具有发光太阳能集中器纳米材料涂层的透明太阳能玻璃板

本文中描述的本发明的各个方面是根据希腊西部地区战略计划2014-2020由希腊基金和欧洲区域发展基金(ERDF)共同资助研发的成果，其基于合同《在“微电子学”(包括综合系统应用&创新IT应用)和“先进材料”领域中支持小型和中型企业研究项目》(《Supportfor Small and Medium Enterprises for research projects in the fields of"MICROELECTRONICS"(including integrated systems applications&innovative ITapplications)and"ADVANCED MATERIALS"》)，重点支柱：《提高公司的竞争力和外向性，向优质企业过渡，带动前沿创新并增加国内附加值》(《Enhancing the competitiveness andextroversion of companies,transition to quality entrepreneurship,withinnovation at the forefront and increasing domestic added value》)，区域分类：欠发达地区，项目名称：“高效且低成本光伏(PV)玻璃的研究-开发计划”(BRITE_PVGlass,DEMP-0006/0028463)。

技术领域

本发明涉及太阳能模块(solar module)且尤其是太阳能模块的背涂层和相关材料。特别地，本发明涉及半透明晶体硅太阳能模块以及新型纳米涂层对其的改性，新型纳米涂层使光谱由UV区位移至太阳光可见区以提高太阳能电池的性能并增加PAR(光合有效辐射)。该纳米涂层基于主要由有机/无机化合物组成的单一层或单层膜。该纳米涂层可以含有一或两层可选的膜，可选的膜通过喷墨印刷法或任何其它沉积法而沉积于玻璃基质太阳能电池的背面并与之接触。还可以有针对结构的其它变型、修改或替换，目的在于太阳能模块的最佳性能。

背景技术

已知的，太阳能电池板用于捕捉太阳能并将能量转换为电力。目前，太阳能电池板能够将入射光的可见光部分(400nm-700nm)转换为电力并且具有15％-20％的转换效率。多年以来，由晶体硅或非晶硅组成的太阳能模块广泛用于发电，展示了增强的性能和稳定性。典型地，一系列硅晶片由电扁线(electrical flat wire)焊接在一起形成太阳能电池板，其由热塑性聚合物材料(诸如EVA、PVB等)封装于背面。离开模块的母线电连接至太阳能电池板背面的接线盒。将太阳能电池层压于封装层以便保护太阳能电池免受环境改变、潮湿和腐蚀的影响。原则上，太阳能模块包括：前玻璃制成的光接收侧，具有互联线的太阳能电池(互联线密切接触玻璃板)和背面非光接收侧(具有密封剂层和接线盒)。虽然晶体硅基太阳能模块相比于其它技术而言效率很高，但是仍高度需要更加卓越并改进的太阳能模块，对于特定应用具有可能的透明度，不知为何，这种透明度在光伏模块现状中是微不足道的。已经提议采用特殊颜料来极好的包覆典型硅晶体板以改善太阳能电池的性能，但是这种构型会吸收可见光中的特定波长，在一些应用中这是不期望的。将吸收太阳辐射的UV部分并在可见光区发光的纳米涂层用作太阳能电池的共增敏剂是增强PV模块性能的一种有效结构。如果太阳能电池部分地覆盖玻璃并且一部分玻璃无太阳能电池，那么这能使太阳能电池板具有透明度。UV吸收和可见光发射的纳米涂层与透明太阳能模块的组合能够给予太阳能电池更多的光线并且还增强PAR辐射。

发明内容

在对本发明的实施方案进行详细解释之前，应当理解的是，本发明并不限于以下描述的结构细节和组件设置。以下列举的任何数值范围目的在于包括并具体公开指定的端点和该范围内的整数和分数。

本发明提供了由纳米涂层的UV或可见光谱位移，纳米涂层通过喷墨印刷或任何其它相关印刷技术涂覆于玻璃的背面，前述玻璃支持太阳能模块中的太阳能电池并与之接触。尤其，本发明包括系统和方法，该系统和方法通过给予光伏(PV)技术有效收获太阳光谱中可用光的更多波长的能力来提高所有商品化且新兴的光伏(PV)技术的效率，并利用该提高的效率来提高透明太阳能玻璃的生产。特别地，为了更好的利用太阳光，我们建议：通过克服上述晶体硅PV技术中不吸收和热损失(这已成为限制其效率的瓶颈)，使用光谱转换器来吸收不能被有效捕获的太阳光子并将其转换为更适合转换的波长。例如，在单晶硅(c-Si)PV电池中，肖克利奎伊瑟极限(Shockley–Queisser limit)显示转换效率置于30％左右。只有装置以等于或大于带隙能量(E

