柔性的建筑一體化光伏器件的制作方法
【專利摘要】一種制品包括至少兩個由空隙分隔開的太陽能活性元件，提供柔性材料以限定該空隙。該制品提供了對安裝表面的增強的回彈力和適合度。
【專利說明】柔性的建筑一體化光伏器件發明領域
[0001]本發明涉及改進的光伏器件，并且更特別地但非專門地涉及具有增強的適合度(conformity)和回彈力(resilience)的光伏器件。
【背景技術】
[0002]目前已知的高效率光伏(PV)器件采用剛性光伏電池并包括剛性透明板材。光伏電池不能承受高變形，并且所述剛性透明板材被提供足以支持所述器件所需要的剛性的厚度。這降低了整體PV器件的柔性，提供了降低的適合度，例如對于用作屋頂板的器件的頂部不規則性的適合度。透明板材的厚度也增加了光伏器件的重量。有些PV器件經尺寸設計為取代一些構建單元，如屋頂板，并因此導致大的光滑表面，例如玻璃表面。所得的表面可造成打滑的問題。
【發明內容】
[0003]本公開在一個方面包括一種制品，其具有限定構建材料單元的單元形狀的結構基礎層，多個太陽能活性元件，其中所述太陽能活性元件位于所述結構基礎層的框架內并具有在各相鄰的太陽能活性元件之間的空隙。各太陽能活性元件包括剛性板材、和位于所述剛性板材的框架內且在所述剛性板材的光入射側相反側的光伏(PV)電池，其中，每個剛性板材至少是部分透明的。柔性材料限定至少一個相鄰的太陽能活性元件對之間的至少一個空隙。該結構基礎層、該太陽能活性元件和該柔性材料被可操作地連接以形成構建材料單
J Li ο
[0004]本公開的另外的或可選擇的方面可以進一步地特征在于以下特征的任意一種或多種:每個太陽能活性元件具有相同的形狀；每個太陽能元件具有相等的面積；所述剛性板材限定平面，其中該柔性材料在至少一個所述空隙內在所述平面上方延伸；其中多個太陽能活性元件包括選自于以下的值:2至8個元件、4至16個元件、8至32個元件、16至64個元件、以及36至100個之元件；其中所述構建材料單元包含屋頂板；其中所述結構基礎層包含柔性材料；其中每一個所述太陽能活性元件包含矩形，且其中各剛性板材的各邊緣延伸超過各PV電池的相應邊緣至少Imm ;其中每個太陽能活性元件的表面積包含10cm2和IlOOcm2之間的值；其中每個太陽能活性元件的表面積包含200cm2和600cm2之間的值；其中所述剛性板材的總表面積與PV電池的總面積的比率包含在1.0至1.2的范圍內的值；其中所述剛性板材的總表面積與PV電池的總面積的比率包含在1.05至1.18的范圍內的值；其中每個剛性板材包含具有介于0.2mm和4.0mm之間的厚度的透明材料；其中每個光伏電池包含晶體娃元件；以及其中所述柔性材料是包覆成型的(overmolded)材料。
[0005]附圖簡要說明
[0006]圖1是包括在構建材料單元中形成的2個太陽能活性元件的制品的示意圖。
[0007]圖2是包括在構建材料單元中形成的30個太陽能活性元件的制品的示意圖。
[0008]圖3是包括在構建材料單元中形成的17個太陽能活性元件的制品的示意圖。
[0009]圖4是制品的剖面側視圖，其包括太陽能活性元件和多個PV電池。
[0010]圖5是制品的剖面側視圖，其包括太陽能活性元件、限定平面的多個剛性板材、和位于板材之間并突出到平面上方的柔性材料。
[0011]圖6是包括在構建材料單元中形成的4個太陽能活性元件的制品的示意圖。
【具體實施方式】
[0012]參照圖1，描述了具有兩個太陽能活性元件的制品100。每個太陽能活性元件包括剛性板材104和位于所述剛性板材104的框架內且在剛性板材104的光入射側相反側的光伏(PV)電池106。該剛性板材104至少是部分透明的，包括對于與PV電池106相關的頻率范圍內的光子是透明的。與PV電池106相關的頻率范圍可以包括但不限于，可見光譜、紅外光和/或紫外光的所有或任何部分。在某些實施方式中，剛性板材104可在一個以上的層中提供和/或作為層壓材料提供。剛性板材104可以包括保護性涂層或層、抗反射涂層、透鏡化或本領域中已知的其他特征。剛性板材104的示例性和非限制性的材料包括玻璃、聚合物、氧化物和/或陶瓷、聚合物-氧化物對、環氧樹脂、樹脂和/或膠粘物，并且在某些實施方式中可以包括其中一些的多個層。
