CN106229353B - 一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法，该方法主要是在一块TCO导电玻璃上通过激光刻线分离出两个或两个以上的子电池，然后用引流条先并联子电池，再用汇流条串联制作薄膜电池组件。本发明充分考虑到了大面积镀膜后膜层均匀性较差的缺点，结合并联电路的特点，化解了膜层差异和串联连接子电池带来的问题，还可根据工艺要求制作多个并联连接的子电池块，再将并联的子电池块串联起来，形成并联加串联的连接方式，有利于改善电池性能。采用此工艺制作方法，由于后段工艺和串联连接方式相同，因此成本上没有差异，最总要的是解决了我们在生产中避免不了的问题，具有广泛的应用前景。

Description

一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池的技术领域，尤其是指一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法。
背景技术
现在薄膜太阳能电池主要有非硅基薄膜电池、CIGS薄膜太阳能、CdTe薄膜电池等，其材料薄膜电池镀膜材料差异明显外，其工艺制作方法基本相同，均采用激光刻划导电玻璃上的导电膜，然后再采用PECVD或PVD的工艺制作方法镀膜，形成PN及，然后再经过第二到激光刻划，在镀膜制作背电极膜层后再经过第三道激光刻划，形成串联的子电池，然后使用引流条和汇流条将电池引出，形成电池的正负极，为后面安装接线盒做好准备；经后段工艺(后段工艺包括：涂布丁基胶、覆盖EVA膜、层压机层压电池片封装、安装接线盒，测试包装)即完成工艺制作得到串联连接的薄膜电池组件。
这样制作电池工艺简单，对激光设备控制和汇流条和引流条焊接设备的要求较低。但对于薄膜电池来说，镀膜膜层面积较大，本身膜层比较薄，有的改善型膜层只有3～5nm，如果设备性能不好，那么膜层均匀性就较差，再结合我们工艺制作中形成串联子电池，最终得到串联连接的薄膜组件。我们知道串联电路的特点：⑴电路连接特点：串联的整个电路是一个回路，各用电器依次相连，没有“分支点”；⑵用电器工作特点：各用电器相互影响，电路中一个用电器不工作，其余的用电器就无法工作。⑶电路的电流工作特点：电流有明显的“木桶效应”，串联电路电流处处相等：I总＝I1＝I2＝I3＝……＝In，即如果电路中某个子电池由于膜层均匀性较差或激光刻线不良，引起断路，那么其电阻就明显偏大导致电流明显下降，引起一连串的问题，如产品良率下降，公司成本增加等问题。⑷串联电路总电压等于各处电压之和：U总＝U1+U2+U3+……+Un；⑸串联电阻的等效电阻等于各电阻之和：R总＝R1+R2+R3+……+Rn。
经过分析上面的技术问题，我们在工艺制作中可采用并联子电池，然后在经过和串联电路一样后后段工艺，不但不会增加成本，还能解决上面串联连接带来的问题。如果薄膜电池衬底(如玻璃)面积较大，我们还可将玻璃上的薄膜电池通过激光刻划为n个面积相同的并联子电池模块，然后在将这些子电池模块串联起来，即可解决串联连接带来的问题。我们知道并联电路的特点：⑴电路连接特点：并联电路由干路和若干条支路组成，有“分支点”.每条支路各自和干路形成回路，有几条支路，就有几个回路，如果在镀膜中某个区域的膜层均匀性较差或激光刻线引起不良，不会对整个电路有明显影响，I总＝I1+I2+I3……+In；⑵用电器工作特点：并联电路中，一条支路中的用电器若不工作，其他支路的用电器仍能工作；⑶并联电路电阻特点：1÷R总＝1÷R1+1÷R2在并联电路中总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和；⑷并联电路电压特点：U总＝U1＝U2＝…＝Un在并联电路中电压都相等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法，能有效解决此类具膜层均匀性较差或某个子电池激光刻线不良引起发电功率下降的问题，特别是大面积镀膜的薄膜电池组件。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法，该方法主要是在一块TCO导电玻璃上通过激光刻线分离出两个或两个以上的子电池，然后用引流条先并联子电池，再用汇流条串联制作，其包括以下步骤：
