ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДУЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
MAKING SOLAR CELL MODULES

Настоящее изобретение относится к изготовлению модулей солнечных элементов, а также к соответствующим модулям солнечных элементов.
Солнечный элемент, соответственно фотоэлектрический элемент, представляет собой электрический конструкционный элемент, который преобразует энергию света, прежде всего энергию солнечного света, непосредственно в электрическую энергию. Физической основой указанного преобразования является фотоэлектрический эффект, являющийся частным случаем внутреннего фотоэлектрического эффекта.
На Фиг.3 схематически показано поперечное сечение базовой структуры модуля солнечных элементов. Позиция 501 означает фотоэлектрический элемент, позиция 502 упрочняющее средство, позиция 503 диск и позиция 504 задняя стенка. Солнечный свет, проникнув через диск 503 и упрочняющее средство 502, попадает на светочувствительную поверхность фотоэлектрического элемента 501 и преобразуется в электрическую энергию.
Возникающий электрический ток отбирают с выходных клемм (не показаны на Фиг.3).
Фотоэлектрический элемент не следует подвергать воздействию экстремальных внешних условий, поскольку он легко поддается коррозии и обладает чрезвычайно высокой хрупкостью. В связи с этим его необходимо закрывать и защищать пригодным материалом. Защиту фотоэлектрического элемента чаще всего обеспечивают с помощью пригодного упрочняющего средства, которое вводят в промежуток между атмосферостойким прозрачным диском, например, стеклянным диском, и задней стенкой, обладающей отличной влагостойкостью и высоким электрическим сопротивлением, и припрессовывают.
В качестве упрочняющего средства для солнечных элементов часто используют поливинилбутираль и сополимеры этилена с винилацетатом. При этом содержащие сополимер этилена с винилацетатом композиции, в особенности сшиваемые композиции, обладают отличными свойствами, такими как высокая термическая стабильность, высокая атмосферостойкость и высокая прозрачность, а также оптимальной экономичностью.
Модуль солнечных элементов должен обладать высокой стабильностью, поскольку его подвергают длительной эксплуатации в атмосферных условиях. В связи с этим упрочняющее средство должно обладать, в частности, отличной атмосферостойкостью и высокой теплостойкостью. Однако при длительной эксплуатации модуля солнечных элементов в атмосферных условиях, срок которой может достигать, например, десяти лет, часто наблюдается деструкция упрочняющего средства под действием солнечного света и/или тепла и обусловленное этим пожелтение упрочняющего средства и/или расслаивание фотоэлектрического элемента. Пожелтение упрочняющего средства обусловливает уменьшение полезной составляющей падающего на фотоэлектрический элемент света, а, следовательно, сокращение вырабатываемой фотоэлектрическим элементом электрической мощности. Расслаивание фотоэлектрического элемента способствует проникновению влаги, которая может вызывать коррозию фотоэлектрического элемента или металлических деталей модуля солнечных элементов и снижение электрической мощности.
Хотя обычно используемые сополимеры этилена с винилацетатом и являются хорошими упрочняющими средствами, однако они подвержены постепенной деструкции, обусловленной гидролизом и/или пиролизом. При этом со временем под действием тепла или влаги начинает выделяться свободная уксусная кислота. Вследствие этого происходит пожелтение упрочняющего средства, снижение его механической прочности и адгезии. Кроме того, высвобождающаяся уксусная кислота обладает каталитическим действием и дополнительно ускоряет деструкцию сополимеров этилена с винилацетатом. Другой проблемой использования указанных сополимеров является обусловленная выделением свободной уксусной кислоты коррозия фотоэлектрического элемента и/или других металлических деталей модуля солнечных элементов.
Для решения указанных проблем в соответствии с европейской заявкой на патент ЕР 1065731 А2 предложено использовать модуль солнечных элементов с фотоэлектрическим элементом и полимерным упрочняющим средством, содержащим тройной сополимер на основе этилена, сложного эфира акриловой кислоты и акриловой кислоты, тройной сополимер на основе этилена, сложного эфира акриловой кислоты и малеинового ангидрида, тройной сополимер на основе этилена, сложного эфира метакриловой кислоты и сложного эфира акриловой кислоты, тройной сополимер на основе этилена, сложного эфира акриловой кислоты и метакриловой кислоты, тройной сополимер на основе этилена, сложного эфира метакриловой кислоты и метакриловой кислоты и/или тройной сополимер на основе этилена, сложного эфира метакриловой кислоты и малеинового ангидрида. Однако указанный модуль солнечных элементов обладает недостаточной атмосферостойкостью и эффективностью.
Кроме того, из уровня техники известно об использовании пригодных УФ-абсорберов для повышения атмосферостойкости полиакрилатных формовочных масс.
Так, например, в немецкой заявке на патент DE 10311641 А1 описаны средства для загара, которые включают полиметилметакрилатное формованное изделие, содержащее от 0,005 до 0,1% масс. УФ-стабилизатора формулы (I):
,
1
2
в которой остатки R и R соответственно независимо друг от друга означают алкил или циклоалкил с 1-20 атомами углерода.
Однако в цитируемой публикации отсутствуют данные об использовании указанных в ней формованных изделий для изготовления модулей солнечных элементов.
Из немецкой заявки на патент DE 3838480 А1 известны полимеры и сополимеры метилметакрилата, которые содержат:
a) производное анилида щавелевой кислоты или 2,2,6,6-тетраметил-пиперидина в качестве стабилизатора против вредного воздействия светового излучения, и
b) не поддерживающее горение органическое соединение фосфора.
