CN105789344A - 一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，包括至少两个电池片，电池片的正面电极为透明导电膜‑金属复合电极，背面电极为透明导电膜‑金属复合电极或背面金属电极；相邻的电池片以正、背面电极通过Z型的细金属导线连接，实现相邻电池片的正、背面串联。构成光伏组件的电池片正面和/或背面电极采用透明导电膜‑金属复合电极，该电池组串显著降低了银电极的使用量及遮光面积，同时使组件的导电性能得到提升。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构。
背景技术
自1954年第一块太阳能电池在贝尔实验室诞生以来，晶体硅太阳能电池得到了广泛的应用，转换效率不断提升，生产成本持续下降。目前，晶体硅太阳能电池占太阳能电池全球市场总额的80％以上，组件的产线转换效率目前已突破20％，全球年新增装机容量约50GW且增速明显，与火力发电的度电成本不断缩小，在未来几年有望与之持平。晶体硅太阳能电池作为一种清洁能源在改变能源结构、缓解环境压力等方面的重要作用日益凸显。
晶硅组件是光伏发电的核心终端单元，其转换效率与成本将极大影响光伏电站的经济收益。在电池片的转换效率逐渐逼近理论极限的情况下，想进一步通过提高电池片的转换效率来提高组件的转换效率显得愈发困难。主要原因包括：第一，电池片的金属电极及电池片之间串联的焊带会造成光遮挡，使这部分面积无法产生功率输出；第二，金属电极及组串焊带会产生电阻，这些都会以内阻的形式消耗一部分功率；第三，电池片在加工处理及后期的运行过程中会由于各种原因产生微裂纹，这些微裂纹影响电流的正常传输。
为了解决上述问题，无主栅电池及其连接技术应运而生，并得到愈来愈广泛的应用，如Day4Energy公司的DNA(后更名为SmartWire)技术、Schmid公司的Multi Busbar技术等。这些技术由于栅线可以做的更细，银栅线与铜线的接触点多达几千个，所以组件的遮光面积与内阻相比于传统组件大幅减小。但该技术进一步提升组件性能的空间愈来愈小，需要协同新的电池技术才有可能实现。
发明内容
本发明的目的是提供了一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，构成光伏组件的电池片正面和/或背面电极采用透明导电膜-金属复合电极，该电池组串能够在叠片的基础上增加了组件的可发电面积，从而提高组件的功率输出。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，包括至少两个电池片，电池片的正面电极为透明导电膜-金属复合电极，背面电极为透明导电膜-金属复合电极或背面金属电极；相邻的电池片以正、背面电极通过Z型的细金属导线连接，实现相邻电池片的正、背面串联。
所述的透明导电膜-金属复合电极包括：透明导电膜和局部接触金属电极；局部接触金属电极以规则图案方式排布在晶体硅片表面的减反射膜/钝化膜上，且局部接触金属电极穿透减反射膜/钝化膜与晶体硅片形成局部欧姆接触；所述的透明导电膜设置在减反射膜/钝化膜及局部接触金属电极之上，并将局部接触金属电极连接成为复合电极的导电组合体。
所述的透明导电膜-金属复合电极包括：设置在晶体硅片上的局部重掺杂区和设置在减反射膜/钝化膜上的透明导电膜，减反射膜/钝化膜设置在晶体硅片和局部重掺杂区上；所述的局部重掺杂区按照规则图案布置在晶体硅片的正面或背面，所述的局部重掺杂区与对应位置的透明导电膜直接接触，透明导电膜将局部重掺杂区连接成为复合电极的导电组合体。
所述的规则图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；其中，一维几何图案的线宽为20～500um，数量为5～100根，线长为2～156mm；二维几何图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm；其中，一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
所述的透明导电膜-金属复合电极包括：透明导电膜和掺杂晶硅层，透明导电膜设置在掺杂晶硅层之上，掺杂晶硅层设置在隧穿层之上，隧穿层设置在硅基体之上。
