CN109196661A - 光伏组件 - Google Patents

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J-B·库斯
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T·欣特曼
J·耶贝斯
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Abstract

公开了一种用于光伏组件的结构化反射器，所述反射器提供了改善的光转换和效率，以及包括所述反射器的光伏组件。在光伏组件中，反射器板(5)设置在电池下方，其中微结构化表面面向电池。微结构化表面包括呈锥体形式的三维反射器，其顶点指向上表面并且其张开度(a)为100‑140°。

Description

光伏组件
本发明涉及一种用于光伏组件的结构化反射器，其提供改善的光转换和效率，并且涉及包括该反射器的光伏组件。
典型的光伏组件或太阳能组件包括通常由2个或更多个PV电池“串”形成的光伏(PV)电池阵列，其中每个串由设置成一排并且使用镀锡扁铜线(也称为电连接器、汇流带或总线)串联电连接的多个PV电池组成。这些电连接器通常通过焊接工艺粘附到PV电池。
PV电池通常设置在透明聚合物层上或包封在该层中，例如如美国专利8581094(Patel等)中一般性描述的那样。在一些实施方案中，PV组件包括位于PV电池的两侧的包封剂。两块玻璃或其他合适的聚合物材料的板通常邻近设置并粘合到包封剂的前面和背面。所述两块板对太阳辐射是透明的，并且分别称为前面层或前覆盖构件，以及背面层或背板。前面层和背板可由相同或不同的材料制成。包封剂是设置在PV电池周围的透光聚合物(与电池光学接触，从而使得其包封PV电池)，并且还粘合至前面层和背板，从而物理地密封电池。该层压结构为电池提供了机械支撑，并且还保护其免受由于环境因素如风、雪和冰造成的损害。
各PV电池相当小，因此电池仅占组件总表面积的一小部分。因此，存在穿过电池之间的距离，或者甚至穿过电池而不被吸收(下文称为“穿过光”)并照射背板的一部分光。已经开发了各种技术来将更多的阳光引导至太阳能电池上，由此提高组件的效率。在美国专利4,235,643(Amick)中描述的一种技术中，将具有多个光反射小平面的光学介质设置在圆形电池的周围和之间。光反射小平面成角度地设置，以便限定多个凹槽，其中由两个相互会聚的小平面形成的顶点处的角度为110-130°，优选为约120°。这些小平面的结果是照射在小平面上的光将以大于临界角的角度反射回透明前覆盖构件，然后再次从覆盖构件的前面发生内部反射，从而照射在太阳能电池上。在美国专利5,994,641(Kardauskas)中，使用具有多个凹槽的柔性反射器装置作为光学介质。柔性反射器装置是具有反射金属如银或铝的涂层的光学反射板材料。反射板的表面与透光聚合物材料包封剂直接接触。两种技术都需要反射器装置与电池精确对准，并且不会有助于利用穿过电池而未被吸收的光。
EP-A-2357673提出了一种结构化的反射器板，其设置在整个组件的电池下方，因此不仅反射穿过电池之间的间隙的光，而且反射穿过电池的“未利用的”光。反射结构具有凹侧面，以避免反射光照射在相对的结构上。
现已发现，面向电池的背板表面的特定微结构化，或者在电池“后面”引入包含特定微结构的反射板，可通过将更大部分的穿过光反射至电池而大大改善该电池的效率，并且由于不需要将电池和背板对准而有助于组件的制造。除了重新引导穿过电池之间的距离(Δ，电池之间的典型间隙)的光，其还可反射穿过PV电池而未被吸收的光，这尤其发生在长波长如IR辐射的情况下，其中与电池的PV材料的相互作用得以减少。本发明的反射器板与透明聚合物层直接光学接触(参见下文详述)，并通过其结构化而用于在该层内的所有方向上引导这种“穿过光”。在由本发明的结构化反射器反射之后重复穿过电池并且在重新穿过的情况下(潜在地在再次于组件的前板表面处全反射之后)，这会提高组件的整体效率。本发明的反射器板进一步简化了制造，因为不需要对结构进行优选定向(无论是就组件内的电池而言，还是就入射光而言)，并且需要很少的制造步骤。例如，制造本发明的PV组件需要最少的材料和层，尽管这些材料和/或层如果引入的话可带来额外的优点。
