CN115832089A - 一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法和应用。所述空间柔性太阳电池阵包括依次叠加设置的柔性基板、胶粘层、太阳电池组件和覆盖膜；所述空间柔性太阳电池阵还包括缝纫丝，所述缝纫丝用于固定覆盖膜。本发明中，通过缝纫丝将覆盖膜固定于空间柔性太阳电池组件中，避免了封装胶膜或粘结剂的使用导致气泡的产生以及空间柔性太阳电池组件可靠性下降问题的发生。
Description
技术领域
本发明属于航天电源系统物理电源技术领域，具体涉及一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法和应用。
背景技术
空间太阳电池阵利用光电效应将太阳光能转化为电能，是航天器在轨稳定工作的能源保障，而且作为舱外设备，太阳电池阵直接暴露于严酷的空间环境中，对可靠性要求极高。
传统的太阳电池阵为刚性结构，其基板、太阳电池、玻璃盖片均为刚性材料，玻璃盖片-太阳电池-基板之间均采用粘结剂进行胶结固定。随着航天技术的发展，轻量化、低成本、柔性化成为空间太阳电池阵的重点发展方向。
CN106299002A公开了一种柔性太阳电池组件及其制备方法及应用。所述柔性太阳电池组件包括从上至下依次热压封装的上蒙皮、第一封装胶膜、柔性太阳电池阵、第二封装胶膜、支撑件、第三封装胶膜和下蒙皮，所述支撑件为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫板。所述制备方法包括以下步骤：先按从上到下为上蒙皮、第一封装胶膜、柔性太阳电池阵、第二封装胶膜、支撑件、第三封装胶膜和下蒙皮的顺序进行叠层，再进行层压。该技术方案提供的柔性太阳电池组件具有面密度低、弯曲和柔韧性能好、能适应与翼型曲面的贴合、可靠性好、不存在翘曲、碎裂等封装问题的优点，在空间飞行器上有广阔的应用。
现有技术中提供的柔性太阳电池组件中覆盖膜(又称为上蒙皮)与柔性太阳电池阵之间通常通过粘结剂粘接或者热压的方式连接，但是由于柔性太阳电池阵的基板、太阳电池和覆盖膜均为柔性，且太阳电池与基板贴合后才进行覆盖膜的整体贴合。如果采用上述的方案，不论是粘结剂或者热压，在大面积的封装后很难完全避免气泡的存在，而气泡对于空间产品是致命的，在地球轨道的高真空和热环境下，气泡会膨胀，使柔性层叠结构分层或者造成膜层的破坏；其次，采用粘结剂或者热压整体封装的方案的产品，当制作完成后如果发现有质量隐患或者缺陷，由于其一体性封装的特点很难进行局部维修，而必须进行整板返修或者报废处理，造成成本的上升；再其次，采用粘结剂或者热压整体封装的方案还存在一个潜在的隐患：太阳电池之间存在互连片，组件中存在汇流条，而这两个零件均设计有减应力结构，如果采用的是粘结剂或者热压整体封装会造成减应力结构被固封，无法发挥其减小应力的效果，极易发生疲劳失效，造成产品可靠性的降低。
同时，现有技术中通常选用PTFE或者ETFE等低粘材料作为覆盖膜，覆盖膜与胶粘剂结合力不足，由此制备得到的空间柔性太阳电池阵在地面操作和在轨工作期间极易发生脱粘质量问题。
综上所述，如何提供一种可避免气泡产生、便于局部维修、可靠性高的空间柔性太阳电池阵及其封装方法，已成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法和应用。本发明中，通过对空间柔性太阳电池阵结构的设计，进一步通过缝纫丝的使用，通过缝纫丝将覆盖膜固定于空间柔性太阳电池阵中，避免了封装胶膜的使用导致气泡的产生以及空间柔性太阳电池组件可靠性下降问题的发生。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种空间柔性太阳电池阵，所述空间柔性太阳电池阵包括依次叠加设置的柔性基板、胶粘层、太阳电池组件和覆盖膜；
所述空间柔性太阳电池阵还包括缝纫丝，所述缝纫丝用于固定覆盖膜。
本发明中，通过对空间柔性太阳电池阵结构的设计，进一步通过缝纫丝的使用，通过缝纫丝将覆盖膜固定于空间柔性太阳电池阵中，避免了封装胶膜或粘结剂的使用导致气泡的产生以及空间柔性太阳电池阵可靠性下降问题的发生。
