CN1195201A

CN1195201A - 太阳能电池组件

Info

Publication number: CN1195201A
Application number: CN98107701A
Authority: CN
Inventors: 山田聪; 片冈一郎; 盐秀则; 木曾盛夫
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 1998-10-07
Also published as: EP0860886A2; AU747454B2; EP0860886A3; JPH10233521A; AU5536898A; US6034323A; KR19980071511A

Abstract

本发明的太阳能电池组件包括在支撑部件和保护膜之间用密封材料密封的太阳能电池器件,其中,至少保护膜和密封材料中的一个覆盖支撑部件的边缘。上述结构能防止密封材料从太阳能电池组件的边缘剥离。并且,在支撑部件是钢片时,还能防止边缘生锈。而且,能通过使用用于防止剥离的常规保护部件的情况更简单的步骤防止剥离。

Description

太阳能电池组件

本发明涉及太阳能电池器件用在支撑部件和保护膜之间的密封材料密封的太阳能电池组件，与太阳能电池组件集成的结构部件，以及用太阳能电池组件形成的利用太阳光的发电装置。

图6表示常规太阳能电池组件的例子。常规太阳能电池组件是通过用树脂603作为支撑部件601例如钢片上的密封材料密封太阳能电池器件602和用保护膜604覆盖树脂的顶部表面形成的。

由于这种结构的常规太阳能电池组件的支撑部件的边缘是暴露在外面的，所以粘结界面和钢片的边缘就暴露在水或类似物质中。这就会出现在粘结界面的剥离和钢片的边缘部分生锈的问题。

在支撑部件是具有表面涂膜的钢片时，边缘的生锈可能导致涂膜从钢片剥落。这就会出现这样的问题：即使在涂膜和密封材料之间粘结强度足够强时，也会由于密封材料的剥落而引起涂膜从钢片上剥落。

一旦密封材料部分剥落下来，则在某些情况下这种剥落会扩散。例如，在如图6所示的太阳能电池组件用作屋顶部件，并且在屋顶的檐一侧发生剥落时，可能由于风或其它作用力而使剥落继续进行下去。另一方面，在屋脊一侧发生剥落时，可能由于雨水或类似物的作用而使剥落继续进行下去。

例如，日本专利申请特许公开61-133674公开了这样一种布局：为防止在边缘剥落和生锈，保护部件连接到上面所述的边缘上。在本布局中，如图7所示，粘合剂707涂于太阳能电池组件705的边缘上，保护部件706粘在其上，并用粘合剂707将框架708也粘结其上。参考标记701表示支撑部件，702表示太阳能电池器件，703表示树脂，以及704表示背面膜。这种方法对于抑制密封材料的剥落和抑制剥落的继续表现出很好的效果。然而，这种方法的生产率是较差的，因为它需要使用粘合剂、安装框架和/或保护部件并固化粘合剂的步骤。

在钢片用作支撑部件时，不适当选择粘合剂和涂敷方法就不能防止钢片的边缘生锈。在太阳能电池组件的边缘和防止剥落部件之间用于粘结的粘合剂需要具有耐气候性和柔韧性等等。满足这种要求的粘合剂可以是硅酮树脂或环氧树脂，它们每一种都很昂贵。而且，加热或类似工艺不适用于固化粘合剂的步骤中，从而使固化不能在短时间内完成。因此，安装边缘保护部件之后需要小心运输和贮藏。

本发明的一个目的是防止密封材料从太阳能电池组件的边缘剥落。本发明另一目的是在钢片用作支撑部件时防止在边缘生锈。本发明又一目的是通过比用常规保护部件防止剥落的情况下的步骤更简单的步骤防止剥落。

