相關(guān)申請案的交叉引用
本申請要求保護下列臨時申請的權(quán)益,其據(jù)此通過引用整體并入:2014年7月14日提交的相同名稱的美國臨時申請62/024,440。本申請要求保護2014年9月19日提交的名稱為opticalenhancingdurableanti-reflectivecoating的美國專利申請14/491,259的權(quán)益,其據(jù)此通過引用整體并入。
背景
領(lǐng)域:
本公開總體上涉及薄膜溶膠-凝膠涂層的領(lǐng)域并且尤其涉及諸如玻璃或太陽能電池板的基板上的涂層。
相關(guān)領(lǐng)域描述:
對于光伏(pv)太陽能組件的重要可靠性問題是電勢誘發(fā)衰減(pid)。pid由環(huán)境(熱、濕度)與pv太陽能組件內(nèi)的元件之間的相互作用引起,其導致pv太陽能組件的輸出功率隨時間推移而衰減。人們通常認為在組件的電壓電勢和泄漏電流驅(qū)動組件內(nèi)介于半導體材料和組件的其它元件(例如玻璃、支架和框架)之間的離子遷移時發(fā)生pid,引起組件的功率輸出能力衰減。離子遷移隨濕度、溫度和電壓電勢而加速。試驗已經(jīng)揭示了遷移率與溫度和濕度的關(guān)系,pingel,s.等人“potentialinduceddegradationofsolarcellsandpanels.”2010年第35屆ieee光伏專家會議(pvsc)。一些研究已經(jīng)鑒定了在pv太陽能電池板中用作正鈉離子和可能是pid主要原因的其它金屬離子的來源的鈉鈣玻璃;schutze,m.等人“l(fā)aboratorystudyofpotentialinduceddegradationofsiliconphotovoltaicmodules.”2011年第37屆ieee光伏專家會議(pvsc);hacke,peter等人“systemvoltagepotential-induceddegradationmechanismsinpvmodulesandmethodsfortest.”2011年第37屆ieee光伏專家會議(pvsc)。
一般而言,可以通過將組件上由高電勢誘發(fā)的泄露電流減到最小而降低對pid的敏感性。已有兩種方法用于降低對pid的敏感性。首先,已經(jīng)證實用于將玻璃與太陽能電池和背板粘合的包封材料對pid具有顯著影響。對水分侵入的抗性低或電阻低的包封材料如乙烯-乙酸乙烯酯(eva)特別成問題。因此,pv組件制造商已經(jīng)試驗了先進包封材料如來自dowchemical的enlighttm聚烯烴,將其配制以消除pid。然而,這些材料往往比更有pid傾向的競爭材料如eva明顯更昂貴。第二,研究已經(jīng)證實施加到pv電池本身的抗反射、鈍化涂層可以具有顯著效果。這已產(chǎn)生了使用有時包括增加密度和/或厚度的方法設(shè)計可以降低pid效應的保護性電池涂層,如無孔隙的氮化硅電池涂層的方法。氮化硅改性的一個并發(fā)問題是它也使折射率次優(yōu)化或使工藝控制和成本復雜化。增加氮化硅厚度增加了成本并且也可降低總體組件轉(zhuǎn)換效率。
美國專利申請第13/690,954號教導覆蓋至少一部分框架和至少一部分玻璃板的疏水性涂層可有助于防止pid。同樣tatapudi,s.r.v.(2012)“potentialinduceddegradation(pid)ofpre-stressedphotovoltaicmodules:effectofglasssurfaceconductivitydisruption”(碩士論文)。arizonastateuniversity,tempearizona,教導疏水性但高透過率的表面涂層(如特富龍(teflon))可以通過使具防水性的框架/邊緣改性而破壞玻璃的表面導電性。
幾個參考文獻討論防止或阻礙鈉遷移出鈉鈣玻璃的鈉屏障以解決幾個問題。美國專利第8,217,261號教導了介于cigspv太陽能組件中的鈉鈣玻璃和鉬電極層之間的濺射或溶膠-凝膠沉積sio2屏障層。該屏障層防止過多的鈉遷移到制造期間由熱處理而產(chǎn)生的cigs吸收層內(nèi)。nocuń,marek等人“sodiumdiffusionbarriercoatingspreparedbysol–gelmethod”,opticaapplicata,第xxxviii卷,第1期,2008,描述了各種旋涂溶膠-凝膠屏障層,其設(shè)計用于保護用于一些電子設(shè)備中的錫或銦導電透明薄膜層免于鈉從玻璃基板遷移。yan,yanfa等人“sio2asbarrierlayerfornaout-diffusionfromsoda-limeglass”2011年第37屆ieee光伏專家會議(pvsc),發(fā)現(xiàn)濺射sio2層可以是摻雜f的sno2涂層鈉鈣玻璃的有效鈉屏障,正如商用cdte薄膜pv太陽能組件制造商用于防止由于在550℃至650℃下熱處理而引起的鈉外擴散那樣。rose,doug等人“massproductionofpvmoduleswith18%total-areaefficiencyandhighenergyperpeakwatt,”2006年第4屆ieee國際光伏能源轉(zhuǎn)換會議的會議記錄,聲明由saintgobainglass制造的稱為pv-lite的4層濺射抗反射涂層防止堿金屬從玻璃浸出,其可引起玻璃表面衰減。hacke,peter等人“test-to-failureofcrystallinesiliconmodules,”2010年第35屆ieee光伏專家會議(pvsc),發(fā)現(xiàn)在玻璃上具有ar涂層的組件在用負偏壓的整個pid試驗中表現(xiàn)出比那些沒有此類涂層的組件更好的功率保持并且表明這與在薄膜組件中使用用于將引起衰減的鈉遷移減到最低的氧化物屏障層一致。hacke,peter等人“characterizationofmulticrystallinesiliconmoduleswithsystembiasvoltageappliedindampheat,”第二十五屆歐洲光電太陽能會議(eupvsec)2010,發(fā)現(xiàn)具有添加的sio2屏障的鈉鈣玻璃,正如薄膜pv工業(yè)用于減少鈉遷移那樣,以中間方式表現(xiàn)(與沒有此類屏障的玻璃相比),但是在負偏壓pid試驗中仍顯示出顯著衰減。該文件推斷電阻越高的包裝將越有助于降低電解和離子遷移相關(guān)的衰減,這可以通過選擇包括玻璃及其涂層、包封劑和框架來控制。
