ES2322224T3 - Modulo de celula solar de capa fina y su procedimiento de fabricacion. - Google Patents

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Abstract

Un módulo de célula solar de capa fina (35) caracterizado porque comprende: un substrato aislante transparente (1); una célula solar de capa fina (100) formada sobre dicho substrato aislante transparente; un bus (4, 4'') conectado a dicha célula solar de capa fina y formado sobre dicho substrato aislante transpa-rente; medios de sellado (31) dispuestos sobre una superficie de la célula solar de capa fina; medios de conexión (44) para tomar la energía de la célula solar de capa fina; y un elemento de conexionado (5, 5'') para conectar dicho bus y dichos medios de conexión, en el que dicha célula solar de capa fina tiene sobre dicho substrato aislante transparente una pluralidad de ele-mentos fotovoltaicos (28) cada uno comprendiendo una capa electrodo transparente (16), una capa de semiconductor fotovoltaico de capa fina (19) y una capa electrodo trasero (22), dichos medios de sellado (31) comprenden un primer relleno (9) que está dispuesto sobre la capa electrodo trasero (22) y el elemento de conexionado (5, 5''), y la tapa de protección trasera (13), estando cubierto dicho elemento de conexionado por el primer relleno (9) y por un segundo relleno (8), estando dispuesto el segundo relleno (8) sobre el lado opuesto del primer relleno (9) con respecto al elemento de conexionado (5, 5''), y una lámina aislante (7) cubierta por el segundo relleno (8) y un tercer relleno (6), está dispuesta entre el elemento de conexionado y la capa electrodo trasera, estando dispuesto el tercer relleno (6) sobre el lado opuesto del segundo relleno (8) con respecto a la lámina aislante (7).

Description

Módulo de célula solar de capa fina y su procedimiento de fabricación.
En general, la presente invención se refiere a un módulo de célula solar de capa fina y a un método para su fabricación. En particular, esta invención se refiere a una estructura de salida de electrodos y a un método para su fabricación sobre un módulo de célula solar de capa fina que comprende una única célula solar de capa fina o una combinación de células solares de capa fina. La célula solar de capa fina comprende una pluralidad de elementos fotovoltaicos (PV) formados sobre un substrato aislante transparente.
La generación de energía solar ha suscitado un gran interés como medio para abordar los problemas medioambientales, tales como el agotamiento de los recursos naturales o el aumento de la producción de dióxido de carbono. Las células solares de capa fina han suscitado un interés especial porque la cantidad de material semiconductor que éstas utilizan, tal como silicio, es pequeña.
Tradicionalmente se han utilizado células solares que utilizan substratos de silicio cristalino. Comparadas con las células solares, las células solares de capa fina tienen el inconveniente de que su eficiencia para convertir la luz en energía es inferior en un porcentaje de varias decenas. En un entorno en el que el espacio disponible para la instalación de células solares es limitado, como en Japón, es muy importante aumentar al máximo la porción del área de los módulos de célula solar que contribuye a la generación de energía, y de este modo a la reducción de la diferencia de eficiencia de conversión entre las células solares y las células solares de capa fina.
Con referencia a la célula solar que utiliza un substrato de silicio cristalino, una célula solar se forma sobre un substrato de silicio cristalino. Varias decenas de células solares se conectan para formar un módulo de célula solar.
Debido a que es necesario disponer de separaciones para el módulo de célula solar y de áreas para colocar el conexionado de transporte de la energía desde los elementos de célula solar hasta los medios de conexión, tales como una caja de terminales, se considera que la superficie de una sección de generación de energía para la conversión de luz en energía constituye entre el 70% y el 80% de la superficie total del módulo de célula solar. En el campo de los módulos de célula solar de capa fina, se ha propuesto una estructura en la que los elementos de célula solar están formados directamente sobre un substrato aislante transparente y los elementos de célula solar están conectados al substrato (en adelante se mencionará como "módulo de célula solar de tipo integración en el substrato"). En el módulo de célula solar de tipo integración en el substrato, la superficie de la sección generadora de energía puede superar el 90% del total de la superficie ocupada por el módulo.
La patente US 4,292,092 presenta la estructura de una porción de célula solar en el módulo de célula solar de tipo integración en el substrato y un método para su fabricación. De acuerdo con la técnica de la patente US 4,292,092, se dispone una lámina conductora transparente sobre un substrato aislante transparente, por ej. vidrio. La capa electrodo transparente se divide mediante un proceso láser en regiones fotovoltaicas (PV) en forma de tira. Se dispone silicio amorfo tipo p, tipo i y tipo n por toda la superficie de las regiones PV, y así se forman las capas de semiconductor. Las ranuras de conexión para la conexión de elementos adyacentes se forman mediante un proceso láser, paralelas y separadas de una primera línea formada por un proceso láser. Después de formar una capa electrodo trasero, se forman ranuras de separación en la capa electrodo trasero en paralelo a las ranuras de conexión y enfrente de las ranuras de separación de la lámina conductora transparente. Mediante estos procesos se fabrica la célula solar de capa fina en la que una pluralidad de elementos fotovoltaicos (PV) en forma de tira se conectan en serie a un solo substrato.
Los buses para la toma de la energía que sale de la célula solar de capa fina se disponen sobre el substrato aislante transparente. Puesto que los buses son porciones que no contribuyen a la generación de energía, se forman de un material con buena conductividad eléctrica para entregar eficazmente la energía generada y se disponen en regiones en forma de tira que son algo más estrechas que los elementos PV. En la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 3-171675, se describen ejemplos del método para la formación de buses en los que una pasta con partículas de frita de vidrio, etc., dispersadas en ella, se aplica sobre regiones bus, o en la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 9-83001, en la que una lámina de cobre recubierta de soldadura está dispuesta en regiones bus mediante soldadura para cerámica.
El módulo de célula solar que utiliza el substrato de silicio cristalino y el módulo de célula solar de capa fina disponen de medios de conexión (en adelante se mencionarán como "los medios de conexión") para la salida de energía. Se puede utilizar una caja de terminales para los medios de conexión. La caja de terminales incluye terminales y los elementos de conexionado que proceden del módulo de célula solar están conectados a los terminales mediante un cable de salida de energía.
De acuerdo con varios ejemplos de la estructura de conexionado, entre el bus y los medios de conexión para el módulo de célula solar de tipo integración en el substrato, las láminas de cobre están dispuestas y conectadas en una pieza soporte transparente como la utilizada en la célula solar de substrato de silicio cristalino dispuesta de la misma forma en dos dimensiones que el substrato de silicio cristalino, o una pasta con partículas metálicas de frita de vidrio, etc., dispersadas en ella se aplica longitudinalmente sobre porciones periféricas del substrato aislante transparente donde no existen elementos PV, tal y como se describe en la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 3-171675.
Estos métodos tienen el inconveniente de que debido a que necesitan un gran espacio para el elemento de conexionado, ocupan un área que podría generar energía en el limitado espacio del módulo de célula solar.
Para abordar este problema, la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 9-326497 propone una técnica en la que el elemento de conexionado (láminas de cobre recubiertas de soldadura, etc.) para la conexión de los buses y los medios de conexión, se dispone en un relleno para el sellado de elementos fotovoltaicos (PV). Este documento describe un método de la técnica anterior para mantenimiento del aislamiento eléctrico entre el elemento de conexionado (láminas de cobre) y los elementos PV, en el que se utiliza una lámina aislante en la que se disponen un relleno y una tapa trasera sobre la lámina aislante. Este documento describe también una realización en la que las láminas de cobre están recubiertas con láminas aislantes.
El método anterior se describe a continuación en referencia a la Fig. 2. Los buses (láminas de cobre recubiertas de soldadura) 4, 4' están dispuestos en regiones bus 3, 3' sobre la célula solar de capa fina 100. Los elementos de conexionado 5, 5' para la conexión de los buses y los elementos de conexionado mencionados están dispuestos en el espacio entre las láminas de cobre recubiertas de soldadura 4, 4'. Debajo de los elementos de conexionado 5, 5' se dispone la lámina aislante 7. Los elementos de conexionado 5, 5' (dos láminas de cobre recubiertas de soldadura) están conectados por un extremo a las láminas de cobre recubiertas de soldadura 4, 4'. Por encima de los elementos de conexionado se dispone una lámina de relleno 9 y una tapa de protección trasera 13. En la tapa de protección trasera 13 existen aberturas 14 para el paso de los electrodos. En el estado en el que las láminas de cobre recubiertas de soldadura 5, 5' salen de la tapa trasera por las aberturas, la tapa de protección trasera 13 se presiona en caliente mediante un laminador al vacío sobre la lámina de relleno 9 interpuesta y queda fijada sobre el substrato de vidrio 1.
A continuación describiremos el método descrito en la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 9-326497 con referencia a la Fig. 3. En la Fig. 3 los elementos de conexionado 5, 5' están sustituidos por las láminas de cobre 45, 45' formadas recubriendo las dos láminas de cobre recubiertas de soldadura 5, 5' con las láminas aislantes 15. En este método no se utiliza la lámina aislante 7 empleada en el ejemplo de la Fig. 2.
