CN85107080A - 光电池板 - Google Patents

Abstract

一种具有多个光电池带(11)的光电池阵板，每条电池带(11)包含导电基片层(22)，位于基片层(22)之上的半导体(23)，位于半导体(23)之上的透明导电层(24)。导电丝(20)交替连接到某条电池带(11)的导电基片层(22)上的触点(31)，并连接到另一条电池带(11)的透明导电层(24)上的连接点(32)。第一汇流线(12)和第二汇流线(13)连接到电池阵的终端电池带(11)，收集它们产生的电能。

Description

本发明主要关于一种光电池板，更具体些，本发明是关于含有多个独立光电池带的大面积的光电池板。特别是本发明涉及独立光电池带之间的电路连接，它能抵御电池板遭受的机械的和热的应力，从这种观点来说，本发明是关于一种光电池板，它含有多个光电池带，并利用精制的金属丝网络将单个光电池带连接起来，从而在相继的电池带之间形成串联连接。本发明还涉及含有上述板的一种光电池卷阵。

由于煤、石油、可燃气等常规燃料的勘探和加工的价格在上涨，利用替换能源的开发开始，一种引起相当兴趣的，可替换的能源是太阳能。特别是太阳能的利用和转换成可用电能的工作取得了广泛的成效。作为利用太阳能的开发工作的成果，出现了三种最初的光电器件：晶体太阳电池，半晶体太阳电池和非晶体太阳电池。每种太阳电池产生电流是由于共知的光生伏特效应。这是光电器件的半导体区域的固有特点，在半晶体硅电池的情况，半导体一般包含邻接的渗杂非晶体硅的P型和渗杂非晶体硅的N型层区，它形成PN结或者渗杂非晶体硅、本征非晶体硅的P型和渗杂非晶体硅的N型，从而形成PIN结。在太阳幅射下形成跨结的电场，电子和空穴穿过此结，因此产生电流。关于非晶体太阳电池的物理结构和电特性的更详细的描述可参阅Ovschinsky等的U.S.专利NO.4，409，605。

任何太阳电池的本质问题是从太阳电池本身收集电能，特别是与暴露在太阳幅射下的表面的电气连接是主要问题，这是因为任何集流器必须具有良好的导电性能和高度的太阳幅射透明性。遗憾的是，没有找到一种能生产经济太阳电池的材料，同时具有这两种性能，因此，必须利用至少两种性质不同的导体收集太阳电池的电能。

通常用于非晶体太阳电池设计中的一种布局包含透明的导电氧化物（TCO）层，例如铟锡氧化物或铟气化物，它涂在太阳电池半导体区的上层（不是P型就是N型）。TCO层允许太阳幅射流进入半导体区，它提供电流路径，但是，TCO层的电阻率相当高，因此，限制大面积上的电流流动，要补救此问题必须备有低电阻的导体，接到TCO层收集电流。这种合适的导体一般是丝网式印在TCO表面的银网栅，但是由于这些网栅一般是不透明的，还因为它们的载流能力和对太阳电池的遮蔽作用，这些网栅的尺寸受限制。就这点而论，当网栅的表面积增大时，太阳电池的总效率随之下降。

将若干个比较小的太阳电池串并联接在一起形成一个太阳板（阵），这是解决尺寸限制的一种办法。由于相互间特定的连接，这些太阳板能供给多种电压和电流，这样的太阳电池的组合的另一优点是，单个太阳电池失效后，光电板仍然有效，仅是总的电输出稍有缩减。

但是，用多元电池组成的太阳板不是没有本质问题，特别是太阳电池之间的连接线相当细，因此对太阳板受到的机械和热应力极敏感。实际上，在太阳板生产、安装、维修过程中，正常的搬弄会很容易损坏电气连接网络。还有，当太阳板处于阳光和黑暗期间，太阳板的温度周期性交变，在连接电路中引起热感应力，它最终导致疲劳断裂。