對于pv太陽能組件可靠性而言pid仍然是一個重要問題。因此如果存在低成本的材料和方法用于消除pid而對太陽能轉(zhuǎn)換效率無不利影響,將是有利的。
概述
本公開提供了用于涂布pv太陽能組件內(nèi)的玻璃的材料和方法,以便阻礙、減少或消除作為pid原因的離子,尤其是堿金屬離子并且最尤其是鈉離子從玻璃向組件其余部分的移動。涂層的幾種性質(zhì)單獨地或組合地起作用以提供這種益處。
在一些實施方案中涂層增加了玻璃外側(cè)的表面電阻并因而起到降低穿過玻璃的泄露電流的流量的作用。表面電阻的增加可通過使用防水或疏水性涂層,或抗污、防塵和防污涂層實現(xiàn),所述涂層減少通過表面污染物例如水、鹽類沉積物、污垢沉積物或這些成分中的一些或全部的組合的泄露電流。
在一些實施方案中涂層可包封表面并且阻礙、減少或消除液態(tài)水、水蒸汽和其它化學藥品進入玻璃。例如,pv太陽能組件表面上的水根據(jù)污染程度例如大氣co2或so2可為酸性或堿性,或可具有工業(yè)污染物如水泥粉塵和多樣且未知組成的風載微粒,或地質(zhì)條件如堿湖沉積物和火山灰。此外,含有高濃度溶解鹽的海霧和煙霧也可以沉積在pv太陽能組件的表面上。這些表面化學物質(zhì),如果允許在玻璃上凝結(jié)或接觸玻璃,則可以增加玻璃內(nèi)的離子遷移率和離子從玻璃的浸出。在一些實施方案中玻璃外側(cè)被涂布,或內(nèi)側(cè)被涂布或兩側(cè)均被涂布。
有利的是涂層本身由大體上不含堿金屬離子的材料組成。
包封玻璃表面的涂層放置在內(nèi)側(cè)時可特別有益,因為人們通常認為離子最容易從玻璃的內(nèi)表面到達pv太陽能電池。水分可以通過pv太陽能組件背板、包封劑邊緣和終端如經(jīng)由接線盒途徑通過擴散而到達該表面。雖然pv太陽能組件背板可以是玻璃(在所謂的“玻璃-玻璃”組件中),但是出于成本原因它們通常由聚合物材料制成,如來自dupont的
在一些實施方案中玻璃內(nèi)側(cè)的涂層起到離子遷移屏障的作用,使得離子無法穿過涂層或離子陷入或固定在涂層內(nèi)。
離子遷移率和移動方向受介于太陽能電池和通常存在于組件框架上的地電勢之間的電場調(diào)節(jié)。在一些實施方案中涂層起到在玻璃外側(cè)和內(nèi)側(cè)產(chǎn)生等勢的作用。如果玻璃的外表面和內(nèi)表面處于相同電勢,則在玻璃內(nèi)不存在電場來幫助離子移動。此外,玻璃的外表面,由于它和接地組件框架之間有許多低電阻通路,所以可接近于地電勢。因此,如果玻璃的內(nèi)表面與外表面電氣性連接,則玻璃內(nèi)側(cè)的電勢也將接近于地電勢。這基本上去除了將離子驅(qū)逐出玻璃橫截面的電動勢。在一些實施方案中將導電涂層施加在玻璃的內(nèi)表面并且另外可施加在玻璃的外表面并且另外可施加在玻璃的邊緣上。使用與典型透明導體相關(guān)的組合物,涂層的薄層電阻低于約1010ω/□,介于約106ω/□和約103ω/□之間及介于約200ω/□和約5ω/□之間。薄層電阻也被認為是ω/sq或ω/平方并且僅僅意在作為薄層電阻,而非體電阻。
本公開還提供了涂層組合物,其包含由包含聚倍半硅氧烷、溶劑、任選催化劑和任選其它添加劑的溶膠形成的凝膠,其中所述涂層組合物在溶劑蒸發(fā)后轉(zhuǎn)化成干凝膠,隨后使干凝膠固化在玻璃基板上形成具有諸如硬度、折射率、表面接觸角及離子和水滲透性等性質(zhì)的所需組合的涂層。
在一些實施方案中,所述涂層組合物包括具有式a的溶膠的組合:
rsi(oh)2o0.5]a[rsio1.5]b[rsi(oh)o]c[r’si(oh)2o0.5]m[r’sio1.5]n[r’si(oh)o]p[sio2]w[si(oh)o1.5]x[si(oh)2o]y[si(oh)3o0.5]z
在化學結(jié)構(gòu)a中,r獨立地為甲基或任選被取代或未被取代的c2-c10烷基、被取代或未被取代的c3-c20環(huán)烷基、被取代或未被取代的c1-c10羥烷基、被取代或未被取代的c6-c20芳基、被取代或未被取代的c2-c20雜芳基、被取代或未被取代的c2-c10烯基、被取代或未被取代的羧基、被取代或未被取代的(甲基)丙烯酰基、被取代或未被取代的縮水甘油醚基團或其組合;r’為氟取代的c3烷基或任選c4-c10烷基、氟取代的c3-c20環(huán)烷基、氟取代的c1-c10羥烷基、氟取代的芳基、氟取代的c2-c20雜芳基、氟取代的c2-c10烯基、氟取代的羧基、氟取代的(甲基)丙烯?;⒎〈目s水甘油醚基團或其組合;并且0<a,b,c,w,x,y,z<0.9,0≤m,n,p<0.9及a+b+c+m+n+p+w+x+y+z=1。
在一些實施方案中,所述涂層組合物的組成基于溶劑的精確選擇、ph、溶劑與水的比率及溶劑與硅烷的比率,其允許所得溶膠很長一段時間保持穩(wěn)定,在其化學或物理特征上不表現(xiàn)出變化。在一些實施方案中,所述涂層組合物的組成基于控制涂層組合物中不同硅烷的精確量和/或比率。涂層組合物中硅烷的量可用于控制涂層的最終組成和厚度,而涂層組合物中不同硅烷的比率可用于調(diào)整其它性質(zhì)。