De acuerdo con un trabajo de investigación reciente, se admite que el método de la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 3-171675 plantea el problema de que las características del módulo de célula solar se deterioran a causa de la gran superficie que se necesita para el elemento de conexionado.
Gracias a otro trabajo de investigación reciente, también se admite que el método mostrado en la Fig. 2 permite un montaje fácil pero no es posible poner relleno debajo de las láminas de cobre recubiertas de soldadura 5, 5'. A causa de este problema, cuando se ejerce tracción sobre las láminas de cobre recubiertas de soldaduras 5, 5' por las aberturas 14, se forman separaciones entre las láminas de cobre recubiertas de soldadura 5, 5' y la lámina aislante 7.
De acuerdo con un trabajo de investigación reciente, en la estructura mostrada en la Fig. 3, también se forman separaciones parecidas entre las láminas recubiertas de cobre 45, 45' y los elementos PV.
Estos módulos de célula solar de capa fina se evaluaron mediante un dispositivo para ensayos ambientales con una humedad del 85% y a una temperatura de 85ºC. Pasadas 1.000 horas, se examinaron los módulos de célula solar de capa fina y se observó que había entrado agua en las separaciones mencionadas y que los electrodos traseros próximos a las separaciones se habían oxidado. Donde las láminas aislantes 15 estaban aplicadas sobre las láminas de cobre mediante un adhesivo distinto del relleno, el color del relleno 9 próximo a las láminas aislantes 15 había cambiado de color y estaba amarillo.
El módulo de célula solar está dispuesto en el tejado, etc. de una casa y aquí la temperatura se eleva hasta los 80ºC. El módulo solar es sensible a estos factores medioambientales. Por razones de mercado se exige que los módulos de célula solar tengan una vida de unos 20 años. Para satisfacer esta exigencia es necesaria la utilización de materiales de fiabilidad certificada para llenar el interior de los módulos de célula solar con relleno y para eliminar cualquier separación interior.
Se acepta que existe el problema de que es muy posible que en un módulo fabricado con el método mostrado en la Fig. 2, una porción de borde de la abertura 14 dispuesta en la tapa de protección trasera entre en contacto con el elemento de conexionado (lámina de cobre recubierta de soldaduras) 5, 5'. En particular, en este módulo no se dispone de medios para limitar la posición relativa entre el elemento de conexionado y la abertura. En consecuencia, este módulo tiene una estructura tal que es muy posible que el elemento de conexionado y la abertura puedan entrar en contacto. Cuando para la tapa de protección trasera se utiliza una lámina que incluye material metálico, tal como una lámina de Tedler/Al/Tedler de tres capas, se puede producir un cortocircuito en los elementos de conexionado 5, 5' a causa del material metálico de la lámina. Si se utiliza como estructura un bastidor de aluminio, la energía puede pasar a la estructura a través del material metálico de la tapa de protección trasera. En el módulo que tiene la estructura que se muestra en la Fig. 2 no se proporciona ningún medio de protección del relleno en la abertura ni ningún medio para impe-
dir que el agua entre a través de la abertura dispuesta en la tapa de protección. Esto reduce la fiabilidad del módulo.
De hecho, se observó que el 30% aproximadamente de los módulos de célula solar de capa fina que tenían la estructura que se ha descrito eran defectuosos. Cuando los productos aceptados se evaluaron mediante un dispositivo para ensayos ambientales durante 1.000 horas con una humedad del 85% y a una temperatura de 85ºC se observó la presencia de agua en las aberturas.
Para que la producción y el uso de la energía solar se generalice, es necesario reducir el precio de los sistemas de generación de energía solar y cumplir los requisitos de fiabilidad que se han descrito. Por este motivo es también necesario mejorar la estructura de las células solares y el método para su fabricación y así cumplir los requisitos que hemos mencionado.
Se han mejorado y ampliado los medios para solucionar los problemas que se han mencionado teniendo como punto de partida la estructura descrita en la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 9-326497 y medios sencillos y sin errores tal como se enumera en las reivindicaciones.
El documento EP-A-0 769 818 describe un módulo de célula solar que comprende un elemento de célula solar y al menos un material que cubre la superficie de una cara situado en el lado que recibe la luz del mencionado elemento de célula solar, comprendiendo la mencionada superficie al menos un relleno, un componente de una tela no tejida de fibra de vidrio y una lámina de protección de la superficie, donde el mencionado componente de una tela no tejida tiene una textura unida por una resina acrílica.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 1 y un método para la fabricación de un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 17.
También es preferible que la lámina aislante sea de la misma tonalidad de color que la tapa de protección trasera.
También es preferible que la lámina aislante esté formada del mismo material de resina que la tapa de protección trasera y que sea de la misma tonalidad de color que la tapa de protección trasera.
También es preferible que el elemento de conexionado sea un alambre de cobre o una lámina de cobre que estén recubiertos con una soldadura o con estaño.
También es preferible que el relleno que cubre el elemento de conexionado y el relleno que cubre la lámina aislante estén formadas de un material que sea de la misma tonalidad de color que la tapa de protección trasera.
También es preferible que los dos rellenos y la lámina de relleno dispuesta debajo del elemento de conexionado estén formados de un material que se funda por calentamiento y reticule.
También es preferible que el relleno que cubre el elemento de conexionado y el relleno que cubre la lámina aislante estén formados de un relleno que se escoge de entre un grupo que incluye copolímero acetato de vinilo-etileno (EVA), silicona, y polivinilbutiral (PVB).
También es preferible que al menos el elemento de conexionado o el bus sea una lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm o más y que el espesor de la soldadura de la lámina de cobre recubierta con soldadura sea de 50 \mum o más.
También es preferible que al menos el elemento de conexionado o el bus sea un lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm ó más y que el espesor de la soldadura de la lámina de cobre recubierta con soldadura sea de 100 \mum ó más y de 200 \mum ó menos.
También es preferible que la lámina aislante sea de la misma tonalidad de color que la tapa de protección trasera.
También es preferible que el aislante sea una lámina aislante que tenga una abertura por donde pasa con apriete el elemento de conexionado y que la lámina aislante esté dispuesta en el espacio entre la tapa de protección trasera y la célula solar.
También es preferible que el aislante esté cubierto por el relleno.
También es preferible que el aislante sea una película de resina de base fluorada, o una tela no tejida de fibra de vidrio o una tela no tejida que resista una temperatura de 160ºC.
También es preferible que el aislante que cubre la abertura de la tapa de protección trasera tenga una entalla o una abertura.
También es preferible que las dos rellenos y la lámina de relleno dispuestas debajo del elemento de conexionado estén formadas del mismo material.
Este resumen de la invención no describe necesariamente todas las características, de manera que la invención puede ser también una sub-combinación de las características descritas.
La invención se entenderá mejor mediante la descripción detallada siguiente, tomada en conjunto con los dibujos que acompañan, en los cuales:
La Fig. 1 es una vista en perspectiva que muestra en forma de pila los componentes respectivos de un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la presente invención;
la Fig. 2 es una vista en perspectiva que muestra en forma de pila los componentes respectivos de un módulo de célula solar de capa fina convencional;
la Fig. 3 es una vista en perspectiva que muestra en forma de pila los componentes respectivos de un módulo de célula solar de capa fina mejorado;
la Fig. 4 muestra una estructura de un elemento de conexionado mejorado;
la Fig. 5 es una vista en sección recta que muestra un ejemplo de célula solar de capa fina utilizada en la presente invención;
la Fig. 6 es una vista en planta del ejemplo de célula solar de capa fina utilizada en la presente invención;
las Figs. de la 7A a la 7G ilustran etapas de la configuración de los elementos de conexionado de la presente invención;
las Figs. 8A y 8B son vistas en sección que muestran una porción de conexionado de la presente invención;
la Fig. 9 es una vista en perspectiva que muestra en forma de pila los componentes respectivos donde se utiliza como lámina aislante una tela no tejida de fibra de vidrio;
las Figs. de la 10A a la 10D ilustran etapas de la configuración de otro ejemplo de los elementos de conexionado que es útil para la comprensión de la presente invención;
las Figs. 11A y 11B son vistas en sección que muestran otra porción de conexionado que es útil para la comprensión de la presente invención;
las Figs. 12 A y 12B son vistas en sección de porciones de aberturas en tapas de protección traseras de células solares de acuerdo con otras realizaciones de la invención; y
las Figs. 13A y 13B son vistas en sección de porciones abiertas en tapas de protección traseras de células solares de acuerdo con otras realizaciones de la invención.
Las realizaciones de la presente invención se describen a continuación haciendo referencia a los dibujos que acompañan. La presente invención no está limitada a estas realizaciones y puede llevarse a la práctica de otros modos sin apartarse del espíritu de la invención.
