CN110892534B - 光伏装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对一种包括载体基板的光伏装置。载体基板承载印刷结构，该印刷结构包括：多个光伏模块，每个模块包括第一和第二端子以及电连接在第一和第二模块端子之间的多个光伏电池；沿光伏模块的一侧延伸的第一汇流条；沿光伏模块的相对侧延伸的第二汇流条；以及多个模块间轨道，每个模块间轨道与光伏模块相关联。该装置包括多个能够选择性配置的接合，接合中的一个或多个可以被配置为使得光伏模块能够通过一个或多个模块间轨道与相邻光伏模块选择性地连接或断开连接，并且/或者使得模块端子能够与第一和第二汇流条中的一个选择性地连接或断开连接，使得光伏模块可以根据需要选择性地串联和/或并联电连接。

Description

光伏装置及方法
技术领域
本发明涉及光伏装置及其制造方法。该装置包括可以印刷在可弯曲材料的载体薄板(web)或膜(这里称为印刷的太阳能膜(PSF))上的光伏(PV)模块。每个模块可以包括连接在正负模块端子之间的光伏电池或多个光伏电池。载体薄板或膜还可以印刷有适于按要求自适应地或灵活地互连每个光伏模块的汇流条和/或轨道。
背景技术
已利用无机晶体硅制造出现有技术的光伏电池。当前，最有效的无机太阳能电池可以将超过40％的收集的太阳能转化为电能。然而，这种无机太阳能电池(包括基于晶体硅的无机太阳能电池)的一个缺点是，它们在制造过程中需要大量的能量。此外，无机太阳能电池所用材料的性质可能需要相当多的劳动力和费用用于其制造。
因此，注意力转向通常以模块图案(参见图1a)通过逐卷工艺沿载体薄板制造的类型的溶液处理的太阳能电池，包括有机太阳能电池、有机－无机复合钙钛矿太阳能电池和无机纳米粒子太阳能电池。模块图案可以沿着载体薄板重复，并且，可以沿着薄板的处理方向串联连接重复的图案。
尽管图1a所示的模块图案在理论上可以无限扩展，但是由于制造方法的限制，因此产生垂直于处理方向的条纹图案是不实际的。因此，条纹图案在常规上是平行于处理方向产生的。
因此，如图2a和2b所示的那样开发并在WO 2013/152952中描述了实用的互连方法。该方法利用被称为“无限设计”的电池的无限互连，以产生相对较高的电压，而不会由于来自大电池区域的大电流而遭受欧姆(I2R)损失。该设计可以根据希望的应用或所需的电压输出进行裁剪。
尽管“无限设计”是实用和有用的，但在实际应用中存在局限性。例如，当决定应用长度时，由于输出电压通常由模块电压×应用长度/模块长度确定，因此几乎没有选择输出电压的自由。因此，当应用长度太长(比如大于10米)时，输出电压通常可能太高而不安全。此外，由于输出电压通常根据应用长度而不同，因此，当将太阳能电池的输出转换为标准电压的逆变器通常具有输入电压和/或电流的操作窗口时，系统平衡(BOS)的设计具有挑战性。
为了解决常规片材模块和无限设计的限制，需要更灵活或通用的互连光伏模块的方法。
本文中对作为现有技术给出的专利文件或其它事项的引用不应被视为承认该文件或事项在任何权利要求的优先权日是已知的或其包括的信息是公知常识的一部分。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种包括载体基板的光伏装置，所述载体基板承载印刷结构，该印刷结构包括：
多个印刷的光伏模块，每个模块包括
第一和第二模块端子，以及
在第一和第二模块端子之间的多个印刷的光伏电池，使得每个光伏电池与相邻的光伏电池串联连接；
沿光伏模块的一侧延伸的第一印刷的汇流条；
沿光伏模块的另一侧延伸的第二印刷的汇流条；以及
多个模块间轨道，每个模块间轨道与光伏模块相关联；
其中每个模块间轨道被印刷有可链接间隙，使得光伏模块最初在印刷结构中相互不连接；
其中，该印刷结构在该印刷结构上光伏模块的外部的预定位置处限定多个能够选择性配置的接合，接合中的一个或多个在制造期间和在向该印刷结构施加保护性涂层之前能够被配置以便：
使得光伏模块通过一个或多个模块间轨道的相应可链接间隙之上的导电糊剂、导电墨水或导电带选择性地与相邻光伏模块连接，以及
使得模块端子能够选择性地与第一和第二汇流条中的一个连接或断开，
使得光伏模块可以根据需要选择性地串联和/或并联电连接。
根据本发明，每个光伏模块包括多个连接的光伏电池。每个光伏模块可以配置有预定数量的光伏电池，以提供预定的输出。模块间轨道和能够选择性配置的接合有利地允许光伏模块以任何串联和/或并联组合灵活连接，以实现期望的整体输出。已发现，利用接合以选择性地配置光伏模块之间的串联/并联连接比单独的光伏电池之间的连接更容易。
通常，在制造过程中，可选择性配置接合和选择的接合配置被并入光伏装置的设计中。特别地，可以与光伏模块、模块间轨道和汇流条一起形成可选择性配置接合。这有利地允许以成本有效的方式按需生产定制设计的印刷太阳能薄膜。
多个可选择性配置接合还可以包括一个或多个可断开链接。
一个或多个模块间轨道可以被配置为使得能够在相邻光伏模块之间进行选择性串联连接；并且，接合中的一个或多个可以被配置为使得在相邻光伏模块之间能够进行选择性并联连接。
光伏模块可以包括第一导电电极层、电荷选择层和光活性层，其中，层中的每一个通过涂敷工艺在基板上形成。
在一个实施例中，至少一个接合是与模块间轨道相关联的可链接间隙，该可链接间隙用于当在可链接间隙的至少一部分上施加导电糊剂时选择性地将相关联的光伏模块的第一端子连接到相邻光伏模块的第二端子。
