CN110462844A - 用于光伏电池的光学屏蔽件 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于光伏电池201的光学屏蔽件20，所述光学屏蔽件包括至少一个载体元件11，所述载体元件包括多个嵌入式光学功能腔51，该光学功能腔布置成至少一个预定的光学雕刻图案52，其中所述至少一个载体元件中的每个嵌入式光学功能腔定位于并对准在诸如电极、触点、指状物或母线之类的单独的表面结构之上，所述单独的表面结构设置在光伏电池的表面上。

Description

用于光伏电池的光学屏蔽件

技术领域

本发明总体上涉及光学元件。具体地，本发明涉及一种用于设置在光伏电池上的表面结构(诸如触点、电极、指状物和母线之类)的光学屏蔽件。

背景技术

通常，光伏(PV)电池或PV材料，特别是多晶硅和单晶硅，具有覆盖PV表面的5％至10％的表面结构，诸如触点、电极、指状物和/或母线。这些表面触点通常是通过掩模印刷产生的银电极并且具有85％的反射率。这种触点通常会引起反射和阴影损失，这意味着会有大约5％至10％的光学损耗，以及总的来说，会使相同用量的电池的输出电量降低。

另一方面，使光伏电池(顶部)表面上的表面结构的总量和大小最小化将对整个电池功率输出造成更大的电阻和相关的电损耗。在这方面，常规的触点和/或电极设计是这两个参数之间的折衷设计。

另外，上述PV电池结构的大小、数量、周期和/或位置对诸如内部电阻、传输电流和高度区域掺杂与低度区域掺杂之类的因素具有影响。这些因素导致PV电池总功率输出的减少或增加。

目前并且预期在将来，PV电池的架构、设计和构造基于/将基于在所述电池的表面上设置触点和/或电极(图1A和图1B)。可用的非接触式解决方案结合了更高的制造价格与更低的产量；因此，这种解决方案在PV电池设计和架构中的主导性不是直接相关的主题。

发明内容

本发明的目的是至少减轻由现有技术的限制和缺点引起的各个问题。该目的是根据独立权利要求1中限定的内容，通过用于光伏电池的光学屏蔽件组件的各种实施方式实现的。

在优选实施方式中，提供了用于光伏电池的光学屏蔽件，其中至少一个载体元件包括多个嵌入式光学功能腔，所述光学功能腔布置成至少一个预定的光学雕刻图案，其中所述至少一个载体元件中的每个嵌入式光学功能腔定位于并对准在单独的表面结构之上，所述单独的表面结构(诸如电极、触点、指状物或母线之类)设置在光伏电池的表面上。

在一些实施方式中，光学屏蔽件还包括相对于至少一个载体元件设置的平坦的平面基层元件，使得光学功能腔位于由所述至少一个载体元件限定的层和由所述基层元件限定的层之间。

在一些实施方式中，光学功能腔填充有内部介质材料，该内部介质材料具有与所述腔周围的介质材料的折射率不同的折射率。在另外的实施方式中，就嵌入式光学功能腔的大小、形状、尺寸和布置而言，每个嵌入式光学功能腔被构造成用于反射功能、折射功能、偏转功能和衍射功能中的至少一者。

在一些实施方式中，至少一个载体元件和/或基层元件是塑料聚合物、玻璃或树脂。

在一些优选实施方式中，嵌入式光学功能腔设置呈V形凹槽的形式。

在一些实施方式中，腔填充有设置呈流体或固体形式的内部介质材料，该材料可选自空气、气体和液体。

在一些另外的实施方式中，每个嵌入式光学功能腔至少部分地由光学功能涂层涂覆，其中所述涂层的光学功能包括以下中的至少一者：镜面反射、漫反射和波长选择性反射。

在一些实施方式中，就光学雕刻图案内的尺寸参数及其布置而言，嵌入式光学功能腔各自对应于设置在光伏电池的表面上的表面结构。

在一些另外的实施方式中，光学屏蔽件包括至少两个载体元件，一个载体元件设置在另一个载体元件上，其中每个载体元件包括多个嵌入式光学功能腔，所述光学功能腔布置成至少一个预定的光学雕刻图案，并且其中，对于每个载体元件而言，在至少一个光学雕刻图案中的所述光学功能腔的尺寸、形状和周期性是可单独调节的。

