CN109638108B - 平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法 - Google Patents

平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空航天器能源***技术领域，尤其涉及一种平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法。本发明将翘曲的柔性薄膜太阳电池按照布片设计平整粘贴于热剥离膜上，并进行电池单片间的串并联焊接，焊接完毕后在电池表面依次覆盖透明热熔胶膜、上表面封装膜，进入层压机进行层压；层压完毕后，将半封装的电池组件取出，移除热剥离膜，将组件正面朝下放置，在电池底面上依次覆盖热熔胶膜、下表面封装膜，进入层压机进行层压，层压完毕后取出即完成柔性薄膜太阳电池组件封装。本发明在柔性薄膜太阳电池组件制备的整个流程中，彻底消除了由太阳电池翘曲带来了种种问题。

Description

平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法
技术领域
本发明属于航空航天器能源***技术领域，尤其涉及一种适用于平流层飞行器的针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法。
背景技术
目前，长航时平流层飞行器替代低轨卫星已成为国内外的研究热点。太阳电池组件作为平流层飞行器的主要能量来源，是决定飞行器不间断工作时长的关键。目前应用于平流层飞行器的太阳电池主要为柔性薄膜太阳电池和半刚性太阳电池，柔性薄膜太阳电池包括薄膜砷化镓、非晶硅和铜铟镓硒，半刚性太阳电池主要薄型晶体硅太阳电池。柔性薄膜太阳电池相比半刚性太阳电池，具有重量轻、厚度薄、与飞行器表面贴合效果好等优点，薄膜砷化镓太阳电池还具有比薄型晶体硅更高的光电转换效率，因此更适用于长航时平流层飞行器。
伴随薄膜太阳电池轻薄优点存在的，是薄膜砷化镓太阳电池单体不同程度的翘曲的问题。这是由于电池单体是由多层不同材料复合而成，内部应力不均造成的，无法完全避免。这使太阳电池组件从单片定位、焊接、转移、层压工艺过程中存在电池片对位不准、焊点脱落、电池移位等风险。目前，针对该问题的解决方案主要有三种：方法一是在电池背面镀金属，平衡电池内部应力；方法二是在电池背面粘附支撑衬底，使电池平展，最终将支撑衬底一并封装在组件内部；方法三是通过吸附平台将电池吸平并固定。但是，方法一不能完全消除电池翘曲问题，且电池批次不同，需镀金属厚度不同，较难实现；方法二会增加薄膜太阳电池组件的重量和厚度，且支撑衬底与电池背面极易残留气泡，不利于平流层飞行器应用；方法三在层压阶段吸附平台不能进入层压机，撤离吸附平台后电池串扭转，易在层压时发生电池片移位、重叠等情况，导致组件短路。
因此，研制一种既可以使电池平展固定，又可以不增加组件质量或厚度，同时可以提高翘曲柔性太阳电池片组件封装效率的封装方法，显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种适用于平流层飞行器的针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法，本发明通过对热剥离膜特性的巧妙运用，采用该方法既可以使电池平展固定，又可以不增加组件质量或厚度，且可以在层压中保证电池串不移位或重叠，可以大幅提高翘曲柔性太阳电池片组件封装的效率及质量，促进柔性太阳电池片在平流层飞行器上的工程应用。
为了实现上述目的，本发明提供的适用于平流层飞行器的针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法，具体包括以下步骤。
步骤1.布片设计：根据用户需要的电学性能参数，对组件进行布片和串并联设计，设计内容包括组件尺寸、电池单体间距、串并联形式及数量等，形成图纸。
步骤2.裁切热剥离膜：根据设计好的组件尺寸裁切热剥离膜，热剥离膜面积须比组件面积稍大。
步骤3.电池布片：将步骤1中的设计图纸图形印刷于热剥离膜无胶的一面，去除热剥离膜表面的离型膜，将电池单体对照印刷图形进行粘贴。
步骤4.电池焊接：根据设计图纸，将电池单体采用互连片焊接。
步骤5.裁切封装材料：据设计好的组件尺寸裁切热熔胶膜、上表面封装膜及下表面封装膜，封装材料面积须比热剥离膜面积稍大。
步骤6.第一次热层压：将完成步骤4的电池模块放置在层压机准备平台上，并将裁切好封装材料按照透明热熔胶膜、上表面封装膜的顺序依次叠放在模块上，并完全覆盖电池区域；开启层压机，将组件放置到层压机中进行热层压；层压温度为110-135℃，层压时间为15-20min。
步骤7.去除热剥离膜：将完成步骤6的电池组件从层压机中取出，此时热剥离膜已失去黏性，去除背面粘附的热剥离膜。
步骤8.第二次热层压：将裁切好封装材料按照下表面封装膜、热熔胶膜、完成步骤7的电池组件的顺序依次叠放在层压机准备平台上；开启层压机，将组件放置到层压机中进行热层压；层压温度为110-135℃，层压时间为15-20min。
步骤9.切边：将完成步骤8的电池组件从层压机中取出，裁取边缘多余的胶、膜。