补救这种应力问题一般是采用大尺寸的连接电路，它更能忍受应力负荷。但是，大尺寸电路增大电路下太阳电池受遮蔽的面积，从而损失太阳电池输出的电能。为了避免由太阳电池遮蔽作用引起的光学模糊损失，在非晶体硅太阳电池中连接电路接到TCO层的外围边缘，但是，这也损失太阳电池的输出，因为远离联接电路的终端TCO层收集的电流要经过导电性差的TCO层，流经太阳电池的总宽度。

连接电路经受的另一个问题是缺乏柔性，特别是在薄金属基片上研制非晶体太阳电池（基片比晶体太阳电池柔韧得多），连接电路的刚性已经是开发太阳电池新用途的限制因素。由于连接电路的非柔性，不再要求太阳电池阵具有承受通常的支撑表面的特性（这是非晶体太阳电池的属性）。

属于此技艺观点的现有工艺的样板是IZU等的美国专利NO.4，410，558和Nath的NO.4，419，530特别是IZU等人发明制造非晶体太阳电池的系统，在薄金属基衬上做成连续条带式。这样的系统提供可以用于太阳电池板和电池阵的经济的太阳电池材料。Nath发明连接多个太阳电池的方法，用于组成大面积太阳电池板。当某单个太阳电池有毛病时，发明的连接系统允许单个太阳电池可选择地与太阳电池板隔离。尽管这些发明是太阳电池工艺方面的先进成就，却没有解决上述问题。

除上述问题之外，在组装太阳电池阵时，将连接电路安置和紧固到单个太阳电池上去，需要花费大量人工工时，这些加工工时的耗费占太阳电池阵总价的主要部分，实际上，太阳电池阵的过高价格已成为光电器件商品化的重要障碍。

尽管有重大价值的研究工作指导了光电器件的发展，光电池板或阵没有体现出当前所期望的特性。也就是说，装在光电板上的许多单个太阳电池没有用能抵御机械和热应力的高导电性能的连接电路将单个太阳电池连接起来。此外，没有这样的连接电路，即对太阳电池无遮蔽作用，同时在单个太阳电池之间的连接又具有柔性。

大体上，按照本发明的概念，光电阵板包括汇流线和多个独立的光电池带，每条电池带具有导电的基片层。在基片层上附着半导体，在半导体上附着透明的导电层，导电丝交替地接到一条光电池带的导电基片和另一条光电池带的透明导电层，同时设法将光电池带的透明导电层连接到汇流线。

附图显示出体现本发明概念的光电阵板的择优的和可以替代的具体装置，对于能体现本发明的各种不同的形式和变型不作赘述，衡量本发明的标准是附上的权项，而不是说明书的细节。

图1是体现本发明概念的光电池板的平面图。

图2是图1光电池板上的光电池和连接电路的局部平面放大图。

图3是光电池带的局部截面放大图，沿图2的3～3线

图4是光电池板的局部侧截面放大图，沿图2的4～4线

图5是局部侧截面图，沿图1的5～5线，并详细地示出光电池带的端部。

图6是体现出本发明概念的另一种光电池板装置的局部侧截面图。

图7A至7D是体现本发明概念的另外一些光电板装置的局部平面图。

图8是光电池卷阵的透视图，属于体现本发明的光电板具体装置。

按照本发明的概念，附图1中的号码10指示光电板。光电板10包含一组串联连接的光电池带11，产生所需的电压和电流输出，第一汇流线12和第二汇流线13从光电带11收集电能，相应地输到端头14和15，它们规定光电板10的正、负两端。

一种适宜的支撑构件16作单独的光电池带11以及汇流线12和13的机械支撑，因而形成一个可运用的组合装置。虽然支撑构件16可以是适合晶体硅太阳池的刚性骨架，也可以是重迭的柔性薄片，它增强非晶体硅太阳电池的柔性。同样，可利用透明的玻璃或塑料防护层保护条带11的表面不受碰撞。此外，将板包在塑料防护层内，极大部分表面受到腐蚀防护，否则会暴露。在这方面，已经发现dupont公司研制的TEDLAR软胶片可用来对电池板10起适当的保护作用，同时又有相当好对太阳能量的透明性。