在一些实施方式中，光学屏蔽件被构造成覆盖光伏电池的整个表面。在一些其他实施方式中，光学屏蔽件被构造成多个分离的元件，其中每个分离的元件被定位并对准在单独的表面结构之上，所述单独的表面结构设置在光伏电池的表面上。在另外的实施方式中，如权利要求所述的光学屏蔽件包括以网格形式布置的分离的元件。

光学屏蔽件还可以构造成膜、板或条带。

在另一方面，提供了一种光伏电池，其根据独立权利要求17中限定的内容并且包括根据之前的方面的光学屏蔽件。在一些实施方式中，所述光伏电池包括设置在其保护盖下面的光学屏蔽件。

根据本发明的各个具体实施方式，本发明的实用性源于各种原因。首要立场是，本发明基于完全集成的、嵌入式腔式光学元件，该腔式光学元件被提供为在载体元件内形成至少一个光学雕刻图案的多个光学功能腔，该光学雕刻图案形成用于光伏电池的表面结构(诸如触点、电极、指状物和/或母线)的光学屏蔽件。

由此提出的嵌入式的光学解决方案允许避免由常规PV电池上的触点和/或电极引起的光反射和阴影损失(参见图1B，示出了入射光31，其入射在表面结构10上，立即在PV电池外部反射32)。嵌入式光学元件，诸如光学功能腔，位于上述提到的单独的表面结构附近，从而形成光学屏蔽件，该光学屏蔽件将光引导到PV硅表面上，从而防止光撞击所述单独的表面结构并因此被反射出PV电池。

本发明还提供了在至少一个光学雕刻图案内改变光学功能腔的尺寸、形状和周期性以及其填充材料方面的灵活性，由此所述图案可以被构造成折射、衍射或混合光学元件，该混合光学元件结合了反射、偏转、折射和/或衍射功能。还可以制造多层式的解决方案，其中第一层形成光学屏蔽件；而第二层和/或另外的层以与第一层相同的方式包括集成的腔式光学元件，所述第二层和/或另外的层被赋予额外的光学功能，诸如光引导和重定向、漫射、反射、耦合等。

术语“表面结构”在本公开中通常用于表示设置在光伏电池的表面上的触点、电极、指状物，母线等。

附图说明

通过参考详细说明和随附附图，本发明的不同实施方式将变得显而易见，在附图中：

图1A和图1B示出了光伏电池101的常规解决方案，其中图1A示出了在太阳能(光伏)电池的表面的接触线10，而图1B示出了一种太阳能电池板101，在该太阳能电池板101顶部表面上具有一个或多个触点10，入射光31被触点反射离开(反射线32)，从而不会发生光子吸收。

图2、图3和图4示出了根据本发明的各种实施方式的光学屏蔽件解决方案。

图6示出了在层压到光伏电池之前的光学屏蔽件。

图7示出了根据一些实施方式的分离的光学屏蔽件解决方案。

图8A和图8B示出了根据一些方面的光伏电池201、201A的不同实施方式。

具体实施方式

这里参考随附附图公开了本发明的详细实施方式。贯穿附图使用相同的附图标记来表示相同的构件。将以下引用用于构件：

201、201A-光伏电池，

10-PV电池的表面上的表面结构，

11、11A-具有光学功能的载体元件，

12-PV电池的本体，

13-粘合剂层，

14-PV电池的顶部保护层，

20、20A-光学屏蔽件组件，

21-载体元件11的基层元件，

31、32-相应的入射光和反射光，

33-接收光，

51、51A-光学功能腔，

52、52A-光学雕刻图案。

图2在20处示出了光学屏蔽件组件(以下称为光学屏蔽件)的各种实施方式的基本概念，该光学屏蔽件用于由附图标记201表示的光伏电池。因此光学屏蔽件20包括至少一个平坦的平面载体元件11，该平面载体元件11具有多个光学功能腔51，该光学功能腔51布置成至少一个预定的光学雕刻图案52(由图2的粗线强调)。所述至少一个载体元件11优选地由塑料聚合物、玻璃、树脂或陶瓷材料制成。

