CN101560864A - 光伏真空窗户及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光伏真空窗户及其制造方法。本发明的光伏真空窗户包括：光伏模板，其包括作为其一侧的表面的第一玻璃板；第二玻璃板，其面对该第一玻璃板，一空间形成在该第一和第二玻璃板之间；真空封口，其连续地形成于该第一玻璃板和该第二玻璃板之间的所有边缘区域，并使两者沿着边缘彼此连接，从而所述第一和第二玻璃板之间的空间成为密封空间，该密封空间维持真空状态，其中，所述真空封口通过激光玻璃焊接工艺形成，该激光玻璃焊接工艺包括步骤：将激光束聚焦在该第一和第二玻璃板的紧压在一起的所述边缘区域，从而焊接所述边缘区域。本发明获得的光伏真空窗户适合于光伏建筑一体化(BIPV)应用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏建筑构件，具体涉及光伏真空窗户及其制造方法。
背景技术
太阳能光伏发电是获得有利于环境的可再生能源的重要途径之一。由于人们对清洁、安全、可持续并且可靠的能源需求的增加，光伏(PV)***正在迅速扩大它在能源和产业技术开发方面的市场。薄膜太阳能电池代表着光伏技术的发展趋势。基于氢化硅薄膜的太阳能电池(光伏或光电器件)具有低成本，便于大面积制造集成等优点。光伏模块能够替换一些建筑构件，这样就可以部分抵消在建筑物墙面、屋顶和窗户上安装光伏设备的额外费用。光伏建筑一体化(BIPV)还使人们方便地使用可独立于电网的电能。
氢化非晶硅(a-Si)薄膜，以及包括纳米硅的相关的具有各种光能带隙的氢化硅薄膜合金，适合制作各种不同既定厚度的光吸收材料，已成为商业化生产光伏模板(模块)的一个相对成熟的分支。薄膜硅光电器件原材料成本低、覆盖面积大、效益好，尤其是它很容易和像窗口、屋顶、墙面这样的建材相结合，不需要额外土地，适合城市和人口稠密的地区。由于其光学带隙相对宽，非晶硅特别适合制作部分透光的BIPV产品，这种光电产品的透明度是可以由生产过程控制的。比如，在一个具有p-i-n结构的光伏器件中，通过调节薄膜硅i层的厚度，其光透明度可被改变。在这里“i”是指非掺杂的、活性的光吸收层(“本征”层)。这些非晶硅半导体层的作用是把光能转化成电能(光电转换)。另外一种制成部分透明的薄膜硅BIPV模板的方法是，用激光技术把硅薄膜和电极薄膜有选择性地从原本不透明光伏板中移除(激光刻膜，laser scribe)，这样光可以透过被激光处理过的区域。因此，光伏板的透明度就由不再产生光电能量的“开口区域”来决定。半透明或部分透明的建筑物光伏玻璃窗或“天窗”，也可有选择地让光色进入内部，从而增强了建筑物的美学吸引力。
在制作BIPV模块时，玻璃是一种流行的选择，因为玻璃是窗户的主要材料，而且其化学性能稳定、耐用，并且和非晶硅/纳米硅光伏模板的加工程序和应用环境兼容。BIPV必须能够长时间地经受各种气候条件的考验。因此，玻璃制的非晶硅/纳米硅BIPV产品因其具有发电器和建筑模块的双重功效而备受瞩目。在玻璃制非晶硅BIPV器件中，典型的结构包括一个玻璃基板、一个透明导电氧化物(TCO)薄膜制的前电极、多个不同类型的非晶硅薄膜(通常是p-i-n诸层)、另一个透明导电氧化物(如氧化锌)薄膜层，通常还有一个金属膜作为后电极来收集和传输光电流。这些膜层又和另外一层玻璃通过密封粘合剂而组合，使所有的这些薄膜夹在两层玻璃片之间得到保护，从而具有抵抗各种天气自然力侵扰的优良性能。这种产品寿命长，防风雨，具有足够的机械强度。