本发明提供了一种通过使更多的光能够照射太阳能电池而提高太阳能组件的输出的方法。
因此，本发明主要涉及一种包括上表面和下表面的光伏组件，其中光伏电池阵列设置在聚合物层上，其特征在于：反射层平行于电池设置并且位于所述聚合物层下方，所述反射层的面向组件上表面的表面包括呈锥体形式的三维反射器，所述锥体的顶点朝向上表面并且其张开度(锥体顶部的角度a，参见图3，或者如图9b中的角度β所示)为100-140°，优选为110-130°，尤其为约120°(即120°±2°；“扁平锥体”)。反射层通常设置在电池下方，以至少覆盖电池之间的距离Δ(本发明图4-6)。
因此，本发明包括一种太阳能***，其包括：
-多个太阳能电池，其中一些电池由没有太阳能电池的区域彼此间隔(距离Δ)，
-与没有太阳能电池的所述区域交迭的上文所定义的光反射膜，
其中透光聚合物包封光反射膜和太阳能电池。
因此，本发明进一步涉及一种制备光伏组件的方法，所述方法包括将反射器板(5)引入所述组件中，所述反射器板包括呈锥体形式的三维反射器，所述锥体的张开度为100-140°，优选处于电池(3)和背板(7)之间的空间中，锥体的顶点面向电池；本发明的反射器板(5)可代替背板(7)或者为其一部分。本发明方法的进一步细节如对本发明的光伏组件所解释的那样。
详细描述
本文描述的是结构化反射器板、包括这些板的太阳能组件、聚合物包封剂以及制造所述结构化反射器板和太阳能组件的方法。
本发明的一个目的是实施光导结构以捕集照射在组件的非活性区域上的光，由此提高PV组件的效率。通常使用的白色漫反射背板通常仅将一半的光引导至电池上。金属结构可将几乎75％的光引导至电池上，从而提高组件在标准测试条件(STC)下的效率。
在下文中，术语“膜”与板和类似结构同义。
表述“结构化反射器板”或“微结构化反射器板”与反射器板、结构化反射器膜、光反射膜、结构化背板同义。
术语“反射层”或“结构化反射膜”表示结构化反射器板上的引起光反射的表面或材料层(例如金属层)。
术语“上”和“前”表示指向入射光的一侧，术语“下”(low、lower、below)和“背”表示相对侧。
术语“背板”表示光伏组件的下覆盖物。
术语“基层”表示承载反射层的结构化反射器板的下部。
术语“太阳能电池”或“PV电池”表示呈单面或双面电池形式的任何光伏电池，例如单晶电池、多晶电池、带状硅电池、薄膜电池等。
术语“透明”表示基本上没有散射的可见光的透射，通常导致太阳光透射率超过90％，散射小于5％。因此，透明材料通常表示光学品质的材料。
术语“埃”表示10-10米的长度。
术语“太阳能组件”与光伏组件或PV组件同义。
包含本发明光学元件的组件(例如太阳能***或太阳能组件)通常以区分前面和背面的方式安装；因此，术语“内表面”定义了远离前面或背面的层或膜或材料的表面，无论哪个更靠近。
当提及时，如果没有另外说明，则材料的折射率是针对589nm(钠D线)的辐射确定的。
本发明的太阳能组件包括多个电互连的太阳能电池，其具有接收入射和反射光的前面。所述太阳能电池以其中至少两个电池由没有太阳能电池的区域彼此隔开，并且光反射膜与没有太阳能电池的区域交迭的图案排列。
本发明的原理与太阳能组件中的太阳能电池的目前常规列/行设置无关。根据一个实施方案，所述太阳能电池以行和列设置，其中行或列中的至少一个彼此间隔开。
反射器板与包封剂(即聚合物层或电池下方的最下方聚合物层)直接光学接触。其表面反射PV电池敏感的区域中的光，例如通过具有其三维反射器的板的折射率，或者通过该表面上的反射层(与包封剂的折射率相差至少0.3，优选0.5或更多)，或者通过金属(镜子)表面。金属表面可由金属化产生，例如通过气相沉积合适的金属膜如铝、银、铜、锡、镍或该类金属的组合。或者，金属表面可由原始金属板产生，例如用于制造PV组件的背板。为了促进250-1500nm波长的反射，优选使用银、铝或其组合。金属涂层非常薄，为约300-1000埃厚，更优选300-500埃级别。或者，反射可由其他材料提供，例如反射聚合物。
反射器板设置在背板上方或者在其上表面集成在背板中。背板可以是透明的或不透明的，例如玻璃板、涂覆的玻璃板、聚合物板(来自聚合物，例如下文对包封剂提及的那些，或半透明或不透明的聚合物，例如聚烯烃、填充聚合物、含有其他材料如金属膜的聚合物层压板)、金属板、涂覆的金属板。通常，微结构反射膜可位于太阳能电池和太阳能组件的背板之间的任何位置，只要它们与没有太阳能电池的区域交迭即可。
