CN102222712A

CN102222712A - 一种高效薄膜太阳能组件电池结构及其实现方法

Info

Publication number: CN102222712A
Application number: CN2011101744852A
Authority: CN
Inventors: 贾海军
Original assignee: BAODING TIANWEI SOLARFILMS CO LTD; Baoding Tianwei Group Co Ltd
Current assignee: BAODING TIANWEI SOLARFILMS CO LTD; Baoding Tianwei Group Co Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明涉及一种高效薄膜太阳能组件电池结构及其实现方法，属于太阳能电池应用技术领域。技术方案是包含衬底玻璃、前电极膜层、光电吸收层、背电极膜层、封装膜和背板，通过调整激光隔离沟道的划刻次数及划刻位置，各个光电单元串联构成两组或多组光电池部分，各个光电池部分再并联形成整体的薄膜组件结构，即各个光电单元先串联后并联形成整体的组件电池结构。本发明通过调整薄膜太阳能电池组件内部各个光电单元之间的串、并联结构，可以在功率基本不衰减的前提下，实现组件输出电压的有效降低，增强了薄膜电池组件与逆变器、控制器、蓄电池等光伏发电系统配件的匹配灵活性；降低了系统的BOS成本，同时组件的耐遮挡性能得到有效改善。

Description

一种高效薄膜太阳能组件电池结构及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种高效薄膜太阳能组件电池结构及其实现方法，特别是可实现组件输出电压有效降低的高效薄膜太阳能组件电池结构及其实现方法，属于太阳能电池应用技术领域。

背景技术

目前，晶体硅太阳能电池具有较为成熟的技术，组件发电效率可达14%-16%，因而占有较大的市场份额，其开路电压往往低于50V。为了满足晶体硅太阳能电池组件在系统集成方面的市场需求，多数逆变器厂商设计开发出的逆变器为低电压低功率逆变器（50V，200W）和高电压高功率逆变器（1000V，10kW）。薄膜太阳能电池组件，尤其是非晶硅薄膜太阳能电池组件，由于其电池层厚度仅为0.3μm左右，相对于晶体硅200μm左右的电池层厚度，具有原材料硅料用量少的优点；其发电功率随温度升高而增大，耐高温效应强，克服了晶体硅太阳能电池随温度升高功率下降的缺点；同时非晶硅薄膜太阳能电池组件在弱光条件下的光电转换性能比晶体硅太阳能电池组件好。但是，非晶硅薄膜太阳能电池组件的输出电压较高（超过100V），应用于光伏系统集成设计时存在着如下问题：对于面积较小的光伏电站项目（如屋顶电站），由于功率较低，电压较高，可选择的逆变器类型非常有限，不利于系统集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效薄膜太阳能组件电池结构及其实现方法，能将薄膜电池组件的输出电压降低至50V以下，从而有效增强光伏系统集成过程中对逆变器选型的灵活性，解决背景技术存在的上述问题。

本发明的技术方案为：

一种高效薄膜太阳能组件电池结构，包含衬底玻璃、前电极膜层、光电吸收层、背电极膜层、封装膜和背板，通过调整激光隔离沟道的划刻次数及划刻位置，各个光电单元串联构成两组或多组光电池部分，各个光电池部分再并联形成整体的薄膜组件结构，即各个光电单元先串联后并联形成整体的组件电池结构。

以非晶硅单结薄膜太阳能组件为例，组件电池结构包括衬底玻璃、前电极膜层、光电吸收层、背电极膜层、封装膜和背板，各个光电单元之间通过激光隔离沟道的顺序划刻，串联形成一个整体的薄膜组件结构，是公知的、常用的结构。本发明组件电池结构的特别之处是：通过调整激光隔离沟道的划刻次数及划刻位置，各个光电单元串联构成两组或多组光电池部分，各个光电池部分再并联形成整体的薄膜组件结构，即各个光电单元先串联后并联形成整体的组件电池结构。

前电极膜层、背电极膜层，可采用掺铝氧化锌、掺铟氧化锡、掺氟氧化锡等材料制备；光电吸收层，可采用硅基系列薄膜层、碲化镉系列薄膜层、铜铟镓锡系列薄膜层等单结或叠层电池结构；封装膜可采用PVB或EVA封装膜，背板可采用玻璃或各类聚合物背板。

