CN100561756C - 具有光学聚能器的光伏叠层底板 - Google Patents
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Abstract
一种光伏(PV)叠层底板组件(20)，包含绝缘衬底(40)和金属箔片(42)，该金属箔片(42)的第一表面上结合到所述绝缘衬底(40)，且与所述第一表面相对的第二表面上电接收地安装太阳能电池。该金属箔片(42)包含安置于金属箔片(42)的第二表面的暴露区域(54)上的光聚能器，并被构造成在将其表面上的入射光反射到所述太阳能电池(22)以将所述太阳能电池(22)上光的浓度增加约1.5X到约4X。
Description
技术领域
本发明涉及光伏叠层底板组件。
背景技术
通过光伏(PV)电池供电正变得越来越流行，因为该技术的成本已经降低，且出于环境和策略的原因，对于其它电源的依赖越来越不受欢迎。然而，难以提供成本有效的PV模块，因为PV模块的成本由PV电池的成本主导。
光伏电池是指将太阳光直接转换成电能的电池。所产生的电为直流电，其可以用作直流电，可以使用转换器将其转换成交流电，或者存储在电池中供日后使用。从概念上说，形式上最简单的光伏器件为仅消耗光的太阳能电池。由于阳光随处可得，光伏器件与传统电源相比有诸多优点。光伏系统为分布式电源系统，使得可调控其电力输出以用于任何实际用途。此外，光伏系统中允许容易地实现渐增的电力增加，而不像诸如化石或核燃料的传统方法那样，要求几兆瓦的电站必须经济可行。
尽管光伏电池具有各种形式，最常见的结构为其中形成了大面积的二极管或者p-n结的半导体材料。就基本功能而言，通过典型地位于前端的接触结构和位于背部的接触而从器件中抽取电流，所述接触结构允许阳光进入太阳能电池，而位于背部的接触则使电路完整。
PV电池的成本占PV模块成本高达约80％。降低PV电池的成本是使PV模块经济可行的一个可选方法。降低模块成本的最直接途径是降低PV模块中使用的硅的覆盖面积(footprint)或者数量，而不减小PV模块的功率密度。
提高PV电池的效率也可有效降低每瓦特的成本，但要使PV电池经济可行，成本降低的幅度无需到达25％或者更高。在受控条件下的实验室测试中，使用低水平的光浓度(即，＜3X)可使硅覆盖面积的降幅多达40％，而效率只降低约20％。在模块中使用集中的太阳光的方法并不新奇，已有多家公司着手该方法。光浓度的下降成为如此实施的附加成本，降低了硅覆盖面积减小的有效成本收益。此外，剩下的太阳能电池覆盖面积工作于更高的温度，由于效率损失而进一步降低了收益。
发明内容
在示例实施例中，光伏(PV)叠层底板组件包含绝缘衬底和第一表面结合到该绝缘衬底上的金属箔片，且该箔片的与第一表面相对的第二表面上电接收地安装太阳能电池。该金属箔片包含安置于金属箔片第二表面的暴露区域上的光聚能器，且该光聚能器被构造成将其表面上的入射光反射到太阳能电池以将太阳能电池上光的浓度增大约1.5X到约4X。
在另一个示例性实施例中，太阳能电池叠层组件包含分别具有第一侧和第二侧的多个太阳能电池，该多个太阳能电池中的每一个被构造成当在至少第一侧上接收到光子时产生电流，且密封剂被可操作地耦合到该多个太阳能电池中每一个的第一侧。绝缘衬底被可操作地耦合到该多个太阳能电池中每一个的第二侧。金属箔片的第一表面结合到该绝缘衬底上，且与第一表面相对的第二表面上电接收地安装太阳能电池。该金属箔片包含安置于该金属箔片第二表面的暴露区域上的光聚能器，且该光聚能器被构造成将其表面上的入射光反射到太阳能电池以将太阳能电池上光的浓度增加约1.5X到约4X。
阅读下述附图及详细描述之后，本领域的技术人员将会明白根据这些实施例的其它系统与/或方法。这些附加系统和方法完全落入本发明的范围之内，其受所附权利要求保护。
附图说明
图1阐述了现有PV模块的制造过程；
图2阐述了根据一示例实施例的、相互可操作地耦合的两个太阳能电池组件的截面图；
