CN102217087A - 用于背接触太阳能电池及模块的集成旁路二极管组件 - Google Patents

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Abstract

本发明包括制造太阳能电池模块的方法，响应于模块中一个或多个太阳能电池的不理想运行，该模块具有改善的故障容限且能够最大化模块功率输出。为了改善故障容限，单个太阳能电池的每一个都具有与其耦连的旁路二极管，从而当单个太阳能电池故障时，仅故障的太阳能电池受到影响。在一个实施例中，可使用晶体管改善太阳能电池模块的故障容限。

Description

用于背接触太阳能电池及模块的集成旁路二极管组件
技术领域
本发明包括制造太阳能电池模块的方法，响应于模块中一个或多个太阳能电池的不理想运行或者诸如遮挡等不理想运行条件，该模块具有改善的故障容限且能够最大化模块功率输出。
背景技术
光伏(PV)模块由太阳能电池构成，以各种串联和并联结构电连接太阳能电池并将其封装以便保护环境。通常，串联电连接太阳能电池。对于给定的模块功率，串联而非并联的电路产生较高的电压和较低的电流，这对于集成到太阳能系统中是有利的。
串联连接的电路中所有的太阳能电池都具有相同电流。这暗示串联的太阳能电池“串”的电流以及功率输出将受到具有最低电流的太阳能电池限制。制造商通常按照电流分类太阳能电池以最大化模块中的电性能。然而，多个因素会引起模块中太阳能电池的电流失配且由此降低系统中的模块性能。例如：
·电池可能由于组装处理或者在工地系统(fielded system)中破损；
·在工地系统中一些电池的电互连会随着时间劣化或者失效；
·模块可能以不均匀的方式光学劣化；和/或
·在工地系统中在一天中的不同时间部分模块可能被遮挡住。
由于具有最低电流的太阳能电池的过热，串联电路中具有高度失配电流的太阳能电池也能诱发另一个场劣化(field degradation)问题。这种情况公知为预热(hot spotting)。这种问题的发生是由于具有低电流的太阳能电池将被驱动为反向偏置且最终由电路中的其他电流源(即太阳能电池)击穿。如本领域公知的，可包括横跨太阳能电池“串”的旁路二极管以最小化横跨电池的反向偏压至太阳能电池串的最大电压。为使该旁路二极管能够提供保护，太阳能电池串产生的最大电压必须小于电路中任一太阳能电池的反向击穿电压。因此，必须按照最大反向击穿电压(Vbr)以及按照电流分类太阳能电池。对于使用较低品质—且因此通常较便宜—的半导体材料的太阳能电池，Vbr通常较低，由此这种太阳能电池需要每串具有较少电池和附加的旁路二极管的模块电路。
作为实例，使用结晶硅太阳能电池的典型PV模块可具有排列为每二十个电池一串的三串的六十个电池15，旁路二极管10跨过每一串(图1)。在二十个电池的旁路串中具有极限电流产生的单个太阳能电池的最大反向偏压大约为10V(即每个电池为约0.5V)。在最极端情况下，如果在该串中电互连完全失效或者单个太阳能电池被完全遮挡，则将失去整个串的输出。在图示的实例中，旁路二极管将环绕20个电池的串的电流分流，且模块电压降低三分之一，即20个电池的串的三分之一。由此，尽管具有横跨有限数量的太阳能电池串的旁路二极管的现有太阳能电池电路最小化了损坏PV模块的可能性，但是其仍允许PV模块较高的性能下降。在上述实例中，由于单个太阳能电池的故障，会导致损耗高达三分之一的模块输出。
