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CN109463011A - 有色光伏模块 - Google Patents

有色光伏模块 Download PDF

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CN109463011A
CN109463011A CN201780033660.1A CN201780033660A CN109463011A CN 109463011 A CN109463011 A CN 109463011A CN 201780033660 A CN201780033660 A CN 201780033660A CN 109463011 A CN109463011 A CN 109463011A
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veining
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module
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康杨森
谢志刚
胡建华
徐征
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SolarCity Corp
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Tesla Ltd By Share Ltd
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Abstract

描述了低反射损耗低角度敏感的有色光伏(PV)模块。该有色PV模块包括透明基板；太阳能电池阵列，其封装在顶部封装片和底部封装片之间；和滤色器结构，其嵌在顶部封装片和透明基板之间并且被配置为引起有色PV模块接收的入射光的波长选择性反射。此外，透明基板包括被配置为接收入射光的平坦前表面和被配置有特征部阵列的纹理后表面。滤色器结构形成在透明基板的纹理化后表面上，以在纹理化后表面和滤色器结构之间产生纹理化界面。

Description

有色光伏模块
技术领域
本公开一般涉及光伏(或“PV”)模块的设计。更具体地，本公开涉及低反射损耗、低角度敏感的有色PV模块的设计和制造。
背景技术
已经表明基于晶体硅的太阳能电池具有极好的能量转换效率。在设备设计和制造技术不断成熟时，并且随着晶体硅价格逐渐降低，太阳能板正以历史低价提供。此外，随着新的融资计划和政府补贴，住宅和商业客户两者现在都有前所未有的安装太阳能板的动力。因此，预期未来许多年太阳能市场将经历两位数的增长。
通过组装光伏(或“PV”)模块阵列来构造商业太阳能板，其中每个PV模块通常由太阳能电池的二维阵列(例如，6×10)组成。PV模块的颜色通常由嵌入PV模块中的太阳能电池的自然颜色确定，其一般为蓝色、深蓝色或黑色。然而，客户经常期望能够选择PV模块的颜色外观，例如，使得它们与它们并入的建筑物的颜色相匹配。
存在许多用于提供有色PV模块的现有技术。其中之一涉及在PV模块中应用着色玻璃和/或有色封装片。然而，这些额外的结构可能具有太阳光的强吸收，从而导致PV模块的显著功率损耗。而且，由这些附加结构提供的颜色外观趋于随时间退化。
另一种染色技术涉及在PV模块上或太阳能电池上应用滤色器。在该技术中，多层介电薄膜沉积在PV模块或太阳能电池上以调节颜色外观。这些薄膜的设计经常很复杂，因此这种技术对于大规模生产来说可能不具有成本效益。此外，由PV模块或太阳能电池上的涂层实现的颜色外观通常是角度敏感的，并且还会在环境压力(诸如海洋天气)下随时间退化。此外，在PV模块或太阳能电池上应用额外的涂层会对太阳能电池引入附加的集成复杂性、更高的自动化成本和等离子体损坏。
发明内容
本文描述的一个实施例提供有色光伏(PV)模块。该有色PV模块包括透明基板；太阳能电池阵列，封装在顶部封装片和底部封装片之间；和滤色器结构，嵌入在顶部封装片和透明基板之间并且被配置为引起由有色PV模块接收的入射光的波长选择性反射。此外，透明基板包括被配置为接收入射光的平坦前表面和被配置有特征部阵列的纹理后表面。滤色器结构形成在透明基板的纹理化后表面上，以在纹理化后表面和滤色器结构之间产生纹理化界面。
在该实施例的变型中，纹理化后表面被配置为使得由PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得波长选择性反射主要包括在纹理化界面上反射两次或更多次的光。
在该实施例的变型中，可以调整纹理化后表面以通过增加或减少纹理化界面上的入射光的多次反射量来控制由纹理化界面引起的反射损耗量，其中增加多次反射量减少反射损耗量。
在该实施例的变型中，当在透明基板的前表面上方观察时，滤色器结构有助于PV模块的期望的颜色外观，并且期望的颜色外观基本上不是角度敏感的。
在该实施例的变型中，纹理化后表面中的每个特征部包括至少一个成角度的侧壁，其与透明基板前表面的平面形成纹理化后表面的纹理角。
在该实施例的变型中，可以调整纹理化后表面的纹理角以使PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次。