图3为图1的金属箔的俯视图，其详述了根据一示例实施例的太阳能电池和置于组件边缘上的电学总线之间的电学互连图案；
图4为根据一示例实施例的取出的图2的硅晶片的底部透视图，阐述了置于其底面上的、用于与互连图案的相应接触相连的电学接触；
图5为根据另一个示例实施例的一太阳能电池叠层组件的截面视图，该组件具有置于柔性聚合物衬底上、用于将其上的入射光反射到相邻的太阳能电池的光学聚能器。
具体实施方式
参考图1，阐述了光伏模块的传统制造工艺。在PV行业中该工艺变化甚小，并且在过去的15-20年内基本上保持不变。在步骤1，使用接头(tabbing)结构将单个太阳能电池2(与本技术无关)电学互连成串联串4。手动或者使用自动的接头机或串接(stringing)机将焊料片(solder tab)(未示出)涂敷于单个电池2。串4为PV叠层的构件块。步骤1的串接工艺涉及对电池2的物理处理，这经常会导致电池损坏，需要手动修补。这些串通常被手动移到层叠台(1ayup station)上，多个串在该台上被排列到顶部玻璃上(见步骤4)，该顶部玻璃被将在步骤2中用作密封层的塑料片(未示出)覆盖。这通常为手动操作，当然部分商家已经实现层叠工艺这一部分的自动化。串4的互连为手动操作，需要使用带子用于电隔离，并需要焊接于适当位置的附加铜接头。在步骤4层叠组件之前，应用聚合物背板8。可在步骤3测试该叠层以检验连接。部分商家在步骤3增加特殊的测试以识别损坏的电池。应该注意，在步骤3仍然可以进行修补。该组件随后在步骤4使用真空叠层工艺密封，形成传统的PV叠层10。存在限制上述工艺的生产能力并增加其成本的多个瓶颈。毫无疑问地，串的手动层叠以及需要修补损坏的串限制了产生能力并增加了成本。最后的叠层步骤也制约了生产能力。
现在参考图2，根据一个示例实施例，两个太阳能电池叠层组件16和18被可操作地相互耦合，每一个的制作都不是将任何单独的电池串接在一起。每个太阳能电池叠层组件16和18包括底板组件20，该底板组件具有安装在其上并用密封剂24密封的多个太阳能电池组件或者硅晶片22。在密封剂24上设有玻璃衬底26以允许阳光穿过，这里通常用光子射线28表示阳光。当每个硅晶片22的暴露表面或第一侧面30接收到穿过玻璃/密封剂界面的光子28时，硅晶片22在相对的第二侧面32上产生电流，这在本领域中是公知的。
多个太阳能电池22通过底板组件20电学耦合在一起。太阳能电池组件的数目并不受限，其数目和结构将决于预计的用途。出于示例的目的，阐述了太阳能电池组件22。各种太阳能电池组件的设计基本上相同，并以类似的方式相互电学耦合。
仍然参考图2，在一示例实施例中，底板组件20包括绝缘衬底40，在硅晶片22和衬底40之间具有金属箔层42。绝缘衬底40为包括柔性或者刚性聚合物的聚合物衬底。所示的衬底40为刚性塑料，围绕每个组件16和18被模塑成塑料模框。
金属箔片42包括铜或铝，或者组合参考成本、电性能和热性能进行选择的其它金属。金属箔片42被图形化以匹配硅晶片22和连续模块叠层组件16、18之间的互连结构。可以使用多种技术形成金属箔片42上的互连图案，包括但不限于例如机械冲压和电刻蚀。根据其将承载的最大电流，选择金属箔片厚度。预期箔片42的厚度为约0.5mil至约5mil。前述尺寸仅作为示例提供，并非旨在限制本发明的范围。
金属箔片42结合到绝缘衬底40。使用导电环氧树脂或者焊料(未示出)将太阳能电池或硅晶片22置于金属箔片42上。箔片42提供了电池22之间电阻非常低的互连。此外，对于将太阳能转换为电能时由电池22产生的热或者是叠层组件16、18所吸收的太阳辐射产生的热，箔片42有效地作为散热片。
现在参考图3，金属箔片42被图形化以分割电池22的电互连，使得可按许多方式对电池22分组以提供合适的电流和电压。图2示出了串联连接的多个电池22以及说明了这种串联串44中的互连图案46的多个晶片位置45。每个串联串44可包含可将失效的串44旁路的二极管48。
