CN1606809A - 齿形光致电压屋顶板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括一载体和一太阳能电池单元的光致电压屋顶板，该太阳能电池单元被分成单个太阳能电池，同时至少两个太阳能电池串联连接，其中，至少一个太阳能电池与一不相邻太阳能电池串联连接。优选地，串联连接中的每个电池将供应基本相同量的电流。更优选地，本发明涉及包括一载体和一太阳能电池单元的光致电压屋顶板，该载体具有周期性结构长度为l且齿形长度为k的周期性齿形，该齿形长度k是该周期性结构长度l内的齿形的长度，该载体设有一太阳能电池单元，该太阳能电池单元在与该周期性结构长度l垂直的方向被分成宽度为w1…wn的太阳能电池c1…cn，w1…wn的和等于该齿形长度k，并且至少一个电池c1…cn与另一周期性齿形的对应电池c1…cn串联连接。本发明还涉及一种包括一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成多组单个太阳能电池，同时至少两个太阳能电池串联连接，其中，至少一个太阳能电池与一不相邻太阳能电池串联连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种带一定截面形状以下简称为齿形的(profiled)光致电压屋顶板，更具体地说，涉及一种包括一载体和一太阳能电池单元的齿形光致电压屋顶板，该太阳能电池单元包括串联连接的太阳能电池。本发明还涉及一种包括至少一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元包括串联连接的单个太阳能电池，使得在安装在一齿形屋顶板中之后，串联连接的每个电池将供应基本相同量的电流。在本说明书中，术语“太阳能电池单元”指代一包括至少两个串联连接的单个太阳能电池的单元。在本说明书中，一柔性太阳能电池箔包括一设有一个或多个太阳能电池单元的柔性载体。
背景技术
太阳能电池通常包括一由光电材料组成的光致电压层，该光致电压层设置在一前电极(在该单元的前面)和一后电极(在该单元的背面)之间。该前电极是透明的，或者尽可能小，从而能够使入射光到达该光电材料，在该光电材料处，进入的辐射被转换成电能。这样，光就可以用来产生电流，从而就提供一个重要的例如矿物燃料或核电的替代品。
目前，太阳能电池常常以平板形式使用。然而，尤其当太阳能电池要用在房屋上时，从审美的角度看，期望使用齿形更具体地说为周期性齿形的太阳能电池。这样，太阳能电池的外部可结合进覆盖有例如瓦片或波纹板的屋顶的外部中。为了实现此目的，WO99/66563说明了一种具有多个瓦片排和/或瓦片列的形状的屋顶板，同时该屋顶板设有至少一个太阳能电池。
US 4670293说明了一种制造位于一具有非平表面的基体例如一屋顶瓦片上的一半导体膜的方法。该半导体膜可分成以常规方式与相邻电池串联连接的单个太阳能电池。
DE公开文献3626450说明了一种设有一柔性太阳能电池板的玻璃屋顶瓦片。
Y.lchikawa等(具有塑料膜基体的柔性a-Si基太阳能电池——Mat.ResSoc.Symp.Proc.577卷703-712页(1999))说明了屋顶覆盖件中的柔性太阳能电池箔的应用。该太阳能电池与相邻电池串联连接。
EP-A884432说明了设有一太阳能电池板的弯曲屋顶覆盖件。该太阳能电池可以常规方式串联连接。
与太阳能电池在齿形屋顶覆盖件上的应用相关的问题在于对于一定的太阳位置，太阳能电池的照射角在其整个表面面积上会随着齿形上的位置不同而变化，从而产生称为阴影的效果。因而，太阳能电池不是所有部分均接收相同量的入射光，并且因而，由太阳能电池各部分产生的电流会随着齿形上的位置不同而变化。这会不利地影响整个太阳能电池的电流产生特性。