一种高效薄膜太阳能组件电池结构的实现方法，采用集成方法串联若干个光电单元，形成多组可以独立工作的光电池部分，各组光电池部分之间通过调整激光隔离沟道的划刻次数及划刻位置获得公共正极和公共负极，实现各组光电池部分之间并联，构成太阳能组件电池结构。

以各个光电单元串联构成三组光电池部分的非晶硅单结薄膜太阳能组件为例，本发明包含如下工艺步骤：①在衬底上沉积导电的前电极膜层；②第一次激光划刻：激光自下而上透过衬底玻璃刻除部分前电极膜层；③在前电极膜层上依次沉积P型非晶硅掺杂层、I本征非晶硅层和N型非晶硅掺杂层；④第二次激光划刻：激光自下而上透过衬底玻璃和前电极膜层刻除部分光电吸收膜层；⑤在光电吸收膜层表面沉积透明导电的背电极膜层；⑥第三次激光划刻：激光自下而上透过衬底玻璃和前电极膜层，穿透刻除单个光电单元的部分光电吸收膜层和背电极膜层；⑦铺设封装膜；⑧覆盖背板；⑨用封装膜将电极层、光电吸收层封装在衬底玻璃和背板之间。

本发明通过调整太阳能组件内部的电池结构，由多个光电单元串联构成一组光电池部分的电池结构调整为多个光电单元串联形成若干组光电池部分，各组光电池部分之间并联工作的电池结构，可以实现薄膜太阳能组件开路电压的有效降低，从而增强光伏系统集成过程中对逆变器选型的灵活性。

本发明的积极效果是：通过调整薄膜太阳能电池组件内部各个光电单元之间的串、并联结构，可以在功率基本不衰减的前提下，实现组件输出电压的有效降低，增强了逆变器、控制器、蓄电池等光伏发电系统配件的匹配灵活性；在光伏系统应用中节约了线缆和连接器材料用量，节省了安装时间，从而降低了系统的BOS成本（系统集成中除太阳能电池组件的其它一切费用）；同时改善后的电池结构能够有效降低太阳能电池组件表面发生小面积遮挡情况对组件发电效率的影响，提高组件的耐遮挡性能。

附图说明

图1是常规太阳能组件的电池结构示意图；

图2是常规太阳能组件的平面结构图；

图3是本发明中薄膜太阳能组件的电池结构示意图（以三组光电池并联结构为例）；

图4是本发明中薄膜太阳能组件的平面结构图（以三组光电池并联结构为例）；

图5是图3中M部分的局部放大图；

图6是图3中N部分的局部放大图。

图中：衬底玻璃1；前电极膜层2；光电吸收层3；背电极膜层4；前电极膜层隔离沟道5、11；光电吸收层隔离沟道和电流引出通道6、12；背电极膜层隔离沟道7、13；隔离沟道8；正极汇流条14；负极端汇流条9、16；光电单元10；电流引出通道15；公共正极处和公共负极出电流的流向17、18；公共正极M；公共负极N。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

本实施例为各个光电单元串联构成三组光电池部分的非晶硅单结薄膜太阳能组件，参照附图3、4、5、6。

一种高效薄膜太阳能组件电池结构，（图3）包括衬底玻璃1、前电极膜层2、光电吸收层3、背电极膜层4、封装膜和背板，通过调整激光划刻的前电极膜层隔离沟道5、光电吸收层隔离沟道和电流引出通道6、背电极膜层隔离沟道7的划刻次数及划刻位置，实现薄膜组件的电池结构由各个光电单元之间的串联结构调整为各个光电单元串联构成两组或多组光电池部分，各组光电池部分之间通过激光划刻获得的公共正极（图5）和公共负极（图6）并联形成整体的薄膜组件结构（图4）。

