CN103620797A - 含有条带状导体的光伏模块 - Google Patents

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Abstract

一种光伏模块（10），包括：相互电绝缘且密封以界定密封封装的透明的上板（16）和下板（18），压在所述上、下板（16，18）之间的光伏电池（12,14）；布置在每个光伏电池（12，14）的至少一个表面上的至少两个电接触件，至少一个所述电接触件为条带的形式；以及将每个电池的接触件与至少一个相邻的电池的接触件电连接的元件（52-56）。每个电池（12，14）的至少一个条带（32）容纳槽中，该槽制作在板（16，18）中面向所述条带，所述槽如下限定：处于未压缩状态时条带(32)厚度的四分之一到四分之三之间的深度；大于或等于在85℃时条带（32）宽度的宽度；以及大于或等于在85℃时条带（32）长度的长度。

Description

含有条带状导体的光伏模块
发明领域
本发明涉及光伏模块领域，具体涉及具有由汇流条电连接的光伏电池的光伏模块，所述电池在低压力下被封装在两个板之间。
技术背景
光伏电池是一种将入射辐射，在此情况下太阳光，通过PN结转化成电流的半导体装置。
更具体地，所生成的电子通过电池块中形成的与其阳极区接触的狭窄的金属电极网络被收集，并通过该网络传送到一个或若干更大尺寸的电极，通常称作“汇流条”且与电池表面对齐。
为了将电流输出电池，称作“负极”的电连接件则布置成与每个汇流条连接。类似地，一个或若干电连接件也设置成与电池的正极区域连接，这样的电连接件通常称为“正极”。汇流条的表面最常见的是直线条带，电连接件则为金属条带的形式。在某些类型的电池中，每个电池的一个或若干正极也采取条带的形式。
进一步地，电池通常不能通过其自身提供合适的电流和电压用于目前电气设备的操作。特别地，光伏电池每平方厘米电池提供低于1伏特的电压和数十毫安量级的电流。几个电池应串联连接和/或并联连接以输出合适的电流和/或电压。这则被称“光伏模块”。
此外，光伏电池为易碎的元件，最常见地旨在用于困难的环境条件（雨，冰雹等）中。因此，光伏电池通常压在两个防护板之间，一个至少是刚性的且一个在电池的前表面至少是透明的，例如，钢化的玻璃板，其同时提供抵抗恶劣环境的保护和用于处理和组装光伏模块的足够刚性。
最后，仍然为了保护光伏电池免受环境条件尤其是湿度和氧气对电池的氧化，所述电池置于无氧气密且不透水的环境中。
第一光伏模块制造技术因而包括将电连接件焊接到电池上，根据所需的电路图将电池连接起来，然后将组件嵌入形成密封胶囊的材料中，例如，在乙烯-醋酸乙烯酯中，然后压制电池从而嵌入两个透明刚性板之间，透明刚性板例如由钢化玻璃制作而成。
然而，根据这种技术制作光伏电池的时间很长，需要长久的加热阶段以熔化胶囊材料，许多设备变化以及许多清洁操作。这种技术因而很昂贵。此外，在长期运行中可观察到胶囊的降解，该胶囊于是不再起到防止空气和湿度影响的作用。
已经开发了如文件WO-A-2004/075304中描述的第二种“压制”技术以克服这些缺点。
这种压制技术基本上包括按压在两个透明、刚性且绝缘的防护板之间的电池及其连接件，通过借助于热塑性有机材料制成的外周密封装置将两个板密封在一起以形成气密和不透水封装。同时，在组装过程中，在封装中产生低压力下的中性气体氛围。组装期间，夹在电池和防护板之间的电导体通过放置在板上的胶水以及由连接件上的防护板施加的压力保持在位。这种技术因而能够非常显著地降低光伏模块的制造成本。
然而，这种技术具有许多额外的关于条带状电连接件的缺点。
