CN1809933A - 光电模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电模块，其包括前板(2)和背板(3)。另外，有机密封件(4)设置在板之间且定义内部密封容积(5)，其维持在低于大气压的压强且其含有光电池(1)。前述密封件(4)是有机部件，例如热塑性塑料或聚丁烯。根据本发明方法，借助于抽气产生低气压压强。该方法可包括惰性气体吹洗、低气压压强确立和压密封(P1)。所述方法还可包括：模块的局部密封，从而在密封件(4)中留下两个开口；内部容积借助于该两个开口的惰性气体吹洗；低气压压强的确立；以及，随后，阻塞所述开口。

Description

光电模块及其制造方法

发明领域

本发明涉及光电模块，其包括并排布置在前板和背板之间的光电池的组件、以及布置在所述板之间且限定保持在比大气压低的压强下的密闭内部容积(tight internal volume)的密封件，所述光电池布置在该密闭内部容积中。

背景技术

传统上，为了制造光电模块，光电池被覆盖有电极网络并通过焊接的金属条彼此连接。这样形成的组件然后被置于它们本身保持在两个玻璃基板之间的两个聚合物板之间。然后该组件被加热到约120℃从而极大地软化该聚合物，以便使其透明且不透气并确保模块的机械结合(mechanicalconsistency)。然而，通常不能长期实现密闭性，特别是防止湿气的渗透。

该类型的制造方法消耗大量的非常昂贵的锡基的、铅基的和锌基的焊剂。焊接本身是一种昂贵的、机械复杂的操作，需要旋转电池且包含不可忽视的损坏电池的风险。

为了实现模块的密闭性，可以在所有电池的周围沉积非无机物(non-mineral)密封件或者用有机树脂填充残留在玻璃基板之间的空间。

文献WO03/038911描述了一种用于光电模块的制造的方法，所述光电模块包括并排布置在前板和背板之间的光电池的组件。布置在板之间的无机物(mineral)密封件限定全部电池布置在其中的密闭内部容积。密封操作在380℃和480℃之间的温度下持续少于30分钟的时间来进行。密封期间，密封材料极大地软化且产生相对于外面紧密密闭的内部容积，其在模块的整个使用期间防止任何水分进入模块。内部容积的压强在密封温度下约为一个大气压。冷却到室温后，最终压强较低，在400毫巴的范围。因此相对于外部的负压自动形成在组件内部，并导致力通过前板和背板施加到电池上。该力确保电池和沉积在前板和背板上的连接导体之间的接触而没有在电池和连接导体之间必须实施焊接。然而，施加约400℃的温度容易损害当前可在市场上获得的光电池的质量。

光电池可以形成在被切割成具有数百微米的厚度的晶片的块硅基板上。基板可以由沉积在玻璃或陶瓷基板上的半导体层、单晶硅或者多晶硅形成。其在其表面具有窄电极的网络，通常由银或铝制成，被构造来使电流流至一个或更多主电极，该主电极具有1至数毫米的宽度，也由银或铝制成。

在已知光电模块中，与第一电池相关联的背连接导体被连接到与相邻的第二电池相关联的前连接导体。如果模块包括多于两个电池，则第二电池的背连接导体然后被连接到下一个电池的前连接导体，这样所有电池串联电连接。实际上，一电池的背连接导体和与相邻电池相关联的前连接导体可以通过一个相同的互连导体形成。末端电池的连接导体充当外连接器。

矩阵形式的光电池的组件可包括并联电连接电池的横向连接导体。通常，由铜芯和表面沉积的锡铅合金形成的横向连接导体利用锡铅合金被焊接到电池的连接区上。连接导体还可以通过根据所需图案在模块的支撑板上沉积银糊(silver paste)，接着在高温下退火来得到。

在文献DE-A-4128766中，前和背连接导体形成在前和背玻璃基板的内面，面对每个电池的位置。连接导体然后被焊接到电池上和被构造来串联连接电池的互连元件上。残留在玻璃基板之间的空间然后被填充有机树脂。