三维反射器可例如在浇铸或压花步骤中在聚合物板或金属板上制备，或在附接或可附接至玻璃板上的聚合物膜上制备。还可能的是成型可辐射或热固化的聚合物(例如在压花步骤中)，其固化在压花步骤期间或之后不久进行。然后如上所述通过金属化施加金属表面。
锥体可具有圆形或椭圆形或多边形基底，并且可具有相同或不同/交替的尺寸。在多边形基底的情况下，金字塔形锥体(或者，在该结构包括两种或更多种锥体的情况下，最大的锥体)优选具有至少6个侧面(即，基底优选为六边形、七边形、八边形等，且优选地不为五边形、正方形或三角形)。在椭圆形基底的情况下，较小的半径通常为主半径的至少30％，优选至少50％；优选地，锥体主要为圆形的(即，具有主要为圆形的基底，其中术语“主要”表示较小半径与较大半径的偏差至多为10％)。在另一优选实施方案中，至少一部分锥体具有六边形基底。在优选实施方案中，锥体从平坦表面突出，从而使得不留下“平坦”区域，即锥体基底可以交迭，其中选择其基底不完全填充表面的结构，或者锥体的基底彼此直接相邻，优选地实现六边形基底的锥体(也称为六边形金字塔)，从而使得反射器板的表面由锥体的侧面构成。尤其重要的结构由其基底为三角形的锥体构成，以及由六边形锥体构成(如图2c示意性地显示)；这些结构兼具高效率和易于通过微机械加工制造模具或反射器本身。锥体的高度通常为10-100微米；圆锥体的典型尺寸在下表1中给出(“锥体顶部的角度表示张开度；“mu”表示微米)。锥体侧面的粗糙度并不重要，因为不需要精确的反射角来实现本发明的改进效果。
表1：典型的锥体尺寸(mu表示微米)
锥体表面的任何程度的粗糙度都可能导致光反射膜上的反射光角度变化；这可能导致不可忽略量的入射辐射损失。因此，凹槽的表面优选为足够平面的，以使光线不会被散射反射。因此，光反射膜优选地适于提供入射光束的基本镜面反射(非漫反射)，其中表面的粗糙度足够小，以使得仅少量入射光遇到其中凹槽的顶角与所需角度偏离超过几度的区域。角度变化的公差取决于所需的角度；例如，对于所需的120°角，反射角优选不应偏离该最佳值超过10°的级别，否则的话，可能损失不可忽略量的入射辐射。
图1显示了根据本发明结构化的反射背板的典型实例(具有倒置侧面的横截面，具有面向PV电池的120°张开度(a)的锥体顶部，锥体高度(h)为25微米，基底直径为87微米；结构化表面由气相沉积铝的薄反射层(R)金属化，厚度例如为0.1-1微米)。相应PV组件的完整横截面在图4中示出，其具有透明的前板(1)，例如玻璃或聚合物覆盖物，PV电池(3)由距离(Δ)隔开并且完全包封在聚合物如EVA中，其包括上层(2)和下层(4)，且本发明的结构化反射器(5)靠近或附接在背板(7)的上表面上。
出于实际和制造的原因，锥体的顶点通常略微呈圆形或扁平(例如，在各锥体的顶部形成相对平坦或仅略微弯曲的表面，或甚至形成不规则的表面，直径通常小于锥体高度(h，如图1或3中所示)的10％，例如小于10微米，尤其是小于5微米，优选为约1微米。
本发明光伏组件的其他变型由图5和图6中给出的横截面示出：图5显示了作为背板(7)的一部分并且紧邻电池之间的间隙(在图4-6中由“Δ”表示)设置的结构化反射器(5)。图6显示了紧邻电池(3)的结构化反射器(5)，其中在背板(7)和反射器板(5)之间设置有其他聚合物材料层(6)；在这种情况下，本发明反射器(5)的微结构在其微结构的凹槽内(即在锥体之间)并且还潜在地在其顶点的顶部上优选包含由薄聚合物材料或聚合物层中或由其覆盖，以确保良好的光学接触(该薄层未在图6中示出)。
透明前板(1)和包封剂(2)的相邻层具有类似或相同的折射率(“折射率匹配”)，正如组件中的后续部件(3)和(4)一样，以避免在两种材料之间的界面处发生光反射。这些部件的典型材料为玻璃，例如普通的冕玻璃或燧石玻璃，以及透明聚合物材料，包括热塑性聚合物(光学品质＝低雾度或散射)或者可通过辐射或热固化的聚合物。许多这些材料的折射率接近1.5，例如为1.45-1.65，通常为1.45-1.60。
前板(1)和太阳能电池(3)之间的包封剂层(2)的厚度dF通常为300-500微米，常常为约400微米。前板102的厚度d102通常为2.5-5mm，通常为约3.2mm。
