CN116581188A - 一种用于提高入射光转换的光伏元件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于提高入射光转换的光伏元件，其包括用于改善入射光的转换的光学功能表面层。该层的功能包括吸收具有低波长的入射阳光，并将其作为具有较高波长的光辐射再次发射，使得该光谱可用于太阳能电池。为了解决将这样的层嵌入薄膜太阳能电池中的问题，该薄膜太阳能电池具有布置在前侧的衬底，同时确保高耐候性，提出将光学功能层布置在前侧上的附加封装元件中，从而将光伏元件构造为双复合组件或多复合组件。

Description

一种用于提高入射光转换的光伏元件

技术领域

本发明涉及光伏技术领域。

背景技术

太阳能电池产生电能，因为它吸收入射太阳光的能量并因此产生可作为电流捕获的电极运动。然而，太阳能电池不能获得太阳光的整个光谱来产生能量。太阳光覆盖约200nm至远超过2000nm的波长范围，其中最高辐射强度在约300-1000nm的范围内。例如基于碲化镉的太阳能电池在大约400至900nm的波长范围内具有其最佳吸收光谱。因此，200至400nm范围内的高能量低波长阳光不能被转换。

然而，这个问题可以通过“发光降频”方法(简称LDS)部分地得到补偿。因此，使用光学功能性颜料，其改变穿过颜料的光的频率。例如，吸收波长范围以下的入射光在太阳能电池的最佳吸收谱中的较高波长范围内被吸收并再次输出。将颜料应用于嵌入合适载体材料(例如凝胶、乳液或箔)中的太阳能电池，可以因此增加太阳能电池的能量吸收，从而提高其效率。

由于技术问题，该方法仍然没有在标准应用中使用。目前使用的材料不具备在太阳能组件超过25年的产品保修期内保持其光学性能所需的耐候性。因此不可能简单地应用于太阳能电池的太阳侧。因此，有研究结果提出将用于波长偏移的光学材料作为转换层应用于太阳能电池面向入射光的前侧，并随后用覆盖玻璃形式的封装元件覆盖转换层。这对于例如晶体硅太阳能电池或薄膜太阳能电池的衬底布置是可能的。

然而，该方法不适用于所有薄膜结构的太阳能模块。该方法不适用于所谓的叠层结构的薄膜模块，其中具有光敏层的薄膜最初被施加到前侧玻璃上，并且随后与后侧封装连接。如果用于LDS方法的光学材料最初被施加到前侧玻璃的底侧，则太阳能薄膜电池的制造工艺的热和化学影响将破坏颜料。对于随后在模块表面上的应用，不能提供如上文所述的长期稳定性。因此，没有解决将LDS技术用于叠层薄膜模块的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种将入射光转换为电能的光伏元件，使LDS方法也可用于叠置薄膜太阳能模块，并在产品保修期内确保功能性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于提高入射光转换的光伏元件，薄膜太阳能电池的上表面设有前封装元件，下表面设有后封装元件，所述前封装元件由面板和夹持在面板和薄膜太阳能电池之间的第一互连层构成，所述后封装元件由底板和夹持在底板和薄膜太阳能电池之间的第二互连层构成。

所述薄膜太阳能电池以单片布线的薄膜包装盒的形式布置在衬底上，所述薄膜包装盒是由非晶硅、亚硫酸镉或碲化镉制成的太阳能电池。

所述薄膜包装盒包括正点状半导体层、负点状半导体层以及正面和背面的电触点，其中正面的电触点由透明金属氧化物制成，背面的电触点由金属材料制成，所述负点状半导体层由亚硫酸镉制成，所述正点状半导体层由碲化镉制成。

所述底板和面板均为透明的玻璃板或塑料板或箔板。

所述底板、衬底和面板的厚度均为2mm-3mm。

所述第一互连层为具有光学功能材的乳剂、凝胶、糊剂、漆、胶水或箔，具有吸收特定波长范围的入射光并将该入射光作为改变波长范围的光辐射再发射的功能。

所述第一互连层内嵌入有在合适的载体介质中的光学功能颗粒，所述颗粒包含在箔中用于光学功能颗粒的天气防护。

所述第二互连层为透明胶水箔。

所述后封装元件和前封装元件的外周边相互胶合。

本发明具有用于改善入射光的转换的光学功能表面层，该层的功能包括吸收具有低波长的入射阳光，并将其作为具有较高波长的光辐射再次发射，使得该光谱可用于太阳能电池。通过光学功能表面层的嵌入解决了薄膜太阳能电池中光能吸收的问题，该薄膜太阳能电池具有布置在前侧的衬底，同时确保高耐候性，提出将光学功能层布置在前侧上的附加封装元件中，从而将光伏元件构造为双复合组件或多复合组件。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为用于提高入射光转换的光伏元件结构示意图；

