[发明专利]用于平流层和外层空间用途的太阳能电池

说明书

政府许可权利

本发明在依据U.S.Air Force Contract号F29601-03-C-0122的政府资助下作出。政府在本发明中具有某些权利。

发明领域

本发明涉及在平流层在飞船上和在外层空间在航天器上使用的太阳能电池。更具体地，本发明涉及轻质太阳能电池(比功率：＞500W/kg)和超轻太阳能电池(比功率：＞1000W/kg)，其沉积在聚合物或薄金属膜上并包括沉积在其顶部用于抵御大气、平流层和外层空间环境的喷涂有机硅包封剂(silicone encapsulant)。

发明背景

已经非常清楚，轻质、柔性太阳能电池在平流层和外层空间用途中具有极大潜力。平流层用途的一个实例是为高空平台供应能量。在这方面，对高容量无线服务的要求带来越来越多的挑战。在地面上，对视线(line-of-sight)电磁传播路径的需求构成限制，除非部署非常大量的基站天线杆，且卫星通信系统具有容量限制。对这些问题提供的解决方案是部署大量的在海拔大约22千米的平流层中运行的高空平台(HAP)以提供可同时利用地面和卫星方案的最佳特征的通信设施，但它们需要太阳能基动力结构。

太空用途包括用于通信和其它用途的卫星、以及空间站、观测站和其它大功耗设备。甚至已经提出用于例如火星的行星探测的高空浮台。

考虑到这些和其它可能的用途，近年来已经在制造轻质柔性太阳能电池方面作出大量研究工作。但是，尚未认真的考虑使用这些太阳能电池的严酷的破坏性环境。简言之，尚未重视如何保护太阳能电池免受平流层和外层空间环境的有害影响。需要制造可耐受平流层或外层空间的严酷环境并仍提供强光伏性能的轻质、柔性太阳能电池。

本发明提供了通过其光入射表面上的薄涂层抵御这些环境的太阳能电池。这种涂层是粘着的并保护该太阳能电池抵御严酷的辐射能以及氧化要素和温度极端状况/周期变化。该涂层也保护太阳能电池抵御该太阳能电池储存处的地平面地面环境。最后，该涂层本身不受其抵御的环境的有害影响。

发明内容

本发明包括适用在平流层或外层空间环境中的光伏器件。该光伏器件包括基底和至少一个沉积在所述基底上的太阳能电池。其还包括沉积在所述一个太阳能电池上并完全包封该太阳能电池的保护性涂层。该保护性涂层：a)不会有害地影响该太阳能电池的光伏性质；b)由保护所述太阳能电池抵御该光伏器件适用的大气、平流层或外层空间环境中的严酷条件的材料形成；和c)暴露在该光伏器件适用的大气、平流层或外层空间环境中的严酷条件中时保持基本不变。优选地，该保护性涂层是有机硅基材料(silicone based material)的涂层，如有机硅基材料的喷雾沉积涂层。该保护性涂层为0.01至2密耳厚，更优选0.2至2密耳厚，再更优选0.5至2密耳厚，最优选1至2密耳厚。

该基底包含薄片，如金属或聚合物薄片。金属可以包括不锈钢，聚合物可以包括聚酰亚胺膜，如Kapton。该太阳能电池可包含至少一个太阳能电池，如三结无定形硅太阳能电池。该光伏器件可进一步包含位于该基底与太阳能电池之间的背反射结构。该器件还可以包括位于太阳能电池与所述保护性涂层之间的顶部传导层，其可以由氧化铟锡(ITO)制成。最后，该器件可进一步包括位于顶部传导层与保护性涂层之间的集流栅(current collection grid)。

附图简述

图1描绘了可在其上施加本发明的涂层的太阳能电池器件的一个实例；

图2绘制了六个涂布的太阳能电池的量子效率(Q)和光波长曲线的变化关系图，其中四个太阳能电池用本发明的有机硅涂层包封；

图3绘制了来自图1的相同样品的内量子效率Q_s(其是Q/(1-R))对光波长的变化关系图；

图4绘制了三组太阳能电池样品(裸/未涂布、有机硅涂布和丙烯酸类硬涂布)暴露在原子氧中之前和之后的填充因子(FF)；

图5绘制了涂布和未涂布的太阳能电池在湿热测试中的特定阶段之前和之后的填充因子(FF)；

图6绘制了涂布和未涂布的太阳能电池在从-175℃至100℃的1000次热循环之前和之后的填充因子(FF)；

图7绘制了涂布和未涂布的太阳能电池在500等效太阳小时(equivalent-sun-hours，ESH)的紫外线暴露之前和之后的总积分量子效率(Q)值；