汽车、车用柔性半导体光伏电池组件的力学防护结构

本发明涉及光伏电池组件，具体而言，涉及一种汽车、车用柔性半导体光伏电池组件的力学防护结构。

背景技术：

1、在客车技术领域，将柔性钙钛矿光伏电池集成于车身表面以实现太阳能辅助供电，是提升车辆能源效率的重要方向。钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏器件，其光吸收层对水氧极为敏感，需要在封装结构中实现有效的水汽与氧气阻隔，以保证器件的长期稳定性。专利cn222532144u提出了一种柔性钙钛矿光伏组件的封装结构，采用第一无机阻挡层、第二无机阻挡层、有机缓冲层以及水氧阻隔膜对钙钛矿光伏组件进行封装，在不影响光伏组件吸光性能的基础上，通过物理吸附或化学反应与各阻挡层协同作用，避免水氧对钙钛矿光伏组件的损坏，同时通过设置水氧阻隔膜减少了封装层层叠结构的层数及封装层的厚度，有利于提升钙钛矿光伏组件的柔性并释放封装结构内部的无机阻挡层应力。

2、然而，该封装结构的应力释放作用仅针对封装材料自身的热膨胀与固化收缩，未涉及面向外部力学载荷的防护设计。此外，有现有技术将钙钛矿光伏组件集成于汽车玻璃的夹层结构中，使发电单元与车身透光部件一体化融合，兼顾采光、隔热与发电功能，并将光伏输出电能经电压转换后接入车辆原有电池管理系统进行统一监控与控制。但这种集成方式对光伏组件的力学防护完全依赖玻璃的刚性支撑，当应用于客车大面积曲面天窗或侧窗时，玻璃在飞石冲击下存在破裂风险，且刚性固定方式无法释放车身扭转与振动带来的形变应力，一旦玻璃受损或形变超限，夹层内的光伏组件将直接失效，更换成本极高。也有技术方案将多个柔性光伏单元依次铰接并收纳于保护性外层内，实现可折叠收纳与便携携带，但该方案本质上是一个独立于车身的外置移动充电配件，与客车车身之间不存在固定集成关系，完全不考虑车辆行驶过程中的持续振动隔离、形变跟随与高速异物防护。

3、综上，现有技术在水氧阻隔性能提升、组件柔性优化以及电气集成控制等方面取得了不同程度的进展，但对于集成于客车车身的柔性钙钛矿光伏组件，现有方案功能相对单一，缺少能够同步解决应力集中开裂、形变疲劳衰减、界面剥离、水氧入侵等核心问题的系统性力学防护体系。

技术实现思路

1、本发明提供了一种汽车、车用柔性半导体光伏电池组件的力学防护结构，旨在改善上述技术问题中的至少一个。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种车用柔性半导体光伏电池组件的力学防护结构，其包括：适于沿车辆外侧受光面至车身骨架方向依次层叠设置的刚柔复合防刺穿装甲层、梯度缓冲与应力均化层、柔性半导体光伏电池单元层以及一体化封装与浮动支撑限位集成层。

3、所述刚柔复合防刺穿装甲层和所述梯度缓冲与应力均化层位于所述柔性半导体光伏电池单元层的受光面一侧，并均采用透光材料。

4、所述刚柔复合防刺穿装甲层用于承接外部冲击并抑制异物刺穿。

5、所述梯度缓冲与应力均化层包括沿冲击传播方向弹性模量递减的高模量透明蜂窝缓冲层、中模量梯度阻尼缓冲层和低模量界面应力释放层，用于将所述外部冲击由集中载荷转化为分布载荷。

6、所述一体化封装与浮动支撑限位集成层用于使所述柔性半导体光伏电池单元层相对于所述车身骨架弹性浮动，以隔离车身振动和车身扭转形变。

7、所述一体化封装与浮动支撑限位集成层包括围绕所述柔性半导体光伏电池单元层周向设置的一体化封装边框、用以连接所述一体化封装边框与车身骨架的阵列式浮动支撑单元，以及用以设置于所述一体化封装边框与所述车身骨架之间的周向多向限位组件。

8、作为进一步优化，所述刚柔复合防刺穿装甲层与所述梯度缓冲与应力均化层之间通过透光粘弹性缓冲胶层低温热压胶合。

9、所述柔性半导体光伏电池单元层包括位于受光面侧的前封装层。

10、所述前封装层经等离子体处理或涂覆硅烷偶联剂底涂后，与所述低模量界面应力释放层自粘贴合。

11、所述低模量界面应力释放层被配置为衰减由外部冲击载荷产生的剪切应力和弯曲应力，并将法向应力以均匀分布形式传递至所述柔性半导体光伏电池单元层。

12、作为进一步优化，所述刚柔复合防刺穿装甲层沿车辆外侧受光面至所述车身骨架方向依次包括疏水自清洁涂层、透光抗冲击硬化层、多向编织韧性透明纤维复合层以及透光粘弹性缓冲胶层。

