DE112011104782T5

DE112011104782T5 - Photovoltaikmodul und Verfahren

Info

Publication number: DE112011104782T5
Application number: DE112011104782T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Nowlan
Original assignee: Spire Corp
Current assignee: Spire Corp
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-10-31
Also published as: US8981205B2; WO2012102692A1; US20120186629A1; JP2014504040A

Abstract

Ein Photovoltaikmodul umfasst mindestens einen String von Rückkontakt-Solarzellen und eine poröse nicht leitende Schicht hinter den Zellen, die darauf flexible Leiterbahnen umfasst, die die Solarzellen elektrisch verschalten. Es existiert eine Rückseitenfolie und eine Verkapselung zwischen der Rückseitenfolie und der porösen nicht-leitenden Schicht, die durch die poröse nichtleitende Schicht fließfähig ist und die die Rückseitenfolie an die Solarzellen bindet.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die Anmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/931,233, eingereicht am 26. Januar 2011 unter 35 U.S.C. §§ 119, 120, 363, 365 und 37 C.F.R. § 1.55 und § 1.78, wobei diese Anmeldung hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Photovoltaikmodule, wie Solarpanel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem traditionellen Solarpanel sind Solarzellen unter Verwendung dünner, flacher verbindender „Bändchen” oder „Stäbchen” elektrisch zu Strings verschaltet. Die Solarzellen können kristallines Silicium oder Dünnfilm-Solarzellen, die amorphes Silicium, CIGS und CdTe einschließen, sein. Die Bändchen sind typischerweise dünne Kupferstränge, die mit einer Zinn- oder Lötlegierung wie Zinn-Silber, Zinn-Blei, Zinn-Blei-Silber oder Wismut-Zinn beschichtet sein können.
In einem herkömmlichen Aufbau ist die Vorderseite der ersten Solarzelle in einem String mit der Rückseite der zweiten Solarzelle in dem String elektrisch verschaltet, deren Vorderseite mit der Rückseite der dritten Solarzelle elektrisch verschaltet ist u. s. w., unter Verwendung von Paaren von beabstandeten, an die Zellen angelöteten Verbindungsbändchen. Strings von Solarzellen wiederum sind durch Busbars elektrisch verbunden. Ein typisches Panel kann auch eine Glasabdeckung und eine rückseitige Wetterschutz-Kunststoffschicht einschließen.
Rückkontakt-Solarzellen wurden zur Reduktion von Abschattungsverlusten und dergleichen entwickelt. Siehe Van Kerschaver und Beaucerne, „Back-Contact Solar Cells: A Review", Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2006; 14: 107–123 (2005). Solland Solar beispielsweise bietet Rückkontakt-Solarzellen an, die „Sunweb” genannt werden, wobei die Rückkontakte in einer Reihe vorhanden sind. Ein anderer Rückkontaktaufbau weist die Kontakte in einem interdigitierten Aufbau auf.
Auf diese Weise kann die Rückseitenfolie des Panels eine leitende Folienschicht zum elektrischen Verschalten von Solarzellen in einem String einschließen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Zellen sind mit der Rückseitenfolie allerdings auch mechanisch gekoppelt, was während des Thermocyclings des Panels zum Verschleiß der Kunststoff-Rückseitenfolie führen kann. Der Verschleiß der wetterbeständigen Kunststoff-Rückseitenfolie kann zur Beschädigung am Solarpanel führen. Auch muss jede Verkapselung zwischen der Rückseitenfolie und den Solarzellen strukturiert sein, so dass sie die elektrische Verbindung zwischen den Rückseitenkontakten der Solarzellen und der Metallfolie nicht beeinträchtigt.
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Photovoltaikmodul bereit, wie ein Solarpanel, welches in einer bevorzugten Ausführungsform eine Rückseitenfolie einschließt, die während wiederholter Thermozyklen nicht verschleißt und die eine Vollverkapselung der Solarzellen für eine lange Modulbetriebsdauer gestattet, was Feuchtigkeit, Kondensation, Korrosion und Schichtspaltung reduziert. Ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung ist auch für automatisierte Hochgeschwindigkeitsverfahren zugänglich.