常规上，为了增加模件的电压，太阳能电池箔被分成通过将一个电池的前电极与相邻电池的后电极相连而串联连接的单个电池。此外，在这种情况下，由于该单元的齿形，对于一定的太阳位置，不是每个电池均接收相同量的入射光，因此阴影致使太阳能电池单元的性能出现问题。具有最少照射的电池确定产生多少电流。而且，具有最少照射的电池可开始充当一串联连接的电阻器，致使太阳能电池单元的输出附加地减少。
发明内容
因此，需要一种包括一太阳能电池单元的齿形光致电压屋顶板，其中，这些问题已被解决。
根据本发明，通过提供一种包括一载体和一太阳能电池单元的光致电压屋顶板实现此目的，该太阳能电池单元被分成多个单个太阳能电池，同时至少两个太阳能电池串联连接，其中，至少一个太阳能电池与一不相邻的太阳能电池串联连接。优选地，串联连接的每个太阳能电池将供应基本相同量的电流。更优选地，本发明涉及一种包括一载体和一太阳能电池单元的光致电压屋顶板，该载体具有一周期性结构长度为l且齿形长度为k的周期性齿形轮廓，该齿形长度k为该周期性结构长度l中的齿形的长度，该载体设有一太阳能电池单元，该单元在与该周期性结构长度垂直的方向被分成宽度分别为w1…wn的多个太阳能电池c1…cn，w1…wn的和等于该齿形长度k，并且至少一个电池c1…cn与另一周期性齿形的对应电池c1…cn串联连接，其中，n为等于2或大于2的整数。
因为一周期性齿形的每个电池c1…cn接收与该太阳能电池单元中的其他周期性齿形的对应电池c1…cn相同量的入射光，所以本发明中采用的串联连接方式确保产生基本相同量的电流的电池串联连接。于是，上述问题已由本发明解决。与现有技术的屋顶板相比，在本发明屋顶板的太阳能电池单元中，至少一个太阳能电池与一不相邻的太阳能电池串联连接。
通过沿与该周期性结构长度垂直的方向将该太阳能电池单元分成多个单个太阳能电池，各单个电池均在电池表面上实现基本均匀瞬时的照射，这改善了该电池的电流产生特性。各单个电池的在电池表面上的基本均匀照射在这种情况下是指该电池表面面积上的照射(用W/m2表示)的最大偏差为该电池整个表面面积上的平均照射的至多20％，优选为至多10％，较优选为至多5％，更优选为至多1％，最优选为至多0.5％。
至少一个电池c1…cn与另一周期性齿形的对应电池c1…cn的串联连接使得接收基本相同量的光并因此将产生基本相同量的电流的电池串联连接。电池将产生基本相同量的电流的规定在这种情况下是指串联连接的电池的每个电池所产生的电流量(用安培表示)的最大偏差为串联连接的电池所产生的平均电流的至多25％，优选为至多10％，较优选为至多5％，更优选为至多2％，最优选为至多1％。
尽管本发明的板是指一种屋顶板，但很明显，本发明的板不仅可用于屋顶，还可用于墙壁，以及其它采用设有一太阳能电池单元的齿形板可具有吸引力的应用场合。
附图说明
图1示出本发明一屋顶板的一段的透视图，其中，示出周期性结构长度l、齿形长度k、电池c1…cn以及每个电池的宽度w1…wn。该屋顶板具有一正弦曲线的齿形。该第一齿形段的至少一个电池c1…cn通过配线(未示出)与相邻齿形段的电池c1…cn串联连接。
图2示出本发明一不同屋顶板的一段的剖视图，该屋顶板具有一锯齿型齿形轮廓。示出周期性结构长度l、齿形长度k以及电池c1…cn的电池宽度w1…wn。该第一齿形段的至少一个电池c1…cn与相邻齿形段的电池c1…cn串联连接。
图3示出本发明又一屋顶板的一段的剖视图，该屋顶板也具有一不同的齿形轮廓。示出周期性结构长度l、齿形长度k以及电池c1…cn的电池宽度w1…wn。该第一齿形段的至少一个电池c1…cn与相邻齿形段的电池c1…cn串联连接。
图4示出图3的屋顶板的一个变型，该变型的屋顶板在扁平部分中具有凸棱。电池的分割与图3中相同。
图5示出一种采用多个瓦片排和多个瓦片列的形式的屋顶板，该多个瓦片排设有一太阳能电池箔。