1)将长方形的TCO导电玻璃磨边清洗干净后，送到第一道激光设备进行刻线，第一道激光刻线根据工艺要求平行短边刻划TCO导电膜层或镀膜层，并贯穿玻璃两长边，然后根据子电池大小沿长边方向等距将整块玻璃的导电膜或镀膜层均匀刻划完毕；
2)根据导电玻璃面积大小和工艺要求，在TCO导电玻璃上平行长边刻划n条贯穿玻璃两短边的激光线，n为正整数，将整块玻璃的导电膜或镀膜层均匀分成相互独立的n+1部分，每个部分配合汇流条和引流条焊接能够制作成面积相同的电池块；
3)刻划第一道激光工艺后，TCO导电玻璃经过相关的镀膜工艺后，膜层形成薄膜电池的PN结，然后薄膜电池传送到第二道激光设备，第二道激光刻线平行于短边刻线，且刻线位置必须和第一道激光刻线重合，保证完全将子电池分隔开；
4)与第一道激光工艺一样，在薄膜电池上平行长边刻划n条贯穿玻璃两短边的激光线，n为正整数，将整块玻璃的镀膜均匀分成相互独立的n+1部分，且第二道激光刻线必须和第一道激光刻线重合；
5)刻划完第二道激光工艺后，薄膜电池镀背电极膜层，完成背电极膜层制作后，薄膜电池来到第三道激光设备开始刻划第三道激光，同第二道激光刻划一样，平行短边刻划激光线，将背电极膜层分隔开，直到均匀将子电池分开，第三道激光线刻划必须和第二道激光线重合，最终形成独立的子电池；
6)与第二道激光工艺一样，在薄膜电池上平行长边刻划n条贯穿玻璃两短边的激光线，n为正整数，将整块玻璃的镀膜均匀分成相互独立的n+1部分，且第三道激光刻线必须与第一、二道激光刻线重合，形成n+1个子电池模块，激光刻线经后面引流条和汇流条焊接后得到先并联后串联连接的薄膜电池；
7)薄膜电池经过退火和测试分选后，送到超声波焊接机处进行各子电池模块负极和正极的引流条依次焊接，直到焊接完n+1个子电池模块的负极和正极的引流条，其中，在焊接交替位置处正极和负极的引流条时，记得与激光刻线保持距离，保证不能相连接；
8)粘贴绝缘胶带，从一个子电池模块的负极位置粘贴绝缘胶带粘贴到第二个子电池模块的正极位置，该第二个子电池模块的负极位置再粘贴绝缘胶带粘贴到第三个子电池模块的正极位置，以此类推，一直粘贴到第n个子电池模块正极和n+1个子电池模块的负极连接；
9)焊接汇流条，焊接一个子电池模块的负极边汇流条，并连接到第二个子电池模块的正极边，一直焊接到第n个子电池模块正极和第n+1个子电池模块的负极连接，其中，汇流条必须经过绝缘胶带，且要求汇流条不能比绝缘胶带宽；
10)使用引流条和汇流条将电池引出，形成电池的正负极，为后面安装接线盒做好准备；经后段工艺，包括：涂布丁基胶、覆盖EVA膜、层压机层压电池片封装、安装接线盒、测试包装，即完成工艺制作得到串联连接的薄膜电池组件。
在步骤6)中，当电池没有刻划中间位置的激光线时，则电池的负极边位于电池片流向下一制程方向的左手边边缘区域，右手边为正极；如果电池沿玻璃中间位置按照前面步骤刻划激光线，得到两个或两个以上的电池模块，则电池的负极边同样位于电池片流向下一制程方向的左手边边缘，正极位于中间激光线的左侧。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、当膜层膜层均匀性较差，可降低由于膜层影响对电池发电功率的影响。
2、可减小电池的热斑效应，提高电池组件发电的稳定性和发电功率。
3、降低生产企业的生产成本和提高产品良率。
4、可有效减小激光刻线带来的“死区”，提高电池发电的有效面积。
附图说明