Ref.: célula solar de capa fina
La Fig. 5 es una vista en sección mostrando un ejemplo de célula solar de capa fina utilizada en la presente invención y la Fig. 6 es una vista en planta de este ejemplo.
El substrato aislante transparente 1 que se utiliza en una célula solar de capa fina 100 puede estar formado por un vidrio, un material plástico resistente al calor, etc. Sobre el substrato 1 se dispone una capa para evitar la difusión de impurezas desde el substrato 1 a la capa situada sobre el substrato 1. Esta capa puede ser por ejemplo de SiO_{2}. Sobre esta capa se dispone una capa electrodo transparente 16.
Se prefiere que la capa electrodo transparente 16 esté formada por, por Ej. SnO_{2} con concavidades y convexidades formadas por ángulos de vértices de granos de cristales de crecimiento. La capa electrodo transparente 16 se puede formar mediante CVD térmica.
La capa electrodo transparente 16 está dividida en regiones individuales 17 en forma de tira por ranuras formadas por un proceso láser, etc.
Sobre la capa electrodo transparente se forman capas semiconductoras 19. Sobre las capas semiconductoras se forman uniones fotovoltaicas de silicio amorfo, silicio policristalino en capa fina, CIS, CdTe, etc. El material del electrodo transparente se escoge idóneo para el semiconductor.
En las capas de semiconductor se disponen ranuras 21 para formar rutas de conexión eléctrica entre elementos PV adyacentes.
Sobre la capa de semiconductor 19 se forman capas de electrodo trasero 22. Es preferible que las capas de electrodo trasero estén formadas de una combinación de un material conductor transparente, tal como el ZnO, y un metal altamente reflectante tal como Ag. La capa electrodo transparente 16, la capa semiconductora 19 y la capa electrodo trasero 22 constituyen una capa fotovoltaica (PV) 36.
Las capas electrodo trasero 22 están divididas mediante ranura 24 para servir como electrodos individuales 23. Así, los elementos 28 (elementos PV) dispuestos en sándwich entre los electrodos transparentes y los electrodos traseros están conectados en serie. Los dos extremos de la conexión en serie de los elementos 28, están conectados a buses 4, 4' dispuestos en regiones bus 3, 3'. En cada región bus se forma una pluralidad de ranuras 25 para dejar expuesta la capa electrodo transparente. En las ranura 25 se dispone una protuberancia de soldadura cerámica 26. El material de soldadura cerámica puede ser una soldadura mezclada con un elemento de tierras raras para unir el electrodo transparente o material cerámico, que se vende como "Cera-solzer" (nombre de marca) fabricado por ej. por Senju Kinzozu Kabushiki-Kaisha.
El bus (lámina de cobre recubierta de soldadura) 4, 4' está conectado a la protuberancia 26. La lámina de cobre recubierta de soldadura 4 puede ser una lámina de cobre de unos 0,2 mm de espesor y varios milímetros de ancho que está recubierta con una soldadura eutéctica ordinaria. Mediante este recubrimiento se mejoran las propiedades de resistencia a la corrosión del bus 4. Además, la lámina de cobre puede soldarse fácilmente a la protuberancia simplemente manteniendo la lámina de cobre sobre la protuberancia mediante un soldador. En consecuencia, no se necesita un flux ácido y no hay problemas de restos de flux después del sellado. De este modo se aumenta la fiabilidad.
Es preferible proporcionar regiones periféricas 27 del substrato 1 con áreas sin capas y sin ranuras creadas por la eliminación de las capas respectivas. Estas áreas o ranuras aíslan eléctricamente las células solares del ambiente. Además aumenta la fuerza adhesiva para pegar un relleno (que se describirá más adelante) sobre las áreas o ranuras. De este modo las células solares quedan aisladas del aire del ambiente o de la humedad.
La Fig. 6 muestra el lado de la célula solar de capa fina sobre el que se forman los elementos PV. Se dispone una región generadora de energía 2 en una parte central del substrato 1. Los electrodos traseros de los elementos de célula solar en forma de tira están formados en esta región de generación de energía 2. Las regiones bus 3, 3' y los buses 4, 4' están dispuestos en ambos lados del substrato 1, y la región periférica 27 está dispuesta rodeando las regiones bus, etc. Entre las superficies de las regiones bus y los buses (las láminas de cobre recubiertas de soldadura) se crean las separaciones correspondientes a la altura de las protuberancias de soldadura (ver la Fig. 5) 4, 4'. Se prefiere que la altura de la separación se ajuste de modo que la protuberancia pueda ser cubierta con el relleno.
Re: Conexionado
Se puede utilizar una caja de terminales 44 (Fig. 1) para los medios de conexión donde tomar la energía del módulo de la célula solar. La posición donde se dispone la caja de terminales puede escogerse de acuerdo con el uso del módulo de célula solar. En general, en las células solares actualmente más vendidas que utilizan substratos de silicio cristalino, la caja de terminales se dispone a varios cm del centro del borde de la superficie del vidrio en el lado más corto del módulo.
La Figs. de la 7A a la 7G muestran un caso en el que la caja de terminales está dispuesta a unos 5 centímetros del centro del lado más corto.
Como se muestra en la Fig. 7B el elemento de conexionado (lámina de cobre recubierta de soldadura) 5, 5' está conectado en una posición a unos 5 cm de un extremo del bus 4, 4' en la región 3, 3'. Es preferible que la lámina de cobre recubierta de soldadura 5, 5' esté formada de un material que sea adecuado para conexión eléctrica con los componentes metálicos de la caja de terminales. Según la experiencia del inventor, es preferible hacer que el ancho de la lámina de cobre recubierta con soldadura 4, 4' sea más estrecha de 3 mm en la región del bus, de modo que la lámina de cobre (elemento de conexionado) 4, 4' se pueda extender una distancia relativamente larga sobre la región del bus. Por otra parte, es preferible que el ancho de la lámina de cobre recubierta con soldadura 4, 4' sea mayor que 1 mm, de modo que la resistencia de la adhesión de la soldadura sobre la protuberancia de soladura sea mayor de 1 Kg. Es preferible que el ancho de la lámina de cobre recubierta con soldadura 5, 5' para conectar a la caja de terminales sea mayor que el ancho de la lámina de cobre recubierta con soldadura del bus, de modo que la lámina de cobre recubierta con soldadura 5, 5' tenga un resistencia suficiente. Si el ancho de un terminal de conexión en la caja es de unos 7 mm, es preferible que el ancho de la lámina de cobre recubierta con soldadura 5, 5' sea de unos 5 mm. Desde el punto de vista de la facilidad de manipulación, es preferible que el espesor de la lámina de cobre sea 0, 2 mm o menos.
La lámina de cobre recubierta de soldadura 4, 4' y la lámina de cobre recubierta de soldadura 5, 5' situadas en la región bus pueden estar conectadas mediante soldadura. La soldadura puede realizarse colocando y sujetando las láminas una encima de la otra en el punto de conexión entre ambas y fundiendo la soldadura con un soldador. Es necesario que la resistencia de la soldadura sea al menos de 1 Kg. A fin de obtener esta resistencia, el espesor de soldadura de la lámina de cobre recubierta de soldadura debe ser preferentemente de unos 50 \mu ó más, preferentemente de 0,1 mm. Es posible añadir la soldadura en el punto de conexión mientras se hace la soldadura puesto que la resistencia de la soldadura aumenta de acuerdo con la cantidad de soldadura. Sin embargo, si la soldadura contiene flux, el metal puede oxidarse y la tarea de añadir soldadura requiere mucho tiempo. Por lo tanto es preferible obtener la
resistencia de la soldadura estableciendo el espesor adecuado de la cubierta de soldadura de la lámina de cobre 4, 4'.
Si disminuye la cantidad de soldadura, la resistencia de la soldadura disminuye. El motivo es que existe una irregularidad de 0,1 mm ó más en la superficie de la lámina de cobre y, si el espesor de soldadura de la lámina de cobre no es suficiente para cubrir las irregularidades, un sitio de la conexión por soldadura se convierte en un punto y no en una superficie.
Re: Lámina aislante
La lámina aislante 7 cubierta por el relleno está dispuesta entre la superficie del elemento de célula solar y los elementos de conexionado, que están dispuestos entre las regiones bus y los medios de conexión para la salida de la energía al exterior y a la superficie del elemento de célula solar.
Por lo general, el relleno 9 (Fig. 1) para el módulo de célula solar puede estar formada por copolímero acetato de vinilo-etileno (EVA). La tapa de protección trasera 13 puede estar formada por una película de base fluorada. En particular, se puede utilizar Tedler de Du Pont como material de la tapa de protección trasera 13. Para impedir el paso de la humedad es preferible una estructura de tres capas Tedler/lámina Al/Tedler. Esta combinación fue un descubrimiento del laboratorio de EEUU Jet Propulsion Laboratory (JPL) a comienzo de los años 80, cuando se consideró que era la combinación más fiable, después de un estudio general de materiales y estructuras de módulos de célula solar que utilizaban substratos de silicio cristalino. Desde hace unos 20 años que se utiliza como combinación estándar en este campo de la técnica. Esta combinación es adecuada para su utilización en esta invención. En estos 20 años compañías de este campo de la técnica han desarrollado substitutos que son menos caros y más fiables. En esta invención se pueden aplicar estos substitutos.