Однако в цитируемой публикации отсутствуют данные об использовании указанной композиции для изготовления модулей солнечных элементов.
В японском патентной заявке JP 2005-298748 А описаны формованные детали из метакриловой смолы, предпочтительное содержание которой составляет 100 масс. ч., причем смола содержит от 60 до 100% масс. мономерных звеньев метилметакрилата и от 0 до 40% масс. мономерных звеньев других способных к сополимеризации виниловых соединений, а также от 0,005 до 0,15% масс. 2-(2-гидрокси-4-н-октилоксифенил)-4,6-бис(2,4-диметилфенил)-1,3,5-триазина и/или 2-гидрокси-4-октилоксибензо-фенона. Указанные формованные детали служат барьером для проникания ультрафиолетовых лучей, пропускание которых при 340 нм составляет максимум 20% и при 380 нм минимум 70% (для измерения пропускания используют формованные изделия толщиной от 0,5 до 5 мм).
Указанные формованные детали прежде всего предназначены для использования в качестве защитных кожухов для осветительных устройств. Об использовании соответствующих формовочных масс для изготовления модулей солнечных элементов в цитируемом японском патенте не сообщается.
С учетом рассмотренного выше уровня техники в основу настоящего изобретения была положена задача найти возможность сокращения падения мощности солнечных элементов при их долговременной эксплуатации в атмосферных условиях, в особенности при повышенных температурах и/или высокой влажности воздуха. При этом основные усилия следовало сосредоточить на обеспечении отличной атмосферостойкости, максимальной теплостойкости, максимального светопропускания и минимального влагопоглощения. Кроме того, следовало обеспечить минимальное выделение способствующих коррозии свободных веществ, прежде всего кислот, и максимально высокую адгезию к различным базовым компонентам модуля солнечных элементов.
Указанные выше, а также другие конкретно не сформулированные задачи настоящего изобретения, однако вытекающие из контекста его описания, решаются благодаря применению формовочной массы, отличительные признаки которой приведены в пункте 1 формулы изобретения. Наиболее целесообразные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах. Кроме того, объектом настоящего изобретения являются соответствующие модули солнечных элементов.
Падения мощности солнечного элемента при его долговременной эксплуатации в атмосферных условиях, в особенности при высоких температурах и/или высокой влажности воздуха, можно предсказуемым и эффективным образом легко избежать, если для изготовления модулей солнечных элементов, прежде всего для изготовления световых концентраторов модулей солнечных элементов, использовать:
a) по меньшей мере один полиалкил(мет)акрилат и
b) по меньшей мере одно соединение формулы (I):
,
1
2
в которой остатки R и R соответственно независимо друг от друга означают алкил или циклоалкил с 1-20 атомами углерода.
Благодаря этому прежде всего достигают отличной атмосферостойкости, чрезвычайно высоких показателей термической стабильности и светопропускания, а также чрезвычайно низкого водопоглощения. Кроме того, при долговременной эксплуатации соответствующих модулей солнечных элементов в атмосферных условиях отсутствует высвобождение способствующих коррозии веществ, а также достигают чрезвычайно сильной адгезии к различным базовым компонентам модуля солнечных элементов.
Предлагаемое в изобретение решение указанных выше задач позволяет эффективно использовать «полезное» излучение в видимом диапазоне длин волн. Одновременно эффективно поглощается непригодное для выработки тока излучение в других диапазонах длин волн, прежде всего в УФ-диапазоне. Вследствие этого возрастает атмосферостойкость модулей солнечных элементов. Кроме того, благодаря поглощению непригодного для выработки тока излучения удается предотвращать нежелательное нагревание световых коллекторов без необходимости использования для этой цели специальных охлаждающих элементов, что способствует увеличению срока службы модулей солнечных элементов, их общей мощности и эффективности.
Настоящее изобретение позволяет достичь следующих преимуществ.
Становится доступным модуль солнечных элементов, который обладает отличной атмосферостойкостью, высокой термической стабильностью и высокой влагостойкостью. При этом исключается проблема расслаивания, фотоэлектрического элемента, что относится также к долговременной эксплуатации модуля солнечных элементов в атмосферных условиях. Кроме того, возрастает атмосферостойкость модуля солнечных элементов, поскольку отсутствует выделение свободной кислоты, что относится также к высоким температурам и высокой влажности. Благодаря отсутствию коррозии фотоэлектрического элемента под действием кислоты может быть обеспечена долговременная эксплуатация модуля солнечного элемента без снижения его электрической мощности.
Кроме того, согласно изобретению используют материалы, которые характеризуются отличными показателями атмосферостой кости, теплостойкости, влагостойкости и светопропускания, что позволяет изготавливать модули солнечных элементов чрезвычайно высокого качества.На Фиг.1 схематически показано поперечное сечение предпочтительного согласно настоящему изобретению модуля солнечных элементов.
На Фиг.2а схематически показано поперечное сечение фотоэлектрического элемента с базовой структурой, который предпочтительно используют в показанном на Фиг.1 модуле солнечных элементов, тогда как на Фиг.2b показан вид в плане светочувствительной поверхности указанного фотоэлектрического элемента.
На Фиг.3 схематически показано поперечное сечение обычного солнечного элемента.