此外，在某些公知电池(US专利6384317)中，电池的正极和负极设置在其一个面上，具体地在其背面上。

由于焊接连接导体和组装电池是长时间且昂贵的操作，其会损伤电池并导致高制造成本，因此，焊接连接导体和组装电池成为一个障碍。

发明内容

本发明的目的是克服这些缺点，并且，具体地，实现呈现良好的长期密闭性的模块，并简化光电模块的制造方法，从而其制造可以优选在室温下进行，同时降低制造成本。

根据本发明，该目的通过所附权利要求，并且具体地，通过密封件是柔性(flexible)有机密封件来实现。

附图说明

根据以下仅作为非限制性示例且结合附图给出的本发明特定体实施例的描述，其它优点和特征将变得更加明显，其中：

图1和2示出了根据本发明的用于光电模块的制造的方法的特定实施例的组装步骤。

图3和4以沿A-A线的横截面示出根据图2的用于光电模块的制造的方法的抽气步骤的特定实施例。

图5和6示出根据本发明的光电模块的两个特定实施例。

图7和8示出根据本发明的用于光电模块的制造的方法的两个特定实施例。

图9和10分别以沿B-B线的横截面和以底视图示出根据本发明的光电模块的特定实施例。

图11和12示出根据本发明的光电模块的互连导体的各种特定实施例。

具体实施方式

图l示出并排布置在前板2和背板3之间的光电池1和有机密封件4的组装。为了组装，板2和3以及光电池1保持彼此平行。为了在组装期间保护光电池1，如相应的电互连导体可以的那样，电池可以在板2和3的组装之前被预先固定在其中一个板上，例如在背板3上。例如它们可以借助无溶剂的有机胶(solvent-free organic glue)被预先粘住，例如通过聚乙烯族的衍生物。该胶可以由与有机密封件4相同的材料构成，例如由聚丁烯衍生物构成。然后有机密封件4可以被沉积在板2和3之一上，例如在前板2上，在该组光电池1周围。然后前板2和背板3借助有机密封件4被密封，有机密封件4可以是热塑性的，例如是聚丁烯族的。有机密封件4可以由能够提供对湿气和气体，特别是氧气的有效阻挡的任何有机材料制成。密闭内部容积5被填充有惰性气体。惰性气体可以由与布置在密闭容积内的元件的材料相容的任何纯的或混合的气体构成，例如氩气。气体浓度，特别地氩气浓度，可以通过谱分析来确定，其使密闭内部容积5内的气压和气体成分能够被控制。

在组装期间，如图2所示，模块组件优选地通过施加压力P1在板2和3上而被压。这样，有机密封件4限定出全部光电池1布置在其中的密闭内部容积5。有机密封件4的材料优选为聚丁烯族的，不含溶剂，例如聚异丁烯。其被装配并被压之后，聚丁烯密封件保持柔性，并且在与板2和3的界面处，它的颜色，最初为暗淡的黑色，变为有光泽的黑色，其使如果需要的话密闭性能够被检查。虽然密封件保持一定的柔性，但密封件的机械特性保持不变。由此压模块步骤使模块的厚度能够被控制。

根据本发明，通过抽气形成负压以确保足够的接触压力，从而实现模块的良好运行所必需的电传导，不需要电池之间互连接触的焊接。在图3和4所示的制造方法的第一特定实施例中，抽气在模块的密封之后进行。抽气能够在密闭内部容积5中产生高达0.5巴的负压。抽气(虚线箭头示意性示出)例如借助穿孔工具进行，例如借助于穿过有机密封件4并连接到外部抽气装置(未示出)的注射器(syringe)6。穿孔工具形成所需尺寸，以便当它移走时，不削弱密封性。图3中，注射器6插入到靠近模块拐角的有机密封件4中。有机密封件的残余柔性意味着当注射器被移开时，注射器经其进入的小开口会自动闭合。如图4所示，当注射器6被移开时，施加压力P2在注射器经其进入的开口的每侧的密封件的两个垂直面7a和7b上能够使该开口闭合并确保密封件的密闭性。在产生负压之前，该方法优选地包括通过惰性气体的吹洗步骤，其可以借助两个注射器进行，第一注射器进行抽气且第二注射器同时提供惰性气体。