13、所述刚柔复合防刺穿装甲层的整体厚度为1.0mm至2.0mm。

14、所述疏水自清洁涂层为无氟纳米复合自清洁涂层，厚度为100nm至500nm，水接触角不小于110°。

15、所述透光抗冲击硬化层为化学强化透光玻璃层，厚度为0.3mm至0.7mm，铅笔硬度不低于5h。

16、所述多向编织韧性透明纤维复合层包括双层正交编织透明纤维结构，单层厚度为0.15mm至0.3mm。层间通过透光环氧树脂粘接。

17、所述透光粘弹性缓冲胶层为透光聚烯烃弹性体胶膜或热塑性聚氨酯胶膜，厚度为0.2mm至0.5mm，且水汽透过率小于。其中，为克，为平方米，为天。

18、作为进一步优化，所述梯度缓冲与应力均化层的弹性模量沿冲击传播方向递减，并满足：

19、。

20、式中，为高模量透明蜂窝缓冲层的弹性模量。为中模量梯度阻尼缓冲层的弹性模量。为低模量界面应力释放层的弹性模量。

21、在所述高模量透明蜂窝缓冲层、中模量梯度阻尼缓冲层和低模量界面应力释放层的等效层间方向上，弹性模量呈递减趋势：。式中，为沿冲击传播方向变化的弹性模量。为沿冲击传播方向的空间坐标。

22、作为进一步优化，所述高模量透明蜂窝缓冲层为透明聚碳酸酯蜂窝结构，厚度为1.5mm至2.5mm，弹性模量为2gpa至2.5gpa。壁厚为0.1mm至0.2mm，孔格边长为4mm至6mm。

23、所述中模量梯度阻尼缓冲层为梯度孔隙率透明硅橡胶泡沫层，厚度为2mm至4mm，孔隙率沿所述车辆外侧受光面至所述车身骨架方向由60%升高至85%，对应弹性模量从10mpa线性降低至2mpa。

24、所述低模量界面应力释放层为透光有机硅凝胶层，厚度为0.5mm至1mm，弹性模量为0.1mpa至0.5mpa。

25、所述高模量透明蜂窝缓冲层、中模量梯度阻尼缓冲层以及低模量界面应力释放层被配置为在外部冲击载荷作用下将点载荷逐级扩展为面载荷，并使传递至所述柔性半导体光伏电池单元层的等效应力满足：。式中，为传递至柔性半导体光伏电池单元层的等效应力。为电池材料开裂极限应力。

26、作为进一步优化，所述阵列式浮动支撑单元包括固定底座、多维弹性缓冲件、绝缘连接块，以及锁紧件。

27、所述固定底座能够固定于所述车身骨架，所述多维弹性缓冲件设置于所述固定底座与所述绝缘连接块之间，所述绝缘连接块与所述一体化封装边框连接，所述锁紧件用于限制所述一体化封装边框相对于所述固定底座的最大形变量。

28、所述多维弹性缓冲件为球形聚氨酯弹性体或碟形弹簧组合，用于实现纵向、横向以及扭转方向的弹性形变。

29、多个所述阵列式浮动支撑单元沿所述车身骨架阵列分布，横向间距为300mm至500mm，纵向间距为400mm至600mm。

30、所述阵列式浮动支撑单元构成弹簧-阻尼支撑系统，所述弹簧-阻尼支撑系统的动力学行为满足：

31、。

32、式中，为电池组件等效质量。为电池组件在弹性支撑系统中的等效位移随时间变化的函数。为电池组件等效位移对时间的二阶导数。为弹性体阻尼系数。为电池组件等效位移对时间的一阶导数。为支撑刚度。为作用于电池组件的等效时变激励力。为时间。

33、作为进一步优化，所述阵列式浮动支撑单元被配置为使振动传递率满足：。式中，为振动传递率。为电池组件输出位移幅值。为车身输入位移幅值。

34、所述周向多向限位组件包括多组对称分布于所述一体化封装边框与所述车身骨架之间的弹性限位块。所述弹性限位块用于在所述一体化封装边框的位移达到设计阈值时触发刚性限位，并使系统最大位移满足：。式中，为结构允许的最大位移。