图2为太阳能电池的吸收光谱以及转化层的可能吸收和发射范围示意图；

上述图中的标记均为：1、光伏元件；2、薄膜太阳能电池；3、薄膜包装盒；4、衬底；5、第一互连层；6、面板；7、第二互连层；8、底板；9、后封装元件；10、前封装元件。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

于提高入射光转换的光伏元件1结构具有透明衬底4的薄膜太阳能电池2，该透明衬底4设置在薄膜太阳能电池2的前侧上，该前侧朝向入射光，其中，薄膜太阳能电池2的透明衬底4上设置有封装元件，以保护薄膜太阳能电池2免受环境影响，其中封装元件包括透明的玻璃或塑料材料板或箔，其中封装元件包括具有光学功能材料的转换层，该光学功能材料吸收特定波长范围的入射光并发射不同波长范围的光，其中封装元件被设置为多个层的互连，其中封装元件包括形成互连的中间层，该中间层在封装元件和薄膜太阳能电池2的衬底4之间建立互连，其中光学功能材料设置在中间层和/或玻璃或塑料材料板或箔中。

另一个目的是通过一种用于制造光伏元件1的方法来实现，该光伏元件1用于将入射光转换为电能，包括具有透明衬底4的薄膜太阳能电池2，所述透明衬底4设置在所述薄膜太阳能电池2的前侧上，所述前侧朝向入射光，其中提供了一种封装元件，该封装元件包括透明的玻璃或塑料材料板或箔，其中封装元件包括具有光学功能材料的转换层，该光学功能材料吸收特定波长范围的入射光并将该光作为不同波长范围的光发射出去，其中封装元件设置于薄膜太阳能电池2的衬底4上，以保护薄膜太阳能电池2免受环境影响，其中玻璃或塑料材料板或箔在制造薄膜太阳能电池2后设置在衬底4上，其中形成互连的中间层设置在玻璃或塑料材料板或箔之间，并且其中光学功能材料设置在中间层中和/或玻璃或塑料板或箔中。

光伏元件1包括用于改善入射光的转换的光学功能表面层，该层的功能包括吸收具有低波长的入射阳光，并将其作为具有较高波长的光辐射再次发射，使得该光谱可用于太阳能电池。为了解决将这样的层嵌入薄膜太阳能电池2中的问题，该薄膜太阳能电池2具有布置在前侧的衬底4，同时确保高耐候性，提出将光学功能层布置在前侧上的附加封装元件中，从而将光伏元件1构造为双复合组件或多复合组件。

具体来说，转换层的前侧上布置封装元件的叠层结构的光伏元件1，转换层(第一互连层5)包括光学功能颗粒，其吸收特定波长范围的入射光，并作为不同波长范围的光辐射再次发射所述光。因此，光学功能颗粒被嵌入封装元件中，该封装元件保护它们免受环境影响，并且附加地用作颗粒的载体介质。因此，在已经提供的薄膜太阳能电池2的衬底4上布置另一封装元件，其中封装元件已经包括转换层(第二互连层7)。在本领域技术中，到目前为止，薄膜太阳能电池2的衬底4总是被用作处于超状态配置的光伏元件1的外部前封装，并且出于经济原因和光学效率的原因，没有考虑另一附加封装。

由于该封装元件包括玻璃或塑料板或箔，除了作为薄膜太阳能电池2的衬底4与玻璃或塑料片或箔之间的双重互连的光伏元件1的额外天气保护之外，这种配置还具有增加的机械稳定性的优点，例如在运输或组装过程中。这产生了简化的组装，因为由于稳定性增加，光伏元件1不易损坏。