Kennzeichen der Erfindung ist ein Photovoltaikmodul, das mindestens einen String von Rückkontakt-Solarzellen und eine poröse nichtleitende Schicht hinter den Zellen umfasst, die darauf flexible Leiterbahnen umfasst, die die Solarzellen elektrisch miteinander verschalten.
Zwischen der Rückseitenfolie und der porösen nicht-leitenden Schicht ist eine Rückseitenfolie und eine Verkapselung vorhanden, die durch die poröse nichtleitende Schicht fließfähig ist und die die Rückseitenfolie an die Solarzellen bindet.
Die Rückkontakt-Solarzellen können, in einer Version, jeweils Kontakte in einer Reihe aufweisen, oder die Rückkontakt-Solarzellen können in einer anderen beispielhaften Version jeweils interdigitierte Kontakte aufweisen. Vorzugsweise umfasst die poröse nicht-leitende Schicht Glasfaservliesmaterial.
In einem Aufbau umfassen die flexiblen Leiterbahnen an die poröse nicht-leitende Schicht angeklebte Metallfolie, die flexiblen Leiterbahnen sind an die Rückkontakt-Solarzellen angelötet oder -geklebt, und die Rückseitenfolie umfasst eine isolierte nicht-poröse Schicht (typischerweise Kunststoff). Die Verkapselung kann eine Schicht aus Ethylenvinylacetat einschließen.
Das Modul (z. B. ein Panel) umfasst auch typischerweise eine Glas-Vorderseitenfolie über den Zellen und eine Verkapselung, die die Glas-Vorderseitenfolie über den Zellen befestigt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Formen von Leiterbahnen auf einer porösen nichtleitenden Schicht, das Befestigen von Rückkontakten von einem String von Rückkontakt-Solarzellen an den Leiterbahnen und das Zusammenfügen einer isolierten Rückseitenfolie mit den Solarzellen zusammen mit einer Verkapselung. Die Verkapselung wird erwärmt, so dass sie durch die poröse nicht-leitende Schicht fließt und die Rückseitenfolie an die Zellen bindet.
Den Leiterbahnen kann Lötmetall zugesetzt und wiederaufgeschmolzen werden. Den Leiterbahnen kann ein leitender Klebstoff zugesetzt und gehärtet werden. Typischerweise umfasst das Formen das Ankleben der Leiterbahnen an die poröse nicht-leitende Schicht. Über die Zellen kann auch eine Glas-Vorderseitenfolie gegeben werden, und zur Befestigung der Glas-Vorderseitenfolie wird dann im Allgemeinen eine Verkapselung über den Zellen angeordnet.
Ein Photovoltaikmodulstapel gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch mindestens einen String von Rückkontakt-Solarzellen, eine poröse nicht-leitende Schicht hinter den Zellen, die darauf Leiterbahnen einschließt, die die Solarzellen elektrisch untereinander verschalten, eine Rückseitenfolie, eine erste Verkapselung zwischen der Rückseitenfolie und der porösen nicht-leitenden Schicht, eine Glas-Vorderseitenfolie über den Zellen, und eine zweite Verkapselung zwischen der Glas-Vorderseitenfolie und den Zellen.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gehen für die Fachwelt aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und den begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht, die zwei Strings von Solarzellen und Verschaltungsbändchen zwischen den einzelnen Zellen von jedem String gemäß der dem Stand der Technik zeigt.
2 eine schematische Explosionsansicht eines Stand-der-Technik-Verfahrens zum Verschalten eines speziellen Typs von Rückkontakt-Solarzellen;
3 eine schematische Explosionsansicht, die ein Beispiel für ein Solarpanel gemäß der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Neben der bevorzugten Ausführungsform oder den bevorzugten, hierin offenbarten Ausführungsformen ist die Erfindung zu anderen Ausführungsformen und zur Praktizierung und Durchführung auf verschiedenen Wegen in der Lage. Es versteht sich somit, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die baulichen Einzelheiten und die Anordnungen von Komponenten beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung ausgeführt oder in den Zeichnungen erläutert sind. Wenn nur eine Ausführungsform hierin beschrieben ist, so sind die Ansprüche hiervon nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Weiterhin sind die Ansprüche hiervon nicht einschränkend zu interpretieren, es sei denn, es gibt einen eindeutigen und überzeugenden Beweis, der einen bestimmten Ausschluss, eine bestimmte Einschränkung oder einen bestimmten Ablehnung einleuchten lässt.