对于在每个PV模块上集成功率转换电子器件也存在极大的关注。功率转换电子器件可对阵列电压执行dc-ac转换(微逆变，micro-inverter)或者dc-dc转换。在任一种情况下，功率电子器件尝试最大化自每个模块产生的功率并最小化阵列中其他模块上的模块性能影响。功率转换器通常需要用于操作的最小电压，且当输入电压低于该最小操作电压时具有零输出。在前述实例中，在单个电池被遮挡的6×10模块中PV模块电压降低三分之一至大约20V(两串每串10V)。如果PV模块电压低于转换器所需的最小输入电压，则具有模块集成功率转换器的模块输出降低至零。因此，集成有功率转换器的模块对于故障情况应具有提高的敏感度。由此希望增加集成有功率源的模块对故障情况的敏感度。
发明内容
将结合附图在以下的详细说明中部分地列出本发明的目的、优点和新颖特征以及进一步的应用范围，且通过查阅下文，其一部分对本领域技术人员是显而易见的或者可通过实践本发明获知。本发明的目的和优点将借助于所附权利要求中特别指出的手段和组合认识和获得。
在一个实施例中，公开了一种光伏模块。该光伏模块包括具有穿过其中形成的至少一个通孔的至少一个基板和耦连到该至少一个基板的一个或多个电路。该电路具有耦连到第一基板的正极部分和耦连到至少一个基板的负极部分。光伏模块还包括耦连在正极部分和负极部分之间的一个或多个旁路二极管。光伏模块还包括耦连到该一个或多个电路的一个或多个太阳能电池。
在另一实施例中，公开了一种光伏模块。该光伏模块包括具有穿过其中形成的至少一个通孔的至少一个基板和耦连到该至少一个基板的一个或多个电路。该电路具有耦连到该至少一个基板的正极部分和耦连到该至少一个基板的负极部分。该光伏模块包括耦连在正极部分和负极部分之间的一个或多个有源旁路元件和耦连到该一个或多个电路的一个或多个太阳能电池。
在另一实施例中，公开了一种动态太阳能电池网络。该网络包括开关面板(switchboard)和单独耦连到该开关面板的多个太阳能电池。该开关面板能够基于多个太阳能电池中每个太阳能电池的性能动态地优化动态网络的功率产生，从而优化多个太阳能电池的功率产生。
在另一实施例中，公开了一种光伏模块。该模块包括背接触太阳能电池、与太阳能电池耦连的第一正极接触和与太阳能电池耦连的第一负极接触。该模块还包括旁路二极管、与旁路二极管和第一负极接触耦连的第二正极接触和与旁路二极管和第一正极接触耦连的第二负极接触。
附图说明
附图结合到说明书中且形成说明书的一部分，附图示出了本发明的几个实施例，且与文字描述一起用于解释本发明的原理。附图仅用于示出本发明的一个或多个特定实施例的目的，并不构成对本发明的限制。图中：
图1是具有排列成三串，每串包括旁路二极管和二十个电池的六十个电池的光伏模块的等效电路的实例；
图2是示出包括横跨每个太阳能电池的旁路二极管的光伏模块的等效电路的本发明的实施例；
图3A示出了未被遮挡和一个电池被遮挡两种情况下常规模块(具有24个太阳能电池的三串，每串具有旁路二极管)的模块I-V性能曲线；
图3B示出了未被遮挡和一个电池被遮挡两种情况下根据本发明实施例的容错模块的模块I-V性能曲线，其中被遮挡的电池自身具有旁路二极管；
图4是示出具有有源旁路功能的光伏模块等效电路的本发明的实施例；和
图5是示出光伏模块等效电路的本发明实施例，其中每个太阳能电池的功率输出都被发送到包括智能控制器的中心开关面板。
图6A是示出设置在背接触硅太阳能电池上的旁路二极管的平面图；
图6B是沿着图6B的中心线A-A′截取的设置在背接触太阳能电池上的旁路二极管的截面图；
图7A是根据一个实施例的具有嵌入旁路电路的太阳能电池的示意性截面图；和
图7B是为清楚起见移除了太阳能电池的图7A的示意性顶视图。
具体实施方式