另一方面，与在前侧没有该附加封装元件的光伏元件1相比，可以通过具有相同稳定性的双互连以受控方式减小衬底4和/或玻璃或塑料板或箔的厚度以及可选的背面封装元件的厚度。这导致所用材料厚度的总体减小，从而产生总体上更薄和更轻的光伏元件1。因此，特定层的厚度可以以最佳方式适应特定应用和生产的前提条件。此外，太阳光通过其照射太阳能电池的特定层的光学特性可以逐个优化，从而通过吸收和反射降低总损耗。

通过本发明作为双互连的前部结构，实现了特别有利的效果，因为由于附加的边界表面，出于光学原因没有考虑使用这样的前侧双互连。此外，任何附加的材料都增加了光伏元件1的成本和重量。另外，通过集成转换层而具有多个互连的结构明显地提供了光伏元件1在光学效率方面以及在稳定性和质量方面比现有超状态结构的光伏元件1更好的性能。

封装元件被配置为多个层的互连。然而，封装元件也可以构造为单层，例如直接施加到衬底4上的塑料板或箔，例如通过熔化或类似方式。在一个有利的实施例中，封装元件包括互连形成中间层，该中间层在封装元件和薄膜太阳能电池2的衬底4之间提供互连。

特别有利的是，转换层设置在薄膜太阳能电池2的衬底4和玻璃或塑料板或箔之间。可选择地或附加地，还可以提供转换层被配置为玻璃或塑料板或箔，因为光学功能材料被设置在玻璃或塑料层中。转化层为乳剂、凝胶、糊剂、漆、胶水或箔。

在一个特定的实施例中，光伏元件1包括多个薄膜太阳能电池2，这些薄膜太阳能电池2被均匀地配置并以单片布线的薄层包的形式布置在衬底4装置中的衬底4上。这些可以是例如由非晶硅、亚硫酸镉或碲化镉制成的太阳能电池。

封装元件被配置为使得其具有以下性能中的至少一个:自清洁(莲花效应)，减少反射或增加抗刮擦性。

在一个特别有利的实施例中，根据本发明的光伏元件1包括直接在衬底4正面上的封装元件，该封装元件包括以下层:直接设置在衬底4上的第一互连形成中间层和设置在第一互连形成中间层上的第一透明玻璃或塑料板或箔。因此，所述光伏元件1特别紧凑并且构造稳定，并且还可以以特别简单的方式制造。

特别有利的是，另一个封装元件直接设置在薄膜太阳能电池2的背面上，其中封装元件包括:第二互连形成中间层，设置于薄膜太阳能电池2上；以及第二透明玻璃或塑料板或箔，设置于第二互连形成的中间层上。因此，光伏元件1在所有方面都以耐候的方式被封装，其中优选地，还增加了连接两个封装元件或到达两个封装元件周围的外框架或外胶合。本发明涉及一种用于制造超状态结构的光伏元件1的方法，所述光伏元件1用于将入射光转换为电能，所述光伏元件1包括薄膜太阳能电池2，所述薄膜太阳能电池2具有透明衬底4，所述透明衬底4布置在所述薄膜太阳能电池2的朝向所述透明衬底4的前侧上。

在薄膜电池的衬底4上设置封装元件，以保护太阳能电池免受环境影响，其中所述封装元件包括透明的玻璃或塑料板或箔，其中所述封装元件包括具有光学功能材料的转换层，所述光学功能材料吸收特定波长范围的入射光并将所述光作为改变波长范围的光辐射再发射。该方法的特征在于它特别简单，并且可以容易地集成到现有工艺中。

在制造薄膜太阳能电池2之后，所述玻璃或塑料板或箔设置在所述衬底4上，其中在所述玻璃或塑料板或箔之间设置有互连形成的中间层，其中所述光学功能材料设置在所述中间层中和/或所述玻璃或塑料层中。这提供了在施加正面封装层之前完成薄膜太阳能电池2的形成。这提供了不必将附加的工艺步骤集成到现有的生产工艺线中，因为薄膜太阳能电池2的生产没有改变，而仅增加了附加的封装步骤。因此，由于没有其它薄膜太阳能电池2的生产步骤，当通过涂覆将转换层直接施加到薄膜太阳能电池2的正面时，废品被保持在最小限度。

箔有利地用作中间层。该箔可有利地构造为EVA、PVB、PE箔。可替代地，还可以提供在玻璃或塑料板或箔被布置在衬底4上之前，将中间层作为漆、凝胶、乳液、胶水施加到玻璃或塑料板上。

