CN111095789B - 叠瓦光伏电池的互连方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了使用部分层叠法使光伏电池互连的技术，一片光伏电池的至少一部分被施加非导电性粘接材料，之后将另一片光伏电池部分层叠在第一片光伏电池上，根据采用的粘接材料的类型，执行必要的固化步骤。本发明方法可用于在叠瓦光伏组件内：1)使光伏电池互连；2)使叠瓦光伏电池串互连；3)使光伏电池和其它部件与外部电路互连。本发明的互连方法还可提升用叠瓦光伏电池构件的叠瓦光伏组件的美观、可靠性和可生产性。

Description

叠瓦光伏电池的互连方法
发明背景
在常规光伏组件中，光伏电池通过导电焊带串联或者并联连接形成光伏电池串阵列。连接光伏电池的常规方法是通过焊接处理，即串焊。一旦形成光伏电池串，各个光伏电池串的焊带通过组件汇流条连接在一起形成通路，由此完成光伏组件的电路。
在叠瓦光伏组件中，一片光伏电池部分层叠在另一片光伏电池上。在叠瓦过程中，一片光伏电池的背面主栅线接触区与另一片光伏电池的正面主栅线接触区接触。该步骤可多次重复以使得多片光伏电池彼此连接而建立电连接，形成光伏电池串。
电池层叠可通过将光伏电池的主栅线直接层叠在彼此之上而建立电连接，该方法的缺点是这些光伏电池在组装过程或后组装过程期间容易错位。如果这些光伏电池的位置未被适当固定，外力的任何影响，无论是因设备振动、真空吸附移载引起还是在成品测试阶段引起，均会大大影响光伏电池组合件的定位。在一些情形下，具有粘附性能的中间导电材料被施加到主栅线之间以提供更可靠的连接，包括机械和电连接，但由于这些材料的引入，导致灾难性故障的电短路风险更突出。由于在叠瓦处理期间两个主栅线表面之间的压缩，被施加在主栅线之间的中间导电材料可能被挤出层叠区域。这导致光伏电池短路、热斑故障和其它可靠性问题。通常这些中间导电材料由导电颗粒和其它填充料制成。为确保电阻保持低，导电颗粒的典型选择为银。由于在光伏组件制作过程中加入这些材料，成本会显著增加。
发明内容
本发明总体上涉及叠瓦光伏电池的互连方法。更具体地，本发明涉及在不引入任何中间导电材料的情形下以可靠方式使叠瓦光伏电池互连的技术，中间导电材料包括但不限于：1)焊膏；2)导电胶(Electrically Conductive Adhesive，ECA)；3)焊带。本发明公开了在引入非导电性粘接材料的情形下以叠瓦方式使光伏电池互连的方法，其中非导电性粘接材料被施加到光伏电池的层叠区域周围。之后，使用多种固化技术固化光伏电池组合件，直到粘接材料被固化为止。一旦粘接材料完成固化，互相连接形成光伏电池串的多个光伏电池现在互相电连接且其位置通过粘接材料牢固地固定。此外，本发明中使用的粘接材料不导电。即便在多余粘接材料被挤出时，也能完全消除电短路的风险。另一个优点是非导电性粘接材料的成本大大低于导电材料的成本。
根据本发明的第一方面，提供使两片叠瓦光伏电池互连的方法，包括：第一步，将一片光伏电池放置在平面上；第二步，将非导电性粘接材料施加在光伏电池的表面上；第三步，按部分层叠方式放置另一片光伏电池，使得两片光伏电池的主栅线相互接触；第四步，固化光伏电池组合件。本发明用到的固化方法包括：1)热固化技术；2)紫外(UV)光固化技术；3)接触力或非接触力施加技术。