不管是哪种建筑，用窗户作外层都是最不绝缘(绝热)的。它在冬天导致大量的热量流失，却在夏天让室内获得更多的热量。因此，出于增强能量利用效率、减少能量流失以保护环境的目的，玻璃窗要抑制能量从一面到另一面的传递。最近几年，低辐射玻璃窗越来越受欢迎，这种玻璃窗能够减少内层和外层之间与辐射有关的热传递，可用于建筑物或其它封闭式结构，如汽车等。双层玻璃窗(俗称‘中空玻璃窗’)也越来越流行，这种窗户两层玻璃之间被空气间隙或惰性气体(如氩气)隔开。双层玻璃窗可以增强结构的R值。R值是一个建筑材料和元件的导热能力的计量单位。R值越高，材料的抑制热量交换(热绝缘)能力越强，越能减少能量损失。低辐射玻璃窗通常包含一个框架，该框架把一层低辐射玻璃和另外一层普通玻璃(未经镀膜的)固定起来，两层玻璃之间有一段空气间隙。这种双层玻璃窗的R值可高达20-25，而普通单层的玻璃窗R值约为10。当两片玻璃中的一片为太阳能电池板(光伏模板)的时候，这种双层玻璃结构不仅因其高R值而更隔热(节能)，同时还可以在阳光照射下发电。这种窗户的R值可接近30。
原则上讲，把两层玻璃之间制成(抽成并维持)真空就可以得到R值最高的窗户。因为真空的热传导率最低，产生的热交换最少。我们在另一项发明中，将光伏玻璃窗与真空隔热两个新颖的技术结合起来，可以把玻璃窗的R值进一步增加到45。这种光伏真空玻璃窗在图1中作了阐释，其中窗户的外部是一个光伏模板3，最好是薄膜光伏建筑一体化模板，如基于非晶硅和/或纳米硅的光伏模板等。这是因为薄膜光伏模板在玻璃衬底上沉积得非常均匀，远比由单个电池拼凑起来的晶体硅模板更美观自然。根据需要制作不同透光度的薄膜光伏模板的结构非常简单。光伏模板3包含：一层外玻璃板1；多个沉积或依附在玻璃板1上的光伏电池8，该光伏电池包括半导体光电转换层和导电电极；还有一个背部保护玻璃片11。光伏模板3是部分透明的，如透视型，最好透光度大于5％。光伏玻璃窗本身由经改进的低辐射玻璃制成，因为光伏器件中通常有至少两层透明导体(透明金属氧化物TCO)，并且光伏模板被另一层玻璃11(所谓的玻璃盖板或护板玻璃)用有机粘合密封剂(如EVA)密封起来。这种光伏模板3本身就是一个被双层玻璃封装的光伏元件，其估计R值大于20。这个光伏模板的内壁(保护玻璃片11)和第二层玻璃板21之间是真空密封的，它们之间的距离最好在1-6毫米范围内。两层玻璃之间的间隙57是真空，真空度不低于0.1mbar(0.1毫巴，大气压的万分之一)，最好不低于0.01mbar。真空度越高越好，但其具体数值受工艺和成本的约束。为了使玻璃板承受住非常可观的大气压力(因为窗户内部是真空而不是填充有大气压下的气体)，少量透明的玻璃球55被分布在光伏模板3(内壁11)和第二层玻璃21之间，以提供玻璃板的相互隔离和抗压支持。结构中还用到一个真空密封口44，这个密封口要足够严密而且结实牢固，这样在很长一段时间内(至少几年内)不会出现严重漏气的情况。玻璃边沿的框架33起到对玻璃窗的支撑和保护作用。这种玻璃窗的设计独特之处在于，它是一种非常节能同时还生成能量的结构。新颖的真空隔热光伏建筑一体化(BIPV)玻璃窗的R值可超过50，当然如果当前玻璃之间的真空距离增大的话还能得到更高的R值。如在图1所示的结构上，再加上另外一层玻璃，中间也是用真空隔开的，则其绝热性能会更高，其基本原理相同。然而，这种复杂的玻璃窗的成本将会更高。
