CN102646727B - 场效应薄膜光伏电池板组件与集热器组合的热电联供装置 - Google Patents
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Abstract
场效应薄膜光伏电池板组件与集热器组合的热电联供装置：将薄膜层依次沉积在该大面积载体上，刻蚀实现多个条状的单段电池单元，相邻单段电池单元正负极之间内部串联形成n个单段电池串联为主体的场效应薄膜光伏电池与2n个微单段电池为副体串联的场效应微电源，形成场效应薄膜光伏电池板组件，其中背面电极采用背栅形电极层替代，并在背栅形电极层的外面增加有绝缘栅极层；及场效应正电极层或场效应负电极层，特征是所有单段电池单元设置有共同的场效应正电极层或场效应负电极层，场效应正电极层或场效应负电极层是一个完整的电极层；场效应薄膜光伏电池板组件与平板集热器进行组合，形成一种太阳能热电联供的装置。本发明工艺简单；成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜光伏电池，具体涉及一种场效应薄膜光伏电池板组件与集热器组合的热电联供装置，是一种场效应薄膜光伏电池板与场效应薄膜微光伏电池进行一体化集成，形成场效应薄膜光伏电池板组件，并且通过该场效应薄膜光伏电池板组件与翼管式平板式集热器组合，形成一种太阳能热电联供的装置。
背景技术
当前已公知的太阳能热水器共有两大系列，一种是真空管式热水器与平板翼管式热水器，还没有一种热电联供的光伏发电与太阳能热水器一体化联供的装置。而已公知的非晶 叠层特怔的薄膜光伏电池板结构是采用等离子增强化学气相沉积（PECVD），将薄膜层依次沉积在大面积衬底玻璃上，并用激光刻蚀实现多个条状的单段电池单元，而且每个单段电池单元正负极之间相互在内部串联，所形成的薄膜光伏电池板组件；目前采用的非晶叠层单结特怔的薄膜光伏电池板的光电转换效率一般都小于8%；参看附图1中，是公知的薄膜光伏电池板组件中单段电池单元的具体结构，1.0是非晶硅叠层结、1.1是透明导电膜TCO层、1.2是背面电极层，三部分组成。
参看附图2是非晶硅薄膜光伏电池板结构的三视图；非晶硅薄膜光伏电池板结构是由n个A1非晶硅薄膜光伏单段电池1…单段电池n-2、单段电池n-1、单段电池n，在内部电气串联；电池集流母线（串联电池正极）A3、电池集流母线（串联电池负极）A4、载体玻璃A2所组成。
参看附图3，是附图2非晶硅薄膜光伏电池板结构的B-B剖面图,对应电池段串联电路图；单段电池单元结构长为L、宽为 a，相邻的单段电池之间有激光刻蚀的间隙；每个单段电池是由透明导电膜（TCO）1.1，单段电池的输出正极；单结（a-Si:H）1.0；背面电极层1.2，单段电池的输出负极所组成；A5是每个单段电池相互正负极串联接触面；所以当今国内外非晶硅薄膜光伏电池板结构是由n个非晶硅薄膜光伏电池段，在光伏电池板内部电气串联而构建的组件；由于非晶硅薄膜光伏电池板的光电转换效率在8%一下，所以采用非晶硅薄膜光伏电池板与翼管式平板式集热器组合，形成的太阳能热电联供装置发电量较低。
本发明是在专利申请文件（CN102064213A）公开了“一种外加电场效应薄膜光伏电池及与电场源集成的光伏电池板”结构，是经n次激光刻蚀工艺，刻出n个场效应单段电池，在进行每个场效应单段电池进行6次激光刻蚀工艺制作6个微电池电场源，使得激光刻蚀工艺中刻蚀次数为n×6次，激光刻蚀工艺生产成本大大提高了6倍。注：一般场效应薄膜光伏电池板经n次激光刻蚀工艺，刻出n个场效应单段电池，激光刻蚀工艺生产成本占整个场效应光伏电池板生产成本的1/3。
专利申请文件（CN102064213A）公开了“一种外加电场效应薄膜光伏电池及与电场源集成的光伏电池板”只能应用在高端光伏发电的场合，不利于应用在太阳能热电联供的装置，该“一种外加电场效应薄膜光伏电池及与电场源集成的光伏电池板”结构图，参看附图4-1、图4-2、图5-1、图5-2、图5-3、图6-1、图6-2所示。
