CN100521252C - 太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于,提供无圆板状的单晶晶片的损失且可高度活用至今无法有效利用的弓形电池的太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统、提供每单位面积的动作电压(也称为“面积电压”)高的太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统、以及提供能够提高模块相对住宅屋顶的有效设置面积的配置率的太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统。太阳光发电用模块通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,具有与弦正交的格栅及与其正交的一条以上的母线,且该弓形电池排列成格子状,所述太阳光发电用模块的特征在于,排列有14~42片面积为28~65cm2的该弓形电池。
Description
技术领域
本发明涉及排列多片单晶硅太阳光发电用电池而构成的太阳光发电用模块及太阳光发电系统。
背景技术
一直以来,由将长方体的多晶硅锭切片而成的长方形的多晶硅晶片,来制造太阳光发电用电池(也称「太阳电池」或「电池」)。使用了半导体单晶硅晶片的太阳电池与使用了多晶硅或非晶体硅的太阳电池比较,能量变换效率高,另外,单晶硅晶片也较为廉价,因此将成为今后普及的太阳电池的主力。此时,使用将圆筒状锭切片而成的圆板状晶片,来制造太阳电池。
例如,将通过切克劳斯基单晶生长法(Czochralski法,以下简称为「CZ法」)、或悬浮区熔法(Floating zone法,以下简称为「FZ法」)而得的半导体单晶锭切片而得的单晶晶片为圆板状。当以太阳光发电用电池的总面积相对太阳光发电用模块(以下也称为「太阳电池模块」或「模块」)的平面积所占有的比例为模块填充率时,由于直接平面配置了维持晶片形状的太阳电池、即圆板状的太阳电池,因此无法实现高模块填充率。
为了提高以模块的平面积为基准的实质的能量变换效率,需要提高该模块填充率。在此,作为提高模块填充率的方法,通常众所周知的是加工成四边形状并进行排列的方法。该方法中,由于切断圆板状的半导体单晶晶片并形成为四边形状,因此存在如下的问题:产生弓形形状的结晶损失。
作为解决低模块填充率和结晶损失这2个问题的方法,公开了利用从圆板状太阳电池切断成正方形电池时所产生的弓形电池,来制造太阳电池模块的方法(参照专利文献1)。另外,因特网上已公开了将剪断所谓模拟正方形电池时残存的弓形电池进行了排列而成的图形(参照非专利文献1)。
另一方面,一片结晶硅太阳光发电用电池,不取决于其面积,在动作状态下产生的电压约为0.5V。使用现在普通化的15cm见方的四边形电池时,为了产生将直流变换为交流的普及型变换器的输入电压即210V左右的电压,需要串联连接了合计420片电池的太阳光发电系统。若要作成能够仅以一边15cm的正方形电池连接的模块,则其面积约为12m2,若制作如此巨大的模块,则向屋顶等上的设置并不是实用的。因此,例如采用分为12块1m见方的正方形模块,并将它们串联连接的方法。即使如此设置成小块,但若将合计12m2单位的太阳光发电系统设置于屋顶,则经常会产生无法配置模块的死区(非配置部分)。进而,1片模块重达15kg,也难以进行屋顶上的设置作业。
就电池的生产而言,由10cm见方开始,经过12.5cm见方,现在的主流为15cm见方。由于电池的大面积化,生产率增大至2.25倍,现在也开始生产20cm见方的电池。但是,为实现太阳光发电系统的更大的普及和单晶硅太阳电池的有效活用,期望提高模块总面积相对住宅屋顶的南面有效设置面积的比例(模块配置率,以下也简称为「配置率」)及简化太阳光发电系统设置工程。
〔专利文献1〕国际公开第03/073516A1号公报
〔非专利文献1〕Microsol Power(P)Ltd.,"Microsol Mono-crystallineSolar Cells,"公开年月日不明,公开者的日本语名称不明(Microsol Power(P)Ltd.)、[平成16年8月4日检索]、因特网<URL:http://www.microsolpower.com/home.asp>
发明内容
本发明的一个目的在于提供解决所述问题的太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统。即,提供无圆板状的单晶晶片的损失且可高度活用至今无法有效利用的弓形电池的太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统。
另一目的在于提供每单位面积的动作电压(也称为“面积电压”)高的太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统
本发明的又一目的在于提供能够尽可能提高模块相对住宅屋坝的有效设置面积(强太阳光入射的南侧屋顶的面积)的配置率的太阳光发电用模块及使用其的太阳光发电系统。
本发明的所述课题可通过以下的(1)~(6)所述的太阳光发电用模块及(7)~(11)所述的太阳光发电系统达成。
(1)一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦正交的格栅及与其正交的一条以上的母线,该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,排列有14~42片面积为28~65cm2的该弓形电池。
