CN1969350B - 完全利用表面区域的光伏模组 - Google Patents

Abstract

一种光伏模组，包括：(i)以紧密间隔彼此平行设置的三块或更多基片(1、2、3)，其包括：具有第一和第二表面的中央基片(2)；具有内和外表面的第一外基片(1)，该内表面与中央基片的第一表面并列设置；和具有内和外表面的第二外基片(3)，该内表面和中央基片的第二表面并列设置，(ii)前光伏装置(A、B、C)，形成在第一外基片(1)与中央基片(2)的第一表面之间，(iii)连接和/或分隔装置(11)，设置在至少一对前装置之间，以及(iv)后光伏装置(D、E)，形成在第二外基片(3)与中央基片(2)的第二表面之间，其特征在于：(v)前和后光伏装置被偏移，使前装置(A、B、C)的连接和分隔装置(11)与后装置(D、E)的有效光伏区域相对。

Description

完全利用表面区域的光伏模组

技术领域

本发明涉及一种多单元光伏装置(光伏模组)，并涉及组合发电存储(CEGS)装置。更具体地，本发明涉及毫微染料太阳能电池(NDSC)和基于NDSC技术的光伏模组。

现有各种用于将电磁辐射能转化为电能的光伏装置。这些装置包括常规固态装置(见M.Green的Third generation photovoltaics：conceptsfor high efficiency at low cost(第三代光伏计：低成本高效率的概念)，The Electrochemical Society Proceedings(电化学学会学报)，Vol.2001-10，p.3-18)和近来研发的NDSC装置。

在以下的美国专利中公开了所考虑类型的NDSC装置的示例：

4927721，光电化学电池；Michael Graetzel和Paul Liska，1990。

5525440，制造光电化学电池的方法和由该方法制成的电池；Andreas Kay、Michael Graetzel和Brian O’Regan，1996。

6,297,900，光电化学智能窗户和方法，G.E.Tulloch和I.L.Skryabin，1997。

6,555,741，实现多组再生光伏光电装置互联的方法，J.A.Hopkins、G.Phani、I.L.Skryabin，1999。

6,652,904，制造单组电池和多组再生光电化学装置的方法，J.A.Hopkins、D.Vittorio、G.Phani，1999。

在国际专利申请PCT/AU2004/000689(毫微光电容器，I.L.Skryabin和S.M.Tulloch，04年5月21日)中公开了CEGS装置的示例。

背景技术

很多薄膜PV装置，更具体地，NDSC装置，如在上述专利中公开的类型，可制成在两块大面积的基片之间的层状结构，而不需要过多费用。一种常规的结构包括两块玻璃基片，其中每块在基片的内表面上采用导电涂层。另一种常规结构包括玻璃或聚合物制成的第一块基片，且在该基片的内表面上采用导电涂层，而第二块基片为聚合物或金属。在一些结构中，第二块聚合物基片的内表面涂有导电涂层，而在其它结构中，第二块聚合物基片包括采用相邻导电材料(如碳)的聚合物薄膜层。此外，在一些结构中，外表面可以是层压金属薄膜，而在其它结构中，外表面可以涂上金属涂层。在其它结构中，基片由金属或金属网制成，或者基片的内表面涂上金属涂层。所述第一和第二基片中的至少一块对可见光是大体透明的，如涂布透明导电(TEC)涂层一样。

总而言之，光伏装置包括有效光伏区域，将这些区域电连接的连接装置，及分隔这些区域的分隔装置。

具体地，NDSC装置的有效光伏区域包括与一个导电涂层连接的纳米粒子染料敏化宽带隙半导体(例如，已知作为氧化钛的二氧化钛)的工作电极；反电极，其通常包括与另外的导电涂层或导电材料连接的催化剂层；以及电解质，其含有设置在工作和反电极之间的氧化还原介质。

很多NDSC模组设计通过增大各个NDSC装置的尺寸而更有优势。然而，与普通金属导体相比，这样的通常包括金属氧化物或金属网的透明导电体(TEC)，具有较高的电阻系数，从而导致比较大面积NDSC装置的尝试电阻性损耗(sought resistive loss)更高的电阻性损耗，从而影响NDSC装置，特别是在高照明情况下的效率。

在一种结构中，如在现有技术中所述，通过使用诸如母线、衬垫、网格线的形式的导电材料(ECM)图案，或TEC涂层上的其它任何图案，或者嵌花图案或表面嵌有网或线的图案的连接装置可减少所述损耗。该导电装置占据光伏模组的表面的一定部分，因此减少了NDSC的有效光伏区域。由于对于该装置仅有部分入射的太阳辐射照射到有效光伏区域，所以导致NDSC装置的整体效率降低。

