CN101346825A - 光伏模块以及制造该光伏模块的互连方法 - Google Patents

光伏模块以及制造该光伏模块的互连方法 Download PDF

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Abstract

本发明披露一种太阳能电池阵列，其包括一系列具有正面和背面的光伏电池(100，103)。每一光伏电池还包括分别设置在每一电池正面和背面的正面触点和背面触点(32，35)，其中所述正面触点和所述背面触点可从每一电池的背面接触。所述太阳能电池阵列(101)还包括多个连接片，所述连接片电连接到正面触点上并配置用以提供从每一光伏电池的正面触点到其背面的电通路。此外，所述光伏电池通过多根互连引线(106，108)相互连接，所述引线从第一光伏电池背面上的连接片连接到第二光伏电池背面上的背面触点。本发明还披露了一种互连所述太阳能电池阵列中光伏电池的自动化方法。

Description

光伏模块以及制造该光伏模块的互连方法
技术领域
本发明总体上涉及太阳能电池，更具体地但不仅仅涉及用于互连太阳能电池的结构件。
背景技术
太阳能电池也称作光伏电池，其是一种将太阳辐射转化为电能的公知设备。可使用半导体加工技术在半导体晶片上制造太阳能电池。通常太阳能电池包括一种或多种夹在两个电极之间的光活性材料(photoactivematerial)。常规太阳能电池包括制造在硅基底上的n型掺杂区域和p型掺杂区域。冲击在太阳能电池上的太阳辐射产生分别迁移到p型掺杂区域和n型掺杂区域的电子和空穴，从而在掺杂区域之间形成电压差。
单个太阳能电池通常仅产生小的功率，其通常比大多数应用所需要的功率小很多。通过将多个太阳能电池互连为串联和并联矩阵，来达到实际应用中所需的电压和电流。所述矩阵通常称为太阳能电池阵列，并可用来由太阳辐射产生电能以用于各种应用。目前，使用已知的“串接(stringing)”工艺互连常规的晶体硅光伏(PV)电池来形成模块。串联网络中的串接电池通常通过导电通路例如铜线将一个电池的正面电极连接到相邻电池的背面电极上，从而从一个电池的正面延伸到相邻电池的背面。多个电池串以叠层结构放置，然后将所述电池串焊接在一起，从而在串联网络中使一个装置与另一个装置形成单端连接。也就是说仅仅从电池的一端到相邻电池的一端形成电通路。
目前用于制造太阳能电池阵列的工业标准包括将电池端到端串接，然后形成层叠体，所述层叠体由玻璃正面层和背板构成，背板包含例如
Figure A20068004852500041
PVF(聚氟乙烯)膜(其可从E.I.du Pont Nemours and Company购买)等材料。这种作法在工业中得到了认可，这是因为存在大量这种PV层叠体的可靠性数据的数据库。但是所述PV层叠体的问题包括有限的封装密度、电阻损耗以及缺乏装配自动化(其可导致损坏和污染)。在装配期间构建的电池串易碎，难以处理，且需要人工操作来修理或二次加工。因此，标准制造技术缺乏微电子电子卡装配和测试构造的自动化，且产量相对较低，电池不能够准确定位并且人工二次加工操作困难。
因此，需要一种技术来解决太阳能电池组件制造中的前述问题中的一个或多个问题。
发明内容
根据本发明的一个方面提供包括多个互连光伏电池的太阳能电池阵列。布置所述光伏电池，使得每一电池的正面触点和背面触点均可从电池的背面接触。所述阵列包括多个正面连接片(tab)，所述连接片电连接到正面触点上，以提供从电池正面触点到背面的电通路。所述阵列还包括互连导线，互连导线从一个光伏电池背面上各自的连接片连接到另一个光伏电池背面上的背面触点。