首先，条带不是直接连接到汇流条而是在组装时放置到汇流条上。条带因而应与汇流条精确地对齐，因而需要使用昂贵的设备。事实上，任何不对齐导致条带的一部分被置于用于收集入射光流的电池的表面或“有用的”表面上。应注意的是，特别地由于收集电极网络的存在，光伏电池的有用表面远非电池的整个表面。因此，即使理论上认为微不足道的一个阴影，对电池能够产生的电流总量具有显著影响。例如，对于能够产生33mA/cm2的最大电流密度，具有125毫米边长且包括宽度为2毫米的两个汇流条的光伏电池，连接条带相对于汇流条的一毫米的不对齐导致能够由电池产生的电流的0.2安培的下降。
于是，光伏模块的使用过程中，为了将连接条带保持在位而实施的方式不足够。事实上，光伏电池可遭受大幅度的热循环。此外，已经制定了关于这个问题的标准并倡导光伏模块、光伏电池以及相关的连接件被设计成抵御从-40℃到+85℃的热循环（例如，标准NF EN61215和标准NF EN61640)。然而，电池、连接条带和刚性板的热膨胀系数是不同的，这些元件的膨胀和收缩不同。压在电池和防护板之间的条带要经受使条带变形并失去初始直线形状的强烈的机械应力。
图1为根据该压制技术制造的市售的光伏模块的光伏电池1的俯视图。电池1包括两个具有初始压在其上的直线铜条带4、5的汇流条2、3。经过大热循环之后，条带4、5如图所示地变形。条带4、5不仅严重遮蔽电池1，它们进而只能保证与汇流条2、3之间非常局部的接触。
此外，由于防护板的表面不均匀性及由于制造公差导致的电池不同厚度等原因，连接条带要经受非均匀的机械应力。由于条带不焊接到电池上而是主要通过防护板施加的压力将条带保持在汇流条上的合适位置，这种机械应力可变得非常严重。现在，通过传统技术实现的所谓玻璃板“低频”变形对于300毫米长度具有大约0.5毫米量级的幅度。在这种情况下，光伏模块的质量部分是不能确定的。
上述的缺点强烈地相互依存，条带经受非均匀的机械应力，这种现象被显著的热循环放大，因而导致条带变形和/或相对于汇流条的不对齐，从而产生由于遮蔽产生的电接触损失，这可导致光伏模块失效或发生故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据压制技术制造的光伏模块，能够精确地对齐并保持连接条带对齐，且在条带所压抵的表面严重不均匀时以及在大幅度的热循环中，使得这些条带能够保持与光伏电池接触。
为了这个目的，本发明的目标是一种光伏模块，该光伏模块包括：
●上板和下板，该上板对入射辐射（incident radiation）透明，上板和下板相互电绝缘且密封以界定密封的封装；
●压在上、下板之间的光伏电池；
●布置在每个光伏电池的至少一个表面上的至少两个导电接触件，至少一个电接触件为条带的形式；以及
●将每个电池的接触件与至少一个相邻的电池的接触件电连接的元件。
根据本发明，每个电池的至少一个条带容纳槽中，该槽制作在板中面向该条带，该槽如下限定：
●处于未压缩状态时条带厚度的四分之一到四分之三之间的深度；
●大于或等于在85℃时条带宽度的宽度；以及
●大于或等于在85℃时条带长度的长度。
也就是说：
●通过将条带容纳在槽中，由于条带被引导且不滑动，可简单地实现条带的精确对齐；
●槽的深度小于条带厚度且大于关于条带的制造公差、关于槽深的制造公差和防护板的表面不均匀的最大幅度的总和。这保证了当包括槽的板压抵电池时不存在任何间隙，且该深度足以将条带保持在位并当条带膨胀和收缩时引导条带。另外，由于槽的深度比条带的宽度小，条带可牢固地压抵电池，其厚度由于其被挤压而减小，这将条带保持在位并确保其与电池接触。应进一步指出的是，施加在条带的压力比由不包括槽的板施加的压力更加均匀。这能够减轻或甚至消除防护板的表面不均匀的影响;