在一个实施例中，光伏装置包括一个或多个模块单元，每个单元包括串联的两个或更多个相邻模块，使得在每个电池内在串联连接的一端设置头部模块并在串联连接的相对端设置尾部模块，
其中，头部模块的第一端子包括用于将所述第一端子选择性地连接到所述第一汇流条的第一接合，以及
其中，尾部模块的第二端子包括用于将所述第二端子选择性地连接到所述第二汇流条的第二接合。
每个模块的第一端子可以包括至少当相关联的模块是模块单元的一端上的头部模块时电连接第一端子到第一汇流条的第一接合。每个模块的第二端子可以包括用于至少当相关联的模块是位于所述模块单元的另一端上的尾部模块时电连接第二端子到第二汇流条的第二接合。
该或每个模块间轨道可以包括用于至少当相关联的模块要串联连接到相邻模块时电连接相关联的模块的第一或第二端子到相邻模块的第二或第一端子的第三接合。
n个模块可以串联电连接以形成具有n个模块的小型单元，其中n是整数。具有n个模块的小型单元可以沿载体基板至少重复一次以形成分别具有n个模块的m个小型单元，其中m是整数。“m”可以是大于或等于2的整数。具有n个模块的m个小型单元可以并联电连接以形成具有n×m个模块的大型电池。
在一种形式中，载体基板可以包括诸如金属或塑料的可弯曲箔。
每个光伏模块可以包括在第一和第二模块端子之间串联电连接的多个光伏电池。
每个模块间轨道可以包括印刷导电材料。
每个第一和第二汇流条可以包括印刷导电材料、层叠金属箔或其组合。
第一模块端子可以被布置为具有相对于第二模块端子的正电势。第一汇流条可以被布置为具有相对于第二汇流条的正电势。
第一接合可以包括可以电链接在第一模块端子和第一汇流条之间的至少一个间隙。可以通过导电糊剂、导电墨水或导电带进行链接。
替代性地，第一接合可以包括第一模块端子和第一汇流条之间的可断开链接，链接至少在相关联的模块是模块单元的一端上的头部模块时被保持，并且所述链接在相关联的模块不是模块单元的一端上的头部模块时被断开。
第二接合可以包括可在所述第二模块端子和所述第二汇流条之间电链接的至少一个间隙，至少当相关联的模块是位于所述模块单元的另一端的尾部模块时进行该链接。可以通过导电糊剂、导电墨水或导电带进行该链接。
替代性地，第二接合可以包括第二模块端子和第二汇流条之间的可断开链接，链接在相关联的模块是位于模块单元的另一端的尾部模块时保持，并且链接在相关联的模块不是位于模块单元的另一端的尾部模块时断开。
第三接合可以包括可以电链接在第一或第二模块端子和相邻模块的模块间轨道之间的至少一个间隙，至少在相关联的模块要串联连接到相邻模块时进行所述链接。可以通过导电糊剂、导电墨水或导电带进行链接。
替代性地，第三接合可以包括所述第一或第二模块端子和相邻模块的模块间轨道之间的可断开链接，所述链接至少在相关联的模块要与相邻模块串联连接时保持，并且链接在相关联的模块不与相邻模块串联连接时断开。
根据本发明的另一方面，提供一种包括载体基板的光伏装置，所述载体基板承载印刷结构，该印刷结构包括：
多个单元，每个单元包括多个印刷的光伏模块，其中，每个模块包括
第一和第二模块端子，以及，
在光伏模块的第一和第二模块端子之间的多个印刷的光伏电池，使得每个光伏电池与相邻的光伏电池串联电连接；
沿多个单元的一侧延伸的第一印刷的汇流条，其中，第一汇流条适于电连接到单元中的头部光伏模块的第一端子；
沿多个单元的另一侧延伸的第二印刷的汇流条，其中，第二汇流条适于电连接到单元中的尾部光伏模块的第二端子；光伏电池被定位在与第一和第二汇流条平行的取向；以及
与每个光伏模块相关联并位于该印刷结构上光伏模块外部的模块间轨道，其中，所述模块间轨道包括可链接间隙使得各光伏模块最初相互不连接，一个光伏模块在制造期间和在向该印刷结构施加保护性涂层之前至少当通过第一或第二端子建立与第一或第二汇流条的电连接时通过相应可链接间隙之上的导电糊剂、导电墨水或导电带能够选择性地串联连接到相邻的光伏模块。
这里还公开一种包括载体基板的光伏装置，所述载体基板承载印刷结构，该印刷结构包括：
多个单元，每个单元包括多个印刷的光伏模块，其中，每个模块包括
第一和第二模块端子，以及，
在光伏模块的第一和第二模块端子之间的多个印刷的光伏电池，使得每个光伏电池与相邻的光伏电池串联电连接；
沿多个单元的一侧延伸的第一印刷的汇流条，其中，第一汇流条适于电连接到单元中的头部光伏模块的第一模块端子；
沿多个单元的另一侧延伸的第二印刷的汇流条，其中，第二汇流条适于电连接到单元中的尾部光伏模块的第二模块端子；光伏电池被定位在与第一和第二汇流条平行的取向；以及
与每个光伏模块相关联并位于该印刷结构上光伏模块外部的模块间轨道，
其中，x个模块通过连接的模块间轨道串联电连接或者相互串联和并联电连接以形成一组光伏模块，x是大于1的整数，以及其中，
包括轨道接合的相邻的模块间轨道，适于在向印刷结构施加保护性涂层之前至少当通过第一或第二模块端子建立与第一或第二汇流条的电连接时选择性地连接相邻的一组光伏模块。
光伏电池可以相互串联连接。每个光伏电池可以包括第一和第二电池电极，其中第一电极具有相对于第二电池电极的正电势，并且，其中，串联中的头部光伏电池的第一电池电极形成第一模块端子，并且，串联中的尾部光伏电池的第二电池电极形成第二个模块端子。光伏装置可按需印刷以通过以下方式提供选择的电压或电流：选择模块中电池的数目；和/或选择单元中的模块的数目。