应该指出的是，这些附图本身是示意性的。它们不提供关于每周期性结构长度上的电池数量或者关于电池的长度或宽度的任何信息。
具体实施方式
如上所述，目标是在本发明的屋顶板中使每个电池的表面面积上的照射基本均匀。这并不意味着完全不能采纳不规则性的电池表面面积。因此，图4实施例的电池c3中的一凸棱的存在将取决于入射光在该电池c3中引起某种阴影效果，从而该电池c3不是所有的表面面积均将收集相同量的光。但是，该凸棱足够低，从而使其存在可接受。
如上所述，本发明屋顶板包括一载体和至少一个太阳能电池单元。该太阳能电池单元可直接形成在该载体上，例如通过将该太阳能电池单元的不同层如后电极、光致电压层以及前电极直接沉积在一玻璃载体上。然而，一种较具吸引力的方案是以一随后施加在一载体上的柔性太阳能电池箔形式单独地制造该太阳能电池单元。该方案的优点是该太阳能电池箔的包括建立串联连接的制造可在该太阳能电池箔处于扁平位置时实现，同时该太阳能电池箔的柔性使其能够应用在一齿形上。为此，本发明还涉及一种设有至少一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成几组宽度为w1…wn的单个太阳能电池c1…cn，同时至少一个电池c1…cn与对应电池c1…cn串联连接，其中n为等于2或大于2的整数。可通过给该太阳能电池单元设置一绝缘垫同时将产生串联连接的配线穿过该垫而建立这种串联连接。下面详细说明该实施例的一个优选选择。很明显，还可通过该载体实现串联连接，即将产生串联连接的配线穿过该载体。
一个周期性结构长度l内的太阳能电池c1…cn的数量将尤其取决于周期性结构长度l的长度、取决于周期性结构长度l的齿形的变化、以及取决于电池c1…cn的期望长度。通常，周期性结构长度l越大和/或该齿形越复杂，则每个周期性结构长度l内的要求电池的数量越大。齿形越复杂导致每个周期性结构长度内的太阳能电池越多的事实能够确保该单个太阳能电池上的入射光的均匀度保持在可接受的限度内。该太阳能电池的尺寸将取决于其宽度w1…wn，当然，还取决于其长度。该太阳能电池的合适长度将取决于该屋顶板的齿形，因为优选仅沿一个方向即沿该周期性结构长度l的方向使该太阳能电池单元形成为齿形。因为由此给该太阳能电池带来的要求，在两个方向上使该太阳能电池单元形成为齿形不怎么优选。该合适长度还将取决于所选电池宽度以及期望电池表面面积。如上所述，电池c1…cn的宽度w1…wn的和应等于该齿形长度k。还应注意，在该连接中，串联连接本身的宽度包括在电池宽度w1…wn中。
根据该屋顶板齿形，该电池宽度w1…wn可相同或者不同。如上所述，重要的是该单个电池上的入射光的均匀度保持在可接受限度内。为此，有时优选是在屋顶板的急剧弯曲部分上使用较窄的太阳能电池，而弯曲较小的部分允许使用较宽的电池。但是，如果该齿形合适，鉴于加工原因，优选选择恒定的电池宽度w1…wn。
该屋顶板的周期性结构长度l将基本介于5至100cm之间，优选介于10至60cm之间，更优选介于15至45cm之间。
每个周期性结构长度内的电池数量n将基本介于2至100之间，优选介于5至50之间。
在屋顶板具有一其某些部分上的相邻电池具有相同照射的齿形的情况下，具有相同照射的相邻电池可串联连接，并且该组串联连接的电池进而可与该齿形的一对应部分上的对应组串联连接的电池串联连接。在本说明书的术语中，具有相同照射的相邻电池可指代子电池s1…sm。该组串联连接的电池s1…sm与宽度为w1…wn的电池组c1…cn中的一个宽度为w的电池对应。
本发明屋顶板包括一载体和一设有以特定方式串联连接的太阳能电池的太阳能电池单元。该载体可由一个或多个子板构成，而该屋顶板可包括一个或多个太阳能电池单元。