参考图2，可以较全面地考察单个光电池带11和它们之间的连接电路。特别是这些光电池带被导电丝20串联连接，每根丝连续和重复地延伸在两条相邻光电带11之间，下面将作较全面叙述。光电池带11本身由一组分立光电池12组成，在同一条光电条带11上，每个电池与其它电池都是并联的。

光电条带11的结构和组成光电带的单个电池21，显示在图3上，显示的光电条带的样本是对于非晶体硅光电池的一般结构，还包括导电的连续的基层22，它最好是柔性的金属机件，例如不锈钢。半导体23位于基层22之上，它们之间不绝缘。半导体23包括N型23a，本征层23b和P型层23c，正如象通常的非晶体太阳电池那样。应指出，图3不按尺寸，是相当失真的，为了显示出半导体23的细节，它的标准厚度小于1微米，和基层22相比，后者一般是200～300微米。

透明导电层24位于半导体23之上，因此与N型层23a形成电气结合，透明层24是薄薄的一层透明导电氧化物，如铟锡氧化物。利用延伸在整个带的横切口，将透明层24分割成独立的补垫，从而形成许多单个的电气分隔的光电池21。应指出，为实践本发明的主题，分割透明层24不是必需的。事实上，当透明层24连续不分割时，光电带11的性能良好，但是分割透明层24，可以有选择地将单个电池21接入电路，这就提供较大自由度，控制光电板10的电输出。

利用导电网栅30收集产生的电能是便利的，这取决于电池21的表面积和透明层24的电阻率。特别是当电池21的表面积增大时，透明层24电阻的增大妨碍电输出，因为电流要流经较长有电阻的介质。在另一方面，网栅30一般是高导电材料，象银这类材料，从透明层24吸引电能并提供低阻的通路，从而减少功率损失。

电网栅30可以是银墨，用丝网印刷术印在透明层24上，形成相当薄的导电通路，这种丝网印刷术确保在网栅30和透明层24之间的良好的电结合，此外，由于银墨是不透明的，丝网印刷术沉积网栅30的线条宽度约为10密耳，因此，限制网栅30的遮蔽作用引起的光线模糊损失。

如上所述，这些单个的电池21以及连续带11由导电丝20连接起来。参考图2和图4，可以考察体现本发明的联连电路的特征。

更可取的是，每条丝20是非常薄的导电丝（例如钢丝），它的直径约为3.1密耳或更小。已发现这种材料能提供令人满意的载流能力，并最小限度地遮蔽电池21，并具有合乎需要的柔性。事实上，将导电丝20单一地安置到单个带11上，它的柔性可以进一步增大。

参考图2，正如它描述相邻带11之间的串联连接那样，图2揭示了安置导电丝20的特点，在那里，某条带11上的网栅30上的接点32连接到下一条相邻带11的基片层上的接点31，象这样的导电丝结构，它规定了一种重复性的模式，只需要描述单个结构即可，譬如，完整地复现一次导电丝20A的模式，它从某条带11B的基片层22上的接点31A出发引到下一条邻接的带11A的网栅30上的接点32B，再引到该条带11B的基片层22上的相继接点31B。用数字和希腊字母A表示在同一带上以及邻接带上逐个接点的关联性。