在一个实施例中，每个光伏模块包括多于八个的串联电连接的光伏电池。
在一个实施例中，每个光伏模块垂直于第一和第二汇流条取向。
本发明还公开了一种部件套件，该套件包括如上所述的印刷光伏装置和诸如导电糊剂、导电墨水或导电带的导电材料，该导电材料适于在选择的第一端子和第一汇流条、选择的第二端子和第二汇流条之间以及轨道接合之间进行按需连接。
这里还公开了一种包括载体基板的光伏装置，所述载体基板承载印刷结构，该印刷结构包括：
多个光伏模块，其中，每个模块包括第一和第二端子，并且，其中，多个光伏电池电连接在第一和第二模块端子之间；
沿光伏模块的一侧延伸的第一汇流条；
沿光伏模块的另一侧延伸的第二汇流条；以及
多个模块间轨道，其中，每个模块间轨道与光伏模块相关联；
其中，多个光伏模块被布置为一个或多个单元，每个单元具有相互电连接或者由n个模块隔开的头部模块和尾部模块，其中，n是整数；
其中，模块通过与所述模块间轨道相关联的接合串联、或者串联和并联连接；
其中，头部模块的所述第一端子电连接到所述第一汇流条，并且，尾部模块的第二端子电连接到所述第二汇流条。
根据本发明的另一方面，提供一种制造如上所述的光伏装置的方法，其中，该方法包括以下步骤：
在基板上形成第一导电电极层；
至少部分地在第一导电电极层之上形成第一电荷选择层；
至少部分地在第一电荷选择层之上形成光活性层；
至少部分地在光活性层之上形成第二电荷选择层；
其中，通过涂敷工艺形成第一导电电极层、第一电荷选择层、光活性层和第二电荷选择层中的一个或多个；
沿基板以预定间隔移除形成的层的部分，从而创建部分地形成单个光伏模块的分立式层段；以及
部分地在分立式层段和基板之上印刷第二导电电极层，以形成光伏模块、模块间轨道和汇流条。
根据本发明的又一方面，提供上述的制造光伏装置的方法，其中，该方法包括在基板上形成光伏模块、模块间轨道和汇流条的步骤，其中，形成步骤包括限定可选择性配置的接合。
这里还公开用于在载体基板上制造光伏装置的方法，方法包括以下步骤：
设置所述载体基板；
在所述基板上印刷多个光伏模块，其中，每个模块包括第一和第二端子，并且，其中，一个或多个光伏电池电连接在第一和第二模块端子之间；
印刷沿着所述载体基板延伸并在一侧处于光伏模块的侧翼的第一汇流条；
印刷沿着所述载体基板延伸并处于光伏模块的另一侧的侧翼的第二汇流条；
在所述基板上印刷多个模块间轨道，其中，每个模块间轨道与相应的光伏模块相关联；以及
印刷与所述模块端子、所述模块间轨道和/或所述汇流条相关联的多个接合，所述接合适于根据需要串联和/或并联电连接所述光伏模块。
任选地，每个模块的第一端子包括用于至少当相关联的模块是模块单元的一端的头部模块时将所述第一端子电连接到所述第一汇流条的第一接合，并且，其中，每个模块的所述第二端子包括用于至少当相关联的模块是位于所述模块单元的另一端的尾部模块时电连接所述第二端子到所述第二汇流条的第二接合。
任选地，或者，每个模块间轨道包括用于至少当相关联的模块串联连接到所述相邻模块时将相关联的模块的第一或第二端子分别电连接到相邻模块的第二或第一端子的第三接合。
任选地，n个模块可以串联电连接以形成具有n个模块的小型单元，其中n是整数。具有n个模块的小型单元可沿所述载体基板重复至少一次以分别形成分别具有n个模块的m个小型单元，其中m是整数。分别具有n个模块的m个小型单元可以并联电连接以形成具有n×m个模块的大型单元。
在一个实施例中，载体基板可以包括可弯曲箔。该方法可以包括卷起可弯曲箔以形成卷。
在一个实施例中，每个模块包括在第一和第二模块端子之间串联电连接的多个光伏电池。每个模块间轨道可以包括印刷导电材料。此外，每个所述第一和第二汇流条可以包括印刷导电材料、层叠金属箔或其组合。
通常，第一模块端子具有相对于所述第二模块端子的正电势。此外，第一汇流条可以具有相对于所述第二汇流条的正电势。
第一个接合可以包括可以在所述第一模块端子和所述第一汇流条之间电链接的至少一个间隙。可以通过导电糊剂、导电墨水或导电糊剂进行链接。第一接合可以包括在第一模块端子和所述第一汇流条之间的可断开链接，所述链接可以至少在相关联的模块是模块单元的一端的头部模块时保持，并且，所述链接可以在相关联的模块不是模块单元的一端的头部模块时断开。
第二接合可以包括可以在所述第二模块端子和所述第二汇流条之间电链接的至少一个间隙，至少当相关联的模块是位于所述模块单元的另一端的尾部模块时进行所述链接。可以通过导电糊剂、导电墨水或导电糊剂进行链接。第二接合可以包括所述第二模块端子和所述第二汇流条之间的可断开链接，所述链接至少在相关联的模块是位于所述模块单元的另一端的尾部模块时保持，并且，所述链接在相关联的模块不是位于所述模块单元的另一端的尾部模块时断开。
第三接合可以包括可以在所述第一或第二模块端子与相邻模块的模块间轨道之间电链接的至少一个间隙，至少在相关联的模块要串联连接到相邻模块时进行所述链接。可以通过导电糊剂、导电墨水或导电糊剂进行链接。第三接合可以包括所述第一或第二模块端子与相邻模块的模块间轨道之间的可断开链接，所述链接至少在相关联的模块要串联连接到相邻模块时保持，并且，所述链接在相关联的模块将不与相邻模块串联连接时断开。
附图说明
现在通过示例并参照附图描述本发明的具体实施例。应当理解，这些实施例仅以图示的方式给出，并且本发明不受该图示的限制。图中：