本公開還提供了用于施加涂層和使用此類涂層的方法。在一些實施方案中,處理基板的方法包括基于洗滌、化學處理、蝕刻和/或拋光或清潔步驟等的組合的基板預處理,其使得溶膠與玻璃表面更好地相互作用,以產(chǎn)生厚度范圍為50nm至20μm的涂層。之后,在一些實施方案中,所述方法包括將溶膠施加到玻璃基板的表面并且使溶膠膠凝以形成具有所需性質(zhì)的涂層。用于退火或鋼化、浮法或壓花玻璃或其它種類的玻璃基板的預處理方法可具有相似特性。在一些實施方案中,向基板施加溶膠包括浸涂、流涂、輥涂、噴涂和狹縫模具式涂布,導致溶膠均勻沉積以形成平坦、均勻且無裂紋的涂層。在一些實施方案中,所述方法包括在介于100℃至約300℃和介于約100℃至約500℃和介于約100℃至約700℃的特定熱條件下并且在商業(yè)玻璃鋼化工藝下熱處理涂層制品以形成強力附著到基板上,無裂紋和/或分層的硬質(zhì)、化學耐久性涂層。
在一個實施方案中,本公開包括抗pid的光伏太陽能組件。該組件包括具有涂層的前蓋玻璃、第一層包封劑、至少一個光伏太陽能電池、第二層包封劑和后蓋板,其中具有涂層的前蓋玻璃當與沒有涂層的相同前蓋玻璃相比時,具有抗反射性、疏水性和增強的離子遷移阻斷性;并且其中所述前蓋玻璃在選自正面、背面和至少一個邊緣的至少一個表面上被涂布。
另一個實施方案是一種制造抗pid的光伏太陽能組件的方法。該方法包括以下步驟:(i)制備含有具有下式的溶膠的組合的涂層組合物:
rsi(oh)2o0.5]a[rsio1.5]b[rsi(oh)o]c[r’si(oh)2o0.5]m[r’sio1.5]n[r’si(oh)o]p[sio2]w[si(oh)o1.5]x[si(oh)2o]y[si(oh)3o0.5]z
其中r獨立地為甲基或任選被取代或未被取代的c2-c10烷基、被取代或未被取代的c3-c20環(huán)烷基、被取代或未被取代的c1-c10羥烷基、被取代或未被取代的c6-c20芳基、被取代或未被取代的c2-c20雜芳基、被取代或未被取代的c2-c10烯基、被取代或未被取代的羧基、被取代或未被取代的(甲基)丙烯酰基、被取代或未被取代的縮水甘油醚基團或其組合;r’為氟取代的c3烷基或任選c4-c10烷基、氟取代的c3-c20環(huán)烷基、氟取代的c1-c10羥烷基、氟取代的芳基、氟取代的c2-c20雜芳基、氟取代的c2-c10烯基、氟取代的羧基、氟取代的(甲基)丙烯?;?、氟取代的縮水甘油醚基團或其組合;并且0<a,b,c,w,x,y,z<0.9,0≤m,n,p<0.9及a+b+c+m+n+p+w+x+y+z=1。該方法還包括以下步驟:(ii)預處理蓋玻璃板;(ii)在選自所述蓋玻璃板的正面、背面和至少一個邊緣的至少一個表面上用所述涂層組合物涂布所述蓋玻璃板;(iii)加熱所述蓋玻璃板以固化所述涂層;并且
(iv)組裝所述光伏太陽能組件。
另一個實施方案是一種抗pid的光伏太陽能組件。該組件包括抗pid的光伏太陽能組件,太陽能組件包括:
具有涂層的前蓋玻璃,所述涂層包含具有下式的溶膠的組合:
rsi(oh)2o0.5]a[rsio1.5]b[rsi(oh)o]c[r’si(oh)2o0.5]m[r’sio1.5]n[r’si(oh)o]p[sio2]w[si(oh)o1.5]x[si(oh)2o]y[si(oh)3o0.5]z
其中r獨立地為甲基或任選被取代或未被取代的c2-c10烷基、被取代或未被取代的c3-c20環(huán)烷基、被取代或未被取代的c1-c10羥烷基、被取代或未被取代的c6-c20芳基、被取代或未被取代的c2-c20雜芳基、被取代或未被取代的c2-c10烯基、被取代或未被取代的羧基、被取代或未被取代的(甲基)丙烯?;⒈蝗〈蛭幢蝗〈目s水甘油醚基團或其組合;r’為氟取代的c3烷基或任選c4-c10烷基、氟取代的c3-c20環(huán)烷基、氟取代的c1-c10羥烷基、氟取代的芳基、氟取代的c2-c20雜芳基、氟取代的c2-c10烯基、氟取代的羧基、氟取代的(甲基)丙烯?;⒎〈目s水甘油醚基團或其組合;并且0<a,b,c,w,x,y,z<0.9,0≤m,n,p<0.9及a+b+c+m+n+p+w+x+y+z=1。該組件還包括具有置于光伏太陽能電池表面的至少一層包封劑的至少一個光伏太陽能電池和后蓋板,其中具有涂層的前蓋玻璃當與沒被涂布的相同前蓋玻璃相比時,具有抗反射性、疏水性和增強的離子遷移阻斷性;并且其中所述前蓋玻璃在選自正面、背面和至少一個邊緣的至少一個表面上被涂布。
從下面對優(yōu)選實施方案的詳細描述和附圖看,本公開的這些和其它系統(tǒng)、方法、目的、特征和優(yōu)點將對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見。
本文提到的所有文件據(jù)此通過引用整體并入。除非另有明確規(guī)定或從上下文清楚,否則以單數(shù)形式提到物品應被理解為包括復數(shù)形式的物品,并且反之亦然。除非另有規(guī)定或從上下文清楚,否則語法連詞旨在表達所連分句、句子、詞等的任何及所有轉(zhuǎn)折和連接組合。
附圖說明
圖1示出了pv太陽能組件一部分的橫截面示意圖。
圖2示出了實驗結(jié)果,證明相對于pv太陽能組件蓋玻璃正面上的親水性抗反射涂層和無涂層,疏水性抗反射涂層的pid抗性增強。
圖3示出了實驗結(jié)果,證明相對于無涂層和僅在pv太陽能組件蓋玻璃正面上的涂層,pv太陽能組件蓋玻璃背面上的涂層的pid抗性增強。
詳述
圖1示出了整個典型pv太陽能組件的橫截面視圖。該組件的證明,也稱為“陽”面,在圖的上部而背面在圖的下部。該組件被構(gòu)造成以蓋玻璃10、包封材料13、pv太陽能電池14和背板15開始的堆疊層。該組件的邊緣可容納在經(jīng)一層硅酮密封劑、丁基橡膠或復合膠帶12粘附的金屬框架11內(nèi)。根據(jù)需要或如本文作為一層或兩層或更多層所述,包封材料或包封劑13可包括一層或多層包封劑。