图1为串联连接的激光刻线方式示意图。
图2为图1的串联连接电路示意图。
图3为并联连接的激光刻线方式示意图。
图4为图3的并联连接电路示意图。
图5为并联后再串联示意图。
图6为本发明的激光刻线示意图。
图7为引流条和汇流条并联后再串联示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所述的先并联再串联的薄膜电池组件制备方法，主要是在一块TCO导电玻璃上通过激光刻线分离出两个或两个以上的子电池，然后用引流条先并联子电池，再用汇流条串联制作，其包括以下步骤：
1)将长方形的TCO导电玻璃磨边清洗干净后，自动化传输台将TCO导电玻璃送到第一道激光设备进行刻线，第一道激光刻线(简称P1)根据工艺要求平行短边刻划TCO导电膜层或镀膜层(如图6所示)，并贯穿玻璃两长边，然后根据子电池大小沿长边方向等距将整块玻璃的导电膜或镀膜层均匀刻划完毕。
2)根据导电玻璃面积大小和工艺要求，在TCO导电玻璃上平行长边刻划n条贯穿玻璃两短边的激光线，n为正整数，将整块玻璃的导电膜或镀膜层均匀分成相互独立的n+1部分，每个部分配合汇流条和引流条焊接能够制作成面积相同的电池块；而在本实施例中，具体是在玻璃的中间平行长边刻划激光线，将整块玻璃的导电膜或镀膜层均匀分成2部分。
3)刻划第一道激光工艺后，TCO导电玻璃经过相关的镀膜工艺后，膜层形成薄膜电池的PN结，然后薄膜电池传送到第二道激光设备，第二道激光刻线(简称P2)平行于短边刻线，且刻线位置必须和第一道激光刻线重合，保证完全将子电池分隔开。
4)与第一道激光工艺一样，在薄膜电池的中间平行长边刻划激光线，将整块玻璃的镀膜均匀分成2部分。当然，如果第一道激光工艺平行长边刻划了n(n大于1)条激光线，得到了n+1个面积相同的电池块，那么第二道工艺也要平行长边刻划n条激光线，且第二道激光刻线必须和第一道激光刻线重合(如图3所示)。
5)刻划完第二道激光工艺后，薄膜电池镀背电极膜层，完成背电极膜层制作后，薄膜电池来到第三道激光设备开始刻划第三道激光，同第二道激光刻划一样，平行短边刻划激光线，将背电极膜层分隔开，直到均匀将子电池分开，第三道激光线(简称P3)刻划必须和第二道激光线重合，最终形成独立的子电池。
6)与第二道激光工艺一样，在薄膜电池的中间平行长边刻划激光线，将整块薄膜电池的膜层均匀分成2部分。当然，如果第一道和第二道激光工艺平行长边刻划了n(n大于1)条激光线，得到了n+1个面积相同的电池块，那么第三道激光工艺也必须平行长边刻划n条激光线，且第三道激光刻线必须和第二道激光、第一道激光刻线重合(如图3所示)，形成n+1个子电池模块。激光刻线经后面引流条和汇流条焊接后得到先并联后串联连接的薄膜电池。注意：当电池没有刻划中间位置的激光线，则电池的负极边位于电池片流向下一制程方向的左手边边缘区域，右手边为正极；如果电池沿玻璃中间位置按照前面步骤刻划激光线，得到的两个或两个以上的电池模块，则电池的负极边同样位于电池片流向下一制程方向的左手边边缘，正极位于中间激光线的左测，如图6所示，假设负极边位置的电池模块为子电池模块1，便于后面区分，中间激光线的右侧为子电池模块2的负极，子电池模块2正极位于电池的另外边缘；如果制作n+1个电池块，则负极位于电池片流向下一制程方向的左手边边缘，然后形成子电池模块1正极和子电池模块2负极交替，直到n个子电池模块正极和n+1个子电池模块的负极交替，第n+1个子电池模块的正极位于薄膜电池的另外一边边缘区域。
7)薄膜电池经过退火和测试分选后，送到超声波焊接机处进行各子电池模块负极和正极的引流条依次焊接。首先，焊接薄膜电池的子电池模块1的负极边的引流条，然后焊接子电池模块1的正极引流条，再依次焊接子电池模块2的负极和正极的引流条，直到焊接完n+1个子电池模块的负极和正极的引流条(如图7所示的3、4、5、6)。注意：在焊接交替位置处正极和负极的引流条时，记得与激光刻线保持2mm的距离，保证不能相连接。