图4-1是场效应单结薄膜光伏电池结构、图4-2是场效应双本怔单结薄膜光伏电池结构，其中10-1与20-1是TCO透明导电层、10-2与20-2是单结层、10-3与20-3是背面电极层、10-4与20-4是绝缘层、10-5与20-5是电场层，以及单段电池电路符号，G为电场层连接点。
图5-1、图5-2、图5-3是场效应光伏电池板结构的三视图，其主要特征是：由n个场效应非晶硅薄膜光伏单段电池C1.1、载体C1.2、串联电池输出正极C1.3、串联电池输出负极C1.4、内部相邻电池正负极连接面C1.5、电场层C1.6组成，并且每个单段电池段（长为L、宽为a）的两端都集成有3个（宽为b、长为a）串联同结构的微电池C1.7与C1.8，C1.9为微电池之间电场层连接。
图6-1 是场效应光伏电池板结构A-A剖面图，对应单段电池与微电池连接电路图；每个场效应非晶硅薄膜光伏电池段的两端，都集成有3个串联同结构的微电池组电场电源，左右两端3个串联微电池组，分别为Vb1+Vb2+Vb3=3Vb、Vb4+Vb5+Vb6=3Vb，而且左右两端串联微电池组的正极与负极，都是通过电场层C1.6与TCO层并联在该场效应非晶硅薄膜光伏电池段VLn（n=1、2、3…n），形成每个场效应非晶硅薄膜光伏电池段VLn都有自身集成的串联微电池组，构成该单段电池的电场电源。
图6-2 是B-B剖面图对应每个单段电池串联连接电路图；每个带电场电源微电池组的场效应非晶硅薄膜光伏单段电池VLn，对应串联连接组成场效应光伏电池板组件。
本发明内容一，为了提高非晶硅薄膜光伏电池板的发电效率，降低生产成本，提出一种场效应薄膜光伏电池板与场效应薄膜微光伏电池进行一体化集成，形成场效应薄膜光伏电池板组件。
本发明内容二，采用场效应薄膜光伏电池板组件与翼管式平板式集热器组合，形成一种高效的太阳能热电联供装置。
发明内容
为了提高薄膜光伏电池转换效率与稳定性，简化工艺，提高成品率并降低成本，本发明提供一种场效应型薄膜电池与场效应微电源一体化集成的光伏电池板组件。
本发明是在专利申请文件（CN102064213A）公开了“一种外加电场效应薄膜光伏电池及与电场源集成的光伏电池板”的基础上，采用与专利申请文件（CN102064213A）不同的结构方式，实现场效应薄膜光伏电池与场效应微电源电池一体化集成的光伏电池板组件。
实现本发明目的技术方案实施例一：一种场效应型薄膜电池与场效应微电源一体化集成的光伏电池板组件，其结构是：采用一个载体上（衬底玻璃），进行等离子增强化学气相沉积（PECVD），将薄膜层依次沉积在大面积载体（衬底玻璃）上，并用激光刻蚀实现多个条状的单段电池单元，而且相邻的单段电池单元正负极之间相互在内部串联，形成n个单段电池单元串联为主体的场效应薄膜光伏电池与2n个微单段电池单元为副体串联的场效应微电源，集成在一个载体（衬底玻璃）上的场效应薄膜光伏电池板组件，同时，在单结电池结构、双结电池结构、三结电池结构及双本怔层单结电池结构中的背面电极采用背栅形电极层替代，并在该背栅形电极层的外面增加有绝缘栅极层；以及场效应正电极层或场效应负电极层，其特征在于，所有的单段电池单元设置有共同的场效应正电极层或场效应负电极层，该场效应正电极层或场效应负电极层是一个完整的电极层。
所述的场效应薄膜光伏电池板是采用n个场效应薄膜电池段，在内部相互电气串联组成的电池板。参看附图7中，图A是单段场效应型非晶硅单结薄膜光伏电池的结构图；1-1是透明导电膜TCO层、1-2是a-Si:H（）单结、1-3是背栅形电极层、1-4是绝缘栅极层、1-5是场效应正电极层；图B是单段场效应型双本怔层单结非晶硅薄膜光伏电池单元的结构图；2-1是透明导电膜TCO层、2-2是a-Si:H与a-SiGe:H（）单结、2-3是背栅形电极层、2-4是绝缘栅极层、2-5是场效应正电极层；图C是单段场效应型铜铟镓硒（CIGS）或碲化镉（CdTe）薄膜光伏电池单元的结构图；3-1是透明导电膜ZnO层、3-2是（）结、3-3是背栅形电极层、3-4是绝缘栅极层、3-5是场效应负电极层。