在另一种结构中，如在现有技术中所述，通过形成两个或更多较小的独立NDSC装置，并将其在单个NDSC模组中进行内部分离和连接，从而可减少损耗。同样，在分离的NDSC装置之间的内部连接器和/或分离器占据光伏模组表面的一部分，从而导致NDSC装置的整体效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供可克服现有技术中的上述缺点的光伏模组。本发明的另一个目的是提供具有100％表面积利用效率的NDSC模组。本发明的另一个目的是提供具有提高的整体光转化效率的NDSC模组。本发明的另一个目的是提供具有组合的能量存储和发电特性的光伏模组。

本发明基于这样的认识，即尽管连接和分离装置占据光伏模组的一定区域，然而这些装置(在一些半导体电极的NDSC设计中是电极本身)占据的区域是局部光透的，因此可通过设置在所述连接和分离装置后面的另一个光伏装置将直接发射或通过该区域折射或反射的太阳辐射有效转化为电能。

在较宽的概念下，本发明提供了串联光伏模组，其包括至少两个分离的或内部连接的光伏装置，且彼此前后地设置，其中前装置的互连或分隔装置与后装置的有效光伏区域相对。

本发明提供了光伏模组，其包括：

-三块或更多基片，其设置为间隔较密的彼此平行关系，该基片包括：

-具有第一和第二表面的中央基片，或者显示第一和第二表面的背对背的两块基片，

-第一外基片，其具有内和外表面，设置该第一外基片使得其内表面和第一表面并列设置，

-及第二外基片，其具有内和外表面，设置该第二外基片使得第二基片的内表面和第二表面并列设置，

-前光伏装置，其形成在所述第一外基片和所述中央基片的第一表面之间，

-后光伏装置，其形成在所述第二外基片和所述中央基片的第二表面之间，

-所述前和后光伏装置以前装置的连接和分隔装置至少部分地与后装置的有效光伏区域相对的方式而偏移。

在一个方面，本发明提供了光伏模组，其中：

-将前光伏装置内部地连接，以形成两个前终端电源，

-将后光伏装置内部地连接，以形成两个后终端电源。

根据本发明的该方面，光伏模组具有四个电终端(四终端模组)。

我们已发现在前和后光伏装置之间设置内部连接以形成结合的两个终端电源是很有用的。本发明提供了在结合的两个终端电源中的前和后装置之间的平行、串联和平行-串联混合连接。

在一个实施例中，在内基片中制成孔以实现前和后NDSC装置之间的电连接。将一个或多个导电体(例如，销、电线、焊料、导电性胶)插入每个所述孔和/或将所述孔填充导电材料或非导电材料(如，陶瓷上釉)，从而在导电体和导电材料之间形成电连接，且在导电体和基片之间形成结合，并将所述孔密封。

在另一个方面中，本发明提供了结合在前和后光伏装置之间的电路中的二极管元件。该二极管元件与前和后装置电连接，使得前装置产生的电能不会在后装置中消耗，从而阻止在后装置没有产生足够电压时损失电能。该二极管元件包括至少两层，调节其电特性以在该两层之间的界面处形成整流p-n结。

在一个实施例中，所述两层二极管层是基于半导体氧化物。所述两层中的一层掺有施主(donor-)，而另一层掺有受主掺杂剂(acceptordopant)。

在另外的实施例中，所述半导体氧化物是与在NDSC装置中使用的用于形成染料敏化纳米粒子半导体层的材料相同的材料。

本发明具体地提供了NDSC装置的应用。根据本发明的一个方面，光伏模组包括与其它光伏装置(如，薄膜硅基装置)结合的NDSC装置。根据另一个方面，后和前光伏装置都是NDSC装置。

如果仅前(或仅后)装置是NDSC装置，选择NDSC装置中的染料以便与其它装置的吸收特性(如，硅p-n结的吸收特性)在光学上补足。

当后和前光伏装置都为NDSC时，本发明提供了NDSC模组。在根据本发明该方面的实施例中，在后装置中使用的光敏剂(染料)与在前装置中使用的光敏材料在光学上补足。这表示前和后染料的选择是要使得当重叠时它们的光学吸收功能覆盖太阳光谱的更重要的部分。在一个实施例中，前染料优选吸收光谱中的蓝色部分，而对光谱中的红色部分基本透明，该红色部分由后染料而成功地吸收。