建造上述图1所示的真空隔热玻璃窗面临双重挑战。首先，为了防止因为大气压力使两层玻璃变形而相互接触的现象，玻璃之间要均匀地放置少量隐形的小玻璃球(玻璃珠)55，以便提供支撑。这些小玻璃球(玻璃珠)必须非常坚固，导热性低，并且是完全透明的，不影响窗户的观感。此外，最大的障碍是，真正结实可靠的玻璃之间的真空密封口只有在先进的技术和技能条件下通过精细地制作才可能得到。迄今为止，光伏建筑一体化还未被应用于真空密封的双层玻璃窗，首要原因就是真空密封口的制作工艺的难度及成本高不可逾。这个难题也极大地限制了普通(非光伏)真空玻璃窗在节能建筑领域的应用和推广。
一般说来，在玻璃表面上形成真空封口是困难的，特别是在两块玻璃的表面。玻璃可以在火焰中被熔化，或者在火炉中由加入玻璃原料的混合物或玻璃焊接剂而连接。但是玻璃熔化所需的高温会损坏透视型光伏窗中的光伏模板(前玻璃板)。由于必须保护在两个玻璃片中的真空状态，所以局部高温热焊接方法不能应用于真空玻璃窗的制造。玻璃也可以由热膨胀系数适当的金属或陶瓷材料密封，但是仍然需要高温加热过程。此外，制造大面积封口(如为大型真空窗户所需要)非常困难，而且不具备经济效益。这种封口也由于体积过大并不适用于大型平面式(如窗户)的结构。另一种密封玻璃板的方法是使用高级真空胶和玻璃填充剂制成的混合物，将胶在紫外线的照射下逐渐***(固化)。不过该化学密封结构并没有坚固到可以抵抗外部环境的影响，而且它只适用于小型的器件，而不是象窗户这样的大型结构。总的来说，传统的在玻璃表面制造真空封口的方法并不适用于一个大而薄的平面结构，而且造价太高。一个严峻的挑战是找到一种实用且经济的方法在两个玻璃表面中快速制造出牢固的真空封口，而不依赖大面积玻璃的传统加热/熔化。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种将两片玻璃严密连接并使其之间的空间可以长久维持真空状态的真空玻璃窗的制作方法。
本发明的另一个目的是，提供一种同时具有太阳能发电功能和优良绝热性能的玻璃窗。
根据本发明的一个方面，提供一种光伏真空窗户，包括：光伏模板，其包括作为其一侧的表面的第一玻璃板；第二玻璃板，其面对该第一玻璃板，一空间形成在该第一和第二玻璃板之间；真空封口，其连续地形成于该第一玻璃板和该第二玻璃板之间的所有边缘区域，并使两者沿着边缘彼此连接，从而所述第一和第二玻璃板之间的空间成为密封空间，该密封空间维持真空状态，其中，所述真空封口通过激光玻璃焊接工艺形成，该激光玻璃焊接工艺包括步骤：将激光束聚焦在该第一和第二玻璃板的紧压在一起的所述边缘区域，从而焊接所述边缘区域。该光伏模板可以为透视型或半透明型。所述光伏模板可以是单结氢化非晶硅光伏模板或纳米硅光伏模板。
在一实施例中，在该第一和第二玻璃板之间在所述边缘区域设置有带颜色的玻璃原料混合物，其中该玻璃原料混合物可以包括带色玻璃小球。另外，该玻璃原料混合物中可以包含金属氧化物粉末，其中该金属氧化物粉末选自TiO2，SnO2，ZnO。
在一实施例中，该光伏模板包括第三玻璃板，该光伏模板的光伏电池被封装在该第一和第三玻璃板之间。
在一实施例中，该第一和第二玻璃板之间的距离为1-6毫米。
在一实施例中，所述第一和第二玻璃板之间可以分布有多个透明隔离物。所述多个透明隔离物可以为大小相同的玻璃球或塑料球。
在一实施例中，所述密封空间中的气压不高于1毫巴。