在载体上集成有DCn（n=1、2、3…n）个单段电池串联为主体的场效应薄膜光伏电池（简称：n段串联主体电池）与≥2n个单段微电池为副体串联的场效应微电源（简称：2n个串联微电源），而串联的场效应微电源的输出电压为≥2nv（v为单段微电池输出电压）；2n个串联微电源输出正极与负极，连接到n个串联电容器的两端P1点与Pn+1点；n段串联主体电池 (DCn段电池)透明导电层TCO输出正极连接Pn+1点，同时也连接负载RL；n段串联主体电池(DC1段电池)背栅形电极层输出负极连接负载RL，而n段串联主体电池(DC1段电池)场效应正电极层连接P1点；而n个串联电容器C1…Cn相互之间分压点（每个电容上的电压降）P2…Pn，对应连接在DC2段电池…DCn段电池的场效应正电极层。
场效应型薄膜光伏电池板组件结构上，也适应场效应铜铟镓硒（CIGS）与碲化镉（CdTe）薄膜光伏电池板组件结构。
本发明改变了现有技术中每个单段电池单元上面或下面分别设置的外加电场电极都是单独设置的结构状态；使这种集成化的薄膜光伏电池转换效率与稳定性都得到明显提高。同时，由于本发明薄膜光伏电池的外加电场电极（场效应正电极层或场效应负电极层）设置为一个完整的电极层，所以加工工艺简单；工艺差错率降低（成品率提高了5%）。同时成本降低了20%。解决了现有技术中尚未解决的技术难题。
附图说明
图1 公知的薄膜光伏电池板组件中单段电池单元结构图；
图2 -1、图2-2、图2-3为公知的非晶硅薄膜光伏电池板结构的三视图；
图3为公知的非晶硅薄膜光伏电池板B-B剖视图对应电池段串联电路图；
图4-1为场效应单结薄膜光伏电池结构；
图4-2为场效应双本怔单结薄膜光伏电池结构；
图5-1、图5-2、图5-3为场效应光伏电池板结构的三视图；
图6-1为场效应光伏电池板A-A剖面图对应单段电池与微电池连接电路图；
图6-2 为场效应光伏电池板B-B剖面图对应每个单段电池串联连接电路图；
图7-1为本发明单段场效应型单结薄膜电池结构图；图7-2为场效应型双本怔单结薄膜电池结构图；图7-3为单段场效应型CIGS或CdTe薄膜电池结构图。
图8为本发明场效应型硅基薄膜光伏电池板组件电路原理图；
图9-1、图9-2、图9-3为本发明场效应型非晶硅薄膜光伏电池板组件结构的三视图；
图10为本发明场效应型非晶硅薄膜光伏电池板B-B剖视图；
图11-1、图11-2为本发明太阳能热电联供装置的三视图中正视与侧视图；
图12为本发明太阳能热电联供装置的三视图中B-B剖视图；
图13 为本发明太阳能热电联供装置的B-1局部放大图。
具体实施方式
参照附图8所示，是本发明实施例场效应型非晶硅薄膜光伏电池电池板组件的电路原理图；该电路原理图包括由n个单段电池DC1、电池DC2…电池DCn单元串联为主体的场效应薄膜光伏电池；由2n个单段微电池WC1、微电池WC2…微电池WC2n单元串联为副体的场效应微电源；n个电容C1、C2…Cn串联三部分组成。其中，2n个单段微电池WC1、微电池WC2…微电池WC2n串联为副体的场效应微电源正极， 连接到单段电池DC1场效应正电极层，而副体的场效应微电源负极，连接到单段电池DCn透明导电膜TCO层；串联的C1、C2…Cn电容器对副体的场效应微电源进行电压分压，每个电容器电压分压对应连接点P2…Pn，并连接对应电池DC2…电池DCn的场效应正电极层；电池DC1场效应正电极层连接对应P1，电池DCn透明导电膜TCO层对应连接Pn+1；电池DC1、电池DC2…电池DCn单元串联为主体的场效应薄膜光伏电池正、负输出极B3、B4连接负载RL；参照附图8中，图B是采用电路图示的等效图。
