CN101859809B

CN101859809B - 一种太阳能电池封装结构及制备方法

Info

Publication number: CN101859809B
Application number: CN 200910081487
Authority: CN
Inventors: 施松林; 王岩国
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: CN101859809A

Abstract

本发明提供一种制备太阳能电池封装结构的方法，包括以下步骤：1、在透光基底层上制备太阳能电池层，所述太阳能电池层背电极一面背向所述透光基底层，并同所述透光基底层一起形成太阳能电池组件；2、将UV胶涂覆在所述太阳能电池组件的所述太阳能电池层的背电极的一面上，覆盖所述太阳能电池层；3、对所涂覆的UV胶进行抚平处理，形成UV胶层；4、在真空环境下，将涂覆有UV胶层的太阳能电池组件和背板粘结在一起；5、将用UV胶层粘结好的所述太阳能电池组件和背板在装有紫外灯的固化设备中用紫外光照射固化，将UV胶层变成固化的UV胶层。另一方面，本发明提供一种太阳能电池封装结构，包括：透光基底层、太阳能电池层、固化的UV胶层和背板。

Description

一种太阳能电池封装结构及制备方法

技术领域

本发明涉及光电领域，更具体的涉及一种太阳能电池封装结构及其制备方法。

背景技术

多晶硅片和单晶硅片是当前太阳能电池的主导材料，但晶硅原料日益紧缺，太阳能电池价格高居不下。因此，发展硅薄膜太阳能电池，减少对晶体硅片的依赖是降低太阳能电池成本的可行途径。

典型的薄膜太阳能电池的基本结构，通常为衬底/透明导电氧化物/硅层(p-i-n结构)/透明导电氧化物/金属。由于薄膜太阳能电池背电极一般用金属层，如铝或银层，所以如果不进行封装，其在空气中长期使用，会被雨水和氧气氧化绝缘并腐蚀穿孔，导致电池短路或者内阻增加致使电池效率降低，从而缩短了电池的使用寿命。

因此封装是决定电池寿命的主要因素。作为薄膜太阳能电池的封装胶，有以下要求(a)粘结性能好；(b)耐热防水性能；(c)有良好的绝缘性能；(d)具有弹性，能减少运输、安装和使用过程中对电池核心部件的损伤；(e)抗老化性能、寿命长，长期户外使用不会出现明显的脱胶、开裂现象。

传统薄膜太阳能电池封装结构如图1所示，首先在作为透光玻璃基底层1上溅镀和沉积薄膜太阳能电池层2(其依次包括透明导电氧化物层、硅层(p-i-n结构)、透明导电氧化物层、金属层)，在引出电极3后，利用封装胶4，例如：EVA(Ethylene Vinyl Acetate，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)或PVB(Polyvinyl Butyral，聚乙烯醇缩丁醛)层压将背板5和薄膜太阳能电池层2粘结在一起，由于PVB价格昂贵，现在常用的都是EVA胶膜。而且，EVA和PVB属于热熔胶，常温下无粘结性，在封装时必须加热到熔融温度(对于EVA一般130-180℃)下加压发生熔融粘结和交联固化。对于EVA，现在成熟的工艺方法是将电池，EVA胶膜和背板材料叠在一起，然后放到层压机中抽真空层压。为了达到最佳的固化效果，其耗费时间较长，生产效率低；所以一般太阳能电池生产厂家，为了满足其批量生产的要求，往往需要多台层压机同时工作(往往多达十台)，费用高且占地面积大。因此如何提高产能、减少成本是薄膜太阳能电池封装结构所需要解决的重要问题。

而且，采用EVA或PVB层压封装，由于需要加热加压，会出现褶皱、侧移和气泡残余等不良现象。

发明内容

针对EVA和PVB胶膜封装过程中的缺点，本发明的目的就是发展一种快速高效、费用低廉且设备简单的太阳能电池封装结构及其制备方法，以提高太阳能电池封装结构的产能并降低生产成本。

一方面，本发明提供一种制备太阳能电池封装结构的方法，包括以下步骤：

步骤一、在透光基底层上制备太阳能电池层，所述太阳能电池层背电极一面背向所述透光基底层，并同所述透光基底层一起形成太阳能电池组件；

步骤二、将UV胶涂覆在所述太阳能电池组件的所述太阳能电池层的背电极的一面上，覆盖所述太阳能电池层；

步骤三、对所涂覆的UV胶进行抚平处理，形成UV胶层；

步骤四、在真空环境下，将涂覆有UV胶层的太阳能电池组件和背板粘结在一起；

步骤五、将用UV胶层粘结好的所述太阳能电池组件和背板在装有紫外灯的固化设备中用紫外光照射固化，将UV胶层变成固化的UV胶层。

如上所述的方法，在所述步骤二中，所述UV胶的黏度在50～1000cps之间。

如上所述的方法，所述步骤二可以通过喷涂或幕涂的方式实现。

如上所述的方法，所述步骤四是在气压低于50Pa的真空环境下进行的。

如上所述的方法，所述紫外灯为波长在340-380nm的中压汞灯。

如上所述的方法，所述太阳能电池层为硅薄膜太阳能电池层、铜铟镓硒薄膜太阳能电池层或碲化镉薄膜太阳能电池层。

另一方面，本发明提供一种太阳能电池封装结构，包括：透光基底层，在所述透光基底层上沉积有太阳能电池层，在由所述透光基底层和所述太阳能电池层所形成的太阳能电池组件上，利用固化的UV胶层粘结好背板。