Обозначения
Фиг.1:
101
фотоэлектрический элемент
102
упрочняющее средство
103
диск
104
упрочняющее средство
105
задняя стенка
Фиг.2а:
201
проводящая подложка
202
отражающий слой
203
фотоактивный полупроводниковый слой
204
прозрачный проводящий слой
205
коллектор
206а
клемма
206b
клемма
207
проводящая адгезивная паста
208
проводящая паста или оловянный припой
Фиг.2b:
201
проводящая подложка
202
отражающий слой
203
фотоактивный полупроводниковый слой
204
прозрачный проводящий слой
205
коллектор
206a
клемма
206b
клемма
207
проводящая адгезивная паста
Фиг.3:
501
фотоэлектрический элемент
502
упрочняющее средство
503
диск
504
задняя стенка
В соответствии с настоящим изобретением для изготовления модулей солнечных элементов используют:
a) по меньшей мере один полиалкил(мет)акрилат и
b) по меньшей мере одно соединение формулы (I):
,
1
2
в которой остатки R и R соответственно независимо друг от друга означают алкил или циклоалкил с 1-20 атомами углерода.
Указанные выше компоненты можно использовать в формовочной массе, предназначенной для изготовление общего элемента, например, формованной детали модуля солнечных элементов, в виде общей композиции, например, в виде смеси. Однако возможным является также индивидуальное использование каждого из указанных выше компонентов для изготовления разных отдельных элементов модуля солнечных элементов.
Согласно изобретению можно использовать как один полиалкил(мет)-акрилат, так и смесь нескольких разных полиалкил(мет)акрилатов. Кроме того, можно использовать полиалкил(мет)акрилат в виде сополимера.
В соответствии с настоящим изобретением особенно предпочтительными являются гомополимеры и сополимеры алкил(мет)акрилатов с 1-18 атомами углерода в алкиле, причем целесообразным является использование полимеров алкил(мет)акрилатов с 1-10 атомами углерода в алкиле, прежде всего полимеров алкил(мет)акрилатов с 1-4 атомами углерода в алкиле, которые при необходимости дополнительно могут содержать звенья других мономеров, отличающихся от алкил(мет)акрилатов.
При этом под (мет)акрилатом подразумевают как метакрилат, например, метилметакрилат, этилметакрилат и так далее, так и акрилат, например, метилакрилат, этилакрилат и так далее, а также смеси мономеров обоих типов.
Еще более предпочтительным является использование сополимеров, которые содержат от 70 до 99% масс., прежде всего от 70 до 90% масс.мономерных звеньев алкил(мет)акрилатов с 1-10 атомами углерода в алкиле. Предпочтительными алкилметакрилатами с 1-10 атомами углерода в алкиле являются метилметакрилат, этилметакрилат, пропилметакрилат, изопропилметакрилат, н-бутилметакрилат, изобутилметакрилат, трет-бутил метакрилат, пентилметакрилат, гексилметакрилат, гептилметакрилат, октилметакрилат,, изооктилметакрилат, этилгексилметакрилат, нонил-метакрилат и децилметакрилат, а также циклоалкилметакрилаты, например, такие как циклогексилметакрилат, изоборнилметакрилат или этил-циклогексилметакрилат. Предпочтительными алкилакрилатами с 1-10 атомами углерода в алкиле являются метилакрилат, этилакрилат, пропил-акрилат, изопропилакрилат, н-бутилакрилат, изобутилакрилат, трет-бутилакрилат, пентилакрилат, гексилакрилат, гептилакрилат, октил-акрилат, изооктилакрилат, нонилакрилат, децилакрилат и этилгексил-акрилат, а также циклоалкилакрилаты, например, такие как циклогексил-акрилат, изоборнилакрилат или этилциклогексилакрилат.
Еще более предпочтительные сополимеры содержат от 80 до 99% масс. мономерных звеньев метилметакрилата и от 1 до 20% масс., предпочтительно от 1 до 5% масс. мономерных звеньев алкилакрилата с 1-10 атомами углерода в алкиле, прежде всего метилакрилата, этилакрилата и/или бутилакрилата. Еще более предпочтительным является использование полиметилметакрилата Plexiglas 7N фирмы Rohm GmbH.
Полиалкил(мет)акрилаты можно получать известными методами полимеризации, причем особенно предпочтительно используют метод радикальной полимеризации, прежде всего радикальной полимеризации в массе, растворе, суспензии или эмульсии. Особенно пригодными инициаторами соответствующей радикальной полимеризации прежде всего являются азосоединения, такие как 2,2'-азобис(изобутиронитрил) или 2,2'-азобис-(2,4-диметилвалеронитрил), окислительно-восстановительные системы, например, такие как комбинации третичных аминов с пероксидами или дисульфитом натрия, а также с персульфатом калия, натрия или аммония, или предпочтительно пероксиды (смотри, например, Н. Rauch-Puntigam, Th. Volker, "Acryl- und Methacrylverbindungen", издательство Springer, Гей-дельберг, 1967, или Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, том 1, сс.386 и следующие, издательство J. Wiley, Нью-Йорк, 1978). Примерами особенно пригодных пероксидных инициаторов полимеризации являются пероксид дилауроила, пероктоат трет-бутила, перизононаноат трет-бутила, пероксидикарбонат дициклогексила, пероксид дибензоила и 2,2-бис(трет-бутилперокси)бутан. Полимеризацию предпочтительно можно осуществлять также, используя смесь разных инициаторов с отличающимися периодами полураспада, например, смесь пероксида дилауроила с 2,2-бис(трет-бутилперокси)бутаном, благодаря чему в процессе полимеризации, а также при варьировании ее температуры количество образующихся радикалов можно поддерживать на постоянном уровне. Используемые количества инициатора полимеризации в общем случае составляют от 0,01 до 2% масс. в пересчете на смесь мономеров.
