CN103098228A - 用于太阳能电池组件的二极管和散热器 - Google Patents

Abstract

描述了二极管和散热器的布置。例如，太阳能电池组件可以I包括背板，背板上方布置了薄型表面贴片式二极管。一对带状互连与薄型表面贴片式二极管耦接并且可以穿过背板。

Description

用于太阳能电池组件的二极管和散热器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年8月3日提交的申请号为61/370,242的美国临时申请的优先权，通过引用将其全部内容合并于此。

技术领域

本发明的实施例涉及可再生能源领域，特别是用于太阳能电池组件的二极管和散热器的布置。

背景技术

发光二极管（LED）和光伏（PV）设备是两种常见类型的光电子设备。当对诸如包括LED和PV设备的光电系统进行组建和部署时，热量管理和装配可能是需要考虑的。例如，具有电池互连和二极管的设备系统的领域是在热量管理、应力管理、装配方面改进成熟的领域。制造和部署这种系统的挑战包括互连的低热阻路径以及与互连相连的电池和二极管的弹性适应。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的安装了背板的二极管封装的横截面图。

图2示出了根据本发明一个实施例的层叠内的二极管封装的横截面图。

图3示出了根据本发明一个实施例的太阳能电池组件的俯视图。

具体实施方式

本文描述了用于太阳能电池组件的二极管和散热器的布置。为了对本发明的各实施例提供更透彻的理解，在下面的描述中展示了很多具体的细节，如二极管和散热器的具体布置。显然，对于本领域内的技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的各实施例。为了避免不必要地模糊本发明的实施例，没有对其它实例中的一些众所周知的制造技术（如层叠技术）进行详细的描述。此外，需要理解的是，附图中所展示的若干实施例只是说明性地描绘，并不必然按比例绘制。

本文披露了用于太阳能电池组件的二极管和散热器。在一个实施例中，太阳能电池组件包括背板。太阳能电池组件还包括置于背板上方的薄型表面贴片式二极管。太阳能电池组件还包括一对带状互连，每个带状互连与薄型表面贴片式二极管相连并穿过背板。太阳能电池组件还包括散热器，其直接安装在薄型表面贴片式二极管的正上方。在一个实施例中，太阳能电池组件包括背板。太阳能电池组件还包括置于背板下方的二极管。太阳能电池组件还包括一对带状互连，每个带状互连与二极管耦接并全部被背板覆盖。太阳能电池组件还包括散热器，其安装在二极管的正上方。

某些太阳能电池应用（如单轴聚光型光伏（CPV）系统）需要在每个电池串中包括一组线性排列的电池和大量二极管相，以管理较高的电池温度和光学非一致性。在光伏系统中通常使用的二极管用于使电池串中电学上不匹配的电池绕开其它电池。这种不匹配可能产生于遮光或性能矛盾。当一个电池不匹配时，其工作电压可能被修改，以适应电池串电流，并且该电池被迫使进入反向偏压状态。这可导致严重的升温以及系统性能退化。使用二极管来最小化不匹配环境中的热量并优化能量产生。

在一个典型的光伏组件中，旁路二极管以并联方式电连接到电池串。电池通常以蛇形布置来连接，这可消除对于跨接电池串端子的长距离的二极管互连的需求。取而代之，连接各个端子的互连接头穿过组件背板并连接至安装在连接盒中的二极管。但是，某些应用（如单轴聚光型光伏系统）需要在每个电池串中包括一组线性排列的电池和大量二极管，以管理较高的电池温度和光学非一致性。集中式连接盒可能需要复杂的旁路电路和许多用于二极管连接的汇流条。此外，可能需要过大的连接盒来容纳大量的二极管。在某些需要大量二极管的应用中，优选的是将旁路二极管安装在沿着被保护的电池串的独立的封装中。