所述热剥离膜又称热解膜，具有冷黏热不黏的特性，在常温下具有黏性，加热后黏性丧失。所述热剥离膜由基材薄膜和粘着层组成，所述基材薄膜为聚碳聚酯(PC)、聚乙烯(PE)、PET、定向拉伸聚丙烯(OPP)或芳族聚酯，粘着层贴浮于基材薄膜的一侧，通常由含有烷氧基硅烷的聚合物或丙烯酸聚合物构成，粘着层中均匀分布有若干个热膨胀微球，此热膨胀微球的的直径为3～18μm。
采用上述封装方法得到的太阳电池组件结构由上到下依次为上表面封装膜(如乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜、透明聚酰亚胺薄膜、柔性透明玻璃等)、透明热熔胶膜(如聚烯烃薄膜、聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物薄膜、有机硅薄膜等)、柔性薄膜太阳电池(非晶硅、砷化镓、铜铟镓锡等材料的太阳电池)、热熔胶膜(如聚烯烃薄膜、聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物薄膜、有机硅薄膜等)、下表面封装膜(如聚酰亚胺薄膜、耐高温聚酯薄膜等)。
本发明提供的封装方法还适用于只有上表面封装膜、透明热熔胶膜、柔性薄膜太阳电池的半封装组件结构或只有柔性薄膜太阳电池、热熔胶膜、下表面封装膜的半封装组件结构；同时也适用于将热熔胶膜替换为液态封装胶的组件产品。
本发明的显著技术效果：本发明提供的针对翘曲柔性太阳电池片的组件研制方法的主要技术措施如下，将翘曲的柔性薄膜太阳电池按照布片设计平整粘贴于热剥离膜上，并进行电池单片间的串并联焊接，焊接完毕后在电池表面依次覆盖透明热熔胶膜、上表面封装膜，进入层压机进行层压；层压完毕后，将半封装的电池组件取出，移除热剥离膜，将组件正面朝下放置，在电池底面上依次覆盖热熔胶膜、下表面封装膜，进入层压机进行层压，层压完毕后取出即完成柔性薄膜太阳电池组件封装。本发明采用热剥离膜作为柔性翘曲太阳电池片的临时衬底，用以互联焊接等操作步骤时为单体电池提供支撑，使其平整、不移位；在柔性薄膜太阳电池组件制备的整个流程中，薄膜太阳电池都得到了有效的支撑和固定，彻底消除了由太阳电池翘曲带来了种种问题，同时没有给组件结构增加任何重量和厚度，保持了组件的柔软特性及高重量功率比的产品特点，有利于提高组件在平流层飞行器上的工作特性。
附图说明
图1为采用本发明封装方法得到的柔性薄膜太阳电池组件结构示意图。
图2为柔性薄膜电池组件布片设计图。
图3为第一次热层压前太阳电池组件的结构状态示意图。
其中1.上表面封装膜，2.透明热熔胶膜，3.柔性薄膜太阳电池，4.白色热熔胶膜，5.下表面封装膜，6.热剥离膜。
具体实施方式
为进一步阐述发明的内容、特点及用途，结合图1、图2列举一下实施例，详细说明如下。
实施例1。
图1为一种典型的平流层飞行器用柔性薄膜太阳电池组件封装结构示意图，从上到下依次是上表面封装膜1、透明热熔胶膜2、柔性薄膜太阳电池3、白色热熔胶膜4和下表面封装膜5。
本实例中上表面封装膜1采用乙烯-四氟乙烯共聚物(简称ETFE)薄膜，其具备较好的耐候性及光学透过率，本实例中采用厚度为25μm平均光学透过率为92％的ETFE薄膜，同时在与聚烯烃胶膜粘接的一面作电晕处理，使其具备较高的表面活性能，提高与聚烯烃胶膜的粘接力。
本实例中透明热熔胶膜2采用50μm厚的透明聚烯烃(简称POE)胶膜，固化后平均光学透过率为90％。
图1为一种典型的平流层飞行器用柔性薄膜太阳电池组件封装结构示意图，从上到下依次是25μm厚的乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜1、50μm厚的聚烯烃胶膜2、柔性薄膜砷化镓太阳电池3、50μm厚的白色聚烯烃胶膜4和50μm厚的聚酰亚胺薄膜。
根据用户需要的电学性能参数，对组件进行布片和串并联设计，设计内容包括组件尺寸、电池单体间距、串并联形式及数量等，形成图纸。图2为一种常见的柔性薄膜电池组件布片设计图。本实施例中该设计图边框尺寸为55cm×42cm，裁切尺寸为55cm×42cm的热剥离膜一张，剥离温度为120℃，热剥离膜由聚乙烯基材和丙烯酸胶层组成。
将图2设计图纸图形印刷于热剥离膜无胶的一面，去除热剥离膜表面的离型膜，将转换效率为30％的薄膜砷化镓太阳电池单体对照印刷图形进行粘贴。粘贴完毕后将电池单体采用互连片进行焊接。
裁切尺寸为60cm×47cm的透明POE胶膜、ETFE薄膜各一张，依次以透明POE胶膜、ETFE薄膜的顺序叠放在完成上述步骤的电池组件上面，如图3所示，保证透明POE胶膜、ETFE薄膜边缘对齐，并将电池区域完全覆盖。
开启层压机，将组件放置到层压机中进行热层压，层压温度为135℃，层压时间为20min。
完成层压后将电池组件从层压机中取出，此时热剥离膜已失去黏性，将电池组件翻转，使其正面朝下，去除背面粘附的热剥离膜。
裁切尺寸为60cm×47cm的白色POE胶膜、聚酰亚胺薄膜各一张，保持组件正面朝下，依次以白色POE胶膜、聚酰亚胺薄膜的顺序叠放在电池组件上面，保证白色POE胶膜、聚酰亚胺薄膜边缘对齐，并将电池区域完全覆盖。
将组件放置到层压机中进行热层压，层压温度为135℃，层压时间为20min。
将完成层压的电池组件从层压机中取出，按55cm×42cm的尺寸裁取边缘多余的胶、膜。
本实施例制备的电池组件厚度薄、重量轻、柔性好、重量比功率高、耐候性好，非常适用于平流层飞行器的能源***，以实现飞行器长航时不间断工作的目标。