操作期間,即pv太陽能組件被太陽照射時,可在pv太陽能電池14和框架11之間保持高達1500vdc的高壓20。這樣在整個pv太陽能組件上產(chǎn)生了強烈且恒定的電場21。這種恒定電場為蓋玻璃內(nèi)的離子16提供動力朝著pv太陽能電池14移動。人們認為這些離子當?shù)竭_pv太陽能電池14并與之相互作用時是pid的主要原因。
在實施方案中可將涂層17施加到蓋玻璃10的外表面,或者可將涂層18施加到蓋玻璃10的邊緣表面,或者可將涂層19施加到蓋玻璃10的內(nèi)表面或者可將這些涂層17、18和19呈任何組合施加,例如僅涂層17,或僅涂層17和19或僅涂層18和19等。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到涂層可如何用于減少或消除pid,研究中已經(jīng)證實蓋玻璃10正面上的導電性增加可促成pid。通常清潔干燥的玻璃具有低導電性,然而水的存在,尤其是受污垢、粉塵和溶解或沉積的鹽污染可增加玻璃表面的導電性和/或降低玻璃的表面電阻率。因此,用于蓋玻璃外表面減少表面積累的污垢、粉塵或鹽的量或防止水分附著于表面的涂層17也可以有利于降低pid。另外,涂層如果當與低鐵鈉鈣玻璃相比時表現(xiàn)出高表面電阻率,則可更有利。具有疏水性、超疏水性和或疏油性的涂層可用于提供此類功能性??筛鶕?jù)本公開的方法通過選擇并入了有機r基團(如烷基、苯基)、脂肪族飽和有機基團(如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、環(huán)己基)的硅烷前體來制備具有這些性質(zhì)的硬質(zhì)、耐久性涂層。這些也可包括脂肪族不飽和有機基團如乙烯基、烯丙基、丁烯基、戊烯基、己烯基和乙炔基、丙炔基、丁炔基。有機r基團可包括芳香族基團。芳香族基團可選自諸如苯基、芐基、二甲苯基、苯乙烯基、萘基、1-苯乙基、甲苯基、乙基芐基和2-苯乙基等基團以產(chǎn)生持久疏水性涂層。選擇具有氟-碳基團、3,3,3-三氟丙基、氟甲基、2-氟丙基、4,4,4-三氟丙基、4,4,4,3,3-五氟丁基、5,5,5,4,4,3,3-七氟戊基、6,6,6,65,5,4,4,3,3-九氟己基和8,8,8,7,7-五氟辛基的硅烷前體可用于增加疏油性。添加劑如膠體氧化硅、碳納米管、巴克敏斯特富勒烯c60和c70(buckminsterfullerenec60和c70)可用于設(shè)計特定表面紋理,這也可增加疏水性。一般而言涂層的表面能越低,涂層疏水性越高,并且因此也會降低被涂布的蓋玻璃10的表面電阻率。
人們認為水與玻璃表面的相互作用,可能因源自包封劑的酸如乙酸的存在而增強。蓋玻璃10內(nèi)側(cè)上的eva或由大氣co2和so2產(chǎn)生的,或由外側(cè)上的沉積海鹽增加的碳酸或硫酸,可促成堿金屬離子16如鈉離子等從蓋玻璃10內(nèi)遷移動并滲出。因此消除或減少水與蓋玻璃10表面之間的接觸的涂層可有利于降低pid。疏水性進一步增強的硬質(zhì)、致密、無孔或孔隙最少的涂層可用于提供這種功能性。因為水可以更容易地移動通過pv太陽能組件背板15,所以水可以接觸蓋玻璃10的內(nèi)表面和邊緣。因此可將這種涂層施加到蓋玻璃10的整個表面或僅選定的表面??筛鶕?jù)本公開通過選擇具有小的有機r基團或無有機r基團的硅烷前體并通過增加材料內(nèi)的交聯(lián)以增加密度來制備具有這些性質(zhì)的涂層。這可以通過選擇具有高硅醇官能度的前體來實現(xiàn)。可通過在介于100℃至約300℃和介于約100℃至約500℃和介于約100℃至約700℃的溫度下并且在商業(yè)玻璃鋼化工藝下熱處理而進一步增加密度。
硬質(zhì)致密涂層也可作為離子遷移的簡單屏障??赏ㄟ^增加將堿金屬離子捕獲或螯合在涂層內(nèi)并防止其進一步遷移的功能來增強涂層的屏障性質(zhì)。本公開的涂層材料可包括離子交換樹脂如聚磺苯乙烯、磺化聚膦腈或其它磺化聚合物或螯合化合物如含硫醇的或四齒席夫堿配體(schiffbaseligand),其在pv太陽能組件的有效壽命中對離子具有強親和性并將離子捕獲在涂層中或阻礙它們遷移通過涂層。
離子的動力是在接地框架11和pv太陽能電池14之間發(fā)展的電場。操作期間當pv太陽能組件被照射時,在pv太陽能電池14和地之間可存在高達1500vdc20的電勢差。一般而言,蓋玻璃10的外表面將處于接近框架電勢并接近地電勢的電勢。因此電場21延伸通過蓋玻璃10到達pv太陽能電池14。玻璃內(nèi)的堿金屬和堿土金屬離子如na+、mg++和ca++暴露于該場并且隨時間推移可以移動通過并移出蓋玻璃10并且通過包封材料13或包封劑到達pv太陽能電池14,其中它們促成或引起pid。如果可以將電場21從蓋玻璃10除去,則將消除離子的主要動力,這樣大大減少了可以進入包封材料13并最終轉(zhuǎn)運到pv太陽能電池14的離子數(shù)量。因此,施加到蓋玻璃10,使得蓋玻璃10外側(cè)和內(nèi)側(cè)上電勢接近或相等的涂層17、18和19將消除跨過蓋玻璃10厚度的電場21??筛鶕?jù)本公開通過使涂層的電阻率相比蓋玻璃10的電阻率低來制備此類涂層??赏ㄟ^選擇前體化學品以在最終涂層中除了硅以外或代替硅,還包括其它非堿金屬氧化物來降低涂層的電阻率。例如,具有添加劑sno2、al2o3、si3n4、zro2、hfo2和ce2o3等的涂層,起到增加導電性和使涂層電阻率降低至低于約1010ω/□薄層電阻的作用。這些添加劑可呈細粉,如納米顆粒形式,少量添加。另外,導電性碳納米管(cnt)或銀納米線可分散在液體涂層材料中以控制薄層電阻。