参照图9-1、图9-2、图9-3所示，为了实现本发明实施例场效应型非晶硅薄膜光伏电池电池板组件的三视图：附图9中是采用一个载体上（玻璃），进行等离子增强化学气相沉积（PECVD），将薄膜层依次沉积在大面积衬底玻璃上，并用激光刻蚀实现多个条状的单段电池单元，而且相邻的单段电池单元正负极之间相互在内部串联，形成n个单段电池串联为主体的场效应薄膜光伏电池与2n个微单段电池为副体串联的场效应微电源，集成在一个载体上（玻璃）的场效应薄膜光伏电池板组件。
其中B1是一个载体（玻璃）板；B2是单段场效应型非晶硅双本征单结薄膜光伏电池单元；采用的工艺是离子增强化学气相沉积（PECVD），将薄膜层依次沉积在大面积衬底玻璃上，用激光刻蚀形成宽为D、长为L单段DC1…DCn个电池单元与一个工艺连接段单元，内部相互正负极串联组成场效应薄膜光伏电池板；B3是串联组成场效应薄膜光伏电池的输出集流端子正极，B4是串联组成场效应薄膜光伏电池的输出集流端子负极；在已形成的场效应薄膜光伏电池面进一步采用激光刻蚀或刀刻蚀工艺，刻蚀沉积叠层形成B9、B10隔离槽隙，使场效应薄膜光伏电池板组件上下，各形成n个长为d1、宽为D的微电池WC1…微电池WCn与长为d2、宽为D微电池WCn+1…WC2n，B5与B6是n个串联微电池WC1…微电池WCn输出集流端子的正极与负极，B7与B8是n个串联微电池WCn+1…微电池WC2n输出集流端子的正极与负极，将B5与B8进行外部电气连接，上下组成2n个微电池串联，由B7与B6作为输出集流端子的正极与负极；最终使得B1一个载体（玻璃）板上，集成形成宽为D、长为K，n个电池DC1、电池DC2…电池DCn单元串联为主体的场效应薄膜光伏电池，与2n个微电池WC1、微电池WC2---微电池WC2n单元串联为副体的场效应微电源。
本发明实施例场效应型非晶硅薄膜光伏电池电池板上，在激光刻蚀工艺中，刻蚀n个单段电池，并采用简单的刀刻蚀（或激光刻蚀）工艺两次，刻蚀出沉积叠层形成B9、B10两道隔离槽隙，形成同样结构的一个串联为主体的场效应薄膜光伏电池和两个串联为副体的场效应微电池，使得激光刻蚀在工艺中刻蚀数n不变，刻蚀工艺成本基本没有提高。
图9-1、图9-2、图9-3中每个电池单元与微电池单元中，背栅形电极层2-3是有条状窗，条状窗参看图中背栅形电极层剖视图；场效应薄膜光伏电池板组件B-B剖视图参看附图10所示。
附图10中电容C1…Cn是串联连接，电容C1右端连接P1点，场效应微电源输出正极B7（）也连接在P1点，P1点连接在电池DC1场效应正电极层；电容Cn左端连接Pn+1点，场效应微电源输出负极B6（）也连接在Pn+1点，Pn+1点连接在电池DCn透明导电层（TCO）；电容C1…Cn串联中相互连接点P2…Pn，相对应的连接电池DC2…电池DCn场效应正电极层；每个相邻的单段电池DC1…电池DCn，是通过相邻电池段正负极串联接触面进行串联连接；每个单段电池DC1…电池DCn的场效应正电极层2-5与下面绝缘栅极层2-3，是通过a-Si:H与a-SiGe:H（）单结2-2与透明导电膜TCO层2-1形成场隧道效应。
实现本发明目的技术方案实施例二：是采用实施例一所述的场效应薄膜光伏电池板组件与平板集热器进行组合，形成一种太阳能光伏发电与平板集热组合的热电联供的装置，简称为太阳能热电联供装置。
附图11-1、图11-2、图12中是本发明太阳能热电联供装置的三视图；其中A-1是场效应薄膜光伏电池板组件半剖视图，A-2是场效应薄膜光伏电池非晶叠层，A-3是场效应薄膜光伏电池集流母线输出正极，A-4是场效应薄膜光伏电池集流母线输出负极；B-1是翼管式平板集热器半剖视图；C-1是铝型外框架；C-2是密封硅橡胶；C-3是塑料内框架；C-4是塑料底板；C-5是保温材料；D1、D2是固定螺钉；E-1是场效应薄膜光伏电池集流母线输出正极接线盒；E-2是场效应薄膜光伏电池集流母线输出负极接线盒；G-1是出水管接头；G-2是进水管接头。