●槽的厚度使得当条带宽度因膨胀增加时槽永远不能横向压缩条带，因而避免条带折叠而与电池失去连接；以及
●槽的长度大于至少85℃温度时膨胀后的可能条带长度，85℃为NFEN61215和NF EN61640标准的最高温度。因此，条带在其膨胀过程中被槽引导且不会脱离槽。如果槽更短，在膨胀作用下将从槽中脱出的条带端部可能会扭转，这将导致条带从槽中脱出。
根据一个实施例，槽深大致等于条带处于未压缩状态时厚度的一半。因此已观察到，无论形成条带的材料是什么，这个深度能够获得上述的效果，这简化了光伏模块的设计与制造。
根据一个实施例，光伏模块包括对齐成一排的电池，条带布置在对齐的所述电池的表面上且容纳在至少沿对齐电池总长延伸的单槽之内，这简化了防护板的制造。
作为一个变型，光伏模块包括对齐成一排的电池，该模块包括所述电池的条带，该条带对齐且容纳在沿每个电池的总长或部分长度延伸的多个分离的槽中。特别地，相邻的槽间隔开短于分隔相邻电池的空间长度的距离，该距离至少为等于温度从25℃变化到85℃导致的形成条带的材料线性膨胀的值。
根据本发明的一个实施例，在板的在槽底部的表面包括微米级纹理，特别地，为倒圆角微米级棱柱网络。这能够例如将空气或气体限制在条带和防护板之间，因而在这两个元件之间产生折射率的差异，从而通过折射和反射将入射光重新定向到电池上。与条带相对的纹理空间也可被另一种能够最佳地适应这些参数的材料填充。
一般来说，该纹理实施了用于从折射、反射、散射和衍射中选择入射光及波引导的光学功能。
更具体地，该纹理为棱柱网络，该棱柱网络能够使槽上的部分入射光偏离到光伏电池的有用表面上。
根据一个实施例，每个电池的每个表面上布置至少两个条带，第一面的条带布置在电池的正极，第二面的条带布置在电池的负极，且连接元件将电池的第一面的条带分别连接至相邻电池的第二面的条带。
本发明另一目的在于一种制造上述类型的光伏模块的方法，包括：
●在上板和下板的一个和/或另一个中形成槽，该槽具有：
○在处于未压缩状态时条带厚度的四分之一到四分之三之间的深度；
○大于或等于在85℃时条带宽度的宽度；以及
○大于或等于在85℃时条带长度的长度，
●堆叠第一板、电池、电接触件和第二板，每个槽容纳条带；以及
●通过粘合或者压制或者焊接密封至此形成的堆叠物。
具体地，槽由激光蚀刻形成。
附图简要说明
通过阅读仅结合附图作为例子给出的以下描述将更好地理解本发明，其中相同的附图标记表示相同或功能类似的元件，其中：
●图1是现有技术中光伏模块的光伏电池的简化的俯视图，其中连接件条由于大量热循环而变形；
●图2是根据本发明的光伏模块的两个串联连接的相邻电池的简化的俯视图；
●图3是图2中模块沿平面A-A的简化的剖视图；
●图4是图2中模块沿平面B-B的简化的剖视图；
●图5是根据本发明另一变型的模块的简化剖视图，其中一块电池前面的条带与另一相邻电池的后表面的条带连接；
●图6是图4中对应于虚线内区域的细节的示意图；
●图7是示出防护板的连续槽的简化俯视图；
●图8是示出防护板的非连续槽的简化俯视图；
●图9是设置在根据本发明的光伏模块的槽底部处的微米级棱镜另一变型的剖视图；以及
●图10是根据本发明的光伏模块的简化的剖视图，其中只有部分连接条带置于防护板的槽中，例如，上方的条带。
本发明的详细描述
图2到4示出了根据本发明的光伏模块10。模块10包括相同的同质结型光伏电池12、14，在图2至图4中示出的示例中有两个。光伏电池12、14被压在透明上防护板16或“前”板和下防护板18或“背”板之间。防护板16、18为刚性电绝缘的，例如由钢化玻璃制作而成。板16、18通过密封件（图未示）相互密封以界定气密且不透水的内部空间，该空间充满中性气体，例如，氩气，且处于低于500毫巴的低压力下，较佳地低于300毫巴的压力。