在一个实施方式中，形成光学屏蔽件20的载体元件11有利地设置在光伏电池的本体12的(顶部)表面上。

优选地，光学屏蔽件被提供为平坦的、平面的、均匀的元件，该元件具有光滑的、不间断的最上部和最下部的面/侧面。为了实现这一点，表示为20A并且在图2中描绘在虚线框内的光学屏蔽件还包括基层元件21，该基层元件21被构造成完全平坦的平面层，该平面层由与载体元件11相同的材料制成，或者由选自以下的替代材料：塑料聚合物、玻璃、树脂或陶瓷材料制成。例如，层11和层21都可以由塑料聚合物制成；可替代地，载体层11可以是塑料聚合物，而基层元件21可以是玻璃。光学屏蔽件组件20A可以覆盖PV电池本体12的整个表面。在图6中还示出了构造20A。

在一些情况下，载体元件11设置在所述PV电池的本体和该PV电池的保护盖(诸如盖玻璃或盖塑料之类)(未示出)之间。因此，光伏电池201可以包括相应的设置在保护盖下方的光学屏蔽件20。

可替代地，光学屏蔽件20可以设置为粘附到保护盖(未示出)的下表面(面向PV电池的表面)的层，或者为集成在所述保护盖上的一部分。

每个光学功能腔51还定位于并对准在单独的表面结构10之上，所述单独的表面结构10设置在PV电池201的表面上。单独的表面结构10非唯一地提供为电极、触点(接触垫或接触板)、指状物或母线。

所有上述结构都是电导体，这些电导体被构造成将直流电(DC)从PV电池传导到(一个或多个)逆变器。指状物(也称为指状触点或指状电极)是薄的金属线，其收集能量并将能量从太阳能电池传递到母线。母线(也称为母线触点或母线电极)通常由铝或镀银铜制成并且设置为垂直于所述指状物。

因此，光学腔51形成完全嵌入式光学图案，该光学图案集成在载体元件11和基层21之间的界面处(构造20A)，或者位于载体元件11和PV电池本体12的表面之间(构造20)。

光学功能腔51的高度的尺寸范围在10至1000μm内，因此与下面的PV电池表面结构10的尺寸和大小是一致的。对于提供的光学屏蔽件20的构造，就腔51而言，然而并不排除纳米级子结构。

因此，光学屏蔽件20由至少一个载体元件11形成，该载体元件11具有多个嵌入式光学功能腔51(腔式光学元件)，这些腔式光学元件基于与周围材料相比具有优化的折射率的内部介质材料，诸如流体(空气、气体、液体)或者固体。因此，腔51优选地填充有内部介质材料，该内部介质材料具有与所述腔周围的介质材料的折射率不同的折射率。优选的是，该介质的折射率低于周围材料的折射率。一种优选的内部介质材料(填充材料)是空气。另一优选的内部介质材料是具有低折射率的基本上是固体的材料，诸如硅树脂，其能够提供全反射(TIR)功能。“低折射率材料”是指如下材料：其折射率低于所述腔周围的介质材料(诸如制成载体元件11的材料)的折射率。

另一方面，每个嵌入式光学功能腔51可以至少部分地涂覆有光学功能涂层(未示出)，其中所述涂层的光学功能包括镜面反射、漫反射和波长选择性反射中的至少一者。该涂层可以部分地应用在腔壁上或全部地应用在所有腔壁上。具有纳米光学特征的混合涂层构成另一可行的解决方案。因此，涂层可以包括例如纳米晶体，并且被构造成抗反射(AR)涂层和/或自清洁涂层。

在优选实施方式中，腔51以凹槽或凹陷的形式设置，所述凹槽或凹陷在载体元件11的任一方向上延伸。在一些构造中，所述凹槽以基本平行的排的形式布置。在其他构造中，凹槽可以横向定位以形成光栅。