在实施有机密封件4之后，密闭内部容积5保持在显著低于大气压的压强下，其导致力通过前板2和背板3施加到光电池1上。该力确保电池和实施电池间电连接的连接导体之间的接触，没有必须沉积任何焊料在电池和连接导体之间。形成连接导体的材料可以是在负压力作用下确保与光电池1良好接触的铜基的、铜合金的或任何其它高电导率的金属材料。

在压前板和背板之后得到有机密封件4的密封性，有机密封件存在于整个模块的外围。由沉积的有机材料的量和进行密封时的压力决定的密封件的厚度然后保持不变。由于该方法在室温下进行，因此与所有光电池相容。

有机密封件4，特别地当其由聚丁烯制成时，在实施之后保持一定的弹性。如图5所示，加强系统8可以布置在密封件4周围从而提高模块的可靠性。

前板2和背板3可以都是玻璃板，例如由具有1.6至6mm的厚度，通常值对前板2为3mm到4mm对背板3为2mm到4mm的碱石灰玻璃(soda-lime glass)制成。有利地，玻璃为清晰或无色玻璃，即，包含少量的铁，因为这样的玻璃的透光性非常好。玻璃还可以经历热硬化以增强其机械强度。然而，光电模块的前板2优选由玻璃制成，而背板3由刚性板制成，其至少在表面绝缘，由塑料或金属制成，例如铝或表面处理过从而在表面不会导电的不锈钢。这样的板能够使光电池得到保护同时可观地减小重量(高达2倍)。

此外，该方法可包括在模块被组装之前实施的玻璃前板的化学蚀刻步骤，例如碱蚀刻，从而使前玻璃板的内面9变粗糙，即面对光电池1的面，如图5所示。这样，被光电池1反射的辐射通过前板2的表面的不同区域上的多次反射(multiple reflection)被部分回收。该处理可以通过玻璃的各向异性蚀刻进行，前板2的外表面被保护，从而给前板2的内面9一纹理。该技术能够获得光电模块的效率的提高。在保护玻璃的外表面之后，该纹理化还可以通过硬化该玻璃来进行，例如通过化学蚀刻。

此外，在光电池1与背板3之间和/或光电池1之间，图6所示的光电模块包括物质10，其被构造来吸收红外和紫外辐射并发射在与光电池的吸收带(absorption band)的最大值基本对应的可见光谱带中的辐射。物质10包括例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和/或金属盐和/或由混合物(compound)形成的颜料，该混合物主要含有镧基、铒基、铽基、钕基和镨基稀土的、碱金属的或属于碱土金属的金属的混合氧化物。这些氧化物将紫外辐射转换成具有包含在550nm和650nm之间的波长的可见光辐射。因此光电模块的效率可以被提高。红外辐射的吸收使光电池的运行温度能够被降低。

在制造方法的第二特定实施例中，如图7所示，该方法依次包括：模块的组装和局部密封，从而在密封件4中留下两个开口13a和13b；借助于两个开口13a和13b，通过惰性气体吹洗内部容积，由虚线箭头14示意性示出。然后，借助两个开口13a和13b通过抽气产生负压。抽气之后，两个开口13a和13b被闭合而没有削弱负压。还可以在吹洗之后关闭开口13中的一个并借助于另一个开口13进行抽气，然后关闭它。

在制造方法的第三特定实施例中，如图8所示，该方法顺序包括模块的组装以及，在密闭围场(tight enclosure)17中，通过惰性气体吹洗并通过抽气建立负压。然后通过压18密封件4进行前板2和背板3的密封，前板2和背板3布置在两个预先形成的部件19和20之间，其使密闭围场17能够被建立。

根据本发明的模块可以是大尺寸的、玻璃具有相应的厚度，没有框架必须加于其上。

本发明适用于任何类型的光电模块，包括含有光电池1的模块，每个光电池1具有布置在电池的同一侧上的正极和负极，如上所述。

图9所示的光电模块包括并排布置在前板2和背板3的内面之间的光电池1。为了清楚起见，图9中仅示出三个电池1a、1b和1c。每个电池的正和负极设置在其背面上。

电池的正极与相邻电池的负极的连接借助于通过金属条形成的至少一个互连导体非常简单地实现，该金属条例如为在电池被安装到位之前例如通过筛网(screening)沉积在背板3的内面上的银糊的条。还可以借助用胶预先固定在模块的背板上的金属导体进行电池的电互连。