[0013]在某些實施方式中，剛性板材104具有介于0.2mm和4.0mm之間的厚度(包括端值)。剛性板材104的厚度取決于具體應用的規格，包括至少由所述剛性板材104提供的環境保護，以及待由剛性板材104保護而免受的任何力的大小和沖擊類型。在至少某些實施方式中，剛性板材104的厚度可以小于具有覆蓋制品中的所有PV元件的單一剛性板材的其它方面相當的制品。非將任一實施方式限于特定的操作理論，由于力在幾個剛性板材上的分散、力經由制品至結構基礎層102和/或至安裝裝置(如建筑物)的改進的傳遞和/或由于從剛性板材上的撞擊點到剛性板材的支撐邊緣的最大距離減小而導致的較低應力，如本文所述的被分割成部分的剛性板材104相對于相當的制品所經歷的力可被減小。在某些實施方式中，剛性板材104可以比0.2mm更薄，而在某些實施方式中，剛性板材104可以比4.0_更厚。在某些實施方式中，一個或多個剛性板材可以是不一樣的厚度，例如預期可能更容易受到撞擊的剛性板材104可以更厚。
[0014]制品100還包括限定構建材料單元的單元形狀的結構基礎層102。構建材料單元是任何建筑一體化構建單元，例如屋頂板，建筑側壁單元或任何其他建筑一體化制品。構建材料單元可以取代單個單元，如單一屋面瓦片；或取代一組單元，例如整合到屋頂中并取代多個屋面瓦片的節段。結構基礎層102限定了制品100的形狀，并提供了從制品100至安裝裝置(例如，建筑物的屋頂)的界面。結構基礎層102可以提供用于PV電池106以及相關的電組件(未示出)與建筑物(例如凸釘等)和/或環境(例如水侵入)的隔離和/或保護。另外地或可選擇地，結構基礎層102可以與制品100中的一個或多個其它層配合以提供用于PV電池106和相關的電組件與建筑物和/或環境的隔離和/或保護。在某些實施方式中，結構基礎層102不是接觸建筑物或應用表面的外層-例如結構基礎層102可以是向屋頂板的底面提供硬度和物理保護的鋁層，但結構基礎層102層下面的其它層直接與建筑物接合。
[0015]在某些實施方式中，結構基礎層102被提供為柔性材料，例如，以增強制品100對安裝裝置的符合度(conformat1n)。另外地或可選擇地，該結構基礎層102包括柔性部分，并且在某些另外的實施方式中，結構基礎層102的柔性部分對應于在相鄰的剛性板材104之間提供的空隙。在其中結構基礎層102被提供為柔性材料和/或包括柔性部分的情況中，該結構基礎層102的柔性材料與位于所述剛性板材104的空隙之間的柔性材料108可以是相同的或者是不同的材料。非限制性地，構成結構基礎層102的一部分的該柔性材料可以是比柔性材料108更硬和/或更堅固的材料。對于柔性材料108所描述的任何材料可以被包括作為結構基礎層102的柔性部分。在某些實施方式中，結構基礎層102包括比柔性材料108更厚的材料，包括通過機械設計為柔性的材料，而不是，或者除此之外，用材料選擇(例如，在柔性位置、提供的接頭等處較薄的材料)提供靈活性。
[0016]圖1的實施例中的結構基礎層102從制品100的光入射側是可見的，然而在某些實施方式中，該結構基礎層102可能從制品100的光入射側是不可見的。參見圖4，描述了制品400的剖面側視圖，包括太陽能活性元件和多個PV電池106。該制品400包括形成該制品的側面且從制品400的光入射側(在圖4中所示方向的頂側)可見的結構基礎層102。然而，該結構基礎層102可以通過粘合劑、層壓或本領域所了解的任何其它耦合連接到前端層，且因此從光入射側不可見。
[0017]再參見圖1，制品100還包括至少一個PV電池106，其用每個剛性板材104的框架定位。該制品100還包括電組件,如上所述,其為清楚起見沒有被示出。該電組件包括PV電池106之間的電連接，并且可以進一步包括匯流條和/或外部電路耦合。該PV電池106可以以并聯、串聯、混合串聯-并聯的方式排列，和/或可以以獨立的電路來提供。電組件可以是本領域公知的任何類型，并不限于本公開。
[0018]該PV電池106可以具有本領域中已知的任何類型和PV材料。示例性和非限制性的PV材料包括銅硫屬化物類型的電池(例如，銅銦鎵硒化物、銅銦硒化物、銅銦鎵硫化物、銅銦硫化物、銅銦鎵硒化物的硫化物等)、無定形硅電池、晶體硅電池、薄膜II1-V電池、薄膜I1-VI電池、有機光伏器件、納米顆粒光伏器件、染料敏化太陽能電池和/或所描述材料的組合。在某些實施方式中，PV電池106被提供作為沉積在剛性板材104內側上的PV材料。在某些實施方式中，一個或多個PV電池106可以包括與其它PV電池106不同的PV材料。在某些實施方式中，每個PV電池106包括晶體娃元件。