在优选实施方式中，腔(凹槽)51被构造成V形凹槽(V凹槽)，优选地为(具有倒置设置的V形的)倒V凹槽。在实践中，就尺寸(诸如大小、宽度、高度、长度)而言，包括腔51的图案52相应地取决于表面结构10的尺寸。除了凹槽之外，腔51还可以作为不同的元件提供，诸如具有V形凹陷(例如棱柱形)的元件。此外，除了V形之外，腔可以成形为不同地形状，诸如倾斜的三角形形状、矩形形状、梯形形状、类似凹透镜形状等。因此，图案52可以形成有单种轮廓(所有腔具有相同的形状)或多种轮廓(腔具有不同的形状)。

优选地，对于每个载体元件而言，每个光学雕刻图案内的光学功能腔的尺寸、形状和周期性是可单独调节的。术语“可调节的”在“可变的”或“可修改的”的含义内使用。

在将预定的雕刻图案52(通常是V凹槽解决方案)定位并对准在表面结构(例如，触点和/或电极)的顶部上时，入射光31被TIR反射以偏离其原始路径(图2)。因此，入射光31不是像通常在常规解决方案中发生的那样，在PV电池外部反射或被导电结构10吸收，而是被耦合，被引导朝向PV电池并在该PV电池的硅表面处被收集起来，从而有助于发电。这种耦合和有助于发电的光被称为“接收光”，其由附图标记33表示。PV电池中产生的电子可以被认为是光子通量的函数。根据等式1，产生速率G与每单位面积每秒的光子通量N₀成正比。

等式1：

入射到太阳能电池板/在太阳能电池板处耦合的所有入射光31(诸如太阳光)在太阳能电池板的顶部表面处被折射，该顶部表面通常由玻璃或塑料制成；因此，太阳能电池堆内部的角度分布限定在距表面法线±42°的范围内。为了使所有入射光31在V凹槽51表面处经历TIR，需要具有至少12°的开口角度(也称为棱镜角度或V凹槽角度α，图4)的凹槽轮廓。然而，当考虑在整个年度时段来自太阳的照射时，所述角度分布主要集中在距表面法线±50°内。因此，V凹槽角度轮廓可以设计具有更大的开口并且仍然提供良好的收集效率。下面表1中的数据是具有和不具有太阳能电池板中的V凹槽解决方案(光学屏蔽件20)的使用来自摩洛哥的累积的年度阳光照射数据的模拟结果。模型中所有表面结构10(诸如表面触点)的覆盖面积约为10％。

表1：从具有和不具有光学屏蔽件20的太阳能电池板获得的比较数据。包括光学屏蔽件20的解决方案被称为具有变化的棱镜角度的“ICS空气腔”。

归一化的、收集的光能量相对于常规电池板提高的百分比

从上面的比较结果可以清楚地看出，表面触点设计可以在最小化电损耗方面进行优化，而不考虑反射和/或阴影损失。电损耗由电流乘以电阻定义。原则上，表面结构10相对于整个太阳能电池或太阳能电池板所占据的总面积可高达20-30％，以便能够通过利用接触屏蔽组件20光学元件来收集所有可用(入射)光的95-98％。当考虑到对发射体(即PV电池本体12的顶部表面)上的诸如接触层之类的表面结构10的设计进行优化时，这是重要的特征。可以将分数功率损耗记录为诸如接触引线之类的结构10之间的距离S的函数(参见等式2)，其中距离S被提供为结构10的中点之间的距离(图3)。值得注意的是，距离S被提供为2的幂(S²)。理论上，与常规解决方案相比，当距离S减少两倍或甚至三倍时，可以实现显著的功率损耗的降低。

等式2：

图5还示出了多层构造，其中PV电池201A包括具有至少两个载体元件11、11A的光学屏蔽件20，其中每个载体元件包括多个嵌入式光学功能腔51、51A，所述嵌入式光学功能腔布置成至少一个预定的光学雕刻图案52、52A。因此，载体元件11形成用于PV电池表面12和位于其上的表面结构10的屏蔽结构，而载体元件11A具有附加的光学功能，包括但不限于：光引导和重定向、漫射、反射、耦合等。