所述的隧穿层为氧化硅、二氧化铪、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅的一种或多种薄膜的叠层，隧穿层的厚度为1～10nm。
所述的透明导电膜上还设置有金属电极，细金属导线与金属电极或背面金属电极进行连接。
金属电极以规则图案方式排布在透明导电膜上，所述的规则图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；其中，一维几何图案的线宽为20～500um，数量为5～100根，线长为2～156mm；二维几何图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm；其中，一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
所述的细金属导线为细铜线、银线、镀银铜线、铝线、镍线、金属合金线或复合金属线，其直径为50～500um。
所述的电池片为整片电池或分割后的非整片电池。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明给出了具有透明电极晶体硅光伏电池组串的一种连接方式，电池组串采用细金属导线将相邻电池片以正背面交替连接，透明导电膜-金属复合电极构成了组件内各电池片的导电连接体。与目前常规的电池连接技术相比，采用透明电极的电池能带来如下收益：(1)光遮挡面积极小，且组件可以很容易的改进为双玻组件，这相当于进一步增加了组件的可发电面积，从而提高组件的功率输出；(2)大大降低了电池片银电极的使用量，降低了生产成本；(3)由于细金属导线网布在透明导电膜-金属复合电极之上，能够避免电池片在加工及运行过程中产生的微裂纹对电流的影响。
进一步，本发明适用于三种透明导电膜-金属复合电极，使该组件的电池电极结构选择更多，可以根据实际需求进行选择。
进一步，本发明的电池片连接，可以实现电池片为整片电池或分割后的非整片电池，组合连接更加方便，不受电池片大小的限制。
附图说明
图1-1电池正面透明导电膜-金属复合电极与背面透明导电膜-金属复合电极连接局部剖面示意图；
图1-2电池正面透明导电膜-金属复合电极与背面金属电极连接局部剖面示意图；
图1-3电池正面透明导电膜与背面金属电极连接局部剖面示意图；
图1-4电池正面透明导电膜与背面透明导电膜连接局部剖面示意图；
图2-1透明导电膜-金属复合电极局部剖面示意图一；
图2-2透明导电膜-金属复合电极局部剖面示意图二；
图2-3透明导电膜-金属复合电极局部剖面示意图三；
图3-1具有透明导电膜-金属复合电极的电池片连接局部俯视示意图一；
图3-2具有透明导电膜-金属复合电极的电池片连接局部俯视示意图二；
图3-3具有透明导电膜-金属复合电极的电池片连接局部俯视示意图三；
图3-4具有透明导电膜-金属复合电极的电池片连接局部俯视示意图四；
图4-1整片电池片形成的组件；
图4-2半片电池片形成的组件。
其中，1为金属电极，2为透明导电膜，3为减反射膜/钝化膜，4为局部接触金属电极，5为局部重掺杂区，6为N型掺杂晶硅层，7为隧穿氧化层，8为细金属导线，9为背面金属电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1-1和图1-2所示，本发明一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，用于形成构成光伏组件的电池组串，其电池片正面和/或背面电极采用透明导电膜-金属复合电极。组件配置采用细金属导线8连接进行串联，正面和背面的透明导电膜2之间、或透明导电膜2与背面金属电极9之间通过细金属导线8连接。透明导电膜-金属复合电极构成了组件内各电池片的导电连接体。
这种复合电极的结构见图2-1、2-2、2-3，具体结构如下：
如图2-1所示，复合电极包括：透明导电膜2、局部接触金属电极4和金属电极1；局部接触金属电极4以规则图案方式排布在晶体硅太阳能电池的减反射膜/钝化膜3上，且局部接触金属电极4穿透减反射膜/钝化膜3与晶体硅片形成局部欧姆接触；所述金属电极1设置于透明导电膜2上；所述的透明导电膜2设置在减反射膜/钝化膜3及局部接触金属电极4之上，并将局部接触金属电极4及金属电极1连接成为晶体硅太阳能电池电极的导电组合体。
