一种湿热盐雾环境下薄膜砷化镓太阳电池的防护方法与流程

1.本发明属于一种太阳电池防护领域，尤其涉及一种湿热及盐雾环境下薄膜太阳电池的防护方法。


背景技术：

2.长航时太阳能无人机绝大部分采用高效轻质的薄膜太阳电池作为能量供给的主要来源。面向沿海边防及海洋领域的无人机，在整机贮存及飞行过程涉及到高温、高湿及高盐雾环境，太阳电池电路在该环境下腐蚀反应显著，性能发生大幅度衰减，能源系统发电功率大幅降低，严重影响无人机整机寿命。
3.目前，薄膜砷化镓太阳电池组件采用耐候性高透光薄膜进行封装，该封装结构可以防止薄膜电池的机械损伤，并在高低温、紫外等环境下适应性良好。但是该种封装在材料与结构上对于湿热和盐雾环境效应达不到防护要求。水汽与盐雾可通过上下的薄膜以及封装组件的侧边扩散至薄膜电池内部，并在高纯背电极处发生电化学腐蚀，在侧壁不同电位金属(金属与杂质)间产生微电流通道，引起太阳电池电性能的显著衰降。
4.另一方面，无人机用薄膜太阳电池组件由于其形态和应用的特殊要求对于防护材料的透光性、柔性以及面密度要求较高，常规装备的三防处理无法满足薄膜电池的防护要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种湿热盐雾环境下薄膜砷化镓太阳电池的防护方法，本发明首先对薄膜电池单体进行了芯片级一次防护，再按照常规互联焊接、层压封装进行了电池组件级的二次防护，具体步骤包括薄膜砷化镓太阳电池面清洁、背电极表面羟基化预处理、有机硅分子活化水解、电池基体表面成膜以及电池电路焊接、常规层压封装。本发明可以解决薄膜砷化镓太阳电池在湿热、盐雾环境下由于电化学腐蚀导致的器件失效问题，提升高效薄膜组件沿海环境应用的可靠性，特别适用于海洋及洋面高温高湿高盐雾环境下的太阳电池保护。
6.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种湿热盐雾环境下薄膜砷化镓太阳电池的防护方法，包括如下步骤：
8.(1)将薄膜砷化镓太阳电池单体表面清洗并风干；
9.(2)采用碱液对薄膜砷化镓太阳电池单体背电极进行羟基化处理；
10.(3)将有机硅试剂、无水乙醇和水混合，并调整混合溶液ph为酸性，搅拌后得到有机硅分子水解溶液；所述有机硅试剂包含结构式为y-r-six3的化合物，其中x为与硅原子结合的水解性官能团，y为有机官能团，r为具有饱和键或不饱和键的碳链；
11.(4)将薄膜砷化镓太阳电池单体在有机硅分子水解溶液中静置后，取出干燥；
12.(5)按照串并联要求连接各薄膜砷化镓太阳电池单体电极，并进行封装。
13.进一步的，步骤(1)中，将薄膜砷化镓太阳电池单体表面清洗用无水乙醇和去离子
水依次超声清洗5～10min，并置于滤纸上风干。
14.进一步的，步骤(2)中，所述碱液中-oh根的浓度为0.2～5mol/l。
15.进一步的，步骤(2)采用碱液对薄膜砷化镓太阳电池背电极进行羟基化处理的具体方法为：
16.(21)将碱液涂覆于薄膜砷化镓太阳电池单体背电极处；
17.(22)将薄膜砷化镓太阳电池在50～150℃下保温10～60min；
18.(23)用去离子水超声清洗薄膜砷化镓太阳电池表面5～10min，置于滤纸上风干。
19.进一步的，步骤(3)中，x为氯基，甲氨基或乙氧基中的一种，y为氨基或环氧基。
20.进一步的，步骤(3)中，有机硅试剂、无水乙醇和水的体积比为5：1：1～1：1：1。
21.进一步的，步骤(3)中，采用醋酸调节整混合溶液ph为4～6，搅拌10～20min后得到有机硅分子水解溶液。
22.进一步的，步骤(4)中，将薄膜砷化镓太阳电池单体在有机硅分子水解溶液中静置时，薄膜砷化镓太阳电池单体完全浸渍于有机硅分子水解溶液中；所述步骤(4)中，薄膜砷化镓太阳电池单体在有机硅分子水解溶液中的静置时间为2～5min，取出后，置于50℃恒热干燥箱中干燥15～60min。