本发明屋顶板可由设有太阳能电池的宽度为一个周期性结构长度l的多个分立单元组成，一个单元上的至少一个电池c1…cn与另一个单元上的对应电池c1…cn之间的串联连接在这些单元置于一屋顶上时建立。该实施例是否具有吸引力在很大程度上将取决于该单元的尺寸。如果该单元的尺寸为一常规屋顶瓦片的尺寸，则与各单元的连接相关联的人工成本可得到抑制。另一方面，对于较大的单元例如宽度至少为15cm且长度至少为1米的单元，优选的是，该单元从凸棱到檐沟的长度与该屋顶长度相匹配，这是本发明的一个优选实施例。
本发明另一实施例是一种宽度至少为该周期性结构长度l的两倍的屋顶板，更优选的是一种宽度为该周期性结构长度l的四至二十倍的屋顶板。该屋顶板的宽度优选为30至250cm，更优选为30至150cm。在该屋顶板的宽度上，该屋顶板可用几个太阳能电池单元覆盖，但是如果该太阳能电池单元位于一太阳能电池箔上，优选该屋顶板在其宽度上覆盖一太阳能电池箔，该太阳能电池箔在该板的宽度上包括一个具有串联连接的太阳能电池的太阳能电池单元。该箔可在该屋顶板的高度上设有几个单元。该屋顶板的宽度在本说明书的内容中是指该屋顶板在该齿形方向上的宽度。该屋顶板的高度是指垂直于该宽度的方向。
本发明屋顶板的高度的要求不重要，并且通常该高度将取决于常规结构尺寸。沿长度方向设置在该屋顶板上的太阳能电池单元的数量可随情况变化。当该屋顶板具有瓦片带的形状时，在高度方向有一个太阳能电池单元将被基本认为足够。当该屋顶板较高时，即在波纹板或铝制屋顶齿形的情况下，要求沿该板的高度设置多个太阳能电池单元。这正是所期望的，因为这是该太阳能电池单元的高度所需。或者，例如因为该屋顶板具有一个位于另一个上方的多个瓦片排的形状，要求该屋顶板在该方向上具有一齿形。尤其在较高的屋顶板的情况下，具有吸引力的是使用一设有多个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔。
本发明屋顶板的一个优选实施例是一种具有一个或多个瓦片排或瓦片列且至少一个瓦片排或瓦片列设有一依照本发明串联连接的太阳能电池单元的屋顶板。该实施例在图5中示出。该图示出一种其外部采用每排具有五个瓦片的五个瓦片排形式的屋顶板，其中，在每排中设置有一个长度为五个瓦片的太阳能电池单元(阴影部分)。未示出电池的分离以及串联连接。该实施例的优点在于从外部来说，它非常适合与常规覆盖有瓦片的屋顶的外部配合，同时其尺寸使得其易于安装。给一太阳能电池单元设置单个排或列能够防止该太阳能电池单元在两个方向上具有齿形。对于这种屋顶板，通常为了易于处理，优选1至10个“瓦片”宽且1至8个“瓦片”高的板，同时瓦片的总数优选为至少4个，较优选为至少8个，更优选为至少12个。“瓦片”数量的优选最大值取决于该“瓦片”的尺寸以及最终单元的期望尺寸。
本发明屋顶板中的串联连接的关键在于要串联连接的电池的选择。该串联连接同样只包括将一个电池的后电极与另一电池的前电极连接。本领域技术人员能够设计并安装所需的配线。
如上所述，本发明还涉及一种设有至少一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成单个太阳能电池，同时该太阳能电池串联连接，使得该太阳能电池被安装在一齿形屋顶板中之后，串联连接的每个电池将供应基本相同量的电流。建立串联连接的一种具有吸引力的方法是通过一互连/联接层(interconnection layer)。其原理在半导体工业中公知的互连层由相互绝缘的导电条结构组成。电池组c1…cn的至少一个电池通过该互连层中的一个导电条与相邻电池组的对应电池c1…cn的后电极连接。对应电池c1通过该互连层的一第一条连接，对应电池c2通过一第二条连接，等等。为了防止一电池的TCO与相同电池的后电极连接，该互连层中的导电条通过电绝缘材料断开。这种断开可通过切断该条或利用单独提供的一绝缘材料而实现。