35、所述周向多向限位组件采用高阻尼丁腈橡胶材料，厚度为6mm至10mm，邵氏硬度50至60ha。

36、所述固定底座与所述锁紧件之间设置有机械止挡结构，所述机械止挡结构包括设置于所述固定底座上端面的环形凸台以及设置于所述锁紧件下端面的环形台阶。

37、在所述多维弹性缓冲件处于正常工作状态时，所述环形凸台与所述环形台阶之间形成间隙。

38、在所述多维弹性缓冲件失效时，所述一体化封装边框相对于所述固定底座下沉，使所述环形凸台与所述环形台阶接触，并使所述结构允许的最大位移满足：。

39、作为进一步优化，所述一体化封装边框与所述柔性半导体光伏电池单元层的边缘密封连接，并形成容纳所述柔性半导体光伏电池单元层的密封腔体。

40、所述密封腔体内设置有分子筛干燥剂，且所述密封腔体的水汽透过率满足：。式中，为密封腔体的水汽透过率。

41、所述一体化封装与浮动支撑限位集成层还包括设置于所述柔性半导体光伏电池单元层背光面一侧的背侧分布式支撑垫。

42、所述背侧分布式支撑垫为闭孔泡沫支撑垫，设置于柔性半导体光伏电池单元层的背光面与一体化封装边框的底板之间，所述闭孔泡沫支撑垫包括epp泡沫或pe泡沫，密度为30至50，用于防止所述柔性半导体光伏电池单元层的中部区域悬空下垂，并允许所述柔性半导体光伏电池单元层发生平面内热胀冷缩变形。

43、作为进一步优化，所述柔性半导体光伏电池单元层沿受光面至背光面方向依次包括前封装层、透明导电电极、钙钛矿光吸收层、电荷传输层、金属背电极，以及后封装层。

44、所述前封装层和所述后封装层均包括/多层复合高阻隔水氧柔性薄膜，其中，为氧化铝阻隔层，为氧化硅类阻隔层，为氧元素的化学计量参数。

45、所述柔性半导体光伏电池单元层独立封装后的水汽透过率满足：

46、。

47、式中，为柔性半导体光伏电池单元层独立封装后的水汽透过率。

48、所述柔性半导体光伏电池组件的力学防护结构还包括柔性电极保护组件，所述柔性电极保护组件包括柔性扁平汇流排、波纹状绝缘保护套管、防水密封接头以及应力释放卡扣，所述柔性扁平汇流排预留15mm至25mm的形变余量。

49、作为进一步优化，所述柔性半导体光伏电池组件的力学防护结构还包括柔性反射膜和背面反射膜。

50、所述柔性反射膜设置于所述梯度缓冲与应力均化层与所述柔性半导体光伏电池单元层之间。所述柔性反射膜的上表面通过透光有机硅凝胶与所述低模量界面应力释放层贴合。所述柔性反射膜的下表面通过透光有机硅凝胶与所述前封装层贴合。

51、所述背面反射膜设置于所述后封装层的背光面一侧，并随所述柔性半导体光伏电池单元层共同浮动。

52、所述背面反射膜为金属反射镀层或/交替膜系。其中，为二氧化钛，为二氧化硅。

53、所述背面反射膜与所述一体化封装边框的内底面之间形成间隙，以避免所述柔性半导体光伏电池单元层浮动时所述背面反射膜与所述一体化封装边框发生干涉。

54、本技术另提供一种汽车，其包括车身，以及配置于所述车身的如前面所述的车用柔性半导体光伏电池组件的力学防护结构。

55、通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

56、本发明提供了一种客车车身集成式柔性钙钛矿电池的力学防护结构，通过多层递进式设计构建了覆盖"防刺穿—梯度吸能—应力均化—形变释放—震动缓冲—水氧阻隔"的全链条防护体系，有效解决了现有技术中应力集中开裂、形变疲劳衰减、界面剥离和光电效率衰减等核心问题。该结构采用功能分区、材料分选策略，透光功能层确保高透光率的同时抵御外部冲击，非透光结构件提供高强度力学支撑。通过弹性模量梯度设计和应力过滤机制，将集中冲击载荷逐级转化为均匀面载荷，显著降低传递至电池层的等效应力。浮动支撑系统实现电池组件与车身的动静分离，在吸收振动能量的同时适应车身形变。双重水氧阻隔体系大幅延长了钙钛矿电池在复杂户外环境中的使用寿命。光学-力学协同设计在不削弱防护性能的前提下提升了光电转换效率，使柔性钙钛矿电池能够安全可靠地集成于客车车身曲面，在不影响客车空间和结构的前提下实现高效太阳能发电。