适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件

摘要

本发明公开了一种适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，包括从上至下依次设置的纳米电磁屏蔽增透膜层、前封装材料层、上封装胶膜层、晶体硅电池层、下封装胶膜层和后封装材料层，增透膜层由纳米复合材料组成，所述纳米复合材料为SiO2包覆透明导电金属氧化物。本发明中由SiO2包覆导电金属氧化物复合纳米材料组成的导电性能良好的镀膜层，可以有效的吸收，引导电磁场的能量，因而能够起到电磁屏蔽作用，从而大大提高了光伏组件的输出功率。

权利要求

1.一种适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，包括从上至下依次设置的增透膜层(1)、前封装材料层(2)、上封装胶膜层(3)、晶体硅电池层(4)、下封装胶膜层(5)和后封装材料层(6)，其特征在于：所述增透膜层(1)由纳米复合材料组成，所述纳米复合材料为SiO2包覆透明导电金属氧化物，所述SiO2包覆透明导电金属氧化物包括SiO2壳层(11)和透明导电金属氧化物核(12)，所述SiO2壳层(11)为球壳结构，由SiO2包覆导电金属氧化物复合纳米材料组成的增透膜层具有导电性能，可以有效的吸收、引导电磁场的能量，能够起到电磁屏蔽作用。

2.根据权利要求1所述的适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，其特征在于：所述SiO2壳层(11)的直径小于增透膜层(1)的厚度。

3.根据权利要求2所述的适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，其特征在于：所述SiO2壳层(11)的直径为D，满足：40nm≤D≤60nm。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，其特征在于：所述SiO2壳层(11)的厚度为B，满足：1nm≤B≤3nm。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，其特征在于：所述增透膜层(1)的厚度为80nm～200nm。

说明书

适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳能光伏组件，尤其涉及一种适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件。

背景技术

[0002] 一般情况下，太阳能光伏组件项目因为需要将太阳能转换后的电能输出，需要使用中高压交流输电。项目建设中，输电电缆因项目周围环境情况，可能从光伏组件附近通
过。在光伏项目运行过程中，太阳能光伏组件发电同时输电线缆也在输出交流电，交流电电
流变化导致线缆附近产生了复杂的电磁场环境。

[0003] 晶体硅太阳能电池由PN节组成，PN节附近有因材料特性，形成了内建电场。在无外加电磁场情况下，P型材料产生的电子(带正电，少子)和N型材料产生的空穴(带正电，少子)
均朝PN两种材料结合处移动，当进入内建电场后，立刻被内建电场交换到另一种材料中，从
而产生了光生电流(如图1所示)。当光伏电池置于复杂(变化)电磁场中时，因受光照射产生
的少子移动距离增加，到达PN节内建电场时间增加(由直线变成曲线)，甚至超过少子复合
时间因此导致光生电流的减少，在光伏组件端体现为组件输出功率下降，转换效率降低(如
图2所示，X表示由于输电线电流变化导致的磁场)。

[0004] 研究表明，在强度过大的复杂变化电磁环境中，常规晶体硅光伏组件的输出功率衰减可以超过1/3甚至到1/2。复杂变化电磁环境对常规晶体硅光伏组件输出功率影响巨
大。因常规晶体硅光伏组件缺少对复杂电磁环境的一个抵抗能力，故需要光伏电站项目设
计方或施工人员在光伏组件排布和交变输电线安装设计时进行隔离操作，或降容使用，造
成太阳能能量的浪费和投资收益的下降。

[0005] (一)常规电磁屏蔽方案的缺陷

[0006] 电磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界的电磁能量传播。

[0007] 1、铁磁材料和金属良导体材料。这两类是常用的屏蔽材料。因铁磁性材料电导率小而不适合高频电磁场的屏蔽，金属良导体具有较高的电导率适合高低频电磁场以及静电
场的屏蔽。最常用的是钢板、镀锌薄钢板、铜板、铝板等电导率好的材料。金属屏蔽材料还具
有优良的力学性能，但是其密度大、易腐蚀、不易加工等缺点明显，局限性较大。

[0008] 2、表面敷层薄膜屏蔽材料。这类材料是使塑料等绝缘体的表面附着一层导电层，从而达到屏蔽的目的，属于以反射损耗为主的屏蔽材料。常用的制备方法包括化学镀金、真
空喷镀、溅射、金属熔射以及贴金属箔等。这类表层导电薄膜屏蔽材料普遍具有导电性能
好、屏蔽效果明显等优点，其缺点是表层导电薄膜附着力不高，容易产生剥离，二次加工性
能较差。