在图9和10中，沉积在背板3上的金属条11a定位在连接两个相邻电池1a和1b的位置的区域上，从而在电池1a和1b的背面上分别与电池1a的正极和电池1b的负极接触。在图10中，该区域表现为阶梯状。将电池1b的正极连接到电池1c的负极的银糊条11b以相似的方式设置在背板3上。这样，电池被安装到位之前，互连导体11的网络形成在背板3上。当背面不是光活性的(optically active)时，对背板3的透光性没有限制，并且选择银糊条11的网络图案从而传导性最大。根据第一供选实施例，银糊条11的宽度是大的，例如，每个银糊条11能够具有包括在3mm和10mm之间的宽度，更一般地包括在3mm和5mm之间。

当电池的正极和负极分别布置在前板和背板上时，互连也可以通过筛网准备。

根据下面描述的路径，密封件4被沉积在板2和3中的一个板上或在两个板上，即沿四侧。

在图10的特定实施例中，有机密封件4位于前板和背板2和3两个的公共表面的外围。它这样布置在背板3的外围上，除了在背板3的左侧，以允许从外面到外部连接导体12的通路。例如，末端电池(1a和1c)的外部连接导体12可以超越密封件4向外突出。

如上所述，然后密封件4可以布置前板2和背板3之间，在模块的外围，从而限定全部电池1布置在其中的密闭内部容积。

密封件4具有数百微米的厚度，其尤其取决于电池1的厚度，其必须加上形成互连导体的金属条11的厚度，该金属条形成在背板3的前面上，通过将电池1a的正极连接到相邻电池1b的负极来串联连接电池1。

在图11中，互连导体15连接第一电池1a的前表面和相邻第二电池1b的背面。互连导体15由保持其全部电导率的刚性材料形成，例如由铜和锰的合金或由硬化的铜形成。第一波状末端16a布置在第一电池1a的前表面和前板2的内表面之间。第二波状末端16b布置在第二电池1b的背面和背板3的内表面之间。在图12所示的特定实施例中，布置在相邻电池1a和1b之间的互连导体的中间部分不是波状的。在供选实施例中，末端16中的一个可以被实现为没有波纹。

以相似的方式，波状互连导体15可以用来连接两个相邻单面电池的正极和负极，即，每个电池具有布置在电池的同侧上的正极和负极。这种波纹能够借助于弹簧效应使电池1和互连导体15之间的接触得到改进。

由刚性材料形成的将光电池1彼此连接的互连导体15可以具有任何剖面形状，例如U形、W形或V形横截面，如图12所示，从而在光电池1和相应的板2或3之间获得弹簧效应。弹簧效应使电池和/或前板及背板的厚度的改变以及归因于构成模块的元件的热膨胀的改变得到补偿，因此能够限制损坏电池的风险，同时确保电池1和互连导体15之间恒定的电接触。互连导体15还可以是螺旋状的。

根据本发明的方法可以应用于包括方形的、矩形的或圆形的光电池的光电模块进而太阳能发电机(solar generator)的制造，其特征尺寸可以在数厘米到数十厘米的范围。电池优选是方形电池，其侧面具有包括在8cm和30cm之间的尺寸。

本发明不限于以上描述和显示的特定实施例。特别地，银糊条可以沉积在前板的内面上。本发明适用于所有类型的光电池，不仅适用于硅、单晶的或多晶的光电池，而且适用于砷化镓电池、由硅条形成的电池、由插入到导电板中的硅珠(silicon bead)的网络形成的硅珠电池，或通过在玻璃或陶瓷板上的硅、铜/铟/硒、或镉/碲的薄膜的沉积和蚀刻形成的光电池。

Claims (21)