(2)一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦正交的格栅及与其正交的一条以上的母线,所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,排列有14~42片面积为28~65cm2的该弓形电池。
(3)一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦正交的格栅及与其正交的一条以上的母线,该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,排列有140~440片面积为28~65cm2的该弓形电池。
(4)一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦正交的格栅及与其正交的一条以上的母线,所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,排列有140~440片面积为28~65cm2的该弓形电池。
(5)如(1)~(4)中任一项所述的太阳光发电用模块,其中,弓形电池的母线大致配置在一条直线上。
(6)如(1)~(5)中任一项所述的太阳光发电用模块,其中,排列有如下的弓形电池:在设于弓形电池上的格栅不与母线交叉的区域内,从所述母线延长辅助电极而与格栅交叉。
(7)一种太阳光发电系统,其至少局部地配置有如(1)~(6)中任一项所述的太阳光发电用模块。
(8)一种太阳光发电系统,其配置有:如(1)及/或(2)所述的太阳光发电用模块;及太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与其正交的两条以上的母线,该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,其中,排列有14~42片面积为28~65cm2的该弓形电池,或太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与其正交的两条以上的母线,所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,其中,排列有14~42片面积为28~65cm2的该弓形电池。
(9)一种太阳光发电系统,其配置有:如(3)及/或(4)所述的太阳光发电用模块;及太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与其正交的两条以上的母线,该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,其中,排列有140~440片面积为28~65cm2的该弓形电池,或太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与其正交的两条以上的母线,所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,其中,排列有140~440片面积为28~65cm2的该弓形电池。
(10)一种屋顶用太阳光发电系统,其特征在于,电连接有固定在屋顶上的一个以上如(1)~(6)中任一项所述的模块及太阳能变换器。
(11)如(10)所述的太阳光发电系统,其中,所述太阳光发电系统为系统连接型。
根据本发明,通过形成为活用了一直以来未能有效利用的弓形电池的模块,可减少单晶晶片的损失。尤其,在圆板状的单晶硅基板的整体上预先设置所有的弓形电池所需要的格栅电极和母线电极后,切断正方形状电池,由此可有效利用至今被废弃的弓形电池来作成模块。
进而,通过利用每单位面积的动作电压(面积电压)高的太阳光发电用模块,能够以相对有效设置面积高的比例设置太阳光发电系统,从而模块配置率提高。另外,太阳光发电用模块可设置于复杂或较小的面积,从而设置作业也变得容易。另外,即使设置于早晨傍晚在屋顶局部产生日影之类的场所时,也能够构筑可在不产生日影的场所通过日照时间发电的模块配置比率高的太阳光发电系统。
另外,通过形成为面积电压高的模块,与面积电压低的模块比较,流动小的电流,可减少配线材料的截面积,且抑制热产生所造成的电力损失。
与具有与弦平行的多个格栅的弓形电池比较,在排列有具有与弦垂直的多个格栅的弓形电池的高电压模块中,可使其模块填充率提高1%以上。
附图说明
图1是表示剪断前的太阳光发电用电池的一例的俯视示意图。
图2是表示剪断图1所示的太阳光发电用电池而得的一片正方形电池和4片弓形电池的俯视示意图。
图3是表示剪断前的太阳光发电用电池的另一例的俯视示意图。
图4是表示剪断图3所示的太阳光发电用电池而得的一片正方形电池和4片弓形电池的俯视示意图。
图5是表示第2弓形电池的单独电池交替排列(第1排列)的一例的俯视示意图。
图6是表示第2弓形电池的电池对锯齿排列(第2排列)的一例的俯视示意图。
图7是表示使16片第2弓形电池呈第1排列的低电压模块的一例的俯视示意图。
图8是表示使16片第2弓形电池呈第2排列的模块的一例的俯视示意图。
图9是表示使210片第1弓形电池呈第1排列的模块的一例的俯视示意图(参考图)。
图10是表示排列了54片15cm的正方形电池的标准模块的一例的俯视示意图(参考图)。
图11(a)是表示配置有正方形标准电池模块的太阳光发电系统的结构例的俯视示意图(参考图),(b)是表示仅配置有本发明的弓形电池模块的太阳光发电系统的结构例的俯视示意图。
图12(a)是表示用以往的标准模块构筑了阵列的太阳光发电系统的结构例的俯视示意图(参考图),(b)是表示以本发明的高电压模块构筑了阵列的太阳光发电系统的结构例的俯视示意图。