根据本发明的第二方面，提供使两片叠瓦光伏电池互连的方法，包括：第一步，将一片光伏电池放置在平面上；第二步，按部分层叠方式放置另一片光伏电池，使得两片光伏电池的主栅线相互接触；第三步，将非导电性粘接材料施加在光伏电池的边缘上；第四步，固化光伏电池组合件。本发明用到的固化方法1)热固化技术；2)紫外(UV)光固化技术；3)接触力或非接触力施加技术。
根据本发明的第三方面，提供使两片叠瓦光伏电池互连的方法，包括：第一步，将一片光伏电池放置在平面上；第二步，将非导电性粘接材料施加在光伏电池的表面上；第三步，按部分层叠方式放置另一片光伏电池，使得两片光伏电池的主栅线相互接触；第四步，将非导电性粘接材料施加在光伏电池的边缘上；第五步，固化光伏电池组合件。本发明用到的固化的方法1)热固化技术；2)紫外(UV)光固化技术；3)接触力或非接触力施加技术。
本发明的互连方法包括但不限于：1)在光伏电池之间建立连接；2)在叠瓦光伏电池串之间建立连接；3)在光伏电池和其它部件之间建立连接；4)在叠瓦光伏组件与外部电路之间建立连接。
本发明的互连方法可用于建立串联、并联、及兼有串联与并联的电路。
粘接材料的种类与用量的选择将在不损害电连接的基础上保证可靠的机械强度。粘接材料是非导电性的。粘接材料种类包括但不限于：1)环氧材料；2)凝胶材料；3)胶带材料。施加粘接材料的区域包括但不限于：1)光伏电池正面；2)光伏电池背面；3)光伏电池边缘。
附图说明
图1示出了按层叠方式互连的两片叠瓦光伏电池的示例的俯视图与侧视图。
图2示出了使两片叠瓦光伏电池互连的方法示例的流程图。
图3示出了使两片叠瓦光伏电池互连的方法的另一示例的流程图。
图4示出了使两片叠瓦光伏电池互连的方法的另一示例的流程图。
图5示出了光伏电池示例的俯视图。
图6示出了图5中所示光伏电池的仰视图。
图7示出了非导电性粘接材料施加到光伏电池的示例的俯视图。
图8示出了按部分层叠方式互连的两片光伏电池的示例的透视图。
图9示出了按部分层叠方式互连的两片光伏电池的另一示例的透视图。
图10示出了按部分层叠方式互连的两片光伏电池的另一示例的透视图。
图11示出了两片部分层叠的光伏电池经历热固化的示例。
图12示出了两片部分层叠的光伏电池经历紫外光固化的示例。
图13示出了两片部分层叠的光伏电池经历外力固化的示例。
图14示出了整块光伏组件的示意图。
具体实施方式
某些术语在以下描述中仅作为参照，故没有限制的意义。比如，“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”、“上方”及“下方”用于指代图示中一致性的方向。而“前”、“后”、“背”、“旁”可用于指代相关部件在一致而任意的参考系中的朝向和/或位置，该参考系由文字和相关的图示说明。此类术语包括以上特指的、其延伸的和类似的词语。
“光生伏打”-光生伏打或简称光伏，指使用展现光生伏打效应的半导体材料将光转化为电能。光伏电池和光伏组件也可被视为太阳能电池和太阳能组件。
“光生伏打电池”–光生伏打电池或简称光伏电池，指展现光生伏打效应的、将光转化为电能的半导体材料。光伏电池也可被视为太阳能电池。
“光生伏打组件”-光生伏打组件或简称光伏组件，由互连的光伏电池构成并封装成产生太阳能电力的组合件。光伏组件也可被视为太阳能组件或者太阳能板。
“叠瓦”-叠瓦指光伏电池按叠瓦状层叠在一起。叠瓦可指一片光伏电池部分层叠到另一片光伏电池上。在层叠过程中，一片光伏电池的背面主栅线接触区与另一片光伏电池的正面主栅线接触区相接触。图14为用叠瓦光伏电池构建的光伏组件的示意图。
“串”-串指两片以上光伏电池串联连接形成光伏电池链或者串。
