CN101419990B

CN101419990B - 柔性薄膜太阳电池组件

Info

Publication number: CN101419990B
Application number: CN 200710047428
Authority: CN
Inventors: 陈萌炯; 叶晓军; 张忠卫; 王训春; 李志刚; 陈鸣波
Original assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Current assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: CN101419990A

Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜太阳电池，包括：覆盖膜[110]、粘接剂层[120]与背面衬底膜[130]连接；粘接剂层[120]中具有若干由沉积在薄膜衬底上的太阳电池单元[100]；衬底两端通过导电银浆[170]实现电池单元组件串联；背面衬底膜[130]的两端各有一个互联条[161]，与最外端的太阳电池单元组件的电极相连；在太阳电池组件的一个引出端上设置有旁路二极管[140]。上述电池单元沉积在聚酯膜衬底或者金属箔衬底上。本发明取得了重量轻、适应环境温度宽、重量比功率大等有益效果。

Description

柔性薄膜太阳电池组件

技术领域

本发明涉及太阳电池，特别涉及一种柔性薄膜太阳电池。

背景技术

太阳电池是一种利用光生伏特效应将光能直接转换为电能的半导体器件。传统的晶体硅太阳能电池以及沉积在玻璃衬底上的薄膜太阳电池，必须加工成坚硬的板块状电池板，这就限制了它的许多日常用途。而沉积在不锈钢或聚酯膜等柔性衬底上的薄膜电池，成为一种能任意弯曲成为曲面状或任何不规则形状的柔性太阳电池。它能安置在流线型汽车的顶部、帆船、赛艇、摩托艇的船舱表面以及房屋等建筑物的楼顶与外墙面上以便充分利用丰富的太阳能并将其转化成电流。

中国专利ZL200520096139.7实用新型专利提出了一种将若干单块太阳能电池与一柔性底层材料如纺织布料、塑料膜连接的方法，获得柔性好、可折叠的太阳电池组件。但是，该组件并没有考虑薄膜太阳电池封装、串并联连接设计以及旁路二极管的设计，导致组件在重量比功率、可靠性等方面存在不足。

发明内容

为了解决现有技术在重量比功率、可靠性等方面的不足，本发明的目的在于提供一种柔性薄膜太阳电池。利用本发明，不但制作方便，而且电池组件柔性好，重量比功率高。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种柔性薄膜太阳电池，该装置包括：

覆盖膜通过粘接剂层与背面衬底膜连接；粘接剂层中具有若干由沉积在薄膜衬底上的太阳电池单元组成的太阳电池单元组件；薄膜衬底的两端通过硅树脂粘结成弯钩状，再通过导电银浆实现太阳电池单元组件相互之间的串联；背面衬底膜的两端各有一个互联条，它与最外端的太阳电池单元组件的电极相连；太阳电池单元组件的电流通过互联条上的汇流条引出；在太阳电池组件的一个引出端上设置有旁路二极管，它的一个电极与该端的互联条连接，另一个电极通过旁路二极管汇流条与太阳电池组件另一引出端上的互联条连接。

上述太阳电池单元可以是非晶硅薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池或碲化镉电池；该薄膜电池可以沉积在聚酯膜衬底上，或者沉积在金属箔衬底上；聚酯膜衬底可以是聚酰亚胺薄膜，或者是聚氨脂薄膜，其厚度≤50μm；金属箔衬底可以是不锈钢箔，或者是铝箔，其厚度≤50μm。

上述以金属箔衬底的太阳电池单元组件包括：电池单元沉积于金属箔衬底上，组成金属箔衬底太阳电池单元组件；在电池沉积过程中，金属箔衬底太阳电池单元组件之间的金属箔衬底的边缘留有5mm空隙的衬底，上面具有孔径为2mm的穿孔，穿孔密度与电池正电极栅线密度相当；在空隙中填充有低温导电银浆，形成内联式的太阳电池单元组件。

上述以聚酯衬底的太阳电池单元包括：在聚酯膜衬底上预沉积一层背电极；经一次刻划，在前一个背电极上沉积太阳电池单体；经二次刻划，在最外端的背电极和太阳电池单体上沉积正、负电极栅线；经三次刻划，形成内联式的太阳电池单元。

上述旁路二极管置于太阳电池组件的负极，每个组件配有至少2个；所述的旁路二极管采用薄膜式二极管，整合于单片电池背面，二极管形式可以是PN结二极管，或者是Schottky结二极管。