如图2-2所示，第二种复合电极包括：设置在晶体硅片上的局部重掺杂区5、设置在减反射膜/钝化膜3上的透明导电膜2和设置在透明导电膜2上的金属电极1，减反射膜/钝化膜3设置在晶体硅片上；所述的局部重掺杂区5按照规则图案布置在晶体硅片的正面或背面，所述的局部重掺杂区5与对应位置的透明导电膜2直接接触，透明导电膜2将局部重掺杂区5及金属电极1连接成为晶体硅电池电极的透明导电组合体。
如图2-3所示，第二种复合电极包括：由外到内依次设置的金属电极1、N型掺杂晶硅层6和隧穿氧化层7，隧穿氧化层对背面提供良好的钝化，N型掺杂晶硅层6作为电荷的垂直传导层，透明导电膜2作为电荷的横向传导层，透明导电膜2上的金属电极1起到电荷汇集及电池片之间连接的作用。隧穿氧化层7为隧穿氧化硅薄膜。。N型掺杂晶硅层可以为多晶硅或者微晶硅。
局部接触金属电极4或局部接触金属电极4采取阵列分布的实心或镂空图案，图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合。其中，一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。本专利优先考虑一维栅线状金属电极图案。电池片为单晶或多晶硅电池片的整片电池或分割后的非整片电池。具有透明导电膜-金属复合电极的晶硅电池片可以采取下述两种方法进行连接。
方法一：如图1-1至图1-4，在组件的串焊生产环节，通过激光焊接将细金属导线8与透明导电膜表面的金属电极连接在一起，实现相邻电池片的正、背面串联，随后按常规的组件生产工艺进行处理。具体实现步骤如下：
1)将单晶或多晶硅电池片按等级分类，电池片的正面和/或背面电极为透明导电膜-金属复合电极，复合电极中的金属图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合。其中，一维金属图案的线宽为20～500um，数量为5～100根，线长为2～156mm；二维金属图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm。电池片为行业标准的整片电池或分割后的非整片电池。
2)在电池片的透明导电膜-金属复合电极上制作细金属导线8，细金属导线8为细铜线、银线、铝线、镍线、金属合金线或复合金属线，其直径为50～500um、数量为5～50根，细金属导线8与透明导电膜上的金属电极1通过激光焊接的方式结合在一起，实现相邻电池片正面与背面的串联。
3)在电池组串上覆盖封装材料，封装材料包括EVA、TPA、光伏玻璃等。
4)采用热压法将封装材料和电池组串结合为一个整体。
5)进行修边和EL测试。
6)将封装件经过组框、打胶处理后进行24～48小时固化。
7)对组件进行性能测试。
方法二：在电池组串的封装材料中添加一种内含细金属导线8的聚合物膜，在组件的热压过程中，聚合物膜中的细金属导线8通过低熔点金属与透明导电膜上1结合在一起，实现相邻电池片的正、背面串联，具体实现步骤如下：
(1)将单晶或多晶硅电池片按等级分类，电池片的正面和/或背面电极为透明导电膜-金属复合电极，复合电极中的金属图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合。其中，一维金属图案的线宽为20～500um，数量为5～100根，线长为2～156mm；二维金属图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm。电池片为行业标准的整片电池或分割后的非整片电池。
(2)在电池组串上覆盖封装材料，封装材料包括EVA、TPA、光伏玻璃、内含细金属导线8的聚合物膜。细金属导线8为细铜线、银线、铝线、镍线、金属合金线或复合金属线，其直径为50～500um，数量为5～50根。
(3)进行热压，聚合物膜中的细金属导线8通过低熔点金属与透明导电膜上1结核在一起，实现相邻电池片正面与背面的串联。
(4)进行修边和EL测试。
(5)将封装件经过组框、打胶处理后进行24～48小时固化。
(6)对组件进行性能测试。