8)粘贴绝缘胶带(如图7所示的7)，从子电池模块1的负极位置粘贴绝缘胶带粘贴到子电池模块2的正极位置，当子电池模块数大于2时，由于串联后电池的正结边和负极边可能有一定的距离，为了便于后面组件封装和安装接线盒，需在原来粘贴绝缘胶带的旁边从新粘贴绝缘胶带，将电池的正极和负极从两边引向电池组件的中心线上，保证外观好看，如果正极或是负极就在电池中心线附近，只需要在原来粘贴绝缘胶带的旁边重新粘贴绝缘胶带，将负极或正极引向中心即可，保证好安装接线盒，一直粘贴到第n个子电池模块正极和n+1个子电池模块的负极连接。
9)焊接汇流条，焊接子电池模块1的负极边汇流条，并连接到子电池模块2的正极边，一直焊接到第n个子电池模块正极和第n+1个子电池模块的负极连接，其中，汇流条必须经过绝缘胶带，且要求汇流条不能比绝缘胶带宽。
10)使用引流条和汇流条将电池引出，形成电池的正负极，为后面安装接线盒做好准备；经后段工艺，包括：涂布丁基胶、覆盖EVA膜、层压机层压电池片封装、安装接线盒、测试包装，即完成工艺制作得到串联连接的薄膜电池组件。
下面我们举例对比一下串联连接和先并联再串联联电路的差异，(假设均分为N个子电池块(N为正整数)。把整块薄膜电池看做一个电子元器件，其电阻为R′。其开路电压为U′。经过串联连接方式或并联连接方式将电池板均分成N个大小相同的子电池块，每个子电池电阻为R,电流为I，则每个字典块的电阻为R1′＝R′/N①，由于串联连接电流处处相等，总电阻为各个子电池模块电阻之和，如果采用串联的方式连接(如图1和图2所示)，设串联连接后总电阻为R1，串联后总电压为U1，总电流为I1,那么串联总电阻R1＝R′＝(n+1)R②，I1＝U/R＝U1/R1＝U′/R′③，则电池电阻损失能量Q1＝I1 2R1＝(U/R)2×(n+1)R④；如果采用并联再串联的方式连接(如图3和图4所示)，设并连接的总电阻R2，各个并联子电池模块电阻R2′＝R/N(n+1)⑤,总电流I2，总电压为U2，并联总电阻R2＝NR/(n+1)⑥，通过换算，R2＝R1/N(n+1)2⑦,那么先并联再串联后损失能量Q2＝I2 2R2＝U2/(n+1)3R⑧。对比可知Q1＞Q2⑨。
对于单位面积薄膜电池接收的能量为Q′，不管串联还是并联再串联的连接方式，由于其膜层结构相同,其反射能量相同，设定为Q⑩，其由于子电池本身电阻，在功率转化过程中要发热而消耗一部分能量，那么串联连接方式转化为将太阳能转化为电能的能量Q1′＝Q′-Q-Q1⑾；那么先并联再串联连接方式转化为将太阳能转化为电能的能量Q2′＝Q′-Q-Q2⑿；结合⑨和⑩可知,Q2′>Q1′,即采用先并联再串联的方式刻线并制作为电池组件,其转化效率要比串联方式转化效率高。
此外，从结构上看，如果图2中的某一个电池如果发生短路或电阻过大，那么对这个电池组件影响就非常明显，但是如果采用图4的连接方式，如果某一个电池发生短路或电阻过大，最大程度就是这个子电池不工作或工作效率不明显，但是不会影响到整体。并且我们可根据需要将整个电池片设计为两个并联电路如图5所示，进一步减小内阻,还可以进一步并联然后再串联，这样可减小制作工艺的难度。
本发明主要解决薄膜太阳能电池在工艺制程中薄膜均匀性较差导致转化效率较低的问题，同时在不增加产品成本的基础上提升产品质量，赢得市场。经初步计算，产品转化效率可提升1％，如按100MW/年产能计算，那每年可多发电1MW，按4元/W计算，可产生4百万元的利润。
电网对于并网光伏电站的低电压穿越能力有了更高的要求，光伏电站必须能够在外部电网故障、特别是电网电压骤降故障时不间断并网运行，因此需要光伏组件较低的电压和较高的电流，便于并网，采用此发明生产电池组件，在并网时不需要购买或少购买降压器，为建设电站降低成本。