在一实施例中，所述激光为脉冲激光。优选地，邻近的激光焊接点有15％-25％的区域重叠。
根据本发明的另一方面，提供一种制造光伏真空窗户的方法，该光伏真空窗户包括：光伏模板，其包括作为其一侧的表面的第一玻璃板；以及第二玻璃板，其面对该第一玻璃板，一空间形成在该第一和第二玻璃板之间，该方法包括：将该第一和第二玻璃板的边缘区域压在一起；将激光束聚焦在该第一和第二玻璃板的压在一起的所述边缘区域以焊接所述边缘区域，从而真空封口连续地形成于该第一玻璃板和该第二玻璃板之间的所有边缘区域，并使两者沿着边缘彼此连接，从而所述第一和第二玻璃板之间的该空间成为密封空间，该密封空间维持真空状态。
在一实施例中，该激光束作一维或二维扫描，所述光伏模板和所述第二玻璃板亦一起相对于该激光束移动。所述光伏模板和所述第二玻璃板可以被放置在一个二维X-Y工作平台上。所述光伏模板和所述第二玻璃板一起移动的速度可以为3-10厘米/秒。
本发明提供的光伏真空窗户可实现严密的真空密封，且可以长久维持其真空状态。本发明的光伏真空窗户在具有太阳能发电功能的同时，具有优良的绝热性能，实现了极高的节能功效。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明，其中：
图1显示了一个部分透明的真空隔热光伏玻璃窗的结构。
图2显示了在两个玻璃板之间制造真空封口的激光焊接设置。
具体实施方式
本发明的一优选实施例公开了一种部分透明的光伏真空窗户的密封方法。该光伏窗可以为一个部分透明的双层光伏窗，其可以包含一个置于外部的薄膜硅光伏模板，一个置于内部的玻璃板，和在它们之间的真空隔离空间。两个玻璃板间的坚固持久的真空封口是由激光玻璃焊接技术，在密封接合处，区域性地瞬间熔化玻璃而制成的。高功率激光束，如输出波长为532纳米可见光的Nd:YAG激光，被聚焦在制造真空封口的区域。激光束具有脉冲模式，脉冲频率为1000-60000赫兹(即1kHz-60kHz)。每一个激光脉冲都产生一个局部的玻璃焊接点。在一个稳定的速度下(如5厘米/秒)，激光束沿着玻璃板的边缘区域做二维移动。可选地，激光束的位置是固定的，而玻璃板在激光束下一起移动(比如说被放置在一个二维X-Y工作平台上)，在玻璃密封区域保持激光的良好聚焦。强大的激光脉冲造成了玻璃表层极小面积的即时且瞬间熔化，随后立即固化。这个‘焊接’效应使得邻近的玻璃表面形成牢固的结合点。玻璃对玻璃的焊接可以直接在玻璃的两个表面上完成。然而，制造透视型光伏真空窗时，由于在两个玻璃板中一些隔离空间的存在，玻璃板必须在它们的边缘被压紧，使其足够紧密而可以进行有效的激光焊接。
根据本发明一优选实施例的一种玻璃焊接方法是在产生封口的两个玻璃片之间使用填充材料。当使用可见光激光时，带颜色的玻璃原料混合物是最佳选择，比如含有带色玻璃小球的材料，具有更强的光吸收能力，从而促进玻璃物质的熔化和再次固化。填充材料也应当含有其它非玻璃的吸光成分，以促使激光的吸收和玻璃的局部熔化。特别是当玻璃原料混合物中包含金属氧化物粉末，如TiO2，SnO2，ZnO等等，对红外激光的吸收可以大大增强。对于玻璃原料混合物来说，这是一个相当好的特性，因为基频Nd:YAG激光的原有输出波长是1064纳米的红外线，其激光输出功率可以非常高，使得红外激光的玻璃焊接过程具有低成本高产量的优势。相比来说，可见光的激光功率相对较弱，要得到并且维持高功率的激光成本较高。玻璃原料混合物的另一个重要功能是使两个玻璃片保持相同的距离。