图中:1—第1弓形电池;2—第2弓形电池;3—母线;4—格栅;5—辅助电极;10—正方形电池;20—阵列;21—死区;31—正方形标准电池模块;32—弓形电池模块;40—白天暂时产生的影子。
具体实施方式
以下,适当参照图面,详细说明本发明。
本发明的第1方面涉及太阳光发电用模块,该模块通过全等的弓形电池构成。
本发明的第2方面涉及太阳光发电系统,该系统包含所述模块,加上变换器而构成。
太阳光发电用模块通过成为基板的单晶晶片制造工序、制造太阳光发电用电池(电池)的工序及排列电池而形成模块的工序而制造,因此以下依该工序顺序说明,说明模块的结构。
对于成为基板的单晶晶片简单加以说明。作为成为基板的太阳光发电用晶片,使用硅单晶晶片。该硅单晶晶片可通过将由已述的CZ法或FZ法而得的单晶圆筒锭切片而获得。通过CZ法等首先制造硅单晶棒时,硅单晶棒例如通过添加镓或硼而调制成p型导电型。另外,通过添加磷(P),也可制作n型导电型的FZ及CZ硅单晶棒。
如此获得的单晶锭切断成一定电阻率范围的块,进而,较薄地切断(切片)为例如厚度150~300μm左右。通过将切断后的硅单晶晶片(也简称为「晶片」)浸渍于蚀刻液,来对两面进行化学蚀刻处理。该化学蚀刻工序为了除去因切断工序而在硅单晶晶片的表面产生的损伤层而进行。例如可利用NaOH或KOH等碱性水溶液、或由氟酸、硝酸和醋酸构成的混酸水溶液来进行该损伤层的化学蚀刻除去。接着,为了降低因表面反射而造成的能量损失、或利用反射的重复来将光有效地封闭于太阳光发电用电池的内部,而对光所入射的硅表面(第1主表面)进行化学蚀刻,将外面由(111)面的多个金字塔状突起构成的纹理(texture)结构形成为第1主表面(纹理工序)。如此的纹理结构可以通过使用混合了联氨水溶液的氢氧化钠等蚀刻液对硅单晶的(100)面进行各向异性蚀刻而形成。本发明所使用的弓形电池使用成为通过以上工序所制造的太阳光发电用基板的晶片而制造。
还有,作为太阳光发电用基板而制造晶片时,多省略研磨工序,将被切片的晶片的损伤层直接以化学蚀刻除去后,进行纹理蚀刻,或者,也可同时进行损伤层的化学蚀刻除去和纹理工序。
本发明所使用的太阳电池是由在内部包含pn接合或pin接合等的光电变换部构成的半导体。
对该太阳光发电用电池的制造工序加以说明。
在所述单晶晶片中为p型导电型的情况下,通过在晶片的第1主表面侧形成n型掺杂剂的扩散层,来形成p-n接合部。从晶片的主表面至p-n接合的深度通常为0.2~0.5μm左右。还有,n型掺杂剂的扩散层通过从p型硅单晶晶片的主表面例如扩散磷(P)而形成。
在为n型导电型的情况下,通过在晶片的第1主表面侧形成p型掺杂剂的扩散层,来形成p-n接合部。从晶片的主表面至p-n接合的深度通常为0.2~0.5μm左右。还有,p型掺杂剂的扩散层通过从n型硅单晶晶片的主表面例如扩散硼(B)或锑(Sb)而形成。
形成有p-n接合部的晶片进而在第1主表面形成了用于减少光的反射所造成的光能损失的反射防止膜后,在第1主表面及其背面即第2主表面设置与晶片直接接触的电极。第1主表面的格栅在对反射防止膜进行开口或贯通后,与晶片直接接触而形成电极,成为圆板状的太阳光发电用电池。作为其它的方法,也可在第1主表面上通过网板印刷设置了格栅和母线后,形成反射防止膜。另一方面,第2主表面侧的电极覆盖该第2主表面的大致整个面。在两主表面形成必要的电极后,成为维持了圆板状的硅单晶晶片的形状的太阳电池。反射防止膜由折射率与硅不同的透明材料构成,例如使用硅氮化膜、硅氧化膜、二氧化钛膜。
第1主表面(受光面)侧的电极为了提高光向p-n接合部的入射效率而例如形成为细指状电极,进而,为了集中由多个指形电极所集中的电力和降低内部阻抗,而以适当间隔设置粗直线状的母线电极(以下,也简称为「母线」)。多个指形电极相互平行地设置,形成细直线状的格栅电极(也简称为「格栅」),母线电极与指状电极正交而配置。另外,优选在设于弓形电池上的格栅不与母线交叉的区域内,从所述母线延长辅助电极而与残留格栅交叉。
图1是表示剪断前的太阳光发电用电池的一例的俯视示意图。以正方形电池及弓形电池的位置的关系表示设于电池的受光面上的表面集电电极的具体例。在切取本发明所使用的弓形电池的晶片上,如图1所示,例如可设置4条平行的母线电极及格栅电极。在母线电极上附属有辅助电极。还有,在本发明中,优选不形成为如所述专利文献1所述的OECO(Obliquely Evaporated Contact;也记载于日本特开2002-305313号公报)机构的格栅,如后所述,优选将银糊剂网板印刷在第1主表面上,形成格栅和母线。
另一方面,虽未图示,但第2主表面侧的电极覆盖该第2主表面的大致整个面。另外,在为了电池的轻量化而减薄基板的厚度时,为了防止在第2主表面侧的电极中的少数载流子的再结合、消灭,而可以形成与基板为相同导电型且浓度更高的背面电场层(Back Surface Field)。
剪断前的太阳光发电用电池如图1所例示,是维持了晶片形状的圆板状。将其在厚度方向上切片,形成本发明所使用的弓形电池。
图2表示剪断图1所示的太阳光发电用电池而得的一片正方形电池和4片弓形电池的俯视示意图。如图2所示,从1片圆板状电池,除了1片正方形电池之外,还获得各一对格栅和弦的配置方向不同的2种弓形电池1及2。为了简化以下说明,在方便上将这2种弓形电池称为「第1弓形电池1」及「第2弓形电池2」。第1弓形电池1及第2弓形电池2皆具有中心角为90°的圆弧。第1弓形电池1具有与弦平行的格栅线及与弦正交的2条以上的母线。与此相对,第2弓形电池2具有与弦正交的格栅线及与弦平行的1条以上的母线。