图1示出了通过薄膜太阳能模块结构的不按比例缩放横截面的示意图。薄膜太阳能模块的示意性横截面，其包括具有薄膜包装盒3和衬底4的薄膜太阳能电池2。在薄膜太阳能电池2的前侧上，设置有转换层(第一互连层5)和其上的第一保护层，该第一保护层例如构造为第一玻璃或塑料板或箔(面板6)。因此，转换层(第一互连层5)被配置为第一互连的中间层，即例如透明胶水箔，特别是其中嵌入光学功能材料的EVA、PVB或PE箔。在薄膜太阳能电池2的背面上，设置第二互连形成的中间层(第二互连层7)，该中间层(第二互连层7)通常也被配置为透明胶水箔或第二保护层，该第二保护层被配置为第二玻璃或塑料板或箔(底板8)，其中层厚度未按比例示出。在该层结构上方，通过平行箭头示意性地示出了入射太阳辐射。

太阳能模块的底板8的厚度通常为2mm至3mm。衬底44和面板6的厚度约为2mm到3mm。这种特殊的结构产生了具有特别高稳定性的三窗格互连。或者如上所述，在保持典型的整体稳定性的同时，也可以减小特定的厚度。

薄膜太阳能电池2的薄膜包装盒3包括正点状半导体层和负点状半导体层以及正面和背面上的电触点，其中朝向光的一侧上的电触点由透明金属氧化物制成，负半导体层由亚硫酸镉制成，正半导体层由碲化镉制成，而背面上的电触点由金属材料制成。因此，总的来说，整个薄膜包装盒3只有几微米厚，因此它在图中被组合成一层。

因此，根据本发明的光伏元件1不仅包括由第二互连层7和底板8形成的后封装元件9，而且还包括由第一互连层5和面板6形成的前封装元件10。该前封装元件10在所示实施例中被配置为多个层第一互连层5、面板6的互连。第一互连层5包括嵌入在合适的载体介质中的光学功能颗粒；目前，颗粒包含在箔中。因此，所述载体介质也用作光学功能颗粒的天气防护。通过面板6为第一互连层5提供额外的天气保护。

可替代地或附加地，还可以提供第一玻璃或塑料材料板或箔包括光学功能材料。

根据本发明的制造方法特别简单且成本效益高，因为面板6为此目的简单地与衬底4连接。因此，或者在其间设置胶形式的互连形成中间层，或者优选与后封装元件9的层压同时层压整个包。可替代地或附加地，面板6可以设置有糊剂、漆或类似物，并且随后被布置在衬底4上并被层压。

最终，也可以提供前封装元件10的单层结构，其中不提供形成互连的第一互连层5，但是衬底4和面板6彼此直接连接。然后，转换层将与第一玻璃或塑料板或箔形成一个单元，其中光学功能材料相应地被容纳在第一玻璃或塑胶板或箔中。

图2示出了可以从太阳能电池的LDS方法中导出的效用。因此，在图中绘制入射太阳光的波长范围(实线)以及基于碲化镉的太阳能电池的吸收范围(虚线)。在X轴上绘制入射光的波长。在图的左侧和右侧边缘绘制了Y轴，其中左侧Y轴表示太阳光的相对强度，最大值为1，右侧Y轴表示太阳能电池的相对吸收，最大值也为1。因此，应当认识到，所述轴表示相同的相对强度，但是不同的绝对强度。因此，不存在太阳能电池能够吸收比太阳发出的光更多的光的波长范围。

很明显，太阳光谱的辐射开始于略高于200nm的波长。然后在大约500nm处急剧增加到最大值，随后强度持续降低。在1000nm的波长下，波长已减小到其最大值的大约50％。具有更长波长的辐射与本发明无关，因此不被绘制。

然而，碲化镉太阳能电池能够使用从大约450nm的波长开始的光来产生能量。此后，吸收能力迅速增加，最大可达500nm，此后吸收能力连续降低。在稍高于900nm处，会出现瞬间下降。在实际应用中不能使用较高波长的光。

图2示出了一种图表，包括:不同波长范围的入射太阳光的强度、参考碲化镉太阳能电池的实施例所示的太阳能电池的吸收光谱以及转化层的可能吸收和发射范围，即包括了用于光波降频的光学功能材料的转换层的可能吸收范围(阴影块)和可能的发射范围(方格块)。因此，这些块不表示转换层的整个光谱，而仅表示可能的范围。