如上所述的太阳能电池封装结构，在所述太阳能电池层和所述UV胶层之间还包括保护层，所述保护层和所述透光基底层将所述太阳能电池层密封，所述保护层是厚度在5nm-10um之间的氮化硅、二氧化硅或氧化铝。

如上所述的太阳能电池封装结构，所述背板采用紫外光可透射材料。

如上所述的太阳能电池封装结构，所述太阳能电池层为硅薄膜太阳能电池层、铜铟镓硒薄膜太阳能电池层或碲化镉薄膜太阳能电池层。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1.所选用的封装胶为UV胶，固化速度快，提高了组件生产的效率，增加产能并降低了组件生产成本；

2.所采用的封装设备简单且易操作，所需设备更少，减少了设备投入，并减小了占地面积；

3.所采用的UV胶黏度低，不需要加热加压，不易出现褶皱、侧移和气泡残余等不良现象。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的描述：

图1是现有技术的硅薄膜太阳能电池封装结构的横截面示意图；

图2是根据本发明实施例的硅薄膜太阳能电池封装结构横截面示意图；

图3a、3b、3c分别是采用人工刷胶、喷涂和幕涂方式涂覆UV固化胶的方法及设备示意图；

图4是用滚轮把UV胶抚平过程的示意图；

图5a-5b是在真空中将背板6和涂覆过UV胶层的太阳能电池组件粘结在一起的过程示意图；

图6是将用UV胶层粘结在一起的背板6和太阳能电池组件在装有紫外灯的固化设备中进行固化的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图2-6，来详细介绍本发明的具体实施例。

原理

在根据本发明的实施例中，采用固化的UV胶对硅薄膜太阳能电池进行封装。UV胶在紫外光的照射下，经过吸收高强度紫外光，产生化学反应，胶中的光引发剂被引发，从而产生自由基或离子，这些自由基或者离子会和预聚体或不饱和单位中的双键产生交联反应，形成单体基团，从而引发聚合，交联和接枝反应，使其在数秒内由液体转化为固体，此过程即为UV胶的固化。本实施例中所采用的UV固化胶主要包括光引发剂、预聚体和消泡剂等。

结构

图2是根据本发明实施例的硅薄膜太阳能电池封装结构横截面的示意图。如图2所示，该硅薄膜太阳能电池封装结构依次包括透光基底层1(这里为玻璃基底)、薄膜型太阳能电池层2(本例中其具体结构为TCO/p-Si/i-Si/n-Si/TCO/Al)、保护层4、固化的UV胶层5和背板6。薄膜型太阳能电池层2两端伸出两个电极引线3，保护层4可以是氮化硅(Si₃N₄)、二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)等，厚度在5nm-10um之间，其和透光基底层1组成密封壳体，密封封装薄膜型太阳能电池层2。透光基底层1、固化的UV胶层5和背板6进一步使太阳能电池层2免受外界空气和水的腐蚀。为了使UV胶有效固化，背板6通常选用紫外光可透射材料，如钢化玻璃。需要注意的是，其中保护层4并非必须的部分，根据太阳能电池封装结构使用的环境，可以省略。

方法

下面详细介绍根据本发明实施例的硅薄膜太阳能电池封装结构的制备方法。

一、通过磁控溅射和化学气相沉积在透光基底层1上制备薄膜型太阳能电池层2(形成太阳能电池组件)，背电极一面朝上。

二、将UV胶(黏度为50～1000cps)涂覆在太阳能电池层2的背电极一面上。通常采用的涂覆方式有三种(1)刷胶，(2)喷涂，(3)幕涂。图3(a)给出了用刷子8刷胶的示意图，使用刷子8人工(或利用机械)蘸取UV胶7然后刷到太阳能电池层2上；此方法涂胶存在随机性，涂覆得到的UV胶层均匀性较差。图3(b)是喷涂法涂胶示意图，适用于黏度比较低的UV固化胶，如图所示将UV胶7输运到太阳能电池层2上面的管道中，通过喷涂机9喷溅到太阳能电池层2上。图3(c)是用幕涂法涂胶的示意图，通过装满UV胶7的截面呈漏斗状的幕涂机10进行涂覆，其中，幕涂机10的下部开口的大小可以控制UV胶的流速；并且如果采用流水线式操作，可以根据相邻两个太阳能电池组件递送至幕涂机10下方的节奏来调节开口打开和闭合的频率。喷涂法和幕涂法涂胶效率高且易于流水线操作，与本发明的方法结合能够获得更高的效率。