在圆板状太阳光发电用电池的阶段,在与第2弓形电池相当的区域设置母线电极3。该位置优选在弓形电池高度的刚好中央与弦平行地设置。该母线3通过连结弦的中点和弧的中点的直线的中点,呈与弦平行的直线。即,第2弓形电池的母线电极3优选设置为与第2弓形电池的弦平行地通过其最大宽度的中央。在从1个圆板状电池剪断的全等的2片第2弓形电池中,在相同的位置设置母线电极3。若设于该位置,则在本发明所使用的电池排列中,母线大致在一条直线上,因此电连接变得容易。
母线及格栅可通过印刷或蒸镀而形成,通过网板印刷而形成银糊剂等是简便且优选的。
本发明所规定的第2弓形电池的面积中,具有0.5~2mm宽度的一条母线是优选的,其宽度更优选是0.7~1.5mm。另外,格栅的宽度优选是50~250μm,更优选为60~150μm。格栅优选以1.5~4mm的间隔设置。
两弓形电池优选都在母线电极上附属辅助电极。在母线电极与格栅不交叉的区域设置辅助电极,由此可提高集电效率。在第2弓形电池中,优选在母线与格栅不交叉的两前端区域,设置辅助电极,与残留母线交叉并与母线连接。
因此,在第1弓形电池中,将弓形电池排列于太阳光发电用模块时,也优选母线电极设置于在大致一条直线上的位置。
在第1弓形电池中优选设置2条以上母线电极,在与本发明的弓形电池相当的面积中,具有0.5~2mm宽度的2条母线是充分的。优选母线的宽度与第2弓形电池相同。该2条母线电极优选从弦的中点等距离地与弦垂直设置。
剪断弓形电池时获得的正方形电池成为正方形的对角线长度与圆板状的太阳光发电用电池的直径大致一致的内接正方形,任一的弓形电池的圆弧为圆周的1/4,中心角为90°。作为模拟正方形,切出成为四角向圆外伸出的尺寸的形状,将残留的弓形电池使用于模块形成并不是优选的实施方式。此时,伸出的四角部分没有作为太阳电池部分的实体,因此获得的中心电池的实际形状成为缺四角的模拟正方形状,获得的弓形电池的中心角小于90°,其面积也变小。只在补全了四角的正方形的对角线长度D’成为圆板状的太阳电池的直径D的0.98~1.02倍时,才属于「正方形电池」及「弓形电池」的概念。下限值即使比1稍小亦可的原因在于考虑了切断余量导致的尺寸减少。此时,弓形电池的圆弧的中心角也为90°。
另外,D’优选是D的0.99~1.01倍,最优是1.0倍。即,弓形电池的中心角为90°是最优的。因为若弓形电池的中心角为90°,则可最有效地使用所获得的正方形电池及弓形电池。
本发明所使用的弓形电池的面积是28~65cm2,优选是28~40cm2,最优选是28~32cm2。
本发明所使用的弓形电池的面积依存于将其切出的圆板状电池的直径。本发明所使用的弓形电池优选将可高效制造的具有200~300mm直径的圆板状电池剪断而获得弓形电池,更优选将可最高效制造的具有200~212mm直径的圆板状电池剪断而获得。
在本发明中,使用排列了第2弓形电池的模块,不过也可以在太阳光发电用模块及太阳光发电系统中取而代之而适用排列了第1弓形电池的模块,或也可以将其一并使用。详细的模块具体表示在后述的图或表中。
该弓形电池与正方形电池不同,一直以来未被高度地利用。尤其第2弓形电池需要与正方形电池用的母线电极独立地在晶片上设置母线电极,从而至今未能有效地加以利用。
以下,以直径212mm的晶片为一例来说明母线及格栅的宽度和间隔等。在直径增减时,可形成为与其成比例的形状。
图2是表示从在圆板状的单晶硅晶片的整个面形成的太阳光发电用电池,以图1虚线所示的剪断线分割的3种正方形电池10、第1弓形电池1及第2弓形电池2的一例。
图2所示的细实线是表示格栅4,四条粗实线表示与格栅4正交的母线3。若将直径212mm的晶片作为1例列举,则电池10呈一边为150mm的正方形电池(面积225cm2)。一对弓形电池1都具有与弦平行的格栅4及与其正交的2条母线3,另一对弓形电池2都具有与弦正交的格栅4及与其正交的1条母线3。
这两种2对弓形电池1、2都全等,其面积约为32cm2。在此,实际上在切割时产生些微的切割余量。
在本例中,在第2弓形电池2中,在电池的两端区域,将沿圆弧的内缘设置的辅助电极5与母线3连接。因而,在第1弓形电池1中,可在电池的中央部,将沿圆弧的内缘设置的辅助电极5与母线3连接。
另外,在本例中,第2弓形电池2的母线3以通过弧的最大高度的中心的方式与弦平行地设置。
因而,第1弓形电池1的2条母线3形成了贯通正方形电池和弓形电池的2条直线,设置在弦(一边)的长度的1/4及3/4的位置,设置在与弦垂直与正方形电池10的母线3呈一直线的位置。
图3是表示剪断前的太阳光发电用电池的另一例的俯视示意图。在本图中,在正方形电池区域和弓形电池区域中,母线的位置及其宽度与所述图1所示的例不同。
如图4所示,优选以比设于正方形电池上的所述2条母线3窄的间隔来设置第1弓形电池1用的母线3,另外,母线的宽度也可比正方形电池窄。另外,第2弓形电池2所集中的电流是正方形电池10所集中的电流的15%以下,即使减少母线的截面积,也可充分进行集电。通过使母线电极的宽度变窄,可节约母线材料,通过母线宽度的减少,可减少处于太阳光影子下的电池面积,从而增大有效照射面积,因此是优选的。
在本例中,第1弓形电池1及第2弓形电池2都在母线电极3上连接有辅助电极5,其位置和形状与图2所示相同。
配置如上获得的弓形电池,来制造模块。说明模块的代表性制造工序即超直(ス—パ—ストレ—ト)方式的概要。就相互串联电连接的多个电池而言,用玻璃板及填充剂保护受光面侧,用耐湿性树脂保护背面。第1工序是在前面保护用的玻璃及填充剂之上排列电池进行配线的工序。由于屋外发电用的太阳光发电用模块要求机械强度或耐光性,因此作为前面保护用玻璃,优选使用光透射比高、对冲击强度优异的材料,具体而言,可例示白板强化玻璃。作为填充材,优选使用透明树脂,具体而言,优选适当使用抗紫外线强的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或耐湿性优异的乙烯·醋酸乙烯共聚物(EVA)。