根据本发明的另一个方面，提供互连光伏电池的太阳能电池阵列，所述太阳能电池阵列包括在每一光伏电池的正面和背面上的至少一个双端电流通路。
根据本发明的另一个方面，提供制造光伏电池阵列的方法。所述方法包括在光伏电池的正面和背面上提供多个并联的电流通路。所述方法还包括将所述光伏电池布置在层叠体上。所述方法还包括将多个连接片焊接在所述光伏电池的背面上，并通过连接导线串联连接所述光伏电池。所述方法还包括加热所述光伏电池以使电池粘附到层叠体上。
附图说明
当结合附图阅读下述详细说明时，可更好地理解本发明的这些以及其它特点、方面和优点，其中在所有附图中，相同的标记代表相同的部分，其中：
图1为根据本发明实施方案制造的光伏模块的分解图；
图2为常规光伏电池的截面图，示例光伏电池正面上的正面触点和背面上的背面触点；
图3为根据本发明实施方案的示范性光伏电池的截面图，示例光伏电池的正面触点与背面的配合；
图4示例根据本发明实施方案的光伏电池阵列的一部分以及用于向光伏电池的背面和正面提供多条电流通路的机构；
图5为根据本发明实施方案的光伏电池阵列的一部分的背面平面图，示例通过点到点布线实现双端连接方案；
图6为根据本发明实施方案的光伏电池阵列的一部分的背面平面图，示例包括正面和背面两个触点的光伏电池之间的互连方案；
图7为示例光伏电池之间互连方案的光伏电池阵列的一部分的背面平面图，所述光伏电池包括各自的背面接触电池，在组装所述阵列之前使所述电池通过预成型的互连引线相互连接；以及
图8为根据本发明实施方案制造根据图4双端互连方案的太阳能电池阵列的步骤的流程图。
具体实施方式
如以下详细讨论的，本发明的实施方案提供包括多个光伏电池的太阳能电池阵列，其中每一光伏电池包括正面和背面。所述太阳能电池阵列还包括分别位于正面和背面上的多个正面触点和背面触点。将一个或多个导电连接片电连接到正面触点上，并进行布置以提供从光伏电池的正面触点到背面的电通路。该太阳能电池阵列还包括多根互连导线，所述互连导线将每一光伏电池背面上的连接片连接到另一光伏电池背面上的至少一个背面触点上。此外，还讨论了其它实施方案(其中在每一光伏电池的背面和正面提供至少两个并联的电流通路)和制造光伏电池阵列的方法。
图1为根据本发明示范性实施方案的光伏(或太阳能)模块10的示意图。如所理解的，在整个申请中，术语“光伏”和“太阳能”可互换使用。光伏模块10包括太阳能电池阵列12，所述太阳能电池阵列包括层压在叠层18和20之间的光伏电池14。作为非限制性实例，叠层18和20可包括乙烯基乙酸乙二醇酯(EVA)板材，所述板材的选择和使用对本领域技术人员而言是已知的。光伏模块10还可包括外部保护层16和22。可布置所述外部保护层16和22，以使所述太阳能电池阵列12免受环境条件如湿气和潮气的影响，提供结构耐久性并使其免受机械力作用。所述保护层16可包括透明材料如玻璃，保护层22可包括背板材料，该背板材料包括一层或多层聚合材料层，例如其通常包括聚氟乙烯如
Figure A20068004852500061
PVF最外层。这些材料的选择和使用对本领域技术人员而言是已知的。在制造期间，可将所述光伏模块10放置在层压机中，以加热所述叠层18和20，从而气密封所述光伏模块10。在工作期间，使光伏模块10定向，以使所述层16面对太阳。因此，在本发明的示范性实施方案中，布置所述太阳能电池阵列12的每一太阳能电池14的正面以接受太阳光，并使之定向以面对所述保护层16。使所述太阳能电池阵列12的每一太阳能电池14的背面定向，以面对所述保护层22。