在该实施例的变型中，纹理化后表面的纹理角可以被配置为控制由纹理化界面引起的反射损耗量。
在该实施例的变型中，纹理化后表面的纹理角被设定为基本上等于或大于阈值角度，该阈值角度使得PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次。因此，来自纹理化界面的波长选择性反射主要包括在纹理化界面上反射两次或更多次的光。在一些实施例中，该阈值角度约为45°。
在该实施例的变型中，载体包括在至少一个边缘上的互锁机构，从而有助于与第二载体互锁以形成晶片(wafer)载体系统。
在该实施例的变型中，当在透明基板的前表面上方观察时，由配置有设定纹理角的滤色器结构引起的波长选择性反射生成PV模块的期望的颜色外观，并且其中期望的颜色外观基本上对角度不敏感。
在该实施例的变型中，特征部阵列可以是直立构造或者倒置构造。在一些实施例中，特征部阵列可以是凹槽的阵列、圆锥的阵列、三角锥的阵列、四角锥的阵列或六角锥的阵列。
在该实施例的变型中，每个特征部都具有平坦顶部表面和锥形的侧壁这两者。
在该实施例的变型中，每个特征部都具有从10μm至5mm范围的特征部尺寸。
在该实施例的变型中，特征部阵列以重复图案布置，该重复图案可包括方形格子、矩形格子或面心矩形格子。
在该实施例的变型中，特征部阵列跨透明基板的后表面随机分布。
在该实施例的变型中，滤色器结构包括多层光学涂层。在一些实施例中，多层光学涂层包括交替的高折射率和低折射率光学涂层。例如，多层光学涂层包括至少TiO2/SiO2/TiO2的三层堆叠。
在该实施例的变型中，通过在纹理化后表面上沉积多层光学涂层来在透明基板的纹理化后表面上制造滤色器结构。
在该实施例的变型中，有色PV模块还包括沉积在透明基板的前表面上并且被配置为减少不需要的反射的抗反射涂层(ARC)，以及附接到底部封装片的后侧覆盖。
在该实施例的变型中，透明基板是玻璃基板。
在本公开的另一方面，公开了一种用于有色PV模块的顶部玻璃结构。该顶部玻璃结构包括透明基板，该透明基板具有被配置为接收入射光的平坦前表面和被配置有3D形状的阵列的纹理化后表面。顶部玻璃结构还包括滤色器结构，滤色器结构形成在透明基板的纹理化后表面上，以在纹理化后表面和滤色器结构之间产生纹理化界面。该滤色器结构被配置为引起入射光的波长选择性反射。
在又一方面，公开了一种用于制造有色PV模块的过程。该过程包括：准备透明基板，该透明基板包括被配置为接收入射光的平坦前表面和被配置有3D形状的阵列的纹理化后表面；在透明基板的纹理化后表面上形成滤色器结构，以在纹理化后表面和滤色器结构之间产生纹理化界面；以及将透明基板和滤色器结构与封装在顶部封装片和底部封装片之间的太阳能电池阵列组装。在各种实施例中，滤色器结构被配置为引起入射光的波长选择性反射。
附图说明
该专利或申请文件包含至少一幅彩色附图。具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本将在请求和支付必要费用后由主管局提供。
图1呈现了示出根据本文描述的一个实施例的示例性PV模块的横截面视图的图。
图2呈现了示出根据本文描述的一个实施例的包括嵌入式纹理结构的示例性PV模块的横截面视图的图。
图3示出了根据本文描述的一个实施例的所公开的PV模块中的所公开的纹理化基板的纹理化后表面的各种示例。
图4示出了根据本文描述的一个实施例的3D特征部形状的各种示例，这些3D特征部形状可用于形成所公开的PV模块中的所公开的纹理化基板的纹理化后表面。
图5A呈现了示出在透明基板的平坦后表面和平坦滤色器之间形成的示例性平坦界面(诸如图1的PV模块中所示的平坦界面)的横截面视图的图。
图5B呈现了示出根据本文描述的一个实施例的在透明基板的纹理化后表面和沉积在纹理化透明基板上的滤色器之间形成的示例性纹理化界面的横截面视图的图。
图5C示出了根据本文描述的一个实施例的在示例性纹理化界面内使用更大纹理角对减少反射损耗的影响。
图5D呈现了示出根据本文描述的一个实施例的在PV模块中在基板的纹理化后表面和滤色器之间形成的示例性纹理化界面的横截面视图的图，该纹理化界面具有设定为引起大部分入射光经历多次反射的值的纹理角。
图6A呈现了示出根据本文描述的一个实施例的图2中描述的滤色器的示例性结构的横截面视图的图。
图6B呈现了示出根据本文描述的一个实施例的图2中描述的滤色器的另一示例性结构的横截面视图的图。
图7呈现了显示根据本文描述的一个实施例的示例性PV模块中纹理化玻璃基板与三层滤色器的组合的不同设计的模拟反射光谱的曲线图。
图8呈现了显示根据本文描述的一个实施例在不同视角下测量时沉积在55°纹理化玻璃基板上的三层滤色器的模拟反射光谱的曲线图。
在附图中，相同的附图标记表示相同的附图元件。
具体实施方式
呈现以下描述以使得任何本领域技术人员能够制造和使用实施例，并在特定应用及其要求的背景下提供以下描述。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种修改是明显的，并且可以将本文定义的一般原理应用于其他实施例和应用，而不脱离本公开的精神和范围。因此，本发明不限于所示的实施例，而是与符合本文公开的原理和特征的最宽范围相一致。
概述