Wie im Abschnitt Hintergrund vorstehend diskutiert, umfasst ein typisches Solarmodul die Strings 10a und 10b von Solarzellen 12. Die Solarzellen in jedem String sind über Verschaltungsbändchen 14 untereinander elektrisch verschaltet. Die Strings 10a und 10b wiederum sind durch Busbars 16a, 16b und 16c untereinander elektrisch verschaltet. Ein Panel kann beispielsweise sechs Strings jeweils mit zahlreichen Zellen einschließen.
Mit dem Auftreten von Rückkontakt-Solarzellen 12', 2, können Folienbahnen 20, die die Kontakte 22 auf der wetterfesten Kunststoff-Rückseitenfolie 24 einschließen, verwendet werden, um Strings von Zellen elektrisch zu verschalten, die dann zwischen Rückseitenfolie 24 und Glasabdeckung 26 unter Verwendung einer Verkapselung, wie Ethylenvinylacetat-Schicht 28, verkapselt werden. EVA ist auch auf der wetterfesten Kunststoff-Rückseitenfolie 24 vorhanden. Das Ergebnis dieses Aufbaus kann Verschleiß der Kunststoff-Rückseitenfolie 24 während des Thermocyclings des resultierenden Panels sein.
Im Gegensatz dazu sind in der vorliegenden Erfindung flexible Leiterbahnen (z. B. Metallfolie) 30, 3, in Abhängigkeit von dem Typ von Rückkontakt-Zellen (12') gestaltet, die verwendet werden, um die notwendige elektrische Verschaltung zwischen jeder Zelle 12' bereitzustellen und, sofern gewünscht, auch die Strings elektrisch zu verschalten. Verschiedene Typen von Rückkontakt-Zellen können verwendet werden, darunter diejenigen mit Kontakten in einer Reihe, wie in 2 gezeigt, sowie Rückkontakt-Solarzellen mit interdigitierten Kontakten, wie es auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die flexiblen Leiterbahnen werden von der porösen nicht-leitenden Schicht 32 (z. B. Glasfaservlies, wie „Craneglas 230” von Crane und Co.) getragen. Die Porosität dieser Schicht erlaubt es, dass die Verkapselungsschicht 34a durch die Schicht 32 fließt, die die isolierende, undurchlässige Wetterschutz-Kunststoff-Rückseitenfolie 36 an der Rückseite der Zellen 12' befestigt. Die bei 30 in einer Vielzahl von verschiedenen möglichen Mustern gezeigten Metallbahnen können unter Verwendung eines Klebstoffs an die poröse nichtleitende Schicht 32 angeklebt und in dieser Form in Folien oder einer Rolle bereitgestellt werden. Die Rückseitenkontakte der Solarzellen können wiederum an den entsprechenden Stellen an die flexiblen Leiterbahnen angelötet oder angeklebt sein. In vielen Aufbauten ist auch die Glas-Vorderseitenfolie 38 über den Zellen sowie die Verkapselungsschicht 34b zwischen der Glasfolie 38 und dem Zellstring 12' bereitgestellt. Die bevorzugte Verkapselung ist eine Folie von Ethylenvinylacetat oder EVA. Die Porosität von Folie 32a gestattet es, dass die Verkapselung 34a durch die Folie 32 fließt und während des Modul-Laminierverfahrens an die Rückseiten der Solarzellen 12' bindet. Das Ergebnis ist eine Vollverkapselung der Solarzellen, ohne Einschließen von Luft oder Bilden von nicht-laminierten Bereichen. Die Vollverkapselung führt zu einer langen Modul-Lebensdauer, da nicht laminierte Bereiche Feuchtigkeitskondensation und Schichtspaltung zulassen.
Zusätzlich entkoppelt das Trennen des flexiblen Schaltkreises, wie bei 30 gezeigt, von der Rückseitenfolie 36 mechanisch die Zellen 12' von der Rückseitenfolie 36 mit einer Schicht von niedermodularer Verkapselung 34a, wodurch Beschädigung an der Rückseitenfolie 36 während der vielen tausend Thermozyklen während der Modul-Lebensdauer verhindert wird.
