Способ изготовления подложки солнечной батареи

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и направлено на улучшение механических характеристик батареи. Сущность: сетчатую подложку из стеклонитей растягивают на каркасе при удельной нагрузке 0,2-0,7 кгс/пог.см. Затем обрабатывают лаком на основе кремнийорганической смолы и отжигают при температуре 90-120^oС в вакууме 10^-4-10^-7 мм рт.ст. в течение от 2 до 5 часов. 2 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к области непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей (СБ), в частности к способу изготовления подложки СБ с сетчатой основой.

Изобретение может быть использовано при изготовлении подложки с сетчатой основой, предназначенной для СБ с повышенным ресурсом.

Известен способ монтажа фотопреобразователей (ФП) (Н.Н.Гибадулин, В.Н. Чехович и др. а.с. N 272989, кл. Н 01L 31/18, 1970), который заключается в изготовлении панели СБ с тканевой или сетчатой основой и крепления ФП на ней.

Основным недостатком данного способа является низкая стойкость тканевой и сетчатой подложки к длительному воздействию факторов космического пространства (ФКП).

Согласно данному способу для изготовления подложки можно использовать любой тканевый или сетчатый материал. При этом может нарушиться тепловой режим работы ФП при длительной работе СБ в космосе, что приводит к ухудшению выходных параметров СБ. Это объясняется плохим отводом тепла от ФП из-за малого просвета между нитями ткани или малого размера ячей в сетчатом материале. Кроме того, в данном способе не введены ограничения по склеивающим и пропитывающим материалам, без которых невозможно изготовление подложек СБ.

Согласно принятым критериям для наружной поверхности изделий, работающих в космосе, можно использовать ограниченное количество материалов, стойких к ФКП.

Например, известен способ склеивания стекловолокон в пряди проклеивающим составом, который содержит водорастворимую эпоксидную смолу, органосилан, сополимер поливинилацетата и смазочное масло (патент США N 3817898 от 18.06.74, кл. С 03 С 25/02). Недостатком данного способа является наличие в проклеивающем составе эпоксидной смолы, которая не является радиационностойким материалом и не может сохранять свои свойства при длительном пребывании в космосе.

Изобретение позволяет повысить ресурс работы СБ за счет снижения деградации механических и электрических параметров СБ и уменьшении катастрофических отказов.

Это достигается тем, что в способе изготовления подложки СБ сетчатый материал изготавливают из стеклонитей методом уточно-филейного переплетения, производят растяжение полученного сетчатого материала на каркасе при удельной нагрузке 0,2-0,7 кгс/пог.см. обрабатывают лаком, приготовленным на основе кремнийорганической смолы, производят отжиг сетчатого материала при 90-120^oС в вакууме 10^-4-10^-7 мм рт.ст. в течение от 5 до 2 часов. Данный способ имеет следующие преимущества перед известным.

Сетчатый материал, изготовленный из стеклонитей методом уточно-филейного переплетения, при растяжении при удельной нагрузке 0,2-0,7 кгс/пог.см обеспечивает достаточный просвет подложки СБ, не нарушающий тепловой режим работы ФП.

Обработка сетчатой подложки на основе кремнийорганической (КО) смолы типа 139-240 или 136-320 (в дальнейшем обозначение лака 139-240 и 136-320) позволяет снизить выделение газообразных веществ с подложки при воздействии ФКП по сравнению с другими классами материалов, например фенолформальдегидными смолами типа БФ-4. Так, для подложки, покрытой лаком 139-240, величина Δm/m на порядок меньше, чем для подложки, покрытой БФ-4.

Это связано с такими уникальными свойствами лаков на основе смол 139-240 и 136-320, как высокая термостойкость (до 300^oС), повышенная радиационная стойкость, стойкость к циклической смене температур, малая потеря массы в вакууме. Уникальные свойства указанных лаков определяются в значительной степени составом и структурой главной цепи макромолекулы смолы, а также составом органических обрамляющих групп.

Смола 139-240 представляет собой полиметилфенилсилоксановый полимер с силоксанфенантренильными звеньями, а смола 136-320 60% раствор полиметилвинилгидридсилоксана в толуоле.

Средняя энергия главной цепи Si-0 в КО-полимере составляет 4,83 эВ, что выше энергии типичных связей многих полимеров, например в фенильных смолах С-Н (4,2 эВ) и С-CH₃ (3,6 эВ).

В смоле 139-240 связь Si-CH₃ хорошо стабилизирована фенантренильными группами, что усиливает стойкость лака к длительному воздействию ФКП.

Смола 136-320 отличается от полиметилсилоксановых смол наличием у кремния винильных CH₂ CH-Si и гидридных групп H-Si. При отверждении этой смолы в присутствии катализатора П-1 (раствор платинохлористоводородной кислоты) образуются этиленовые мостики и более сшитая структура, чем у полиметилсилоксановых смол, что также придает лаку на основе этой смолы повышенную стойкость к ФКП.

В таблице представлены сравнительные данные по потерям массы Δm/m сетеполотна с покрытиями БФ-4 и лаками на основе КО-полимеров, получаемые в экспериментальных условиях с применением имитаторов ФКП.

