CN110649103A - 一种太阳能无人机cigs薄膜组件及其内外级联方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能无人机CIGS薄膜组件及其内外级联方法，包括层叠薄膜及其内部并联设置的若干子电池，每个子电池自下而上依次设置PI衬底、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、透明导电层，透明导电层上均布若干互相独立的顶电极，Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、透明导电层的一侧设有贯穿的绝缘浆料，ZnO窗口层、CdS缓冲层、CIGS吸收层的一侧设有贯穿的P2导电浆料，P2划线沟道的下方露出Mo背电极层。本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件及其内外级联方法，采用内外级联结构，开路电压高、电流内阻损耗小、输出效率更高。
Description
技术领域
本发明属于太阳能无人机技术领域，尤其是涉及一种太阳能无人机CIGS薄膜组件及其内外级联方法。
背景技术
太阳能无人机因其节能环保、覆盖范围大、留空时间长等特点，在侦察预警、应急救灾、森林防火、测绘巡检、信号中继等方面有着广阔的应用前景。
传统无人机都是以锂聚合物电池作为动力来源的，能量密度较低，直接导致无人机无法长时间留空，在实际应用中受到很大局限。而如果使用能量密度较高的航空煤油作为动力源，续航能力的提高也非常有限。航空煤油属于不可再生能源且成本较高，在使用过程中还会产生污染物，对大气环境产生较大影响，一旦坠毁，很可能引发二次危害，此外还会产生噪声污染等问题。因此，使用太阳能等可再生能源作为补充或替代能源对于无人机应用具有着巨大的需求。为满足小型太阳能无人机单元式可拆卸、体型小、重量轻、可快速运输投放、不怕磕碰的需求，所用光伏组件须具有一定抗变形能力，并与无人机上表面紧密贴合。柔性CIGS薄膜太阳能电池因其成本较低、比功率高、弱光特性好、可弯曲、不怕磕碰等优点成为小型太阳能无人机组件的不二之选。
然而，小型太阳能无人机在实际工作中，电池组件输出电压必须高于控制器和蓄电池电压，才能正常工作。目前国内的CIGS薄膜电池组件厂商所生产的太阳能电池单元一般都只是从上下两面直接引出正负电极，进行整体封装，这种方式生产的单片薄膜光伏电池往往开路电压很低(0.5V左右)，需要外部多级串联才能达不到系统工作电压要求，根据需要多路并联，最终形成光伏阵列，作为输出电源。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，以解决现有CIGS薄膜太阳电池单元开路电压低、外部串联升压造成的回路损耗问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，包括层叠薄膜及其内部并联设置的若干子电池，每个子电池自下而上依次设置PI衬底、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、透明导电层，透明导电层上均布若干互相独立的顶电极，Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、透明导电层的一侧设有贯穿的P1划线沟道，P1划线沟道内填充绝缘浆料，ZnO窗口层、CdS缓冲层、CIGS吸收层的一侧设有贯穿的P2划线沟道，P2划线沟道的下方露出Mo背电极层，P2划线沟道内填充导电浆料，使得每个子电池的内部级联。
进一步的，所述层叠薄膜包括两层，内层的材质为POE或者EVA膜，外层的材质为ETFE薄膜。
进一步的，所述各个子电池之间通过汇流条焊接并联，且并联后的形状可调。
进一步的，所述P1划线沟道、P2划线沟道和P3划线沟道均为激光划线沟道。
进一步的，所述绝缘浆料通过点胶头填充进P1划线的沟道中，导电浆料通过丝网印刷填充进P2划线的沟道中。
相对于现有技术，本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件具有以下优势：
(1)本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件，适应无人机快拆结构设计、比功率高、可弯曲不怕磕碰、高效清洁、抗变形能力强，可与无人机上表面紧密贴合，可实现自动化批量生产，有利于大规模的推广应用，
(2)本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件，采用内外级联结构，开路电压高、电流内阻损耗小、输出效率更高。
本发明的另一目的在于提出一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，以解决现有CIGS薄膜太阳电池单元开路电压低、外部串联升压造成的回路损耗问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，包括先将大面积CIGS薄膜太阳电池划分成若干个子电池；通过激光划线和内部级联工艺进行子电池之间的串联升压，形成单片集成的电池单元；然后将单片集成的电池单元进行外部级联；利用全自动层压机对薄膜电池组件进行组件封装。