本文公开的各种实施例提供了制造具有定制颜色外观的光伏(PV)模块的方案，而没有引入与传统有色PV模块相关联的问题，诸如高反射损耗、颜色退化、高集成复杂性、高成本和对太阳能电池的等离子体损坏。在一些实施例中，PV模块的期望的颜色外观可以通过在PV模块的透明基板的内表面上以光学涂层形式形成滤色器来实现。然而，这些附加的光学涂层可能在PV模块内引入附加的反射损耗。
为了减少由嵌入的滤色器引起的反射损耗，本文描述的一些实施例提供了具有纹理化后表面而不是平坦后表面的透明基板的各种示例，并且在该纹理化后表面上形成滤色器以在透明基板的纹理化后表面和滤色器结构之间产生纹理化界面。此外，透明基板的纹理化后表面可以被配置为使得由PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得由滤色器引起的波长选择性反射主要包括在纹理化界面上反射两次或更多次的光。还可以调整该纹理化后表面，以通过增加或减少纹理化界面上的入射光的多次反射量来控制由纹理化界面引起的反射损耗量。
与传统的有色PV模块相关联的缺点之一是所得到的颜色外观是高度角度敏感的。这种不希望的影响很大程度上是由于较大的视角接收具有较大入射角的光的反射，而较小的视角接收具有较小入射角的光的反射的事实。
使用包括在透明基板的纹理化后表面上形成的多层滤色器的所公开的有色PV模块，可以显著降低所得到的颜色外观的角度敏感度。角度敏感度的这种降低至少部分是由于大部分入射光在纹理化界面处经历多次反射(当适当地选择纹理角时)。这样，在给定的视角，在该角度接收的反射不再主要来自具有在该视角或接近该视角的入射角的光。相反，接收的反射是对应于在不同入射角的入射光的反射光的组合。因此，所公开的有色PV模块生成不是角度敏感的期望的颜色外观。
详细的实施例和示例
图1呈现了示出根据本文描述的一个实施例的示例性PV模块100的横截面视图的图。如图1中可见，PV模块100包括通常由玻璃制成的透明基板102、太阳能电池104的阵列以及位于太阳能电池104的前侧或后侧以封装太阳能电池104的顶部封装片106和底部封装片108。在一些实施例中，封装片106和108由透明材料制成，透明材料诸如聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、热塑性烯烃(TPO)或乙烯醋酸乙烯酯(EVA)。然而，封装片106和108可以由其他传统或新开发的封装材料制成。PV模块100另外包括后侧覆盖层110，后侧覆盖层110位于PV模块100的与基板102相对的后侧上。
注意，当PV模块100用于将光转换为电流时，PV模块100被放置成使得透明基板102面向光源以接收入射光。我们将面向光源并接收入射光的、在PV模块的外侧的透明基板102的第一表面称为透明基板102的“顶部”或“前”或“外”表面，而将面向太阳能电池104的、透明基板102的第二表面称为透明基板102的“底部”或“后”或“内”表面。在所示实施例中，透明基板102的前/顶部/外表面和后/底部/内表面两者都是平坦表面。在各种实施例中，PV模块100还可包括沉积在基板102的前表面上的抗反射涂层(ARC)120，以减少不希望的反射。注意，虽然未示出，但PV模块100可包括诸如电极的附加结构。
PV模块100还可以包括滤色器112，其嵌在顶部封装片106和透明基板102之间并且被配置为通过引起入射光的波长选择性反射来实现期望的颜色外观。在一些实施例中，滤色器112可包括一层或多层光学涂层。透明基板102和滤色器112的区域114的放大视图显示，滤色器112还可以包括也具有平坦表面的一个或多个薄膜层，因为透明基板102的后表面是平坦的。然而，滤色器112的平坦表面将附加的反射界面引入PV模块100中，其可能由于干涉效应而生成反射并导致入射光功率的大量(例如，＞20％)损耗。为了减少由嵌入的滤色器112引起的这种反射损耗，本文描述的一些实施例提供了具有纹理化后表面而不是平坦后表面的透明基板，并且可以直接在该纹理化后表面上形成滤色器以在透明基板的纹理化后表面与滤色器结构之间创建纹理化界面。
图2呈现了示出根据本文描述的一个实施例的包括嵌入的纹理结构的示例性PV模块200的横截面视图的图。如图2中可见，PV模块200可具有许多与PV模块100中相似的组件，包括诸如玻璃基板的透明基板202、太阳能电池204的阵列、透明顶部封装片206、透明底部封装片208、后侧覆盖层210和ARC涂层220。虽然未示出，但PV模块200也可包括电极。
PV模块200可另外包括滤色器212，其嵌入在顶部封装片206和透明基板202之间并且被配置为通过引起入射光的波长选择性反射来实现期望的颜色外观。然而，透明基板202和滤色器212的区域214的放大视图显示PV模块100和PV模块200之间的一些显著差异。
如图2中的主图和窗口214内所示，透明基板202可具有被配置为接收入射光的平坦的顶部/前表面216和面向PV模块200中的太阳能电池204的纹理化后表面218。为了提供纹理化后表面218的更好视图，窗口214内的基板202在窗口214左侧的分离图中示出。纹理化后表面218可包括可以以某个纹理角为特征的特征部的阵列。被示出为纹理化后表面218和顶部封装片206之间的锯齿形结构的滤色器212，可以遵循纹理化后表面218的特征部，并且因此获得纹理化前表面(即，面向后表面218的表面)和纹理化后表面(即，面向顶部封装片206的表面)两者，而不是如滤色器112中的平坦表面。因此，可以在透明基板202的纹理化后表面218和滤色器212的纹理化前表面之间产生纹理化界面。