第2工序是排列太阳光发电用电池的工序。在电池彼此不接触的状态下,且,以提高填充率的间隔进行配置。第3工序中,将各太阳光发电用电池用金属配线(接头线)串联电连接。作为电池间的金属配线,可例示进行浸沾软钎焊后的铜板。该浸沾软钎焊铜板的厚度优选是50~300μm,更优选为120~200μm,另外,其宽度优选是1.5~2.0mm。第4工序中,在太阳光发电用电池的背面贴敷保护用薄片。背面保护薄片优选使用耐腐蚀性优异的氟树脂和防水用的铝薄板的叠层薄片。
第5工序中,为了提高机械性强度及安装,而在模块周缘嵌入框架(框体)。作为框架,优选是金属框架,可优选例示“コ”字截面状的轻量铝。
如此获得的模块的厚度优选是15~50mm,更优选是20~40mm,进一步优选是25~40mm。
本发明的太阳光发电用模块以将第2弓形电池彼此构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状。
弓形电池的排列大为区分代表性的2种排列。即,其一种是图5所例示的单独电池交替排列(也称为「第1排列」),另一种是图6所例示的电池对锯齿排列(也称为「第2排列」)。
图5表示第2弓形电池的单独电池交替排列(第1排列20)的一例。
该电池排列20是通过210片第2弓形电池构成的一例,其是如下的排列:电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,电池列通过使邻接的弓形电池的弦部和弧部成为相同朝向而形成,以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,将该弓形电池配置成行列状,由此提高了模块填充率。
换言之,该排列将弓形电池排列成格子状,是如下的排列:在横向(电池行方向)上弦和圆弧交替排列,在纵向(电池列方向)上弦和圆弧都以相同朝向进行排列,而且使相邻的电池列靠近,保持适当的电池间的间隔,形成最紧密填充。
作为所述电池间的间隔,最接近的距离优选是1~3mm,约2mm(1.5~2.5mm)是优选的。
图6表示第2弓形电池的电池对锯齿排列(第2排列30)的一例。
该电池排列中,同样是通过210片第2弓形电池构成的一例,但将一对全等的弓形电池形成为以其弦彼此而相对的成对电池(电池对),并将该电池对以弦相互平行,保持适当的电池间的间隔,成为锯齿状的最紧密填充的方式排列成长方形。在与弦平行的两边的缘所产生的间隙各埋一片弓形电池,提高模块填充率。
作为所述电池间的间隔,同样最接近的距离优选是1~3mm,约2mm(1.5~2.5mm)是优选的。
本发明的模块是将第2弓形电池进行了第1排列或第2排列的长方形的太阳光发电用模块,但也在概念上包括四边的长度相等的正方形的模块。即,若模块的四个角为90°,则可为二组的边的长度不同的模块及二组的边的长度相同的模块中任一种。
在第1排列及第2排列中,优选设于第2弓形电池上的母线大致配置在一条直线上。母线大致配置在一条直线上是指相互连接的母线彼此可看作处于一条直线上。在此,所谓「大致一条直线上」是指排成一列的电池的所有母线进入具有母线宽度的2倍、优选1.5倍的宽度的矩形范围内。或者是指相互连接的母线电极彼此所呈的角在于—5°~+5°的范围内,优选在—3°~+3°的范围内。
在本发明中,模块填充率F用下式(1)求出。
F(%)=(电池所占面积的合计/模块平面积)×100 (1)
模块填充率依存于排列成一个模块的电池片数,优选是50~85%。在此,模块平面积意味着模块的外尺寸。如上所述,模块的4边通常嵌入铝框架。在该框架的内侧配置用于电连接线(string)(在直线上连结了电池的线)的配线(跨接带)。典型的模块中,不依存于其外尺寸,在受光面侧具有宽度为7~15mm的铝框架及宽度为10~30mm左右的跨接带的空间,与母线平行的端面在距框架内端5~15mm左右的内侧空间排列电池。因此,配置的电池间的最接近距离为一定时,通常模块的外尺寸越大,四边所产生的缘区域的比率越相对变小,从而可增大模块填充率。
本发明的模块优选每单位面积的动作电压(面积电压V/S)大。面积电压V/S用下式(2)定义并算出。
V/S=模块的动作电压(V)/模块平面积(m2)
=(v*f)/c (2)
式中,v是每一片电池的动作电压(V),f是模块填充率,另外,c是电池面积(m2)。
本发明的面积电压优选是85~140V/m2。
如后述表1所示,标准模块(参考例7)中,面积电压约是20V/m2,本发明的模块(实施例1~6)中,是89~129V/m2。
还有,v的值是0.5~0.6V。
如此获得的太阳光发电用模块的动作电压通过适当选择所使用的电池的片数,能够对应于使用目的而得到期望的电压。在标准状态(Air Mass1.5、照射强度100mW/cm2、温度25℃)下,由于每一片电池的最优动作电压最低约0.5V,因此例如为了以1块的模块获得210V的变换器输入电压,只要排列420片电池即可。在每个模块的动作电压为70V以上的模块中,由于连接3块以下的模块即可得到该电压,因此是一个优选实施方式。以下也将太阳光发电用电池的动作电压为70V以上的太阳光发电用模块称为「高电压模块」。
另一方面,以下也将排列14~42片太阳光发电用电池,动作电压为7~21V的太阳光发电用模块称为「低电压模块」。
<低电压模块>
本发明的低电压模块是排列了14~42片电池面积为28~65cm2的第2弓形电池的太阳光发电用模块。优选排列16~36片第2弓形电池,更优选排列16~32片。通过这些排列,低电压模块的动作电压分别成为7~21V、8~18V、以及8~16V。