就导电丝20A的样本模式而言，接点31A是点熔焊连接（或类似的电气连接，如锡焊或环氧）将导电丝20A连接到基片层22上，靠近带11B的中线部位。导电丝20A经过宽大的环圈33A横向伸展到带11B底部的边缘，在那里弯成斜腿34A，再向上伸展到下一条相邻带11A上紧接着的电池21。然后，导电丝20A经过宽大的环圈35A横向延伸到靠近网栅30中点的接点32B。虽然，接点32B最好是用环氧连接到网栅30上，同样可以用其它连接方法，例如锡焊或熔焊，导电上20A经过环圈35B横向延伸到靠近网栅30中点的接点32B。虽然接点32B最好是用环氧连接到网栅30上，同样可以用其它连接方法，例如锡焊或熔焊，导电上20A经过环圈35B（本质上是环圈35A的镜象）回到带11A的边缘，再弯成斜腿34，向下（平行于34A）伸展到带11B的基层表面22。然后，导电丝20A经过环圈33B（本质上是33A的镜象）再次连接到基片层22上的连接点31B，这样，导电丝20A完成一次样本循环。

这里应指出，上述样本循环连续地布满整个条带11，从而，逐个地将一条带11上的电池21与下一条相邻带11的基片层22连接起来。另外，应承认，虽然在同一条带11上，基片层22的接点31直接位于网栅30的接点30之下（如图所示）这仅是本发明的一种样本体现，事实上，在某些应用中，更合乎需要的是，接点31和32相应地位于其它部位。还有，虽然上述讨论是关于串联连接（如图4所示），这些电气连接的取向、布局、接点等原则同样适用于并联连接的情况。

尽管附图描绘了上述导电丝20从上到下的连接，应该意识到，同样可以用穿透透明层24和半导体23的办法，实现导电丝20和基片层22的电气连接。事实上，从生产观点，这样的安排是合乎需要的，因为单个带11不需要遭受翻转步骤，更确切地说，当带11通过生产过程时，导电丝20可以选择性地从正面相应地连接到相邻带11的基片层22和透明层24。

图5描绘在串联阵中的最后一条带和第一汇流线12之间的电连接。整个这种互接连接的特点和相继带11之间的连接等同。仅有的差别是汇流线12代替了串联联接中下一条相邻带，并且折叠回，紧固在最后一条带11的下面。特别是，用绝缘粘合剂40将汇流线12紧固在带11的基片层22上，因此可以避免短路。导电丝41重复地伸展在带11的上表面的触点32和汇流线12上接点42之间，如图1所示。虽然导电丝41可以和导电丝20等同，但它也可以是较厚的规格，这样，导电丝41能具有较大载流能力，因为汇流线12相对带11是不活动的，不会对带11上的连接点产生任何损害性的应力。

显著的柔性是本发明的机械优点。特别是薄导电丝20给予相邻带11的相互运动很小的阻力。当采用非晶体硅太阳电池时，这是相当合乎需要的，因为增大了整个板10的柔性，同样，板10以及单个带11的膨胀和收缩对导电丝20或相应的接点31和32不会产生损害性的应力。另外，末端紧固在接点31和32上的导电丝20，这就提供充足的物质耗散等电丝20可能受到的任何应力。就这点而论，应意识到，本发明科目提供的电气联接能高度地抵抗疲劳应力以及机械变形引起的应力。

全系统的效率和可靠性是本发明的电气优点，通过使用导电丝20增加了效率，特别是采用铜或具有相同电特性的材料大大地减少电阻损失，靠在带11中点建立接点的方法使这种损失进一步减少，因为对于每个单独电池21的全部表面积，它确保均匀的最小电阻通路。还有，由于导电丝20的高导电性，直径相当小的导线能载荷电能输出。因而小直径的导线减小连接电路遮蔽作用引起的光学模糊损失。

在电池带11的局部发生短路的情况下，使用如此小直径的导线对于避免整个电池板失效也是有利的，特别是，在正常运行情况下，流经导线的任何部分的电流约30至50毫安。此电流流过整段是小电阻的导线，但是，在电池带11的某一部位会发生短路，在短路的瞬间电流量达到5安培，这种精制的导线消除如此大的电流，因此，可靠地使电池板的剩余电池不受短路的有害影响。