包埋锥体以及PV电池的聚合物层或包封剂为透明聚合物材料，其通常选自聚碳酸酯，聚酯(例如PET)，乙烯基聚合物如聚乙烯醇或乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)，包括丙烯酸类如聚甲基丙烯酸甲酯等。实例为聚碳酸酯，聚丙烯酸类如PMMA，聚乙烯醇缩丁醛，硅氧烷聚合物，聚酰亚胺，聚苯乙烯，苯乙烯-丙烯腈，聚酰胺，聚醚酰亚胺，聚砜，环烯烃共聚物，尤其是EVA。一些聚合物如PE或PP的光学品质可通过添加澄清剂改善。其可由与本发明的结构化反射板和背板以及PV电池接触的一块材料(包封剂)组成，或者其可包括两个或更多个该材料层。如果存在的话，与电池相邻并且与结构化反射板(顶点)和PV电池(3)之间的主要入射侧相对设置的聚合物层(4)的厚度通常为至多2mm，通常例如为1微米至约2mm，优选其厚度为约0.1-1mm，尤其为0.3-0.5mm。背板和PV电池(3)之间的聚合物层(4)和(6)的总厚度通常为约0.1-2mm，尤其为0.1-0.8mm，这通常取决于为前板(1)和背板(7)选择的材料(在玻璃-玻璃组件的情况下，通常为厚度上限的较高值，通常为至少0.2mm)。
通常，前板带有防反射元件(101)，其可为前板(1，102)的织构化表面，或者其可为施加至所述前板上的防反射涂层。涂层通常为具有折射率匹配性质的透明或半透明的多孔材料，例如包含处于合适粘合剂中的合适介电颗粒如二氧化硅或氧化铝，例如Wicht等公开的材料(Macromolecular Materials and Engineering 295，628(2010))。涂层可由低折射率材料如MgF2或含氟聚合物制成。防反射元件也可由具有低折射率材料和高折射率材料的交替层的多层干涉体系组成。防反射元件也可为具有纳米结构表面的膜，例如具有蛾眼结构的膜(由六边形图案的凸起构成的结构)。
可以包括背板(7，105)以保护太阳能电池的背面。例如，其可为不透明的耐候性树脂膜或多层叠合膜，其可包括插在一对树脂膜之间的金属箔。其也可在朝向太阳能电池的一侧包括额外的反射层。或者，其可为光学透明材料如玻璃或透明聚合物材料，尤其是在包含能够转换从组件背面入射的漫射光的双面电池的组件的情况下。
在尤其有利的实施方案中，层(4)至少在包埋锥体的所述层的部分中包含折射率高于其余包封剂的材料或由其组成。因此，本发明的另一方面涉及具有新结构的光反射膜及其制造方法。与本领域中使用的反射介质不同，本发明的光反射膜包括包埋在不同于包封剂材料的高折射率材料中的本发明反射表面。“包埋”意指锥体被高折射率材料完全覆盖，并且不仅仅是沿着锥体的形状由厚度恒定的层包覆。包埋材料完全填充锥体之间的空间或凹槽，并且在其表面接收基本上平面的入射光。
本发明的另一方面涉及包含该新型光反射膜的太阳能***。本发明的光反射膜可集成至太阳能聚光器、太阳能组件等中，并且更一般地，集成至需要有效光聚集的任何太阳能***中。
下文就所述光反射膜在太阳能组件中的用途而言详细说明了本发明。本发明的膜通常覆盖组件的没有太阳能电池的区域。本发明的膜可装配在太阳能电池之间的间隙中，或者设置在面向间隙的更靠近前面层或更靠近背面层的区域中。在该组件中，本发明的光反射膜设置在没有太阳能电池的区域中，或者优选地以层组件的形式作为背板或者作为背板的一部分设置在电池下方且与主要入射光的一侧相对。
与先前描述的其他反射膜相比，将光反射膜的锥体包埋在高折射率层中具有各种优点。
图7显示了图5所示的PV组件的横截面，然而包含包埋反射锥体(100)的额外高折射率层。
该额外层的效果在图8中示出(图5所示的横截面，前板和电池未示出，包封剂(103)具有折射率n103＝1.52)；随着包埋层的n指数(n106)增加，光在膜(100)上以逐渐减小的角度α反射。该较小角度α的一个优点是太阳能电池(104)的边缘与反射光照射太阳能电池的区域之间的距离D增加。已知太阳能电池在靠近其边缘的区域中通常具有较低的转换效率，特别有利的是使光反射膜的结构适于促进光反射至远离电池边缘的区域中。
当将膜包埋在具有高折射率(HRI)的光学透明材料中时，获得了该效果。由该较浅角度α产生的另一个优点是透射通过与前板(102)相关联的防反射结构的光较少，或者换言之，光损失较少：实际上，现有技术的太阳能组件具有覆盖前面层的外表面的防反射结构。该防反射结构允许最大程度地利用太阳光，但是如果角度α太陡，则具有光透射通过前面层而不是反射(TIR)的效果。为了促进前面层上的全内反射，角度α必须足够小。因此，将膜的微结构包埋在高折射率层中也是特别有利的。