1.一种光电模块，包括：并排布置在前板(2)和背板(3)之间的光电池(1)的组件；以及密封件(4)，其布置在板(2和3)之间并限定保持在比大气压强低的压强下的密闭内部容积(5)，该光电池(1)布置在该密闭内部容积中，该模块的特征在于密封件(4)是柔性有机密封件。

2.根据权利要求1的模块，其特征在于该密封件(4)是热塑性的。

3.根据权利要求2的模块，其特征在于该密封件(4)是聚丁烯族的一种。

4.根据权利要求1至3的任一项的模块，其特征在于它包括布置在该密封件(4)周围的加强系统(8)。

5.根据权利要求1至4的任一项的模块，其特征在于，该前板(2)由玻璃制成，该背板(3)由玻璃制成或者由塑料或表面处理过的金属的板制成。

6.根据权利要求1至5的任一项的模块，其特征在于该模块包括物质(10)，其吸收红外和紫外辐射并发射在与光电池(1)的吸收带的最大值基本对应的可见光谱带中的辐射。

7.根据权利要求6的模块，其特征在于该物质(10)包括选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、金属盐、主要包含稀土的、碱金属的或属于碱土金属的金属的混合氧化物的混合物中的至少一种材料。

8.根据权利要求1至7的任一项的模块，其特征在于它包括互连导体(15)，其由刚性材料形成，将该光电池(1)彼此连接并具有一剖面形状，使得在该光电池(1)和相应的所述板(2和3)之间获得弹簧效应。

9.根据权利要求8的模块，其特征在于：一互连导体(15)连接第一电池(1a)的前面和相邻第二电池(1b)的背面，该互连导体(15)的第一末端(16a)布置在该第一电池(1a)的前面和该前板(2)的内面之间且该互连导体(15)的第二末端(16b)布置在该第二电池(1b)的背面和该背板(3)的内面之间，该末端的至少一个是波状的。

10.一种制造根据权利要求1至9的任一项的光电模块的方法，该方法的特征在于它包括该有机密封件(4)的沉积以及负压通过抽气形成。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于它顺序包括该模块的组装以及，在密闭围场中，通过惰性气体吹洗，负压通过抽气建立以及该前板(2)和背板(3)通过压所述密封件(4)的密封。

12.根据权利要求10的方法，其特征在于它顺序包括：该模块的组装和局部密封从而在该密封件(4)中留下两个开口；所述内部容积借助该两个开口通过惰性气体吹洗；所述负压通过抽气建立；以及封闭该开口。

13.根据权利要求10的方法，其特征在于该模块的密封之后，所述密闭内部容积(5)内的负压借助穿过该有机密封件的穿孔工具通过抽气形成。

14.根据权利要求10至13的任一项的方法，其特征在于它包括该密闭内部容积(5)中气压和气体组分的控制。

15.根据权利要求10至14的任一项的方法，其特征在于它包括用来控制该模块的厚度的该模块的压步骤。

16.根据权利要求10至15的任一项的方法，其特征在于，该板(2和3)的组装之前，该光电池(1)和将该光电池(1)彼此连接的该互连导体(15)被固定在该板之一(3)上。

17.根据权利要求16的方法，其特征在于：组装之前，该光电池(1)和该互连导体(15)借助无溶剂有机胶被固定在该板之一(3)上。

18.根据权利要求17的方法，其特征在于该无溶剂有机胶包括聚乙烯和聚丁烯族的衍生物。

19.根据权利要求10至18的任一项的方法，其特征在于，该前板(2)由玻璃制成，该方法包括组装之前玻璃前板(2)的化学处理步骤从而使玻璃前板(2)的内面粗糙。

20.根据权利要求10至19的任一项的方法，其特征在于，该光电池(1)每个具有布置在该电池的同一侧上的正极和负极，电池(1)被装配到位之前，该方法包括至少一个金属条(11)仅在所述板之一(3)的内面上的沉积，该至少一个金属条将所述电池(1a)的正极连接到相邻所述电池(1b)的负极从而串联连接所述电池。

21.根据权利要求20的方法，其特征在于所述金属条由布置在连接两个相邻电池(1a、1b)的位置的区域上的银糊条(11)形成。

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