在蓋玻璃10內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的本公開的涂層17和19分別包含從太陽到pv太陽能電池14的部分光程。因此其光學特征影響光線在該光程上的傳輸。對于玻璃10外側(cè)上的涂層17而言,期望在350nm至1100nm波長范圍內(nèi)具有介于約1.52和約1.24之間,及介于約1.4和約1.3之間的折射率(ri)。還期望具有介于約50nm至約250nm,和約100nm至約150nm之間,和約120nm±15nm的最終固化涂層厚度。這些ri和厚度值可優(yōu)化以便通過蓋玻璃10進行光傳輸并且將蓋玻璃10外表面的太陽光譜反射減到最小。
對于蓋玻璃10內(nèi)側(cè)上的涂層19而言,期望在350nm至1100nm波長范圍內(nèi)具有的ri匹配蓋玻璃10和包封材料13在相同波長范圍內(nèi)的ri。如果蓋玻璃10和包封材料13之間在ri上存在差異,則對于涂層19而言期望具有接近通過下式計算的值,其中n為涂層19的ri,n1為蓋玻璃10的ri并且n2為包封材料13的ri。
涂層材料19的ri可介于約1.52和約1.45之間及介于約1.52和約1.48之間并且可為1.52±0.02。涂層19的厚度可介于約50nm和約10μm之間,及介于約100nm和約250nm之間,及介于約500nm和約5μm之間,及介于約1μm和約10μm之間。
本公開中的涂層的ri可調(diào)節(jié)。取純二氧化硅涂層的基礎(chǔ)ri為約1.45,則可通過增加材料的孔隙率降低ri。可通過選擇包括影響二氧化硅網(wǎng)絡(luò)形成方式的有機基團的前體化學品來增加孔隙率;可用直接合成或在配制期間添加的納米顆粒形成涂層;可包括在熱處理步驟期間被燒掉,在形成的涂層中留下孔隙的生孔劑材料(porogenmaterial)。合適的生孔劑包括peo、ppo、二乙烯氧化物、二丙烯氧化物、peg100、200、300、400、600、吐溫20(tween20)和吐溫80。可通過添加金屬氧化物(例如,陶瓷)納米顆粒如tio2、sno2、al2o3、si3n4、zro2、hfo2、ce2o3等增大涂層的ri。
對于蓋玻璃10內(nèi)側(cè)上的涂層19的另一考慮是涂層19和蓋玻璃10之間及涂層19和包封材料13之間的附著??砂ㄔ谕繉优渲莆镏写龠M與包封材料的附著的材料包括甲基芳氧基丙基-、縮水甘油氧丙基-和甲基丙烯酰氨基丙基-三烷氧基硅烷。
一般而言,可使用多個步驟將涂層溶膠施加到指定基板上,例如三個步驟。第一,可清潔并預處理基板。第二,可用溶膠或溶膠混合物涂布基板。第三,在基板上形成最終涂層。
作為初始步驟,可預處理或預先清潔基板以去除表面雜質(zhì)并且通過產(chǎn)生新生表面或在表面上產(chǎn)生新結(jié)合位點而活化表面。期望通過預處理或清潔基板增加基板的表面能以形成“活化”表面。例如活化表面可以是具有許多暴露的si-oh部分的表面?;罨砻鏈p小基板的接觸角并使得表面上溶膠的有效潤濕成為可能。在一些實施方案中,物理拋光或清潔和/或化學蝕刻的組合可足以提供溶膠的均勻潤濕。在需要進一步降低表面張力的情況下,可用表面活性劑稀溶液(低分子量表面活性劑如surfynol);長鏈醇如己醇或辛醇;低分子量氧化乙烯或氧化丙烯;或商業(yè)洗碗機用洗滌劑如cascade、finish或electrasol預處理基板以幫助溶膠更好地散布在玻璃表面。
因此,表面預處理可涉及表面的化學和物理處理的組合?;瘜W處理步驟可包括(1)用溶劑或溶劑組合、洗滌劑、弱堿如碳酸鈉或碳酸銨清潔表面和/或(2)連同磨料墊一起用溶劑清潔表面,(3)任選地化學蝕刻表面,和/或(4)用水洗滌表面。物理處理步驟可包括(1)用溶劑或溶劑組合清潔表面,(2)連同微粒磨料一起用溶劑清潔表面,和(3)用水洗滌表面。應認識到,可僅使用化學處理步驟或僅使用物理處理步驟預處理基板。可選地,化學和物理處理步驟兩者可呈組合使用。還應認識到,在清潔刷或清潔墊與表面之間摩擦的物理清潔作用是表面準備的重要方面。
在化學處理第一步中,可用具有可變疏水性的溶劑或溶劑組合處理表面。所用典型溶劑為水、乙醇、異丙醇、丙酮和甲乙酮。商用玻璃清潔劑(例如,windex)也可用于這個目的??蓡为毜赜锚毩⑷軇┗蛲ㄟ^使用溶劑混合物來處理表面。在第二步中,磨料墊(例如,scotchbrite)可使用溶劑在表面上摩擦,注意這可連同第一步一起或在第一步之后單獨進行。在最后一步中,可用水洗滌或沖洗表面并干燥。
通過這種方法進行基板準備的一個實例涉及用有機溶劑如乙醇、異丙醇或丙酮清潔表面以去除表面有機雜質(zhì)、污垢、粉塵和/或油脂(用或不用磨料墊),接著用水清潔表面。另一個實例涉及用甲乙同清潔表面(用或不用磨料墊),接著用水洗滌表面。另一個實例基于使用乙醇和丙酮的1:1混合物去除有機雜質(zhì),接著用水洗滌表面。
在一些情況下可進行用濃硝酸、硫酸或食人魚洗液(96%硫酸和30%h2o2過氧化氫的1:1混合物)化學處理表面的任選步驟以使得表面適于與沉積的溶膠粘合。通常這個步驟在最后一步用水沖洗表面之前進行。在一個實施方案中,可將基板置于食人魚洗液中20分鐘,接著浸入去離子水中5分鐘。然后可將基板轉(zhuǎn)移到另一個裝有新鮮去離子水的容器中并且再浸泡5分鐘。最后,可用去離子水沖洗基板并風干。