[0009] 3、填充复合型屏蔽材料。这类材料是采用导电填料与塑料等成型材料填充复合而成的。导电填料一般选用导电性能优良的纤维状、网状、树枝状或片状材料，常用的有金属
纤维、碳纤维、镀金属纤维、超细碳黑、云母片、金属片、金属合金粉等；成型材料常用合成树
脂类材料，如聚苯醚、聚碳脂酸、ABS、尼龙和热塑性聚酯等。

[0010] 4、导电涂料类屏蔽材料。导电涂料是一种功能性涂料。根据其组成和导电机理，导电涂料可以分为本征型导电涂料和掺合型导电涂料两类。本征型导电涂料是以本征导电聚
合物为成膜物质所制成的导电涂料，主要有聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等，
但是由于这些导电聚合物难溶、难熔，加工困难，仅限于实验室研究，离实际应用尚有一定
距离。目前的导电涂料主要是掺合型导电涂料，它一般以各种合成树脂为成膜剂，以具有良
好导电性能的金属微粉或非金属微粒为导电填料，经混合分散后，制成可施工的涂料，喷涂
或刷涂于塑料表面，在一定条件下固化成膜。

[0011] 以上几种常见电磁屏蔽方案，因其使用的材料不透明，导致太阳能(光线)不能很好的穿透屏蔽材料达到太阳能电池表面，故不能适应常规晶体硅太阳能光伏组件需求。

[0012] (二)透明金属氧化物导电材料。

[0013] 该类材料具有良好的到导电性和可控的光线透过率，通过控制透明金属氧化物导电材料形成的屏蔽膜层厚度，可以很好的调节屏蔽强度和光线透过率，可以比较好的适应
晶体硅光伏组件的需求。

[0014] 但是由于金属氧化物材料耐候性(承受气候的能力，如光照、风雨、冷热等)不足，不能直接在晶体硅光伏组件外部使用，而直接在光伏组件内部使用，透明金属氧化物导电
材料一般设置在在太阳能电池上方，且前封装材料与上封装胶膜之间，因材料具有一定的
导电性，可能导致光伏组件的绝缘性能失效，故不具备可行性。

发明内容

[0015] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有屏蔽导电功能、提高输出功率的适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件。

[0016] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0017] 一种适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，包括从上至下依次设置的增透膜层、前封装材料层、上封装胶膜层、晶体硅电池层、下封装胶膜层和后封装材料层，所述
增透膜层有纳米复合材料组成，所述纳米复合材料为SiO2包覆透明导电金属氧化物。

[0018] 作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述SiO2包覆透明导电金属氧化物的SiO2壳层为球壳结构。

[0019] 作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述SiO2壳层的直径小于增透膜层的厚度。

[0020] 作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述SiO2壳层的直径为D，满足：40nm≤D≤60nm。

[0021] 作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述SiO2壳层的厚度为B，满足：1nm≤B≤3nm。

[0022] 作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述增透膜层的厚度为80nm～200nm。

[0023] 本发明的创新和优点在于：

[0024] 电磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界的电磁能量传播。电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用，其与屏蔽结构表面和屏
蔽体内部感生的电荷、电流与极化现象密切相关。屏蔽按其原理分为电场屏蔽(静电屏蔽和
交变电场屏蔽)、磁场屏蔽(低频磁场和高频磁场屏蔽)和电磁场屏蔽(电磁波的屏蔽)。通常
所说的电磁屏蔽是指后一种，即对电场和磁场同时加以屏蔽。

[0025] 现有技术中还没有提出光伏组件的一个大缺陷时没有屏蔽功能，在现有技术中，增透膜层的作用是增加光的透过率，其材料一般为纯的SiO2。

[0026] 本发明在常规晶体硅光伏组件前封装材料表面，重新设计了增透膜层的表面膜层微结构，由SiO2包覆透明导电金属氧化物复合纳米材料组成，故纳米尺度上的电子隧道效
应，电子依然可以在被SiO2包覆的导电金属氧化物材料中移动，因此，SiO2包覆导电金属氧
化物复合纳米材料依然具有导电能力，在此基础上，由SiO2包覆导电金属氧化物复合纳米
材料组成的增透膜层具有导电性能，可以有效的吸收、引导电磁场的能量，因而能够起到电
磁屏蔽作用；同时，SiO2和其包覆的透明导电金属氧化物均具有纳米尺度上的光透过性，因
此具有SiO2包覆的导电金属氧化物材料组成的增透膜层同时具有良好的光透过性和电磁
屏蔽性能；又因为SiO2具有良好的环境耐候性，因此，SiO2包覆的透明导电金属氧化物材料
组成的增透膜层具有良好的使用寿命，在光伏组件寿命周期内长期可长期起效。