“主栅线”-主栅线指光伏电池正面或者背面印刷的导电体或电极。主栅线的功能是传导光伏电池因入射光子产生的直流电流。主栅线用于传导来自副栅线、相邻光伏电池和/或外部电路的电流。
图1示出了以部分层叠的方式互相连接的两片光伏电池100。本发明的使两片叠瓦光伏电池100互连的方法包括，使一片光伏电池的正面主栅线101与另一片光伏电池的背面主栅线102连接，在层叠区域使用非导电性粘接材料200以将两片光伏电池位置固定。本发明的互连方法还包括但不限于：1)在光伏电池之间建立连接；2)在叠瓦光伏电池串之间建立连接；3)在光伏电池和其它部件之间建立连接；4)在叠瓦光伏组件与外部电路之间建立连接。
图2示出了使两片叠瓦光伏电池互连的方法示例的流程图。图2流程图所示方法包括：将一片光伏电池放置在平面上(300)；将非导电性粘接材料施加在光伏电池表面(301)；在上面以部分层叠方式放置另一片光伏电池，使得两片光伏电池的主栅线相互接触(302)；及固化光伏电池组合件(303)。
图3示出了使两片叠瓦光伏电池互连的方法的另一示例的流程图。图3流程图所示方法包括：将一片光伏电池放置在平面上(310)；在上面以部分层叠方式放置另一片光伏电池，使得两片光伏电池的主栅线相互接触(311)；将非导电性粘接材料施加在光伏电池边缘(312)；固化光伏电池组合件(313)。
图4示出了使两片叠瓦光伏电池互连的方法的另一示例的流程图。图4流程图所示方法包括：将一片光伏电池放置在平面上(320)；将非导电性粘接材料施加在光伏电池表面(321)；在上面以部分层叠方式放置另一片光伏电池，使得两片光伏电池的主栅线相互接触(322)；将非导电性粘接材料施加在光伏电池边缘(323)；固化光伏电池组合件(324)。
下面详述各步处理及为完成图2-4的流程图详示的多个不同任务所用的部件。图2-4的多个不同任务可以由人工干预、独立设备、全自动设备及其任意组合完成。为说明目的，图2-4中的描述对应于图5-13中的元件。
图5为光伏电池示例的俯视图。光伏电池100包含正面主栅线101及在硅衬底上表面上的副栅线103。
图6为图5中所示光伏电池100的仰视图。其示出了在硅衬底表面上的背面主栅线102。
图7为光伏电池100的仰视图，其中该光伏电池上施加非导电性粘接材料200。非导电性粘接材料可以施加在光伏电池内的任意位置，无论是光伏电池正面、光伏电池背面、光伏电池边缘还是其任意组合。作为展示目的，图7中示出了将非导电性粘接材料沿着背面主栅线102施加在光伏电池背面尤其是层叠区域上。
非导电性粘接材料的选择取决于很多因素，如对电连接的影响、机械强度、对产品可靠性的影响、应用兼容性、成本及几个其它因素。非导电性粘接材料的主要作用是将光伏电池保持在一起，用于本申请的粘接材料需具备足以将光伏电池机械上保持在一起的粘附性，也需要具有确保适合制造工艺的性质，跟与其接触的其它部件不发生化学反应，且随时间和工作温度稳定以满足光伏组件的可靠性要求。粘接材料的种类包括但不限于：环氧材料、凝胶材料，其形态可以是膏状、液态、带状、薄片等等。粘接材料不导电。
施加方法包括但不限于针管或喷头施加液体粘接材料、钢网施加膏状粘接材料或者抓取放置方式施加带状或者薄片粘接材料。施加图案与用量在功效、可靠性和成本上平衡选择。典型的施加图案包括但不限于连续线状201、间断线状202、间断点状203及其任意组合。
非导电性粘接材料的典型施加区域在层叠区域内。粘接材料可以施加在包括但不限于下述区域：沿光伏电池边缘、平行于主栅线102的长边缘(如图7中201所示)、垂直于主栅线102(如204所示)、以间断方式分布在主栅线之间(如205所示)或其任意组合。