图2显示了本领域已知的、具有互连系统的单个太阳能电池14。电池14的正面26包括导电网格线27图案，该导电网格线27传输由光子光伏变换为电子而产生的电流。所述网格线27电连接到所述正面上的导电连接片30上。电池14的背面28包括导电材料29的均匀涂层，该涂层使来自导电连接片34的电流分布在所述光伏电池的背面上。如箭头31所示电流显示的，入射的太阳辐射转化为电能，并产生通过所述电池的电流。这种布线配置通常用于互连硅太阳能电池，并称之为单端串联网络。实践中，这种电池的大小可由小于1英寸变化到8英寸或者更大。根据所述电池的大小，可配置一个(如图2所示)或多个并联、成对的导电连接片30和34，以提供足够的导电性，从而有效地收集电流。
当电流31通过元件27和29分布在所述太阳能电池14的正面26和背面28上时，沿导电连接片30和34的电流沿着所述连接片的长度方向线性增加或降低。尽管电流是变化的，但是所述导电连接片30和34每单位长度的横截面和电阻通常是恒定的，每单位长度的最大功率损耗出现在电流最大的地方。因此，如下所述，采用可限制最大电流的布线配置将降低功率损耗，采用可提供过载载流量的配置将增加遮挡。
在图2的配置中，导电连接片30和网格线27具有遮挡电池的一部分接受入射辐射的作用，因此，降低了电池的整体效率。因此，期望降低连接片30和34覆盖的总面积。减小所述导电连接片30的宽高比也降低了被所述导电连接片覆盖的表面积，但这却有害于装配的可靠性，这是因为导电连接片30和太阳能电池14的机械和热性能不同。在常规太阳能装置的热偏差条件下，这些差异造成热应力，热应力可引发裂纹或引发对电池的其它损伤。因此，不能不考虑对热应力的影响来改变宽高比。
图3为根据本发明实施方案的可连接在单面接触装置上的光伏电池14的截面图。所述光伏电池14包括正面26和背面28。如所理解的，所述光伏电池14的正面26在其表面上包括正面电极(未示出)。同样，所述光伏电池14的背面28在其表面上包括背面电极(未示出)。为了提供从所述光伏电池14的正面电极到背面28的电接触，将导电的正面连接片30设置在所述光电池14的正面26上。将所述导电的正面连接片30电连接到所述正面电极上。所述导电正面连接片30的大小应使得所述导电连接片30的边缘可围绕所述光伏电池14的边缘缠绕。缠绕所述导电正面连接片30的边缘，以使所述边缘提供与所述光伏电池14背面28之上的正面触点32的远程接触。可使用绝缘体如胶带33来隔离，并在所述串联网络中的相邻电池之间用作间隔物。如图3所示，将所述导电触点32连接到所述光伏电池的正面导电连接片30上，但是其物理上位于所述光伏电池的背面。因此术语“背面接触配置”是指下述光伏电池配置：其中如图3中的触点32和35所示，其导电触点可从所述背面接触。在本发明一种实施方案中，通过提供如图3所示的导电连接片，可将如图2所示的常规硅光伏电池(其具有正面触点和背面触点)重新构造为背面接触配置。在一种非限制性实例中，所述导电连接片30和34可为焊接到所述电池的正面电极和背面电极上的铜带。这种背面接触配置提供了一种导电连接片设计，这种设计使电阻损耗最小化而未增加遮挡或者热应力。
本发明的背面接触配置通过在互连单个电池如所述光伏电池14之前，在叠放工艺中使其分别面向下放置，为改进所述电池阵列的可制造性和耐用性提供了可能。在常规制造中，在将电池向下放置之前，将所述电池连接成串，所述电池串易碎且难以修复。通过将单个电池面向下放置并通过正面触点32和背面触点35连接所述电池，阵列中电池的互连目前可适用于全自动化装配工艺。