根据本发明的进一步的方面，本发明进一步的实施方案可包括：

生产太阳能玻璃板，太阳能玻璃板利用光谱转换器来吸收不能被有效捕获的太阳光子并将其转换为更适合转换为电的波长。

生产太阳能玻璃板，依据每种应用的需要，太阳能玻璃板可以是不同尺寸和形状。

依据每种应用的需要，使用不同数目的嵌入式太阳能电池生产不同水平的透明度和功率输出的太阳能玻璃板

依据每种应用的需要，生产具有安装灵活的单接线盒或两个接线盒(正和负)的太阳能玻璃板

纳米涂层用作玻璃内侧现有太阳能板上的光谱转换器并与太阳能电池接触。

附图说明

参考附图，这些附图从本发明的各方面对本发明的示例性实施方案进行了说明，下面提供的详细说明对本发明的各种特征、优点和方面进行了详细解释。正因为如此，从以下详细的说明并结合附图，可以更清楚地理解本发明的特征。附图所说明的每一个示例性方面或者实施方案并不旨在衡量、包括所有方面，也不旨在限制本发明的范围，因为本发明可允许其它同等有效的实施方案和方面。

图1：串联连接的单个太阳能电池组成的太阳能玻璃的示意图。

图2：光谱转换器中的光致发光过程：发光下移(DS)化合物的简化的能级图。

图3：没有发光化合物纳米涂层的c-Si PV面板(a)和具有发光化合物纳米涂层的c-Si PV面板(b)。

图4：基于红色发光化合物和绿色发光化合物的纳米涂层的吸收/发射实例。

图5：DS材料存在下的太阳能电池的太阳能板的未覆盖部分的透射比％。

图6：太阳光激发后DS红光发射纳米涂层覆盖的玻璃的图像(A)或UV光激发后DS红光发射纳米涂层覆盖的玻璃的图像(B)。

具体实施方式

本发明涉及不同尺寸、透明度水平和功率输出的太阳能玻璃上的喷墨印刷太阳能光谱转换器的各方面。将参照显示了本发明示例性实施方案的附图来描述本发明。在图1中，呈现了具有喷墨印刷太阳能光谱转换器的半透明太阳能玻璃。尤其，根据现有太阳能电池技术采用喷墨印刷材料制备的光谱转换器附加层来制造PV玻璃，在可见光区域获得了更高的效率。依据玻璃的尺寸、目标透明度和功率输出，太阳能玻璃由彼此串联的12-44个单个太阳能电池组成。各电池之间的距离可以依据所期望的视觉效果而改变。依据使用的太阳能电池的数目，太阳能玻璃的透射比可以改变并且与最终的功率输出成反比。

为了更好的利用太阳光，我们建议：通过克服上述晶体硅PV技术中不吸收和热损失，使用光谱转换器来吸收不能被有效捕获的太阳光子并将其转换为更适合转换的波长。由于(c-Si)PV在中波长区域相比于可见光辐射的UV-蓝短波长区域具有相对强的吸收，发光下移(down-shifting，DS)(其将不能被充分利用的较高能量光子转换为能够被很好地用于光电流产生的较低能量光子)应当是改善UV-蓝光应答的直接途径(图2)。

这些DS化合物的应用可以通过如下方式：在完全透明(在光的可见范围内)基质中分散或喷墨印刷发光物质诸如稀土元素发光体，在第一种实施方案中在(c-Si)PV之前涂覆它们或在第二种实施方案中将它们涂覆于面板中保留PV的玻璃上，DS的融合不需要对给定的(c-Si)PV的装置结构和输出电路进行任何调整(图3)。通常，(c-Si)PV的理想的DS融合应当满足基本要求，即发光物质应当具有高的光致发光量子产率，但在PV材料的应答区域几乎没有吸收重叠。基于该原因，我们提供了两种材料例子，通过在UV区的选择性吸收，这两种材料用作可见光区的光集中器。尤其，作为第一种实施方案，在可见光区选择性发射的两种稀土基化合物(红色是铕基化合物，如图4的(a)，绿色是铽基化合物，如图4的(b))用于覆盖玻璃板，支持玻璃内侧的硅光伏电池并与太阳能电池接触。与两种化合物在UV的吸收谱相比较，硅PV在UV区域的低光谱应答能够成功地避免对太阳能电池的任何遮挡效应，同时通过这些化合物的强发射会促进可见光的利用。