包括包埋式HRI层(106)的光反射膜(100)的结构在图9b所示的横截面中示意性地表示。对于该实施方案示出了将膜设置在两个太阳能电池之间的间隙中(图9a)，但是对于任何配置，该结构是类似的。在基层(108)中形成的具有顶角β的锥体被反射层(107)覆盖，如图中所示。
用于包埋本发明微结构的层由透光材料(106)构成，其显示出折射率高于其余包封剂(103)的折射率，这通常(即对于如上所述的聚合物，或折射率匹配玻璃(102))为约1.5(即，例如1.45-1.55)。该材料(106)具有如下折射率：其应该高，但通常不过高，以避免包埋材料(106)内部或材料(106)与光路交叉的其他材料如包封剂(103)之间的界面处的全内反射。因此，包埋材料(106)的n指数(n106)应为1.5-2.1，优选为1.6-1.9或1.7-2.0。当光反射膜集成在太阳能组件中时，包封剂103的折射率(n103)选择为低于包埋材料106的折射率(n106)。通过选择折射率之间的比例，可以实现较浅的光反射角度，这增加了反射到太阳能电池上的距离D，并且减少了通过与太阳能组件的透明前板相关联的防反射结构的光损失。n106必须高于n103，但低于或等于n103/sin(β/2)，即n103<n106≤n103/sin(β/2)，其中β为锥体的顶角。最优选地，n106接近或等于上限n103/sin(β/2)。表2列出了基于公式n106＝n103/sin(β/2)的包封剂材料的不同角度β和折射率n103的n106的最佳值。例如，对于β＝120°和n103＝1.5，折射率n106的最佳值为1.73。因此，两个指数之间的最佳差值为0.23。
表2
从表2可清楚地看出，n103和n106之间的最佳差值为0.15-0.4，优选为0.20-0.35。
光学透明的高折射率材料(106)可为含有硫、氮和/或芳族基团的有机聚合物。该类聚合物材料例如公开在Higashihara和Ueda的文献(Macromolecules 2015，48，1915)中。材料(106)也可为选自金属硫族元素化合物和金属氮化物的无机材料，优选金属Al、In、Ga、Si、Sn、Ce、Hf、Nb、Ta、Zn、Ti、Zr的硫族元素化合物和氮化物；和/或二元碱性硫族元素化合物和二元氮化物，优选上述金属的二元碱性硫族元素化合物和二元氮化物，尤其为氧化物、氮化物、硫化物。典型的材料包括钛和/或锆的氧化物和醇盐，例如二氧化钛(锐钛矿)和二氧化锆，硫化锌，氧化铟，氧化钨如三氧化钨，氧化锌，Ta2O5、LiTaO3、SnN、Si3N4、Nb2O5、LiNbO3、CeO2、HfO2、AlN。
材料(106)也可为由含无机材料纳米颗粒的有机聚合物组成的杂化材料，以获得光学品质的纳米复合材料(术语“光学品质”通常需要不存在吸收剂且不存在会引起光散射的颗粒；这可通过例如将纳米颗粒的尺寸[例如通过可调电阻脉冲感测确定的直径]保持为低于50nm，优选低于20nm，尤其是低于10nm来实现)。优选地，包含在该杂化材料中的纳米颗粒由如上所列的无机材料构成。有机聚合物可如上所述，或者如上文对包封剂所列的其他有机聚合物。最后，材料(106)可为由用无机高折射率材料改性的有机聚合物组成的杂化材料，例如Zr(O)或Ti(O)改性的聚乙烯醇(杂化聚合物)。该类聚合物材料例如由Lü和Yang公开(J.Mater.Chem.，2009，19，2884)公开。
HRI层(106)必须完全填充织构化表面并覆盖锥体的顶点。优选地，层(106)在填充的织构化表面上进一步延伸1-70μm，优选10-50μm的厚度d106。与锥体之间的凹槽的深度dv相比，层(106)可在填充的凹槽上进一步延伸等于或小于凹槽深度dv的厚度d106。
面向前面的层(106)的表面通常必须是光滑的并且基本上平行于前板的表面。