Полимеризацию можно осуществлять как в непрерывном, так и в периодическом режиме. По завершении полимеризации образовавшийся полимер выделяют обычными методами, например, такими как фильтрование, коагуляция или распылительная сушка.
Регулирование длины цепей полимеров или сополимеров можно осуществлять, выполняя полимеризацию мономера или смеси мономеров в присутствии регуляторов молекулярной массы, прежде всего обычно используемых для этой цели меркаптанов, например, таких как н-бутил-меркаптан, н-додецилмеркаптан, 2-меркаптоэтанол, 2-этилгексилтио-гликолят или тетратиогликолят пентаэритрита, причем регулятор молекулярной массы в общем случае используют в количествах, составляющих от 0,05 до 5% масс., предпочтительно от 0,1 до 2% масс., особенно предпочтительно от 0,2 до 1% масс. в пересчете на мономер или смесь мономеров (смотри, например, Н. Rauch-Puntigam, Th. Volker, "Acryl- und Me-thacrylverbindungen", издательство Springer, Гейдельберг, 1967; Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, том XIV/1, c.66, издательство Georg Thieme, Гейдельберг, 1961, а также Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, том 1, сс.296 и следующие, издательство J. Wiley, Нью-Йорк, 1978). В качестве регулятора молекулярной массы особенно предпочтительно используют н-додецилмеркаптан.
В соответствии с настоящим изобретением для изготовления модулей солнечных элементов помимо полиалкил(мет)акрилата используют по меньшей мере одно соединение формулы (I):
,
1
2
в которой остатки R и R соответственно независимо друг от друга означают алкил или циклоалкил с 1-20 атомами углерода, особенно предпочтительно с 1 до 8 атомами углерода. Алифатические остатки предпочтительно являются неразветвленными или разветвленными и могут содержать заместители, например, такие как атомы галогена.
К предпочтительным алкильным остаткам относятся метил, этил, пропил, изопропил, 1-бутил, 2-бутил, 2-метилпропил, трет-бутил, пентил, 2-метилбутил, 1,1-диметилпропил, гексил, гептил, октил, 1,1,3,3-тетра-метилбутил, нонил, 1-децил, 2-децил, ундецил, додецил, пентадецил и эйкозил.
К предпочтительным циклоалкильным группам относятся циклопропил, циклобутил, циклопентил, циклогексил, циклогептил и циклооктил, которые при необходимости могут быть замещены разветвленными или неразветвленными алкильными остатками.
Особенно предпочтительно используют соединения формулы (II):
.

Соединения формулы (II) являются коммерчески доступными продуктами, выпускаемыми фирмой Clariant под торговым названием Sanduvor VSU, а также фирмой Ciba Geigy под торговым названием Tinuvin 312.
В соответствии с настоящим изобретением при необходимости можно дополнительно использовать известные специалистам вспомогательные средства. Предпочтительными вспомогательными средствами являются внешние смазки, антиоксиданты, антипирены, дополнительные УФ-стабилизаторы, средства для улучшения растекания, добавки металлов для экранирования электромагнитного излучения, антистатические средства, внутренние смазки, красители, пигменты, промоторы адгезии, средства для повышения атмосферостойкости, пластификаторы, наполнители и так далее.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения используют по меньшей мере один пространственно затрудненный амин, благодаря чему дополнительно возрастает атмосферостойкость. Кроме того, благодаря этому может быть уменьшена тенденция к пожелтению или деструкции материалов, которые продолжительное время подвергаются воздействию внешних условий.
К особенно предпочтительным пространственно затрудненным аминам относятся продукт поликонденсации диметилсукцинат-1-(2-гидроксиэтил)-4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпиперазина, поли[{6-(1,1,3,3-тетраметил-бутил)амино-1,3,5-триазин-2,4-диил}{(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидил)-имино}гексаметилен{(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидил)имино}], продукт конденсации N,N'-бис(3-аминопропил)этиленедиамин-2,4-бис[н-бутил-N-(1,2,2,6,6-пентаметил-4-пиперидил)амино]-6-хлор-1,3,5-триазина, бис-(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидил)себацинат и 2-(3,5-ди-трет-4-гидрокси-бензил)-2-н-бутилмалонатбис(1,2,2,6,6-пентаметил-4-пиперидил).
Кроме того, еще более предпочтительным является использование силановых промоторов адгезии или органических соединений титана, позволяющее дополнительно повысить адгезию к неорганическим материалам.
Пригодными силановыми промоторами адгезии являются винилтрихлорсилан, винилтрис(β-метоксиэтокси)силан, винилтриэтокси-силан, винилтриметоксисилан, γ-метакрилоксипропитриметоксисилан, γ-(3,4-эпокси-циклогексил)этилтриметоксисилан, γ-глицидоксипропилметил-диэтоксисилам, N-β-(аминоэтил)-γ-аминопропилтриметоксисилан, N-β-(аминоэтил)-γ-аминопропилметилдиметоксисилан, γ-аминопропилтри-этоксисилан, N-фенил-γ-аминопропилтриметоксисилан, γ-меркаптопропил-триметоксисилан и γ-хлорпропилтриметоксисилан.