通常，用作光集中器的材料需要展示高透射比和合适的折射率(n＝1.4-2.4)以便防止尤其是在(c-Si)PV具有强应答的光谱区的散射和吸收。上述两种材料在可见光区具有高透射比(从图4很容易看出)并且在所述范围内具有折射率。虽然玻璃被DS材料覆盖，中间的空间(在那里，太阳能电池没有存在于面板中)在光的可见区是完全透明的，如图5所见。

稀土元素发光体如DS材料可以来自于用于红光发射的多种铕复合物，例如，具有噻吩甲酰三氟丙酮配体的铕或钐，具有邻二氮杂菲配体的铕或钐，具有2-(5,6-二苯基-1,2,4-三嗪-3-基)吡啶配体的铕或钐，具有2-(1H-1,2,4-三唑-3-基)吡啶配体的铕，或者它们的组合。对于绿光发射，可以使用一系列铽复合物。例如，可以使用具有乙酰丙酮配体的铽或具有邻二氮杂菲配体的铽或者它们的组合。一系列其它稀土诸如铒、镨和钇也可以以前述配体复合物的形式而被使用。

通过喷墨印刷具有高覆盖和均匀性的特殊油墨可在安装至面板之前将这些化合物应用于玻璃上或可选地应用于硅PV上，此外，利用喷墨印刷技术实现材料的高消耗。作为图3所示的针对温室应用专门设计的c-Si PV板的例子，玻璃朝向太阳能电池的部分由发光化合物覆盖，如此一来，在UV辐照(太阳光的一部分)之后，太阳能电池有效捕获了强发射红光。另一方面，无生产性并且在一些情况下对太阳能电池长时间运行有害的UV光被相同的发光化合物有效吸收。然而，在下面提供的附图中，太阳能电池中的区域还被发光化合物覆盖，因为当这些面板安装于温室的架子时，太阳光红光区域的放射率可被有效用于植物光合作用。

使用喷墨印刷方法用于红光转移的纳米涂层制剂的典型实例如下：

用于印刷过程的油墨可以包括但不限于10ml异丙醇和0.02-0.04克氯化铕或硝酸铕或任何其它铕盐。此外，还存在0.056-0.112克噻吩甲酰三氟丙酮或任何其它二酮酸酯(diketonate)。

喷墨印刷站可包括一个按需滴定(DOD)的具有16个或更多个喷嘴的压电喷墨喷头，取决于印刷机，喷嘴间距为约254微米，且一般液滴大小为1至10皮升(picoliter)之间。印刷头优选安装在计算机控制的能够精确移动5μm的三轴系统。

为了印刷铕油墨，例如，可将基板温度(T

表1：铕基油墨的典型印刷参数

波形宽度(μs):15.296

最大喷射频率(kHz):10

发射电压(V):16

弯液面真空度(英寸H

墨盒温度(℃):30

墨盒高度(mm):0.600

基板温度(℃):25

作为玻璃上纳米涂层的建议的稀土复合物的发射通过吸收UV光而在光可见区非常的强。红色发射光的典型实例可见于图6。通过吸收自然太阳光(图6的(A))或UV光(图6的(B))，发射光非常强。纳米涂层可存在于玻璃内侧上太阳能板的整个区域，可与太阳能电池接触，也可不接触。依据纳米涂层的种类，因存在纳米涂层而使太阳能电池性能增加2-10％，PAR增加1-3％。

前面的描述公开了本发明的示例性的实施方案。虽然通过具体的实施方式及其应用描述了本文公开的发明，但是本领域技术人员在不脱离权利要求书限定的本发明范围的情况下，可以对此做出多种修改和变型。落入本发明范围的、对以上公开的装置和方法作出的修改，对本领域技术人员来说是十分明显的。因此，其它实施方案可落入本发明的精神和范围，如所附权利要求书所定义的。

在上述说明书中，提出许多具体细节以更彻底地理解本发明的实施方案。然而，对本领域普通技术人员来说明显的是，即使不包括本文描述的具体细节的所有方面，本发明仍然是可以实现的。在其它情况下，没有详细描述本领域技术人员已知的具体细节，以便不混淆本发明。读者应注意，虽然这里提出了本发明的实施例，但是本发明的保护范围由权利要求书及其任何等同的范围所限定。