现有技术中，常通过封装胶膜或粘结剂的使用，或结合热压的方法，将覆盖膜固定于太阳电池阵一侧，但是使用封装胶膜(或粘结剂)以及热压制备空间柔性太阳电池组件的方案，有以下弊端：第一，使用封装胶膜(或粘结剂)或者热压进行大面积封装过程中，不可避免的会产生气泡，而气泡对于空间产品是致命的，在地球轨道的高真空和热环境下，即使是微小的气泡也会膨胀，使柔性层叠结构分层或者造成膜层的破坏；第二，采用封装胶膜(或粘结剂)或者热压进行封装的产品，封装结束后，若发现有质量隐患或者缺陷，由于其一体性封装的特点很难进行局部维修，而必须进行整板返修或者报废处理，造成成本的上升；第三，由于太阳电池片之间存在互连片，组件中存在汇流条，而这两个零件均设计有减应力结构，如果采用封装胶膜(或粘结剂)或者热压进行封装会造成减应力结构被固封，无法发挥其减小应力的效果，极易发生疲劳失效，造成产品可靠性的降低；第四，现有技术中通常选用PTFE或者ETFE等低粘材料作为覆盖膜，由于覆盖膜的低粘性，其与封装胶膜(或粘结剂)结合力不足，由此制备得到的空间柔性太阳电池阵在地面操作和在轨工作期间极易发生脱粘质量问题。
本发明中，通过缝纫丝的使用，通过缝纫丝将覆盖膜缝纫、固定于空间柔性太阳电池阵中，有效避免了封装胶膜(或粘结剂)的使用，同时无需使用热压方法，便可制备得到性能优异的空间柔性太阳电池阵，有效解决了上述问题。
需要说明的是，本发明中太阳电池组件和覆盖膜之间未设置任何将覆盖膜连接至太阳电池阵一侧的粘结层(例如封装胶膜或由粘结剂形成的粘结层等)。
以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。
作为本发明的优选技术方案，所述缝纫丝的断裂强度≥2000MPa，例如可以是2000MPa、2100MPa、2200MPa、2300MPa、2400MPa、2500MPa、2600MPa、2700MPa、2800MPa、2900MPa或3000MPa等。
本发明中，缝纫丝的断裂强度的测试方法可参考ASTMD7269中断裂强度的测试方法。
优选地，所述缝纫丝的长期工作温度为≥150℃，例如可以是150℃、155℃、160℃、165℃、170℃等。
优选地，所述缝纫丝的耐辐照性为≥100kRad(Si)，例如可以是100kRad(Si)、110kRad(Si)、120kRad(Si)、130kRad(Si)、140kRad(Si)、150kRad(Si)或160kRad(Si)等。
本发明中，缝纫丝的耐辐照性的测试可采用Co60γ辐射源对材料进行一定剂量的辐照试验，试验后材料断裂强度衰减不大于20％。
本发明中，通过选用具有高强度、高耐高温性和耐辐照性的缝纫丝，制备得到的空间柔性太阳电池阵可直接暴露于严酷的空间环境中，用于航天领域。
作为本发明的优选技术方案，所述缝纫丝选自选自玻璃纤维和/或芳纶纤维。
优选地，所述玻璃纤维、芳纶纤维的直径各自独立的≥25μm，例如可以是25μm、27μm、30μm、33μm、35μm、38μm、40μm、42μm、46μm或50μm等。
优选地，所述缝纫丝为单丝结构或者多丝结构，进一步优选为多丝结构，多丝结构的缝纫丝截面积应≤0.05mm2，例如可以是0.02mm2、0.025mm2、0.03mm2、0.035mm2、0.04mm2、0.045mm2或0.05mm2等。
需要说明的是，本发明中所述缝纫丝为单丝结构是指：采用单根纤维(玻璃纤维或芳纶纤维)作为缝纫丝，将覆盖膜缝纫、固定于空间柔性太阳电池阵中；所述缝纫丝为多丝结构是指：采用多根纤维(玻璃纤维、芳纶纤维中的至少一种)进行倍捻、编织，得到缝纫丝，然后使用缝纫丝将覆盖膜缝纫、固定于空间柔性太阳电池阵中。
同时，需要说明的是，本发明中对于由多丝编织得到的多丝结构中纤维丝的数量没有任何特殊的要求，只需编织得到的多丝结构的缝纫丝的宽度小于电池片之间的间隙即可。
优选地，所述缝纫丝为圆柱形或扁平状形，进一步优选为扁平状形。
本发明中，通过进一步优选缝纫丝为多丝倍捻、编织形成的扁平状形，可增大缝纫丝与覆盖膜的接触面积，避免由于二者接触面积过少，导致覆盖膜脱离缝纫丝问题的发生。
作为本发明的优选技术方案，所述缝纫丝固定覆盖膜的方法为：将覆盖膜与柔性基膜进行缝纫。
所述缝纫的缝纫区域为：所述太阳电池阵中相邻太阳电池片之间的间隙以及柔性基板的边缘区域。同时需要说明的是，并不是任意两个相邻的太阳电池片之间均需要使用缝纫丝进行缝纫，由缝纫丝缝纫后形成的网格中可包括多个太阳电池片。
作为本发明的优选技术方案，所述柔性基板的制备原料材料包括聚酰亚胺膜、玻璃纤维和环氧树脂。
本发明中，对柔性基板的制备方法不做任何特殊限制，本领域常用的制备方法均适用。
优选地，所述柔性基板的厚度为0.15mm～0.25mm，例如可以是0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.20mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm或0.25mm等。
作为本发明的优选技术方案，所述太阳电池组件由至少两个太阳电池片串联、并联得到。