进一步的，所述所述激光划线是在ZnO/CdS/CIGS/Mo/PI结构的太阳电池上采用三道划线(P1划线、P2划线、P3划线)的方法，对若干个子电池进行电气分离；激光划线的具体步骤如下：
1)P1划线将透明导电层、ZnO窗口层、CdS缓冲层、CIGS吸收层和Mo背电极层全部移除，实现子电池底电极的分离；
2)P2划线将ZnO窗口层、CdS缓冲层、CIGS吸收层移除，露出Mo背电极层；
3)P3划线将ZnO窗口层、CdS缓冲层全部划开，实现各子电池顶电极之间分离。
进一步的，所述内部级联工艺的具体方法为，在激光划线完成以后，使用点胶头在P1划线中填充绝缘浆料，然后通过丝网印刷将导电浆料填充至P2划线的沟道，完成整体电池单元的内部级联。
进一步的，所述外部级联的具体方法为：将单片集成的电池单元，按照需放置太阳能电池载体的外形分组排列，用汇流条将各电池单元并联焊接，并引出组件的正负极。
进一步的，所述组件封装的具体方法为：采用全自动油温加热层压机，在薄膜电池组件上下层叠POE或者EVA膜，最外层层叠ETFE薄膜，层压温度130℃～150℃，以50～120s匀速加压到65～85kpa，层压封装结束后安装互联插头。
相对于现有技术，本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法具有以下优势：
(1)本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，用内级联方式生产的单片CIGS薄膜太阳电池，可实现高输出电压、小输出电流，通过外级联将多个电池单元用汇流条分组并联焊接，最后整体层压封装的光伏组件可以有效降低组件内部电流和电阻损耗，从而提高小型太阳能无人机光伏阵列整体发电效率。
(2)本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，通过单片集成，可避免串联式焊接对光伏组件可靠性的影响。
(3)本发明所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，其更大的电压输出范围还可用于其他小功率移动光伏产品，进一步扩大产品应用范围，市场前景广阔。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件的内级联结构示意图；
图2为本发明实施例所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件在无人机中使用的外级联示意图；
图3为本发明实施例所述的太阳能无人机CIGS薄膜组件在帐篷中使用的外级联示意图。
附图标记说明：
1-顶电极；2-透明导电层；3-ZnO窗口层；4-CdS缓冲层；5-CIGS吸收层；6-Mo背电极层；7-PI衬底；8-一号子电池；9-二号子电池；10-大面积CIGS薄膜太阳电池；11-无人机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，如图1所示，包括层叠薄膜及其内部并联设置的若干子电池，每个子电池自下而上依次设置PI衬底7、Mo背电极层6、CIGS吸收层5、CdS缓冲层4、ZnO窗口层3、透明导电层2，透明导电层2上均布若干互相独立的顶电极1，Mo背电极层6、CIGS吸收层5、CdS缓冲层4、ZnO窗口层3、透明导电层2的一侧设有贯穿的P1划线沟道，P1划线沟道内填充绝缘浆料，ZnO窗口层3、CdS缓冲层4、CIGS吸收层5的一侧设有贯穿的P2划线沟道，P2划线沟道的下方露出Mo背电极层6，P2划线沟道内填充导电浆料，使得每个子电池的内部级联。
层叠薄膜包括两层，内层的材质为POE或者EVA膜，外层的材质为ETFE薄膜。
各个子电池之间通过汇流条焊接并联。
P1划线沟道、P2划线沟道和P3划线沟道为激光划线沟道。
绝缘浆料通过点胶头填充进P1划线的沟道中，导电浆料通过丝网印刷填充进P2划线的沟道中。
一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，如图1至图3所示，包括先将大面积CIGS薄膜太阳电池10划分成若干个子电池，通过激光划线和内部级联工艺进行子电池之间的串联升压，形成单片集成的电池单元，然后将单片集成的电池单元进行外部级联，利用全自动层压机对薄膜电池组件进行组件封装。
所述激光划线是在ZnO/CdS/CIGS/Mo/PI结构的太阳电池上采用三道划线(P1划线、P2划线、P3划线)的方法，对若干个子电池进行电气分离；根据薄膜太阳电池结构：ZnO窗口层3厚度为550nm，CdS缓冲层4厚度约为50nm，CIGS吸收层5厚度为2.5μm，Mo背电极层6是双层结构，厚度为800nm，P1划线宽度约为50μm，深度约为4μm，P2划线道宽度约为200μm，深度约为3.1μm，P3划线宽度约为50μm，深度约为0.6μm。激光划线的具体步骤如下：
1)(如图1中，一号子电池8所示)P1划线将透明导电层2、ZnO窗口层3、CdS缓冲层4、CIGS吸收层5和Mo背电极层6全部移除，实现子电池底电极的分离；