图1a表示具有四个串联连接的电池的PV模块的示例。
图1b表示PV模块的截面。
图1c表示PV电池的结构细节。
图2a表示双向无限互连PV模块的示例。
图2b表示单向无限互连PV模块的示例。
图3表示具有三个串联连接的模块的混合设计中的PSF布局的示例。
图4表示配置有两个通道的混合设计中的PSF布局。
图5a表示具有用于模块间轨道以及在模块与汇流条之间的可链接间隙的PSF布局。
图5b表示间隙被桥接后的图5a的布局。
图6表示包括简单线条或复杂形状的可链接间隙的示例。
图7a表示具有用于模块间轨道以及在模块与汇流条之间的可断开链接的PSF布局。
图7b表示链接被断开后的图7a的布局。
图8a表示具有用于模块间轨道的可链接间隙的PSF布局。
图8b表示具有在模块、模块间轨道和汇流条之间的可链接间隙的替代性PSF布局。
图8c表示间隙被桥接或连接后的图8b的布局。
图9a表示具有用于在头部模块L和尾部模块T之间的串联连接的可链接间隙的PSF布局。
图9b表示图9a的替代性PSF布局，也具有用于在头部模块L和尾部模块T之间的串联连接的可链接间隙。
图10a表示根据一个实施例的包括三个电连接模块的光伏模块或单元的示例。
图10b表示根据另一实施例的包括四个电连接模块的光伏模块或单元的示例。
图11表示示出根据本发明一个实施例的印刷的太阳能膜的制造过程中的步骤的示意图。
图12a示出在涂敷过程之后承载第一导电电极层11、第一电荷选择层12、光活性层13和第二电荷选择层14中的每一个的光伏装置的基板的截面的平面图。
图12(b)示出通过蚀刻工艺去除每个层11至14的相关部分以形成单个光伏模块的基础之后的图12a所示的基板。
虽然本发明可以接受各种修改和替代形式，但是已经在附图中以示例的方式示出并且将在本文中详细描述具体实施例。然而，应当理解，本发明并不打算局限于所公开的特定形式。相反，本发明要涵盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代物。
具体实施方式
定义
光伏电池
在本发明的上下文中，术语“光伏电池”表示包括一个或多个元件的电池，这些元件将照射在其表面上并且正被吸收的光转换为以外部电路中的给定电压的电流的形式的电能。
光伏模块
在本发明的上下文中，术语“光伏模块”表示包括多个光伏电池的模块。
模块端子
在本发明的上下文中，术语“模块端子”表示光伏模块的输出端子。光伏模块可以包括两个模块端子，例如，正端子和负端子。在根据本发明的光伏模块中，光伏模块包括一个正模块端子和一个负模块端子，在正模块端子和负模块端子之间配置光伏电池。
印刷的
在本发明的上下文中，术语“印刷的”表示任何类型的转移过程，诸如旋转丝网印刷、平板丝网印刷、凹版印刷、柔性版印刷、喷墨印刷、槽模涂布、刀涂敷、刀片涂敷、棒涂敷和卷材涂敷。
薄板
在本发明的上下文中，术语“薄板”表示诸如金属箔或塑料箔的材料的薄片材。在一个实施例中，薄板的厚度可以小于1mm，包括小于0.9mm或小于0.8mm或小于0.75mm或小于0.7mm或小于0.6mm或小于0.5mm或小于0.4mm或小于0.3mm或小于0.25mm或小于0.2mm或小于0.1mm。
在一个实施例中，薄板可以由可弯曲材料制成，并且薄板的弯曲半径可以小于1000mm，包括小于500mm或小于250mm或小于125mm或小于100mm或小于75mm或小于50mm或小于40mm或小于30mm或小于25mm或小于20mm或小于15mm或小于10mm或小于5mm。
弯曲半径
在本发明的上下文中，术语“弯曲半径”表示在弯曲部分内测量的最小测量值，通过该最小测量值，材料可以被弯曲而不会被断裂、损坏或寿命缩短。在一个实施例中，材料可弯曲到此半径而不发生塑性变形，换句话说，材料在弯曲到此半径时仅可发生弹性变形。因此，可以理解，材料的弯曲半径越小，材料越柔韧和越可弯曲。类似地，可以理解，弯曲半径越大，材料越硬。
测试薄板的弯曲半径的一种方式是提供半径与弯曲半径相对应的圆柱体。随后，薄板可能围绕圆柱体弯曲。例如，可以提供半径为25mm的圆柱体，随后，薄板可以围绕圆柱体弯曲。最后，可以对光伏模块进行测试，以确定其是否它仍在工作即是否能够产生与未弯曲的薄板相同的电量。
有机
在本发明的上下文中，术语“有机”表示包括通过可以是饱和或不饱和的并且可以以共轭方式连接以传递半导体特性的碳－碳键构建的分子材料。有机材料可以包括一种或更多种诸如氢、氮、氧、硫、硒、磷的其它元素和金属离子。
本发明可以提供用于印刷的太阳能膜(PSF)的互连方法，该印刷的太阳能膜包括通过在柔性基板上印刷而产生的溶液处理的太阳能电池。溶液处理的太阳能电池，包括有机太阳能电池、有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池；无机纳米粒子基太阳能电池，通常是在透明导电电极(TCE)上制造的。
图1a表示具有四个串联连接的电池的基于TCE的PV模块的示例，图1b表示PV模块的截面。在研究实验室里，器件通常被制成小面积的单电池。相比之下，由于TCE的导电性有限，大面积器件需要电池的串行互联。当电池宽度超过厘米级时，TCE的高阻损耗，即所谓的欧姆损耗，可能变得明显。因此，如图1a所示的条纹图案设计通常用于制造大面积的基于TCE的器件。