Como material de la lámina aislante 7, es preferible utilizar un material cuya fiabilidad esté certificada. Con el fin de asegurar el aislamiento, es preferible que la lámina aislante no contenga metal. Es preferible utilizar una lámina de Tedler sencilla. Como alternativa se puede utilizar una lámina de resina barata de PET, etc. si se está seguro de su fiabilidad.
Como lámina aislante 7, se puede utilizar una lámina transparente. Sin embargo, puesto que la célula solar de capa fina 100 tiene porciones 24 (Fig. 5) donde no se dispone ni capa de semiconductor ni capa de electrodo trasero, estas porciones 24 han de verse transparentes cuando la célula solar de una sola capa se mira desde el lado de incidencia de la luz. Con el fin de ocultar las láminas de cobre recubiertas de soldadura, es preferible utilizar como material de la lámina aislante 7, un material que tenga la misma tonalidad de color que el relleno de la tapa de protección trasera.
La longitud y el ancho de la lámina aislante 7 debe elegirse de manera que el elemento de conexionado 5, 5' no pueda entrar en contacto con los elementos de célula solar (la región de generación de energía 2). A fin de impedir que la lámina aislante 7 sobresalga después del sellado, es preferible que el espesor de la lámina aislante 7 se establezca entre 30 \mu y 100 \mu. Es preferible hacer el ancho de la lámina aislante 7 de un tamaño mayor que el ancho del elemento de conexionado 5. 5'. Cuando el ancho del elemento de conexionado 5, 5' es de 5 mm, se puede garantizar el aislamiento aunque el elemento de conexionado 5, 5' se desplace si el ancho de la lámina aislante se establece en 25 mm o más. La Fig. 7B muestra la lámina aislante 7 y los rellenos 6 y 8 dispuestos en sándwich sobre la lámina 7.
Cuando se utiliza el mencionado EVA como rellenos 6, 8, estos rellenos se pueden proporcionar en forma de láminas termoplásticas. En este caso, las láminas de rellenos 6, 8 tienen la misma forma que la lámina aislante o una forma algo más pequeña que ésta. Las láminas de rellenos 6, 8 pueden estar en una posición predeterminada con la lámina aislante interpuesta. Las porciones de estas láminas pueden estar fijadas temporalmente fundiendo EVA a fin de impedir el desplazamiento entre ellas. Para conseguir una fijación temporal se hace presión sobre las porciones de estas láminas utilizando una plancha calentada eléctricamente (que dispone de una superficie recubierta con Teflón) cuya superficie se calienta hasta una temperatura de 130ºC. Si la temperatura de la plancha calentada eléctricamente alcanza los 160ºC o más, el EVA se desnaturalizará.
La lámina aislante 7 y las láminas EVA tienen tendencia a encoger en la dirección de estiramiento cuando se calientan. Para mantener la precisión de las dimensiones, es eficaz utilizar un material producido mediante extrusión (por Ej. estirado en dos ejes) que permite obtener láminas de menor tendencia a encoger. Como alternativa, es eficaz medir con anterioridad la contracción térmica en ambas direcciones de las láminas y adoptar la dirección de menor contracción térmica como dirección longitudinal en la que se necesita precisión. Como alternativa, es necesario utilizar láminas calentadas con anterioridad a fin de estabilizar la precisión de las dimensiones. Las lámina aislantes y los rellenos se pueden colocar antes o después de disponer las láminas de cobre cubiertas de soldadura 5, 5'.
Re. Lámina de tela no tejida de fibra de vidrio y tela no tejida de fibra sintética que resiste una temperatura de 160ºC
Es preferible que una lámina de una tela no tejida de fibra de vidrio o una lamina de tela no tejida de resina sintética que resiste una temperatura de 160ºC 7, estén dispuestas entre el elemento de conexionado, que está dispuesto entre el bus y los medios de conexión para tomar la energía del bus, y la superficie del dispositivo de la célula solar.
Es preferible utilizar un material, cuya fiabilidad ya haya sido certificada, como material de la lámina 7 de tela no tejida de fibra de vidrio o tela no tejida de fibra sintética que resiste una temperatura de 160ºC.
La lámina de tela no tejida de fibra de vidrio tiene una buena permeabilidad para el relleno y propiedades aislantes fiables. Está certificado por el Jet Propulsion Laboratory (JPL) que el producto que se vende como "CraneGlass230" tiene buenas propiedades. Existe un tejido más reciente unido con fibras acrílicas que tienen una fiabilidad mayor que las fibras de vidrio largas, o un tejido que es sometido a un proceso de imprimación para mejorar su fuerza adhesiva con la resina. Estos materiales pueden utilizarse si se desea.
Recientemente, la industria electrónica ha utilizado telas no tejidas de fibra sintética resistente a temperatura. En estos tejidos, se utilizan fibras con una resistencia a temperaturas de unos 160ºC, tales como las fibras acrílicas. Comparados con las telas no tejidas de fibra de vidrio estos tejidos han mejorado su fuerza adhesiva con los rellenos.
Cuando se determina el espesor de la lámina 7 de tela no tejida de fibra de vidrio o de la una tela no tejida que resiste una temperatura de 160ºC, se ha de considerar que su volumen se reduce por compresión durante un proceso de laminado al vacío. Es preferible un espesor que esté entre 0,1 y 0,4 mm.
A fin de garantizar el aislamiento entre los elementos de conexionado (láminas de cobre recubiertas de soldadura), que se encuentran entre los buses y la caja de terminales, y los elementos de célula solar, es preferible que durante el proceso de fabricación se disponga una estructura en forma de pila de una tela no tejida de fibra de vidrio 7 y al menos una lámina de relleno 6 entre los mencionados elementos de conexionado (Fig. 1). Con esta disposición en forma de pila el relleno se funde y se impregna por completo en una tela no tejida durante el proceso de laminado al vacío. Además, los elementos de conexionado (láminas de cobre recubiertas de soldadura) 5, 5' están completamente separados de la superficie del dispositivo 2 de la célula solar, y nunca entran en contacto entre sí. Gracias a que la tela no tejida de fibra de vidrio consta fundamentalmente de vidrio, ésta tiene un índice de refracción de aproximadamente 1.5, sustancialmente igual a la del relleno. En consecuencia, si el relleno penetra en la tela no tejida de fibra de vidrio, la tela no tejida de fibra de vidrio se hace transparente. La célula solar de capa fina 100 tiene porciones 24 donde no se dispone ni capa de semiconductor ni capas de electrodo trasero. Estas porciones 24 se ven transparentes si la célula solar de capa fina se mira desde el lado de incidencia de la luz. Con el fin de ocultar las láminas de cobre recubiertas de soldadura, es preferible utilizar como material del relleno 6, un material que tenga la misma tonalidad de color que el relleno de la tapa de protección trasera.
Es preferible que el ancho de la lámina 7 de tela no tejida de fibra de vidrio o de tela no tejida que resiste una temperatura de 160ºC, sea mayor que el ancho del elemento de conexionado (lámina de cobre recubierta de soldadura) 5, 5'. Si durante el trabajo de fabricación, el ancho de la lámina de tela no tejida de fibra de vidrio se establece en 25 mm o más, comparado con el ancho de la lámina de cobre recubierta de soldadura 5, 5' que es de 5 mm, puede garantizarse el aislamiento aunque la lámina de cobre recubierta de soldadura 5, 5' se desplace. La Fig. 11B muestra una lámina 7 de tela no tejida con fibra de vidrio o de tela no tejida con una resistencia al calor de 160ºC, y el relleno 6 para disponer en sándwich la lámina 7.
Cuando se utiliza EVA como relleno 6, el relleno 6 puede disponerse como una lámina termoplástica. En este caso, la lámina de relleno 6 se procesa para que tenga la misma forma que la lámina aislante 7. Las láminas de rellenos 6 pueden situarse en una posición predeterminada con la lámina aislante 7 dispuesta en sándwich o bien se pueden situar en una posición predeterminada, con una lámina de relleno sencilla 6 y una lámina aislante 7 en forma de pila. Las porciones de estas láminas pueden fijarse temporalmente fundiendo EVA a fin de impedir el desplazamiento entre ellas.
En particular, se ejerce presión sobre las porciones de la estructura en forma de pila de la lámina de relleno 6 y la lámina aislante 7 con un plancha calentada eléctricamente (que dispone de una superficie recubierta con Teflón) cuya superficie se calienta hasta una temperatura de 130ºC; de este modo puede realizarse la fijación temporal. Si la temperatura de la plancha calentada eléctricamente alcanza los 160ºC o más, el EVA se desnaturaliza.