下面叙述如何在图1所示的光伏真空窗户中，在部分透明的光伏模板3的背部支撑玻璃板(保护玻璃板)11与第二层玻璃21之间，形成一个真空密封结构44。图1中的光伏真空玻璃窗的外部是一个光伏模板3，最好是薄膜光伏建筑一体化模板，如基于非晶硅和/或纳米硅的光伏模板等。光伏模板3包含：一层外玻璃板1；多个沉积或依附在玻璃板1上的光伏电池8，该光伏电池包括半导体光电转换层和导电电极；一个背部保护玻璃板11。光伏模板3是部分透明的，如透视型，最好透光度大于5％。这个光伏模板的内壁(保护玻璃板11)和第二层玻璃板21之间是真空密封的，它们之间的距离最好在1-6毫米范围内。两层玻璃之间的间隙57是真空，优选地真空度不低于1mbar，更优选不低于0.1mbar(0.1毫巴，大气压的万分之一)，最好不低于0.01mbar。真空度越高越好，但其具体数值受工艺和成本的约束。为了使玻璃板承受住非常可观的大气压力，少量透明的玻璃球55被分布在光伏模板3(内壁11)和第二层玻璃21之间，以提供玻璃板的相互隔离和抗压支持。结构中还用到一个真空密封口44，这个密封口要足够严密而且结实牢固，这样在很长一段时间内(至少几年内)不会出现严重漏气的情况。玻璃边沿的框架33起到对玻璃窗的支撑和保护作用。
现在参考图2。首先，玻璃混合物41均匀的沿着玻璃板11和玻璃板21边缘的内表面分布。玻璃混合物41包含可以吸收可见光的带颜色的玻璃珠。整个窗户的结构(除了后来加上的框架)被放置在一个真空室中的X-Y工作平台上。真空室内的气压，包括玻璃板11和21之间的空间57，低于1帕(1par，即0.01mbar)。然后以脉冲模式，提供一个从透明玻璃板21外部进入，并在玻璃混合物41上聚焦的高功率激光束83。这里我们使用倍频的，波长为532纳米的，高功率，固体二极管提供光源的Nd:YAG激光器为例。脉冲频率在1000-60000赫兹(1kHz至60kHz)之间。激光束的平均功率不小于20瓦。当使用固体二极管提供光源的Nd:YAG基频红外激光器时(波长为1064纳米)，激光束的平均输出功率不小于40瓦。高功率辐射允许激光束具有一个较大的光束尺寸，使得每个激光脉冲可以焊接较大的玻璃面积。
被玻璃混合物吸收的强烈辐射造成玻璃混合物的即时且瞬间熔化，及随后的迅速再次固化，使得邻近玻璃表面形成固态结合。所以在激光束聚焦的确切位置，玻璃板11和玻璃板21的表面被玻璃混合物焊接或者是连接到一起。
两个玻璃片间的牢固持久且连续的真空封口，通过将整个玻璃结构在一个稳定速度下，如3-10厘米/秒，连续地相对于激光光束83移动而制成。为了保证牢固的真空封口，激光光束优选相对于玻璃结构作一维或二维的高速扫描移动。也就是说，激光脉冲在垂直和平行的方向上沿着玻璃衬底的边缘移动。连续的激光焊接点有小部分重叠，使得单独的脉冲焊接点前后相连，但这些脉冲焊接点并不完全或大部分重叠。例如，邻近的激光焊接点有15％-25％的区域重叠，这样可以确保激光焊接点可靠连接，而形成一个连续的封口。优选方案是在激光束作高速一维或二维扫描的同时，移动放置有玻璃结构的一维或二维工作台，但必须同时可靠地维持激光光束的精确焦点。最后，在玻璃板11和玻璃板21之间的空间57完全被包括由混合物41形成的真空密封材料封闭。在玻璃片之间的所有边缘的激光焊接完成后，整个窗户可以从真空‘焊接’室中移出。真空粘合剂可以被施加于真空封口的边缘，以提供进一步保护。