可選地或另外可通過物理處理來準備基板。在物理處理情況下,對于一個實施方案而言,可經(jīng)溶劑及清潔刷或清潔墊的機械作用簡單地清潔表面,任選地向溶劑中添加表面活性劑或洗滌劑,之后用水沖洗基板并風干。在另一個實施方案中可首先用水清潔表面,之后向基板表面上添加磨料顆粒粉如二氧化鈰、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、硅酸鋁、二氧化硅、氫氧化鎂、氫氧化鋁顆粒、氮化硅、碳化硅或其組合以在表面上形成漿料或糊劑。磨料可呈粉末形式或者可呈漿料、分散物、懸浮液、乳液或糊劑形式。磨料的粒度可在0.1至10微米間變化并且在一些實施方案中在1至5微米間變化??山?jīng)由用墊(例如,scotchbrite墊)、布、泡沫或紙墊摩擦,用磨料漿料拋光基板??蛇x地,可通過放置在拋光機的轉(zhuǎn)盤上,接著在表面上施加磨料漿料并且當基板在盤上旋轉(zhuǎn)時用墊摩擦來拋光基板。另一種替代性方法涉及使用電動拋光機,其可與磨料漿料組合用作摩擦墊以拋光表面。用漿料拋光的表面可用水清潔并風干。
預處理表面之后,可通過本領(lǐng)域已知的技術(shù),包括浸涂、噴涂、流涂、輥涂或狹縫模具式涂布,使涂層沉積在基板上以在基板上形成均勻涂層??梢允褂玫钠渌练e方法包括旋涂;氣溶膠沉積;超聲、熱或電沉積方法;微沉積技術(shù)如噴墨、噴射、靜電印刷術(shù);或商業(yè)印刷技術(shù)如絲網(wǎng)印刷、點陣式印刷等。溶膠的沉積可以在環(huán)境條件下或在控制的溫度和濕度條件下進行。在一些實施方案中溫度控制在20℃和35℃之間和/或相對濕度控制在20%和60%之間或更優(yōu)選在25%和35%之間。
在一些實施方案中,可通過流涂使溶膠沉積,其中溶膠以一定速率從單個噴嘴分布到移動基板上使得流動溶膠在表面上產(chǎn)生均勻沉積物,或從多個噴嘴分布到固定表面上或從狹縫分布到固定表面上。另一種沉積方法是通過使液體溶膠沉積到基板上,接著使用機械分散劑以使液體均勻散布到基板上。例如,刮板或具有尖銳、界限清楚的、均勻邊緣的其它機械裝置可用于散布溶膠如輥涂。
所沉積的涂層混合物的厚度可受涂布方法,以及涂層混合物的粘度影響。因此,應選擇涂布方法,使得對于任何指定涂層混合物而言獲得所需涂層厚度。對于流涂法而言控制平均厚度的臨界參數(shù)可以是涂層材料的非揮發(fā)性固體含量。對于輥涂法而言臨界參數(shù)可以是涂層材料的非揮發(fā)性固體含量、正在涂布的基板的速度及輥的速度和壓力。在本公開的實施方案中涂層材料的非揮發(fā)性固體含量可介于0.5重量%和約10重量%之間,及介于約0.8重量%和約5重量%之間,及介于約1.4重量%和約3重量%之間。在使用逆轉(zhuǎn)輥涂法的實施方案中,基板的速度可介于約2m/分鐘和約12m/分鐘之間,及介于約3m/分鐘和約8m/分鐘之間。施加輥的速度可視為與基板速度的比率,使得可以維持約0.1至約2.00和約0.75至約1.25的基板::輥比率。刮刀輥與施加輥之間的偏差可介于約-0.05mm和約-0.5mm之間并且刮種輥與施加輥之間的偏差可介于約0mm和約-0.5mm之間。施加輥與基板表面之間的偏差可介于約-0.01mm和-0.50mm之間。施加輥的硬度介于約25肖氏(shore)和約50肖氏之間并且介于約30肖氏和約40肖氏之間,全部按肖氏a刻度測量。
存在幾種方法,可以通過其使涂層干燥并固化和/或老化以形成最終涂層。在一些實施方案中涂層可在環(huán)境或室溫條件下干燥和固化。在一些實施方案中,可通過閃干室(flash-offoven)或通過將熱風吹過表面或通過施加紅外熱來干燥涂層??杉訜峄灞砻娼橛诩s20秒至10分鐘之間和介于約1分鐘至5分鐘之間的時間至介于約100℃至約300℃之間和介于約150℃至約250℃之間的溫度。無論是在環(huán)境條件下還是通過閃干干燥,均可通過在介于約100℃至約500℃之間和介于約120℃至約300℃之間和介于約200℃至約300℃之間的溫度下,在烘箱內(nèi)加熱介于約5分鐘至約60分鐘之間和介于約15分鐘至30分鐘之間的停留時間使涂層固化。一般而言,固化溫度越低需要的固化時間越長。最高固化溫度可由所需涂層硬度決定,溫度越高將產(chǎn)生越硬的涂層并且由基板所加限制決定,如不影響玻璃基板的鋼化。在一些實施方案中涂層可在標準玻璃鋼化過程中固化。
在以下實施例中描述了溶膠制備的一般程序。這些實施例不應被視為限制性的。
在稱為實施例1的實施方案中,通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠i。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加2.87g(0.021摩爾)甲基三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌混合物約30分鐘。通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠ii。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加3.71g(0.021摩爾)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌該混合物約30分鐘。將溶膠i和ii混合在一起,接著添加6.39g(0.042摩爾)的四甲氧基硅烷。在室溫下攪拌最終混合物約30分鐘。使該混合物在環(huán)境溫度下老化24小時至120小時。
在稱為實施例2的實施方案中,通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠i。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加2.87g(0.021摩爾)甲基三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌混合物約30分鐘。通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠ii。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加3.71g(0.021摩爾)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌該混合物約30分鐘。將溶膠i和ii混合在一起,接著添加8.8g(0.042摩爾)的四乙氧基硅烷。在室溫下攪拌最終混合物約30分鐘。使該混合物在環(huán)境溫度下老化48小時。