对于所有构造，优选的是，对于每个单独的载体元件11、11A而言，(一个或多个)图案52、52A内的腔51、51A的尺寸、形状和周期性是可调节的。

可以通过常规制造方法制造本发明的光学屏蔽件20并将其集成到PV电池201、201A中。光学屏蔽件20的基本构造是膜，优选地是薄膜。在制造期间，将所述膜设置在每个PV电池上，以将腔51对准在表面结构10上。该光学屏蔽件膜优选地通过卷对卷或卷对板的方法来制造，其根据光伏电池大小提供冲切。这种方法可以低成本来制造大体积。膜材料可以是光学塑料、树脂或陶瓷材料。一种优选的材料是光学硅树脂，其为耐高UV并且为耐温的材料，特别是在长期的应用中使用。

例如，在制造表面结构10(诸如触点)和抗反射涂层之后，设置为膜的光学接触屏蔽件20可以通过直列式层压单元直接施加在每个PV电池上。这是具有最小化布置的非常适用的解决方案。此后，每个PV电池将在下一个处理阶段被正常处理。还可以使用选自硅树脂、EVA、基于烯烃的层等的层压粘合剂13(图4)。

在另外的实施方式中，构造成膜的光学屏蔽件20可以施加到形成PV电池的保护盖的顶部玻璃层的底侧上。在这种情况下，整个玻璃盖的对准(就腔51而言)需要与模块中的所有PV电池匹配。

光学接触屏蔽件20和PV电池表面之间的距离d(图4)、光学腔的轮廓、顶部角度参数(棱镜角度，α)及其与接触表面覆盖率(由表面结构10占据的所有区域)的关系可以被模拟和优化。因此，图4和表2呈现了多个模拟和优化的解决方案以及获得的增益。

表2：根据本发明的用于光学接触屏蔽件20(构造成膜)的模拟和优化的解决方案，以及获得的增益。

因此，图6示出了在层压到PV电池之前的带有经介质(例如空气)填充的腔51的光学接触屏蔽件20、20A。层11和层21之间的虚线表示两种构造(具有基层21和不具有基层21的构造)都是可行的。

还参考图7，示出了光学屏蔽件20、20A，其具有多个分离的元件(由框(i)、(ii)和(iii)表示)。每个分离的元件(i)、(ii)和(iii)都可以作为单独的膜、板或条带提供，该单独的膜、板或条带设置在PV电池本体上以便与所布置的表面结构(例如，触点)10进行对准。在一些实施方式(构造20)中，分离的元件(iii)包括至少一个载体元件11；在一些另外的实施方式(构造21)中，分离的结构(i)和(ii)另外包括基层21。每个分离的结构可包括单个腔51或多个腔。分离的结构分布在PV电池的表面上；然而，不对该PV电池提供全部覆盖。

在一些另外的实施方式中，分离的结构(i)、(ii)和/或(iii)可以网格形式布置。该网格形式的结构可以由横向布置的多个条带状分离的结构形成，或者由根据预定顺序逐行布置的多个单独的板状或膜状结构形成。

值得注意的是，每个分离的结构(i)、(ii)和/或(iii)都包括至少一个腔式光学元件51，并且所述分离的结构与分布在太阳能电池上的表面结构10对准。

图8A和图8B示出了光伏电池201、201A的不同实施方式，包括体现为20、20A的光学屏蔽件。屏蔽件20、20A可以实施为连续的膜状或板状结构，这些结构为整个PV电池表面提供完全覆盖，或者实施为分布在腔式光学元件51上的分离的结构。

可以通过各种方法并且在不同的制造阶段期间，诸如：a)在PV电池本体12的表面上，以及b)在PV电池本体12和保护层14(诸如玻璃)之间，对光学屏蔽件进行层压。

因此，光学屏蔽件20、20A可以在一侧(图8A)或两侧(下面和上面，图8B)设置有粘合剂层13。

光学屏蔽件20、20A还可以通过自动化制造装置安装到PV电池本体12上，其中安装实施为：a)精确地安装在PV电池本体12的表面上；b)安装在整个PV模块的表面上；和/或c)在安装期间与PV电池或PV模块的表面形成“线接触”。

本发明有效地将光功率损耗最小化，该光功率损耗是由反射、阴影损失引起的损耗和由于入射光被吸收到接触结构而引起的损耗组成。由此提供的光学屏蔽件组件是简单且节约成本的解决方案，其降低了上述损耗并且提高了PV电池功率输出的效率。