本发明中，对于太阳电池片的数量没有任何特殊的限制，可根据实际需求进行设计，所述太阳电池片的数量可以是2片、5片、10片、20片、50片、100片、150片或200片等。太阳电池片通过互连片串联连接，并通过汇流条传输到功率总线上；互连片采用纯度99.9％的纯银冲压制作，厚度20μm；汇流条采用纯度99.9％的纯银冲压制作，厚度为50μm～75μm(例如可以是50μm、52μm、55μm、57μm、60μm、63μm、66μm、68μm、72μm或75μm等)，可根据载流大小选择合适的汇流条厚度。太阳电池串联间隙为1.5mm～2mm(例如可以是1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm等)，并联间隙为1.5mm～3mm(例如可以是1.5mm、1.8mm、2mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm或3mm等)。
同时需要说明的是，本发明中，通过缝纫丝将覆盖膜缝纫、固定于空间柔性太阳电池阵中，可以根据太阳电池片的大小调整缝纫丝形成的网格的大小。为了保证封装的贴合度和生产效率，缝纫丝形成的网格的横截面面积为100～300cm2(例如可以是100cm2、120cm2、140cm2、160cm2、180cm2、200cm2、220cm2、240cm2、260cm2、280cm2或300cm2等)，缝纫针的之间为0.6～1.2mm(例如可以是0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm或1.2mm等)，缝纫针距为10～30mm(例如可以是10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm或30mm等)。
优选地，所述太阳电池片为柔性太阳电池片。
优选地，所述柔性太阳电池片包括三结砷化镓太阳电池片、柔性晶硅太阳电池片或柔性CIGS太阳电池片。
优选地，所述太阳电池片的厚度≤100μm(例如可以是40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等)，进一步优选为≤70μm。
优选地，任意两个相邻所述电池片之间的间隙为1.5mm～2mm，例如可以是1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm等。
作为本发明的优选技术方案，所述柔性基板与太阳电池组件之间的胶粘层的厚度为0.03mm～0.05mm，例如可以是0.03mm、0.032mm、0.034mm、0.036mm、0.038mm、0.04mm、0.042mm、0.044mm、0.046mm、0.048mm或0.05mm等。
作为本发明的优选技术方案，所述覆盖膜选自ETFE膜、PTFE膜或透明聚酰亚胺膜。
优选地，所述覆盖膜的厚度为0.025mm～0.125mm，例如可以是0.025mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm、0.11mm、0.12mm或0.125mm等。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的空间柔性太阳电池阵的封装方法，所述封装方法包括如下步骤：
(1)在柔性基板一侧涂覆胶黏剂，形成胶粘层；
(2)将太阳电池片置于胶粘层远离柔性基板一侧，形成太阳电池组件；
(3)在覆盖膜置于太阳电池阵远离柔性基板一侧，在相邻太阳电池片之间的间隙以及柔性基板边缘区域进行缝纫，完成封装，得到所述空间柔性太阳电池阵。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的空间柔性太阳电池阵在航天领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中，通过对空间柔性太阳电池阵结构的设计，进一步通过缝纫丝的使用，通过缝纫丝将覆盖膜固定于空间柔性太阳电池阵中，有效解决了现有技术中由于封装胶膜(或粘结剂)的使用，导致气泡的产生、以及组件中互连片和汇流条被固封，造成产品可靠性下降问题的发生；
(2)本发明提供的空间柔性太阳电池阵中，太阳电池组件与覆盖膜之间无胶粘层，减少了胶粘剂固化所消耗的时间，提高了生产效率；
(3)本发明提供的空间柔性太阳电池阵可进行局部维修，降低了空间柔性太阳电池阵的成本。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的空间柔性太阳电池阵的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的空间柔性太阳电池阵的俯视结构示意图；
图3是本发明对比例1提供的空间柔性太阳电池阵的剖面结构示意图；