图7表示使16片第2弓形电池呈第1排列的低电压模块的一例。另外,图8表示使相同的16片第2弓形电池呈第2排列的模块的一例。任一模块都使用从直径212mm的圆板状晶片获得的中心角90°的弓形电池,动作电压为8V,另外,填充率为56.9%。另外,电池变换效率为15%时,最大输出为7.7W。
该低电压模块由于每个模块的面积小,因此设置的自由度提高。也可对应于小面积或复杂形状的设置场所,其结果是,可提高配置率。进而,低电压模块由于是轻量小型的,因此容易设置或修补。
形成串联连结了多个低电压模块的阵列,进而串联连接该阵列,从而可形成为具有所需要的输入电压的太阳光系统。
<高电压模块>
本发明的高电压模块是排列了140~420片电池面积为28~65cm2的第2弓形电池的太阳光发电用模块。
高电压模块的动作电压是70~210V,优选形成为与现用的直流·交流变换器的输入电压的约1/n(n表示1~3的整数)相当的动作电压。此时,通过对n块模块进行串联配线,可获得所需要的输入电压。具体而言,高电压模块的动作电压优选为210V、105V或70V。
所述图5是表示使210片电池面积为32cm2的第2弓形电池呈第1排列的高电压模块的一例的俯视示意图。图6是表示使相同的210片电池呈第2排列的高电压模块的一例的俯视示意图。这些排列中,电池间的最接近间隔约2mm(1.5~2.5mm),周围被宽度7.5mm的铝框围住,且具有20mm的跨接带空间。任一模块也都具有0.90m2的面积,动作电压是105V,填充率是74.6%。另外,面积电压是117V/m2。
填充了第2弓形电池的模块与填充了相同片数的第1弓形电池的模块比较,如表1所示,可形成为高填充率。
图9是表示使210片第1弓形电池呈第1排列的模块的一例的俯视示意图(参考图)。使用了电池面积为32cm2的弓形电池,该模块的填充率是73.2%。
另外,本发明的高电压模块与填充了正方形电池的模块比较,可获得高面积电压,换言之,即使是小的设置面积,也具有大的动作电压。图10是表示排列有54片15cm的正方形电池的标准模块的一例的俯视示意图(参考图)。该模块具有1.34m2的面积,面积电压为20.1V/m2。为了仅排列该模块而获得210V动作电压,必须连接8块模块,最低也需要10.7m2的设置面积。图5及图6所示的模块若连接2块则可获得210V,需要的设置面积仅是1.80m2。
如此,本发明的高电压模块使用至今被废弃的第2弓形电池2而构成,与填充了正方形电池的标准模块比较,能够在少的设置面积下获得高动作电压,因此能够有效利用有限面积的设置场所,能够提高配置率。
本发明的模块与以往的模块比较是小面积,因此也可对应于更复杂的形状。另外,也可以使本发明的低电压模块呈格子排列,作为整体排列成文字状。排列方法的例可列举日本特开2000-208805号公报的附图记载例。为了将具有外观效果的发电系统配置于屋顶,该小型的模块是有效的。
以下的表1汇总了低电压模块及高电压模块的几个实施方式。
〔表1〕
号码 | 片数 | 动作电压(V) | 弓形电池的种类 | 电池的排列 | 行数和列数 | 尺寸(mm*mm) | V/S(V/m<sup>2</sup>) | 填充率(%) |
实施例1 | 16 | 8 | 第2弓形电池 | 第1排列 | 2*8 | 300*300 | 89 | 56.9 |
参考例1 | 16 | 8 | 第1弓形电池 | 第1排列 | 2*8 | 300*300 | 89 | 56.9 |
实施例2 | 140 | 70 | 第2弓形电池 | 第2排列 | 10*14 | 463*1173 | 129 | 82.5 |
实施例3 | 210 | 105 | 第2弓形电池 | 第1排列 | 10*21 | 726*1240 | 117 | 74.6 |
实施例4 | 210 | 105 | 第2弓形电池 | 第2排列 | 10*21 | 726*1240 | 117 | 74.6 |
实施例5 | 420 | 210 | 第2弓形电池 | 第1排列 | 14*30 | 1023*1700 | 121 | 77.3 |
实施例6 | 420 | 210 | 第2弓形电池 | 第2排列 | 14*30 | 1023*1700 | 121 | 77.3 |
参考例2 | 140 | 70 | 第1弓形电池 | 第1排列 | 4*35 | 491*1149 | 124 | 79.4 |
参考例3 | 210 | 105 | 第1弓形电池 | 第1排列 | 6*35 | 760*1208 | 114 | 73.2 |
参考例4 | 210 | 105 | 第1弓形电池 | 第2排列 | 6*35 | 760*1208 | 114 | 73.2 |
参考例5 | 420 | 210 | 第1弓形电池 | 第1排列 | 10*42 | 1220*1439 | 120 | 76.4 |
参考例6 | 420 | 210 | 第1弓形电池 | 第2排列 | 10*42 | 1220*1439 | 120 | 76.4 |
参考例7 | 54 | 27 | 正方形电池 | 格子 | 6*9 | 945*1421 | 20.1 | 90.5 |
在表1中,弓形电池面积都为32cm2(实施例1~6、参考例1~6),正方形电池面积是225cm2(参考例7)。另外,电池的动作电压算出为0.5V。
本发明是排列了14~42片的低电压模块或排列了140~420片的高电压模块,但也可作为排列了43~139片的中电压模块来使用。另外,也可作为排列了500片以上片数的超高电压模块来使用。