[0019]該PV電池106位于所述剛性板材104的框架之內。PV電池106相對于剛性板材104的尺寸設計取決于應用的具體特性。在某些實施方式中，剛性板材104的各個邊緣延伸超過下層PV電池106的相應邊緣至少1mm。另外地或可選擇地，剛性板材104的各個邊緣可以延伸超過下層PV電池106的相應邊緣至少2mm，和/或超過下層PV電池106的相應邊緣至少5mm。
[0020]本領域的技術人員將認識到，剛性板材104與PV電池106尺寸的更緊密匹配對于發電而言提供活性太陽能面積的更大利用率，以及剛性板材104超過PV電池106的更大幅度可以提供增強的環境屏障和/或PV電池106的力傳遞保護。具有通常在PV器件的設計中進行的類型的簡單測試(包括對設計的負載的沖擊測試和/或對于設計的條件的環境測試)與本文公開的益處結合，向本領域技術人員提供了足夠的信息來選擇所述剛性板材104和PV電池106之間的尺寸設計差異。在剛性板材104下提供多個PV電池106的情況中，給定的PV電池106可具有小于對應于剛性板材104的側面的所有側面，并且給定的PV電池106可以不具有對應于剛性板材104的側面的任何側面，如當PV電池106在剛性板材104之下的中心定位時那樣。
[0021]在某些實施方式中，限定活性太陽能面積的每個剛性板材104的表面積包括100cm2和1，100cm2之間的值。在某些另外的或可選擇的實施方式中，限定活性太陽能面積的每個剛性板材104的表面積包括200cm2和600cm2之間的值。具有通常在PV器件的設計中進行的類型的簡單測試(包括對設計的負載的沖擊測試和/或對于設計的條件的環境測試)與本文公開的益處結合，向本領域技術人員提供了足夠的信息來選擇用于所述剛性板材104的尺寸設計值。在某些實施方式中，提供的每一個剛性板材104具有相同的形狀。在某些實施方式中，提供的一個或多個剛性板材104具有不同的形狀。示例性的制品包括向剛性板材104提供響應于對所述制品中不同形狀位置處的沖擊或應力的不同預期的不同形狀，和/或提供制品表面積的有效利用。在某些實施方式中，提供的每個剛性板材104具有相同的尺寸。在某些實施方式中，提供的一個或多個剛性板材104具有不同的尺寸。示例性的制品包括向剛性板材104提供響應于對所述制品中不同尺寸位置處的沖擊或應力的不同預期的不同尺寸，和/或提供對于制品表面積的有效利用。
[0022]在某些實施方式中，所有剛性板材104的總表面積與所有PV電池106的總面積的比率在1.0至1.2的范圍內。例如，當制品100的PV電池106的面積為1000cm2時，示例性的制品包括1000cm2和1200cm2之間的剛性板材104的總面積。在某些實施方式中，剛性板材104的總面積的面積超過1.2的比率。在某些實施方式中，所有的剛性板材104的總表面積與所有PV電池106的總面積的比率在1.05至1.18的范圍內。
[0023]該制品100包括兩個剛性板材104，其限定了兩個太陽能活性元件。制品100的尺寸和剛性板材104尺寸的選擇與空隙尺寸設計一起相互作用，以確定在給定的制品中太陽能活性元件的數目。在某些實施方式中，制品包括2至8個(包括端值)太陽能活性元件。在某些實施方式中，制品包括4至16個(包括端值)太陽能活性元件。在某些實施方式中，制品包括8至32個(包括端值)太陽能活性元件。在某些實施方式中，制品包括16至64個(包括端值)太陽能活性元件。在某些實施方式中，制品包括36至100個(包括端值)太陽能活性元件。所描述范圍是非限制性實例。
[0024]該剛性板材104用結構基礎層102的框架定位，并且在每一個相鄰剛性板材104之間包括空隙。該制品100還包括柔性材料108，其限定相鄰的剛性板材104之間的空隙。在某些實施方式中，提供的柔性材料108限定在至少一個相鄰的剛性板材104對之間的至少一個空隙，但提供的柔性材料108可以不限定在每個相鄰的剛性板材104對之間的每個空隙。在某些實施方式中，提供的柔性材料108限定每個相鄰的剛性板材104對之間的每個空隙。