每个光伏电池12、14在其每个表面上进一步包括两个汇流条20，22，24，26，例如电池上表面28的两个汇流条20、22对应于电池的阳极棒，电池下表面30的两个汇流条24、26为电池的阴极棒。
例如由铜或铜镀焊材料制作而成的矩形横截面的导电条带32-44进一步被防护板16、18压缩在每个汇流条20-22上。条带32-44例如是相同的，且形成了用于收集由电池产生的电流的电池连接件。
电池12和14通过连接区域48彼此间隔开，连接区域48中设有将电池串联电连接的连接元件50-60。例如，两个相邻电池12、14的串联连接元件包括电池12的下条带34、38的端部50、56，两个导电元件52、58和电池14的上条带40、44的端部54、56，端部50、56延伸进入将两个电池12、14分离的连接区域48，两个导电元件52、58分别压在下条带的端部50、56上，端部54、60延伸进入连接区域48且被压在导电元件52、58上。
有利地，将参考申请WO2004/0753304中连接元件、密封件、汇流条和连接条带的布置的示例，本发明有可能应用于这篇本文件中描述的任何实施例，应理解与其不同的是，本发明考虑了另一种将连接条带保持在汇流条上的方法。
根据本发明，每个条带32-44容纳在槽62-68中，槽62-68在保护板16、18的内表面70、72内通过例如激光蚀刻形成。
槽也可以通过模制、化学蚀刻或锯切形成。
图5是与前述不同的一变型的简化剖视图，在之前的描述中，电池12的上条带32、36分别与电池14的下条带42、46连接。
参见图6，即槽62和条带32的放大图，槽的深度P具体由槽容纳的条带的厚度E限定，厚度E是图5中虚线所示的未压缩的条带的厚度。在模块10的装配中，防护板16、18压在光伏电池上以形成一个刚性的机械组件，由此形成的堆叠物通过坚硬的密封件和/或通过机械紧固系统保持在压缩状态。由防护板16、18施加的压力因而也起到相对于电池12、14按压条带32-34的作用，这将条带保持在位并压缩它们。
例如，倘若发生冲击，深度P足以使条带保持容纳在槽中，且在条带由于温度变化发生膨胀/收缩的过程中，深度P足以引导条带。此外，深度P比未压缩的条带的厚度E小以确保槽底部压在条带上并相对电池按压它。对于相同的槽的几何形状以及相同的条带的几何形状，压力却根据形成条带的材料的热机械性能，且尤其根据其杨氏模量和其热容量等而不同。因此槽的深度也根据条带的热机械性能有利地被优化。
此外，施加在条带上的压力也被选定使得条带遵循其之间插入条带的防护板和电池的表面不平整。
因此已观察到槽的深度P为条带处于未压缩状态时厚度E的四分之一和四分之三之间，且较佳地大致等于半个未压缩的厚度E，以允许为各种材料形成的条带保持在位及高质量引导。
然而该槽可以更深。于是较佳地考虑关于条带的厚度E的制造公差、关于槽深度的制造公差、条带的热机械性能和板的局部平坦度以确保无论温度如何条带总是保持压抵电池。
较佳地，该槽通过使用例如借助于光学系统实时控制防护板蚀刻的局部平坦度的技术进行蚀刻，这样能够在深度上控制槽的蚀刻，从而获得可控的槽深。这起到减少或甚至消除板的表面不平整的效果。
槽的宽度LaS被选定为大于，较佳地稍大于条带在热循环的过程中可达到的最大宽度LaR，从而槽的侧壁74、76永远不能在条带上施加压缩。应注意的是，槽的宽度LaS因而取决于条带在工作过程中会遭遇到的最高温度。由于85℃对应于通常观察到的最高温度，条带的最大宽度因而由这个温度确定，尽管另一温度可被用作确定槽的几何形状、长度、宽度和深度的基础。槽的宽度LS还可考虑关于条带LaR的制造公差，以保证对于任何条带，其永远不存在任何压缩。