В принципе могут быть выбраны любые относительные количества поли-алкил(мет)акрилата и соединения формулы (I).
В целесообразном варианте в общей формовочной массы присутствуют оба указанных компонента. Особенно предпочтительные формовочные массы содержат:
a) от 90 до 99,999% масс. полиалкил(мет)акрилата и
b) от 0,001 до 0,03% масс. соединения формулы (I), соответственно в пересчете на общую массу формовочных масс.
Введение соединений в общую формовочную массу можно осуществлять известными из литературы методами, например, путем смешивания с полимером перед дальнейшей переработкой смеси при повышенной температуре, путем добавления к расплаву полимера или путем добавления к суспендированному или растворенному полимеру в процессе переработки последнего. Соединения формулы (I) при необходимости можно добавлять также к используемым для получения полимера исходным веществам, причем они не утрачивают присущую им поглощающую способность также в присутствии других обычных светостабилизаторов, термостабилизаторов, окисляющих и восстанавливающих агентов и других добавок.
Температура размягчения особенно пригодной для целей настоящего изобретения формовочной массы (температура размягчения по Вика VET (I-SO 306-B50)) составляет не менее 80°C. В связи с этим формовочная масса прежде всего пригодна в качестве упрочняющего средства для модулей солнечных элементов, поскольку она не обладает склонностью к ползучести даже в случае высокотемпературного применения.
Особенно предпочтительными являются также формовочные массы, которые обладают сравнительно высоким пропусканием общего излучения, а, следовательно, в случае их использования в качестве упрочняющего средства в модулях солнечных элементов прежде всего предотвращают падение мощности солнечного элемента, которое может быть обусловлено оптическими потерями в упрочняющем средстве. Полное светопропускание формовочных масс в диапазоне длин волн от 400 до 500 нм предпочтительно составляет по меньшей мере 90%. Полное светопропускание формовочных масс в диапазоне длин волн от 500 до 1000 нм предпочтительно составляет по меньшей мере 80% (соответствующие измерения выполняют с помощью спектрофотометра Lambda 19 фирмы Perkin Elmer).
2
Кроме того, предпочтительными являются также формовочные массы, которые обладают сопротивлением утечки, находящимся в интервале от 1 до 500 кОм·см. При этом эффективно избегают обусловленного короткими замыканиями снижения мощности солнечного элемента.
Формовочные массы, которые содержат указанные выше компоненты, особенно пригодны для использования в качестве упрочняющего средства модулей солнечных элементов. Кроме того, формовочные массы предпочтительно используют для изготовления так называемых световых концентраторов. Речь при этом идет об элементах, которые с высокой эффективностью концентрируют световое излучение на поверхности максимально незначительной площади и, таким образом, обеспечивают высокую интенсивность излучения. При этом необходимость в отображении светоизлучателя отсутствует.
Для достижения целей настоящего изобретения особенно предпочтительными световыми концентраторами являются фокусирующие линзы, которые собирают параллельные лучи света и фокусируют их на фокальной поверхности. При этом в фокальной точке прежде всего фокусируют лучи света, параллельные оптической оси.
Фокусирующие линзы могут быть двояковыпуклыми (обе стороны линзы выгнуты наружу), плосковыпуклыми (одна сторона линзы плоская, другая выпуклая) или вогнуто-выпуклыми (одна сторона линзы выгнута внутрь, другая сторона выгнута наружу, причем выпуклая сторона предпочтительно обладает большей кривизной по сравнению с вогнутой стороной). Согласно изобретению особенно предпочтительные фокусирующие линзы обладают по меньшей мере одной выпуклой стороной, причем еще более предпочтительными являются плосковыпуклые фокусирующие линзы.
Согласно особому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения световые концентраторы обладают структурой линзы Френеля. Под линзой Френеля подразумевают оптическую линзу специфической конструкции, благодаря которой в общем случае достигают уменьшения массы и объема, а, в случае крупных линз, сокращения фокусного расстояния.
Сокращения объема достигают благодаря сегментированию линзы Френеля на кольцеобразные зоны. При переходе от одной кольцеобразной зоны к другой толщина линзы уменьшается, то есть линза Френеля обладает ступенчатой структурой. Поскольку лучи света преломляются только на поверхности подобной линзы, угол преломления зависит не от толщины линзы, а лишь от образуемого ее поверхностями угла. В связи с этим фокусное расстояние линзы Френеля остается постоянным, хотя качество изображения вследствие ступенчатой структуры линзы ухудшается.
В соответствии с первым особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения для оптических осей используют вращательно-симметричные линзы со структурой Френеля. Подобные линзы фокусируют свет в точке.
В соответствии с другим особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения используют линейные линзы со структурой Френеля, которые фокусируют свет в плоскости.
В остальном модуль солнечных элементов обладает известной обычной конструкцией. Он предпочтительно включает по меньшей мере один фотоэлектрический элемент, который в целесообразном варианте введен в промежуток между диском и задней стенкой и припрессован, причем в соответствии с оптимальным вариантом диск и задняя стенка соединены с фотоэлектрическим элементом посредством упрочняющего средства. При этом модуль солнечных элементов, прежде всего диск, задняя стенка и/или упрочняющее средство, предпочтительно содержат используемые согласно изобретению компоненты, то есть полиалкил(мет)акрилат и соединение формулы (I).
