[发明专利]直接将太阳能电池粘合至聚酰亚胺的方法

说明书

技术领域

本申请涉及太阳能电池，且更具体地，涉及直接将热塑性聚酰亚胺粘合至太阳能电池的方法。

背景技术

如图1中所示，航天器10包括许多刚性太阳能板12，如在其展开位置所示。利用太阳能电池阵列14——其可包括数百或数千个被粘合至每个太阳能板12的太阳能电池16——提供电能，以驱动多种航天器系统并为其电池充电。航天器旋转太阳能板12，以便太阳能板12接收太阳18的直接光照，来提高效率。

太阳能电池16包括平坦的光伏晶片——其由n型或p型结晶的半导体材料制得，例如，硅、砷化镓或锗，其中或其上形成了具有相反导电率类型的薄表面层。表面层和晶片的主区域之间的界面限定半导体结。照射薄表面层促使载流子——包括半导体结区域中的电子和空穴——释放，其朝相反表面迁移，以在太阳能电池上产生电势。

太阳能板12具有三个主要功能。第一，太阳能板提供具有足够轴向和弯曲劲度的刚性支撑结构，通过动态活跃的发射环境将太阳能电池阵列14输送至轨道中并对其进行定位，以接收光照。第二，太阳能板12的前表面——电池被粘合至此——具有电惰性，从而单个太阳能电池16被电隔离。最后，太阳能板12用作太阳能电池阵列的面向空间侧（对着太阳18）的吸热器。图1中的航天器10为如所述的刚性阵列。薄膜太阳能电池阵列也是可能的，在发射期间其利用不同的装载结构——其比刚性板更轻且装载效率更高，其可包括轻薄的展开结构，保持太阳能电池在薄膜太阳能电池阵列上的空间之外。

无论是刚性阵列、薄膜阵列还是柔性阵列，均存在许多与太阳能板的设计相关的重要问题。基底的散热能力必须足够冷却太阳能电池阵列，以保持能效。相比太阳能电池，太阳能板应该具有低的和/或相匹配的热膨胀性能。阵列的照射侧的温度可高达+70℃，且面对深空的背面上的薄膜阵列可低至-180℃或更低。由于这些热膨胀性能，可使太阳能板发生翘曲或损坏。

在太阳能板的设计中，最关注的是重量。现有的航天器可具有八个太阳能板，每侧四个，其中对于每块板而言，结构组件的重量约为10磅（4.5千克）。目前，在航天器的整个生命周期中，航天器的飞行成本估计可每磅高达$25,000或更高。因此，太阳能板的重量影响了航天器的总运行成本。

太阳能电池通常由石墨面板和绝缘层面板支撑，石墨面板和绝缘层面板通过称为“RTV”粘合剂的硅氧烷基粘合剂粘合至太阳能电池。该太阳能电池的横截面从顶部到底部通常在蜂巢状基底上包括太阳能电池CIC（玻璃罩、互连(interconnects)、电池）、RTV粘合剂层、绝缘层面板（例如，DuPont^TM聚氟乙烯（PVF）薄膜或聚酰亚胺，如Dupont^TM聚酰亚胺薄膜）、以及石墨或面板。RTV是工业中认可的在太阳能电池阵列的整个生命周期的降解源。试图降低太阳能电池阵列的降解包括开发超低除气作用的RTV。

RTV具有的热膨胀系数（“CTE”）在100-200ppm/℃范围内。聚酰亚胺薄膜具有的CTE大约为17-20ppm/℃且一些太阳能电池具有的CTE大约为3-8ppm/℃。在将该认可的粘合剂用作构建太阳能电池阵列的标准粘合剂时，太阳能电池、RTV粘合剂和聚酰亚胺薄膜之间的CTE固有地存在不匹配情况。为了消除这种不匹配情况，其中一个方法就是对RTV的厚度进行优化。但是，增加厚度会使太阳能电池阵列的重量增加，取决于太阳能电池阵列的预期应用，这可能是不期望的。

发明内容

一方面，所公开的方法包括，通过提供具有正面和背面的太阳能电池（在正常运行期间，所述正面面对太阳）构建太阳能电池板，对热塑性聚酰亚胺加热到至少其回流温度，当被加热到至少其回流温度时，使热塑性聚酰亚胺流动至太阳能电池的背面上，然后将热塑性聚酰亚胺冷却至低于其回流温度的温度，以将热塑性聚酰亚胺直接粘合至太阳能电池。不借助粘合剂，如RTV粘合剂，将热塑性聚酰亚胺直接粘合至太阳能电池。方法可用在薄膜折叠的或柔性的太阳能电池阵列上，从而使刚性或柔性太阳能电池阵列具有同样的优势。特别地，排除RTV粘合剂降低了太阳能电池阵列的总重量并减少了相邻层的CTE值的差异，这最终降低了太阳能电池阵列在热循环期间的热应力并提供了延长的阵列的使用寿命。

方法还可包括将基底直接粘合至与太阳能电池相对的热塑性聚酰亚胺。可在进行热塑性聚酰亚胺的流动和冷却之后发生该粘合步骤。