附图11-1、图11-2中，主视图中左，是剖视场效应薄膜光伏电池板，显示下面的排管式平板集热器B-1视图；排管式平板集热器B-1是由上集流管B5、下集流管B6之间有多个传热导流管焊接连通而成；上集流管B5两头是密封，下集流管B6内部中心有密封挡板；下集流管B6右接头G-2是进水，水（冷水）通过下集流管B6右端内管与右端多个传热导流排管上行到上集流管B5，上集流管B5内的水通过左端多个传热导流排管下行到下集流管B6至左接头G-1形成换热器出水（热水）。
附图12是本发明太阳能热电联供装置的三视图中B-B的剖视图；B-B的剖视图中附图13是B-1翼管式平板集热器局部放大图：是由上传热平板B-2、传热导流排管B-3、下传热平板B-4压焊结组成；为了更好的吸收太阳辐射与减少反射，在传热平板B-2上覆盖有吸收太阳能的涂层，为减少热量向外辐射要用选择性吸收涂层，选择性吸收涂层红外线吸收比在0.95以上发射率在0.1以下的钛涂层；上传热平板B-2是接受场效应薄膜光伏电池板投射的红外线进行热交换。
Claims (4)
1.一种场效应薄膜光伏电池板组件与集热器组合的热电联供装置，其结构是：采用一个载体上，进行等离子增强化学气相沉积，将薄膜层依次沉积在该载体上，并用激光刻蚀实现多个条状的单段电池单元，而且相邻的单段电池单元正负极之间相互在内部串联，形成n个单段电池串联为主体的场效应薄膜光伏电池与2n个微单段电池为副体串联的场效应微电源，集成在一个载体上，所形成一种场效应薄膜光伏电池板组件，同时，在单结电池结构、双结电池结构、三结电池结构及双本征层单结电池结构中的背面电极采用背栅形电极层替代，并在该背栅形电极层的外面增加有绝缘栅极层；以及场效应正电极层或场效应负电极层，其特征在于，所有的单段电池单元设置有共同的场效应正电极层或场效应负电极层，该场效应正电极层或场效应负电极层是一个完整的电极层；该场效应薄膜光伏电池板组件与平板集热器进行组合，形成一种太阳能热电联供的装置；
所述的场效应薄膜光伏电池板组件结构中，单段场效应非晶硅薄膜光伏电池单元的结构，是叠层 单结或多结，该单结是由透明导电膜TCO层、a-Si:H 单结、背栅形电极层、绝缘栅极层、场效应正电极层所组成；单段场效应双本征层单结非晶硅薄膜光伏电池单元的结构，是由透明导电膜TCO层、a-Si:H与a-SiGe:H单结、背栅形电极层、绝缘栅极层、场效应正电极层所组成；单段场效应铜铟镓硒（CIGS）或碲化镉薄膜光伏电池单元的结构，是由透明导电膜ZnO层、结、背栅形电极层、绝缘栅极层、场效应负电极层所组成；
在所述的载体上集成有n个单段电池串联为主体的场效应薄膜光伏电池与≥2n个单段微电池为副体串联的场效应微电源，而串联的场效应微电源的输出电压为≥2nv；v为单段微电池输出电压，场效应微电源输出正极与负极，连接到n个串联电容器的两端；场效应微电源输出正极也连接在场效应薄膜光伏电池输出负极，相对应单段电池单元的场效应正电极层；场效应微电源输出负极也连接在场效应薄膜光伏电池输出正极，相对应单段电池单元的透明导电层TCO；而n个串联电容器C1…Cn相互之间分压点，对应连接在单段电池2…电池n的场效应正电极层。
2.根据权利要求1所述的场效应薄膜光伏电池板组件与集热器组合的热电联供装置，其特征在于，所述的场效应薄膜光伏电池板组件结构上，也适应场效应铜铟镓硒与碲化镉薄膜光伏电池板组件结构。
3.根据权利要求1或2所述的场效应薄膜光伏电池板组件与集热器组合的热电联供装置，其特征在于，所述的平板集热器的结构是：由场效应薄膜光伏电池板组件提供光伏发电，而场效应薄膜光伏电池板组件透射的红外线，加热翼管式平板集热器，再通过翼管式平板集热器中排管内的液体介质进行热交换。
4.根据权利要求3所述的场效应薄膜光伏电池板组件与集热器组合的热电联供装置，其特征在于，由场效应薄膜光伏电池板组件提供光伏发电，并有光伏发电输出电源正、负接线盒与翼管式平板集热器进行热交换的液体介质进、出接头。
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