根据本发明的某些实施例，多个二极管被并入到一个简单的薄型封装中，该封装的安装可对其它叠层特征产生最小的干扰。在一个实施例中，将二极管与带状互连相连，该带状互连沿着太阳能电池组件的长度穿过背板。二极管可以是直接焊接到带状物上的薄型表面贴片式器件。在一个实施例中，为了控制二极管升温，在一个或多个二极管引线正上方安装了散热器。在一个实施例中，散热器通过热粘合剂安装在背板上，以获得电绝缘和热传导。因此，本发明的各实施例可包括使用集成方式通过热粘合剂在二极管上安装散热器，将各二极管引线（或仅一个二极管）直接连接到一对带状互连，或制造一个轮廓非常薄的太阳能电池组件封装从而最小化对周围系统（例如，热沉）的影响，或直接集成到叠层中。

本发明的各实施例可解决对于一个简单的、低成本的、可以任何频率安装在光伏组件背板的上方或内部的二极管封装的需求。尽管该布置被设计为用于一组线性排列的电池，它可用于任何光伏组件布局。例如，在最简单的实施例中，将二极管与带状互连相连，该带状互连沿着组件的长度穿过背板。可包括散热器，但是必须在一侧或两侧进行电绝缘以防止二极管引线短路。在一个实施例中，涂上一层陶瓷绝缘体的薄铜带或铝带可用于这一目的。在一个实施例中，通过热粘合剂将散热器安装到背板上，从而获得电绝缘和热传导。在一个实施例中，散热器还用于将二极管引线与周围环境电隔离。

在本发明的一个方面中，用于太阳能电池组件的封装可包括置于封装的背板上方的表面贴片式二极管。例如，图1根据本发明的一个实施例，示出了一个安装了背板的二极管封装的截面图。

参照图1，太阳能电池组件100包括背板102和置于背板102上方的薄型表面贴片式二极管104。一对带状互连106与薄型表面贴片式二极管104相连并穿过（在108点）背板102。散热器110安装在薄型表面贴片式二极管104的正上方。二极管104的小截面可与例如连接盒的大截面特征形成对照。例如，在一个实施例中，薄型表面贴片式二极管104处于背板102上方不到10毫米处。

根据本发明的一个实施例，薄型表面贴片式二极管104直接附在各带状互连上，如图1所示。在一个实施例中，薄型表面贴片式二极管104通过例如（但不限于）键合、焊接、熔焊技术直接附在各带状互连上。在一个实施例中，散热器110包括一层薄的金属带，该金属带的至少一面涂上了一层导热电介质112，同样如图1所示。在一个实施例中，导热电介质112为陶瓷绝缘体。在一个实施例中，通过热粘合剂114将散热器110安装在背板102上。在一个实施例中，通过密封剂118，将二极管104、背板102、互连106、散热器110安装在基底116上（如玻璃基底），如图1所示。

继续参照图1，根据本发明的一个实施例，各带状互连106包括四个或更多个拐弯。包含第一拐弯120是用于穿过背板102（例如，在位置108），包含第二拐弯122是用于将各带状互连106引入背板102的一个表面的平面，包含第三拐弯124是用于使得各带状互连106处于竖直，包含第四拐弯126是用于使得各带状互连106与另一个带状互连处于同一平面并用于连接薄型表面贴片式二极管104。在一个实施例中，第四拐弯126还用于减少由于封装叠层中的互连106与叠层外部的二极管引线分离而产生的压力。

于是，可以提供一种太阳能电池组件，其中远离背板穿透位置的互连仍然位于散热器范围内。在一个实施例中，通过置于散热器下面的热粘合剂和多个电介质层的组合，这种布置可确保二极管引线与外部环境电绝缘。在一个实施例中，该布置还将二极管引线短路（由于散热器边缘附近的毛刺或较差的电介质覆盖）的可能性降到最低。尽管只需要在散热器底部进行电介质覆盖，但是优选的可能是整体覆盖，以进一步降低电压暴露给外部环境的可能性。