其中，1-柔性基板，2-胶粘层，3-太阳电池组件，31-太阳电池片，4-覆盖膜，5-缝纫丝，6-粘结层。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
下述实施例和对比例中使用的部分组分的来源如下所述：
玻璃纤维：美国欧文斯，康宁；
芳纶纤维：美国杜邦，凯夫拉、Vectran；
ETFE膜：美国杜邦，日本旭硝子；
PTFE膜：美国杜邦，日本旭硝子；
透明聚酰亚胺膜：美国杜邦，Kapton。
实施例1
本实施例提供一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法，所述空间柔性太阳电池阵的剖面结构示意图如图1所示，其俯视结构示意图如图2所示，所述空间柔性太阳电池阵包括依次叠加设置的柔性基板1、胶粘层2、太阳电池组件3和覆盖膜4；
所述空间柔性太阳电池阵还包括缝纫丝5，所述缝纫丝5用于固定覆盖膜4；
所述柔性基板1的厚度为0.2mm；
所述胶粘层2由胶黏剂(购自上海硅胶制品研究所)制备得到，厚度为0.04mm；
所述太阳电池组件3由100个三结砷化镓太阳电池片31串联、并联得到，三结砷化镓太阳电池片的厚度为70μm，任意两个相邻所述三结砷化镓太阳电池片31之间的间隙为1.5mm；
所述缝纫丝5为扁平状形，由多根玻璃纤维倍捻、编织而成，其横截面积为0.07mm2，断裂强度为1500MPa，长期工作温度大于300℃，耐辐照性为大于100kRad(Si)；
所述覆盖膜4选自ETFE膜，厚度为0.07mm。
上述空间柔性太阳电池阵的封装方法如下：
(1)在柔性基板1一侧涂覆胶黏剂，形成胶粘层2；
(2)将太阳电池片31置于胶粘层2远离柔性基板1一侧，形成太阳电池组件3；
(3)在覆盖膜4置于太阳电池阵远离柔性基板1一侧，在相邻太阳电池片31之间的间隙以及柔性基板1边缘区域进行缝纫，完成封装，得到所述空间柔性太阳电池阵。
实施例2
本实施例提供一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法，所述空间柔性太阳电池阵包括叠加设置的柔性基板、胶粘层、太阳电池组件和覆盖膜；
所述空间柔性太阳电池阵还包括缝纫丝，所述缝纫丝用于固定覆盖膜；
所述柔性基板的厚度为0.15mm；
所述胶粘层由胶黏剂(购自上海硅胶制品研究所)制备得到，厚度为0.05mm；
所述太阳电池组件由100个柔性晶硅太阳电池片串联、并联得到，太阳电池片的厚度为70μm，任意两个相邻柔性晶硅太阳电池片之间的间隙为1.5mm；
所述缝纫丝为扁平状形，由多根芳纶纤维倍捻、编织而成，横截面积为0.05mm2，其断裂强度为3000MPa，长期工作温度大于150℃，耐辐照性为大于100kRad(Si)；
所述覆盖膜选自PTFE膜，厚度为0.08mm。
上述空间柔性太阳电池阵的封装方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法，与实施例1的区别在于，所述缝纫丝为由多根玻璃纤维倍捻而成的圆柱形、多丝结构，截面积为0.07mm2，强度为1500MPa，长期工作温度大于300℃，耐辐照性为100kRad(Si)；
其他条件与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种空间柔性太阳电池阵及其封装方法，所述空间柔性太阳电池阵的剖面结构示意图如图3所示，与实施例1的区别在于，所述空间柔性太阳电池阵中不包括缝纫丝5，太阳电池组件3和覆盖膜4之间设置有粘结层6；
所述粘结层6由胶黏剂(购自中科院化学所)制备得到，厚度为0.04mm；
即所述空间柔性太阳电池阵包括依次叠加设置的柔性基板1、胶粘层2、太阳电池组件3、粘结层6和覆盖膜4。
上述空间柔性太阳电池阵的封装方法如下：
将柔性基板1、胶粘层2、太阳电池组件3、粘结层6和覆盖膜4依次叠加放置后，室温固化48小时后得到所述空间柔性太阳电池阵；
其他条件与实施例1相同。
对实施例1-3和对比例1提供的空间柔性太阳电池阵的性能进行对比：
对于生产效率提升的对比：以1平米大小的柔性太阳电池阵的封装过程做对比，
对比例中1平米柔性基板的硅橡胶涂敷需要0.5小时～1小时，固化需要24小时～48小时，固化过程中需要产品静置不能进行任何操作；
实施例1～3中的封装工艺，一平米需要缝纫的总长度小于121米，如采用1000针/分钟的走线速度，针距10毫米，缝纫完成需要不足10.2分钟，缝纫完成后不需要静置，即可转入其他生产或测试工序，可见采用本方法可以大大提高生产效率。
对于可靠性提升：