В соответствии с другим еще более предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения модуль солнечных элементов включает:
a) по меньшей мере один фотоэлектрический элемент,
b) по меньшей мере один световой концентратор, содержащий по меньшей мере один полиалкил(мет)акрилат, и
с) по меньшей мере один прозрачный диск, содержащий по меньшей мере одно соединение формулы (I).
Особенно предпочтительная структура модуля солнечных элементов показана на прилагаемых к настоящему описанию чертежах (смотри Фиг.1, 2а, 2b).
Предлагаемый в изобретении модуль солнечных элементов предпочтительно содержит фотоэлектрический элемент 101, диск 103, который закрывает лицевую сторону фотоэлектрического элемента 101, первое упрочняющее средство 102 между фотоэлектрическим элементом 101 и диском 103, заднюю стенку 105, которая закрывает обратную сторону 104 фотоэлектрического элемента 101, и второе упрочняющее средство 104 между фотоэлектрическим элементом 101 и задней стенкой 105.
Фотоэлектрический элемент предпочтительно снабжен находящимся на проводящей подложке фотоактивным полупроводниковым слоем в качестве первого электрода для преобразования света и сформированным на нем прозрачным проводящим слоем в качестве второго электрода.
Проводящая подложка предпочтительно выполнена из нержавеющей стали, что способствует дополнительному усилению адгезии между упрочняющим средством и подложкой.
Коллектор, который в качестве компонента содержит медь и/или серебро, предпочтительно формируют на светочувствительной стороне фотоэлектрического элемента, причем с коллектором предпочтительно контактирует полиалкил(мет)акрилат, предпочтительно содержащий мономерные звенья по меньшей мере одного соединения формулы (I).
В оптимальном варианте светочувствительная поверхность фотоэлектрического элемента закрыта полиалкил(мет)акрилатом, предпочтительно содержащим мономерные звенья по меньшей мере одного соединения формулы (I), после которого предпочтительно следует тонкая пленка фторидного полимера в качестве наружного слоя.
Первое упрочняющее средство 102, предназначенное для защиты фотоэлектрического элемента 101 от внешних воздействий, закрывает неровности светочувствительной поверхности элемента 101. Кроме того, оно служит для соединения диска 103 с фотоэлектрическим элементом 101. В соответствии с этим помимо высокого светопропускания первое упрочняющее средство 102 должно обладать высокой атмосферостойкостью, высокой адгезией и высокой термической стабильностью. Кроме того, оно должно обладать низким водопоглощением и не должно выделять свободную кислоту. Для выполнения указанных требований в качестве первого упрочняющего средства предпочтительно используют полиалкил(мет)-акрилат, предпочтительно содержащий мономерные звенья по меньшей мере одного соединения формулы (I).
Для сведения к минимуму уменьшения производимой фотоэлектрическим элементом 101 световой энергии светопропускание первого упрочняющего средства 102 в видимом диапазоне длин волн (от 400 до 800 нм) предпочтительно составляет по меньшей мере 80%, причем в диапазоне длин волн от 400 до 500 нм светопропускание особенно предпочтительно составляет по меньшей мере 90% (измерение светопропускания выполняют с помощью спектрофотометра Lambda 19 фирмы Perkin Elmer). Кроме того, для более легкого проникания воздействующего на фотоэлектрический элемент 101 светового излучения из воздушной среды показатель преломления первого упрочняющего средства 102 предпочтительно находится в интервале от 1,1 до 2,0, более предпочтительно в интервале от 1,1 до 1,6 (измерение согласно ISO 489).
Второе упрочняющее средство 104, предназначенное для защиты фотоэлектрического элемента 101 от внешних воздействий, закрывает неровности на обратной стороне последнего. Кроме того, второе упрочняющее средство 104 предназначено для соединения задней стенки 105 с фотоэлектрическим элементом 101. В соответствии с этим второе упрочняющее средство аналогично первому упрочняющему средству должно обладать высокой атмосферостойкостью, высокой адгезией и высокой термической стабильностью. Следовательно, в качестве второго упрочняющего средства также предпочтительно следует использовать полиалкил(мет)акрилат, предпочтительно содержащий мономерные звенья по меньшей мере одного соединения формулы (I). Материал первого упрочняющего средство предпочтительно аналогичен материалу второго упрочняющего средства. Однако поскольку обеспечение светопропускания второго упрочняющего средства является лишь факультативным требованием, к нему при необходимости можно добавлять наполнитель, например, органический оксид (с целью дополнительного повышения атмосферостойкости и механических показателей) или пигмент (с целью окрашивания).
В качестве фотоэлектрического элемента 101 предпочтительно используют известные фотоэлектрические элементы, прежде всего монокристаллические кремниевые элементы, поликристаллические кремниевые элементы, аморфный кремний или микрокристаллический кремний, аналогичные используемым в тонкослойных кремниевых элементах. Кроме того, особенно пригодными являются селенид меди-индия и полупроводниковые соединения.
Предпочтительный фотоэлектрический элемент схематически показан на Фиг.2а и 2b. На Фиг.2а схематически показано поперечное сечение фотоэлектрического элемента, тогда как Фиг.2b схематически показан вид сверху на указанный элемент. Позиции 201 на Фиг.2а и 2b соответствует проводящая подложка, позиции 202 отражающий слой на обратной стороне, позиции 203 фотоактивный полупроводниковый слой, позиции 204 прозрачный проводящий слой, позиции 205 коллектор, позициям 206а и 206b клеммы и позициям 207 и 208 проводящие, адгезивные или проводящие пасты.