根据本发明的一个实施例，将散热器全部绝缘消除了将散热器电性接地的需要。可能需要将二极管引线安装到尽可能地接近散热器，因此它们最好与二极管管芯热连接。就是说，在一个实施例中，如果二极管管芯与散热器之间具有较低的热阻路径，那么可将二极管温度最小化。这可能是促使二极管反向的首要因素，如对结合图1所描述的布置所实施的。在一个实施例中，在二极管引线（或只是二极管）和散热器之间使用了一层薄的热粘合剂，以用于在路径上获得最小的热阻，使得二极管在旁路模式中引导电流时保持低温。

尽管上面结合图1所描述的布置明显地简化了二极管封装方案，实际上从制造业观点看背板穿透可能是不太令人满意的，这是由于需要额外的组装步骤以在背板中制作多个槽，以及后面的在叠层外附加部件的后叠层步骤。取而代之，如果需要，二极管封装可移到叠层内部。因此，在本发明的另一个方面，用于太阳能电池组件的封装可包括置于封装背板下面的薄型二极管。例如，图2根据本发明的一个实施例示出了一个叠层内的二极管封装的截面图。

参照图2，太阳能电池组件200包括背板202。二极管204置于背板202下面。还包括一对带状互连206，各个带状互连与二极管204相连并全部被背板202覆盖。散热器208安装在二极管204的正上方。在一个实施例中，这对带状互连206中的每一个都置于二极管204上面，二极管204全部被背板202遮盖，如图2所示。

根据本发明的一个实施例，二极管204直接附在各个带状互连206上，如图2所示。在一个实施例中，二极管204通过例如（但不限于）键合、焊接、软焊技术直接附在各带状互连206上。在一个实施例中，散热器208包括一层薄的具有斜切边缘的金属带，该金属带的至少一面涂上了一层导热电介质210，并且散热器208全部被背板202遮盖，同样如图2所示。在一个实施例中，通过导热电介质210，散热器208被安装到各个具有热粘合剂212的带状互连206上。在一个实施例中，通过密封剂216，二极管204、背板202、互连206、散热器208被安装在基底214（如玻璃基底）上面。

在本发明的另一方面，需要理解的是，在叠层内增加额外部件能引起不均匀的背板表面轮廓，这可能导致脱层和背板损坏。在极端的情况中，尖锐的边缘会完全穿过背板。为了将这些影响最小化，根据本发明的一个或多个实施例，将散热器制造得或选择为尽可能薄，并且进行冲压以具有斜切的边缘，从而产生更加平缓渐增的厚度来适应二极管封装。相应地，在一个实施例中，二极管和散热器可能是减小厚度的选择物。

选择性地，在另一个实施例中，可以改进密封剂厚度以适应纳散热器和二极管的厚度。这样，由于密封剂可用于粘合二极管和互连，因此热粘合剂可以仅用于将二极管引线与散热器热连接。于是，在一个实施例中，在二极管或二极管引线下面或二极管封装周围不需要包含热粘合剂。

图3根据本发明的另一个实施例，示出了一个太阳能电池组件的俯视图。参照图3，太阳能电池组件的一部分300包括安装在背板302上面或下面的二极管304。包含背板302的叠层内包括一对互连306。散热器308置于二极管304上方，热粘合剂310置于散热器308与二极管304之间。在一个实施例中，图3所示的布置适合于安装了背板的封装（如果需要，还包括背板穿透312），类似于结合图1所描述的布置。但是，在另一个实施例中，图3所示的布置还适合于叠层内的封装，类似于结合图2所描述的布置。再参照图3，在一个实施例中，散热器308大幅度地超出二极管304和互连306的宽度，从而使得散热最大化。散热器308可以做成对于应用适当的形状或尺寸，而不一定是所示的矩形。