实践证明：互连片是空间太阳电池阵疲劳失效故障的易发点，如“程保义.太阳电池阵减应力环失效分析与改进措施[C]//2011:4.”或“Armand S C,Liao M H,Morris RW.A transient plasticity study and low cycle fatigue analysis of the SpaceStation Freedom photovoltaic solar array blanket[C]//1990MSC World UsersConference.1990.”中所述，而避免锡料、粘结剂涂敷或者溢到互连片减应力环上也是空间太阳电池阵生产工艺中需要重点关注的方面。本发明中太阳电池与覆盖膜之间无胶粘层，避免了互联片、汇流条的减应力结构被固封无法发挥减应力作用的问题，提高了产品可靠性。
综上所述，本发明中通过缝纫丝将覆盖膜固定于空间柔性太阳电池阵中，有效解决了现有技术中由于封装胶膜(或粘结剂)的使用，导致气泡的产生、以及组件中互连片和汇流条被固封，造成产品可靠性下降问题的发生；且本发明提供的空间柔性太阳电池阵可进行局部维修，降低了空间柔性太阳电池阵的维修和使用成本。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征和详细工艺流程，但本发明并不局限于上述详细结构特征和详细工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征和详细工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述空间柔性太阳电池阵包括依次叠加设置的柔性基板、胶粘层、太阳电池组件和覆盖膜；
所述空间柔性太阳电池阵还包括缝纫丝，所述缝纫丝用于固定覆盖膜。
2.根据权利要求1所述的空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述缝纫丝的断裂强度≥2000MPa；
优选地，所述缝纫丝的长期工作温度为≥150℃；
优选地，所述缝纫丝的耐辐照性为≥100kRad(Si)。
3.根据权利要求1或2所述的空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述缝纫丝选自玻璃纤维和/或芳纶纤维；
优选地，所述玻璃纤维、芳纶纤维的直径各自独立的≥25μm；
优选地，所述缝纫丝为单丝结构或者多丝结构，进一步优选为多丝结构。
4.根据权利要求1-3任一项所述的空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述缝纫丝固定覆盖膜的方法为：将覆盖膜与柔性基膜进行缝纫；
所述缝纫的缝纫区域为：所述太阳电池阵中相邻太阳电池片之间的间隙以及柔性基板的边缘区域。
5.根据权利要求1-4任一项所述的空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述柔性基板的制备原料材料包括聚酰亚胺膜、玻璃纤维和环氧树脂；
优选地，所述柔性基板的厚度为0.15mm～0.25mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述太阳电池组件由至少两个太阳电池片串联、并联得到；
优选地，所述太阳电池片为柔性太阳电池片；
优选地，所述柔性太阳电池片包括三结砷化镓太阳电池片、柔性晶硅太阳电池片或柔性CIGS太阳电池片；
优选地，所述太阳电池片的厚度≤100μm，进一步优选为≤70μm；
优选地，任意两个相邻所述电池片之间的间隙为1.5mm～2mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述柔性基板与太阳电池组件之间的胶粘层的厚度为0.03mm～0.05mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的空间柔性太阳电池阵，其特征在于，所述覆盖膜选自ETFE膜、PTFE膜或透明聚酰亚胺膜；
优选地，所述覆盖膜的厚度为0.025mm～0.125mm。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的空间柔性太阳电池阵的封装方法，其特征在于，所述封装方法包括如下步骤：
(1)在柔性基板一侧涂覆胶黏剂，形成胶粘层；
(2)将太阳电池片置于胶粘层远离柔性基板一侧，形成太阳电池组件；
(3)在覆盖膜置于太阳电池阵远离柔性基板一侧，在相邻太阳电池组件之间的间隙以及柔性基板边缘区域进行缝纫，完成封装，得到所述空间柔性太阳电池阵。
10.一种如权利要求1-8任一项所述的空间柔性太阳电池阵在航天领域中的应用。
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