的響應(yīng)速度大于5.7*10＾-4K/W，最好大于11*10＾-4K/W。
10.按權(quán)利要求1—8中任一項(xiàng)所述的混合屋頂覆蓋件，其中，被加熱的介質(zhì)是水，其中，覆蓋件的響應(yīng)速度大于1*10＾-4K/W，最好大于2*10＾-4K/W。
11.按前面任一權(quán)利要求所述的混合屋頂覆蓋件，從頂?shù)降装▎螌踊蚨鄬油该鲗?，薄膜太?yáng)能電池片，和隔熱材料，其中，透明層與薄膜太陽(yáng)能電池片之間和/或薄膜太陽(yáng)能電池片與隔熱材料之間有包含待加熱介質(zhì)的間隙。
12.按權(quán)利要求11所述的混合屋頂覆蓋件，其中，單層或多層透明層能透過(guò)70％以上的可見(jiàn)光和K值小于4W/m2K。
13.按權(quán)利要求1—9、11或12中任一項(xiàng)所述的混合屋頂覆蓋件，其中，被加熱的介質(zhì)是空氣并利用混合屋頂覆蓋件中已加熱的空氣的能量借助熱交換器來(lái)加熱水。
全文摘要
本發(fā)明涉及混合屋頂覆蓋件,它包括:柔性薄膜太陽(yáng)能電池片,電池片的熱容量小于3.5kJ/m
文檔編號(hào)H01L31/048GK1327619SQ00802163
公開(kāi)日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2000年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月9日
發(fā)明者埃里克·米德?tīng)柭? 伊萊奧諾爾·安德?tīng)枴し?申請(qǐng)人:阿克佐諾貝爾公司