太阳光发电系统以能够获得期望的直交变换电压的方式连接并构筑太阳光发电用模块,包含将发电的直流变换成交流的太阳能变换器。另外,也可以还包含用于开闭太阳光发电用阵列的输出的连接箱及预先蓄积发电的电力的蓄电池等。
本发明的太阳光发电系统的至少一部分具备使用了第2弓形电池的本发明的模块。也可以形成为只将本发明的模块作为整个模块来使用的发电系统,也可以根据需要,适当地一并使用采用了正方形电池的标准模块或采用了第1弓形电池的模块,形成为发电系统。
另外,也可以一并使用排列了正方形电池以外的长方形角形电池的模块(以下,也称为「长方形电池模块」)。
本发明的太阳光发电系统可作为小规模·中规模及大规模太阳光发电系统来使用。作为小规模太阳光发电系统,可列举设置于独栋住宅的屋顶上的数kW规模的太阳光发电系统。另外,作为中规模太阳光发电系统,可列举设置于屋顶面积大的大楼屋顶上(包含都市的民用办公室大楼或市政府等公共设施)等的太阳光发电系统,通常具有10~数百kW的输出。作为大规模太阳光发电系统,可列举太阳光发电站。
本发明的模块在其中也优选使用于小规模太阳光发电系统,尤其优选使用于住宅屋顶的家庭用太阳光发电系统,例如,优选设置于独栋住宅的屋顶上。
另外,使用于小规模太阳光发电系统时,也可以在不与变换器连接,不将输出的直流电流变换成交流的情况下使用。具体而言,可列举设置于汽车(公共汽车或各种乘用车)的机罩、后货箱面板(trunkpanel)或车顶(roof)对蓄电池进行充电的方式。作为设置场所,有广义的屋顶,包含车顶。
图11(a)是配置了正方形标准电池模块31的太阳光发电系统的结构例。面积电压低的标准电池模块31中,为了太阳光发电用阵列20而需要大的面积,其结果是,经常会产生无法设置阵列20的区域(死区21)。
通过配置使用了面积电压高的本发明的模块的阵列,可减少如此的死区,提高模块配置率。如此的太阳光系统由于作为结果可实现较大的输出,因此是优选的。
本发明的太阳光发电系统也优选形成为全部配置了弓形电池模块的太阳光发电系统。图11(b)是仅配置了弓形电池模块32的太阳光发电系统的结构例。为了获得直流·交流变换器的输入电压即期望的动作电压,可对模块进行系统连接。
具体而言,如图11(b)所示,可连接3块具有70V的输出电压的模块,构筑阵列20,并将从阵列获得的电力与直流·交流变换器连接,构筑太阳光发电系统。
图12(a)是用以往的标准电池模块31构筑了阵列20的太阳光发电系统的结构例,表示使用最优动作电压17.5V的标准太阳光发电用模块,并列了二个12串联的阵列的情况。如图所示,若因附近的建筑物等而白天暂时地产生影子40,则上部的12串联中4块量的模块的电压下降。其结果是,无法从上部的12串联的阵列获得正交变换器输入电压,贡献于发电的阵列只是下部的12串联,从而发电量最大减少约50%。
图12(b)是能以2块模块获得最优动作电压210V的、以本发明的高电压模块32构筑了阵列20的太阳光发电系统的结构例。与所述例相同,在白天暂时产生影子40时,6块模块无法贡献于发电。但是,剩下的18块不受影子的影响,发电量的减少最大为约25%。
如此,在以弓形电池模块构成了阵列时,与以标准模块构成了阵列时比较,可大幅减少影子的影响所造成的损失。进而,在以标准模块构筑阵列时,在白天暂时产生影子的屋顶部分上通常不配置模块,这也是配置率减少的一个原因。本发明的模块即使配置在白天暂时产生影子的部分上,其影响也仅限定于产生影子的一部分的阵列,在至今仍无法配置的屋顶部分也可配置模块。由本发明的模块构成的太阳光发电系统可增大一天的发电量,与由标准模块构成的太阳光发电系统相比是有利的。
另外,通过在具有白天暂时产生影子的部分的屋顶配置本发明的面积电压高的模块,也能够增大一天的发电量。
本发明的太阳光发电系统优选是如下的太阳光发电系统:配置有本发明的低电压模块、及根据需要使14~42片28~65cm2的第1弓形电池呈第1排列或第2排列的模块。
第1弓形电池优选排列16~36片,更优选排列16~32片。
进而,本发明的太阳光发电系统优选是如下的太阳光发电系统:配置有本发明的高电压模块、及根据需要使140~440片28~65cm2的第1弓形电池呈第1排列或第2排列的模块。此时,排列了第1弓形电池的模块的动作电压优选形成为与变换器的输入电压的约1/n(n表示1~3的整数)相当的动作电压。
具体而言,高电压模块的动作电压优选为210V、105V或70V。
排列了所述第1弓形电池的模块优选以与第2弓形电池同样的条件进行排列。例如,母线优选大致配置在直线上,电池间的间隔或所设置的母线的宽度等优选与弓形电池同样。
如以上说明所述,本发明通过使用至今未被有效利用的弓形电池尤其第2弓形电池,可减少单晶晶片的损失。另外,与以往的模块相比,由于面积电压高,因此可实现高配置率。还有,本发明并不限定于实施例,当然可以在不脱离中心意思的范围内以各种方式来实施。
另外,在此特别记述:组合2个以上本发明的优选方式而成的方式是更优选的。
Claims (11)
1.一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,
该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,
该弓形电池具有与弦正交的格栅及与该格栅正交的一条以上的母线,
该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,
电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,
电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,