注意，图2中所示的纹理化后表面218的特定横截面轮廓仅用作示例，而在其他实施例中，基板202的纹理化后表面的横截面可具有与图2所示的特定横截面轮廓不同的许多其他轮廓。
类似于滤色器112，纹理化滤色器212也可以被配置为引起入射光的波长选择性反射，以便为PV模块200实现期望的颜色外观。在一些实施例中，滤色器212可以包括多个薄膜层，多个薄膜层使用薄膜沉积技术(诸如化学或物理气相沉积(CVD或PVD)或溅射)之一直接在纹理化后表面218上形成。然后，纹理化基板202和滤色器212可以与PV模块200的其他部分集成。
在一些实施例中，公开的纹理化基板202的纹理化后表面218可包括三向(3D)特征部的阵列，其中每个3D特征部可具有从10μm到5mm范围的特征部尺寸。该3D特征部阵列下面也称为“纹理化结构”。在各种实施例中，3D特征部可以或者直立或者倒置配置。形成纹理化结构的3D特征部的形状可包括但不限于凹槽，圆锥，具有三角、四角或六角基底的锥体。在一些实施例中，纹理化后表面218可以使用纹理辊(roller)工艺和/或化学蚀刻工艺接着回火工艺来制造。
图3示出了根据本文描述的一个实施例的PV模块200中的纹理化基板202的纹理化后表面218的各种示例。例如，纹理化结构302可包括凹槽的定向阵列。纹理化结构304可包括倒置的四角锥的阵列。更特别地，纹理化结构304内的每个特征可以是形成在具有四角锥形状的玻璃基板内部的“坑”或“洞”。尽管未示出，但纹理化基板202的后表面上的另一纹理化结构可以实现为直立四角锥的阵列，其可以是纹理化结构304的倒转。最后在图3中，纹理化结构306可以包括直立圆锥阵列。在一些实施例中，纹理化基板的特征部可以基于某种重复图案来分布，重复图案诸如方形格子、矩形格子、面心矩形格子等。在其他实施例中，纹理化基板的特征部可以跨基板的后表面随机分布。
图4示出了根据本文描述的一个实施例的3D特征部形状的各种示例，其可用于形成PV模块200中的纹理化基板202的纹理化后表面218。例如，这些形状可以包括但不限于圆锥402、三角锥404、四角锥406和六角锥408。基板202的纹理化后表面218可以基于任何这些形状以直立构造和倒置构造这两者来配置。在一些实施例中，形成纹理化结构的这些特征部的顶部可以是平坦的具有平滑过渡，而不是具有如图3和图4以及下面所示的一些其他示例性设计所示的锐角。
与上述各种示例性3D特征部形状相关联的一个重要设计参数是在特征部的侧壁和该特征部的基底之间形成的角度。例如，在图4中的圆锥402中，该角度大于45°。在图3所示的凹槽结构中，该角度小于45°。在下面讨论中，我们将给定特征部内的这个角度称为“纹理角”。尽管图3-图4中示出的各种示例将特征部的纹理角示出为常数，纹理化结构的其他实施例可以由具有可变角度的特征部形成，例如通过使用特征部中的斜坡侧壁，而不是图3和图4中所示的直侧壁。
在PV模块中使用纹理化基板202相比平坦基板102的改善是显著减少由在PV模块内嵌入滤色器而引入的反射损耗。图5A-图5D示出了使用纹理化基板如何可以减少基板和滤色器之间的界面处的反射损耗。更具体地，图5A呈现了示出根据本文描述的一个实施例的在透明基板的平坦后表面和平坦滤色器之间形成的示例性平坦界面502(诸如PV模块100中的平坦界面)的横截面视图的图。如图5A中可见，每个入射光束，诸如几乎垂直(即，小的入射角)地打到界面502的光束504和以大角度入射在界面502上的光束506，两者都是至少部分地各自反射进反射光束508和510中。在一些场景中，由于全内反射，入射光束可以完全从界面502反射掉。
图5B呈现了示出根据本文的一个实施例的在透明基板的纹理化后表面和沉积在纹理化透明基板上的滤色器之间形成的示例性纹理化界面512(诸如PV模块200中的纹理化界面)的横截面视图的图。如图5B中可见，纹理化界面512具有可以由纹理角ω表征的侧壁斜坡，其中较大的纹理角ω对应于较陡的侧壁斜坡，而较小的纹理角ω对应于较浅的侧壁斜坡(注意，零纹理角ω将纹理化界面减小到如图5A中所示的平坦表面)。
图5B示出了在各种入射角下的多个示例性入射光束。注意，下面相对于垂直于纹理化基板的顶部表面的法线方向描述示例性入射光束的入射角，该顶部表面被假定为平坦的。例如，入射光束516以接近垂直角(即，小入射角)打到纹理化界面512。然后，入射光束516被部分折射(光束518)和被部分反射(光束520)。不是像图5A中的光束504和506那样直接返回到空中，反射光束520打到纹理化界面512的另一部分，并且第二次被部分折射(光束522)和部分反射(光束524)，此时，反射光束524向上行进远离纹理化界面512。与图5A中的光束504相比，入射光束516从纹理化界面512反弹两次，并且每次都被部分折射。纹理化界面512对入射光束516的总体影响是，与图5A中所示的单个反射光束508和510相比，它导致更多的折射从而在最终反射光束524中导致更少的功率。