本发明提供的太阳能电池组件包括用密封料在支撑部件和保护膜之间密封的太阳能电池器件，其中保护膜覆盖支撑部件的边缘。

图1是表示本发明太阳能电池组件的截面图；

图2是表示适用于本发明太阳能电池组件的太阳能电池器件的例子的截面图；

图3A是表示例1，2和3各太阳能电池组件的平面图，及图3B是沿图3A的线3B-3B所得到的截面图；

图4是表示例4的太阳能电池组件的截面图；

图5是表示叠层装置结构的截面示意图；

图6是常规太阳能电池组件的截面图；

图7是表示常规太阳能电池组件和边缘剥落防护部件的结构示意图；

图8A和8B是表示本发明太阳能电池组件生产方法的结构示意图；

图9A是表示例1的太阳能电池器件的平面图；及图9B是沿图9A的线9B-9B所得到的截面图；以及

图10A和10B是表示根据本发明用与太阳能电池集成的结构部件的形状的例子透视图。

图1是表示根据本发明的太阳能电池组件的结构示意图。太阳能电池器件102通过支撑部件101上的绝缘部件105用树脂密封材料103密封，并且其表面用保护膜104覆盖。保护膜104和密封材料103弯向支撑部件101的背面，从而覆盖支撑部件的边缘。或者，保护膜104或密封材料103覆盖支撑部件的边缘。

这种结构产生如下效果。

(1)能防止在太阳能电池组件边缘剥落。

(2)能防止在太阳能电池组件边缘生锈。

(3)避免使用防止剥落部件，等等。

在覆盖步骤中用于覆盖边缘的这种结构具有下列效果。

(4)消除了将防止剥落部件附着于边缘的步骤，从而提高了太阳能电池组件的生产率。(保护膜104)

保护膜耐热、光和水(即耐气候性)的稳定性是非常重要的。要求保护膜抗污染以防止由于污染而使太阳能电池器件的效率降低。为达到此目的，要求保护膜具有抗水性。

所要求的抗水性以使水的接触角最好不小于50°，而且不小于70°更好。保护膜由氟树脂或硅酮树脂构成。

而且，保护膜最好能折弯回来。

在优选实施例中，保护膜是由氟树脂构成。氟树脂的具体例子是：四氟乙烯-六氟丙烯共聚物，四氟乙烯-全氟烃乙烯醚共聚物，聚三氟氯乙烯，聚偏氟乙烯，聚氟乙烯，乙烯-四氟乙烯共聚物，以及乙烯-三氟氯乙烯共聚物。在保护膜由这些树脂中的一种构成时，保护膜最好用等离子体处理法，电晕放电处理法，臭氧处理法，或者底漆涂覆来处理，以保证密封材料的粘结强度。(密封材料103)

密封材料需要保护太阳能电池器件免受外界的压力或类似作用，并且提供太阳能电池器件的光电转换所需的足够透射光线。用于密封材料的树脂需要透光性，耐水性和粘结性优异。为填充太阳能电池器件的表面上不平整部分，需要在太阳能电池组件的生产步骤中具有流动性。例如，在加热和加压下的覆盖步骤的情况下，材料选自热塑树脂。其具体材料是：乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，聚乙烯醇缩丁醛，硅酮树脂，丙烯酸树脂，等等。

当密封材料的粘结强度不够时，可以通过使用硅烷偶合剂或钛酸盐偶合剂提高粘结强度。紫外线吸收剂要求混合在上述构成密封材料的粘合剂树脂中，以提供带有所要求的紫外线阻断功能的密封材料。这种情况下所用的紫外线吸收剂可以是有机紫外线吸收剂，也可以是无机紫外线吸收剂。密封材料最好被强化，以提高机械强度。具体材料最好是通过覆盖步骤将玻璃纤维的无纺织物或有机纤维的无纺织物密封在内的密封材料，以及填加剂例如玻璃环或玻璃珠预先混合在树脂中用于密封材料的密封材料。(支撑部件101)

用在本发明中的支撑部件选自：钢片，玻璃纤维强化塑料，硬塑料，木条等等。在用与太阳能电池组件集成的结构部件的情况下，优选的结构是：边缘通过对折而弯曲从而增强硬度并将边缘安装于沟道中作为安装部件。适于这种处理的材料是钢片和不锈钢片。这些材料在高温加热下耐熔或耐变形，而且最好用作屋顶部件。在这些应用中，用于支撑部件的材料最好是在防生锈和耐气候性上特别好。为达到上述特性，一般采用耐气候性优异的涂料。(组件的边缘结构)