在一种电连接中，将前NDSC装置与后NDSC装置并联。在这种情况下，前和后装置在相同的电压下工作。为了保证后装置的电压与前装置的电压相同，同时前装置接收较大比例的太阳辐射，因此产生较强电流，本发明提供了对后装置的电解质组分的调节。通过改变氧化还原电偶成分的相对浓度，通过改变溶剂的化学组分，或通过改变电解质的添加剂的浓度或组分而实现该调节。在本实施例中，本发明提供了两种不同的电解质：

一种用于前装置，而另一种用于后装置，同时不排除使用相同的电解质并修改其它特性，如电池厚度和/或半导体的特性。这些电解质以如下方式选择，即前NDSC装置的电压与后装置的电压相等(或接近)，其中前NDSC装置在太阳辐射下，第一外基片的外表面或第一外基片的随后的保护表面受到照射，该后装置接收通过前装置及其互连和分离装置所衰减的太阳辐射。

在另外的实施例中，调节后装置的有效光伏区域的宽度以保证后装置的整个区域由太阳辐射而大致一致地照亮。当后和前装置串联连接因而前装置中的电流等于后装置中的电流时这尤其重要。

第一外基片和内基片是基本透明的是很重要的。本发明提供了可用作光伏模组的基片的许多材料。在一个实施例中，至少一块基片由柔性材料制成。通常，第一外基片和中央基片由塑料材料制成，而第三基片是金属或金属/聚合物叠层。在一些实现方式中，本发明提供了在三块基片中任一块中的金属网的使用，然而，在优选实现方式中，仅在第一外基片和中央基片中使用金属网。

在根据本发明该方面另外的实施例中，至少一块基片由玻璃制成。

在另外的实施例中，本发明提供了NDSC装置中的能量储存。NDSC装置能够存储能量。通过改变氧化钛层和/或电解质以及通过增加碳粒子可以改进能量存储特性。通常这样的改变促进了能量存储。

在一个实施例中，前装置是主导光伏装置，而后装置是主导能量存储装置。

在另一个实施例中，前装置是光伏装置，而后装置是能量存储装置(如，电容、电池等)。

在本发明的另一个方面，前和后NDSC装置设置在一组相继设置的装置层和电连接器(如，TEC层、连接装置)中的一块基片上，从而提供了单片式集成结构。

附图说明

已经对本发明的实质进行了说明，接着仅以说明的方式的对一些示例进行说明。在下文中参考附图进行说明，其中：

图1是包括本发明第一示例的四终端NDSC装置的示意横剖视图(并非按比例绘制)；

图2a是示出了包括本发明第二示例的二终端PV装置的物理结构的示意横剖视图(并非按比例绘制)；

图2b是根据本发明的第二示例制造的PV装置的等效电路图；

图3a是示出了包括本发明第三示例的二终端PV装置的物理结构的示意横剖视图(并非按比例绘制)；

图3b是根据本发明的第三示例制造的PV装置的等效电路图。

具体实施方式

参考图1，该装置形成在第一外基片1、中央基片2和第二外基片3之间。第一和第二外基片的内表面以及中央基片的两个表面都涂覆有透明导电体(TEC)层4。该TEC层包括掺氟氧化锡。通过激光开槽产生的隔离线5将每层TEC涂层分为分离的电隔离区域。分离的NDSC装置形成在所述区域的相对的成对区域之间，即在第一外基片内表面与中央基片的第一表面之间(前装置)，以及在第二外基片的内表面与中央基片的第二表面之间(后装置)。每个所述装置包括氧化钛的纳米粒子染料敏化层(工作电极)6、铂基催化剂层(反电极)7和电解质8。通过连接装置11(嵌入聚合物母体中的钨导粒子)串联地连接前装置以形成前电终端对，而在中央基片的第一表面上形成正前终端，且在第一外基片的内表面形成负前终端。通过分离(分隔)装置12将该装置相对于环境密封。

类似地，将后装置串联地连接以形成第二后电终端对，其中将正后终端设置在第二外基片的内表面，而将负后终端设置在中央基片的第二表面上。

将后装置的工作电极(有效光伏区域)设置在前装置的连接装置之后。

通过前装置的工作电极吸收照射到第一外基片的外表面的一部分太阳辐射，并将其转化为在前终端对处可获得的电能。太阳辐射的剩余部分通过中央基片，且在少量损耗之后由后装置的工作电极吸收，产生可在后终端对处获得的电能。