本发明还涉及一种设有一太阳能电池单元的太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成几组单个太阳能电池c1…cn，该太阳能电池从阳光入射侧向下包括一前电极、一光致电压层、一后电极，以及一包括相互绝缘的导电条p1…pn的互连层，该导电条设有电绝缘材料，同时至少一个电池c1…cn通过一个导电条p1…pn与对应电池c1…cn串联连接，其中n为等于2或大于2的整数。
该太阳能电池箔的一个简单实施例是一种该互连层的条与该太阳能电池箔单元成一角度的箔。该角度优选介于60至120°之间，较优选介于80至100°之间，更优选介于88至92°之间。最优选的是，该互连层的条基本与该太阳能电池单元垂直。在该实施例中，该串联连接可非常简单地通过一个电池c1…cn的TCO层与该互连层之间以及来自相邻电池组的对应电池c1…cn的后电极与该互连层之间的“刺穿”导电连接建立。
实现该串联连接的另一方法是通过带有导电涂层的带或电线实现，该带或电线与一个电池的前电极连接并沿该太阳能电池单元的侧部通到要连接的电池。
本发明屋顶板的载体材料的要求不重要。当该载体是透明的时，例如由玻璃或合成材料制成，该太阳能电池单元可选地设置在该载体的底部上，从而确保恰当防止对该太阳能电池单元的外部影响。当该太阳能电池单元设置在该载体的顶部时，该载体不必是透明的。在该种情况下，合适材料包括常规屋顶材料，尤其是陶瓷材料，例如混凝土、石料等；合成材料，可选的是以回收合成材料为基础的合成材料；以及金属，例如钢、锌以及铝。
本发明屋顶板中使用的太阳能电池单元从后往前包括一后电极、一光置电压层，以及一前电极。常常还存在一载体，以便提高该太阳能电池单元的固有强度。这些材料的特性对于本发明的屋顶板来说并不重要。下列说明仅仅出于说明性的目的。
该太阳能电池单元的载体—如果有的话—可为任何公知载体。当该载体位于该前电极的一侧上时，它应为透明的。该载体可例如由玻璃或透明聚合物制成。当该载体设置在该后电极的一侧上时，它可以是透明的，也可以是不透明的，这取决于该太阳能电池单元的预期应用。合适材料包括适于在卷装进出(roll-to-roll)工艺中使用的柔性材料，例如聚合物箔或金属箔。
该前电极通常为一透明导电氧化物(TCO)。合适的TCO包括铟锡氧化物、氧化锌、掺杂铝的氧化锌、掺杂氟的氧化锌或掺杂硼的氧化锌、硫化镉、氧化镉、氧化锡和掺杂F的SnO2。
该光致电压层可包括本领域技术人员所公知的任何合适体系，例如非晶硅(a-Si:H)，微晶硅，单晶硅，多晶硅，非晶碳化硅(a-SiC)和a-SiC:H，非晶硅锗(a-SiGe)和a-SiGe:H，a-SiSn:H。此外，还可采用CIS(二硒化铜铟，CuInSe2)，碲化镉，CU(In，Ga)Se，ZnSe/CIS，ZnO/CIS，以及Mo/CIS/CdS/ZnO。薄膜太阳能电池优选采用非晶硅或微晶硅。
该后电极根据该太阳能电池单元的应用还可充当反射器，该后电极由例如铝、银，或者二者的组合制成。
如果要求，该太阳能电池单元可包括附加公知成分，例如用以防止该单元受环境影响的密封剂/胶囊密封材料。
如果在本发明屋顶板中使用一设有一太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，这种情况是优选的，则优选使用一种通过一种连续工艺优选为一种卷装进出工艺制造的柔性太阳能电池箔。如WO98/13882或WO99/49483中所述制造的柔性太阳能电池箔尤其优选。这些公报中有关制造该柔性太阳能电池箔的工艺以及在那里使用的材料被结合在本说明书中作为参照，但是所述公报中公开的串联连接方法不适合在用于本发明屋顶板的太阳能电池单元中使用。
Claims (17)
1.包括一载体和一太阳能电池单元的光致电压屋顶板，该太阳能电池单元被分成多个单个太阳能电池，同时至少两个太阳能电池串联连接，其中，至少一个太阳能电池与一不相邻太阳能电池串联连接。