参照附图5、6，用激光划刻每个光电单元形成隔离沟道过程中，通过调整三次激光划刻隔离沟道的位置至前电极膜层隔离沟道11、光电吸收层隔离沟道和电流引出通道12、背电极膜层隔离沟道13，得到电池结构的公共正极M，实现公共正极处正极汇流条14的引出，与电池结构左侧的负极端汇流条9之间形成第一组光电池部分；通过增加两条第二次激光划刻的隔离沟道至电流引出通道15，得到电池结构的公共负极N，实现公共负极处负极汇流条16的引出，与其左侧的公共正极处汇流条14之间形成第二组光电池部分；公共负极处负极汇流条16与电池结构右侧的正极端汇流条之间形成第三组光电池部分，依此类推，17和18表示公共正极处和公共负极出电流的流向。从而实现电池内部的串、并联结构，将原来的各个光电单元串联形成一块光电池部分的组件电池结构调整为多个光电单元串联形成若干个可以独立工作的光电池部分，各个光电池部分再并联形成整体的组件电池结构。通过设计光电单元的个数、单个光电单元的宽度以及各个光电单元之间的串、并联结构，可以实现太阳能电池组件输出功率基本不变、输出电压显著降低的实用效果。

一种高效薄膜太阳能组件电池结构的实现方法，采用集成方法串联若干个光电单元10，形成多组可以独立工作的光电池部分，通过引入公共正极和公共负极，实现各组光电池部分之间并联的太阳能组件电池结构。

本发明包含如下工艺步骤：

①在衬底玻璃1表面沉积透明导电的前电极膜层2；

②第一次激光划刻：利用激光划刻技术，自下而上透过衬底玻璃刻除透明导电的前电极膜层，得到大规模的前电极分割块，各分割块之间形成相互绝缘的前电极膜层隔离沟道5；

③在制备了前电极的玻璃衬底上依次沉积薄膜光电转换层，包括硅基系列薄膜层、碲化镉系列薄膜层、铜铟镓锡系列薄膜层，构成薄膜电池的光电吸收层3，以上光电吸收层同时沉积在前电极分割块之间的前电极膜层隔离沟道5内；

④第二次激光划刻：利用激光划刻技术，自下而上透过衬底玻璃1和前电极膜层2刻除穿透光电吸收膜层3，得到大量的光电单元分割块，各个光电单元分割块之间形成相互绝缘的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道6；

⑤在光电吸收膜层3表面沉积制备导电的背电极膜层4，背电极膜层同时沉积在光电单元分割块之间的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道6内；

⑥第三次激光划刻：利用激光划刻技术，自下而上透过衬底玻璃1和前电极膜层2刻除穿透光电吸收膜层3和背电极膜层4，形成背电极膜层隔离沟道7，将各个光电单元10之间联系起来，电流从前电极膜层的正极端流至背电极膜层的负极端，形成串、并联的电池结构；激光透过衬底玻璃1穿透刻除前电极膜层2、光电吸收膜层3和背电极膜层4形成隔离沟道8，该隔离沟道由第一次激光划刻和第三次激光划刻共同作用得到，起绝缘作用，只有隔离沟道8内侧的电池单元能够正常工作；

⑦铺设封装膜；

⑧覆盖背板；

⑨层压：依赖封装膜将电极层、光电吸收层封装在衬底玻璃和背板之间。

更具体的工艺步骤如下：①在衬底玻璃1表面沉积透明导电的前电极膜层2；②第一次激光划刻：利用波长355nm的紫外-可见Nd: YAG激光，自下而上透过衬底玻璃刻除透明导电的前电极膜层，得到大规模的前电极分割块，各分割块之间形成相互绝缘的前电极膜层隔离沟道5，被划刻的透明导电膜的膜面向上放置，玻璃衬底在下放置；③在制备了前电极的玻璃衬底上依次沉积P型非晶硅掺杂层、I本征非晶硅层和N型非晶硅掺杂层，构成薄膜电池的光电吸收层3，以上光电吸收层同时沉积在前电极分割块之间的前电极膜层隔离沟道5内；④第二次激光划刻：利用532nm的绿色Nd: YAG激光，自下而上透过衬底玻璃1和前电极膜层2刻除穿透光电吸收膜层3，得到大量的光电单元分割块，各个光电单元分割块之间形成相互绝缘的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道6；⑤在光电吸收膜层3表面沉积制备透明导电的背电极膜层4，背电极膜层同时沉积在光电单元分割块之间的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道6内；⑥第三次激光划刻：利用532nm的绿色Nd: YAG激光，自下而上透过衬底玻璃1和前电极膜层2刻除穿透光电吸收膜层3和背电极膜层4，形成与穿透深度相同的背电极膜层隔离沟道7，将各个光电单元10之间联系起来，电流从前电极膜层的正极端流至背电极膜层的负极端，使多个光电单元10串联构成几组可独立工作的光电池部分，各组光电池部分之间再并联得到太阳能组件的电池结构；激光透过衬底玻璃1穿透刻除前电极膜层2、光电吸收膜层3和背电极膜层4形成隔离沟道8，该隔离沟道由第一次激光划刻和第三次激光划刻共同作用得到，起绝缘作用，只有隔离沟道8内侧的电池单元能够正常工作；⑦铺设封装膜；⑧覆盖背板；⑨层压：依赖封装膜将电极层、光电吸收层封装在衬底玻璃和背板之间。