通过利用由此提供的光学屏蔽件组件，可以通过以下方式来最小化电损耗：1)增加表面结构10的数量及其大小，以及2)最小化表面结构10之间的距离、间隙和周期，从而实现最小化的每个表面结构10(触点)的电流以及电阻。

另外，本发明支持在较大表面结构10(诸如触点)下使用高度磷掺杂(硅)区域以增加导电率。当使用高度掺杂区域和低度掺杂区域时这是有益的，因此实现了高导电率和低载流子电荷。

对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本发明的基本思想旨在涵盖包括在其精神和范围内的各种修改。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例；相反，它们通常可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (18)

1.一种用于光伏电池的光学屏蔽件(20、20A)，所述光学屏蔽件包括至少一个载体元件(11)，所述载体元件包括多个嵌入式光学功能腔(51)，所述嵌入式光学功能腔被布置成至少一个预定的光学雕刻图案(52)，其中，所述至少一个载体元件中的每个所述嵌入式光学功能腔定位于且对准在单独的表面结构(10)之上，所述单独的表面结构设置在所述光伏电池的本体(12)的表面上。

2.根据权利要求1所述的光学屏蔽件，其中，设置在所述光伏电池的表面上的所述单独的表面结构(10)是电极、触点、指状物或母线。

3.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，所述光学屏蔽件还包括平坦的、平面的基层元件(21)，所述基层元件相对于所述至少一个载体元件(11)设置成使得所述光学功能腔(51)位于所述元件(11、21)之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，其中，所述光学功能腔(51)填充有内部介质材料，所述内部介质材料具有与所述腔周围的介质材料的折射率不同的折射率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，其中，就所述嵌入式光学功能腔的大小、形状、尺寸和布置而言，每个嵌入式光学功能腔(51)被构造成用于反射功能、折射功能、偏转功能和衍射功能中的至少一者。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，其中，所述至少一个载体元件(11)和/或所述基层元件(21)是塑料聚合物、玻璃或树脂。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，其中，所述嵌入式光学功能腔(51)设置呈V形凹槽的形式。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，其中，所述嵌入式光学功能腔(51)填充有设置呈流体形式或固体形式的内部介质材料。

9.根据权利要求8所述的光学屏蔽件，其中，流体式的所述内部介质材料选自空气、气体和液体。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，其中，每个嵌入式光学功能腔(51)至少部分地由光学功能涂层涂覆，其中，所述涂层的光学功能包括镜面反射、漫反射和波长选择性反射中的至少一者。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，其中，就所述嵌入式光学功能腔(51)在所述光学雕刻图案(52)内的尺寸参数及布置而言，所述嵌入式光学功能腔(51)各自对应于设置在所述光伏电池的所述表面上的所述表面结构(10)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，所述光学屏蔽件包括至少两个载体元件(11、11A)，其中，每个载体元件包括多个嵌入式光学功能腔(51、51A)，所述嵌入式光学功能腔布置成至少一个预定的光学雕刻图案(52、52A)，并且其中，对于每个载体元件而言，至少一个所述光学雕刻图案中的所述光学功能腔的尺寸、形状和周期性是能够单独调节的。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，所述光学屏蔽件被构造成覆盖所述光伏电池的整个表面。

14.根据权利要求1-12中任一项所述的光学屏蔽件，所述光学屏蔽件被构造成多个分离的元件(i)、(ii)和/或(iii)，其中，每个分离的元件定位于且对准在所述单独的表面结构(10)之上，所述单独的表面结构设置在所述光伏电池的本体(12)的表面上。

15.根据权利要求14所述的光学屏蔽件，其中，所述分离的元件(i)、(ii)和/或(iii)设置成用以形成网格。

16.根据前述权利要求中任一项所述的光学屏蔽件，所述光学屏蔽件被构造成膜、板或条带。

17.一种光伏电池(201、201A)，所述光伏电池包括根据权利要求1-16中任一项所述的光学屏蔽件(20、20A)。

18.根据权利要求18所述的光伏电池，所述光伏电池包括设置在其保护盖下方的光学屏蔽件(20)。