Die Rückseitenkontakt-Solarzellen können an den gewünschten Stellen mit der Metallstruktur 30 durch Löten oder einen leitenden Klebstoff verbunden werden. Der flexible Schaltkreis 30 kann mit Lötmetall oder Flussmittel oder mit einem leitenden Klebstoff an den positiven und negativen Verbindungsstellen für jede Zelle hergestellt werden. Hochgeschwindigkeitsautomationstechniken können zum Greifen, zur Inspektion, Aneinanderreihung und zum Platzierung der Solarzellen 12' auf dem flexiblen Schaltkreis 30 verwendet werden. Dann können Wärme und Druck angewandt werden, um das Lötmittel aufzuschmelzen oder den Klebstoff zu härten. Der flexible Schaltkreis 30 mit den daran gebundenen Zellen kann in einem Stapel, wie in 3 gezeigt, zusammengefügt werden, der die Glas-Abdeckfolie 38 und die undurchlässige isolierende Wetterschutz-Kunststoff-Rückseitenfolie 36 einschließt, und der Stapel kann in einer bekannten Modul-Laminieranlage, wie dem Spi-Laminator, der von der Firma Spire Corporation, Redford, MA erhältlich ist, vakuumlaminiert werden.
Durch die Verwendung von poröser Isolierfolie 32 für den flexiblen Schaltkreis 30 lassen sich die Solarzellen an die Schaltungsanordnung binden, bevor eine Verkapselungsschicht auf den Schaltkreis aufgebracht wird. Dadurch lässt sich das Lötverfahren zum Verbinden der Zellen mit der Schaltkreisanordnung ohne Beschädigung oder vorzeitiges Schmelzen der Verkapselung, was Luft einschließen kann, die während der Laminierung nicht mehr entfernt werden kann, verwenden. Ungehärtetes EVA beispielsweise hat einen Schmelzpunkt von 62°C und wird typischerweise in einem Laminator bei 150–160°C, weit unterhalb der typischen Löttemperaturen von 200–240°C, gehärtet.
Der flexible Schaltkreis kann einfachere Modulzusammenbauverfahren mit höherer Geschwindigkeit bereitstellen. Für den flexiblen Schaltkreis 30 können die derzeitigen Leiter sowohl für Zellverschaltung als auch für String-Busing bereitgestellt werden. Die Verwendung der porösen flexiblen Schicht 32 bietet mehrere Vorteile, wie komplette Zellverkapselung, für lange Modullebensdauer, Entkopplung der Zellen von der Rückseitenfolie, und die Fähigkeit, die Zellen ohne Beschädigung der rückseitigen Verkapselungsschicht an den Schaltkreis anzulöten.
Obwohl spezielle Merkmale der Erfindung in einigen Zeichnungen und nicht in anderen gezeigt sind, dient dies nur der Zweckmäßigkeit, da jedes Merkmal mit jedem beliebigen oder mit allen der anderen Merkmale erfindungsgemäß kombiniert werden kann. Die Wörter „einschließlich”, „umfassend”, „weist auf” und „mit”, wie hierin verwendet, sind breit und umfassend zu interpretieren und nicht auf eine physikalische Verschaltung beschränkt. Ferner sind alle offenbarten Ausführungsformen in der betreffenden Anmeldung nicht als die einzigen möglichen Ausführungsformen anzunehmen.
Zusätzlich stellt jede während der Verfolgung der Patentanmeldung präsentierte Verbesserung für dieses Patent keinen Verzicht auf ein Anspruchselement dar, das in der Anmeldung wie eingereicht präsentiert wird: Von der Fachwelt kann praktisch nicht erwartet werden, einen Anspruch zu entwerfen, der buchstäblich alle möglichen Äquivalente mit umfassen würde, viele Äquivalente wären zu dem Zeitpunkt der Verbesserung unvorhersehbar und gehen über eine angemessene Interpretation dessen hinaus, was aufzugeben ist (wenn überhaupt), der Sinn, der der Verbesserung zugrunde liegt, kann zu vielen Äquivalenten nicht mehr als eine marginale Beziehung haben, und/oder es gibt viele andere Gründe, warum es vom Anmelder nicht erwartet werden kann, bestimmte inhaltslos Substituten für ein verbessertes Anspruchselement zu beschreiben.