图4阐述了图2的串联串44中晶片22的背侧或第二侧32。如图3和4所示，来自该部分的电流是从位于串联串44中每个电池22第二侧32上的相应焊盘47传输而来的，并且在对应于叠层边缘的金属箔片42的边缘连接器50处被组合。图3还示出了可以用于旁路失效部分的二极管48是如何安装到箔片42上的。
本领域中公知的是，当阵列中的所有电池22受到照射时，每个电池将被正向偏置并流过正向电流。然而，如果一个或者多个电池受阻碍物等遮挡(即未受到照射)时，受遮挡的一个或多个电池将由于未被遮挡的电池所产生的电压而变成反向偏置。电池的反向偏置会导致电池性能的永久退化，甚至电池的完全失效。为了防止该损坏，按照惯例地设有保护旁路二极管。一个旁路二极管48可跨接几个电池，或者为了提高可靠性，每个电池22可具有其自己的旁路二极管48。
再次参考图2，由电池22的光电转换产生的或者由叠层组件16、18内部吸收的太阳辐射产生的热也被引导到叠层的边缘连接器50，热量在此处通过图2中大致由52所示的辐射或对流而耗散。
图2示出了一种可能的实施例，其中各个叠层组件16和18的相邻边缘连接器50可操作地相互连接以提供其间的电互连，并且在定义各个组件16、18的各个边缘处提供热沉。可以想到边缘连接器50可以通过相应的扣合功能件(snap-fit feature)(未示出)可操作地连接。
金属箔片42也作为低水平的太阳能聚能器的集成元件。在太阳能电池22并未安装在箔片42上的区域54，进入叠层组件16和18的光线将被反射到相邻的太阳能电池22。按照这种方式，区域54充当光线的反射器54。在示例实施例中，区域54上光线反射的角度受到控制，使得当反射光线到达叠层的顶部界面56或者玻璃衬底26的底面时，反射光线返回到其余太阳能电池22的表面30，导致光强度的聚集或者增强，大致如图1中的57所示。每个电池22的表面30上光增强增大约1.5倍(1.5X)到约4倍(4X)，取决于太阳能电池22的排列和反射器的设计。
可以使用多种技术调整与/或控制与区域54相对应的金属箔片42的表面58上光反射的性质。可以使用刻蚀或者机械复制方法图形化表面58。例如，箔片42的表面58图形化成锯齿图案，大致如图2中的60所示。该锯齿图案60包括定义各个锯齿的角形侧，以将光线反射到界面56，从而进一步反射到电池22的表面30上。通过在表面58上设置反射涂层66(见图5)可进一步增强金属箔片42的反射。也可考虑刻蚀或图形化与界面56相对应的玻璃衬底26的表面，以确保表面30上的反射捕获尽可能多的光线，而不是通过玻璃逃逸。按照这种方式，通过优化界面56处的光散射而优化全内反射。界面56处的图形化玻璃26也会改善与塑料密封剂24的粘合。
此外，可以想到，例如箔片42的表面58可以刻蚀成包括线光栅以增加表面30上的反射光线，或者可以含有包括玻璃26的界面56的各种几何节距以获得所需的返回到每个电池22表面30上的反射。相关领域的技术人员将会认识到，除了图2所示的均匀锯齿节距之外也可考虑随机节距。
图5示出了叠层组件100的备选实施例，其包括直接置于金属箔片42上的涂层66。例如，涂层66可以是通过在金属箔片42上印刷反射“墨水”而形成的反射的“墨水”66。图5示出了墨水66的一个示例，该墨水为光学透明粘接剂内非常细小的玻璃球68的胶状悬浮体。当该墨水66(例如小玻璃球68)被印刷到金属箔片42上时，其结果是调整光线如何从表面158被反射。如果适当地设计该墨水66(例如球68的适当尺寸和分布)，则相对于用光子28表示的入射光，光线将以某些角度分布被反射。
仍然参考图5，可以用由Dupont公司制造的标有“KAPTON H”商标或者“KAPTON E”商标的不导热聚酰亚胺构造柔性衬底40。由于
产品为不导热的聚酰亚胺，本发明人在此已经意识到，可以通过
