СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДУЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
SOLAR ELEMENT MODULE MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изготовления модулей высокоэффективных солнечных элементов на струнном каркасе в солнечных батареях космических аппаратов.
Известен способ изготовления модуля солнечной батареи (патент Японии JP 2015115439, опубл. 22.06.2015 г.), принятый за аналог, включающий герметизацию множества цепочек элементов солнечной батареи посредством отверждаемой силиконовой пленки, располагаемой между панелью с твердой поверхностью и гибким задним листом. Способ осуществляется поэтапно: наносят отверждаемую силиконовую пленку на одну из поверхностей твердой передней панели и гибкого заднего листа, между которыми размещают цепочки элементов солнечной батареи с формированием ламината, затем выполняют вакуумирование и горячее прессование для герметизации элементов солнечной батареи.
Недостаток способа, применительно к изготовлению модуля высокоэффективных солнечных элементов, заключается в недостаточной адгезии клеевого покрытия на основе отверждаемой силиконовой пленки к химически инертной поверхности Au тыльного контакта Cr/Au/Ag/Au высокоэффективных трехкаскадных фотопреобразователей со структурой GaInP/GaInAs/Ge, в результате при термовакуумной дегазации и распайке коммутирующих выводов возникают скрытые полости и происходит деградация солнечных элементов.
Признаки аналога, общие с предлагаемым способом изготовления модуля солнечных элементов: нанесение силиконового наполнителя на лицевую и тыльную стороны солнечных элементов, приклеивание на силиконовый наполнитель защитной подложки.
Известен модуль солнечных элементов и метод его изготовления, принятый за прототип (ЕР 2234172 А1, опубл. 29.09.2010 г), включающий прозрачную стеклянную панель; солнечные элементы, соединенные между собой с помощью металлических шин; тыльную защитную подложку; силиконовый наполнитель и герметизирующий компаунд, причем модуль изготавливается путем размещения солнечных элементов на стеклянной панели, формирования по периметру солнечной панели слоя герметизирующего компаунда, заливки силиконового наполнителя, компрессии тыльной защитной подложки к слою герметизирующего компаунда с одновременным заполнением внутреннего пространства модуля силиконовым наполнителем и последующим выполнением вакуумной дегазации. В качестве силиконового наполнителя применяют силиконовый герметик, полимеризующийся в гель при комнатной температуре, и имеющий широкий температурный интервал эксплуатации от -70°С до +300°С. В качестве герметизирующего компаунда используют силиконовые смолы со связующим компонентом на основе изобутилена, обладающие хорошей адгезией к стеклянной панели и защитной подложке.
Недостаток прототипа, применительно к изготовлению модуля солнечных элементов из высокоэффективных трехкаскадных элементов GaInP/GaInAs/Ge, выращенных на германиевой подложке с тыльным контактом Cr/Au/Ag/Au, заключается в нарушении герметичности клеевого соединения солнечных элементов с защитной подложкой из-за недостаточной адгезии полимеризованного силиконового наполнителя к химически инертной поверхности слоя золота, при этом в процессе распайки внешних коммутирующих выводов газообразные продукты полимеризации могут вызывать повреждение солнечных элементов.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом изготовления модуля солнечных элементов: нанесение силиконового наполнителя на лицевую и тыльную стороны солнечных элементов, приклеивание на силиконовый наполнитель защитной подложки.
Технический результат, достигаемый предлагаемым способом изготовления модуля солнечных элементов, заключается в увеличении срока эксплуатации, в повышении надежности солнечной батареи и сокращении объема ремонтных работ за счет обеспечения прочности клеевого соединения защитной подложки с тыльной металлизацией солнечных элементов.
Отличительные признаки, обеспечивающие соответствие предлагаемого способа изготовления модуля солнечных элементов критерию «новизна», следующие: перед нанесением силиконового наполнителя на тыльную сторону солнечных элементов наносят капельным распылением слой промоутера адгезии, затем наносят капельным распылением слой силиконового компаунда СИЭЛ на лицевую, тыльную стороны солнечного элемента и на поверхность защитной подложки, выполняют термообработку вышеуказанных слоев силиконового компаунда СИЭЛ, затем наносят силиконовый наполнитель, выполняют наклейку на силиконовый наполнитель защитной стеклянной пластины и защитной подложки, при этом в качестве силиконового наполнителя используют силиконовый компаунд СИЭЛ.