根据图7中所示的本发明的第一变型，连续槽62、64沿着防护板的长度形成，每个槽因而容纳一排光伏电池78、80、82的对齐的条带。各个槽具体地沿整个电池长度以及在分离电池的区域48之间存在。这提供了足够的长度以引导和容纳温度为85℃的条带。
根据图8中所示的本发明的第二变型，对于一排78、80、82的每个条带的对齐，沿防护板的长度形成非连续槽，尤其以避免大的破裂区域。每个槽因而由用来容纳电池条带的对齐的槽段62、64形成。
每个槽段具有足以引导和容纳受到高温影响而膨胀后的条带的长度LoS，尤其具有足以引导和容纳在使用过程中遭遇最高温度的条带的长度，较佳地具有足以引导和容纳在85℃的温度时的条带的长度。
例如，具有在25℃温度时确定等于320毫米的原始长度L0的铜条，在85℃时经受160微米的长度膨胀量ΔL。在这种情况下，槽段的长度LoS因而比电池的长度LoC及其膨胀量ΔL的总和大。
较佳地，提供有额外的余量M以便于光伏模块组装时条带在槽段中的定位，例如，余量为500微米。槽的长度LoS则大于或等于长度LoC、膨胀量ΔL以及余量M的总和。两个连续的对齐槽段之间的间隔的长度LoEc则等于一排中两个相邻的电池的间隔的长度LoEs与槽段的长度LoS的差。
当然，可在同一个光伏模块中结合连续槽和非连续槽段。
再参照图6，槽的侧壁74、76可选地具有能够使条带容易插入槽中的扩口轮廓。
可选地，槽的底部实现一种光学功能，即能够通过获得折射率的显著变动使光朝着电池的有用表面重新定向，尤其朝着汇流条的外侧。这能够最小化反射损失，该反射损失总计可高达在设有两个2毫米宽的条带的125*125平方毫米的电池上入射流的4%。
为了实现这一目标，在槽62底部的板的表面78上实现了微米级纹理化处理，更具体地实现了微米级图案80的规则网络。由此，空气或气体被限制在由纹理化处理限定的空间82之中。作为一种变型，空间82较佳地填充有条带材料，从而能够以最佳方式适应折射率。纹理图案的大小小于200微米，较佳地小于或等于50微米，以避免低频不均匀及因此条带局部弯曲的风险。
在图6中，微米级图案网络80是微米级棱柱网络。较佳地，微米级图案网络80是如图9中所示的倒圆角的微米级棱柱网络。例如，倒圆角的棱柱具有2.5微米的峰半径Rpic、5微米的外半径Rext和43℃的棱柱角θ而能够恢复电池上至少0.2％的总入射流，这相当于产生最大电流密度为33mA/cm2的电池的0.07mA/cm2的电流密度。
较佳地，槽底微米级图案网络80还可设计为实现光学散射功能或光衍射功能。在这种情况下，槽底的入射流一部分朝向用于吸收入射流的电池的有用表面偏离，而这无需任何额外的例如在板上装配的并对电池遮光的结构。
最后，该网络可覆盖有光反射层以将光朝着上方区域重新定向从而光可朝着电池的有用表面再次被反射。
槽可根据形成防护板的材料通过不同技术形成，例如通过：
●使用CO2激光器的蒸发蚀刻，这使槽具有粗糙表面状态；
●使用飞秒激光器的烧蚀蚀刻，这使槽具有平滑表面状态；
●使用准分子激光器的分子键断裂蚀刻；
●压制或机械磨损；
●制造防护板的热成型或模塑。
应理解，附图中，条带、槽和汇流条的尺寸已被过度放大以更好地理解。
所述实施例中，所有的连接件条带容纳在槽中。作为一种变型，如图10所示，只有部分条带，例如在上电池表面的条带，容纳在槽中。其它条带按常规组装，例如，粘合条带84、86在相应的防护板上形成。
类似地，已描述同质结型光伏电池。本发明适用于任何类型的光伏电池，例如，单面电池，两面电池，同质结型电池，异质结型电池，P型电池，N型电池等。