防止在HRI层(106)和包封剂(103)之间的界面处发生内反射的另一种方法是准备折射率从n106的高值到n103的水平的逐渐过渡。这可例如通过用其他包封剂(103)层覆盖呈未固化状态(即湿润的，例如直接在涂覆工艺之后)的层(106)来实现，例如通过首先在结构化表面上涂覆折射率为1.75的Ti(O)改性的聚乙烯醇以获得与锥体壁和锥体之间的间隙完全光学接触的湿润层(106)，然后进行第二涂覆步骤，使未改性的聚乙烯醇(即层103)与湿润的第一层(106)接触，从而允许通过扩散形成梯度。
光反射膜的制造
本发明的另一方面为光反射膜的制造。
根据本发明的一个实施方案，光反射膜包括基层108，并且在第一步骤中，制备具有织构化表面的基层108。
其可通过各种方法制备成为单一结构或由基材和涂层构成的结构。
一种方法可为压印方法，并且优选为辊至辊压印方法。
在优选实施方案中，通过UV压印方法将其制备成单一结构。在另一实施方案中，涂覆的基材由可辐射固化的(甲基)丙烯酸酯材料制备，并且将模制的(甲基)丙烯酸酯材料通过暴露于光化辐射而固化。例如，可将可固化的聚合物材料涂覆在基材膜(105或7)上，并且在微结构化的模制工具上压制且使其固化(例如通过UV辐照)，从而在基材膜上形成结构化表面(108)。在移除模制工具后，形成包括基材膜和结构化涂层的基层。压印表面上的结构与工具表面上的结构相反，也就是说工具表面上的突起将在压印表面上形成凹陷，并且工具表面上的凹陷将在压印表面上形成突起。
具有织构化表面的基层可替代地通过压花制备。在该方法中，在施加压力和/或热量下使具有可压花表面的平膜与结构化工具接触以形成压花表面。整个平膜可包括可压花材料，或者平膜可仅具有可压花表面。可压花表面可包括与平膜材料不同的材料层，也就是说，平膜可在其表面处具有可压花材料的涂层。压花表面上的结构与工具表面上的结构相反，也就是说工具表面上的突起将在压花表面上形成凹陷，并且工具表面上的凹陷将在压花表面上形成突起。
本领域技术人员已知用于生成微结构化模制工具的宽范围方法。这些方法的实例包括但不限于光刻、蚀刻、放电加工、离子研磨、微机械加工和电铸。微结构化模制工具还可通过用可模制材料复制各种微结构化表面(包括不规则形状和图案)来制备，所述可模制材料例如为选自可交联液体硅橡胶、可辐射固化聚氨酯等的那些；或者通过电铸复制各种微结构来生成阴或阳复制品中间体或最终压花工具模具。具有随机和不规则形状和图案的微结构化模具还可通过化学蚀刻、喷砂、喷丸或在可模制材料中沉降离散的结构化颗粒来产生。此外，可根据美国专利5,122,902(Benson)中教导的程序来改变或修改任何微结构化模制工具。所述工具可由宽范围的材料制备，包括金属，例如镍、铜、钢或金属合金，或聚合物材料。
在该制造的第二步骤中，用反射层(107)涂覆具有织构化表面的基层(108)。对于反射层，可使用任何合适的反射材料，例如如上文已述的反射金属涂层。反射金属层通常使用公知的程序通过气相沉积涂覆。
在任选的第三步骤中，随后可用高折射率层(106)涂覆具有涂覆有反射层(107)的织构化表面的基层(108)。优选地，所述涂层通过基于溶液的涂覆方法施加。如上文已进一步解释的那样，可进一步用折射率为约1.5(例如1.45-1.55)的层涂覆高折射率层(106)，以产生折射率梯度。
然后，可将所得产品切割成合适尺寸的条带以与不含太阳能电池的区域交迭。优选地，条带具有与太阳能电池之间的区域相同的尺寸和形状。当安装在电池之间的空间中时(如图9a所示)，电池之间的光反射膜(100)的长度WG与透光材料(103，102)的层厚(dF+d102)之间的比率小于8。
根据本发明的另一实施方案，将由此获得的光反射膜附接在PV组件的整个背面或大部分完整的背面，因此与电池交迭。
太阳能组件
本发明的另一方面为制备太阳能组件的方法。所述方法包括提供设置在支撑基材上并通过汇流带连接的多个太阳能电池，提供如上所述的光反射膜的条带，将膜的条带附接至太阳能电池之间的区域并且任选地附接至电池区域外的太阳能组件边界处。如上所述，反射膜的条带可不直接放置在太阳能电池之间的间隙中，而是更靠近太阳能电池的前板或背板。在该后一种情况下，反射膜的条带可在太阳能组件组装之前层压至前板或背板上。在另一种方法中，将本发明的光反射板与电池交迭，或者覆盖组件的背面，由此不仅提供穿过电池之间区域的光的反射，而且提供穿过电池的“未利用的”光。
在本发明的太阳能组件中，光伏电池(3，104)优选为硅电池，例如单晶电池或多晶电池，或者可为基于PV电池中使用的任何其他半导体材料的电池。电池(3，104)可为单面或双面电池。在本发明中特别重要的是双面电池，尤其是与设置在大多数电池，或者理想地所有电池的下方的本发明反射器(5，100)组合，由此用于将穿过的光反射回电池。