2.根据权利要求1所述的光致电压屋顶板，其特征在于，串联连接的每个电池将供应基本相同量的电流。
3.根据权利要求1或2所述的光致电压屋顶板，其特征在于，它包括一载体和一太阳能电池单元，该载体具有周期性结构长度为l且齿形长度为k的周期性齿形轮廓，该齿形长度k是该周期性结构长度l内的齿形的长度，该载体设有一太阳能电池单元，该太阳能电池单元在与该周期性结构长度l垂直的方向被分成宽度为w1…wn的太阳能电池c1…cn，w1…wn的和等于该齿形长度k，并且至少一个电池c1…cn与另一周期性齿形的对应电池c1…cn串联连接，其中，n为等于2或大于2的整数。
4.一种根据前述权利要求中任一项所述的屋顶板，其特征在于，该太阳能电池单元包括一柔性太阳能电池箔。
5.一种根据权利要求3或4所述的屋顶板，其特征在于，电池宽度w1…wn恒定。
6.一种根据前述权利要求3至5中任一项所述的屋顶板，其特征在于，它由宽度为一个周期性结构长度l的多个分立单元组成。
7.一种根据前述权利要求3至5中任一项所述的屋顶板，其特征在于，它的宽度为该周期性结构长度l的至少两倍，更优选为该周期性结构长度l的四至二十倍。
8.一种根据权利要求7所述的屋顶板，其特征在于，该屋顶板的整个宽度上覆盖有一个太阳能电池单元，该太阳能电池单元包括一具有串联连接的太阳能电池的太阳能电池箔。
9.一种根据前述权利要求中任一项所述的屋顶板，其特征在于，它具有一个或多个瓦片排或瓦片列的形状，同时至少一个瓦片排或瓦片列设有一太阳能电池单元。
10.一种根据前述权利要求3至9中任一项所述的屋顶板，其特征在于，一个太阳能电池单元中的所有电池c1…cn与所述太阳能电池单元中的所有对应电池c1…cn串联连接。
11.一种根据前述权利要求3至10中任一项所述的屋顶板，其特征在于，电池组c1…cn的至少一个电池c由一组串联连接的相邻子电池s1…sm组成。
12.包括一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成多组单个太阳能电池，同时至少两个太阳能电池串联连接，其中，至少一个太阳能电池与一不相邻太阳能电池串联连接。
13.包括一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成多组单个太阳能电池，该太阳能电池串联连接，使得在安装在一根据前述权利要求中任一项所述的屋顶板中之后，串联连接的每个电池将供应基本相同量的电流。
14.包括一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成几组宽度为w1…wn的单个太阳能电池c1…cn，同时至少一个电池c1…cn与对应电池c1…cn串联连接，其中，n为等于2或大于2的整数。
15.一种根据权利要求12至14任一项所述的太阳能电池箔，其特征在于，它设有一绝缘垫，同时建立串联连接的配线穿过该垫。
16.包括一个太阳能电池单元的柔性太阳能电池箔，该太阳能电池单元被分成多组单个太阳能电池c1…cn，该太阳能电池从阳光入射侧向下包括一前电极、一光致电压层、一后电极，以及一包括相互绝缘的导电条p1…pn的互连层，该导电条设有电绝缘材料，同时至少一个电池c1…cn通过一个导电条p1…pn与对应电池c1…cn串联连接，其中n为等于2或大于2的整数。
17.一种根据权利要求16所述的太阳能电池箔，其特征在于，该互连层的条与该太阳能电池箔单元基本垂直，并且该串联连接通过一个电池c1…cn的TCO层与该互连层之间以及相邻电池组的对应电池c1…cn的后电极与该互连层之间的“刺穿”导电连接建立。
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