在所述光伏电池14的背面28上提供正面触点32和背面触点35可以实现双端连接方案。术语“双端”是指在所述光伏电池背面的两端连接相邻的光伏电池，而不是如在常规单端串联网络型阵列中那样在一端连接。也就是说，通过在光伏电池14一端的正面触点32和相邻电池14的背面触点35(导电连接片34)之间的第一连接，以及通过所述光伏电池14的另一正面触点32和相邻电池14的另一背面触点35(导电连接片34)之间的第二并联连接，将阵列中一个光伏电池的前电极连接到相邻电池的后电极上。参考图4、5、6和7将进一步示例和说明本发明实施方案中的双端连接。
现在参考图4，示例了相邻光伏电池的电流通路的示意图。如上所述，与提供单电流通路相反，正面触点32(图3)提供了向相邻光伏电池提供多电流通路的途径。如图4所示太阳能电池阵列12包括光伏电池48和50。将来自光伏电池48正面(通过图3的正面触点32)并流向光伏电池50背面(通过导电连接片34)的电流大体上分成两个电流通路42和44。因此所述电流将从所述电池48的正(上)面围绕两端并流向所述电池48的背面。所述电流通过两个而不仅仅是一个(如在常规阵列中一样)电流通路，从所述电池48的正面触点32(图3)流向所述电池50背面上的背面触点35(图3)(导电连接片34)。有利的是，通过在相邻电池之间提供并联电流通路可降低电阻损耗。
设想这样一个实例，其中4安培(A)的电流(I)流动通过所述光伏电池。由于阵列中每一光伏电池的电阻引起的功率损耗等于I2R，其中R为电流通路的电阻，I为电流。因此在这种情况下电流为4安培时的功率损耗为42R。在参考图3的实施方案中沿着两个电流通路将所述电流平分，沿每一通路的功率损耗为22R/2。所述计算基于这样一种假设：所述背面上的附加线路具有相对较低的电阻。因此总电阻功率损耗降低到22/42或25％。由于在串联电路中电流恒定，故对于任意数量的电池而言，总电阻功率百分比保持相同。这种相对改进的总输出功率的净效应受设计和工作条件的影响。应当注意的是，在最大电流和最高工作温度下(此时损耗最高)，获益最大。通常将太阳能模块放置在可使其受照量最大化的位置上，因而所述最高电流和温度条件通常为额定的工作条件。
图5为太阳能电池背面的平面图，所述电池在每一电池的背面上可具有正面触点和背面触点，并具有通过一种实施方案中的点对点布线实现的双端互连。所述太阳能电池阵列60包括光伏电池62、64和66，如图3所示，其中所述每一电池包括其背面上的正面触点和背面触点。因此，所述光伏电池62包括其背面70上的正面触点68和背面触点79。类似地配置所述电池64和66。如图5所示，通过互连引线74将电池62的正面触点68电连接到电池64的背面触点79上。为了提供从电池62到电池64的第二并联电流通路，通过另一互连引线76将电池62的正面触点69电连接到电池64的背面触点79上。由于所述正面触点68可从所述光伏电池的背面70接触，故如上所述，所述互连方案可为双端的。对于串联连接的任意数量的电池而言，可重复所述布线模式，用77和78表示所述网络的输入和输出终端。这种布线模式等效于广泛用于微电子工业进行半导体封装的自动化点对点布线，并且应选择所述互连引线以使电阻损耗最小化。可在将所述电池物理放置在其模块装配位置之后进行所述连接。互连引线的一些非限制性实例包括母线以及绝缘线和带，其中配置所述线和带使其彼此不重叠。
如能够理解的，由于制造所述太阳能电池，使其在每一电池的背面上包括正面触点，故在互连所述电池以形成电池阵列时，不再需要接触所述太阳能电池的正面。有利地，可使所述光伏电池阵列的制造自动化，以及可简化二次加工(如果需要)，这是因为其仅仅需要移出受影响的电池，而不干扰相邻的电池。
图6为太阳能电池背面的平面图，所述电池在每一电池的背面上可具有正面触点和背面触点，并具有根据本发明的实施方案通过将两点连接到两点来实现的双端互连。所述太阳能电池阵列80包括光伏电池82、84和86，如前面图3所示，其中每一电池包括其背面90上的正面触点和背面触点。因此，所述光伏电池为背面接触电池，并具有形成电池终端的触点88和89。