Re: Disposición de la tapa de protección trasera
Tal como se muestra en la Fig. 7B, los extremos de los elementos de conexionado (láminas de cobre recubiertas de soldadura) 5, 5' que conectan los buses a los medios de conexión para la salida de energía, están doblados desde el substrato verticalmente hacia arriba en posiciones donde se ha de disponer la caja de terminales. Tal como se muestra en la Fig. 7C, las porciones extremas de los elementos de conexionado están insertadas en las ranuras 10 formadas en la lámina de relleno 9 que cubre toda la superficie del substrato. Cuando la lámina del relleno 9 está formada de EVA, el tamaño de la lámina de relleno 9 se establece de manera que sea de un tamaño ligeramente mayor al de la lámina de relleno 9. De este modo, aunque se produzca la contracción térmica mencionada anteriormente, no habrá ningún problema. Por lo general, es preferible que la lámina de relleno 9 tenga una longitud que es entre un 2 y un 5% mayor que la del substrato. Puesto que las ranuras 10 para el paso de las láminas de cobre recubiertas de soldadura 5, 5' han de ser cubiertas por el relleno excluyendo las porciones donde se insertan las láminas de cobre, es preferible que las ranuras 10 sean tan estrechas como sea posible.
La tapa de protección trasera 13, puede disponer de aberturas 14 igual que la lámina de relleno 9. Cuando se utiliza como capa protectora trasera 13 una tapa que incluye una capa metálica, tal como una lámina de Tedler/lámina Al/Tedler de tres capas, si los elementos de conexionado (láminas de cobre recubiertas de soldadura) 5, 5' y la capa metálica entran en contacto eléctrico en la abertura 14 toda la producción de la célula solar escapará por la capa metálica y se perderá. También puede ocurrir que uno de los elementos de conexionado 5, 5' entre en contacto con la capa metálica, entonces la energía se escapará de la tapa de protección trasera 13 a través del bastidor del módulo o las piezas de fijación. Los estándares de la industria japonesa estipulan que la tensión de descarga entre el bastidor, las piezas metálicas y los terminales de salida debe ser superior a un valor que se calcula añadiendo 1 KV al doble de la tensión del sistema que se ha de utilizar. Para satisfacer este estándar, es necesario tomar medidas para impedir que se produzca el contacto que se ha mencionado anteriormente.
Para impedir tal contacto, existe un método en el que las aberturas 14 formadas en la tapa de protección trasera 13 son de un tamaño mayor que los elementos de conexionado 5, 5', y entre la lámina de relleno 9 y la capa protectora trasera 13, se dispone otra lámina aislante 11 con ranuras que son de un tamaño mayor que las aberturas 14 de la tapa de protección, y sobrepasa los elementos de conexionado 5, 5'.
Las Fig. 7D y 7E ilustran un método específico. En la capa de relleno 9 se dispone una lámina aislante 11 que tiene ranuras 37 que son de un tamaño ligeramente mayor que las aberturas de la tapa de protección. Esta lámina aislante 11 puede estar formada de una lámina Tedler. Los extremos de los elementos de conexionado 5, 5' penetran en la lámina aislante por las ranuras de la lámina aislante 11. Además, se dispone de una lámina de relleno 12 que tiene sustancialmente el mismo tamaño. Esta lámina de relleno 12 puede estar formada de lámina EVA. Después se dispone la tapa de protección.
En el método que se ha descrito como procedimiento para impedir el contacto, se puede utilizar adecuadamente como lámina aislante 11 una porción de una tela no tejida de fibra de vidrio o una porción de lámina 11 de una tela no tejida de fibra sintética que resiste una temperatura de 160ºC.
De acuerdo con otra realización de la invención, la porción de lámina de una tela no tejida de fibra de vidrio o la porción de lámina 11 de una tela no tejida de fibra sintética que resiste una temperatura de 160ºC puede sustituirse por una lámina de una tela no tejida de fibra de vidrio o una lámina 11 de una tela no tejida de fibra sintética que resiste una temperatura de 160ºC que tiene el mismo tamaño que la lámina de relleno 9. En este caso, el problema es que el coste de la lámina no tejida es más elevado. Cuando se utiliza como tapa de protección trasera 13 una tapa que incluye una capa metálica, tal como una lámina de Tedler/Lámina Al/Tedler de tres capas, es posible evitar el problema siguiente: puede formarse una protuberancia sobre el elemento de conexionado o sobre la soldadura de la lámina de cobre recubierta de soldadura, etc. lo que provocaría que la capa de resina de Tedler etc. se rompiera y entrara en contacto con la capa metálica de la lámina de la tapa de protección trasera.
Existe en el mercado una lámina en la que una tela no tejida de EVA y fibra de vidrio están dispuestas en forma de pila. Este tipo de lámina es particularmente eficaz para el aislamiento que se ha mencionado y para el aislamiento entre los elementos de conexionado 5, 5' y la superficie del dispositivo 2.
La tela no tejida de fibra de vidrio es fácil de manipular y de usar porque en la práctica no sufre contracción térmica y tiene resiliencia.
Los extremos de los elementos de conexionado 5, 5' salen por las aberturas de la tapa de protección y con una cinta resistente al calor se fijan temporalmente y en posiciones en las que los elementos de conexionado no entran en contacto con la abertura. Gracias a esta fijación temporal, se impide el desplazamiento de los elementos de conexionado durante el proceso de laminado al vacío y también se evita el cortocircuito eléctrico (Fig. 7F y 7G).
Re: Proceso de laminado al vacío
El módulo de célula solar montado de acuerdo con las etapas mencionadas se puede calentar y presionar mediante por ej. un laminador al vacío de doble cámara (en adelante se mencionará como laminador al vacío). Este laminador al vacío puede tener una cámara de vacío que está dividida en una cámara de vacío superior y una cámara de vacío inferior por medio de un diafragma de caucho. El módulo de célula solar está situado en el laminador al vacío en el estado en el que su substrato está dirigido hacia abajo.
Las cámaras de vacío superior e inferior se evacuan a una temperatura de unos 100ºC y se elimina el aire del módulo de célula solar. El nivel de vacío que se obtiene finalmente es de unos 0,5 torr. Durante este proceso, el EVA se funde y las burbujas, etc. desaparecen. A continuación, se introduce aire atmosférico en la cámara de vacío superior. Gracias a la presión del aire atmosférico el módulo de célula solar queda comprimido. En este estado, el módulo de célula solar se calienta hasta unos 150ºC y el EVA reticula. En los años 80 el curado tardaba unos 15 minutos pero actualmente este tiempo se reduce a 2 minutos gracias a un producto de curado rápido que se comercializa desde hace poco tiempo.
El relleno o el material de la tapa de protección, que se ha extrudido hasta la periferia del módulo de célula solar de capa fina, se retira y la estructura, la caja de terminales, etc. se fijan en posiciones predeterminadas.
Las Fig. 8A y 8B muestran el estado en forma de pila de las láminas del módulo de célula solar fabricado según las etapas mencionadas anteriormente.
Como se muestra en la Fig. 8A, la porción del módulo de célula solar de capa fina, que excluye la porción periférica del elemento de conexionado, comprende dos capas, por ej. el relleno y la tapa de protección. La porción periférica del elemento de conexionado, como se muestra en la Fig. 8B, comprende una estructura de tres capas, la capa de relleno (6, 8, 9), lámina aislante (7) y una lámina de cobre recubierta de soldadura (4). La forma exterior de esta porción de estructura de tres capas tiene forma de hinchazón y la tensión de la pieza selladora está concentrada en esta porción.
Para solucionar este problema, el espesor del relleno que es novedad en esta invención puede establecerse en unos 0,2 mm si el espesor del relleno principal es de unos 0,4 mm.
Además, para solucionar los problemas de la facilidad de manipulación de la porción aislante y de aspecto externo de esta invención, es preferible utilizar una tela no tejida de fibra de vidrio como lámina aislante.
La tela no tejida de fibra de vidrio tiene una buena permeabilidad al relleno y propiedades aislantes seguras. Las propiedades del producto que se vende como "CraneGlas230" están certificadas por el Jet Propulsion Laboratory (JPL). Existe un tejido más reciente unido con fibras acrílicas que tienen una fiabilidad mayor que las fibras largas de vidrio, o un tejido que es sometido a un proceso de imprimación para mejorar su fuerza adhesiva con la resina. Estos materiales pueden utilizarse si se desea.
Cuando se utiliza la tela no tejida de fibra de vidrio como lámina aislante, el volumen de ésta se reduce durante un proceso de laminado al vacío. Teniendo en cuenta esto, es preferible utilizar una tela no tejida de fibra de vidrio que tenga un espesor mayor que una lámina de resina. El grosor de la tela no tejida de fibra de vidrio debe estar preferentemente entre 0,1 y 0,4 mm.