Weitere Ausführungsformen werden der Fachwelt klar und liegen im Umfang der folgenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Van Kerschaver und Beaucerne, „Back-Contact Solar Cells: A Review”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2006; 14: 107–123 (2005) [0005]

Claims

Photovoltaikmodul, umfassend mindestens einen String von Rückkontakt-Solarzellen; eine poröse nicht-leitende Schicht hinter den Zellen, die darauf flexible Leiterbahnen einschließt, die die Solarzellen elektrisch verschalten; eine Rückseitenfolie; und eine Verkapselung zwischen der Rückseitenfolie und der porösen nicht-leitenden Schicht, die durch die poröse nicht-leitende Schicht fließfähig ist und die die Rückseitenschicht an die Solarzellen bindet.
Modul nach Anspruch 1, wobei die Rückkontakt-Solarzellen jeweils eine Reihe von Kontakten einschließen.
Modul nach Anspruch 1, wobei die Rückkontakt-Solarzellen jeweils ineinandergreifende Kontakte einschließen.
Modul nach Anspruch 1, wobei die poröse nicht-leitende Schicht nicht-gewebtes Glasfasermaterial bzw. Glasfaser-Vliesmaterial einschließt.
Modul nach Anspruch 1, wobei die flexiblen Leiterbahnen Metallfolie umfassen, die an die poröse nicht-leitende Schicht anhaftet.
Modul nach Anspruch 1, wobei die flexiblen Leiterbahnen an die Rückkontakt-Solarzellen angelötet oder angeklebt sind.
Modul nach Anspruch 1, wobei die Rückseitenfolie eine isolierte nicht-poröse Schicht umfasst.
Modul nach Anspruch 7, wobei die isolierte nicht-poröse Schicht Kunststoff umfasst.
Modul nach Anspruch 1, wobei die Verkapselung eine Schicht von Ethylenvinylacetat umfasst.
Modul nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vorderseiten-Glasfolie über den Zellen.
Modul nach Anspruch 10, weiterhin umfassend eine Verkapselung, die die Vorderseiten-Glasfolie über den Zellen befestigt.
Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls, wobei das Verfahren umfasst: Formen von Leiterbahnen auf einer porösen nicht-leitenden Schicht; Befestigen von Rückseitenkontakten von mindestens einem String von Rückkontakt-Solarzellen an den Leiterbahnen; Zusammenfügen einer Rückseiten-Isolierschicht mit den Solarzellen zusammen mit einer Verkapselung; und Erwärmen der Verkapselung, so dass sie durch die poröse nicht-leitende Schicht fließt und die Rückseitenfolie an die Zellen bindet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Befestigen das Hinzufügen von Lötmetall zu den Leiterbahnen und Wiederaufschmelzen des Lötmetalls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Befestigen das Hinzufügen eines leitenden Klebstoffes zu den Leiterbahnen und das Härten des Klebstoffes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die poröse Schicht nicht-gewebtes Glasfasermaterial bzw. Glasfaser-Vliesmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Formen das Verkleben der Leiterbahnen mit der porösen nicht-leitenden Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend das Bereitstellen einer Vorderseiten-Glasfolie über den Zellen.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend den Schritt des Bereitstellens einer Verkapselung, die die Vorderseiten-Glasfolie über den Zellen befestigt.
Photovoltaikmodulstapel, umfassend: mindestens einen String von Rückkontakt-Solarzellen; eine poröse nicht-leitende Schicht hinter den Zellen, die darauf Leiterbahnen einschließt, die die Solarzellen elektrisch verschalten; eine Rückseitenfolie; eine erste Verkapselung zwischen der Rückseitenfolie und der porösen nichtleitenden Schicht; eine Vorderseiten-Glasfolie über den Zellen; und eine zweite Verkapselung zwischen der Vorderseiten-Glasfolie und den Zellen.
Modulstapel nach Anspruch 19, wobei die poröse nicht-leitende Schicht Glasfasermaterial umfasst.
Modulstapel nach Anspruch 19, wobei die Leiterbahnen Metallfolie einschließen, die an die poröse nicht-leitende Schicht anhaftet.
Modulstapel nach Anspruch 19, wobei die Leiterbahnen an die Rückkontakt-Solarzellen angelötet oder angeklebt sind.