[0025]柔性材料108可以是本領域中了解的任何類型的材料，包括至少聚合物材料、塑料、熱塑性材料、彈性體材料、橡膠、合成橡膠、和/或這些材料的組合。在某些實施方式中，柔性材料108可以是包覆成型的材料。示例性的柔性材料108包括聚丙烯，潛在地填充有諸如無機顆粒(例如，玻璃纖維、云母)。另一示例性的柔性材料108包括填充的或未填充的聚氨酯(例如，反應注射成型等級)、未填充的聚丙烯、交聯聚乙烯、和/或柔性聚氯乙烯材料。而另一示例性柔性材料108包括乙烯丙烯二烯單體橡膠和/或聚烯烴彈性體(例如，乙烯-辛烯共聚物)。任何所述材料的組合也可包括在內。
[0026]柔性材料108的選擇取決于具體的應用，包括當前或目標加工方法(例如，注射成型或擠出在某些實施方式中可以表明制造方便性)，和/或對預期的環境的相容性。環境考慮因素包括該區域的天氣特征(雨、風、冷凍循環等)和/或預期的隨時間累積的UV照射。可以利用本領域中理解的任何構建方法來提供柔性材料108，包括但不限于，用粘合劑施加柔性材料108，以及提供柔性材料108作為具有突起(其提供空隙內的材料108)的層壓層。
[0027]再次參考圖4，柔性材料108被定位以限定所述剛性板材104之間的空隙。參見圖5，示出了帶有突出在由剛性板材104限定的平面之上的柔性材料108的制品500的可選的和/或附加的排列。在某些實施方式中，一個或多個空隙包括填充空隙的柔性材料108，以及一個或多個空隙具有突出在空隙之上的柔性材料。非將任何實施方式限制于特定的操作理論，在剛性板材104的平面上方的柔性材料108突起可以提供制品500的更防滑的頂表面，和/或可以增強沖擊力從所述剛性板材104和下層的PV電池106的傳遞，并傳遞至制品500的其它結構層中和/或至制品500下面的安裝裝置中。
[0028]參考圖2，描述了示例性制品200，其具有結構基礎層102、多個限定太陽能活性區域的剛性板材104、以及被提供并限定相鄰太陽能活性區域之間的空隙的柔性材料108。制品200包括位于每個剛性板材104的框架內的PV電池106。制品200包括排列在矩形網格內的30個太陽能活性區域，盡管圖2中的太陽能活性區域的數量、形狀和排列是非限制性實例。
[0029]參見圖3，描述了示例性的制品300，其具有結構基礎層102和多個限定太陽能活性區域的剛性板材104。在圖3的實例中，柔性材料108被提供在制品300中央部分的相鄰太陽能活性區域之間的幾個空隙中。另外的或可選擇的，所述柔性材料108可以被提供在所有空隙中。柔性材料108可以突出在由所述剛性板材104限定的平面之上。示例性的制品300包括六角形的剛性板材104，一些剛性板材104具有不同的形狀，例如用于提高制品300表面積的利用率。
[0030]再次參見圖4，描述了制品400的剖面側視圖。圖4中未描述剛性板材104的排列。該剛性板材104包括位于相鄰的剛性板材104之間空隙中的柔性材料108。制品400還包括襯底402，其可以是制品400的一個或多個層壓層，或本領域已知的其它襯底402。在某些實施方式中，襯底402包層壓層，其包括阻擋層、一個或多個封裝材料和/或一個或多個結構支撐層。可以設想，本文所描述的制品的某些實施方式包括多個層和/或組件，例如但不限于在當前未決的PCT/US09/042496號國際專利申請中所描述的各個實施方式的特征，所述專利申請的全文出于所有目的通過引用并入本文。
[0031]參見圖6，描述了示例性的制品600，其具有結構基礎層102、多個限定太陽能活性區域的剛性板材104、和被提供并限定相鄰的太陽能活性區域之間的空隙的柔性材料108。制品600包括多個位于每個剛性板材104的框架內的PV電池106。制品600包括排列在矩形網格中的4個太陽能活性區域，盡管圖6中的太陽能活性區域的數量、形狀和排列是非限制性實例。
[0032]上述應用中列舉的任何數值包括從下限值至上限值的一個單位增量的所有值，只要在任何下限值至任何上限值之間有至少2個單位的間隔。例如，如果描述組分的量或者工藝變量如，例如，溫度、壓力、時間等的值是，例如，從I到90，進一步包括從20到80、還包括從30到70，則它意圖例如15至85、22至68、43至51、30至32等的值被明確地列舉在本公開中。一個單位被認為是公開的最精確的單位，如適宜情況下0.0001,0.001,0.01或0.1。這些只是被明確指出的實例，并且認為在最低值至最高值之間的所列舉數值的所有可能組合以類似的方式被明確地規定在本公開中。