总之，本发明充分考虑到了大面积镀膜后膜层均匀性较差的缺点，结合并联电路的特点，化解了膜层差异和串联连接子电池带来的问题，还可根据工艺要求制作多个并联连接的的子电池块，再将并联的子电池块串联起来，形成并联加串联的连接方式，有利于改善电池性能。采用此工艺制作方法，由于后段工艺和串联连接方式相同，因此成本上没有差异，最总要的是解决了我们在生产中避免不了的问题，具有广泛的应用前景，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法，其特征在于，该方法是在一块TCO导电玻璃上通过激光刻线分离出两个或两个以上的子电池，然后用引流条先并联子电池，再用汇流条串联制作，其包括以下步骤：
1)将长方形的TCO导电玻璃磨边清洗干净后，送到第一道激光设备进行刻线，第一道激光刻线根据工艺要求平行短边刻划TCO导电膜层或镀膜层，并贯穿玻璃两长边，然后根据子电池大小沿长边方向等距将整块玻璃的导电膜或镀膜层均匀刻划完毕；
2)根据导电玻璃面积大小和工艺要求，在TCO导电玻璃上平行长边刻划n条贯穿玻璃两短边的激光线，n为正整数，将整块玻璃的导电膜或镀膜层均匀分成相互独立的n+1部分，每个部分配合汇流条和引流条焊接能够制作成面积相同的电池块；
3)刻划第一道激光工艺后，TCO导电玻璃经过相关的镀膜工艺后，膜层形成薄膜电池的PN结，然后薄膜电池传送到第二道激光设备，第二道激光刻线平行于短边刻线，且刻线位置必须和第一道激光刻线重合，保证完全将子电池分隔开；
4)与第一道激光工艺一样，在薄膜电池上平行长边刻划n条贯穿玻璃两短边的激光线，n为正整数，将整块玻璃的镀膜均匀分成相互独立的n+1部分，且第二道激光刻线必须和第一道激光刻线重合；
5)刻划完第二道激光工艺后，薄膜电池镀背电极膜层，完成背电极膜层制作后，薄膜电池来到第三道激光设备开始刻划第三道激光，同第二道激光刻划一样，平行短边刻划激光线，将背电极膜层分隔开，直到均匀将子电池分开，第三道激光线刻划必须和第二道激光线重合，最终形成独立的子电池；
6)与第二道激光工艺一样，在薄膜电池上平行长边刻划n条贯穿玻璃两短边的激光线，n为正整数，将整块玻璃的镀膜均匀分成相互独立的n+1部分，且第三道激光刻线必须与第一、二道激光刻线重合，形成n+1个子电池模块，激光刻线经后面引流条和汇流条焊接后得到先并联后串联连接的薄膜电池；
7)薄膜电池经过退火和测试分选后，送到超声波焊接机处进行各子电池模块负极和正极的引流条依次焊接，直到焊接完n+1个子电池模块的负极和正极的引流条，其中，在焊接交替位置处正极和负极的引流条时，记得与激光刻线保持距离，保证不能相连接；
8)粘贴绝缘胶带，从一个子电池模块的负极位置粘贴绝缘胶带粘贴到第二个子电池模块的正极位置，该第二个子电池模块的负极位置再粘贴绝缘胶带粘贴到第三个子电池模块的正极位置，以此类推，一直粘贴到第n个子电池模块正极和n+1个子电池模块的负极连接；
9)焊接汇流条，焊接一个子电池模块的负极边汇流条，并连接到第二个子电池模块的正极边，一直焊接到第n个子电池模块正极和第n+1个子电池模块的负极连接，其中，汇流条必须经过绝缘胶带，且要求汇流条不能比绝缘胶带宽；
10)使用引流条和汇流条将电池引出，形成电池的正负极，为后面安装接线盒做好准备；经后段工艺，包括：涂布丁基胶、覆盖EVA膜、层压机层压电池片封装、安装接线盒、测试包装，即完成工艺制作得到串联连接的薄膜电池组件。
2.根据权利要求1所述的一种先并联再串联的薄膜电池组件制备方法，其特征在于：在步骤6)中，当电池没有刻划中间位置的激光线时，则电池的负极边位于电池片流向下一制程方向的左手边边缘区域，右手边为正极；当电池沿玻璃中间位置按照前面步骤刻划激光线，得到两个或两个以上的电池模块时，则电池的负极边同样位于电池片流向下一制程方向的左手边边缘，正极位于中间激光线的左侧。
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