图5B中还示出了另一入射光束526，其以比入射光束516大的入射角打到纹理化界面512。然后，入射光束526被部分折射(未示出)并被部分反射(光束528)。反射光束528打到纹理化界面512的另一部分，并且第二次被部分折射(未示出)和部分反射(光束530)。反射光束530被弹回到接近入射光束526最初打到的位置的纹理化界面512的相同部分，并且第三次被部分折射(未示出)和部分反射(光束532)，并且此时反射光束532向上行进远离纹理化界面512。与图5A中的光束504和506相比，入射光束526从纹理化界面512反弹三次，并且每次都被部分折射。纹理化界面512对入射光束526的总体影响是，与图5A中所示的单个反射光束508和510相比，它导致甚至更多的折射并因此在最终反射光束532中导致甚至更少的功率。
图5B还示出了“单次反弹”入射光束534，其以大入射角(例如，接近纹理角ω)打到纹理化界面512，然后该入射光束被部分折射和被部分反射从纹理化界面512离开。然而，当入射光束最初在入射角范围之间(例如，在一些情况下，在零度和纹理角ω之间)打到纹理化界面512时，该入射光束最有可能在纹理化界面512上经历多次折射和反射，从而导致显著降低的最终反射功率回到空中。此外，当相应的PV模块(诸如PV模块200)朝向光源适当地定向时，引起多次反射的入射角范围之外的大入射角光束可能仅占整个入射光的一小部分。因此，大部分入射光束将在纹理化界面512上进行多次弹离/反射，从而进一步减少整体反射损耗。
在一些实施例中，反射损耗的减少可以通过纹理化基板的设计参数来控制，其包括控制纹理角ω。图5C示出了根据本文描述的一个实施例的在示例性纹理化界面542内使用更大纹理角ω对减少反射损耗的影响。如图5C中可见，由于图5C中的纹理角ω更大，纹理化界面542具有比图5B中的纹理化界面512中的侧壁斜坡更陡的侧壁斜坡。图5C中还示出了入射光束544，其具有与图5B中所示的入射光束534相同的入射角。然而，与在纹理化界面512上反射仅一次的入射光束534不同，第一次入射光束544在纹理化界面542处被部分折射(未示出)和被部分反射(光束546)，并且第二次反射光束546在纹理化界面542的另一部分被部分折射(未示出)和被部分反射(光束548)。因此，与图5B中的光束534相比，具有与光束534相同的入射角的入射光束544从纹理化界面542弹离两次，从而与图5B中的单个反弹光束534相比经历更少的反射损耗。
图5C的示例表明，通过增加纹理角ω，入射光在纹理化界面上经历多次折射和多次反射的入射角的范围也已增加，从而当与图5B中所示的示例性纹理化界面512相比时，导致反射损耗的甚至更多的减少。
在一些实施例中，当相应的PV模块(诸如PV模块200)相对于光源适当地定向时，大部分入射光束以垂直于纹理化基板(诸如纹理化基板202)的顶部表面的法线方向打到PV模块。因此，当给定PV模块中的纹理化基板被配置为迫使大部分入射光束进行多次反射和折射时，由于嵌入滤色器结构，纹理化界面处的整体反射损耗可以大大减少。在一些实施例中，存在将迫使大多数入射光束经历多次反射和折射的纹理角ω的值。我们将这个角度称为“临界角”。
图5D呈现了示出根据本文描述的一个实施例的在PV模块中在透明基板的纹理化后表面和滤色器之间形成的示例性纹理化界面552的横截面视图的图，该纹理化界面552具有设定为引起大部分入射光经历多次反射的值的纹理角。如图5D中可见，入射光束554以垂直于纹理基板的顶部表面的法线方向打到PV模块。在一些实施例中，当PV模块已相对于光源适当地定向时，入射光束554表示大部分入射光。入射光束554然后被部分折射(未示出)和被部分反射(光束556)并向左行进。
如图5D中可以观察到的，如果反射光束556如图所示基本上水平地行进，则保证光束556打到纹理化界面552的另一部分以生成第二反射(即，光束558)和折射(未示出)。通过简单的几何分析，该条件产生纹理角ω～45°。可以进一步观察到，如果纹理角ω设定为大于45°，则光束556将以进一步向下的角度行进，这也保证了第二反射。然而，如果纹理角ω设定为小于45°，则光束556将以更向上的角度行进，这可能再次打到或可能不再次打到纹理化界面552以生成第二反射和折射。因此在图5D的实施例中，临界角约为45°。然而在其他实施例中，由于纹理化结构的复杂性，临界角可以大于或小于45°。在一些实施例中，对于所公开的PV模块中的纹理化基板的每个设计，可以例如通过模拟和/或实验首先确定临界角，并将纹理化结构的纹理角ω设定为基本上等于或大于确定的临界角(例如，45°)。结果，从纹理化界面回到空中的大部分反射将来自多次反射。当大部分反射是多次反射的结果时，所公开的具有纹理化基板的PV模块可以将由于嵌入的滤色器引起的反射损耗减少至低于15％。同时，由于在透明基板的纹理化后表面和滤色器的顶部表面之间的纹理化界面处的每个所得到的反射中的波长选择性，由嵌入的滤色器实现的颜色外观得以保持。
在各种实施例中，所公开的PV模块中的滤色器，诸如PV模块200中的滤色器212，包括由高折射率(例如n＝1.7-2.5)材料(诸如TiO2、Ta2O5、NbO2、ZnO、SnO2、In2O3、Si3N4和铝掺杂氧化锌(AZO))、低折射率(例如n＝1.2-1.5)材料(诸如SiO2、MgF2和金属(诸如Ag、Cu和Au))的组合形成的多层堆叠。多层滤色器允许更多控制选项以实现期望的波长选择性反射。为了批量生产这种滤色器，可以通过高精度沉积(诸如CVD、PVD或溅射)技术之一来将多个光学涂层直接沉积在透明基板的纹理化表面上。在一些实施例中，为了使批量生产可行，在将太阳能电池模块已经组装到PV模块中之后在PV模块级别，而不是在太阳能电池级别，执行多层结构的沉积以形成滤色器。