本发明柔性薄膜太阳电池，由于选用耐候性能良好的材料实现太阳电池组件，因此可以在极端的环境下工作；同时，通过对减薄柔性太阳电池的基底实现组件的高重量比功率；通过防阴影二极管的安置提高整个电池组件的可靠性；通过多点多线的引出方式增加太阳电池组件的封装面积，实现组件的超大面积的组阵，因此，取得了重量轻、适应环境温度宽、重量比功率大等有益效果。

经测试，本发明在-60℃～+60℃之间可以长时间稳定工作，并且保持柔性，平均重量比功率大于240W/kg。

本发明可应用于航空航天领域的能源系统，地面野战部队的便携式供电系统；还可以应用于太阳能汽车、太阳能帆船(赛艇)以及太阳能取暖(或制冷)的节能型住宅的建筑一体化光伏发电。作为一种超轻型柔性太阳能电池，本发明的超便携性亦可作为便携式充电器的能源，为手机，笔记本电脑等小型电子消费品及时提供电源补充。

附图说明

图1以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件剖面图；

图2以金属箔为衬底的薄膜太阳电池组件剖面图；

图3以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池内联式单元示意图；

图4以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件整合式防阴影旁路二极管的结构示意图；

图5以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件汇流条导线安置示意图；

图6以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件示意图；

图7以金属箔为衬底的薄膜太阳电池组件整合式旁路二极管安置示意图；

图8以金属箔为衬底的薄膜太阳电池组件汇流条导线安置示意图；

图9以金属箔为衬底的薄膜太阳电池单体的互连示意图，其中图9A为平面视图，图9B为剖视图。

图10以金属箔为衬底的薄膜太阳电池组件示意图。

图中包括：太阳电池单元100、正、负电极栅线101、背电极102、太阳电池单体103、聚酯膜衬底104、覆盖膜110、粘接剂层120、硅树脂121、背面衬底膜130、二极管背电极131、预留孔132、旁路二极管140、衬底薄膜150、汇流条160、互联条161、旁路二极管汇流条162、导电银浆170、引出线180、电池单元200、金属箔衬底201、金属箔衬底太阳电池单元组件203、N型半导体230、二极管背电极231、二极管240、互联条261、旁路二极管汇流条262。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的优选实施例。根据不同衬底种类，本发明提供了两个实施例。

实施例一、聚酯膜衬底内联式太阳电池。

图1给出了本发明中以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件的结构，包括：覆盖膜110通过粘接剂层120与背面衬底膜130连接；在粘接剂层120中具有若干沉积在聚酯膜衬底104上的太阳电池单元100组成的电池单元组件；聚酯膜衬底104的两端通过硅树脂121粘结成弯钩状，再通过导电银浆170实现太阳电池单元组件相互之间的串联；背面衬底膜130的两端各有一个互联条161，它与最外端的太阳电池单元组件的电极相连；太阳电池组件的电流通过互联条161上的汇流条160引出；在其中负极的引出端上设置有旁路二极管140，它的一个电极与该端的互联条161连接，另一个电极通过旁路二极管汇流条162与太阳电池正极引出端上的互联条161连接。

上述覆盖膜110、粘接剂层120与背面衬底膜130通过滚压方式复合而成。

上述太阳电池单元100可以是非晶硅薄膜太阳电池，铜铟镓硒薄膜太阳电池或碲化镉电池。

上述覆盖膜110可以是高透过率的PTFE、FEP、PVDF等含氟类聚合物薄膜，厚度可以为25μm或50μm，耐温系数为-100℃～+100℃，透光率≥90％。

上述粘接剂层120可以是EVA膜或透明硅树脂，粘结剂层应为热固性的，可以通过热滚压方式进行固化。每层粘结剂层的厚度约为20μm～80μm，透光率≥90％，耐温系数为-60℃～+60℃。

上述背面衬底膜130可以是聚酰亚胺、FEP、PEN等聚合物薄膜，亦可为发泡的聚酯膜，厚度≤50μm，耐温系数为-100℃～+100℃。背面衬底膜130的两端薄膜电池的引线方式，可以采用多线引出，线数可以根据组件的大小改变，每根导线的额定电流优选为2.5A。

上述旁路二极管140用于防止太阳电池阴影引起的“热斑效应”，它置于太阳电池组件的负极，每个组件配有至少2个旁路二极管140，二极管数量可以根据太阳电池组件的大小进行增加。旁路二极管140采用薄膜式二极管，整合于单片电池背面，二极管形式可以是PN结二极管或者Schottky结二极管。