本发明的连接电路的可靠性不仅是导电丝20能隔离短路的特性的结果，而且是有备份导电丝20连接到接点32。就这点而论，有两条不同的联接电路将某条带11的每个网栅30连接到下一条相邻带11的基片层22。从而，一条连接电路失效后，第二条连接电路将良好地引出电池21产生的电能，因此，电池板10的输出能力照旧，更有甚者，当某个电池21的两条联接电路都失效后，尽管电路是串联的，电池板10不会损失大量电功率，只不过损失该电池的输出功率。在串联电路中的另一个电池21的电能输出将通过由条带11的连续基片层22所形成的并联电路，就这点而论，在不起作用的电池之前或之后的那些电池仍然保持输出电能的能力。

本发明的电池板在生产上的优点是双重性的，首先，就使用导电丝20而论，可以更经济地实现将导电丝20定位和紧固到电池带11上去的自动系统。此外，在操作前，电池带11，特别是单个电池12可用已知的技术（例如红外摄影）进行短路测试，从而可将电池带11或单个电池的那些部位与电气系统隔离，即在那些区域安置绝缘材料，否则导电丝20将与之接触。

考察一个典型的电池板，能更好地理解本发明电池板10的优点，具体说来，介绍一种容纳非晶体硅太阳电池的电池板10，总功率57瓦标称电压12伏。

个别条带11约5厘米宽，120厘米长，平均分成60块电池21，尺寸约为5厘米×2厘米，受阳光照射时，在AM-1条件下，每块电池21产生约1.2伏直流电压和0.066安培电流，从而，当条带11上的电池21是并联连接时，每条带11输出约1.2伏直流电压和3.96安培电流。

用上述发明的联接电路，将12条带11串联连接在一起组成电池板10。根据电路中的知识，这种串联连接法可以聚集每条带的输出电压，就这点而论，电池板的输出约14.4伏直流电压和3.96安培电池，因此可得到约57瓦的输出功率。

上述电池板10的工作是本发明的典例。在光源激发下，网栅30从透明层收集每块电池21产生的电能，这些电能流向网栅的中点，并通过固定在网栅30的接点32被导电丝20接收，然后通过固定在接点引的连接电路转移到下一条相邻带11的基片层，这些电能流入下一条相邻带的电池，混合到输出中去。这样的过程延续地贯穿整个电池板，直到最后一条带11通过导电丝41将累积的电能转移到第一汇流线12。此汇流线12传送输出电能到输出终端14，它的电压与输出终端15不同，这是因为终端15通过第二汇流线通向串联带11的第一条的基片层22。

已得知，上述电池板10显出卓越的柔性和耐应力，此外，当配上柔性的背衬和透明的保护层，在安装时上述电池板10很容易搬运，又能采取多样化的支持结构，不会产生有损害性的应力。确实，这种电池板10能被卷起和打开，便于运输和安装。还有，上述电池板显出卓越的可靠性，在这方面，经过若干次装卸和安装以及多次温度交变之后，任何电池和联接电路不会失效，电池板10不停地产生满功率。

图6所示另一种替换的具体装置同样具有上述优选光电池板10的优点和特性。图6所示板110的功能和效用与板10等同，仅有的差别是条带111相互之间的取向。

在光电板10中，相继条带11是横向分布的，相互间隔开约1毫米，为了让导电丝20穿过，将条带11串联联接起来，在本发明的替换装置中条带111部分重迭成瓦片式搭接，因此横向不需空隙，导电丝120仍然采取重复式结构，从某条带111上网栅的接点132起，接到下一条相邻条带111的基片层的接点131。

就这点而论，在此替换装置中，光电板110的结构更紧凑，此外，导电丝形状较简单，不需要将导电丝三维弯曲，象光电板10的导电丝20那样。另外，光电板110具有柔性，耐应力和系统可靠性方面的优点，与光电板10相同。

尽管以上论述主要涉及利用多条电池带组成的光电池板，每条带具有多个带银墨栅的光电池，所有条带都由精制的导电丝连接起来，但这仅是一种典例，在本发明范围内，还给出若干变型，特别是图7A至7D指出四种替换式的联接。