如图8A所示，在尺寸上比支撑部件801大的保护膜804和密封材料803叠加在太阳能电池器件802上。在太阳能电池器件802和支撑部件801之间提供绝缘部件805。为将图8A所示状态改变到图8B所示的状态，保护膜和密封材料在支撑部件801外面的伸出部分折弯到支撑部件的背面。之后，通过热压使密封材料变软以密封太阳能电池器件802，从而得到用保护膜和密封材料覆盖支撑部件的边缘的结构，如图8B所示。(太阳能电池器件102)

图2表示太阳能电池器件的例子。参考标记201表示导电衬底，202表示背面反射层，203表示半导体光敏层，204表示透明导电层，205表示收集电极，206表示输出端，207表示焊料，及208表示绝缘部件。

导电衬底201的作用是作为太阳能电池器件的衬底，并且也可作为下电极。导电衬底201可以由选自如下组中的一种材料构成：硅，钽，钼，钨，不锈钢，铝，铜，钛，碳片，镀铅铁片，以及具有形成在其上的导电层的树脂膜和陶瓷材料。

金属层、或者金属氧化层，或者金属层和金属氧化层的组合都可形成作为上述导电衬底201上的背面反射层202。金属层可以是例如，Ti，Cr，Mo，W，Al，Ag，Ni或类似物质，金属氧化层可以是例如ZnO，TiO₂，SnO₂或类似物。金属层和金属氧化层可通过选自下列方法中的一种制成：电阻加热汽相淀积法，电子束汽相淀积法，溅射法等等。

半导体光敏层203是进行光电转换的一部分。用作感光层203的材料的具体例子包括pn结型多晶硅，Pin结型无定形硅以及化合物半导体例如CuInSe₂，CuInS₂，GaAs，CdS/Cu₂S，CdS/CdTe，CdS/InP和CdTe/Cu₂Te。半导体光敏层在是多晶硅的情况下，可以通过将熔融硅压片或热处理无定形硅制成，在是无定形硅的情况下，可以通过用硅烷气体和类似物作原材料的等离子增强CVD法制成；或者在是化合物半导体时，可以用离子镀、离子束淀积、真空汽相淀积、溅射或电极淀积制成。

透明导电层204的作用是作为太阳能电池器件的上部电极。透明导电层204可以是由选自下列材料的一种材料制成，例如：In₂O₃，SnO₂，In₂O₃-SnO₂(ITO)，ZnO，TiO₂，Cd₂SnO₄以及用高浓度杂质掺杂的晶体半导体。形成透明导电层204的方法可以是下列方法：电阻加热汽相淀积，溅射，喷涂，CVD和杂质扩散法。

光栅图形的收集电极201(栅极)可以提供在透明导电膜上，用于有效地收集电流。制成收集电极205的具体材料是，例如：通过在粘合剂聚合物中散布银、金、铜镍、碳或类似物的细粉末形成的导电膏。粘合剂聚合物选自：聚酯，环氧树脂，丙烯酸树脂，醇酸树脂，聚乙酸乙烯酯，橡胶，尿烷以及酚醛树脂。除导电膏以外，形成收集电极205的方法可以选自：溅射，电阻加热以及用掩模图形的CVD法；在整个表面上蒸发金属膜，然后通过蚀刻去掉不需要的部分以形成图形的方法；通过光学-CVD直接形成栅电极图形的方法；以及形成栅电极图形的相反图形的掩模，然后在其上进行镀膜。

最后，输出端206连接到导电衬底和收集电极上，用以取出电动势。输出端是通过用点焊或钎焊粘结金属部件例如铜片的方法连接到导电衬底上的。该输出端又通过用导电粘合剂或焊剂207电连接金属部件的方法连接到收集电极上。当输出端连接到集电极时，为防止输出端与导电衬底和半导体层相接触而引起短路，就要求提供绝缘部件208。

用上面的技术制成的太阳能电池器件，根据所要求的电压或电流串联或并联连接。也可以采用其它设置，如太阳能电池器件被集成在绝缘衬底上以得到所要求的电压或电流。(绝缘部件105)

绝缘部件105的功能是在太阳能电池器件和支撑部件之间提供可靠的绝缘。对绝缘部件所要求的其它特性包括电绝缘、机械强度、潮湿条件下的绝缘以及耐热特性。

当绝缘部件粘结到太阳能电池器件上的粘结强度较弱时，可以在绝缘部件的界面处使用粘合剂。通过粘合剂、绝缘部件和粘合剂以整体形式预先叠加在一起构成的结构，工作效率能进一步提高。