层40设置热辐射层，以从太阳能电池阵列背面辐射太阳能电池22中以及太阳能电池阵列中其它太阳能电池中产生的过量热量。然而，将会认识到，可以采用其它适合的材料以达到预期的最终目的。在图5所示的另一个示例实施例中，柔性衬底40可包括穿过该衬底的金属化孔70，从而允许太阳能电池22以及该太阳能电池阵列中其它太阳能电池中产生的过量热量从该太阳能电池阵列的背面辐射出去，大致如图中72所示。更为具体地，孔70可以填充与金属箔片42热交换的铜，金属箔片42又与各个电池22热交换。
这里所描述的太阳能电池组件以及控制该太阳能电池组件的温度的方法与已知的太阳能电池组件及方法相比具有显著的优点。特别地，该太阳能电池组件设计成使用单个金属箔片层将来自该太阳能电池组件的热能从组件的背面辐射到组件的边缘。因此，该太阳能电池组件的工作温度可以维持在最佳工作温度范围内，从而避免了由于工作于较高温度而引起的效率损失。
在可供选择的实施例中，可由下述材料中的一种或多种的薄膜构成衬底40：(i)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、(ii)聚丙烯酸酯、(iii)聚碳酸脂、(iv)硅树脂、(v)环氧树脂、(vi)硅树脂功能化环氧树脂、(vii)聚酯，诸如标有“MYLAR”商标的由E.I.du Pont de Nemours &Co.制造的聚酯、(viii)标有“APICAL AV”商标的由KanegafugiChemical Industry Company制造的材料、(ix)标有“UPILEX”商标的由UBE Industries，Ltd制造的材料、(x)由Sumitomo制造的聚砜醚“PES”、以及(xi)标有“ULTEM”商标的由General Electric公司生产的聚醚酰亚胺。
上述公开内容指出了允许PV叠层的单个部件用作电导体、热导体和光学反射器的技术方法。这不同于向叠层添加新的部件(例如附加的材料层)以提供光学反射的其它方法。已经描述了两种特殊的方法，其一是基于可实现所有三个功能的单个金属箔片42以及可以用于调整诸如电学柔性衬底的衬底的光学性能的墨水66，其中该衬底已经支撑太阳能电池的键合及互连。图2至5中所述的特定结构作为示例，本发明并不限于各图中所述的特定结构。
光学聚能器允许从模块叠层清除掉硅的一部分，裸露的区域将起着以受控的方式将光线重新引导回到密封剂/玻璃界面56的作用，使得额外的(聚集的)光线落在其余太阳能电池22上。因此，光学聚能器可大幅降低模块的成本：成本的变化＝硅的原始成本×％硅的减少×(能量因子)×(成本增加因子)。注意，能量因子将小于1，但在理想情况下应该很接近1，然而成本增加因子可能大于1，因为以减少的硅制作这种模块需要更多的成本。最终，由于％硅的减少提供的成本利益超过实施每个模块的硅覆盖面积的减少导致的成本增加因子的提高与减小的能量因子(例如约0.8或80％)的结合，净成本降低。
使用金属箔片层的优点包括聚集光线的方法，该方法可降低太阳能电池的面积而不影响能量传输并显著降低成本。所公开的另一个优点包括电学、热学、和光学功能集成到单个部件(即金属箔片)中，该部件作为叠层底板的一部分，从而大幅降低实现成本并简化叠层组件。
该金属箔片作为用于安装可粘接到箔片上的太阳能电池的衬底，该箔片被图形化以符合太阳能电池设计的金属互连/键合焊盘排列。使用粘接剂或者焊料可以容易实现金属与金属的键合。该箔片提供了优良的电流扩展和电导率，与典型太阳能电池的金属化相比具有更低的薄层电阻，并超出了与电子柔性衬底相关的典型接点接触或者薄金属化的电流处理能力。此外，该金属箔片还作为由太阳能电池直接产生的热或者作为叠层内太阳辐射吸收的副产品产生的热的良好扩散工具。具有叠层结构的箔片的设计和集成可使电流和热被引导到叠层的边缘，在所述叠层边缘电流可通过与该叠层集成的电连接体向外传输且热量可以通过辐射或者对流界面扩散到外部环境。此外，可以多种方式改变箔片的表面(例如使用刻蚀，机械压印等)，该箔片还可增加涂层从而以特定的方式发射光线。按照这个方式，未结合太阳能电池的箔片区域可以将光线以一定的角度范围反射返回到叠层的玻璃/密封剂界面。全内反射增加且额外的光线被反射返回到太阳能电池，从而提高有效强度，得到浓度为1.5-4X的太阳光线。