在本发明的另一方面，上面所述的太阳能电池组件可包含于更大的太阳能系统中，该太阳能系统包含多个这样的太阳能电池组件。例如，根据本发明的一个实施例，太阳能系统包括多个太阳能电池。背板遮盖了这些太阳能电池。多个薄型表面贴片式二极管与这些太阳能电池相连。每个薄型表面贴片式二极管置于背板上方。每个薄型表面贴片式二极管还分别包括一对带状互连。每个带状互连与薄型表面贴片式二极管相连并穿过背板。每个薄型表面贴片式二极管还分别包括一个安装在其正上方的散热器。于是，太阳能系统包含多个类似于结合图1所示的太阳能电池组件。

在一个实施例中，每个薄型表面贴片式二极管处于背板上方不到10毫米的位置。在一个实施例中，每个薄型表面贴片式二极管直接附在对应的一对带状互连的每个带状互连上。在一个实施例中，各个散热器包括一个薄的金属带，该金属带的至少一面涂上了一个导热电介质。在一个这样的实施例中，各个散热器通过热粘合剂安装在背板上。在一个实施例中，各对带状互连的每个互连包括四个或更多拐弯，第一拐弯用于穿过背板，第二拐弯用于将各带状互连引入背板的一个表面的平面，第三拐弯用于使得各带状互连处于竖直，第四拐弯用于使得各对带状互连中的一个带状互连与另一个带状互连处于同一平面并用于连接薄型表面贴片式二极管。

在另一个例子中，根据本发明的另一个实施例，太阳能系统包括多个太阳能电池。背板遮盖了这些太阳能电池。多个二极管与这些太阳能电池相连，各个二极管置于背板下方。每个二极管还分别包括一对带状互连。各个带状互连与二极管相连并全部被背板遮盖。每个二极管还分别包括一个安装在二极管正上方的散热器。于是，太阳能系统包括多个类似于结合图2所示的太阳能电池组件。

在一个实施例中，各对带状互连中的每个互连位于二极管上方，并且二极管全部被背板遮盖。在一个这样的实施例中，二极管直接附在各对带状互连的每个带状互连上。在一个实施例中，各个散热器包括一薄的具有斜切的边缘的金属带，该金属带的至少一面涂上了一层导热电介质，各个散热器全部被背板遮盖。在一个这样的实施例中，通过导热电介质，利用热粘合剂将各个散热器安装到各对带状互连上。

需要理解的是，上面所描述的用于太阳能电池组件和太阳能系统的布置可提供除了上面描述的优点之外的多个优点。例如，在一个实施例中，通过在电池叠层中布置多个二极管，在太阳能电池组件封装中不需要包括J形汇流条。在另一个实施例中，由于在电池叠层中包括二极管，因此不再需要适应二极管的专门的或额外的封装。在另一个实施例中，二极管和电池叠层之间的互连基本上（如果不是全部）保持在叠层内，这有助于防止互连出现毛刺或短路。而且，在一个实施例中，由于互连材料的大部分（如果不是全部）不再暴露，则互连不需要电接地。

已经公开了用于太阳能电池组件的二极管和散热器的布置。根据本发明的一个实施例，太阳能电池组件包括背板。在背板上方布置薄型表面贴片式二极管。一对带状互连，每个带状互连连接到薄型表面贴片式二极管并且穿过背板。散热器安装在薄型表面贴片式二极管的正上方。在一个实施例中，薄型表面贴片式二极管比背板高出不到10毫米。根据本发明的另一个实施例，太阳能电池组件包括背板。二极管布置在背板下面。一对带状互连中的每一个带状互连耦接至二极管并且完全被背板覆盖。散热器安装在二极管正上方。在一个实施例中，一对带状互连中的每一个都位于二极管的上方，并且二极管被背板完全覆盖。

Claims (22)