上述汇流条160可以是铜箔或银箔，或者是表面改性后的铜箔或银箔，其厚度≤20μm。

上述聚酯膜衬底的薄膜太阳电池的结构采用了内联方式。图3给出了本发明中以聚酯衬底内联式太阳电池单元组件的结构示意图，利用卷对卷方式生产，并通过三次刻划形成内联式太阳电池单元组件，在聚酯膜衬底104上预沉积一层背电极102；经一次刻划，在前一个背电极102上沉积太阳电池单体103；经二次刻划，在最外端的背电极102和太阳电池单体103上沉积正、负电极栅线101，最后通过三次刻划后形成内联式的太阳电池单元，该太阳电池单元两端通过弯折引出，弯折处用高弹性的硅树脂121进行粘合。上述聚酯膜衬底104可以是聚酰亚胺薄膜或聚氨脂薄膜，厚度≤50μm。

图4说明了以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件整合式防阴影旁路二极管140的整合方式和位置，旁路二极管通过PECVD(等离子增强化学气相沉积)、磁控溅射或蒸发等工艺在单片电池背面的预留孔132处沉积PN结或者Schottky结，先沉积P型后沉积N型，在N型上沉积二极管背电极131作为N型电极，旁路二极管位于电池单元的负极，面积与一个电池单体面积相当。

图5说明了以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件汇流条160和引出线180的安置位置，位于太阳电池组件正负极端的太阳电池单元100通过互联条161与汇流条160连接，每个组件的正极或负极端通过两条导线180引出，导线180与汇流条160相连，每根导线180的可承载电流为2.5A。导线108的数量可以根据组件的大小适当增加。旁路二极管140的P极与太阳电池组件负极端的互联条161连接；旁路二极管140的N极通过旁路二极管汇流条162与组件正极端的互联条161连接。上述电池组件的正负极和互联条161，互联条161和汇流条162，以及汇流条162和导线180之间均通过焊接方式连接。

图6说明了以聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池单元组成组件的方式。把弯折后的太阳电池单元100并排在滚压平台前，以点胶的方式把低温导电银浆170点在两电池单元之间，实现电池单元的串联，串联间隙为2mm，银浆点间距为5mm，室温固化10min，按图4、图5说明的方式安置完旁路二极管140、汇流条160、二极管汇流条162，互联条161、旁路二极管140后，和上述表面覆盖膜110、背面衬底膜130及粘接剂层120进行层压封装。组件在使用前不焊接导线，以增加电池组件的贮存寿命。使用时，刮去表面覆盖膜和上粘结剂层，焊接导线，进行使用。

实施例二、金属箔衬底电池。

图2给出了本发明中以金属箔为衬底的薄膜太阳电池组件的结构，其中高透过率覆盖膜110，粘接剂层120，背面衬底膜130均与实施例一中所用的材料相同。导电银浆170、汇流条160、互联条161、旁路二极管汇流条162的连接安置方式也和实施例一相同。其不同之处在于：电池单元200沉积于金属箔衬底201上，电池单元组件之间通过导电银浆170粘接；金属箔衬底201可以是SS(不锈钢)、铝箔，其厚度≤50μm，二极管240为整合式，与实施例一不同，下文将详述。

图7说明本发明中以金属箔为衬底的薄膜太阳电池组件整合式旁路二极管240的安置，旁路二极管为PECVD法、磁控溅射或蒸发等工艺沉积的薄膜式二极管，可以是PN结也可以是Schottky结，整合式旁路二极管240位于电池组件负极的最后一片电池处。如图7所示，在粘结剂层120中的电池单元组件包括：电池单元200沉积于金属箔衬底201上，组成金属箔衬底太阳电池单元组件，电池组件之间通过导电银浆170粘接；在上述金属箔衬底201的背面，先沉积P型后沉积N型半导体230，在N型半导体230上沉积整合式二极管背电极231作为N型电极。

图8说明了金属箔衬底的薄膜太阳电池组件汇流条160和引出线180的安置位置，将位于太阳电池组件正负极端的太阳电池单元组件通过互联条261与汇流条160连接，再通过两至三条导线180引出；单根导线180的可承载电流为2.5A，导线的数量可以根据组件的大小适当增加。旁路二极管的N极230通过互联条261与旁路二极管汇流条162连接，再与电池组件另一电极端的互联条261连接。电池组件的正负极与互联条261，互联条261与汇流条160、汇流条160与导线180之间均通过焊接方式连接。