Con el fin de asegurar el aislamiento entre los elementos de conexionado, que están dispuestos entre los buses y la caja de terminales, y los elementos de célula solar, puede interponerse una estructura en forma de pila de una tela no tejida de fibra de vidrio 30 y una única lámina de relleno 31. Cuando se utiliza una lámina aislante de una lámina de resina, la lámina aislante no se cubre si las capas de relleno no están dispuestas en ambos lados de la lámina aislante. Cuando una tela no tejida de fibra de vidrio se utiliza como lámina aislante, el relleno puede impregnarse en espacios internos de la tela no tejida. Así, si el relleno se dispone en un lado de la lámina aislante, la lámina aislante se puede cubrir con el relleno. Con referencia al aislamiento de la abertura de la tapa de protección trasera, bastará con disponer una única tela no tejida de fibra de vidrio 32 y no es necesario utilizar una lámina de relleno porque el EVA de la lámina de relleno 9 que se extiende por debajo de la tela no tejida de fibra de vidrio y que tiene el mismo tamaño que el substrato, se impregna en la tela no tejida de fibra de vidrio.
Como se ha descrito anteriormente, gracias a la reducción del número de láminas de relleno, el incremento del espesor de la porción periférica del elemento de conexionado se puede reducir mucho y se facilita el trabajo de fabricación. Gracias a que la tela no tejida tiene menos contracción térmica y menos resiliencia, es más fácil de manipular. El proceso de fabricación del módulo de célula solar de capa fina puede simplificarse si se utiliza la tela no tejida de fibra de vidrio.
Las Fig. 8A y 8B muestran la estructura del módulo de célula solar de capa fina utilizando la tela no tejida de fibra de vidrio. Comparado con el caso en el que se utiliza la tela no tejida de fibra de vidrio, el número de componentes puede reducirse notablemente.
A continuación se describirá una etapa de laminado al vacío. La Fig. 12A es una vista en sección recta mostrando en detalle la porción que incluye la abertura de la tapa de protección trasera. Una lámina aislante 11 que tiene una superficie mayor que la abertura 14 está dispuesta debajo de la abertura. La lámina aislante 11 está cubierta por los rellenos 9 y 12. Es preferible que la lámina aislante esté formada por el mismo tipo de material que la capa trasera y que la lámina aislante no incluya una capa conductora. Por ejemplo, cuando se utiliza una lámina de Tedler/lámina Al/Tedler de tres capas como tapa de protección trasera se puede utilizar una sola lámina de Tedler como lámina aislante. Cuando la lámina de tres capas no está dispuesta en la abertura 14 de la tapa de protección trasera, el rendimiento de la barrera contra el vapor disminuye considerablemente. Para solucionar este problema, es eficaz utilizar la lámina aislante 11 que no incluye láminas de metal y tiene propiedades de barrera contra el vapor, como la lámina de Tedler/lámina Al/Tedler de tres capas.
Cuando se utiliza la tela no tejida de fibra de vidrio como lámina aislante 11, su volumen disminuye porque se comprime durante el proceso de laminado al vacío. Teniendo en cuenta esto, es preferible utilizar una tela no tejida de fibra de vidrio que sea de mayor espesor que una lámina de resina. El espesor de la tela no tejida de fibra de vidrio debe estar entre 0,1 y 0,4 mm. A fin de garantizar el aislamiento de la abertura 14 de la tapa de protección trasera bastará con disponer una única tela no tejida de fibra de vidrio 32 (Fig. 12B) y no es necesario utilizar una lámina de relleno 12 (Fig. 12A) porque el EVA de la lámina de relleno 9, que se extiende por debajo de la tela no tejida de fibra de vidrio y tiene el mismo tamaño que el substrato, se impregna en la tela no tejida de fibra de vidrio.
De acuerdo con otra realización de la invención, si se utiliza esta impregnación, la tela no tejida de fibra de vidrio 32 que ocupa una superficie pequeña puede sustituirse por una lámina de una tela no tejida de fibra de vidrio del mismo tamaño que la lámina de relleno 9. Recientemente ha salido al mercado un material integrado de una lámina EVA y una lámina no tejida. Si se utiliza este material, la tela no tejida de fibra de vidrio se puede colocar en la misma etapa en la que se coloca la lámina EVA 9. Además, cuando por alguna razón se forma un saliente en el elemento de conexionado de lámina de cobre recubierta con soldadura, o una protuberancia de soldadura, es posible evitar el daño de la lámina de protección trasera provocado por el saliente, o el contacto entre la capa metálica y el elemento de conexionado provocado por la rotura de la capa de lámina de resina de la lámina de protección trasera. Gracias a que el precio por unidad de la tela no tejida de fibra de vidrio no supera en más del 10% el precio por unidad del material de la tapa de protección trasera, esta realización es viable desde el punto de vista del coste.
Puesto que la tela no tejida de fibra de vidrio no tiene contracción térmica y tiene resiliencia, es fácil de manipular y facilita las etapas de fabricación.
La Fig. 12B muestra una estructura en la que se utiliza la tela no tejida de fibra de vidrio. En esta estructura se utiliza una porción de tela no tejida de fibra de vidrio 32 que tiene una superficie que es ligeramente mayor que la abertura 14 de la tapa de protección trasera. Esta porción de tela está impregnada con relleno 9.
La Fig. 13A muestra otra realización en la que se utiliza la tela no tejida de fibra de vidrio.
Como el vapor entra con facilidad por la abertura 14 de la tapa de protección trasera, tal como se mencionó anteriormente, es necesario cubrir la abertura con un medio de barrera contra el vapor. En este ejemplo, la lámina de barrera 34 está situada sobre la abertura 14. La lámina 34 puede estar formada preferentemente de la lámina de Tedler/PET/Tedler de tres capas, mencionada anteriormente, o puede ser una lámina formada recubriendo una lámina de resina con una capa inorgánica de SiO_{2.} etc. La tapa de protección trasera 13 puede formarse de la mencionada lámina de Tedler/PET/Tedler de tres capas, o de otros materiales (por ej. Tedler/Al/Tedler, vidrio).
Con referencia a esta técnica, en la abertura 14 puede disponerse una resina 35 con propiedades de barrera, tal como muestra la Fig. 13B. La resina 35 puede ser un relleno con base de caucho que se dispone después de terminado el módulo mediante un método de desmoldeo, o una resina adhesiva con forma de lámina que tiene propiedades de barrera. Ejemplos del primero son poli-isobutileno y uretano, y ejemplos del segundo son un adhesivo tipo hot-melt utilizado para encapsulado de IC. Pero pueden utilizarse otros materiales.
Como ya se ha descrito, utilizando la estructura y el método de fabricación de la presente invención, el espacio entre la tapa de protección trasera y el substrato de vidrio está lleno con componentes tales como elementos de conexionado y rellenos. Gracias al relleno del espacio se obtiene fácilmente un módulo de célula solar sin separaciones. De acuerdo con la presente invención, el contacto entre los elementos de conexionado y la tapa de protección trasera puede evitarse. En la descripción anterior, se utilizan materiales específicos para los materiales de los respectivos componentes. Sin embargo, pueden utilizarse otros materiales para los componentes. En la descripción anterior se utilizan un par de regiones de bus, un par de buses y una única caja de terminales. Sin embargo el número de componentes no se limitan a estos. La presente invención se puede aplicar en casos como los que se describen en la solicitud de patente japonesa KOKAI No. de publicación 3-171675, donde una pluralidad de células solares integradas conectadas en serie están formadas sobre un substrato sencillo y las mencionadas células solares están conectadas en paralelo a una caja de terminales.
Las Fig. 11A y 11B muestran otras estructuras donde las láminas están laminadas.
Tal como se muestra en la Fig. 11A, la porción periférica del elemento de conexionado del módulo de célula solar de capa fina tiene una estructura de dos capas de un relleno y una tapa de protección. La tapa de protección trasera puede tener un estructura de tres capas Tedler (13-1)/Al (13-2)/Tedler (13-3). Tal como se muestra en la Fig. 11B, la porción periférica del elemento de conexionado tiene una región en la que dos capas de relleno (6, 9), una capa de tela no tejida 7, un bus (lámina de cobre recubierta de cobre) 4 están dispuestos en forma de pila en el interior de la tapa de protección 13. Teóricamente, el espesor de esta región es aproximadamente el doble del espesor de la otra región. Sin embargo, en realidad el relleno se extiende hasta la región próxima y el aumento de ancho de esta región es muy pequeño.
Con el fin de reducir el aumento de espesor de esta región, es preferible que el ancho de relleno que es novedad en esta invención se establezca en unos 0,2 mm en el caso de que el espesor del relleno principal sea de unos 0,4 mm.
Ejemplo
A continuación se hará una descripción de una aplicación específica de la presente invención cuando una célula solar de silicio amorfo se fabrica sobre un substrato de vidrio utilizando EVA y una lámina de Tedler/lámina Al/Tedler de tres capas.