如图6所示，互连引线95和96将一个光伏电池连接到另一个光伏电池上。所述互连引线由低电阻材料如铜制造，可用任何已知技术对其进行冲切、切削或蚀刻。与单根、长距离的互连引线相比，分开的互连引线的其它一些优点在于其需要较少的互连材料、可为触点提供更多的空间并可降低所述太阳能电池阵列的重量。此外，本发明的前述实施方案对目前商购的光伏电池阵列构造需要最小的改变。在一种示范性实施方案中，所述光电池阵列80还可包括嵌入到电路中的无源元件(未示出)。无源元件的非限制性实例包括旁路二极管。
图7显示了一种替换性实施方案，其中，在装配所述阵列之前，将预成型的互连引线106和108连在各个背面接触电池100和103上。所述互连引线106和108可由低电阻材料如铜制造，并可通过蚀刻、冲压或其它方式形成，以与背面接触电池100和103的直径相匹配。通过例如焊接到触点32和35上等方法来形成所述连接。可如下完成焊接：按照本领域已知的方法，使所述互连引线106和108接触其各自的位置，并通过提供足够的热量来助熔和焊接，从而实现连接。现可在形成多电池阵列101之前，测试和按照需要维修所得子装置100(或103)。通过两点接触即102和104，可实现电池100与另一电池103的连接。背面28、绝缘体33和连接片34也如图7所示，且分别具有与前述图3所述功能相同的功能。
在如图1所述的层压叠放步骤过程中，通过将电池放置在适当的位置来完成电池101的多电池阵列的形成过程。通过将一个电池的触点102焊接到相邻电池的触点104上等等来完成电池与电池的连接，从而形成线性串联网络。在欲将一个线性串联网络连接到共线相邻网络的情况下，可通过增加分路(其由可焊接和导电材料如铜带制成)来实现端部的连接。可人工或使用自动化方法来放置所述电池，以及可通过人工或自动化方法，通过将加热装置如焊铁应用到期望的位置来实现焊接。这种装配方法无需预先装配电池串，将之运送至叠放站并随后进行维修或移动(如果其具有缺陷)。通过对比，通过所述方式顺序放置各个电池100、103属于用在电子卡装配和构造测试中的操作方法，其特征在于自动化拣选和放置操作以及高产量焊接工艺。
图8显示太阳能电池阵列120的制造方法所涉及的步骤的流程图。如在步骤122中，使用互连引线来装配各个背面接触电池。参考步骤124，将背面接触光伏电池分别放置在层叠体上。所述层叠体的非限制性实例包括位于玻璃上的乙烯基乙酸乙二醇酯或聚氟乙烯背板。在层叠体上布置所述光伏电池是一种自动化过程。将每一光伏电池分别拣选和放置在层叠体上。此外，所述方法包括安装连接片126，其中通过自动化焊接装置将所述连接片焊接在每一光伏电池的背面。对所述连接片进行设计以有助于在整个层压过程中保持电池之间的间距。所述连接片也可以是绝缘的。在一种非限制性实例中，在放置所述电池之后，可通过使用热烙铁将其原位固定。略微加热所述电池将使其固定到下面的乙烯基乙酸乙二醇酯上，并有助于保持电池的位置。此外，通过互连引线将所述电池彼此串联连接。作为图4所示实施方案的一个实例，所述互连引线可为圆形或扁形的绝缘线。如图6和7所示，在其它实施方案中，所述互连引线包括铜(或者作为选择，其它导电材料)带，将其冲压或蚀刻或用其它方式制成期望的形状。根据工艺需要，互连引线可为绝缘的或可为不绝缘的。通常，所述EVA在所述带和所述电池之间流动，从而提供绝缘层(其在层压期间形成)。作为下一步骤128，对电池进行检查以测试缺陷。最后，在步骤130中完成层压过程，其中，用封装材料封装所述光伏电池。封装材料的一些非限制性实例包括乙烯基乙酸乙二醇酯。