图6A呈现了示出根据本文描述的一个实施例的PV模块200中的滤色器212的示例性结构600的横截面视图的图。如图6A中可见，结构600是TiO2/SiO2/TiO2的三层堆叠。为了实现期望的颜色外观，三层堆叠需要提供目标波长的足够选择性。在一个实施例中，三层堆叠具有75nm/122nm/75nm的厚度值以实现红色外观(即，红色波长处的选择性反射)。图6B呈现了示出根据本文描述的一个实施例的图2中描述的滤色器212的另一示例性结构602的横截面视图的图。如图6B中可见，结构602可以是TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2的五层堆叠。
图7呈现了显示根据本文描述的一个实施例的示例性PV模块中的纹理化玻璃基板与三层滤色器的组合的不同设计的模拟反射光谱的曲线图700。曲线图700的水平轴表示波长，而曲线图700的垂直轴表示玻璃基板的纹理化后表面和滤色器的顶部表面之间的纹理化界面处的反射率。三个反射光谱702、704和706分别对应于纹理界面的30°、55°和70°三个纹理角。注意，曲线图700还包括平坦玻璃基板的反射光谱708作为其他光谱的参考。
从图7中可以看出，所有纹理化基板设计都示出在550nm-780nm波长区域中的高反射和在380nm-550nm波长区域中的低反射，以实现红色PV模块外观。然而，对于平坦玻璃表面(曲线708)和浅角度纹理化玻璃基板(曲线702)，相应滤色器中的光学涂层在红色波长区域中生成强反射(例如，在两种情况下均超过50％)，这会造成显著大量的反射和对相应PV模块的电流损耗。相比之下，具有更陡的纹理角的纹理化玻璃基板的设计(即，曲线704和706)可以显著降低相同波长区域中的反射强度(例如，在70°纹理角的情况下低于20％)。如上所述，通过对大部分入射光引起多次反射来实现这种反射损耗的减少。然而，大纹理角设计的红色外观仍然由这些设计内使用的三层滤色器的相同波长选择特性来保持。这在曲线图700中是证据性的，因为陡的纹理角设计的轮廓模仿(mimic)浅纹理角和平坦表面设计的轮廓。
在一些实施例中，通过进一步改善基板的纹理化结构和滤色器的多层结构的设计，红色波长区域处的反射损耗可以减小到10％或更小。图7中所示的结果证明了通过控制纹理化结构的形状(诸如作为设计参数的纹理角)来减少反射损耗同时保持期望的颜色外观的有效性。它还表明，为了在有色PV模块中实现低电流损耗和期望的颜色外观，基板的纹理化结构中的大纹理角ω可以是优选的。在一些实施例中，通过使用具有多于三层的滤色器结构，可以进一步改善有色PV模块的颜色选择性。例如，通过使用图6B中所示的交替TiO2/SiO2的5层堆叠，红色波长区域中的反射光谱显示出比图7中所示的3层堆叠结构的相应反射光谱窄的轮廓(profile)，表明更强的波长选择性。因此，通过在滤色器结构中使用更多层，实际的颜色外观可以变得更准确。
与传统的有色PV模块相关联的缺点之一是所得到的颜色外观是高度角度敏感的。通常，当视角增加时颜色外观向较短波长(即朝向较蓝波长)转移；当视角减小时颜色外观向较长波长(即朝向较红波长)转移。该效果很大程度上是由于较大的视角接收具有较大入射角的光的反射，而较小的视角接收具有较小入射角的光的反射。
然而，使用包括在透明基板的纹理化后表面上形成的多层滤色器的所公开的有色PV模块，可以显著降低所得到的颜色外观的角度敏感度。角度敏感度的这种降低至少部分是由于大部分入射光在纹理化界面处经历多次反射(当适当地选择纹理角时)的事实。这样，在给定的视角(当从法线方向测量时)，在该角度接收的反射不再主要来自具有在该视角或接近该视角的入射角的光。相反，接收的反射是对应于在不同入射角的入射光的反射光的组合。因此，所公开的有色PV模块生成不是角度敏感的期望的颜色外观。
图8呈现了显示根据本文描述的一个实施例在不同视角下测量时沉积在55°纹理化玻璃基板上的三层滤色器的模拟反射光谱的曲线图800。特别地，三个反射光谱802、804和806分别对应于0°、30°和50°三个不同视角(即，曲线图800中的天顶角)。所有三个光谱示出在550nm-780nm波长区域中的高反射和在380nm-550nm波长区域中的低反射，以实现红色PV模块外观。如图8中可以清楚地观察到，当视角从0°改变到50°时，反射峰仅仅移动了～50nm。因此，以光谱轮廓为特征的颜色外观也几乎没有改变，表明对视角的低敏感度。此外，随着视角从0°变为50°，反射损耗增加小于5％绝对值，表明反射强度的较小变化。光谱轮廓的微小改变和反射强度的微小改变的组合结果证明，所公开的纹理化滤色器结构可以实现期望的颜色外观，同时基本上消除在不同视角处的颜色变化(即，实现低角度敏感度)。
我们已经在上面示出，通过增加纹理化结构的纹理角，由于入射光的增加的多次反射，可以减少所公开的纹理化滤色器的反射损耗。因为所公开的纹理化滤色器的低角度敏感度也可以通过增加多次反射来实现，所以可以确定对应于允许的颜色变化的最大量的最小纹理角。然而，当纹理角高于该最小纹理角时，可以认为颜色外观对视角不敏感。在一个实施例中，该最小纹理角为～22°。