1.一种太阳能电池系统，包括：

多个太阳能电池；

背板，其覆盖多个太阳能电池；以及

多个薄型表面贴片式二极管，其与多个太阳能电池耦接，每个薄型表面贴片式二极管布置在背板上方，并且每个薄型表面贴片式二极管具有：

对应的一对带状互连，每个带状互连耦接至该薄型表面贴片式二极管并且穿过背板；以及

对应的散热器，其安装在该薄型表面贴片式电容器的正上方。

2.权利要求1的太阳能电池系统，其中每个薄型表面贴片式二极管比背板高出不到10毫米。

3.权利要求1的太阳能电池系统，其中每个薄型表面贴片式二极管直接粘附到对应的一对带状互连中的每个带状互连。

4.权利要求1的太阳能电池系统，其中对应的散热器包括薄的金属带，该金属带的至少一个面上涂敷有导热电介质。

5.权利要求4的太阳能电池系统，其中对应的散热器利用热粘合剂安装到背板上。

6.权利要求1的太阳能电池系统，其中对应的一对带状互连中的每一个带状互连包括四个或更多个拐弯，第一个拐弯用于穿过背板，第二个拐弯用于将每个带状互连引入背板的一个表面的平面上，第三个拐弯用于使每个带状互连保持垂直，以及第四个拐弯用于使对应的一对带状互连中的每个带状互连与另一个带状互连共面并且用于耦接至薄型表面贴片式二极管。

7.一种太阳能电池系统，包括：

多个太阳能电池；

背板，其覆盖多个太阳能电池；以及

多个二极管，其耦接至多个太阳能电池，每个二极管布置在背板下方，并且每个二极管具有：

对应的一对带状互连，每个带状互连耦接至二极管并且被背板完全覆盖；以及

对应的散热器，其安装在二极管的正上方。

8.权利要求7的太阳能电池系统，其中对应的一对带状互连中的每一个带状互连处于二极管上方，并且二极管被背板完全覆盖。

9.权利要求8的太阳能电池系统，其中二极管直接粘附到对应的一对带状互连中的每个带状互连。

10.权利要求7的太阳能电池系统，其中对应的散热器包括薄的金属带，该金属带具有斜切的边缘并且其至少一个面涂敷有导热电介质，以及其中对应的散热器被背板完全覆盖。

11.权利要求10的太阳能电池系统，其中对应的散热器通过导热电介质利用热粘合剂安装到对应的一对带状互连。

12.一种太阳能电池组件，包括：

背板；

薄型表面贴片式二极管，其布置在背板上方；

一对带状互连，每个带状互连耦接至薄型表面贴片式二极管并且穿过背板；以及

散热器，其安装在薄型表面贴片式二极管的正上方。

13.权利要求12的太阳能电池组件，其中薄型表面贴片式二极管比背板高出不到10毫米。

14.权利要求12的太阳能电池组件，其中薄型表面贴片式二极管直接粘附至每个带状互连。

15.权利要求12的太阳能电池组件，其中散热器包括薄的金属带，金属带的至少一面上涂敷有导热电介质。

16.权利要求15的太阳能电池组件，其中散热器利用热粘合剂安装到背板。

17.权利要求12的太阳能电池组件，其中每个带状互连包括四个或多个拐弯，第一个拐弯用于穿过背板，第二个拐弯用于将每个带状互连引入背板的一个表面的平面上，第三个拐弯用于使每个带状互连保持垂直，以及第四个拐弯用于使每个带状互连与另一个带状互连共面并且用于耦接至薄型表面贴片式二极管。

18.一种太阳能电池组件，包括：

背板；

二极管，布置在背板下方；

一对带状互连，每个带状互连耦接至二极管并且被背板完全覆盖；以及

散热器，其安装在二极管的正上方。

19.权利要求18的太阳能电池组件，其中一对带状互连中的每一个处于二极管上方，并且二极管被背板完全覆盖。

20.权利要求19的太阳能电池组件，其中二极管直接粘附到每个带状互连。

21.权利要求18的太阳能电池组件，其中散热器包括薄的金属带，该金属带具有斜切的边缘，并且其至少一个面上涂敷有导热电介质，以及其中散热器被背板完全覆盖。

22.权利要求21的太阳能电池组件，其中散热器经由导热电介质利用热粘合剂安装到每个带状互连。

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