所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,
排列有14~42片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池。
2.一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,
该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,
该弓形电池具有与弦正交的格栅及与该格栅正交的一条以上的母线,
所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,
排列有14~42片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池。
3.一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,
该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,
该弓形电池具有与弦正交的格栅及与该格栅正交的一条以上的母线,
该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,
电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,
电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,
所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,
排列有140~440片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池。
4.一种太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,
该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,
该弓形电池具有与弦正交的格栅及与该格栅正交的一条以上的母线,
所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,所述太阳光发电用模块的特征在于,
排列有140~440片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池。
5.如权利要求1~4中任一项所述的太阳光发电用模块,其中,弓形电池的母线配置在一条直线上。
6.如权利要求1~4中任一项所述的太阳光发电用模块,其中,排列有如下的弓形电池:在设于弓形电池上的格栅不与母线交叉的区域内,从所述母线延长辅助电极而与格栅交叉。
7.一种太阳光发电系统,其至少局部地配置有如权利要求1~4中任一项所述的太阳光发电用模块。
8.一种太阳光发电系统,其配置有:
如权利要求1及/或2所述的太阳光发电用模块;及
太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与该格栅正交的两条以上的母线,该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,其中,排列有14~42片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池,或
太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与该格栅正交的两条以上的母线,所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,其中,排列有14~42片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池。
9.一种太阳光发电系统,其配置有:
如权利要求3及/或4所述的太阳光发电用模块;及
太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与该格栅正交的两条以上的母线,该弓形电池彼此以构成多个电池行及与其正交的多个电池列的方式配置成行列状,电池行通过反转邻接的弓形电池的弦部和弧部的朝向而形成,电池列通过使邻接的弓形电池的弦部及弧部成为相同朝向而形成,所述太阳光发电用模块呈长方形,且以在形成所述电池列的相互邻接的电池间的凹状区域,置入形成与所述电池列邻接的电池列的弓形电池的弦方向端部的形式,排列有该弓形电池,其中,排列有140~440片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池,或
太阳光发电用模块,其通过从圆板状的单晶硅太阳光发电用电池分割的弓形电池构成,该弓形电池具有中心角为90°的圆弧,该弓形电池具有与弦平行的格栅及与该格栅正交的两条以上的母线,所述太阳光发电用模块呈长方形,且具有如下的排列:以两片该弓形电池以它们的弦对置的方式形成的成对电池锯齿状平行排列而形成长方形,在与弦平行的两边的缘所产生的间隙中各埋有一片弓形电池,其中,排列有140~440片每一片的面积为28~65cm2的该弓形电池。
10.一种屋顶用太阳光发电系统,其特征在于,电连接有固定在屋顶上的一个以上如权利要求1~4中任一项所述的模块及太阳能变换器。
11.如权利要求10所述的太阳光发电系统,其中,所述太阳光发电系统为系统连接型。
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