用在本发明中的粘合剂要求具有这样的热特性：在高温熔化，还能在高温下进行交联。然而，在使用中，组件的温度仅升高到80℃左右，所以高温下交联并不是很重要。绝缘部件最好由与密封材料相似的材料构成。

绝缘部件一般由选自下列一种材料构成：双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，尼龙，和玻璃纤维或塑料纤维的无纺织物。

当通过使用钢片作为支撑部件并将其折弯制成本发明的太阳能电池组件时，它能适用于与太阳能电池组件集成的结构部件。图10A和10B表示屋顶部件形状的例子。图10A表示板条接口屋顶型的例子，图10B表示水平屋顶型的例子。它们供反相器使用，由此构成利用太阳光发电的发生装置。[例1]

如图3A和3B所示，保护膜301，密封材料302，玻璃纤维无纺织物303，太阳能电池器件304，绝缘部件305，和支撑部件306如下述那样准备好，并叠加在支撑部件上以构成太阳能电池组件。(支撑部件)

所制备的支撑部件306是镀锌钢片(Hardwearing color GL0.4mm厚，由Daido Kohan制造)。(密封材料的制备)

密封材料302是通过将重量100份的乙烯-乙酸乙烯酯(乙酸乙烯酯占重量的33％，熔体流动速率为30)，重量1.5份作为交联剂的2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧化)己烷，重量0.3份作为UV吸收剂的2-羟基-4-n-辛苯酮(octoxybenzophenone)，重量0.2份作为抗氧化剂的三(单-壬基苯基)亚磷酸盐，以及重量0.1份作为光稳定剂的(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸盐混合，并用T模具和挤压机形成460μm厚的片而制备的。这个密封材料片在受热时变软。(绝缘部件)

绝缘部件305是通过在双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的两个表面的每个上叠层与密封材料相同的且200μm厚的树脂而制备的，而双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(Tetron S 50μm厚，从Teijin LTD可获得)的两个表面都用电晕放电处理过。(太阳能电池器件)

具有如图9A和9B所示结构的太阳能电池器件304以下述方法制成。首先，制备已清洗的带式不锈钢衬底901，通过溅射在衬底上依次形成Al层(厚度5000埃和ZnO层(厚度5000埃)，作为背面反射层902。然后，通过等离子体增强CVD方法，用SiH₄，PH₃和H₂的气体混合物形成n-型无定形硅层，用SiH₄和H₂的气体混合物形成i-型无定形硅层，用SiH₄，BF₃和H₂的气体混合物形成P-型微晶硅(μC-Si)层，从而形成150埃厚度的n-型层/4000埃厚度的i-型层/100埃厚度的P-型层/100埃厚度的n-型层/800埃厚度的i-型层/100埃厚度的P-型层层状结构串联型无定形硅光电转换半导体层903。然后通过电阻加热法在O₂气氛下蒸发In以形成In₂O₃薄膜(700埃厚)从而获得透明导电层904。将得到的主体切开，再用网板印刷进行蚀刻，从而得到多个尺寸为30cm×9cm的器件。从所获得的多个器件中选出十三个器件，对于它们每一个来说，用于收集电流的栅电极905是通过用银糊(商标号：#5007，由DuPont Inc.制造)的网板印刷形成。而集电极通过粘接汇流总线906(镀焊剂铜线，直径为400μm)而与银糊907(商标号#220，Amicon制造)相连。另外，铜片908(厚度100μm)通过点焊连接到不锈钢衬底上，从而得到太阳能电池器件。如上所述就制备好了太阳能电池器件。(保护膜)

准备的保护膜301是非定向乙烯-四氟乙烯膜(TEFZEL 50μm厚，DuPont Inc.制造)。与密封材料302相粘接的该膜的表面用等离子体处理进行预处理。(玻璃无纺织物)

制备的玻璃无纺织物303是玻璃纤维(Glassper GMC-00-040，丝直径为10μm，基本重量40g/m²，Honshu Seishi制造)的无纺织物。(覆盖步骤)