本发明使用通过模块集成的组装技术实现的新颖太阳能电池电路几何结构，最小化了不理想运行条件或者单个太阳能电池劣化对PV模块输出的影响，从而改善了模块性能。在共同拥有的名称为“Interconnect Technologies for Back Contact Solar Cells and Modules(背接触太阳能电池和模块的互连技术)”的美国专利申请11/963,841中描述了背接触电池和具有电路(“柔性电路”)的模块背板的使用，其中在单个步骤中执行模块电路化和模块层叠化。柔性电路可包括在各层之间具有导电路径的多层，其能实现复杂的电路几何结构。最简单的多级柔性电路在基板两个表面上具有电路。替换地，介电层可用于导电层之间的隔离。
大部分结晶硅太阳能电池都被组装到在太阳能电池之间具有平坦Cu带状导线的电路中。与用离散布线可以容易实现的几何结构相比，柔性电路允许实现复杂得多的几何结构。柔性电路不仅能够串联连接相邻的太阳能电池，还允许集成另外的电子部件，允许更任意的电路版图，和允许除了配电之外其它的控制和感应线。这些部件可包括附加的旁路二极管和/或动态开关，从而能在电池层级(cell level)中实现真正的模块性能最大化。本文描述了用于改善光伏模块性能的无源和动态两种方式，其利用了可通过柔性电路获得的较简易集成。
无源旁路
旁路二极管可与柔性电路集成。该柔性电路可使用穿过电路基板的导电通孔，以将旁路二极管安装到与太阳能电池相反的表面上。这种类型的集成防止模块中的面积损失，从而保持模块的能量转换效率(每单位面积的功率)。可使用具有扁形轮廓且容易集成到叠层中的扁平封装二极管。该二极管也可是与太阳能电池相似的裸半导体器件；即不包括用于二极管自身的封装。替换地，旁路二极管可使用直接沉积在用于柔性电路的基板上的薄膜半导体。而且，多个二极管可以设置成与每个电池平行，以在运行中最小化每个二极管的电流需求并分散旁路二极管的热负载。
由于柔性电路的更多数量或者更多可行的电路版图，比具有常规模块组装的电路相比，使用柔性电路时更容易降低每个旁路二极管对应的太阳能电池数目。由完全故障导致的最大损耗现在仅为该串中减少的电池数目，这降低了模块中的功率损耗。如图2的等效电路中所示，可跨过每个太阳能电池25集成旁路二极管20，从而将单个电池中的故障(诸如遮挡或破损)导致的功率损耗最小化至仅这个电池。这也将损坏的电池的最大反向偏压降低至仅为该旁路二极管的正向偏压(通常小于1V)，这明显降低了太阳能电池中的功率消耗以及减少了太阳能电池自身或者该太阳能电池附近的封装的任何劣化。
在图7A和7B中提供了集成有旁路二极管的柔性电路实例的平面图和截面图。形成电路702的电导体位于柔性基板704上。正电路714和负电路716于图7B中示出。电导体连接到背接触太阳能电池712的负极端子和正极端子。基板材料通常是聚酯(PET)或者聚酰亚胺一尽管可使用其他聚合物材料。基板具有开口706，其暴露出接触太阳能电池的负极和正极的电路元件。旁路二极管随后电贴附到通孔706中的电路元件。外保护层710通过连续辊处理粘附到背表面上方。用于光伏模块的典型外层材料是聚氟乙烯。柔性电路结构可包括位于外层和太阳能电池电路之间某处的湿气阻挡层。柔性电路结构中所包含的电学部件是在印刷电路板和柔性电路产业中常见的嵌入式无源部件的实例。
图3B中示出了这种结构的性能提高。用另外的导线构造光伏模块，以便可以增加或省略跨过单个太阳能电池的旁路二极管。模块包括72个125mm电池，具有三个旁路二极管跨过三串太阳能电池的一般结构。测量模块未被遮挡以及单个电池被遮挡的模块光-IV曲线(图3A)。如所期望的，损失了接近三分之一的模块输出。图3B示出了相同实验，但使用的是其中被遮挡电池自身具有旁路二极管的模块。这种情况下，输出仅降低了大约一个太阳能电池的输出。
有源旁路