2)(如图1中二号子电池9所示)P2划线将ZnO窗口层3、CdS缓冲层4、CIGS吸收层5移除，露出Mo背电极层6；
3)P3划线将ZnO窗口层3、CdS缓冲层4全部划开，实现各子电池顶电极1之间分离。
激光划线采用皮秒激光器，其波长为532～1064nm，最大输出功率10W，最大频率1000kHz，光束能量呈高斯分布。
内部级联工艺的具体方法为，在激光划线完成以后，使用点胶头在P1划线中填充绝缘浆料，然后通过丝网印刷将导电浆料填充至P2划线的沟道，完成整体电池单元的内部级联。
外部级联的具体方法为：将单片集成的电池单元，按照需放置太阳能电池载体的外形分组排列，用汇流条将各电池单元并联焊接，并引出组件的正负极。
组件封装的具体方法为：采用全自动油温加热层压机，在薄膜电池组件上下层叠POE或者EVA膜，最外层层叠ETFE薄膜，层压温度130℃～150℃，以50～120s匀速加压到65～85kpa，层压封装结束后安装互联插头。
具体实施例一：
先通过皮秒激光三道划线，分别将透明导电层2至Mo背电极层6、ZnO窗口层3至CIGS吸收层5、ZnO窗口层3至顶电极1的薄膜太阳电池材料层选择性移除，形成P1划线、P2划线、P3划线的沟道，其中，P1划线沟道宽度约为50μm，深度约为4μm，P2划线沟道宽度约为200μm，深度约为3.1μm，P3划线沟道宽度约为50μm，深度约为0.6μm；在P1划线沟道、P2划线沟道分别添加绝缘浆料和导电浆料实现子电池间的串联；如图2所示，将单片集成的电池单元用汇流条并联焊接；最后组件进行层压封装。具体步骤如下：
(一)激光划线
采用550nm波长，最大输出功率10W，最大频率1000kHz，光束能量呈高斯分布的皮秒激光器进行P1、P2、P3划线。
1)P1划线将透明导电层2、ZnO窗口层3、CdS缓冲层4、CIGS吸收层5和Mo背电极层6全部移除，实现子电池底电极的分离。
2)P2划线将ZnO窗口层3、CdS缓冲层4、CIGS吸收层5移除，露出底电极Mo。
3)P3划线将ZnO窗口层3、CdS缓冲层4全部划开，实现各子电池顶电极1之间分离。
(二)内部级联
在划线工艺完成后，使用点胶头在P1划线的沟道中填充绝缘浆料，然后通过丝网印刷将导电浆料填充至P2划线的沟道，完成整体电池单元的内部级联。
(三)外部级联
将单片集成的电池单元按照无人机11外形分组排列，用汇流条将各电池单元并联焊接，并引出组件的正负极。
(四)组件封装
采用全自动油温加热层压机，在薄膜电池组件上下层叠POE膜，最外层ETFE薄膜，层压温度130℃，以50s匀速加压到65kpa，层压结束后安装互联插头。
除此之外，本发明还可以作为小功率便携太阳能设备的充电电源，较高的输出电压可保证一般设备的充电需求，通过安装可调降压稳压模块后可直接向不同移动设备供电。
具体实施例二：
如图1所示，先通过皮秒激光三道划线，分别将透明导电层2至Mo背电极层6、ZnO窗口层3至CIGS吸收层5、ZnO窗口层3至顶电极1的薄膜太阳电池材料层选择性移除，形成P1划线、P2划线、P3划线的沟道，
其中，P1划线沟道宽度约为24μm，深度约为4μm，P2划线沟道宽度约为46μm，深度约为3.1μm，P3划线沟道宽度约为100μm，深度约为3.1μm；在P1划线沟道、P2划线沟道分别添加绝缘浆料和导电浆料实现子电池间的串联；如图2所示，将单片集成的电池单元用汇流条并联焊接；最后组件进行层压封装。具体步骤如下：
(一)激光划线
采用1064nm波长，最大输出功率10W，最大频率1000kHz，光束能量呈高斯分布的皮秒激光器进行P1、P2、P3划线。
1)P1划线将透明导电层2、ZnO窗口层3、CdS缓冲层4、CIGS吸收层5和Mo背电极层6全部移除，实现子电池底电极的分离。
2)P2划线将ZnO窗口层3、CdS缓冲层4、CIGS吸收层5移除，露出底电极Mo。
3)P3划线将ZnO窗口层3、CdS缓冲层4全部划开，实现各子电池顶电极1之间分离。
(二)内部级联
在划线工艺完成后，使用点胶头在P1划线的沟道中填充绝缘浆料，然后通过丝网印刷将导电浆料填充至P2划线的沟道，完成整体电池单元的内部级联。
(三)外部级联
将单片集成的电池单元按照无人机11外形分组排列，用汇流条将各电池单元并联焊接，并引出组件的正负极。
(四)组件封装
采用全自动油温加热层压机，在薄膜电池组件上下层叠EVA膜，最外层ETFE薄膜，层压温度150℃，以120s匀速加压到85kpa，层压结束后安装互联插头。
该方法还能解决帐篷用CIGS薄膜太阳电池单元开路电压低、外部串联升压造成的组件内部损耗问题，尤其在移动便携式光伏供电等特殊场合中具有极其重要的应用前景。
采用内、外级联工艺生产的薄膜太阳电池具有开路电压高、电流内阻损耗小、输出效率更高的优点，更适用于小型太阳能无人机。此外，该薄膜太阳电池组件可适应无人机快拆结构设计、比功率高、可弯曲不怕磕碰、高效清洁、抗变形能力强，可与无人机上表面紧密贴合，可实现自动化批量生产，有利于大规模的推广应用，此外，在小型移动便携式光伏应用产品中也具有广阔的应用前景。