Как следует из таблицы, при воздействии ФКП суммарные потери массы сетеполотна с покрытием БФ-4 в 3 раза больше, чем сетеполотна с лаком 139-240 и в 4 раза больше, чем сетеполотна с лаком 136-320. При отжиге в вакууме в 10^-4-10^-7 мм рт.ст. при t 120^oС в течение 2 часов потери массы сетеполотна с лаком на основе КО-полимеров почти на порядок меньше, чем для сетеполотна с БФ-4. Аналогичный отжиг сетеполотна с БФ-4 с целью удаления летучих продуктов невозможен из-за его нестойкости к повышенным температурам, т.к. его интервал рабочих температур составляет +60 -60^oC. Если же проводить отжиг при t 60^oС, то не происходит полного удаления легко летучих компонентов с сетчатой подложки, например парафинов и церезинов, имеющих интервал температур плавления 50-70^oС и 65-88^oС соответственно. Парафины и церезины входят в состав замасливателя стеклонитей и могут присутствовать, например, в порах покрытия сетчатой подложки. Отжиг же сетчатой подложки с лаком на основе КО-полимеров на воздухе не эффективен, т.к. фактически не дает уменьшения газовыделения с подложки (рис.1, кривые 1 и 2). Отжиг сетчатой подложки в вакууме (10^-4-10^-7 мм рт.ст.) уменьшает ее потери массы в среднем в 3,6 раза (рис. 1, кривые 1 и 3 соответственно). При этом отжиг в вакууме >10^-4 мм рт. ст. может привести к дополнительным загрязнениям сетчатой подложки из-за остаточной атмосферы, а отжиг в вакууме <10 мм рт.ст. не целесообразен, т. к. не дает дополнительного вклада в уменьшение газовыделения с сетчатой подложки и требует более сложного и дорогого оборудования.

Предлагаемый интервал температур отжига составляет 90-120^oС.

Если отжиг проводят при температуре 80^oС, то, во-первых, не будет удаляться та часть церезинов, которая имеет температуру плавления > 80^oС. Во-вторых, температура отжига определяет время выхода на постоянную скорость потери массы. Так, при повышении температуры отжига с 80 до 120^oС выход на постоянную скорость потери массы уменьшается с 2-2,5 час (кривая 1, рис. 2) до 1-1,5 часа (кривая 2, рис. 2), что более технологично.

При проведении отжига при t > 120^oС может начаться деструкция полимеров.

Время отжига зависит от температуры отжига и выбирается таким образом, чтобы произошел выход на постоянную скорость потери массы сетчатой подложки.

Конкретный пример предлагаемого способа изготовления подложки СБ состоит в следующем.

1. Изготавливают сетчатый материал из стеклонитей методом уточно-филейного переплетения.

2. Сетчатый материал подвергается растяжению на оснастке при удельной нагрузке 0,2-0,7 кгс/пог.см.

3. Полученная сетчатая подложка обрабатывается лаком 139-240 или 136-320 кистью, валиком или окунанием.

4. Пропитанная сетчатая подложка высушивается при комнатной температуре в течение не менее 24 часов (для лака 139-240) или при температуре 80-100^oС в течение не менее 2 часов (для лака 136-320).

5. После сушки сетчатая подложка снимается с оснастки, скатывается в рулон и помещается в камеру, которая откачивается до вакуума 10^-6 мм рт.ст. затем рулон нагревается в камере до t 120^oС и выдерживается в течение 2 часов.

6. Отожженная сетчатая подложка натягивается на каркас.

При наличии вакуумных камер соответствующих размеров обработку сетчатой подложки лаком и ее отжиг производят на каркасе, а не на оснастке, т.е. сетчатый материал подвергается растяжению не на оснастке, а сразу на каркасе (п. 2 технологического процесса), поэтому после сушки сетчатая подложка на каркасе сразу же помещается в вакуумную камеру и отжигается.

Использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с известным способом следующие преимущества: 1. не происходит деградации электрических параметров СБ, связанной с нарушением теплового режима работы ФП, из-за хорошего отвода тепла от ФП вследствие достаточного размера ячей сетчатого материала; 2. не происходит деградации электрических параметров СБ при длительном воздействии ФКП, связанной с потерей массы подложки и осаждением выделенных продуктов на защитные покрытия СБ; 3. улучшаются механические свойства сетчатой подложки увеличивается прочность на разрыв (10 кг для лака 139-240 и 8,3 кг для лака 136-320 по сравнению с 2,8 кг для БФ-4), уменьшается относительное удлинение, что уменьшает прогиб подложки и ее истирание, что в совокупности устраняет некоторые виды отказов СБ; На основании описанного в пп. 1-3 предлагаемый способ позволяет повысить ресурс СБ.

Изготовлена опытная СБ с использованием в ней предлагаемого изобретения и проведены стандартные испытания на воздействие ФКП с положительными результатами.

Формула изобретения

Способ изготовления подложки солнечной батареи, заключающийся в изготовлении сетчатого материала и креплении его на каркасе подложки, отличающийся тем, что сетчатый материал изготавливают из стеклонитей методом уточно-филейного переплетения, производят растяжение полученного сетчатого материала на каркасе при удельной нагрузке 0,2 0,7 кгс/пог.см, обрабатывают лаком, приготовленным на основе кремнийорганической смолы, производят отжиг сетчатого материала при 90 -120^oС в вакууме 10^-4 10^-7 мм рт.ст. в течение от 5 до 2 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3