23.进一步的，步骤(5)中，采用电阻焊，锡焊或导电银胶连接各薄膜砷化镓太阳电池单体电极；
24.步骤(5)中，采用温度为80℃～150℃，压力为50kpa～80kpa的负压高温工艺使互联的薄膜砷化镓太阳电池单体与封装材料层压成型，实现封装。
25.进一步的，所述下薄膜砷化镓太阳电池为gainp2/gaas/ingaas三结薄膜砷化镓太阳电池，薄膜砷化镓太阳电池单体背电极为10～50μm厚度的铜或pt。
26.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
27.(1)本发明防护方法针对薄膜电池单体进行芯片级一次防护，再按照常规互联焊接、层压封装进行电池组件级的二次防护，可以以较小的重量代价确保太阳电池在装备寿命周期内性能的可靠性；
28.(2)本发明防护方法在对薄膜电池单体进行芯片级一次防护时，首先对背电极进行羟基化处理，然后在薄膜砷化镓太阳电池表面成膜。羟基化处理可以提升硅基薄膜与背电极的附着力，表面成膜通过与背电极表面羟基脱水缩合，以化合键的形式附着与电极表面，比普通的分子键吸附力更强；
29.(3)本发明特别设计了用于对背电极进行羟基化处理的碱液以及用于在薄膜砷化镓太阳电池表面成膜的有机硅分子水解溶液的配比，使其在不损伤电池本身结构的同时，形成高效稳定的防护；
30.(4)本发明操作简单，成本较低，特别适用于湿热盐雾环境下薄膜砷化镓太阳电池的防护。
附图说明
31.图1为本发明一种湿热盐雾环境下薄膜砷化镓太阳电池的防护方法流程图。
具体实施方式
32.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
33.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
34.如图1，本发明一种薄膜砷化镓太阳电池的防护方法，首先针对薄膜电池单体采用芯片级一次防护方式，再按照常规互联焊接、层压封装进行电池组件级的二次防护方式，包括以下步骤及其工艺条件：
35.(1)薄膜电池表面清洗：将薄膜砷化镓太阳电池单体用无水乙醇、去离子水超声清洗5～10min，置于滤纸上风干；
36.(2)背电极表面羟基化处理：将-oh根浓度为0.2～5mol/l的低浓度碱液涂覆于薄膜砷化镓太阳电池背部的高纯金属电极处，并置于高温干燥箱中50～150℃下保温碱热处理10～60min，后用去离子水超声清洗表面5～10min，置于滤纸上风干；
37.(3)有机硅分子活化水解溶液制备：采用有机硅试剂、无水乙醇以及水按照5：1：1～1：1：1的体积比混合，用醋酸调节其ph值介于4～6之间，搅拌10～20min使其均匀，有机硅分子充分活化水解得到有机硅分子水解溶液；所述有机硅试剂包含结构式为y-r-six3的化合物，其中x为与硅原子结合的水解性官能团，包括但不限定于氯基、甲氨基、乙氧基等，y为有机官能团，包括但不限定于氨基、环氧基等；r为具有饱和或不饱和键的碳链；
38.(4)电池基体表面成膜：将薄膜砷化镓电池单体放置于电池槽内，将有机硅分子水解溶液导入电池槽内，确保电池单体完全浸渍于水解溶液中，静置2～5min，取出电池片，置于50℃恒热干燥箱中15-60min；
39.在本步骤中，有机硅分子水解后，与薄膜砷化镓电池表面进行脱水反应，形成共价键吸附，并进一步发生缩合反应在薄膜砷化镓电池表面形成有机硅低聚物，覆盖成膜；至此完成了薄膜电池芯片级一次防护；
40.(5)电池电路焊接：按照串并联要求，采用电阻焊、锡焊或导电银胶等方式将电池单体的正极与负极之间形成可靠互联；