很明显，吸收光谱在大约350nm至475nm的范围内，因此在太阳光的高能波长范围内，但是不能被太阳能电池吸收。发射光谱又在600nm至800nm的范围内，因此在太阳能电池的高吸收范围内。

由于该封装元件包括玻璃或塑料板或箔，除了作为薄膜太阳能电池2的衬底4与玻璃或塑料片或箔之间的双重互连的光伏元件1的额外天气保护之外，这种配置还具有增加的机械稳定性的优点，例如在运输或组装过程中。这产生了简化的组装，因为由于稳定性增加，光伏元件1不易损坏。另一方面，与在前侧没有该附加封装元件的光伏元件1相比，可以通过具有相同稳定性的双互连以受控方式减小衬底4和/或玻璃或塑料板或箔的厚度以及可选的背面封装元件的厚度。这导致所用材料厚度的总体减小，从而产生总体上更薄和更轻的光伏元件1。

通过本发明作为双互连的前部结构，实现了特别有利的效果，因为由于附加的边界表面，出于光学原因没有考虑使用这样的前侧双互连。此外，任何附加的材料都增加了光伏元件1的成本和重量。另外，通过集成转换层而具有多个互连的结构明显地提供了光伏元件1在光学效率方面以及在稳定性和质量方面比现有超状态结构的光伏元件1更好的性能。

在一个特别有利的实施例中，根据本发明的光伏元件1包括直接在衬底4正面上的封装元件，该封装元件包括以下层:直接设置在衬底4上的第一互连形成中间层和设置在第一互连形成中间层上的第一透明玻璃或塑料板或箔。因此，所述光伏元件1特别紧凑并且构造稳定，并且还可以以特别简单的方式制造。

特别有利的是，在制造薄膜太阳能电池2之后，所述玻璃或塑料板或箔设置在所述衬底4上，其中在所述玻璃或塑料板或箔之间设置有互连形成的中间层，其中所述光学功能材料设置在所述中间层中和/或所述玻璃或塑料层中。这提供了在施加正面封装层之前完成薄膜太阳能电池2的形成。这提供了不必将附加的工艺步骤集成到现有的生产工艺线中，因为薄膜太阳能电池2的生产没有改变，而仅增加了附加的封装步骤。因此，由于没有其它薄膜太阳能电池2的生产步骤，当通过涂覆将转换层直接施加到薄膜太阳能电池2的正面时，废品被保持在最小限度。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于提高入射光转换的光伏元件，薄膜太阳能电池的上表面设有前封装元件，下表面设有后封装元件，其特征在于：所述前封装元件由面板和夹持在面板和薄膜太阳能电池之间的第一互连层构成，所述后封装元件由底板和夹持在底板和薄膜太阳能电池之间的第二互连层构成。

2.根据权利要求1所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述薄膜太阳能电池以单片布线的薄膜包装盒的形式布置在衬底上，所述薄膜包装盒是由非晶硅、亚硫酸镉或碲化镉制成的太阳能电池。

3.根据权利要求2所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述薄膜包装盒包括正点状半导体层、负点状半导体层以及正面和背面的电触点，其中正面的电触点由透明金属氧化物制成，背面的电触点由金属材料制成，所述负点状半导体层由亚硫酸镉制成，所述正点状半导体层由碲化镉制成。

4.根据权利要求1、2或3所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述底板和面板均为透明的玻璃板或塑料板或箔板。

5.根据权利要求4所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述底板、衬底和面板的厚度均为2mm-3mm。

6.根据权利要求1或5所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述第一互连层为具有光学功能材的乳剂、凝胶、糊剂、漆、胶水或箔，具有吸收特定波长范围的入射光并将该入射光作为改变波长范围的光辐射再发射的功能。

7.根据权利要求6所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述第一互连层内嵌入有在合适的载体介质中的光学功能颗粒，所述颗粒包含在箔中用于光学功能颗粒的天气防护。

8.根据权利要求7所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述第二互连层为透明胶水箔。

9.根据权利要求8所述用于提高入射光转换的光伏元件，其特征在于：所述后封装元件和前封装元件的外周边相互胶合。