图9说明了以金属箔为衬底的薄膜太阳电池单体组成组件方式，其中图9A为平面视图，图9B为剖视图。如图所示，电池单元200沉积于金属箔衬底201上，组成了金属箔衬底太阳电池单元组件203；在电池沉积过程中，金属箔衬底太阳电池单元组件203之间的金属箔衬底201的边缘留有5mm空隙的衬底，并在上面穿孔，孔径为2mm，穿孔密度与电池正电极栅线密度相当。通过挤压的方式在空隙中填充低温导电银浆170，并在室温中固化30min，形成内联式的太阳电池单元组件。按图7、图8说明的方式安置旁路二极管240、汇流条160后，再与表面覆盖膜110、背面衬底膜130及粘结剂层120进行层压封装。组件在使用前不焊接导线，以增加电池组件的贮存寿命。使用时，刮去表面覆盖膜和上粘结剂层，焊接导线，进行使用。

图10即为封装完成的以金属箔为衬底的薄膜太阳电池组件示意图。其封装次序和连接方式与图6所示的聚酯膜为衬底的薄膜太阳电池组件相同。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的柔性薄膜太阳电池进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种柔性薄膜太阳电池：其特征在于，该太阳电池包括：

覆盖膜[110]通过粘接剂层[120]与背面衬底膜[130]连接；粘接剂层[120]中具有若干由沉积在薄膜衬底上的太阳电池单元[100]组成的太阳电池单元组件；薄膜衬底的两端通过硅树脂[121]粘结成弯钩状，再通过导电银浆[170]实现太阳电池单元组件相互之间的串联；背面衬底膜[130]的两端各有一个互联条[161]，它与最外端的太阳电池单元组件的电极相连；太阳电池单元组件的电流通过互联条[161]上的汇流条[160]引出；在太阳电池组件的一个引出端上设置有旁路二极管[140]，它的一个电极与该端的互联条[161]连接，另一个电极通过旁路二极管汇流条[162]与太阳电池组件另一引出端上的互联条[161]连接。

2.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的太阳电池单元[100]是非晶硅薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池或碲化镉电池；该薄膜电池沉积在聚酯膜衬底上，或者沉积在金属箔衬底上；聚酯膜衬底是聚酰亚胺薄膜，或者是聚氨脂薄膜，其厚度≤50μm；金属箔衬底是不锈钢箔，或者是铝箔，其厚度≤50μm。

3.根据权利要求2所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的以金属箔衬底的太阳电池单元组件包括：电池单元[200]沉积于金属箔衬底[201]上，组成金属箔衬底太阳电池单元组件[203]；在电池沉积过程中，金属箔衬底太阳电池单元组件[203]之间的金属箔衬底[201]的边缘留有5mm空隙的衬底，上面具有孔径为2mm的穿孔，穿孔密度与电池正电极栅线密度相当；在空隙中填充有低温导电银浆[170]，形成内联式的太阳电池单元组件。

4.根据权利要求3所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的金属箔衬底[201]的背面整合有旁路二极管[240]，包括：先沉积P型、后沉积N型半导体「230]；在N型半导体[230]上沉积整合式二极管背电极[231]作为N型电极。

5.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的旁路二极管[140]置于太阳电池组件的负极，每个组件配有至少2个；所述的旁路二极管[140]采用薄膜式二极管，整合于单片电池背面，二极管是PN结二极管，或者是Schottky结二极管。

6.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的太阳电池组件正负极引出端的太阳电池单元[100]通过互联条[161]与汇流条[160]连接，汇流条[160]上连接有导线[180；导线[180]至少两根，每根导线[180]承载电流为2.5A；所述旁路二极管[140]的P极与太阳电池组件负极端的互联条[161]连接；所述旁路二极管[140]的N极通过旁路二极管汇流条[162]与太阳电池组件正极端的互联条[161]连接；所述的太阳电池组件正负极与互联条[161]、互联条[161]与汇流条[160]，以及汇流条[160]与导线[180]之间通过焊接连接。

7.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的覆盖膜[110]是一种选自下列的材料：高透过率的PTFE、FEP、PVDF含氟类聚合物薄膜；厚度为25μm或50μm；耐温系数为-100℃～+100℃，透光率≥90％。

8.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的粘接剂层[120]是一种选自下列的热固性材料：EVA膜、透明硅树脂；粘结剂层[120]的厚度为20μm～80μm，透光率≥90％，耐温系数为-60℃～+60℃。

9.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池，其特征在于：所述的背面衬底膜[130]是一种选自下列的材料：聚酰亚胺、FEP、PEN聚合物薄膜、发泡的聚酯膜；其厚度≤50μm，耐温系数为-100℃～+100℃。