Проводящая подложка 201 выполняет функцию не только основы фотоэлектрического элемента, но и второго электрода. Материалом проводящей подложки 201 предпочтительно является кремний, тантал, молибден, вольфрам, нержавеющая сталь, алюминий, медь, титан, углеродная пленка, освинцованная стальная пластина, смолоподобная пленка и/или снабженная проводящим слоем керамика.
2
2
Обратная сторона проводящей подложки 201 предпочтительно снабжена слоем металла, слоем оксида металла или слоем металла и слоем оксида металла в качестве отражающего слоя 202. Материалом слоя металла предпочтительно является титан, хром, молибден, бор, алюминий, серебро и/или никель, тогда как материалом слоя оксида металла предпочтительно является ZnO, TiO или SnO. Слой металла и слой оксида металла в целесообразном варианте формируют путем газофазного осаждения, нагревания, электроннолучевым методом или ионно-плазменным напылением.
2
2
2
2
Фотоактивный полупроводниковый слой 203 предназначен для реализации фотоэлектрического преобразования. В соответствии с этим к предпочтительным материалам указанного слоя относятся поликристаллический кремний с pin-переходом, материалы из аморфного кремния с pin-переходом, материалы из микрокристаллического кремния с pin-переходом, а также полупроводниковые соединения, прежде всего CulnSe, CulnS, GaAs, CdS/CuS, CdS/CdTe, CdS/InP и CdTe/CuTe. При этом особенно предпочтительным является использование материалов из аморфного кремния с pin-переходом.
Фотоактивный полупроводниковый слой предпочтительно формируют путем преобразования расплавленного кремния в пленку, путем термической обработки аморфного кремния (в случае поликристаллического кремния), путем газофазного осаждения с использованием силанового газа в качестве исходного материала (в случае аморфного или микрокристаллического кремния) или методом ионного осаждения, ионного напыления, вакуумного испарения, ионно-плазменного напыления или гальванизации (в случае полупроводникового соединения).
2
3
2
2
3
2
2
2
4
Прозрачный проводящий слой 204 выполняет функцию верхнего электрода солнечного элемента. Материалом данного слоя предпочтительно является InO, SnO, InO-SnO(ITO), ZnO, TiO или CdSnO, или речь идет о кристаллическом полупроводниковом слое, легированном содержащимися в высокой концентрации примесями. Указанный слой может быть сформирован методом напыления при резисторном нагреве, а также методом ионно-плазменного напыления, коронирования, газофазного осаждения или диффузии примесей.
2
2
Проводящая подложка и прозрачный проводящий слой фотоэлектрического элемента со сформированным прозрачным проводящим слоем 204 в момент формирования фотоактивного полупроводникового слоя вследствие неровности поверхности проводящей подложки 201 и/или в связи с неоднородностью иногда могут оказаться закороченными. В подобном случае наблюдаются большие токовые потери, пропорциональные выходному напряжению. Речь при этом идет о низком сопротивлении утечки (шунтирующем сопротивлении). В подобном случае целесообразно устранить короткое замыкание и после формирования прозрачного проводящего слоя подвергнуть фотоэлектрический элемент обработке с целью удаления дефектов. Подобная обработка подробно описана в патенте США US 4729970. Благодаря подобной обработке шунтирующее сопротивление фотоэлектрического элемента устанавливают в интервале от 1 до 500 кОм·см, предпочтительно в интервале от 10 до 500 кОм·см.
На прозрачном проводящем слое 204 может быть сформирован коллектор 205 (координатная сетка). Коллектор 205 предназначен для эффективного сбора электрического тока и предпочтительно выполнен в виде координатной сетки, гребенки, линии или иным образом. Предпочтительным материалом коллектора 205 является, например, титан, хром, молибден, вольфрам, алюминий, серебро, никель, медь, олово или проводящая паста (так называемая серебряная паста).
Коллектор 205 предпочтительно формируют методом ионно-плазменного напыления с использованием маскирующего шаблона, методом резисторного нагрева, методом газофазного осаждения, методом, включающим операции формирования металлической пленки поверх общего слоя путем газоотделения и удаления ненужных частей пленки травлением, методом, в соответствии с которым путем фотохимического газофазного осаждения формируют шаблон решетчатого электрода, методом, включающим операции формирования отрицательного маскирующего шаблона решетчатого электрода и плакирования снабженной рисунком поверхности, методом, в соответствии с которым осуществляют печать проводящей пастой, а также методом, в соответствии с которым на запечатанную проводящую пасту напаивают металлическую проволоку. При этом в качестве проводящей пасты предпочтительно используют пленкообразующий полимер, в котором в виде тонкодисперсного порошка диспергировано серебро, золото, медь, никель, углерод или подобные вещества. В качестве пленкообразующих полимеров предпочтительно используют сложные полиэфиры, этоксисмолы, полиакрилаты, алкидные смолы, поливинилацетаты, каучуки, уретановые смолы и/или фенольные смолы.