Ejemplo 1
Como substrato aislante transparente se utilizó una placa de vidrio azul con el lado corto de 50 cm, el lado largo de 100 cm y un espesor de 4 mm. A fin de impedir grietas térmicas o daños mecánicos durante el proceso de fabricación, se formaron chaflanes en los bordes periféricos cortados.
Como barrera contra álcalis se depositó SiO_{2} hasta un espesor de 1.000 \ring{A} sobre el vidrio mediante CVD térmica. Como capa conductora transparente 16 se dispuso SnO_{2} dopado con flúor hasta un espesor de 10.000 \ring{A}. La superficie de la capa conductora transparente 16 presentaba irregularidades formadas por ángulos de vértices de granos de cristales de crecimiento.
Se formaron ranuras 18 en la capa electrodo transparente por un proceso láser utilizando un segundo armónico de un láser YAG.
Sobre la estructura resultante se formó por un proceso plasma CVD una capa de semiconductor 19 comprendiendo carburo de silicio amorfo de tipo p de 100 \ring{A}, silicio amorfo de tipo i de 3000 \ring{A} y silicio amorfo de tipo n de 300 \ring{A}.
Se formó una ranura 21 para la conexión eléctrica con el elemento fotovoltaico (PV) adyacente utilizando un segundo armónico de un láser YAG.
Como capa electrodo trasera 22 se dispuso ZnO de 1.000 \ring{A} y Ag de 3.000 \ring{A}, sobre la capa de semiconductor 19 mediante un proceso de bombardeo iónico en fase gaseosa.
Se formaron ranuras 24 en la capa electrodo trasera 22 utilizando un segundo armónico de un láser YAG, formándose de este modo electrodos individuales 23. Durante esta etapa el semiconductor se dispuso en sándwich entre el electrodo transparente y el electrodo trasero y se formaron elementos unitarios conectados en serie 28. El ancho del elemento unitario era de unos 10 mm.
De modo similar, por un proceso láser, se dispusieron las regiones bus 3, 3' cada una de ellas con un ancho de unos 5 mm a fin de tomar energía en ambos extremos de los elementos conectados. Se dispuso una distancia de 48 cm entre la región bus positiva y la negativa. En la región bus 3, 3' se dispuso una pluralidad de ranuras 25 para dejar expuesta la capa electrodo transparente. En las regiones de ranuras 25 se dispusieron protuberancias de Cerasolza a intervalos de 2 cm por medio de un soldador ultrasónico.
Se conectó a la protuberancia un bus (lámina de cobre recubierta de soldadura) 4 de un ancho de 2 mm, un espesor de 0,2 mm y un espesor de soldadura de 0,1.
Se pulió una región periférica del substrato 1 por un proceso de proyección de arena a presión y se dispuso una región de la que retiraron todas las capas del substrato.
Se dispuso una separación entre una lámina de cobre cubierta de soldadura 4, 4' de la región bus y la superficie de la región bus y esta separación se estableció de 0,1 mm para que pudiera ser cubierta con el relleno.
Un elemento de conexionado (lámina de cobre recubierta de soldadura) 5, 5' con una longitud de 30 cm y un ancho de 5 mm se conectó a una posición dispuesta a unos 5 cm de un extremo de la lámina de cobre recubierta con soldadura 4, 4' sobre el sustrato. El espesor del elemento de cobre y el espesor de la soldadura del elemento de conexionado eran igual que los del bus (lámina de cobre recubierta de soldadura).
La conexión entre las láminas de cobre cubiertas de soldadura se efectuó fundiendo soldadura sobre las láminas de cobre cubiertas de soldadura con soldador, estando las dos láminas dispuestas una encima de la otra en la posición de conexión.
En la separación descrita anteriormente se insertó una lámina de tres capas comprendiendo una lámina EVA 6 con una longitud de 48 cm, un ancho de 2.5 cm y un espesor de de 0,4 mm, una lámina Tedler 7 de un espesor de 0,05 mm y una lámina EVA 8 de un espesor de 0,4 mm, a fin de garantizar el aislamiento entre la lámina de cobre cubierta de soldadura 5, 5' de un ancho de 5 mm y la superficie del elemento. La lámina Tedler 7 era blanca.
Como alternativa, puede insertarse en la separación una lámina de dos capas comprendiendo una lámina EVA 6 con una longitud de 48 cm, un ancho de 2.5 cm y un espesor de 0,4 cm y una tela no tejida de fibra de vidrio 7 de un espesor de 0,2 mm. La lámina EVA 6 puede ser blanca.
En una porción central de un lado más corto de la célula solar, los extremos de las láminas de cobre cubiertas de soldadura 5, 5' se doblaron en un trozo de 2 cm hacia la caja de terminales en una dirección vertical al substrato. Las láminas de cobre cubiertas estaban sujetas desde arriba con una plancha calentada eléctricamente (que dispone de una superficie recubierta con Teflón) cuya superficie se calentó hasta una temperatura de 130ºC y se fijaron temporal-
mente.
Se colocó una lámina EVA 9 sobre la estructura resultante. La lámina EVA 9 disponía de hendiduras 10 de una longitud de 8 mm en las posiciones correspondientes a los extremos doblados de los elementos de conexionado (láminas de cobre cubiertas de soldadura) 5, 5'. La lámina EVA 9 era de un ancho de 52 cm una longitud de 104 cm Los extremos de los elementos de conexionado 5, 5' salían por las hendiduras 10.
Se colocó una porción de lámina Tedler 11 con entallas o hendiduras de una longitud de 8 mm, en los extremos de salida de los elementos de conexionado, en el estado en el que los extremos de los elementos de conexionado se pasaban por las entallas o hendiduras. Además, se dispuso una porción de lámina EVA 12 del mismo tamaño.
Se colocó una lámina blanca de Tedler/lámina Al/Tedler tres capas 13 con aberturas 14 de 1 cm de lado como tapa de protección trasera en el estado en el que los extremos de los elementos de conexionado se pasaban por las aberturas 14. Las porciones extremas de los elementos de conexionado estaban fijadas temporalmente con una cinta resistente al calor en posiciones donde las láminas de cobre no estaban en contacto con la abertura.
Estas láminas se laminaron con un laminador al vacío y se fabricó el módulo de célula solar de capa fina de la presente invención.
Se aplicó un voltaje de 1.500 V durante un minuto entre los terminales del módulo y la capa Al de la tapa de protección trasera. Se observó que el aislamiento se mantenía.
Con el fin de someter el módulo a ensayos de temperatura y humedad altas, se dejó el módulo durante 1.000 horas en un entorno en el que la temperatura era de 85ºC y la humedad de 85%. Se observó que no había problemas de aislamiento entre los terminales y la tapa de protección del módulo. Las características de generación de energía del módulo de célula solar no se alteraron ni antes ni después de las pruebas de temperatura y humedad altas.
A continuación, se desmontó el módulo. El relleno del módulo no se alteró y no entró agua por las porciones de salida de las láminas de cobre recubiertas de soldadura.
De acuerdo con presente invención, en la célula solar que tiene como componente una célula solar de capa fina, es posible mejorar extraordinariamente la fiabilidad de las porciones de las aberturas dispuestas en la tapa de protección trasera, a través de las cuales salen los elementos de conexionado entre los buses y la caja de terminales o similares.
De acuerdo con la presente invención, la posibilidad de contacto entre los elementos de conexionado y el metal de la tapa de protección trasera puede reducirse prácticamente a cero utilizando una estructura adicional en la que una lámina de superficie pequeña se coloca en las aberturas de la tapa de protección trasera.
De acuerdo con la estructura de esta invención, todo el espacio existente entre el substrato y la tapa de protección trasera está lleno con relleno y el relleno está fuertemente adherido a la tapa de protección trasera, etc. Gracias a esta estructura, aunque penetre vapor por las aberturas de la tapa de protección abierta no se condensará y los componentes internos no se oxidarán a causa del agua. Comparado con el módulo de célula solar convencional, su fiabilidad puede mejorarse enormemente gracias a su estructura sencilla y a las etapas de fabricación.
La entrada de agua puede impedirse totalmente cubriendo las aberturas de la tapa de protección trasera con una lámina aislante.
A primera vista las etapas de fabricación mencionadas parecen complicadas. Sin embargo, en esta invención se utiliza el proceso de laminado al vacío. Se disponen las respectivas láminas y se fijan con el soldador, etc. Esta estructura se pone en el laminador al vacío y se añaden los componentes funcionales. En particular, el material con elevadas propiedades de barrera contra el vapor se utiliza para la lámina de aislamiento que cubre las aberturas de la tapa de protección trasera. Por lo tanto, es innecesaria la etapa de la técnica anterior de sellado de las porciones con resina de silicona. Esta etapa requiere un tiempo de curado. En esta invención puede omitirse esta etapa. La técnica de esta invención es muy favorable.
Las descripciones mencionadas están dirigidas a un número limitado de materiales. Sin embargo, esta invención puede aplicarse a toda estructura en la que el elemento de conexionado que toma la energía de una célula solar sale por una abertura de la tapa de protección trasera, y un relleno llena el interior de una tapa del elemento de célula solar.