如图3-1所示，透明到透明导电膜2上无金属电极1，通过该叠层的也能够实现电池的导通。如图3-2所示，透明导电膜2上的金属电极1为无主栅的多条平行细栅线，金属导线8设置方向与细栅线相交，优选垂直。如图3-3所示，透明导电膜2上的金属电极1为不连续的线段细栅线，金属导线8设置方向与不连续的线段细栅线相交，优选垂直。如图3-3所示，透明导电膜2上的金属电极1为金属点，金属导线8设置方向与金属点连接。金属电极1为平行设置的主栅线电极结构或者主栅线和细栅线垂直形成网格线结构，其中电池组串沿主栅线的设置方向连接。
如图4-1和4-2所示，电池片为单晶或多晶硅电池片的整片电池或分割后的非整片电池。
下面结合具体实施例对本发明的光伏组件制作方法进行详细说明：
实施例1：
(1)将单晶硅电池片按等级分类，电池片为M2规格，电池片的正面和背面电极均为透明导电膜-金属复合电极，透明导电膜上为一组相互平行的等距金属细栅线，数量为40根，线宽为30um，线长为2mm。
(2)在电池片的透明导电膜-金属复合电极上制作细铜线，铜线的直径为50um，数量为30根，细铜线与复合电极的金属细栅线垂直相交，并在串焊工艺中通过激光焊接的方式垂直结合在一起，同时将相邻电池片的正面与背面串联在一起。每10个电池片通过细铜线串联形成1个电池组串，每6个电池组串再通过焊带串联在一起。
(3)从下到上按光伏玻璃、EVA、电池组串、EVA、光伏玻璃的顺序进行叠层处理。
(4)在140℃下采用层压机进行层压处理，使EVA发生交联，将电池组串与光伏玻璃封装结合在一起。
(5)进行修边和EL测试。
(6)将封装件经过组框、打胶处理后进行24～48小时固化，最终形成可双面受光发电的双玻密集配置组件。
(7)对双玻密集配置组件进行性能测试。
实施例2：
(1)将单晶硅电池片按等级分类，电池片为M2规格，电池片的正面电极为透明导电膜-金属复合电极，背面电极为金属电极。透明导电膜上为一组相互平行的等距金属细栅线，数量为30根，线宽为50um，线长为50mm。
(2)将M2电池片进行二等分切割处理；
(3)将半电池片组串按TPA、EVA、内含铜线的聚合物、电池组串、内含铜网的聚合物、EVA、光伏玻璃的顺序进行叠层处理。铜线的直径为100um，数量为15根。
(4)在150℃下采用层压机进行层压处理，使EVA发生交联，将电池组串、光伏玻璃及TPA封装形成一个整体。铜线上附着的低熔点金属与导电膜上的金属细栅结合在一起，同时将相邻电池片的正面与背面串联在一起。
(5)进行修边和EL测试。
(6)将封装件经过组框、打胶处理后进行24～48小时固化，最终形成密集配置组件。
(7)对密集配置组件进行性能测试。
实施例3：
(1)将单晶硅电池片按等级分类，电池片为M2规格，电池片的正面电极为透明导电膜-金属复合电极，背面电极为金属电极。透明导电膜上为圆形图案的金属电极，直径为100um，相邻图案的几何中心的距离为2mm。
(2)将电池片组串按TPA、EVA、内含铜线的聚合物、电池组串、内含铜网的聚合物、EVA、光伏玻璃的顺序进行叠层处理。铜线的直径为100um，数量为15根。
(3)在150℃下采用层压机进行层压处理，使EVA发生交联，将电池组串、光伏玻璃及TPA封装形成一个整体。铜线上附着的低熔点金属与导电膜上的金属电极结合在一起，同时将相邻电池片的正面与背面串联在一起。
(4)进行修边和EL测试。
(5)将封装件经过组框、打胶处理后进行24～48小时固化，最终形成密集配置组件。
(6)对密集配置组件进行性能测试。
实施例4：
(1)将单晶硅电池片按等级分类，电池片为M2规格，电池片的正面与背面电极均为透明导电膜电极(无金属)。
(2)将电池片组串按TPA、EVA、内含铜线的聚合物、电池组串、内含铜网的聚合物、EVA、光伏玻璃的顺序进行叠层处理。铜线的直径为40um，数量为30根。
(3)在150℃下采用层压机进行层压处理，使EVA发生交联，将电池组串、光伏玻璃及TPA封装形成一个整体。铜线上附着的低熔点金属与导电膜电极结合在一起，同时将相邻电池片的正面与背面串联在一起。
(4)进行修边和EL测试。
(5)将封装件经过组框、打胶处理后进行24～48小时固化，最终形成密集配置组件。
(6)对密集配置组件进行性能测试。
以上所述仅为本发明的几种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，包括至少两个电池片，电池片的正面电极为透明导电膜-金属复合电极，背面电极为透明导电膜-金属复合电极或背面金属电极(9)；相邻的电池片以正、背面电极通过Z型的细金属导线(8)连接，实现相邻电池片的正、背面串联。