可用有源器件而非无源旁路二极管实现旁路功能。有源器件的一个实例是半导体开关(即晶体管)，其能够切换为ON以分流故障电池。有源旁路柔性电路优选包括用于感应电压、用于启动附加电子器件和用于晶体管安装的附加迹线(trace)；在图4的等效电路中示出了一个实施例。感应线45的电压优选通过智能控制器50监控，该智能控制器50解译信息且之后根据需要经由控制线40启动旁路晶体管30。这些附加电路线可位于与太阳能电池35电路相同的层级上或者位于单独的层级上。旁路晶体管30优选具有较低外形(profile)使其可被安装在柔性电路的相反表面上。替换地，可使用沉积在柔性电路上的半导体层薄膜制造晶体管。智能控制器50可使用各种软件算法确定何时打开和关闭多个旁路晶体管或开关。控制器可任选地自中心系统控制器接收指令或者向中心系统控制器提供信息。
动态网络
在本发明的另一实施例中，如图5所示，可单独将每个太阳能电池60的输出发送(address)到智能控制器和开关网络或者开关面板70。开关网络与多路复用器电性等效。其任选地可以与本文中描述的任一实施例或者目前已有的模块电路一起使用。在该实施例中，可基于单个太阳能电池的性能动态地改变电路，以优化太阳能电池的功率产生。动态电路可结合到dc-ac转换过程中。这种电路的优势在于，当在模块中存在多处故障时其能最小化功率损耗。例如，在上述实施例中，如果两个电池被遮挡，使得每个电池产生模块中的其余太阳能电池电流的一半，则每个被遮挡太阳能电池的全部输出可通过旁路二极管或者晶体管分流，最终的功率损耗与两个太阳能电池相同。但是，通过动态网络，两个被遮挡电池的输出优选地并行相加，以实现单个未被遮挡电池的等效功率。由此最终的功率减少仅与一个太阳能电池相等；因而功率减少降低了50％。如前所述，智能控制器可使用用于最大化性能的各种算法，且能够与用于其他功能的中心系统控制器通信。
包括集成旁路二极管的背接触太阳能电池
常规的结晶硅太阳能电池具有在相反表面上的正极接触和负极接触。由于必须在与常规电池的相反表面上制造电接触，因此难以集成旁路二极管与常规电池。相反，背接触太阳能电池在背表面上具有正极接触和负极接触。背接触太阳能电池的优势包括：降低或消除了由于前表面上的集电栅格引起的光损耗，因而效率较高；由于共平面接触而使模块组装方法更简单；由于更平的几何结构，降低了模块封装中的应力；以及由于更均匀的外形而更加美观。已描述了用于背接触电池结构的多种不同方法(例如，发射极环绕(emitter wrap-through)、金属化环绕或背面接合(back junction))。
由于负极接触和正极接触两者都位于背接触太阳能电池的相同表面上，因此旁路二极管可直接组装在电池上。太阳能电池和二极管优选单独地制造和测试。之后，二极管优选直接组装在太阳能电池上，如图6A和6B中所示。背接触太阳能电池100优选包括用于集成旁路二极管的接触点，诸如正极接触125和负极接触130。尽管可使用任意二极管，但是用于集成的最简单的二极管是裸半导体芯片，其中二极管在相同表面上具有两个极性的接触。与表面安装技术相似，这些接触可设计成与太阳能电池上的接触对准。在图6A和6B中，旁路二极管110在相同表面上包括用于贴附到电池的负极接触130的正极接触120和用于贴附到电池的正极接触125的负极接触115。可替换使用常规的封装二极管(扁平封装型)。组装操作包括：优选通过焊接或导电粘合剂电贴附二极管至太阳能电池，和任选地，例如与芯片贴附底胶(underfill)工艺相似地，将封装或底胶135设置在太阳能电池和二极管之间。之后，将集成有旁路二极管的太阳能电池的已完成组件装配到光伏模块中。