图8示出了按部分层叠方式互连的两片光伏电池100的示例的透视图和侧视图。逐步完成互连的步骤如图2的流程图所示。具体细节如下：第一步，将一片光伏电池100放置在平面600上，使得光伏电池的背面朝上；第二步，将非导电性粘接材料200沿着背面主栅线102以连续线状图案施加在光伏电池背面表面上，非导电性粘接材料被施加在离主栅线边缘0.1mm到1.0mm距离处；第三步，将另一片光伏电池部分层叠在第一片光伏电池上，使得位于上面的光伏电池的正面主栅线101与位于下面的光伏电池的背面主栅线102对准并在两片光伏电池之间形成电接触；第四步，固化光伏组合件。待光伏电池组合件固化完成后，仅层叠区域内包含非导电性粘接材料。
图9示出了按部分层叠方式互连的两片光伏电池100的另一示例的透视图、侧视图和主视图。逐步完成互连的步骤如图3的流程图所示。具体细节如下：第一步，将一片光伏电池100放置在平面600上，使得光伏电池的背面朝上；第二步，将另一片光伏电池部分层叠在第一片光伏电池上，使得位于上面的光伏电池的正面主栅线101与位于下面的光伏电池的背面主栅线102对准并在两片光伏电池之间形成电接触；第三步，将非导电性粘接材料200施加在层叠的光伏电池边缘；第四步，固化光伏电池组合件。
图9所示例子是将非导电性粘接材料施加到光伏电池组合件的另一种方法。在这种方法中，非导电性粘接材料仅在光伏电池层叠过程已完成之后施加在边缘表面上。非导电性粘接材料可以从光伏电池的上方和/或下方沿着光伏电池的长边200施加，和/或可被施加在光伏电池的短边缘表面210上。
图10示出了按部分层叠方式互连的两片光伏电池100的另一示例的透视图和侧视图。逐步完成互连的步骤如图4的流程图所示。具体细节如下：第一步，将一片光伏电池100放置在平面600上，使得光伏电池的背面朝上；第二步，将非导电性粘接材料200沿着背面主栅线102以连续线状施加在光伏电池背面表面上，非导电性粘接材料被施加在离主栅线边缘0.1mm到1.0mm距离处；第三步，将另一片光伏电池部分层叠在第一片光伏电池上，使得位于上面的光伏电池的正面主栅线101与位于下面的光伏电池的背面主栅线102对准并在两片光伏电池之间形成电接触；第四步，将非导电性粘接材料200沿光伏电池的长边施加在层叠的光伏电池边缘；第五步，固化光伏电池组合件。
多种不同的固化方法可用于不同的粘接材料类型。根据设计与应用类型，固化技术的类型的选择必须基于针对该特定应用选择的粘接材料。由于其物理结构，光伏电池较脆弱。在固化中应避免过多接触和过大的压力，优选暴露于空气、湿气、热或者紫外(UV)光的固化方法用于互连的叠瓦光伏电池。这个因素也是选择粘接材料的重要考虑。成功固化的连接应使粘接材料将光伏电池牢靠地固定在一起，同时通过确保主栅线之间足够的接触区域而实现有效的电连接。
图11示出了两片部分层叠的光伏电池100经历热固化的示例。在热固化过程中，部分层叠的光伏电池在加热表面500上放置一定时间。温度范围主要取决于非导电性粘接材料的固化性质，其可在室温即15-25摄氏度到250摄氏度之间。这种热固化方法为直接导热固化。其它热固化方法包括但不限于红外加热固化、线圈加热固化、对流加热固化等，其中热量被施加在光伏电池组合件上，而光伏电池组合件与热源501没有任何接触。