附图说明

[0027] 图1是光伏组件中太阳能电池工作原理图(外界无磁场)。

[0028] 图2是光伏组件中太阳能电池工作原理图(外界有复杂磁场)。

[0029] 图3是本发明的光伏组件结构示意图。

[0030] 图4是本发明的纳米电磁屏蔽增透膜层微观结构示意图。

[0031] 图5是本发明中纳米SiO2包覆金属氧化物复合材料的结构示意图。

[0032] 图6是现有技术中增透膜层的结构示意图。

[0033] 图中各标号表示：

[0034] 1、纳米电磁屏蔽增透膜层；11、纳米SiO2壳层；2、前封装材料层；3、上封装胶膜层；4、晶体硅电池层；5、下封装胶膜层；6、后封装材料层；7、纯SiO2球壳。

具体实施方式

[0035] 以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0036] 如图3至图5所示，本实施例的适用于复杂变化电磁环境下的晶体硅光伏组件，包括从上至下依次设置的增透膜层1、前封装材料层2、上封装胶膜层3、晶体硅电池层4、下封
装胶膜层5和后封装材料层6，增透膜层1为具备电磁屏蔽功能的纳米复合材料，该纳米复合
材料为SiO2包覆透明导电金属氧化物。SiO2包覆透明导电金属氧化物包括SiO2壳层11和透
明导电金属氧化物核12。

[0037] 透明导电金属氧化物核12的材料选择需满足：(1)材料尺寸调整到纳米级后，具有导电性；(2)材料尺寸调整到纳米级后，光线透明度高。符合的有ITO/TCO材料，如：In2O3：Sn，
SnO2，ZnO2，CdO2，CdIn2O4，Cd2SnO4，Zn2SnO4，In2O3‑ZnO。

[0038] 这样构成的纳米SiO2包覆金属氧化物复合材料具有导电性和透光性，在这种情况下，导体中的带电粒子因量子隧穿效应，可以透过SiO2纳米尺度壳材料，形成表面覆盖SiO2
材料的稳定透明的导电体，当这种材料组成增透膜材料时，即可形成具有良好导电性能(电
磁屏蔽能力)的稳定性高的透明膜层，再利用纳米SiO2包覆金属氧化物在晶体硅光伏组件
前封装材料表面形成具有电磁屏蔽功能的增透膜层1，代替纯SiO2材料形成的光线增透膜
层，大大提高了光伏组件的输出功率。

[0039] 在具体应用实例中，纳米SiO2壳层11的结构可以为球壳也可以不为球状，只需要材料有截面可以形成类似截面即可。如图4所示，本实施例中，纳米SiO2壳层11为球壳结构。
纳米SiO2壳层11的直径D小于纳米电磁屏蔽增透膜层1的厚度，并且D满足：40nm≤D≤60nm。
图5中，现有技术增透膜采用的是纯SiO2球壳结构。

[0040] 纳米SiO2壳层11的厚度为B，为允许电子穿透，满足：1nm≤B≤3nm。本实施例中，优选为B取值1nm。SiO2壳层11主要用于保护透明导电金属氧化物，壳层11的厚度B取决于电子
纳米隧穿效应的最长距离(类似隧穿现象发生的尺寸与行进波的波长有关)。对于电子来
说，绝缘壳层的厚度通常只有几纳米，所以厚度越薄，越容易形成导电的电池屏蔽材料，根
据工艺可行性，越薄的壳层厚度B越适合，电子(电子是导电金属氧化物中可自由移动的电
子)可以穿透SiO2壳层11，才可以在组成镀膜层后在不同的透明导电金属氧化物核12之间
转移，使镀膜层具有导电能力，从而变成可屏蔽电磁波镀膜层(增透膜层1)。

[0041] 在具体应用实例中，增透膜层1的厚度为80nm～200nm。本实施例中，优选的，增透膜层1为100nm。

[0042] 制作本发明的具有抗电磁能力的晶体硅光伏组件方法：

[0043] A：在光伏组件生产前，使用SiO2包覆透明导电金属氧化物复合材料在前封装材料上形成增透膜层1，再用该前封装材料生产晶体硅光伏组件。

[0044] B：对于已完成建设的光伏项目，由于光伏组件已完成制作，可以采用喷涂工艺喷涂在需要改造的光伏组件表面，待分散介质蒸发后，可在待改造光伏组件表面形成增透膜
层1达到改造目的。

[0045] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对
本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是
未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、
等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。