参考图2a，第二示例的装置与第一示例的装置以相似的方式形成。为了减少外部终端的数目，通过中央基片制成内部电连接9。此外，为了保证后装置的电压等于或接近前装置的电压，在后装置中采用电解质10。该后电解质10与前装置中采用的电解质8的不同之处在于其化学组分，使得电压高于在相同辐射下前电解质所产生的电压。通常后装置接收的辐射少于前装置，因此电解质化学组分的不同保证了后和前装置产生相同的电压。

参考图2b，每个NDSC装置由数字14表示，而用数字13表示连接装置的电阻。A、B和C是前装置，而D和E是后装置。

参考图3a，第三示例的二终端装置没有连接装置。这通过在每块基片的TEC涂层表面的分离区域上形成相邻的工作电极和反电极而实现的。接着通过防透聚合物材料(如，改性硅)制成的分离(分隔)装置12而分离所述装置。

参考图3B，等效电路图示出了前装置A、B和C与后装置D和E之间的电连接。

Claims (19)

1.一种光伏模组，包括：

三个或更多基片，其以间隔的方式彼此平行设置，所述基片包括：

具有第一和第二表面的中央基片，或表现出第一和第二表面的背对背的两个基片，

第一外基片，其具有内和外表面，所述第一外基片设置成使得所述内表面与所述第一表面并列设置，

和第二外基片，其具有内和外表面，所述第二外基片设置成使得第二基片的所述内表面和所述第二表面并列设置，

前光伏装置，其形成在所述第一外基片与第一表面之间，

连接或分隔装置，其设置在各个所述前光伏装置之间，

后光伏装置，其形成在所述第二外基片与第二表面之间，

所述前和后光伏装置相互偏移，使得所述前光伏装置的连接或分隔装置与所述后光伏装置的有效光伏区域相对。

2.如权利要求1所述的光伏模组，其中：

将所述前光伏装置连接，以形成两个前终端电源，

将所述后光伏装置连接，以形成两个后终端电源。

3.如权利要求1所述的光伏模组，其中所述前光伏装置和所述后光伏装置连接，以形成结合的二终端电源。

4.如权利要求3所述的光伏模组，其中在所述前和后光伏装置之间的电路中包括二极管层。

5.如权利要求4所述的光伏模组，其中所述二极管层基于半导体氧化物。

6.如权利要求3所述的光伏模组，其中在所述中央基片或所述背对背的两个基片上形成孔，以实现所述前和后光伏装置之间的电连接。

7.如权利要求6所述的光伏模组，其中将一个或多个导电体插入每个所述孔中。

8.如权利要求6所述的光伏模组，其中所述孔中的至少一个填充有导电材料。

9.如权利要求3所述的光伏模组，其中所述后光伏装置的有效光伏区域的宽度小于所述前光伏装置的有效光伏区域的宽度。

10.如前述权利要求中任一项所述的光伏模组，其中至少一个所述光伏装置包括毫微染料太阳能电池装置。

11.如权利要求10所述的光伏模组，其中所述后光伏装置是通过改变氧化钛层和/或电解质以及通过增加碳粒子改善了能量存储特性的毫微染料太阳能电池装置。

12.如权利要求10所述的光伏模组，其中所述后光伏装置是毫微染料太阳能电池装置，且在所述后光伏装置中使用的染料与所述前光伏装置的有效光伏层在光学上补足。

13.如权利要求10所述的光伏模组，其中所有的所述后光伏装置和所有的所述前光伏装置都是毫微染料太阳能电池装置。

14.如权利要求13所述的光伏模组，其中在所述后光伏装置中使用的染料与在所述前光伏装置中使用的染料在光学上补足。

15.如权利要求14所述的光伏模组，其中在所述前光伏装置中使用的染料吸收主要在太阳光谱的蓝色部分中的光，而在所述后光伏装置中使用的染料吸收太阳光谱中的至少红色部分。

16.如权利要求13所述的光伏模组，其中所述前光伏装置形成在所述中央基片或所述背对背的两个基片的第一表面上，而所述后光伏装置形成在所述中央基片或所述背对背的两个基片的第二表面上。

17.如权利要求13所述的光伏模组，其中所述前光伏装置与所述后光伏装置并联。

18.如权利要求17所述的光伏模组，其中所述后光伏装置的电解质层的化学组分与所述前光伏装置中使用的电解质层的化学组分不同。

19.如权利要求18所述的光伏模组，其中所述后光伏装置的电解质层中的氧化还原电偶的浓度小于所述前光伏装置中使用的电解质层中的氧化还原电偶的浓度。

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