仅出于说明和描述的目的呈现了各种实施例的前述描述。它们并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的形式。因此，许多修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。另外，以上公开内容并非旨在限制本发明。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种有色光伏PV模块，包括：
透明基板；
太阳能电池阵列，封装在顶部封装片和底部封装片之间；和
滤色器结构，嵌在所述顶部封装片和所述透明基板之间，并且被配置为引起由有色PV模块接收的入射光的波长选择性反射；
其中所述透明基板包括被配置为接收入射光的前表面和被配置有特征部的阵列的纹理化后表面，其中所述滤色器结构形成在所述透明基板的纹理化后表面上以在所述纹理化后表面和所述滤色器结构之间产生纹理化界面，其中所述纹理化后表面中的每个所述特征部包括至少一个成角度侧壁，所述至少一个成角度侧壁与所述透明基板的前表面的平面形成所述纹理化后表面的纹理角，并且其中所述纹理化后表面的纹理角被设定为基本上等于或大于阈值角度。
2.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中所述纹理化后表面被配置为使由所述PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得波长选择性反射主要包括在纹理化界面上反射两次或更多次的光。
3.根据权利要求2所述的有色光伏PV模块，其中所述纹理化后表面被配置为通过增加或减少纹理化界面上的入射光的多次反射的量来控制由纹理化界面引起的反射损耗量，其中增加多次反射的量使反射损耗量减少。
4.根据权利要求2所述的有色光伏PV模块，其中当在所述透明基板的前表面上方观察时，所述滤色器结构有助于所述PV模块的期望的颜色外观。
5.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中所述纹理化后表面的纹理角被配置为控制由纹理化界面引起的反射损耗量。
6.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中所述纹理化后表面的纹理角被配置为使由所述PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得来自纹理化界面的波长选择性反射主要包括在纹理化界面上反射两次或更多次的光。
7.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中所述阈值角度为约45°。
8.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中所述特征部的阵列包括以下之一：凹槽的阵列、圆锥的阵列、三角锥的阵列、四角锥的阵列和六角锥的阵列。
9.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中每个所述特征部具有平坦顶部表面和锥形的侧壁这两者。
10.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中每个所述特征部具有从10μm至5mm范围的特征部尺寸。
11.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中所述滤色器结构包括多层光学涂层，并且其中所述多层光学涂层包括交替的高折射率光学涂层和低折射率光学涂层。
12.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，还包括抗反射涂层(ARC)，所述抗反射涂层沉积在所述透明基板的前表面上并且被配置为减少不需要的反射。
13.根据权利要求1所述的有色光伏PV模块，其中所述透明基板是玻璃基板。
14.一种用于有色光伏(PV)模块的顶部玻璃结构，包括：
透明基板，所述透明基板包括：
平坦前表面，被配置为接收入射光；和
纹理化后表面，被配置有特征部的阵列，其中所述纹理化后表面中的每个特征部包括至少一个成角度侧壁，所述至少一个成角度侧壁与所述透明基板的前表面的平面形成所述纹理化后表面的纹理角，并且其中所述纹理化后表面的纹理角被设定为基本上等于或大于阈值角度；和
滤色器结构，所述滤色器结构形成在所述透明基板的纹理化后表面上以在所述纹理化后表面和所述滤色器结构之间产生纹理化界面，其中所述滤色器结构被配置为引起入射光的波长选择性反射。
15.根据权利要求14所述的顶部玻璃结构，其中所述纹理化后表面被配置为使大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得波长选择性反射主要包括在所述纹理化界面上反射两次或更多次的光。
16.一种制造有色光伏(PV)模块的方法，所述方法包括：
制备透明基板，所述透明基板包括：
平坦前表面，被配置为接收入射光；和
纹理化后表面，被配置有特征部的阵列，其中所述纹理化后表面中的每个特征部包括至少一个成角度侧壁，所述至少一个成角度侧壁与所述透明基板的前表面的平面形成所述纹理化后表面的纹理角，并且其中所述纹理化后表面的纹理角被设定为基本上等于或大于阈值角度；和