Нанесение слоя промоутера адгезии капельным распылением необходимо для создания адгезионного слоя островковой конфигурации на поверхности химически инертного слоя золота тыльной металлизации солнечных элементов. Слой силиконового компаунда СИЭЛ на лицевой, тыльной сторонах солнечного элемента и на защитной подложке (стеклотекстолитовой плате) в результате термообработки образует прочные адгезионные связи с поверхностями солнечного элемента и защитной подложки. При термообработке осуществляется полимеризация с отверждением структуры, полная дегазация слоя силиконового компаунда СИЭЛ и формируется пленочное покрытие, герметизирующее в последующем внутреннее пространство в модуле солнечных элементов. Далее наносят необходимое количество силиконового наполнителя на стеклянную пластину, на которую укладывается солнечный элемент, а затем и на тыльную сторону солнечного элемента с последующим прижатием защитной подложки. При этом происходит заполнение внутреннего пространства солнечного элемента и приклеивание на силиконовый наполнитель защитной подложки, причем в качестве силиконового наполнителя используют силиконовый компаунд СИЭЛ. В результате, после термической полимеризации силиконового наполнителя, а именно, силиконового компаунда СИЭЛ, обеспечивается прочное адгезионное соединение защитной подложки с тыльной металлизацией солнечного элемента.
Достигается это тем, что в предложенном способе изготовления модуля солнечных элементов, включающем нанесение силиконового наполнителя на лицевую и тыльную стороны солнечных элементов, приклеивание на силиконовый наполнитель защитной подложки, перед нанесением силиконового наполнителя на тыльную сторону солнечных элементов наносят капельным распылением слой промоутера адгезии, затем наносят капельным распылением слой силиконового компаунда СИЭЛ на лицевую, тыльную стороны солнечного элемента и на поверхность защитной подложки, выполняют термообработку вышеуказанных слоев силиконового компаунда СИЭЛ, затем наносят силиконовый наполнитель, выполняют наклейку на силиконовый наполнитель защитной стеклянной пластины и защитной подложки, при этом в качестве силиконового наполнителя используют силиконовый компаунд СИЭЛ.
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа изготовления модуля солнечных элементов иллюстрирован на фиг. 1÷3.
На фиг. 1а,б,в представлены виды: а)- лицевой; б)- тыльной стороны солнечного элемента; б)- поверхности защитной подложки после нанесения силиконового компаунда СИЭЛ. На фиг. 2а,б представлены виды: а)-тыльной; б)- лицевой стороны солнечного элемента после наклейки защитной подложки (стеклотекстолитовой платы) и распайки выводных шин. На фиг. 3 представлен вид фрагмента модуля солнечных элементов на струнном каркасе.
Для конкретного примера применения предлагаемого способа изготовления модуля солнечных элементов используют трехкаскадные фотопреобразователи с эпитаксиальной структурой GaInP/GaInAs/Ge, выращенной на германиевой подложке. Тыльный контакт солнечных элементов выполнен из последовательно напыленных слоев металлизации Cr/Au/Ag/Au.