Клеммы 206 для съема электродвижущей силы предпочтительно фиксируют на проводящей подложке 201, соответственно на коллекторе 205. Клеммы 206 фиксируют на проводящей подложке предпочтительно путем приваривания точечной сваркой или путем припаивания металлических элементов, например, медных лапок, тогда как фиксацию клемм на коллекторе предпочтительно осуществляют путем электрического соединения металлических элементов с коллектором посредством проводящей пасты или оловянного припоя 207 и 208.
В зависимости от требуемого напряжения или силы тока фотоэлектрические элементы соединяют друг с другом последовательно или параллельно. Кроме того, напряжение или силу тока можно регулировать путем вставки фотоэлектрических элементов в изолирующую подложку.
Показанный на Фиг.1 диск 103 должен обладать максимально высокой атмосферостойкостью, максимально высоким грязеоттал киванием и максимально высокой механической прочностью, поскольку он является наружным слоем модуля солнечных элементов. Кроме того, диск 103 должен обеспечивать возможность надежной долговременной эксплуатации солнечных элементов в атмосферных условиях. Диски, пригодные для достижения целей настоящего изобретения, содержат (армированные) стекло-пленки и фторидные полимерные пленки. Используемая стеклянная пленка предпочтительно должна обладать высоким светопропусканием. Пригодными фторидными полимерными пленками прежде всего являются пленки из сополимера этилена с тетрафторэтиленом, поливинилфторида, поливинилиденфторида, тетрафторэтилена, сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом или хлортрифторэтилена. Поливинилиденфторидные пленки особенно пригодны для обеспечения высокой атмосферостойкости, в то время как пленки на основе сополимера этилена с тетрафторэтиленом особенно предпочтительны, поскольку обладают оптимальным сочетанием атмосферостойкости и механической прочности. С целью повышения адгезии между фторидной полимерной пленкой и упрочняющим средством пленку необходимо подвергать обработке коронным разрядом или плазмой. Кроме того, для дополнительного повышения механической прочности предпочтительно следует использовать пленки, подвергнутые вытяжке.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения диск включает по меньшей мере один полиалкил-(мет)акрилат, который предпочтительно содержит мономерные звенья по меньшей мере одного соединения формулы (I).
Кроме того, диск предпочтительно выполняет функцию светового концентратора, который с высокой эффективностью концентрирует свет на фотоэлектрическом элементе и, таким образом, усиливает интенсивность светового излучения. Особенно предпочтительными являются линзы, которые собирают параллельные лучи света и фокусируют их в фокальной плоскости. Речь при этом прежде всего идет о фокусировании параллельных оптической оси лучей света в фокальной точке.
Фокусирующие линзы могут быть двояковыпуклыми, плосковыпуклыми или вогнуто-выпуклыми. При этом особенно предпочтительным является использование линз с плосковыпуклой структурой. Кроме того, в предпочтительном варианте диск обладает структурой линзы Френеля.
Задняя стенка 105 предназначена для электрического изолирования фотоэлектрического элемента 101 от внешней среды, а также для повышения его атмосферостойкости, и одновременно выполняет функцию усиливающего элемента. Материал задней стенки 105 предпочтительно обладает достаточно высокими электроизолирующими свойствами, отличной долговременной стабильностью, способностью противодействовать термическому расширению и термическому сжатию, а также высокой гибкостью. К материалам, особенно пригодным для достижения указанных целей, относятся нейлоновые, полиэтилентерефталатные и поливинилфторидные пленки. Для обеспечения влагостойкости модуля солнечных элементов в качестве задней стенки предпочтительно используют поливинилфторидные пленки с припрессованным алюминием, полиэтилентерефталатные пленки с алюминиевым покрытием или полиэтилентерефталатные пленки с покрытием из оксида кремния. Кроме того, для повышения огнестойкости модуля солнечных элементов в качестве задней стенки можно использовать стальную фольгу с припрессованной к ней пленкой и гальваническим покрытием или фольгу из нержавеющей стали.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения задняя стенка включает по меньшей мере один полиалкил(мет)акрилат, который предпочтительно содержит мономерные звенья по меньшей мере одного соединения формулы (I).
С целью дополнительного повышения механической прочности модуля солнечных элементов или предотвращения выпучивания или прогибания задней стенки, обусловленного колебаниями температуры, к наружной поверхности задней стенки может быть присоединена защитная пластина. Особенно предпочтительными материалами подобной пластины являются листы из нержавеющей стали, полимерные листы или листы из армированных волокнами полимеров. Кроме того, к задней стенке может быть присоединен конструкционный материал.
Изготовление рассмотренного выше модуля солнечных элементов можно осуществлять известными методами. Однако особенно целесообразным является использование следующей описанной ниже технологии.
Для покрытия фотоэлектрического элемента упрочняющим средством предпочтительно используют метод, в соответствии с которым упрочняющее средство подвергают термическому плавлению, и полученный расплав экструдируют через плоскощелевую головку, получая пленку, которую термически соединяют с фотоэлектрическим элементом. Пленку упрочняющего средства предпочтительно помещают в промежуток между фотоэлектрическим элементом и диском, а также в промежуток между фотоэлектрическим элементом и задней стенкой, и упрочняют.
Для осуществления термического упрочнения можно использовать известные методы, например, такие как вакуумная припрессовка или припресссовка путем прикатывания.
Температура эксплуатации предлагаемого в изобретении модуля солнечных элементов составляет 80°C или выше, причем теплостойкость, присущую предлагаемым в изобретении материалам, можно эффективно использовать прежде всего при высоких рабочих температурах.