电池可为矩形或圆形的，其最长的直径通常为5-20cm，最小直径通常为4-12cm。PV电池的厚度通常为0.1-1mm，通常为约200-400微米。PV电池通常由其他聚合物材料层(2)覆盖，例如EVA或聚乙烯醇；聚合物材料如EVA或聚乙烯醇通常也会填充电池之间的距离Δ。
本发明的太阳能组件包括多个电互连的太阳能电池，其具有接收入射光的前面，同时前面和背面都可以接收反射光。所述太阳能电池以如下图案排列：其中至少两个电池由没有太阳能电池的区域彼此间隔。本发明的原理不依赖太阳能组件中的太阳能电池的目前常规的列/行设置，并且适用于太阳能组件中的电池的任何布局。太阳能电池(3)通常包封在光学透明聚合物(包封剂)内，所述包封剂填充前板和背板之间的空间。组件中太阳能电池之间的距离Δ常常为1-10mm，通常为2-5mm。包括保护板、包封剂、PV电池、布线和背板的太阳能组件的总厚度通常为1-20mm，尤其为2-8mm。
用作所设想的背板反射器的金属结构为呈六边形周期性重复结构的具有六边形基底区域的金字塔，如图1、2和3所示(顶角120°，高度h为25微米；预结构化体上具有50nm金属涂层，且在聚碳酸酯板S上具有固化的丙烯酸类涂层)。使用电功率输出为290W、电池间隙为4mm且具有白色背板的高效组件中的单或双面钝化发射极和后太阳能电池作为参比。
实际场照射条件在入射角和光谱分布方面与STC不同。因此，由于结构化背板，使用年平均光源来获得更加真实的改进预测。该光源发出年平均日光分布，其通过划分为5°方位角和5°纬度的立体角间隔来模拟天体半球。这些间隔中的每一个都包含其自身的光谱分布和强度。为了进行对比，将总强度标准化为1000W/m2以与AM1.5辐照度的强度相匹配。
所有组件都被视为朝南，倾角为35°，除黑色背板之外，每种情况下的反射率均设定为100％，黑色背板设定为零。结果汇编在表3中；表3列出了背板变更产生的短路电流密度(Jsc)增益。结果表明，与具有白色背板作为参比的组件相比，具有结构化背板的单面和双面电池产生了明显的增益。
表3：在实际照射下具有Al和Ag反射器的各种结构化背板的Jsc。模拟的不确定度为±0.05mA/cm2(±0.2％)。增益相对于白色背板计算。
附图简介：
图1：背板上的结构化反射器的实例(PV组件的横截面，反面朝上，电池未示出；a表示张开度角，h表示锥体高度，R表示反射铝层，S表示背板；mu表示微米)。
图2a显示了结构化反射器的顶视图(六边形设置，锥体覆盖完全金属化的整个表面；一些锥体的轮廓突出显示)。
图2b显示了结构化反射器的透视侧视图(六边形设置，锥体覆盖完全金属化的整个表面)。
图2c显示了本发明反射器的示意性顶视图，其构造为具有六边形基底(H)和三角形基底(T)的锥体，其结构或该结构的模具可有利地通过微机械加工获得。
图3：呈六边形设置的单锥体；如上所定义的锥体基底的张开度角(a)、高度(h)和直径(d)。
图4：根据优选实施方案的光伏组件(横截面)，其包括位于电池(3)下方的本发明结构化反射器(5)，以及中间层(4)；任选的背板(7)可如图4所示与反射器(5)直接附接，或者由额外层隔开，或者可省略。
图5显示了作为背板(7)的一部分并且紧邻电池之间的间隙(在图4-6中用“Δ”表示)设置的结构化反射器(5)。
图6显示了根据优选实施方案的靠近电池(3)的结构化反射器(5)，其中在背板(7)和反射板(5)之间设置有其他聚合物材料层(6)。
图7显示了图5所示的PV组件的横截面，然而包含包埋反射锥体(100)的额外高折射率层。
图8显示了入射光的路径，其被本发明的反射微结构以角度α反射，其中α取决于包埋所述结构的材料的折射率(n106)。
图9a显示了一个实施方案，其中光反射微结构化膜设置在两个太阳能电池之间的间隙中(图9a)。
图9b显示了光反射膜(100)的横截面，其包括覆盖锥体的额外包埋HRI层(106)。
缩略语
EVA 聚(乙烯-醋酸乙烯酯)
PV 光伏
AM1.5 空气质量1.5辐照度条件
HRI 高折射率(即通常
Jsc (PV组件的)短路电流密度
TIR 全内反射
数字
(1)，(102) PV组件的透明前板(也称为前板)