在稱為實施例3的實施方案中,通過為500ml燒瓶裝入354g的ipa和50g的0.04mhcl制備溶膠。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加4.37g(0.0321摩爾)甲基三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌混合物約30分鐘,接著添加7.08g(0.034摩爾)的四乙氧基硅烷。在室溫下攪拌最終混合物約30分鐘。使該混合物在環(huán)境溫度下老化48小時。
在稱為實施例4的實施方案中,通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠i。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加2.63g(0.0193摩爾)甲基三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌混合物約30分鐘。通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠ii。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加0.284g(0.0013摩爾)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌該混合物約30分鐘。將溶膠i和ii混合在一起,接著添加6.24g(0.03摩爾)的四乙氧基硅烷。在室溫下攪拌最終混合物約30分鐘。使該混合物在環(huán)境溫度下老化48小時。
在稱為實施例5的實施方案中,通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠i。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加2.39g(0.01753摩爾)甲基三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌混合物約30分鐘。通過為500ml燒瓶裝入177g的ipa和25g的0.04mhcl制備溶膠ii。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加0.399g(0.00262摩爾)的(3,3,3-三氟丙基)-三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌該混合物約30分鐘。將溶膠i和ii混合在一起,接著添加6.24g(0.03摩爾)的四乙氧基硅烷。在室溫下攪拌最終混合物約30分鐘。使該混合物在環(huán)境溫度下老化48小時。
在稱為實施例6的實施方案中,通過為500ml燒瓶裝入345g的ipa和50g的0.08mhcl制備溶膠。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加9.13g(0.067摩爾)甲基三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌混合物約30分鐘,接著添加13.96g(0.067摩爾)的四乙氧基硅烷。在室溫下攪拌最終混合物約30分鐘。使該混合物在環(huán)境溫度下老化48小時。向溶膠混合物中添加10.5ml的1-甲氧基-2-丙醇并攪拌約1分鐘。
在稱為實施例7的實施方案中,通過為500ml燒瓶裝入197g的ipa和140g的0.08mhcl制備溶膠。在室溫下按100rpm攪拌約1分鐘后,向混合物中添加30.2g(0.288)甲基三甲氧基硅烷。在室溫下攪拌混合物約30分鐘,接著添加60g(0.288摩爾)的四乙氧基硅烷。在室溫下攪拌最終混合物約30分鐘。使該混合物在環(huán)境溫度下老化48小時。
圖2示出了實驗結(jié)果,證明相對于pv太陽能組件蓋玻璃正面上的親水性抗反射涂層和無涂層,疏水性抗反射涂層的pid抗性增強。在這個實驗中使用根據(jù)實施例3制成的涂層材料輥涂用于制造晶體硅pv太陽能組件的兩張30cmx30cm的標準壓花低鐵鈉鈣蓋玻璃特征的玻璃。涂層厚度為約110nm。涂層在約275℃下硬化30分鐘。將這些樣品稱為“疏水性arc”。再選擇兩張30cmx30cm的相同玻璃并標記“未經(jīng)涂布”。將兩張30cmx30cm的具有可商購的抗反射涂層且測量的水接觸角<10°的相似玻璃標記為“疏水性arc”。使用標準的可商購eva包封劑和背板材料將六張蓋玻璃組裝成單電池微型組件。使用特制的有pid傾向的156mm多晶硅pv電池。電池位于微型組件中,使得其左上角與蓋玻璃的左上角間隔約2.5cm的距離。沿著蓋玻璃的上邊緣粘貼一條銅膠帶。六個微型組件經(jīng)瞬間高壓試驗以測量其初始最大功率(pmax)。然后在電池和銅帶之間用1000vdc電壓使其偏置并放入在85℃和85%rh條件下的恒溫恒濕箱內(nèi)。取出微型組件并進行瞬間高壓試驗并且在24小時、48小時、72小時和96小時讀數(shù)時間點記錄pmax。
實驗結(jié)果顯示對于具有經(jīng)疏水性arc涂布的蓋玻璃的微型組件而言pid抗性非常明顯的增強。平均來說,它們在96小時應力之后保持其初始功率的近60%,而具有經(jīng)親水性arc涂布的蓋玻璃和未經(jīng)涂布的蓋玻璃的微型組件在24小時應力之后基本上喪失所有功率。