三、需要对UV胶进行抚平处理，形成UV胶层。由于利用现有的涂覆方式在太阳能电池层2上涂覆的UV胶层，普遍存在着厚度不均匀的问题，如果不进行抚平，在随后将背板6粘结到透光基底层1上的太阳能电池层2上面并固化之后在UV胶层和背板6之间容易形成气泡，UV胶层固化后和背板6之间容易脱胶，使得UV胶层直接暴露在空气中，UV胶层会老化进而失去对电池背电极的保护作用，使太阳能电池封装结构寿命变短。如图4所示，通过滚轮11和太阳能电池层2之间的相对运动来抚平UV胶，抚平操作时，可以根据具体需要来调节滚轮11和太阳能电池层2之间的间距。该操作中，为了防止出现拉丝现象，UV胶的黏度不宜太高，优选为在50～1000cps之间，且所选择的滚轮11的材质和UV胶的粘结能力较差。使用黏度较低的UV胶的另外一个好处，就是可以尽量减少UV胶层中可能存在的气泡。经过这道工序，得到了厚度比较均匀的胶层，减少在背板6与UV胶层粘结过程中形成的气泡。

四、在真空中将背板6和涂覆有UV胶层的太阳能电池组件粘结在一起。为了尽量减少UV胶层和背板6之间的气泡，整个过程需要在真空腔室12中进行，具体过程如下：1)如图5(a)所示，首先将涂覆有UV胶层的太阳能电池组件和背板材料6分别放入真空腔室12中；2)关闭真空腔室并抽真空，待真空腔室中气压低于50Pa时，如图5(b)所示，将背板6轻轻放下并和下面的太阳能电池组件粘结在一起。由于所采用的UV胶黏度较低，粘结时基本不需要额外压力。相比于用EVA或PVB封装时为了增强粘结性能加压的过程，对设备的要求较低，且时间变短。粘结结束后，可以对腔体充气并用传送带等将粘结好背板的太阳能电池组件输运出来。另外，还可以采用多腔室体系，即存在与所述真空腔室相连的气压相对较高的缓冲室，打开真空腔室12的门将所得的粘结好背板的太阳能电池组件直接传送至缓冲室，进一步缩短所需时间，整个过程只需要几分钟。

五、将粘结好背板6的太阳能电池组件放到紫外固化设备中进行紫外固化。图6是将上述太阳能电池组件在装有紫外灯的固化设备中进行固化的过程及所用装置的示意图。紫外固化设备所采用的紫外线波长在200-450nm之间，根据波长长短分为长波UVA(波长在320-390mm)，中波UVB(波长280-320nm)和短波UVC(波长小于280nm)。其中UVA具有较强的穿透能力，能穿透玻璃，这一波段的紫外线能量与多数化学键能相当，容易引起光化学反应，这里我们采用的即是UVA。而玻璃对中波UVB和短波UVC具有强烈的吸收，穿透能力差，不适合用于光固化。

UV胶要实现固化，必须得到一定的紫外线能量(如果不考虑波长差异，大体上正比于紫外线照射量)，根据公式：单位面积紫外线照射量＝单位面积紫外线照度×时间。

紫外线照射量决定生产效率和固化温度。根据我们使用的UV胶的性质，固化时间在5-600s范围内调节。为了便于生产线操作，这里采用传送带式紫外固化设备，其利用由电机14带动的传送带15来输运粘结好背板6的太阳能电池组件，在腔室上方设置有数个紫外灯13，根据传送带15的速度和UV胶固化时间的要求，可以选择开启的紫外灯的个数。根据选用的UV胶类型不同可选择不同波长的紫外灯13。常用的是中压汞灯，因为它相对便宜、易于安装和维护，且在此340～380nm范围波长的强烈辐射峰，正好落在许多光引发剂的吸收谱上。传送带15的速度由电机14控制，根据固化时间的需要可以进行调节。

经过以上步骤就得到了如图2中所示的用固化的UV胶层封装的硅薄膜太阳能电池封装结构。

根据本发明的实施例中采用固化的UV胶层来对太阳能电池进行封装，其优点在于：由于UV胶的固化速度快，大大提高了太阳能电池封装结构的生产效率，有利于大大提高产能、降低成本，且涉及的设备简单，便于操作，且占地面积小，节省了工厂空间。

虽然，本实施例中太阳能电池层的结构为TCO/p-Si/i-Si/n-Si/TCO/Al，但是本发明的封装方法不限于此，还可以对其他薄膜太阳能电池层，如铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池层，碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池层等进行封装。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种制备薄膜太阳能电池封装结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤三、对所涂覆的UV胶进行抚平处理，形成UV胶层，其中通过滚轮和太阳能电池层之间的相对运动来抚平UV胶；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤二中，所述UV胶的黏度在50～1000cps之间。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二可以通过喷涂或幕涂的方式实现。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤四是在气压低于50Pa的真空环境下进行的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述紫外灯为波长在340-380nm的中压汞灯。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述太阳能电池层为硅薄膜太阳能电池层、铜铟镓硒薄膜太阳能电池层或碲化镉薄膜太阳能电池层。