Claims (4)

1.一种平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1.布片设计：根据用户需要的电学性能参数，对组件进行布片和串并联设计，设计内容包括组件尺寸、电池单体间距、串并联形式及数量，形成图纸；
步骤2.裁切热剥离膜：根据设计好的组件尺寸裁切热剥离膜，热剥离膜面积须比组件面积大；
步骤3.电池布片：将步骤1中的设计图纸图形印刷于热剥离膜无胶的一面，去除热剥离膜表面的离型膜，将电池单体对照印刷图形进行粘贴；
步骤4.电池焊接：根据设计图纸，将电池单体采用互连片焊接；
步骤5.裁切封装材料：据设计好的组件尺寸裁切热熔胶膜、上表面封装膜及下表面封装膜，封装材料面积须比热剥离膜面积稍大；
步骤6.第一次热层压：将完成步骤4的电池模块放置在层压机准备平台上，并将裁切好封装材料按照透明热熔胶膜、上表面封装膜的顺序依次叠放在模块上，并完全覆盖电池区域；开启层压机，将组件放置到层压机中进行热层压；层压温度为110-135℃，层压时间为15-20min；
步骤7.去除热剥离膜：将完成步骤6的电池组件从层压机中取出，此时热剥离膜已失去黏性，去除背面粘附的热剥离膜；
步骤8.第二次热层压：将裁切好封装材料按照下表面封装膜、热熔胶膜、完成步骤7的电池组件的顺序依次叠放在层压机准备平台上；开启层压机，将组件放置到层压机中进行热层压；层压温度为110-135℃，层压时间为15-20min；
步骤9.切边：将完成步骤8的电池组件从层压机中取出，裁取边缘多余的胶、膜。
2.如权利要求1所述的平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法，其特征在于，所述热剥离膜在常温下有粘合力，在加热到设定的温度时粘性会消失。
3.如权利要求1所述的平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法，其特征在于，采用所述封装方法得到的太阳电池组件结构由上到下依次为上表面封装膜、透明热熔胶膜、柔性薄膜太阳电池、热熔胶膜、下表面封装膜。
4.如权利要求3所述的平流层飞行器针对翘曲柔性太阳电池片的组件封装方法，其特征在于，所述上表面封装膜为乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜；所述透明热熔胶膜为透明聚烯烃胶膜；所述柔性薄膜太阳电池为柔性薄膜砷化镓太阳电池；所述热熔胶膜为白色聚烯烃胶膜；所述下表面封装膜为聚酰亚胺薄膜。
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