图1c表示PV电池的结构的截面的细节。截面包括基板10、导电电极11、电荷选择层12、光活性层13、电荷选择层14和导电电极15。
基板10可以包括塑料材料，诸如带有绝缘涂层和柔性玻璃的PET、PEN和聚酰亚胺金属箔。导电电极11通常包括铟掺杂的氧化锡(ITO)。或者，可以使用其它金属氧化物、导电聚合物、金属纳米线和复合材料(带有其它导电材料的金属栅格)。在具有透明顶部电极的顶部照明设备的情况下，导电电极11可以包括不透明金属。
电荷选择层12(也称为缓冲层或电荷(电子、空穴)传输层)是可选的，因为器件可以在没有层12的情况下工作。材料通常可以包括金属氧化物或有机半导体。也可以使用双层或三层和/或复合材料。
导电电极15可以包括与用于导电电极11的材料类似的材料。当TCE用于导电电极11时，导电电极15可以包括不透明导体。
主要是在应用面积小(通常小于A3大小)并且通常以片材形式被使用时，模块设计是有用的。对于大面积应用，常规上通过逐卷工艺在长膜上以卷的形式制造太阳能电池。可以沿着处理方向重复并且串联连接模块图案。
如上所述，已经开发了实用的互连方法，该方法使用称为无限设计的电池的无限互连以产生相对高的电压，而不会由于来自大电池区域的大电流而遭受欧姆损耗。尽管无限设计是实用和有用的，但是如上面讨论的那样，在实际应用中存在限制。
为了解决常规片材模块和无限设计的限制，本发明提出混合互连设计。如下面参照图3到图7描述的那样，提出的混合设计包括重复单元模块、模块间轨道和平行汇流条。
图3表示混合设计30中的PSF布局的示例，该混合设计30具有通过模块间轨道34串联连接以形成小型单元的三个模块31-33，其中小型单元并联连接到汇流条35、36以形成大型单元。可以通过在重复的小型单元中选择串联连接的模块的数量，来确定汇流条35、36之间的期望输出电压。每个小型单元的头部尾部模块可以连接到汇流条35、36，使得可以在汇流条35、36上的任何点上收集电力。混合互连设计可以与诸如图2a所示的双向设计的多通道设计一起使用。
三个光伏模块31～33中的每一个包括串联连接的多个光伏电池37。为了便于说明，在每个光伏模块中表示9个光伏电池。然而，在实际中，可以在每个光伏模块中包括任何适当数量的光伏电池。例如，如果基板38具有约30cm的宽度(W)，通常，在每个模块31～33中包括5～20个光伏电池37。在一个实施例中，在每个模块31～33中包括5个光伏电池37。在另一实施例中，在每个模块31～33中包括16个光伏电池37。在另一实施例中，在每个模块31～33中包括20个光伏电池37。在其它实施例中，特别是在基板38的宽度(W)增加的情况下，可以在每个模块31～33中包括更多的光伏电池37。
至少从图3可以更清楚地认识到，本发明的实施例有利地允许以灵活的方式选择性地配置光伏模块之间的连接，以为了适合任何应用提供任何定制输出。由于光伏电池和模块的尺寸、布置和配置，已经发现，通过使用例如模块间轨道和接合来选择性地配置光伏模块之间的串联/并联连接会比试图通过改变单个光伏电池之间的连接来实现类似的结果容易得多。
图4表示配置有两个通道41、42的混合设计40中的PSF布局。可以通过用任何已知的工业或大规模制造方法(诸如丝网印刷)来印刷轨道和/或汇流条和连接和/或接合并且通过使用如下所述的各种方法修改大规模生产的连接或接合，来实现混合设计。
在一些实施例中，可以在模块间连接中以及在单元模块与汇流条之间设置可能容易桥接、链接或填充的小间隙。可以通过使用各种工具(诸如溶液分配器、印章、槽模、喷雾、刷子和喷墨印刷)用导电墨水桥接、链接或填充间隙。也可以通过导电带和/或贴条桥接或链接间隙。
图5a表示具有与模块间轨道52相关联的可链接间隙51和模块55与汇流条56、57之间的可链接间隙53、54的PSF布局50。
当相关联的模块要串联连接到相邻模块时，间隙51可电链接到相关联的模块端子。
当相关联的模块要与相邻模块并联连接时，间隙53可电链接到汇流条56。
当相关联的模块要与相邻模块并联连接时，间隙54可电链接到汇流条57。在每种情况下，可以通过导电糊剂等制成链接。
图5b表示间隙51、53、54通过导电糊剂被桥接或连接后的相同布局50。在间隙51、53、54被桥接之后，布局50形成小型单元58，该小型单元58包括如图5a的例子所示的串联连接的3个模块。小型单元58可沿载体基板重复至少一次，以形成具有3个模块的m个小型单元，其中，m为整数。具有n个模块的m个小型单元可以并联电连接以形成3×m模块的大型单元。
如图6所示，每个间隙51、53、54可以包括简单的直线60(图6a)，或者它可以包括更复杂的形状61～63(图6b至6d)，以更好地适应连接或桥接间隙时的误差容限。可以通过导电糊剂等桥接或连接各间隙。
在其它实施例中，所有光伏模块最初可以通过可切断的链接连接并且还并联连接到汇流条。模块间轨道和汇流条之间的连接可随后以任何方式断开连接或切断，以确定重复单元中的串联连接的单元模块的数量。可通过激光划割、机械划割和/或化学蚀刻切断连接。
图7a表示具有与模块间轨道72相关联的可切断链接71以及模块75和汇流条76、77之间的可切断链接73、74的PSF布局70。
当相关联的模块要串联连接到相邻模块时，保持链接71。当相关联的模块要与相邻模块并联连接时，链接71被断开。