通过使用如图5所示真空叠层装置和下述方法进行热压。用于防止污染的PFA膜(50μm厚的聚四氟乙烯PFA，DuPont Inc.制造)设在铝片510(厚度10mm)上。叠加在其上的是支撑部件506，绝缘部件505，太阳能电池器件504，玻璃无纺织物503，密封材料片502和保护膜501。密封材料和保护膜预先划线，并且它们的边缘处在支撑部件和PFA膜之间。耐热硅橡胶片511(厚为3mm)放在叠层上。

然后通过真空泵并用O形环512作为密封部件使叠层内的压力减小到10mmHg。压力充分减小后，将叠层放进150℃的热空气烘干炉中，同时不断排气，100分钟后将叠层取出。这就使密封材料片变软，从而能用该片密封太阳能电池器件504。然后，在排气的同时将叠层的温度冷却到室温。用这种方法就得到了如图3A和3B所示的多个太阳能电池器件的组件。

由此得到的太阳能电池组件通过下列方法评价。(抗温度和湿度变化的耐久性)

对太阳能电池组件实施200周期的-40℃/一小时和85℃/85％RH/四小时的温度/湿度周期试验，然后通过目测对其外表进行评价。以下列评价准则为基础，评价结果如表1所示。评价准则如下：

◎：外表无变化；

○：外表有些变化，并且在组件的边缘可看到锈；以及

×：在密封材料边缘出现剥离。(高温度-高湿度试验)

将太阳能电池组件暴露于85℃/85％RH/5000小时的高温和高湿度下。然后对太阳能电池组件的外表变化进行评价。以下列评价准则为基础，评价结果如表1所示。

评价准则如下：

◎：外表无变化；

○：外表有些变化，并且在组件的边缘可看到某些锈；以及

×：在密封材料的边缘出现剥离。(喷盐实验)

下面实施JASO M609中确定的360周期的喷盐实验。

一个实验周期包括两小时喷盐，四小时烘干和两小时浸湿。

喷盐是在温度为35℃和盐水浓度为5±0.5％条件下进行的。烘干是在60±1℃和相对湿度20-30％下进行的，而浸湿是在温度50±1℃和相对湿度95％或更高条件下进行的。现对太阳能电池组件的外表进行评价。根据下列评价准则，评价结果如表1所示，评价准则如下：

◎：外表无变化；

○：外表有变化，且在组件的边缘看到锈；以及

×：密封材料边缘出现剥离。(为防止边缘剥落的处理所需的时间)

测量为防止边缘剥落的处理所需的时间。测量结果用生产一个组件所需时间的分钟来表示。[例2]

除用丙烯酸树脂膜(PMMA 50μm)代替例1中所用的乙烯-四氟乙烯共聚物膜(ETFE 50μm)以外，太阳能电池组件通过与例1中相同的方法制成。测量结果如表1所示。[例3]

除用纤维强化塑料(FRP)膜(2mm)代替例2中所用的镀锌钢片作为支撑部件以外，太阳能电池组件通过与例2中相同的方法制成。除喷盐试验以外，测量结果如表1所示。由于用作支撑部件FRP膜不生锈，所以喷盐实验不用实施。[例4]

如图4所示，下面说明进行制备玻璃401，一片密封材料402，太阳能电池器件403，一片密封材料404以及背面膜405，它们叠于支撑板上。然后对它们进行热压以制成太阳能电池组件。由于用作支撑部件的玻璃401不生锈，所以喷盐实验不必做。(玻璃)

制备的玻璃401是白色玻璃片(3.3mm)。(密封材料片)

密封材料片与例1中的相同。(太阳能电池器件)

太阳能电池器件与例1中的相同。(背面膜)

制备的背面膜是两表面用PVF涂覆的铝片(120μm)。(覆盖步骤)