Claims (11)

1.一种光伏电池（10），包括：
●上板（16）和下板（18），所述上板（16）对入射辐射透明，所述上板（16）和下板（18）相互电绝缘且密封以界定密封封装；
●压在所述上、下板（16，18）之间的光伏电池（12，14）；
●布置在每个光伏电池（12，14）的至少一个表面上的至少两个导电接触件（32-44），至少一个电接触件（32-44）为条带的形式；以及
●将每个电池的接触件与至少一个相邻的电池的接触件电连接的元件（52-56）；
其特征在于，每个电池（12，14）的至少一个条带（32-44）容纳槽（62-68）中，所述槽（62-68）制作在板（16，18）中面向所述至少一个条带（32-44），所述槽（62-68）如下限定：
●处于未压缩状态时条带（32-44）厚度的四分之一到四分之三之间的深度；
●大于或等于在85℃时条带（32-44）宽度的宽度；以及
●大于或等于在85℃时条带（32-44）长度的长度。
2.根据权利要求1所述的光伏模块，其特征在于，所述槽（62-68）的深度大致等于条带(32-44)处于未压缩状态时厚度的一半。
3.根据权利要求1或2所述的光伏模块，其特征在于，所述光伏模块包括对齐成一排的电池（78，80，82），条带布置在对齐的所述电池的表面且容纳在沿该对齐的电池的至少总长延伸的单槽（62，64）之内。
4.根据权利要求1或2所述的光伏模块，其特征在于，所述光伏模块包括对齐成一排的电池（78，80，82），条带布置在对齐的所述电池的表面且容纳在沿每个电池的总长或部分长度延伸的多个分离的槽（62，64）之内。
5.根据权利要求4所述的光伏模块，其特征在于，相邻的槽间隔开短于分隔相邻电池的空间长度的距离，该距离至少为等于温度从25℃变化到85℃导致的形成条带的材料线性膨胀的值。
6.根据任意一项前述权利要求所述的光伏模块，其特征在于，在板的在槽底部的表面包括微米级纹理（80）。
7.根据权利要求6所述的光伏模块，其特征在于，所述纹理（80）实施了从折射、反射、散射和衍射中选择入射光和波引导的光学功能。
8.根据权利要求6或7所述的光伏模块，其特征在于，所述纹理（80）为棱柱网络。
9.根据任意一项前述权利要求所述的光伏模块，其特征在于，每个电池的每个表面上布置至少两个条带，第一面的条带布置在电池的正极，第二面的条带布置在电池的负极，且连接元件将电池的第一面的条带分别连接至相邻电池的第二面的条带。
10.一种制造光伏模块的方法，包括：
●上板（16）和下板（18），所述上板（16）对入射辐射透明，所述上板（16）和下板（18）相互电绝缘且相互密封以界定密封封装；
●压在所述上、下板（16，18）之间的光伏电池（12，14）；
●布置在每个光伏电池（12，14）的至少一个表面上的至少两个导电接触件（32-44），至少一个电接触件（32-44）为条带的形式；以及
●将每个电池的接触件与至少一个相邻的电池的接触件电连接的元件（52-56）；
其特征在于，所述方法包括：
●在所述上板和下板的一个和/或另一个中形成槽，所述槽具有：
○处于未压缩状态时条带厚度的四分之一到四分之三之间的深度；
○大于或等于在85℃时条带宽度的宽度；以及
○大于或等于在85℃时条带长度的长度，
●堆叠第一板、电池、电接触件和第二板，每个槽具有条带；
●通过粘合或者压制或者焊接密封至此形成的堆叠物。
11.根据权利要求10所述的制造光伏模块的方法，其特征在于，通过激光蚀刻形成槽。
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