Como se ha descrito anteriormente, comparada con la técnica anterior, en la presente invención la fiabilidad del módulo de célula solar de capa fina se refuerza notablemente de manera sencilla con las etapas de insertar un elemento aislante en forma de lámina y el elemento de lámina de relleno.

Claims (28)

1. Un módulo de célula solar de capa fina (35) caracterizado porque comprende:
un substrato aislante transparente (1);
una célula solar de capa fina (100) formada sobre dicho substrato aislante transparente;
un bus (4, 4') conectado a dicha célula solar de capa fina y formado sobre dicho substrato aislante transparente;
medios de sellado (31) dispuestos sobre una superficie de la célula solar de capa fina;
medios de conexión (44) para tomar la energía de la célula solar de capa fina; y
un elemento de conexionado (5, 5') para conectar dicho bus y dichos medios de conexión,
en el que dicha célula solar de capa fina tiene sobre dicho substrato aislante transparente una pluralidad de elementos fotovoltaicos (28) cada uno comprendiendo una capa electrodo transparente (16), una capa de semiconductor fotovoltaico de capa fina (19) y una capa electrodo trasero (22),
dichos medios de sellado (31) comprenden un primer relleno (9) que está dispuesto sobre la capa electrodo trasero (22) y el elemento de conexionado (5, 5'), y la tapa de protección trasera (13), estando cubierto dicho elemento de conexionado por el primer relleno (9) y por un segundo relleno (8), estando dispuesto el segundo relleno (8) sobre el lado opuesto del primer relleno (9) con respecto al elemento de conexionado (5, 5'), y
una lámina aislante (7) cubierta por el segundo relleno (8) y un tercer relleno (6), está dispuesta entre el elemento de conexionado y la capa electrodo trasera, estando dispuesto el tercer relleno (6) sobre el lado opuesto del segundo relleno (8) con respecto a la lámina aislante (7).
2. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho segundo relleno (8) y dicho tercer relleno (6) están formados con el mismo material que dicho primer relleno (9) de los medios de sellado.
3. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 1 ó la 2, caracterizado porque dicha lámina aislante tiene el mismo tono de color que la tapa protectora trasera.
4. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque dicha lámina aislante está formada del mismo material de resina que la tapa de protección trasera, y tiene el mismo tono de color que la tapa de protección trasera.
5. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicho elemento de conexionado es un alambre de cobre o una lámina de cobre que están recubiertos con soldadura o con estaño.
6. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho segundo relleno (8) y dicho tercer relleno (6) están formados de un material que es del mismo tono de color que la tapa de protección trasera.
7. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicho segundo relleno (8) y dicho tercer relleno (6) están formados de un material que se escoge de entre un grupo que incluye copolímero acetato de vinilo-etileno (EVA), silicona y polivinilbutiral (PVB).
8. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque al menos dicho elemento de conexionado o dicho bus es una lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm o más y un espesor de la soldadura de dicho lámina de cobre recubierta con soldadura es de 50 \mum o más.
9. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque al menos dicho elemento de conexionado o dicho bus es un lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm ó más y un espesor de la soldadura de dicha lámina de cobre recubierta con soldadura es de 100 \mum ó más y de 200 \mum ó menos.
10. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicha lámina aislante (7) es una lámina de tela no tejida de fibra de vidrio o una tela no tejida de fibra sintética que resiste una temperatura de 160ºC.
11. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque dicha lámina aislante tiene el mismo tono de color que la tapa de protección trasera.
12. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque dicho elemento de conexionado es un alambre de cobre o una lámina de cobre que están recubiertos con soldadura o con estaño.
13. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 10, 11 ó 12, caracterizado porque dichos segundo y tercer rellenos (8, 6) que cubren dicha lámina aislante son del mismo tipo de relleno que dicho primer relleno (9) de dichos medios de sellado.
14. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque dicho segundo relleno (8) y dicho tercer relleno (6) están formados de un material que se escoge de entre un grupo que incluye copolímero acetato de vinilo-etileno (EVA), silicona y polivinilbutiral (PVB).
15. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque al menos dicho elemento de conexionado o dicho bus es una lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm o más y un espesor de la soldadura de dicha lámina de cobre recubierta con soldadura es de 50 \mum o más.
16. Un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado porque al menos dicho elemento de conexionado o dicho bus es un lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm ó más y el espesor de la soldadura de la lámina de cobre recubierta con soldadura es de 100 \mum ó más y de 200 \mum ó menos.
17. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina, caracterizado porque comprende las etapas de:
formar una célula solar de capa fina (100), incluyendo la etapa de formar la célula solar de capa fina,
formar una capa fotovoltaica (36) apilando sucesivamente sobre un substrato aislante transparente (2), una capa electrodo transparente (16), una capa de semiconductor fotovoltaico de capa fina (19) y una capa electrodo trasero (22),
dividir dicha capa fotovoltaica en una pluralidad de regiones y formar una pluralidad de elementos fotovoltaicos (28), y
formar sobre dicho substrato aislante transparente un bus (4, 4') para tomar energía de dichos elementos fotovoltaicos;
formar un elemento de conexionado (5, 5') entre dichos bus y medios de conexión (44) para tomar energía de la célula solar de capa fina; y
formar medios de sellado (31) que incluyen un primer relleno (9) y una tapa de protección trasera (13),
en el que dicha etapa de formar el elemento de conexionado incluye,
colocar un segundo relleno (8), una lámina aislante (7) y un tercer relleno (6) sobre dicha célula solar de capa fina y debajo del elemento de conexionado, y cubrir dicho elemento de conexionado y dicha lámina aislante con los mencionados del primer al tercer relleno, y en el que el segundo relleno (8) se coloca en el lado del elemento de conexionado (5, 5') opuesto al primer relleno (9), y el tercer relleno (6) se coloca en el lado de la lámina aislante (7) opuesto al segundo relleno (8),
dicha etapa de formar los medios de sellado incluye,
colocar sobre toda la superficie de dicha célula solar de capa fina, la primera lámina de relleno (9) que tiene una abertura (10) para pasar el elemento de conexionado hasta los medios de conexión, y
colocar, sobre dicha lámina de relleno, una tapa de protección trasera que tiene un agujero (14) en la posición correspondiente a dicha abertura de dicha lámina de relleno.
\vskip1.000000\baselineskip
18. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque comprende además, a continuación de dicha etapa de formar dicho elemento de conexionado y dicha etapa de formar dichos medios de sellado, una etapa de fijar, mediante una etapa de laminado al vacío, dicha célula solar de capa fina, dicha tapa de protección trasera, y dicho relleno, dicha lámina de relleno, dicho elemento de conexionado y dicha lámina aislante dispuesta entre dicha célula solar de capa fina y dicha tapa de protección trasera.
19. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 17 ó 18, caracterizado porque dichos segundo y tercer rellenos (8, 6) y dicha primera lámina de relleno (9) están formados con el mismo material.
20. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con la reivindicación 17, 18 ó 19, caracterizado porque dicha lámina aislante tiene el mismo tono de color que la tapa protectora trasera.
21. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado porque dicha lámina aislante está formada del mismo material de resina que la tapa de protección trasera, y tiene el mismo tono de color que la tapa de protección trasera.
22. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con las reivindicaciones 17 a 21, caracterizado porque dicho elemento de conexionado es un alambre de cobre o una lámina de cobre que están recubiertos con soldadura o con estaño.
23. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque dicha primera lámina de relleno (9) y dichos segundo y tercer rellenos (8, 6) dispuestos debajo del elemento de conexionado, están formados de un material que es del mismo tono de color que la tapa de protección trasera.
24. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 23, caracterizado porque dichos segundo y tercer rellenos (8, 6), y dicha primera lámina de relleno (9) están formados de un material que se funde por calentamiento y se reticula.
25. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 24, caracterizado porque dichos segundo y tercer rellenos (8, 6) y dicha primera capa relleno (9) están formados de un material que se escoge de entre un grupo que incluye copolímero de acetato de vinilo-etileno (EVA), silicona y polivinilbutiral (PVB).
26. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 25, caracterizado porque al menos dicho elemento de conexionado o dicho bus es una lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm o más y un espesor de la soldadura de dicha lámina de cobre recubierta con soldadura es de 50 \mum o más.
27. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 26, caracterizado porque al menos dicho elemento de conexionado o dicho bus es una lámina de cobre recubierta con soldadura de un ancho de 2 mm ó más y el espesor de la soldadura de la lámina de cobre recubierta con soldadura es de 100 \mum ó más y de 200 \mum ó menos.
28. Un método para fabricar un módulo de célula solar de capa fina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 27, caracterizado porque dicha lámina aislante (7) dispuesta debajo del elemento de conexionado es una lámina de tela no tejida de fibra de vidrio o una tela no tejida de fibra sintética que resiste una temperatura de 160ºC.
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