Claims

1.一种高效薄膜太阳能组件电池结构，其特征在于包含衬底玻璃、前电极膜层、光电吸收层、背电极膜层、封装膜和背板，通过调整激光隔离沟道的划刻次数及划刻位置，各个光电单元串联构成两组或多组光电池部分，各个光电池部分再并联形成整体的薄膜组件结构，即各个光电单元先串联后并联形成整体的组件电池结构。

2.根据权利要求1所述之高效薄膜太阳能组件电池结构，其特征在于通过调整激光划刻的前电极膜层隔离沟道（5）、光电吸收层隔离沟道和电流引出通道（6）、背电极膜层隔离沟道（7）的划刻次数及划刻位置，实现薄膜组件的电池结构由各个光电单元之间的串联结构调整为各个光电单元串联构成两组或多组光电池部分，各组光电池部分之间通过激光划刻获得的公共正极和公共负极并联形成整体的薄膜组件结构。

3.根据权利要求1或2所述之高效薄膜太阳能组件电池结构，其特征在于用激光划刻每个光电单元形成隔离沟道过程中，通过调整三次激光划刻隔离沟道的位置至前电极膜层隔离沟道（11）、光电吸收层隔离沟道和电流引出通道（12）、背电极膜层隔离沟道（13），得到电池结构的公共正极，实现公共正极处正极汇流条（14）的引出，与电池结构左侧的负极端汇流条（9）之间形成第一组光电池部分；通过增加两条第二次激光划刻的隔离沟道至电流引出通道（15），得到电池结构的公共负极，实现公共负极处负极汇流条（16）的引出，与其左侧的公共正极处汇流条（14）之间形成第二组光电池部分；公共负极处负极汇流条（16）与电池结构右侧的正极端汇流条之间形成第三组光电池部分。

4.一种高效薄膜太阳能组件电池结构的实现方法，其特征在于采用集成方法串联若干个光电单元（10），形成多组可以独立工作的光电池部分，各组光电池部分之间通过调整激光隔离沟道的划刻次数及划刻位置获得公共正极和公共负极，实现各组光电池部分之间并联，构成太阳能组件电池结构。

5.根据权利要求4所述之高效薄膜太阳能组件电池结构的实现方法，其特征在于包含如下工艺步骤：①在衬底上沉积导电的前电极膜层；②第一次激光划刻：激光自下而上透过衬底玻璃刻除部分前电极膜层；③在前电极膜层上依次沉积P型非晶硅掺杂层、I本征非晶硅层和N型非晶硅掺杂层；④第二次激光划刻：激光自下而上透过衬底玻璃和前电极膜层刻除部分光电吸收膜层；⑤在光电吸收膜层表面沉积透明导电的背电极膜层；⑥第三次激光划刻：激光自下而上透过衬底玻璃和前电极膜层，穿透刻除单个光电单元的部分光电吸收膜层和背电极膜层；⑦铺设封装膜；⑧覆盖背板；⑨用封装膜将电极层、光电吸收层封装在衬底玻璃和背板之间。