На тыльную сторону солнечных элементов с контактным слоем металлизации Cr/Au/Ag/Au наносят капельным распылением слой промоутера адгезии Пента П-14 (ТУ 0258-168-40245042-2006). Выполняют термообработку при температуре 170°С, в течение 10 мин. Затем капельным распылением (с последующим равномерным распределением кистью) наносят сплошной слой разбавленного силиконового компаунда СИЭЛ (ТУ 2157-170-00209013-2016) на лицевую, тыльную стороны солнечного элемента и на поверхность защитной подложки (стеклотекстолитовой платы) (см. фиг. 1а,б,в). Для разбавления силиконового компаунда СИЭЛ используют бензин Нефрас в соотношении весовых(г) и обьемных(мл) частей соответственно: 1 г СИЭЛ: 10 мл бензина Нефрас. При распылении указанной смеси происходит испарение бензина и формируемый слой вязкой консистенции состоит преимущественно из силиконового компаунда СИЭЛ. Выполняют термообработку солнечного элемента и защитной подложки при температуре 170°С в течение 60 мин и 30 мин соответственно при этом происходят процессы полимеризации с отверждением структуры и полная дегазация слоя силиконового компаунда СИЭЛ, возникает прочное адгезионное соединение слоя силиконового компаунда СИЭЛ с лицевой, тыльной сторонами солнечного элемента и поверхностью защитной подложки. Использование температур менее 150°С нецелесообразно в связи с недостаточной полимеризацией разбавленного в бензине силиконового компаунда СИЭЛ. Термообработка свыше 180°С нецелесообразна в силу ограниченной термической прочности применяемых материалов. Пленка силиконового компаунда СИЭЛ на лицевой, тыльной сторонах солнечного элемента и на поверхности защитной подложки герметизирует внутреннее пространство в модуле солнечных элементов при последующей наклейке защитной стеклянной пластины и защитной подложки на силиконовый наполнитель, в качестве которого используется силиконовый компаунд СИЭЛ. Герметизация внутреннего пространства в модуле солнечных элементов с лицевой и тыльной сторон позволяет избежать возникновения газовых пузырьков, источником которых может являться защитная подложка, выполненная из пористого стеклотекстолитового материала и рельефная поверхность лицевой металлизации. Далее выполняют наклейку на лицевую и тыльную стороны солнечного элемента соответственно защитной стеклянной пластины и защитной подложки (стеклотекстолитовой платы). При этом на центральную часть стеклянной пластины, а затем и тыльной стороны солнечного элемента, наносят определенное количество силиконового наполнителя, в качестве которого используют силиконовый компаунд СИЭЛ (неразбавленный), и прижимают к тыльной стороне солнечных элементов защитную подложку из радиационно-стойкого фольгированного материала (МИ 1222.8-1-35-02, ТУ2296-005-00213060-96). В процессе растекания силиконового наполнителя происходит заполнение внутреннего пространства между защитной стеклянной пластиной, солнечным элементом и защитной подложкой (стеклотекстолитовой платой). Выполняют термообработку при ~50°С в течение ~40 мин и затем очищают поверхность солнечного элемента от излишков загустевшего силиконового наполнителя компаунда СИЭЛ. Далее располагают солнечный элемент с наклеенными стеклянной защитной пластиной и защитной подложкой лицевой стороной вниз на пьедестале в виде сегмента с цилиндрической поверхностью, формируя плавный прогиб, посредством прижатия к пьедесталу. Затем выполняют термообработку при ступенчатом повышении температуры до 120°С для полного отверждения силиконового наполнителя. Раздельное нанесение силиконового компаунда СИЭЛ в качестве адгезионного слоя с температурной обработкой в диапазоне от 150°С до 180°С, а затем в качестве силиконового наполнителя с температурной обработкой в диапазоне от 100°С до 140°С ( с фиксированным прогибом солнечного элемента ) позволяет достичь максимальной величины адгезионной связи с тыльной стороной солнечного элемента и предотвратить искривление плоскости солнечного элемента, после остывания, из-за различий в коэффициенте температурного расширения с защитной подложкой. Далее припаивают выводные шины солнечного элемента к контактным площадкам защитной подложки (см. фиг. 2а,б). Скрытые полости под площадками пайки и газовые пузырьки в клеевом соединении отсутствуют, что необходимо для надежной работы, увеличения срока эксплуатации солнечной батареи и сокращения обьема ремонтных работ. Последовательно соединенные с помощью выводных шин солнечные элементы образуют фотоэлектрический модуль (см. фиг. 3). Термоотверждаемый силиконовый компаунд СИЭЛ, используемый в качестве силиконового наполнителя, в сравнении с низкомолекулярным каучуком холодного отверждения СКТНФ, обладает более высоким показателем прочности (см. таб. 1), обеспечивает эластичное термостойкое клеевое соединение защитной подложки с тыльной стороной солнечного элемента.
Клеевое соединение солнечного элемента с защитной подложкой работоспособно в интервале температур -196÷+180°С.