除此之外，本发明还可以作为小功率便携太阳能设备的充电电源，较高的输出电压可保证一般设备的充电需求，通过安装可调降压稳压模块后可直接向不同移动设备供电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，其特征在于：包括层叠薄膜及其内部并联设置的若干子电池，每个子电池自下而上依次设置PI衬底、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、透明导电层，透明导电层上均布若干互相独立的顶电极，Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、ZnO窗口层、透明导电层的一侧设有贯穿的P1划线沟道，P1划线沟道内填充绝缘浆料，ZnO窗口层、CdS缓冲层、CIGS吸收层的一侧设有贯穿的P2划线沟道，P2划线沟道的下方露出Mo背电极层，P2划线沟道内填充导电浆料，使得每个子电池的内部级联。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，其特征在于：层叠薄膜包括两层，内层的材质为POE或者EVA膜，外层的材质为ETFE薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，其特征在于：各个子电池之间通过汇流条焊接并联，且并联后的形状可调。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，其特征在于：P1划线沟道、P2划线沟道和P3划线沟道均为激光划线沟道。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件，其特征在于：绝缘浆料通过点胶头填充进P1划线的沟道中，导电浆料通过丝网印刷填充进P2划线的沟道中。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，其特征在于：包括先将大面积CIGS薄膜太阳电池划分成若干个子电池；
通过激光划线和内部级联工艺进行子电池之间的串联升压，形成单片集成的电池单元；
然后将单片集成的电池单元进行外部级联；
利用全自动层压机对薄膜电池组件进行组件封装。
7.根据权利要求6所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，其特征在于：所述激光划线是在ZnO/CdS/CIGS/Mo/PI结构的太阳电池上采用三道划线(P1划线、P2划线、P3划线)的方法，对若干个子电池进行电气分离；激光划线的具体步骤如下：
1)P1划线将透明导电层、ZnO窗口层、CdS缓冲层、CIGS吸收层和Mo背电极层全部移除，实现子电池底电极的分离；
2)P2划线将ZnO窗口层、CdS缓冲层、CIGS吸收层移除，露出Mo背电极层；
3)P3划线将ZnO窗口层、CdS缓冲层全部划开，实现各子电池顶电极之间分离。
8.根据权利要求6所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，其特征在于：内部级联工艺的具体方法为，在激光划线完成以后，使用点胶头在P1划线中填充绝缘浆料，然后通过丝网印刷将导电浆料填充至P2划线的沟道，完成整体电池单元的内部级联。
9.根据权利要求6所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，其特征在于：外部级联的具体方法为：将单片集成的电池单元，按照需放置太阳能电池载体的外形分组排列，用汇流条将各电池单元并联焊接，并引出组件的正负极。
10.根据权利要求6所述的一种太阳能无人机CIGS薄膜组件的内外级联方法，其特征在于：组件封装的具体方法为：采用全自动油温加热层压机，在薄膜电池组件上下层叠POE或者EVA膜，最外层层叠ETFE薄膜，层压温度130℃～150℃，以50～120s匀速加压到65～85kpa，层压封装结束后安装互联插头。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911031535.4A CN110649103A (zh) | 2019-10-28 | 2019-10-28 | 一种太阳能无人机cigs薄膜组件及其内外级联方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113270511A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-17 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种光伏与储能电池复合结构及其制备方法 |
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2019
- 2019-10-28 CN CN201911031535.4A patent/CN110649103A/zh active Pending
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