当相关联的模块要与相邻模块并联连接时，保持链接73、74。当相关联的模块要串联连接到相邻模块时，链接73、74被断开。
图7b表示链接71、73、74断开后的相同PSF布局70。在切断链接71、73、74之后，布局70形成小型单元78，该小型单元78包括如图7b的示例中所示的串联连接的三个模块。小型单元78可沿载体基板重复至少一次，以形成m个具有3个模块的小型单元，其中m为整数。具有n个模块的m个小型单元可以并联电连接以形成具有3×m个模块的大型单元。
图8a表示PSF布局80，该PSF布局80包括具有与模块间轨道83相关联的可链接间隙82的多个模块81。至少当相关联的模块/模块单元要串联连接到相邻模块/模块单元时，间隙82是可电链接的。
图8b表示替代性PSF布局80，该PSF布局80包括具有与模块间轨道83相关联的可链接间隙82、与模块端子86、87相关联的可链接间隙84、85以及模块端子86、87和汇流条90、91之间的可链接间隙88、89的多个模块。至少当相关联的模块/模块单元要串联连接到相邻模块/模块单元时，间隙82是可电链接的。至少当相关联的模块要并联连接到相邻模块时，与模块端子86、87相关联的间隙84、85是可电链接的。
至少当相关联的头部模块或模块单元要与相邻的模块/模块单元并联连接时，间隙88可以电链接到汇流条90。类似地，至少当相关联的尾部模块/模块单元要与相邻模块/模块单元并联连接时，间隙89可以电链接到汇流条91。在每种情况下，可以通过导电糊剂、导电墨水或导电带等制成链接。
图8c表示在间隙82、84、85、88和89已经通过导电糊剂按需桥接或连接(或在可能的情况保持断开)后的同一布局80。在间隙被桥接(或保持断开)后，布局80形成分别包括串联连接的两个模块的小型单元92、93。小型单元92、93可沿载体基板重复以形成具有两个模块的m个小型单元，其中m为整数。具有n个模块的m个小型单元可以并联电连接以形成具有2X m个模块的大型单元。
图9a表示PSF布局80，该PSF布局80包括多个模块81，具有与模块间轨道83相关联的可链接间隙82，和在模块端子86、87和汇流条90、91之间的用于头部模块L和尾部模块T之间的串联连接的可链接间隙88、89。
图9b表示替代性PSF布局80，该PSF布局80包括多个模块81，具有模块端子86、87之间的可链接间隙82和在模块端子86、87和汇流条90、91之间的用于头部模块L和尾部模块T之间的串联连接的可链接间隙88、89。
图10a表示光伏模块或具有三个电互连光伏模块的单元的示例性PSF布局80。具有三个模块81的单元被示为具有通过接合88′连接到汇流条90的头部单元L1和通过接合89′连接到汇流条91的尾部单元T，以及模块L1、N和T通过接合82′相互串联连接。L1和T之间的其它接合84、85、88和89保持断开。L2形成独立单元的一部分。
图10b表示光伏模块或包括四个电连接模块的单元的示例性PSF布局80。四个模块81的单元被示为具有通过接合88′连接到汇流条90的头部单元L1和通过接合89′连接到汇流条91的尾部单元T。模块L1和N1以及N2和T通过接合84′和85′相互并联连接。模块N1和N2通过接合82′相互串联连接。L1和T之间的其他接合82、84、85、88和89保持断开。
在其他实施例中，如以上参照图5～10描述的那样，可以通过包括可链接间隙和可切断链接的方法的组合连接光伏模块。
与常规的模块片材相比，本发明可以允许制造相对大面积的器件。大面积太阳能电池的输出电压可以在制造后或制造过程中被按需设定。
在大面积装备中，输出电压可以设定为安全等级并且/或者可以与任何逆变器系统兼容。在大面积装备中，无论所需的输出电压如何，印刷的太阳能薄膜都可以被切割到所需的长度(以有限的自由度，或者当切割重复单元的中间时有一些面积损耗的任何地方)。
能量可以从汇流条上的任何地方被收集。对于广域应用，诸如平行方向上的多个PSF装备，PSF之间的互连可以在任何点进行。
本发明的光伏装置和方法可能特别适用于与在柔性基板上的溶液处理的太阳能电池一起使用。
现在参照图11描述根据本发明的实施例的制造印刷的太阳能膜(PSF)的方法110。方法110可以被用于形成用于规划如图1(c)中更清楚地示出的光伏电池的适当层11至15中的每一层，这些层共同构成如先前参考图3～10(b)描述的光伏模块和光伏装置。
在第一步骤112中，提供载体基板10(诸如柔性ITO基板)。为了便于说明，图11中的基板126在制造期间从图11中的箭头128所示的“薄板方向”移动。第一导电电极层11经由涂敷工艺被施加到基板10。分配器126被用于经由涂敷工艺施加第一导电电极层11。优选地，对于第一导电电极层，使用氧化铟锡(ITO)基导体。此外，以约100～300nm的厚度范围，形成第一导电电极层11。
与一些印刷工艺不同，该涂敷工艺有利地允许精确控制被施涂层的厚度。特别地，涂敷工艺允许以所需厚度施加均匀的层。此外，涂敷工艺允许当基板相对于分配器移动时连续地创建每个层，这允许更高的效率(例如，当与不同印刷工艺相比时)。
通常，在印刷工艺中，“印刷墨水”的液滴被分配在基板上。这种印刷工艺会造成不均匀的厚度，有时会在印刷层中产生间隙(也称为针孔)。此外，特别是当印刷层的厚度需要高水平的精度和均匀性时，印刷层的厚度难以精确控制。