在所述透明基板的纹理化后表面上形成滤色器结构以在所述纹理化后表面和所述滤色器结构之间产生纹理化界面，其中所述滤色器结构被配置为引起入射光的波长选择性反射；和
将所述透明基板和所述滤色器结构与封装在顶部封装片和底部封装片之间的太阳能电池的阵列组装在一起。
17.根据权利要求16所述的方法，其中制备所述透明基板的纹理化后表面包括使用纹理辊工艺和/或一个或多个化学蚀刻工艺，接着是回火工艺。

Claims (20)

1.一种有色光伏(PV)模块，包括：
透明基板；
太阳能电池阵列，封装在顶部封装片和底部封装片之间；和
滤色器结构，嵌在所述顶部封装片和所述透明基板之间，并且被配置为引起由有色PV模块接收的入射光的波长选择性反射；
其中所述透明基板包括被配置为接收入射光的前表面和被配置有特征部的阵列的纹理化后表面，其中所述滤色器结构形成在所述透明基板的纹理化后表面上以在所述纹理化后表面和所述滤色器结构之间产生纹理化界面。
2.根据权利要求1所述的有色PV模块，其中所述纹理化后表面被配置为使由所述PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得波长选择性反射主要包括在纹理化界面上反射两次或更多次的光。
3.根据权利要求2所述的有色PV模块，其中所述纹理化后表面被配置为通过增加或减少纹理化界面上的入射光的多次反射的量来控制由纹理化界面引起的反射损耗量，其中增加多次反射的量使反射损耗量减少。
4.根据权利要求2所述的有色PV模块，其中当在所述透明基板的前表面上方观察时，所述滤色器结构有助于所述PV模块的期望的颜色外观。
5.根据权利要求1所述的有色PV模块，其中所述纹理化后表面中的每个所述特征部包括至少一个成角度侧壁，所述至少一个成角度侧壁与所述透明基板的前表面的平面形成所述纹理化后表面的纹理角。
6.根据权利要求5所述的有色PV模块，其中所述纹理化后表面的纹理角被配置为使得由所述PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次。
7.根据权利要求5所述的有色PV模块，其中所述纹理化后表面的纹理角被配置为控制由纹理化界面引起的反射损耗量。
8.根据权利要求7所述的有色PV模块，其中所述纹理化后表面的纹理角被设定为基本上等于或大于阈值角度，所述阈值角度使由所述PV模块接收的大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得来自纹理化界面的波长选择性反射主要包括在纹理化界面上反射两次或更多次的光。
9.根据权利要求8所述的有色PV模块，其中所述阈值角度为约45°。
10.根据权利要求1所述的有色PV模块，其中所述特征部的阵列包括以下之一：凹槽的阵列、圆锥的阵列、三角锥的阵列、四角锥的阵列和六角锥的阵列。
11.根据权利要求1所述的有色PV模块，其中每个所述特征部具有平坦顶部表面和锥形的侧壁这两者。
12.根据权利要求1所述的有色PV模块，其中每个所述特征部具有从10μm至5mm范围的特征部尺寸。
13.根据权利要求1所述的有色PV模块，其中所述滤色器结构包括多层光学涂层，并且其中所述多层光学涂层包括交替的高折射率光学涂层和低折射率光学涂层。
14.根据权利要求1所述的有色PV模块，还包括抗反射涂层(ARC)，所述抗反射涂层沉积在所述透明基板的前表面上并且被配置为减少不需要的反射。
15.根据权利要求1所述的有色PV模块，其中所述透明基板是玻璃基板。
16.一种用于有色光伏(PV)模块的顶部玻璃结构，包括：
透明基板，所述透明基板包括：
平坦前表面，被配置为接收入射光；和
纹理化后表面，被配置有特征部的阵列；和
滤色器结构，所述滤色器结构形成在所述透明基板的纹理化后表面上以在所述纹理化后表面和所述滤色器结构之间产生纹理化界面，其中所述滤色器结构被配置为引起入射光的波长选择性反射。
17.根据权利要求16所述的顶部玻璃结构，其中所述纹理化后表面被配置为使大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次，使得波长选择性反射主要包括在所述纹理化界面上反射两次或更多次的光。
18.根据权利要求16所述的顶部玻璃结构，其中所述纹理化后表面中的每个特征部包括至少一个成角度侧壁，所述至少一个成角度侧壁与所述透明基板的前表面的平面形成所述纹理化后表面的纹理角，并且其中所述纹理化后表面的纹理角被配置为使得大部分入射光在纹理化界面上反射至少两次。
19.一种制造有色光伏(PV)模块的方法，所述方法包括：
制备透明基板，所述透明基板包括：
平坦前表面，被配置为接收入射光；和
纹理化后表面，被配置有特征部的阵列；和
在所述透明基板的纹理化后表面上形成滤色器结构以在所述纹理化后表面和所述滤色器结构之间产生纹理化界面，其中所述滤色器结构被配置为引起入射光的波长选择性反射；和
将所述透明基板和所述滤色器结构与封装在顶部封装片和底部封装片之间的太阳能电池的阵列组装在一起。
20.根据权利要求19所述的方法，其中制备所述透明基板的纹理化后表面包括使用纹理辊工艺和/或一个或多个化学蚀刻工艺，接着是回火工艺。
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