尽管通过特别参考这些优选实施例详细描述了本发明，但是其他实施例可实现相同结果。本发明的变化和修改对于本领域技术人员是很明显的，且意图覆盖所有这种修改以及等价物。将上文列举的所有专利、参考文献和公开文献整体并入本文以供参考。

Claims (15)

1.一种光伏模块，包括：
至少一个基板，具有穿过其中形成的至少一个通孔；
一个或多个电路，耦连到所述至少一个基板，所述电路具有耦连到所述至少一个基板的正极部分和耦连到所述至少一个基板的负极部分；
一个或多个旁路二极管，耦连在所述正极部分和所述负极部分之间；和
一个或多个太阳能电池，耦连到所述一个或多个电路。
2.如权利要求1所述的光伏模块，其中所述一个或多个旁路二极管包括耦连到所述一个或多个太阳能电池中的每一个的多个旁路二极管，其中所述一个或多个太阳能电池包括串联连接的多个太阳能电池。
3.如权利要求1所述的光伏模块，其中所述一个或多个太阳能电池包括多个太阳能电池，且所述一个或多个太阳能电池中的每一个具有相应的旁路二极管或多个旁路二极管。
4.如权利要求1所述的光伏模块，
其中所述一个或多个旁路二极管嵌入到所述至少一个通孔中，或者
其中所述至少一个通孔包括多个通孔，其中至少一个第一通孔对应于负极和至少一个第二通孔对应于正极，其中所述一个或多个旁路二极管设置在所述至少一个第一通孔和所述至少一个第二通孔上方。
5.一种光伏模块，包括：
至少一个基板，具有穿过其中形成的至少一个通孔；
一个或多个电路，耦连到所述至少一个基板，所述电路具有耦连到所述至少一个基板的正极部分和耦连到所述至少一个基板的负极部分；
一个或多个有源旁路元件，耦连在所述正极部分和所述负极部分之间；和
一个或多个太阳能电池，耦连到所述一个或多个电路。
6.如权利要求5所述的光伏模块，其中所述一个或多个有源旁路元件包括晶体管。
7.如权利要求6所述的光伏模块，其中所述至少一个通孔包括多个通孔，其中至少一个第一通孔对应于负极和至少一个第二通孔对应于正极，其中所述一个或多个有源旁路元件设置在所述至少一个第一通孔和所述至少一个第二通孔上方。
8.如权利要求6所述的光伏模块，其中所述一个或多个有源旁路元件嵌入到所述至少一个通孔中。
9.如权利要求6所述的光伏模块，还包括：
微控制器；
一条或多条感应线，耦连到所述微控制器和相邻太阳能电池之间的位置；和
一条或多条控制线，耦连到所述微控制器和所述晶体管的栅极。
10.如权利要求5所述的光伏模块，其中所述一个或多个有源旁路元件包括耦连到所述一个或多个太阳能电池中的每一个的多个有源旁路元件。
11.如权利要求5所述的光伏模块，其中所述一个或多个太阳能电池包括多个太阳能电池，且所述一个或多个太阳能电池中的每一个都具有相应的有源旁路元件或者多个有源旁路元件。
12.一种动态太阳能电池网络，包括：
开关面板；
单独耦连到所述开关面板的多个太阳能电池，其中所述开关面板能够基于所述多个太阳能电池中每个太阳能电池的性能动态地优化动态网络的功率产生，从而优化所述多个太阳能电池的功率产生。
13.如权利要求12所述的动态太阳能电池网络，还包括耦连到所述多个太阳能电池中的每一个的至少一个旁路二极管或至少一个晶体管。
14.一种光伏模块，包括：
背接触太阳能电池；
耦连到所述太阳能电池的第一正极接触；
耦连到所述太阳能电池的第一负极接触；
旁路二极管；
耦连到所述旁路二极管和所述第一负极接触的第二正极接触；和
耦连到所述旁路二极管和所述第一正极接触的第二负极接触。
15.如权利要求14所述的光伏模块，还包括设置在所述旁路二极管和所述太阳能电池之间的封装材料或绝缘层。
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