(101) 防反射元件
(103) 透光材料/包封剂
(2) 包封剂(PV电池上方的包封剂层)
(3)，(104) PV电池
(4) 包封剂(PV电池下方的层)
(5)，(100) 本发明的结构化反射器(也称为反射膜)
(6) 结构化反射器下方的任选包封剂层
(7)，(105) 任选的背板
(106) 光反射膜的任选HRI层(包埋材料)
(107) 光反射膜内的反射层
(108) 光反射膜的基层
(109) 光学元件之间的界面层

Claims (14)

1.光伏组件，其包括上表面和下表面，其中光伏电池(3)的阵列设置在一个或多个透明聚合物层上，其特征在于：微结构化反射器板(5)设置在电池的至少一部分下方且设置在所述聚合物层下方和/或结合在所述聚合物层中，所述微结构化反射器板(5)的面向组件上表面的表面包括呈锥体形式的三维反射器，所述锥体的顶点指向上表面并且其张开度(a)为100-140°。
2.根据权利要求1所述的光伏组件，其中组件的上表面为由玻璃或透明聚合物制成的前板(1)的上表面，并且组件的下表面为由玻璃、塑料或金属制成的背板(7)的下表面，或所述材料被聚合物涂层覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的光伏组件，其中锥体在所述反射器板上沿垂直于组件下表面的方向延伸10-100微米的高度(h)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光伏组件，其中反射器板(5)的面向上表面的表面包括反射金属层，或者反射器板包括金属膜或板或由金属膜或板组成，其中金属优选选自铝和银。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光伏组件，其中在电池(3)和反射器板(5)的顶点之间设置有厚度为1μm至2mm的透明聚合物层(4)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光伏组件，其中锥体的侧面占据反射器板(5)的整个表面。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光伏组件，其中反射器板(5)附接或集成至组件的背板(7)中，或者结合在电池(3)和背板(7)之间的一个或多个聚合物层中。
8.根据权利要求2-6中任一项所述的光伏组件，其中电池(3)与背板(7)之间的聚合物层(4)或(6)的总厚度，或聚合物层(4)和(6)的总厚度为100-800微米。
9.用于集成到光伏组件中的反射器板，其特征在于：反射器板的表面包括呈锥体形式的三维反射器，优选由其构成，所述锥体的顶点具有10-100微米的高度，且其张开度为100-140°，尤其为110-130°。
10.根据权利要求2-8中任一项所述的光伏组件，其包括微结构化反射器板(5)或根据权利要求9所述的反射器板，其特征在于：三维反射器包埋在覆盖织构化反射表面(107)的透光层(106)中，所述层(106)的折射率n106高于相邻透光聚合物层(103)的折射率n103，从而使得n106与n103之间的差值为0.15-0.4，优选为0.18-0.35，尤其为0.21-0.35。
11.光伏组件，其包括微结构化反射器板(5)或根据权利要求10所述的反射器板，其中覆盖织构化反射表面(107)的透光层(106)具有1.6-2.1，优选1.7-1.9的折射率n106。
12.光伏组件，其包括微结构化反射器板(5)或根据权利要求10或11所述的反射器板，其中透光层(106)填充织构反射表面(107)并且具有与织构反射表面(107)相对的且基本上平面或实现到相邻包封剂(103)的折射率梯度的表面，并且其中所述层(106)在结构化表面的顶点上延伸1-70微米，优选10-50微米的厚度(d106)。
13.制备光伏组件的方法，所述方法包括将根据权利要求9-12中任一项的反射器板结合至所述组件中。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法包括将反射器板结合至电池(3)和背板(7)之间的空间中，其中锥体的顶点面向电池。
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