圖3示出了實驗結(jié)果,證明相對于無涂層和僅在pv太陽能組件蓋玻璃正面上的涂層,pv太陽能組件蓋玻璃背面上的涂層的pid抗性增強。在這個實驗中使用根據(jù)實施例3制成的涂層材料輥涂用于制造晶體硅pv太陽能組件的六張20cmx20cm的標準壓花低鐵鈉鈣蓋玻璃特征的玻璃。涂層厚度為約110nm。涂層在約275℃下硬化30分鐘。六張中,兩張在正面(即pv太陽能組件中通常面對太陽的側(cè)面)被涂布;兩張在背面被涂布及兩張在正面和背面均被涂布。再選擇兩張20cmx20cm的相同玻璃并用作未經(jīng)涂布的對照。使用標準的可商購eva包封劑和背板材料將總共八張蓋玻璃組裝成單電池微型組件。使用特制的有pid傾向的156mm多晶硅pv電池。八個微型組件經(jīng)瞬間高壓試驗以測量其初始pmax。然后在電池和置于微型組件正面上方的一片鋁箔之間用1000vdc電壓使其偏置。然后將其放入在85℃和85%rh條件下的恒溫恒濕箱內(nèi)。取出微型組件并進行瞬間高壓試驗并且在12小時、24小時、48小時和96小時讀數(shù)時間點記錄pmax。
實驗結(jié)果顯示相對于無涂層或僅正面有涂層的微型組件,在背面和兩面均有涂層的微型組件的pid抗性非常明顯的增強。兩面和僅背面有涂層的微型組件表現(xiàn)方式相似,全部96小時應力之后保持其初始功率的約50%。僅正面被涂布的微型組件表現(xiàn)比未經(jīng)涂布的微型組件更好,在24小時應力之后保持其初始功率的約30%,而未經(jīng)涂布的微型組件在相同讀數(shù)時間點已經(jīng)衰減到接近于零功率。用完全覆蓋蓋玻璃正面的鋁箔板進行這項實驗??赡苁杷酝繉觾?yōu)于未經(jīng)涂布的玻璃的表面電阻率優(yōu)勢被低電阻箔掩蓋。
如本文所述玻璃上用于降低pid效應的涂層可用于放松對pv組件內(nèi)所含的其它組分的設(shè)計和規(guī)格限制以產(chǎn)生更好的成本和性能優(yōu)化的組件。例如,通過提供有效的離子屏障,被涂布的玻璃可允許使用工藝要求放松的氮化硅電池涂層。
對于“玻璃-玻璃”或利用玻璃作為背板材料的雙面組件而言,在玻璃背板內(nèi)表面和/或外表面上有涂層的實施方案可用于以與先前對涂布前蓋玻璃所描述的方式相似的方式降低pid效應。提到內(nèi)側(cè)或外側(cè)或內(nèi)部或外部上的涂層具有相同含義,與玻璃是在pv組件的前蓋(向陽)面還是在背面并用作背板無關(guān)。提到蓋玻璃的正面類似于背板的背面并且提到蓋玻璃的背面類似于背面玻璃的正面。
本文描述的實施方案非常適于進行其它步驟或本文敘述的步驟的變型,并且順序不同于本文描繪和/或描述的順序。
應認識到,本說明書全篇提到“一實施方案”或“一個實施方案”意指連同該實施方案描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本公開的至少一個實施方案中。因此,強調(diào)并且認識到,在本說明書的不同部分中兩次或更多次提到“一實施方案”或“一個實施方案”或“一個替代性實施方案”不一定全部提到的是同一實施方案。此外,特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可如其所應在本公開的一個或多個實施方案中合并。
類似地,應認識到在前面對本公開示例性實施方案的描述中,在單個實施方案、附圖或其描述中為了使本公開簡化,幫助理解各個創(chuàng)新方面中的一個或多個的目的,有時將本公開的各種特征分組在一起。然而,本公開的這種方法不得解釋為反映要求保護的公開內(nèi)容需要比每條權(quán)利要求中明確敘述的更多的特征的意圖。相反,正如以下權(quán)利要求所反映的,創(chuàng)新方面在于少于前面公開的單個實施方案的所有特征。因此,具體實施方式后面的權(quán)利要求書據(jù)此明確并入該具體實施方式中,每條權(quán)利要求獨立地作為本公開的單獨實施方案。
雖然本公開已經(jīng)連同詳細示出并描述的優(yōu)選實施方案一起公開,但是對其的各種修改和改進對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯而易見。因此,本公開的精神和范圍不應受前述實施例限制,而應在法律允許的最廣義上來理解。除非本文另有說明或上下文明顯矛盾,否則在描述本公開的上下文中(尤其是在以下權(quán)利要求的上下文中)使用術(shù)語“一”、“一種(個)”和“所述(該)”及類似指示物應被解釋為包括單數(shù)和復數(shù)。除非另外指出,否則術(shù)語“包含”、“具有”、“包括”和“含有”應被解釋為開放式術(shù)語(即,意指“包括但不限于”)。除非本文另有說明,否則本文對值的范圍的敘述僅僅旨在用作單獨提到屬于該范圍內(nèi)的每個獨立值的速記方法,并且每個獨立值并入本說明書中如同本文對其進行單獨敘述一樣。除非本文另有說明或上下文另外明顯矛盾,否則本文描述的所有方法按任何合適的順序進行。除非另有聲明,否則使用本文提供的任何及所有實例或示例性語言(例如,“如”),僅僅旨在更好地闡明本公開并未對本公開的范圍構(gòu)成限制。不應將說明書中的語言解釋為指示任何未要求保護的要素為本公開實踐所必需的。
雖然前面的書面描述使得普通技術(shù)人員能夠制作和使用目前被視為是其最佳模式的那些,但是普通技術(shù)人員將理解并且認識到存在本文的具體實施方案、方法和實例的變型、組合和等效物。因此本公開不應受上述實施方案、方法和實例限制,而應受本公開精神和范圍內(nèi)的所有實施方案和方法限制。
本文參考的所有文件據(jù)此通過引用并入。