图7A描绘的电池带211带有单个光电池221，导电丝220与透明层224的连接点是一组接点232，这样就不需要导电网栅。

图7B描述的电池带311不包含单个光电池，仍采用导电网栅330，但导电丝320连接到接点332。

图7C同样描绘不包含单个光电池的电池带411而且也没有手电网栅，导电丝420与透明层424的连接点是一组接点432。每条通路都是如此。

图7D描绘的电池带511采用单个导电网栅，它扩展到整个条带，导电丝520与网栅的连接点是一组接点532。在网栅上，每条通路接一点。

以上论述了平行分布的电池带的电气连接，除此之外，应认识到，电池带还有其它布局方式。特别是图7A至7D所示的电气连接同样适用于图6所示的瓦片式结构，具有相同的优点。

最后，尽管本发明讲述了一种新颖的不平常的能产生电能的光电板10，还应认识到，为了获取更多的电能输出，这种光电板10可以组成太阳电池阵，此外，由于组成光电板10的非晶体硅电池的固有柔性以及光电板的柔性，同样，太阳电池阵也有这种柔性。

图8描绘出一卷柔性电池阵60，它包含本发明提出的那种形式的光电板。卷阵60包含柔性的层状薄膜61，里面包着一组光电板10和导电线62和63，在包入层状薄膜内之前已用导线将光电板10连接在一起（串联或并联），以获取所需要的电压和电流。然后，只要露出和接上导电线62和63，就可得到卷阵60产生的电力。这种组件确实有优点，此卷阵60可以裹卷或扇形重迭起来运到安装地点，然后再打开，进行安装。此外，根据用户的需要可将卷阵分段剪裁，可以在光电板10之间把卷阵切开，从而得到较小的组阵，一位工艺熟练人员即可完成组阵的电气连接。

因此，鉴于上述的发明，显然，按本发明概念实现的光电池板具有合乎要求的柔性，并遍及整个组合装置。此外，本发明显示出卓越的能抵御机械负荷和热交变引起的应力，从而提供更可靠的组合装置。还有，本发明简化了加工制造过程，因为与连续导电丝比分隔的连接电路更容易纳入组合装置。到此，应承认上述发明给这方面的技艺做出了新颖的、不平常的优越的贡献。

勘误表

勘误表

Claims (12)

1、一种光电板包括：

汇流线装置；

多条独立的光电池带，每条带具有一导电基片层、位于该基片层上的一半导体层和位于该半导体层上的透明导电层；

连续的导电丝装置，它交替和重复地接到上述某条光电带的导电基片层和另一条上述光电带的透明导电层；以及

将上述某条光电带的透明导电层连接到汇流线的连接装置。

2、根据权利要求1的光电板，其中上述导电丝装置在多个连接点与上述各层相连接。

3、根据权利要求2的光电板，其中至少有一个上述导电丝装置和相应光电池带的连接点位于靠近光电池带的中线。

4、根据权利要求1的光电板，进一步包括位于上述透明导电层上的网栅装置。

5、根据权利要求4的光电板，其中上述导电丝装置连接到靠近上述网栅装置的中点。

6、根据权利要求1的光电板，其中上述导电丝装置是连续的薄铜丝。

7、根据权利要求1的光电板，其中上述光电池带相互间是横向间隔排列。

8、根据权利要求1的光电板，其中上述光电池带相互间部分重迭成瓦片式搭接。

9、根据权利要求1的光电板，其中上述透明导电层可选择地分割成片段，以构成上述光电池带上的多个电气分隔的光电池。

10、根据权利要求9的光电板，其中上述导电丝装置连接到每个上述光电池的透明导电层。

11、根据权利要求9的光电板，进一步包括位于上述每个光电池的透明导电层上的网栅装置。

12、根据权利要求11的光电板，其中上述导电丝装置连接到靠近每个上述网栅装置的中点。

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