虽然已经参照优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不悖离本发明的精神和范围的情况下，可做形式和细节上的各种改变。因此，所公开的发明将仅被当作是示意性的，且仅限于所附权利要求所确定的范围。
Claims (17)
1.一种光伏真空窗户，包括：
光伏模板，其包括作为其一侧的表面的第一玻璃板；
第二玻璃板，其面对该第一玻璃板，一空间形成在该第一和第二玻璃板之间；
真空封口，其连续地形成于该第一玻璃板和该第二玻璃板之间的所有边缘区域，并使两者沿着边缘彼此连接，从而所述第一和第二玻璃板之间的空间成为密封空间，该密封空间维持真空状态，
其中，所述真空封口通过激光玻璃焊接工艺形成，该激光玻璃焊接工艺包括步骤：将激光束聚焦在该第一和第二玻璃板的压在一起的所述边缘区域，从而焊接所述边缘区域。
2.如权利要求1所述的光伏真空窗户，其中，在该第一和第二玻璃板之间在所述边缘区域设置有带颜色的玻璃原料混合物。
3.如权利要求2所述的光伏真空窗户，其中，该玻璃原料混合物中包含金属氧化物粉末。
4.如权利要求3所述的光伏真空窗户，其中，该金属氧化物粉末选自TiO2，SnO2，ZnO。
5.如权利要求1所述的光伏真空窗户，其中，该光伏模板包括第三玻璃板，该光伏模板的光伏电池被封装在该第一和第三玻璃板之间。
6.如权利要求1所述的光伏真空窗户，还包括分布于所述第一和第二玻璃板之间的多个透明隔离物。
7.如权利要求1所述的光伏真空窗户，其中，所述密封空间中的气压不高于1毫巴。
8.如权利要求1所述的光伏真空窗户，其中，所述激光为脉冲激光。
9.一种制造光伏真空窗户的方法，该光伏真空窗户包括：光伏模板，其包括作为其一侧的表面的第一玻璃板；以及第二玻璃板，其面对该第一玻璃板，一空间形成在该第一和第二玻璃板之间，该方法包括：
将该第一和第二玻璃板的边缘区域压在一起；
将激光束聚焦在该第一和第二玻璃板的压在一起的所述边缘区域以焊接所述边缘区域，从而真空封口连续地形成于该第一玻璃板和该第二玻璃板之间的所有边缘区域，并使两者沿着边缘彼此连接，从而所述第一和第二玻璃板之间的该空间成为密封空间，该密封空间维持真空状态。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在该第一和第二玻璃板之间在所述边缘区域设置有带颜色的玻璃原料混合物。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该玻璃原料混合物中包含金属氧化物粉末。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该金属氧化物粉末选自TiO2，SnO2，ZnO。
13.如权利要求9所述的方法，其中，该光伏模板包括第三玻璃板，该光伏模板的光伏电池被封装在该第一和第三玻璃板之间。
14.如权利要求9所述的方法，还包括分布于所述第一和第二玻璃板之间的多个透明隔离物。
15.如权利要求9所述的方法，其中，所述密封空间中的气压不高于1毫巴。
16.如权利要求9所述的方法，其中，所述激光为脉冲激光。
17.如权利要求9所述的方法，其中，该激光束作一维或二维扫描，所述光伏模板和所述第二玻璃板亦一起相对于该激光束移动。
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