[0033]除非另有說明，所有范圍包括兩個端點和在端點之間的所有數值。所有文章和參考文獻，包括專利申請和公布的公開內容，都為了所有目的通過引用并入本文。在本文中使用術語“包含”或“包括”描述元件、成分、組分或步驟的組合也包括基本上由該元件、成分、組分或步驟組成的實施方式。使用冠詞“一”或“一個”和/或單個項目或特征的公開包括存在一個以上的項目或特征，除非明確說明與此相反。
[0034]本發明的示例性實施方式已經被公開。然而本領域的技術人員將認識到，對所公開的實施方式的一些修改包含于本公開的教導中。因此，應該仔細研究以下的權利要求以確定本發明的真正范圍和內容。
【權利要求】
1.一種制品，其包含: 限定構建材料單元的單元形狀的結構基礎層； 多個太陽能活性元件，每一個所述太陽能活性元件包含剛性板材、和位于所述剛性板材框架內且在所述剛性板材的光入射側相反側的光伏(PV)電池，每個剛性板材至少是部分透明的，其中所述太陽能活性元件位于所述結構基礎層的框架內，并在每個相鄰的太陽能活性元件之間具有空隙； 柔性材料，其限定至少一個相鄰的太陽能活性元件對之間的至少一個空隙； 其中所述結構基礎層、所述太陽能活性元件和所述柔性材料被可操作地連接以形成構建材料單元。
2.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中每個所述的太陽能活性元件包含相同的形狀。
3.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中每個所述的太陽能活性元件包含相等的面積。
4.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中所述剛性板材限定平面，并且其中所述柔性材料在至少一個所述空隙內在所述平面上方延伸。
5.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中多個所述太陽能活性元件包括選自于以下值的值:2至8個元件、4至16個元件、8至32個元件、16至64個元件、以及36至100個元件。
6.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中所述構建材料單元包含屋頂板。
7.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中所述結構基礎層包含柔性材料。
8.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中每一個所述太陽能活性元件包含矩形，并且其中每個剛性板材的各邊緣延伸超過每個PV電池的相應邊緣至少1mm。
9.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中每個所述太陽能活性元件的表面積包含10cm2和IlOOcm2之間的值。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的制品，其中每個所述太陽能活性元件的表面積包含200cm2和600cm2之間的值。
11.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中所述剛性板材的總表面積與所述PV電池的總面積的比率包含在1.0至1.2的范圍內的值。
12.根據權利要求1至10中任一項所述的制品，其中所述剛性板材的總表面積與所述PV電池的總面積的比率包含在1.05至1.18的范圍內的值。
13.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中每個剛性板材包含具有介于0.2mm和4.0mm之間的厚度的透明材料。
14.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中每個光伏電池包含晶體硅元件。
15.根據前述權利要求中任一項所述的制品，其中所述柔性材料是包覆成型的材料。
【文檔編號】H02S20/23GK104428991SQ201280074505
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2012年7月5日 優先權日:2012年7月5日
【發明者】S·R·阿思雷亞, E·尼科利, 劉華, K·考夫曼, L·洛佩茲, O·比雅吉, 馮捷, R·費斯特, R·夏爾馬 申請人:陶氏環球技術有限責任公司