在第二步骤114期间，第一电荷选择层12通过相同的涂敷工艺被涂敷在基板10之上并且部分地覆盖第一导电电极层11。优选地，以约10～100nm的厚度范围形成第一电荷选择层12。
在第三步骤116期间，光活性层13也通过相同的涂敷工艺被涂敷在基板10之上，并且部分地覆盖第一电荷选择层12。优选地，以约100～500nm的厚度范围形成光活性层13。
虽然图11中未示出，但第二电荷选择层14也可以通过相同的涂敷工艺被涂敷在基板10上并且部分地覆盖光活性层13。优选地，以约10～500nm的厚度范围形成第二电荷选择层14。
虽然优选使用涂敷工艺以针对厚度和质量控制中的每一个施加层11～14中的每一个，但是可以通过使用某些印刷工艺实现足够的质量水平。例如，电荷选择层具有合理的导电性，并且它具有更大的厚度耐受性。因此，可以使用诸如旋转丝网印刷的方法以形成电荷选择层。
在图12(a)和12(b)所更清楚地示出的第四步骤118(图11中也未示出)期间，可以去除经由涂敷步骤112至116施加的层11至14中的一个或多个的部分，以形成单个光伏模块的基础。去除的层11至14的数量可以取决于层11至14的导电性。通常，图12(b)中由202、204表示的区域中的第二电荷选择层14的部分被去除。在某些情况下，如果电荷传输层(也称为光活性层13)的导电性过高，则如图12(a)和12(b)中更清楚地示出的那样，去除层11至14的部分。图12(a)示出涂敷步骤112至116完成后的承载层11至14中的每一个的基板10的平面图。图12(b)示出通过包括分层和/或刮擦的任何适当方法去除各层11至14的相关部分以在单个光伏模块之间创建空间202、204之后的基板10。
在第五步骤120期间，通过丝网印刷工艺施加第二导电电极层15，在该丝网印刷工艺中，将导电材料层施加到丝网中的网孔上，通过阻断丝网的多个部分产生为要印刷的光伏模块设计的负像的模版。在一个实施例中，光伏模块被印刷有在模块间轨道中以及模块与汇流条之间的可链接间隙。丝网印刷层的厚度可以通过几个参数来控制，这些参数包括网孔尺寸、丝网厚度、印刷糊剂中的固体含量、挤压角度和挤压压力。前两个参数是主要的控制参数。通常，第二导电电极层15的厚度可以为约1um至10um。第二导电电极层15结束每个光伏模块130、相关联的模块间轨道132和汇流条134、136的形成。
在第六步骤122(图11中也未示出)期间，基板10被切割到所需的长度。虽然，也可以在进行一些互连之后实施该切割步骤122。
在最后的第七步骤124期间，通过使用远程控制分配器，实施连接到相邻的光伏模块的模块间轨道上的希望的互连以及光伏模块和汇流条之间的互连。在一些实施例中，可以通过导电带形成互连。在替代性实施例中，可以通过任何合适的工艺，例如，通过蚀刻和/或穿孔工艺，破坏现有的电连接。一旦互连/断开完成，印刷的太阳能膜就通过层叠工艺被封装以保护基板10和形成的层11至15。方法110有利地允许在作为制造过程的一部分的步骤124期间以及在太阳能膜的最终封装之前定制每个光伏装置的设计。
通过提供加入到光伏装置设计中的可选择性配置接合，可以在制造过程中利用一个或多个模板或通用光伏装置设计(例如，通过上面的步骤112至122)。然后，在层叠印刷的太阳能薄膜以进行保护之前，可以在步骤124中实施对于每个光伏装置的定制互连。例如，可以在步骤124对分配器进行编程，以在所选接合处创建所需的互连。因此，本发明的实施例有利地允许快速制造大容量定制设计的光伏装置以适应不同的应用要求，而无需在层叠后进一步重新配置。即，本发明的实施例允许以相对低的成本灵活地按需批量制造不同定制设计的光伏装置。
在术语“包括”、“包含”、“被包括”或“具有”用于本说明书(包括权利要求书)中的情况下，它们应被解释为指定陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤或组件或其一组的存在。
虽然结合有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，根据上述描述，许多替代、修改和变化是可能的。因此，本发明旨在包括可能属于所公开的本发明的精神和范围内的所有此类替代、修改和变化。
本申请可以被用作一个或多个未来申请的基础或优先权，并且任何此类未来申请的权利要求可以指向在本申请中描述的任何一个特征或特征组合。任何这种未来申请可以包括以下权利要求中的一个或多个，这些权利要求是以实例的方式提出的，并且，关于在任何未来申请中可能提出的权利要求而言，不是限制性的。

Claims (18)

1.一种包括载体基板的光伏装置，所述载体基板承载印刷结构，该印刷结构包括：
多个印刷的光伏模块，每个模块包括
第一和第二模块端子，以及
在第一和第二模块端子之间的多个印刷的光伏电池，使得每个光伏电池与相邻的光伏电池串联电连接；
沿光伏模块的一侧延伸的第一印刷的汇流条；
沿光伏模块的相对侧延伸的第二印刷的汇流条；以及
多个模块间轨道，每个模块间轨道与光伏模块相关联；
其中光伏电池被定位在与第一汇流条和第二汇流条平行的取向；
其中每个模块间轨道被印刷有可链接间隙，使得光伏模块最初在印刷结构中相互不连接；
其中，所述印刷结构在该印刷结构上光伏模块的外部的预定位置处限定多个能够选择性配置的接合，接合中的一个或多个在制造期间和在向该印刷结构施加保护性涂层之前可以被配置以便：