2.根据权利要求1所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的透明导电膜-金属复合电极包括：透明导电膜(2)和局部接触金属电极(4)；局部接触金属电极(4)以规则图案方式排布在晶体硅片表面的减反射膜/钝化膜(3)上，且局部接触金属电极(4)穿透减反射膜/钝化膜(3)与晶体硅片形成局部欧姆接触；所述的透明导电膜(2)设置在减反射膜/钝化膜(3)及局部接触金属电极(4)之上，并将局部接触金属电极(4)连接成为复合电极的导电组合体。
3.根据权利要求1所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的透明导电膜-金属复合电极包括：设置在晶体硅片上的局部重掺杂区(5)和设置在减反射膜/钝化膜(3)上的透明导电膜(2)，减反射膜/钝化膜(3)设置在晶体硅片和局部重掺杂区(5)上；所述的局部重掺杂区(5)按照规则图案布置在晶体硅片的正面或背面，所述的局部重掺杂区(5)与对应位置的透明导电膜(2)直接接触，透明导电膜(2)将局部重掺杂区(5)连接成为复合电极的导电组合体。
4.根据权利要求2或3所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的规则图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；其中，一维几何图案的线宽为20～500um，数量为5～100根，线长为2～156mm；二维几何图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm；其中，一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
5.根据权利要求1所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的透明导电膜-金属复合电极包括：透明导电膜(2)和掺杂晶硅层(6)，透明导电膜(2)设置在掺杂晶硅层(6)之上，掺杂晶硅层(6)设置在隧穿层(7)之上，隧穿层(7)设置在硅基体之上。
6.根据权利要求5所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的隧穿层(7)为氧化硅、二氧化铪、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅的一种或多种薄膜的叠层，隧穿层的厚度为1～10nm。
7.根据权利要求2或3或5任意一项所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的透明导电膜(2)上还设置有金属电极(1)，细金属导线(8)与金属电极(1)或背面金属电极(9)进行连接。
8.根据权利要求7所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，金属电极(1)以规则图案方式排布在透明导电膜(2)上，所述的规则图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合；其中，一维几何图案的线宽为20～500um，数量为5～100根，线长为2～156mm；二维几何图案的尺寸为20～2000um，相邻两个图形中心距为0.5～10mm；其中，一维几何图形选自：线段、虚线段或弧线；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。
9.根据权利要求1所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的细金属导线(8)为细铜线、银线、镀银铜线、铝线、镍线、金属合金线或复合金属线，其直径为50～500um。
10.根据权利要求1所述的一种具有透明电极晶体硅光伏电池的组串连接结构，其特征在于，所述的电池片为整片电池或分割后的非整片电池。
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