用于防止污染的PFA膜(Teflon PFA 50μm厚，DuPont Inc.制造)涂覆在铝板501(10μm厚)上，上述制备的玻璃401，密封材料片402，太阳能电池器件403，密封材料片404以及背面膜405叠加在其上。密封材料和背面膜被预先划线，并且其边缘处在支撑部件和PFA膜之间。耐热硅橡胶片502(3mm厚)置于该叠层上。然后，使用O环503作密封件，用真空泵将叠层内部压力减小到10mmHg。充分减小压力后，将叠层放入150℃的热空气烘干炉中，同时排气。100分钟后取出叠层。然后在排气的同时将叠层冷却到室温。由此就得到了多个太阳能电池组件。除喷盐实验以外，测量结果如表1所示。[对比例1]

除了保护膜和密封材料与支撑部件尺寸相同，因而它们不能弯向支撑部件的背面以外，太阳能电池组件通过与例1中的相同方法制成。测量结果如表1所示。[对比例2]

除了防止剥落部件如下面那样连接到太阳能电池组件的边缘以外，太阳能电池组件通过与对比例1中的相同方法制成。防止剥落部件以下面程序连接到太阳能电池组件的边缘。

1.硅酮密封剂施加在U形防止剥落部件上，并涂覆钢板。

2.防止剥落部件与太阳能电池组件啮合，然后证实硅酮密封剂的多余量伸出在所有啮合部分的表面上。

3.擦去多余量的硅树脂密封剂。之后，用胶带在两个位置将防止剥落部件固定到太阳能电池组件上，直到硅酮密封剂固化为止，以使防止剥落部件不会从太阳能电池组件上滑落下来。

另外，与太阳能电池组件的一边相反的另一边也以上述程序与防止剥落部件啮合。测量结果如表1所示。

表1

	抗温度和湿度变化的耐久性	高温度/高湿度试验	喷盐实验	制成一个组件的时间(分钟)
	抗温度和湿度变化的耐久性	高温度/高湿度试验	喷盐实验	制成一个组件的时间(分钟)	例1	◎	◎	◎	5
例2	◎	◎	◎	5	例1	◎	◎	◎	5
例2	◎	◎	◎	5	例3	◎	◎	-	5
例4	◎	◎	-	5	例3	◎	◎	-	5
例4	◎	◎	-	5	对比例1	○	○	×	5
对比例2	○	○	○	15	对比例1	○	○	×	5

Claims

1.一种太阳能电池组件，包括用密封材料在支撑部件和保护膜之间密封的太阳能电池器件，其特征在于，至少保护膜和密封材料中的一个覆盖支撑部件的边缘。

2.如权利要求1的太阳能电池组件，其特征在于，保护膜通过支撑部件的边缘覆盖一部分支撑部件的背表面。

3.如权利要求1的太阳能电池组件，其特征在于，密封材料通过支撑部件的边缘覆盖一部分支撑部件的背表面。

4.如权利要求1的太阳能电池组件，其特征在于，支撑部件包括选自下列材料的一种：金属，玻璃纤维强化塑料，硬塑料，木板材料，以及玻璃材料。

5.如权利要求1的太阳能电池组件，其特征在于，在支撑部件和太阳能电池器件之间提供绝缘部件。

6.如权利要求5的太阳能电池组件，其特征在于，绝缘部件包括选自下列材料的一种：PET，尼龙，玻璃纤维，塑料纤维。

7.如权利要求1的太阳能电池组件，其特征在于，太阳能电池组件包括非单晶硅半导体。

8.一种制造太阳能电池组件的方法，包括下列步骤：在支撑部件和保护膜之间夹入至少一个太阳能电池器件和一个密封部件，通过支撑部件的边缘将保护膜向后折弯以覆盖至少一部分支撑部件，并热压所得到的叠层。

9.如权利要求8的制造太阳能电池组件的方法，还包括弯曲支撑部件的步骤。

10.一种与太阳能电池组件集成的结构部件，包括用密封材料在支撑部件和保护膜之间密封的太阳能电池器件，其特征在于，至少保护膜和密封材料的一个覆盖支撑部件边缘。

11.如权利要求10的与太阳能电池组件集成的结构部件，其特征在于，一部分支撑部件被折弯。

12.一种利用太阳光的发电装置，包括：具有用密封材料在支撑部件和保护膜之间密封的太阳能电池器件的太阳能电池组件，其中至少保护膜和密封材料中的一个覆盖支撑部件的边缘；和用于控制太阳能电池组件的输出的反相器。