前述实施方案带来了以最小的间距在相邻电池之间互连的可能性，因此，可用来改善封装密度和提高所述光伏模块的输出功率。在一种非限制性实例中，电池之间的容许间距通常为至少1mm。
根据前述说明，显然可以认为本发明提供了一种改进的太阳能电池阵列，其具有多个优点，包括降低了电路中的功率损耗，以及互连操作方法更方便，从而允许更容易地更换有缺陷的电池。
尽管在本申请中仅示例和说明了本发明的一些特征，但对于本领域技术人员而言，可进行许多改进和变化。因此，应该理解的是所附权利要求意欲覆盖所有这些落在本发明真正构思内的改进和变化。

Claims (26)

1.一种太阳能电池阵列，其包括：
多个光伏电池，所述多个光伏电池中的每一个均包括正面和背面；
设置在所述多个光伏电池中每一个的正面上的多个正面触点和背面上的多个背面触点；
多个正面连接片，其电连接在所述多个正面触点上并配置为提供从所述光伏电池的正面触点到背面的电通路；以及
多根互连引线，其中将所述多根互连引线中的每一根从所述多个光伏电池中第一个电池各自的正面连接片连接到所述多个光伏电池中第二个电池的至少一个背面触点上。
2.权利要求1的阵列，其中所述互连引线包括多根电绝缘的线或带。
3.权利要求2的阵列，其中所述多根带中的每一根包括铜带。
4.权利要求1的阵列，其中所述互连引线包括多根母线。
5.权利要求1的阵列，还包括嵌入所述阵列中的无源元件。
6.权利要求5的阵列，其中所述无源元件包括旁路二极管。
7.权利要求1的阵列，还包括层叠体，其中将每一光伏电池设置在所述层叠体上。
8.权利要求7的阵列，其中所述层叠体包括玻璃。
9.权利要求7的阵列，其中所述层叠体包括背板。
10.权利要求9的阵列，其中所述背板包括乙烯基乙酸乙二醇酯或聚氟乙烯。
11.权利要求1的阵列，还包括用于封装所述光伏电池的封装材料。
12.权利要求11的阵列，其中所述封装材料包括乙烯基乙酸乙二醇酯。
13.权利要求1的阵列，其中构造每一光伏电池使其具有低于所述光伏电池总输出功率2％的功率损耗。
14.一种太阳能电池阵列，其包括：
多个光伏电池，其中所述多个光伏电池中的每一个均包括正面和背面；以及
多根电连接到背面以提供并联电流通路的互连引线，其适宜提供低于所述光伏电池总输出功率2％的功率损耗。
15.权利要求14的太阳能电池阵列，其中所述光伏电池在各光伏电池的两端互连。
16.权利要求14的太阳能电池阵列，其中所述功率损耗低于所述光伏电池总输出功率的2％。
17.一种制造光伏电池阵列的方法，其包括：
在光伏电池的正面和背面上提供多个并联的电流通路；
将多个光伏电池放置在层叠体上；
将多个连接片焊接在所述光伏电池的背面上；
加热所述光伏电池以使所述电池粘附到所述层叠体上；以及
通过互连引线串联连接所述光伏电池。
18.权利要求17的方法，其中所述电池之间的间距为至少1mm。
19.权利要求17的方法，其中放置所述多个光伏电池包括自动拣选和放置每一光伏电池。
20.权利要求19的方法，其中所述自动拣选和放置每一光伏电池还包括独立层压所述电池并使其互连。
21.权利要求17的方法，其中焊接包括自动化焊接设备，配置该设备以焊接所述互连引线。
22.权利要求17的方法，还包括所述光伏电池的封装。
23.权利要求17的方法，其中放置所述光伏电池包括将所述光伏电池的正面连接到所述层叠体上。
24.权利要求17的方法，其中所述互连引线包括绝缘线或导电材料制成的带。
25.权利要求24的方法，其中所述绝缘线包括圆形线或扁形线。
26.权利要求24的方法，其中所述带包括铜带。
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