使得光伏模块能够通过一个或多个模块间轨道的相应可链接间隙之上的导电糊剂、导电墨水或导电带选择性地与相邻光伏模块连接，以及
使得模块端子能够选择性地与第一和第二汇流条中的一个连接或断开连接，
以使得光伏模块能够根据需要选择性地串联和/或并联电连接。
2.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述多个能够选择性配置的接合还包括一个或多个可切断的链接。
3.根据权利要求1或2所述的光伏装置，其中，一个或多个模块间轨道被配置为使得能够在相邻光伏模块之间进行选择性串联连接；以及
其中，所述接合中的一个或多个被配置为使得在相邻光伏模块之间能够进行选择性并联连接。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的光伏装置，其中，光伏模块包括第一导电电极层、电荷选择层和光活性层，其中，所述层中的每一个通过涂敷工艺在基板上形成。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的光伏装置，包括一个或多个模块单元，每个单元包括串联的两个或多个相邻模块，使得在每个单元内在串联连接的一端设置头部模块并在串联连接的相对端设置尾部模块，
其中，头部模块的第一端子包括用于选择性地将所述第一端子连接到所述第一汇流条的第一接合，以及
其中，尾部模块的第二端子包括用于选择性地将所述第二端子连接到所述第二汇流条的第二接合。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的光伏装置，其中，n个模块能够串联电连接以形成具有n个模块的小型单元，并且，其中n是整数。
7.根据权利要求6所述的光伏装置，其中，所述具有n个模块的小型单元至少重复一次以分别形成每个具有n个模块的m个小型单元，并且，其中m是大于或等于2的整数。
8.根据权利要求7所述的光伏装置，其中，所述每个具有n个模块的m个小型单元能够并联电连接以形成n×m个模块的大型单元。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的光伏装置，其中，每个模块间轨道包括印刷导电材料。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的光伏装置，其中，第一和第二汇流条中的每一个包括印刷导电材料、层叠金属箔或其组合。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的光伏装置，其中，所述第一模块端子具有相对于所述第二模块端子的正电势。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的光伏装置，其中，所述第一汇流条具有相对于所述第二汇流条的正电势。
13.一种包括载体基板的光伏装置，所述载体基板承载印刷结构，该印刷结构包括：
多个单元，每个单元包括多个印刷的光伏模块，其中，每个模块包括
第一和第二模块端子，以及，
在光伏模块的第一和第二模块端子之间的多个光伏电池，使得每个光伏电池与相邻的光伏电池串联电连接；
沿多个单元的一侧延伸的第一印刷的汇流条，其中，第一汇流条适于电连接到单元中的头部光伏模块的第一端子；
沿多个单元的另一侧延伸的第二印刷的汇流条，其中，第二汇流条适于电连接到单元中的尾部光伏模块的第二端子；光伏电池被定位在与第一和第二汇流条平行的取向；以及
与每个光伏模块相关联并位于该印刷结构上光伏模块的外部的模块间轨道，其中，所述模块间轨道包括可链接间隙使得各光伏模块最初相互不连接，一个光伏模块在制造期间和在向该印刷结构施加保护性涂层之前至少当通过第一或第二端子建立与第一或第二汇流条的电连接时通过相应可链接间隙之上的导电糊剂、导电墨水或导电带能够选择性地串联连接到相邻的光伏模块。
14.根据权利要求13所述的光伏装置，其中，每个光伏电池包括第一和第二电池电极，其中，第一电极具有相对于所述第二电池电极的正电势，并且，其中，串联中的头部光伏电池的第一电池电极形成第一模块端子，并且，串联中的尾部光伏电池的第二电池电极形成第二模块端子。
15.根据权利要求13或14所述的光伏装置，其中，通过以下方式根据需要印刷光伏装置以提供选择的电压或电流：选择模块中电池的数量；和/或选择单元中模块的数量。
16.根据上述任一项权利要求所述的光伏装置，其中每个光伏模块包括多于八个的串联电连接的光伏电池。
17.根据上述任一项权利求所述的光伏装置，其中每个光伏模块垂直于第一和第二汇流条取向。
18.一种制造根据上述权利要求中的任一项的光伏装置的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
在基板上形成第一导电电极层；
至少部分地在第一导电电极层之上形成第一电荷选择层；
至少部分地在第一电荷选择层之上形成光活性层；
至少部分地在光活性层上形成第二电荷选择层；
其中，通过涂敷工艺形成第一导电电极层、第一电荷选择层、光活性层和第二电荷选择层中的一个或多个；
沿基板以预定间隔移除形成的层的部分，从而创建部分地形成单个光伏模块的分立式层段；以及
部分地在分立式层段和基板之上印刷第二导电电极层，以形成光伏模块、模块间轨道和汇流条。
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