6.根据权利要求5所述之高效薄膜太阳能组件电池结构的实现方法，其特征在于具体工艺步骤如下：

①在衬底玻璃（1）表面沉积透明导电的前电极膜层（2）；

②第一次激光划刻：利用激光划刻技术，自下而上透过衬底玻璃刻除透明导电的前电极膜层，得前电极分割块，各分割块之间形成相互绝缘的前电极膜层隔离沟道（5）；

③在制备了前电极的玻璃衬底上依次沉积薄膜光电转换层，包括硅基系列薄膜层、碲化镉系列薄膜层、铜铟镓锡系列薄膜层，构成薄膜电池的光电吸收层（3），以上光电吸收层同时沉积在前电极分割块之间的前电极膜层隔离沟道（5）内；

④第二次激光划刻：利用激光划刻技术，自下而上透过衬底玻璃（1）和前电极膜层（2）刻除穿透光电吸收膜层（3），得到光电单元分割块，各个光电单元分割块之间形成相互绝缘的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道（6）；

⑤在光电吸收膜层（3）表面沉积制备导电的背电极膜层（4），背电极膜层同时沉积在光电单元分割块之间的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道（6）内；

⑥第三次激光划刻：利用激光划刻技术，自下而上透过衬底玻璃（1）和前电极膜层（2）刻除穿透光电吸收膜层（3）和背电极膜层（4），形成背电极膜层隔离沟道（7），将各个光电单元（10）之间联系起来，电流从前电极膜层的正极端流至背电极膜层的负极端，形成串、并联的电池结构；激光透过衬底玻璃（1）穿透刻除前电极膜层（2）、光电吸收膜层（3）和背电极膜层（4）形成隔离沟道（8），该隔离沟道由第一次激光划刻和第三次激光划刻共同作用得到，起绝缘作用，只有隔离沟道（8）内侧的电池单元能够正常工作；

⑦铺设封装膜；

⑧覆盖背板；

7.根据权利要求6所述之高效薄膜太阳能组件电池结构的实现方法，其特征在于更具体工艺步骤如下：①在衬底玻璃（1）表面沉积透明导电的前电极膜层（2）；②第一次激光划刻：利用波长355nm的紫外-可见Nd: YAG激光，自下而上透过衬底玻璃刻除透明导电的前电极膜层，得到前电极分割块，各分割块之间形成相互绝缘的前电极膜层隔离沟道（5），被划刻的透明导电膜的膜面向上放置，玻璃衬底在下放置；③在制备了前电极的玻璃衬底上依次沉积P型非晶硅掺杂层、I本征非晶硅层和N型非晶硅掺杂层，构成薄膜电池的光电吸收层（3），以上光电吸收层同时沉积在前电极分割块之间的前电极膜层隔离沟道（5）内；④第二次激光划刻：利用532nm的绿色Nd: YAG激光，自下而上透过衬底玻璃（1）和前电极膜层（2）刻除穿透光电吸收膜层（3），得到光电单元分割块，各个光电单元分割块之间形成相互绝缘的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道（6）；⑤在光电吸收膜层（3）表面沉积制备透明导电的背电极膜层（4），背电极膜层同时沉积在光电单元分割块之间的光电吸收层隔离沟道和电流引出通道（6）内；⑥第三次激光划刻：利用532nm的绿色Nd: YAG激光，自下而上透过衬底玻璃（1）和前电极膜层（2）刻除穿透光电吸收膜层（3）和背电极膜层（4），形成与穿透深度相同的背电极膜层隔离沟道（7），将各个光电单元（10）之间联系起来，电流从前电极膜层的正极端流至背电极膜层的负极端，使多个光电单元（10）串联构成多组可独立工作的光电池部分，各组光电池部分之间再并联得到太阳能组件的电池结构；激光透过衬底玻璃（1）穿透刻除前电极膜层（2）、光电吸收膜层（3）和背电极膜层（4）形成隔离沟道（8），该隔离沟道由第一次激光划刻和第三次激光划刻共同作用得到，起绝缘作用，只有隔离沟道（8）内侧的电池单元能够正常工作；⑦铺设封装膜；⑧覆盖背板；⑨层压：依赖封装膜将电极层、光电吸收层封装在衬底玻璃和背板之间。