图12示出了两片部分层叠的光伏电池100经历紫外(UV)光701固化的示例。在紫外光固化过程中，部分层叠的光伏电池放置在透明或者不透明的表面600上，暴露在紫外光源700照射中。在这个示例中，紫外光来源于安装在四个不同位置的紫外光灯泡。还有灯管702，其发射的紫外光束聚焦在施加非导电性线粘接材料的位置处。本应用中使用的紫外光波长在10nm到400nm之间，紫外光强度范围为300-20000mW/m2。固化持续时间取决于针对该特定应用选择的非导电性粘接材料类型。
图13示出了两片部分层叠的光伏电池100经历外力固化的示例，其中10mN-9.8N的外力从非导电性粘接材料施加区域的上面和/或下面施加。在一例子中，采用的非导电性粘接材料是半固态的凝胶材料200A。外力通过接触工具703从光伏电池组合件层叠区域的上方直接施加。外力也可以通过非直接方式施加，在另一例子中，真空吸附704作用在光伏电池组合件上。在固化过程中，真空吸附施加可观的力以牢固地固定光伏电池组合件。在又一例子中，采用的非导电性粘接材料是薄片或带状材料200B。外力通过接触工具703从光伏电池组合件上方直接施加。
根据应用选定的非导电性粘接材料，某些粘接材料可使用多种固化方法的组合来获得希望的结果。因此，图11-13所示的一种或多种固化方法可在任何适当时机一步或者分多步完成。
图14示出了使用图8-10所示方法或其任意组合得到的一块光伏组件的整体示意图。该组件由图8-10中一种或多种组合方法完成。本发明公开的使叠瓦光伏电池互连的方法用于：1)在光伏电池100之间建立连接；2)使用特殊设计的汇流条802在叠瓦光伏电池串之间建立连接；3)在光伏电池和其它电路元件801间建立连接。
在本发明的上述描述使本领域技术人员能够获得和使用目前被认为最佳的实施方式的同时，本领域技术人员将理解和意识到，存在在此公开的具体实施方式、方法和示例的变化、组合及等同方案。故本发明的保护范围不限于上面描述的实施方式、方法和示例，而是包括本发明范围和精神内的所有实施方式和方法。

Claims (6)

1.一种光伏电池串，包括：
具有正面主栅线的第一光伏电池；和
具有背面主栅线的第二光伏电池，通过将所述正面主栅线连接到所述背面主栅线并使用非导电性粘接材料固定形成部分层叠区域而使第二光伏电池以部分层叠方式连接到第一光伏电池，其中，在所述层叠区域内，所述非导电性粘接材料形成第一和第二光伏电池之间的直接连接而不使用导电性粘接材料。
2.根据权利要求1所述的光伏电池串，其中非导电性粘接材料分布在距每一主栅线的边缘0.1mm到1.0mm距离处。
3.一种电连接及构建根据权利要求1所述的光伏电池串的方法，包括：
步骤1，将非导电性粘接材料施加在第一光伏电池和/或第二光伏电池的一表面上，其中非导电性粘接材料沿着第一光伏电池的正面主栅线边缘邻近的区域和/或沿着第二光伏电池的背面主栅线边缘邻近的区域施加；
步骤2，按部分层叠方式放置第二光伏电池，使得第一和第二光伏电池的主栅线彼此对准，其中，通过所述非导电性粘接材料直接接触第一和第二光伏电池而建立机械连接，使得第一和第二光伏电池之间形成电接触；
步骤3，固化光伏电池串。
4.根据权利要求3所述的方法，其中非导电性粘接材料分布在距每一主栅线的边缘0.1mm到1.0mm距离处。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述非导电性粘接材料以连续或者不连续的方式施加。
6.根据权利要求5所述的方法，其中非导电性粘接材料使用选自下组的装置施加：针管、喷嘴、钢网，或者以抓取放置方式施加。
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