尽管本发明是参考示例实施例进行描述，本领域的技术人员将明白，在不离开本发明范围下可对本发明进行各种等效改变、对其元件进行等效替换。此外，可在不离开本发明的范围下对本发明的示范进行许多改变以适用于特定的场合。因此，本发明并不限于所公开的用于执行本发明的实施例，本发明包括所有落入指定权利要求范围内的所有实施例。而且，术语第一、第二等并不表示重要性的级别，相反，术语第一、第二等是用于元件之间的相互区别。
部件清单
| 2 | 单个太阳能电池 |
| 4 | 串 |
| 6 | 顶部玻璃 |
| 8 | 聚合物背板 |
| 10 | 传统PV叠层 |
| 16 | 太阳能电池叠层组件 |
| 18 | 太阳能电池叠层组件 |
| 20 | 底板组件 |
| 22 | 硅晶片或太阳能电池 |
| 24 | 密封剂 |
| 26 | 玻璃衬底 |
| 28 | 光方 |
| 30 | 第一侧 |
| 32 | 第二相对侧 |
| 40 | 绝缘衬底 |
| 42 | 金属箔层 |
| 44 | 串 |
| 45 | 晶片位置 |
| 46 | 互连图案 |
| 47 | 焊盘 |
| 48 | 二极管 |
| 50 | 边缘连接器 |
| 52 | |
| 54 | 区域 |
| 56 | 顶部界面 |
| 57 | |
| 58 | 表面 |
| 60 | 锯齿图案 |
| 66 | 反射涂层 |
| 68 | 小玻璃球 |
| 70 | 金属化孔 |
| 72 | |
| 100 | 叠层组件 |
| 158 | 表面 |
Claims (10)
1.一种光伏(PV)叠层底板组件(20)，包含：
绝缘衬底(40)；以及
金属箔片(42)，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面被结合到所述绝缘衬底(40)，所述第二表面包括电互连多个串联太阳能电池(22)的串联串，所述串联串包括边缘连接器和互联图案，所述互联图案与位于所述多个太阳能电池(22)的每个的相同侧的焊盘电接触，以便来自所述多个太阳能电池的每个的电流被传输到所述边缘连接器，所述金属箔片(42)的所述第二表面还包含安置于所述第二表面的暴露区域(54)上的光反射器，所述光反射器被构造成将入射到其表面上的光反射到所述太阳能电池(22)以将所述太阳能电池(22)上光的浓度增加1.5倍到4倍。
2.根据权利要求1的组件，其中所述衬底(40)包括聚合物衬底。
3.根据权利要求2的组件，其中所述聚合物衬底包含柔性聚合物和刚性聚合物中的一种。
4.根据权利要求1的组件，其中靠近定义所述太阳能电池(22)外围边缘的边缘放置的所述金属箔片(42)的所述第二表面上的所述暴露区域(54)被增加了涂层(66)，并经机械处理以将光线反射到所述太阳能电池(22)上并增强其上光强度。
5.根据权利要求4的组件，其中所述涂层(66)包含反射墨水。
6.根据权利要求5的组件，其中所述墨水包括光学透明粘合剂内玻璃球(68)的胶状悬浮体。
7.根据权利要求1的组件，其中所述金属箔片(42)为基于成本、电学和热学性能考虑而选择的导电金属箔片(42)。
8.根据权利要求7的组件，其中所述金属箔片(42)被图形化成至少匹配所述太阳能电池(22)和PV叠层模块(10)的互连结构。
9.根据权利要求8的组件，其中所述金属箔片(42)构造成提供多个太阳能电池(22)的低电阻互连，同时提供每个电池产生的热量的散热片。
10.根据权利要求9的组件，其中所述太阳能电池(22)中至少一个产生的热量以及所述模块内吸收的太阳辐射通过所述金属箔片(42)被引导到定义所述模块的边缘。
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