41.(6)电池层压封装：将满足串并联要求的电池采用负压高温的工艺方法在温度为80℃～150℃，压力为50kpa～80kpa的条件下与上下封装材料层压成型，此处完成了薄膜电池组件级二次防护。
42.本发明所述的薄膜砷化镓太阳电池包括但不限于gainp2/gaas/ingaas三结薄膜砷化镓太阳电池，背电极为薄膜电池的金属衬底，其材料包括但不限于铜、pt等，厚度为15-50μm。
43.实施例1
44.(1)将20μm厚铜衬底(背电极)gainp2/gaas/ingaas三结薄膜砷化镓太阳电池放置于电池槽中用无水乙醇、去离子水超声清洗5min，取出置于滤纸上风干。
45.(2)将浓度0.2mol/l的naoh溶液涂覆于薄膜砷化镓太阳电池背部的铜电极处，并置于50℃干燥箱中保温碱热处理45min，取出后用去离子水超声清洗表面5min，置于滤纸上风干。
46.(3)将乙烯基烷氧基硅烷加入水与乙醇的混合溶液中，加入醋酸控制溶液ph值为4，搅拌均匀。
47.(4)将处理好的薄膜电池单体放置于电池槽内，将水解溶液导入电池槽内，确保电池单体完全浸渍于水解溶液中，静置2min，取出电池片，置于50℃恒热干燥箱中30min。
48.(5)采用电阻焊方式利用银互联带完成电池串并联，并采用氟塑料薄膜、po型胶膜以及pi薄膜在150℃层压温度、70kpa压力下完成薄膜太阳电池组件封装。将本实施例中所得薄膜太阳电池组件的编号记为1。
49.实施例2
50.(1)采用30μm厚铜衬底gainp2/gaas/ingaas三结薄膜砷化镓太阳电池放置于电池槽中用无水乙醇、去离子水超声清洗5min，取出置于滤纸上风干。
51.(2)将浓度1mol/l的naoh溶液涂覆于薄膜砷化镓太阳电池背部的铜电极处，并置于50℃干燥箱中保温碱热处理20min，取出后用去离子水超声清洗表面10min，置于滤纸上风干。
52.(3)将氯代烃基烷氧基硅烷溶于乙醇中，再加入去离子水中，加入醋酸控制溶液ph值为3，搅拌均匀。
53.(4)将处理好的薄膜电池单体放置于电池槽内，将水解溶液导入电池槽内，确保电池单体完全浸渍于水解溶液中，静置3min，取出电池片，置于50℃恒热干燥箱中30min。
54.(5)采用导电银胶完成太阳电池串叠瓦式互联，并采用改性pet封装膜、eva胶膜在130℃层压温度、70kpa压力下完成薄膜太阳电池组件封装。将本实施例中所得薄膜太阳电池组件的编号记为2。
55.将通过上述防护方法制备的薄膜太阳电池组件1和2在温度85℃，湿度85％的湿热环境箱内老化200h，并按照gb/t2423.17中的有关规定进行盐雾试验，取出样件后进行iv电性能测试，得到测试数据如表1所示，光电转换效率衰减在5％以内。
56.表1太阳电池经本发明防护后湿热、盐雾试验前后电性能测试结果
[0057][0058]
对比例1：
[0059]
其余步骤与实施例1相同，但未经本发明方法对电池进行二次防护，仅采取常规层压工艺对电池片实现组件级防护，得到的太阳能电池组件编号记为3。
[0060]
对比例2：
[0061]
其余步骤与实施例2相同，但未经本发明方法对电池进行二次防护，仅采取常规层压工艺对电池片实现组件级防护，得到的太阳能电池组件编号记为4。
[0062]
将太阳电池组件3和4在温度85℃，湿度85％的湿热环境箱内老化200h，并按照gb/t2423.17中的有关规定进行盐雾试验，取出样件后进行iv电性能测试，得到测试数据如表2所示，光电转换效率衰减在20％以上。
[0063]
表2常规封装组件在湿热、盐雾试验前后电性能测试结果
[0064][0065]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0066]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。