JP6082046B2 - 改良された光起電力セルアセンブリ - Google Patents
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Description
本願は米国仮出願第61/380,457号(2010年9月7日出願)の出願日の利益を主張し、その内容の全体を参照により本明細書中に取り込む。
本発明は、改良された光起電力(PV)セルアセンブリに関し、より詳細には、隣接したセルの上部導電性特徴部に底部導電性基材を接続するために畳まれた又は曲げられた導電性要素を使用して複数のセルを相互接続している、改良された光起電力セルアセンブリに関する。
薄膜ソーラセルは特に建築物統合型光起電力用途、すなわち、屋根板又は外部壁カバリングなどとして建築構造中に統合されるデバイスに使用する際に幾つかの利点がある。1つのこのような利点は、これらの構成物が入射光を吸収するための高い断面積を有することである。すなわち、非常に薄い光起電力層は比較的に高いパーセンテージの入射光を吸収しそして変換することができる。例えば、多くの薄膜ソーラセルデバイスにおいて、光起電力層は約1μm〜約4μmの範囲の厚さを有することができる。これらの薄膜層では、これらの層を含むデバイスが可とう性となることが可能である。
本発明は上記のパラグラフ中に記載された少なくとも1つ以上の問題に取り組む、改良された光起電力セルアセンブリに関する。
本発明は、図1〜5に例示されているとおりの改良された光起電力セルアセンブリ10に関し、太陽放射(例えば、太陽光)を受けたときに電気エネルギーを提供するように機能する幾つかの部品又は部品アセンブリとして一般に記載されうる。1つの例において、改良された光起電力セルアセンブリ10は、図6に示すようなソーラシングル(屋根板)100などの、より大きな光起電力デバイス中に取り込まれることができる。
導電性基材層22はそれが光活性部分により生成された電気エネルギーを伝導する点で、上部導電性層24と同様に機能する。導電性基材層22は剛性であっても又は可とう性であってもよいが、望ましくは可とう性であり、特に、得られる光起電力デバイスが非平面表面との組み合わせで使用されうる実施形態で可とう性である。導電性基材層は単一の一体の層であることができ、又は、1層以上の層から形成されることができ、その層は金属、合金、金属間化合物組成及び/又はこれらの組み合わせを含む、広範な材料から形成される。可とう性基材層が望まれる用途では、層22は、通常、金属ホイルである。例としては、Cu、Al、Ti、Mo又はステンレススチールを含む金属ホイルが挙げられる。通常、この導電性基材層はステンレススチールから形成され、光活性部分24は基材層の上に形成されるが、他の構成も考えられ、本明細書に示されるセル相互接続の概念に必ずしも影響を及ぼさない。例示の実施形態において、ステンレススチールは好ましい。
光起電力セル20の光活性層又は部分24は光エネルギーを電気エネルギーに変換する材料を含む。その機能を提供することが知られている任意の材料は使用でき、その材料としては非晶性シリコン、CdTe、GaAs、色素増感ソーラセル(いわゆるグラッチェルセル)、有機/ポリマーソーラセル、又は、光電効果により太陽光を電気に変換する任意のその他の材料が挙げられる。しかしながら、光活性セルは好ましくはIB−IIIA−カルコゲニド系セル、例えば、IB−IIIA−セレン化物、IB−IIIA−硫化物又はIB−IIIA−セレン化物硫化物(すなわち、吸収層はIB−IIIA−カルコゲニド、好ましくは銅カルコゲニドである)である。より特定的な例としては、銅インジウムセレニド、銅インジウムガリウムセレニド、銅ガリウムセレニド、銅インジウムスルフィド、銅インジウムガリウムスルフィド、銅ガリウムセレニド、銅インジウムスルフィドセレニド、銅ガリウムスルフィドセレニド及び銅インジウムガリウムスルフィドセレニド(そのすべてが本明細書中でCIGS呼ばれる)。これらはまた、式CuIn(1−x)GaxSe(2−y)Sy(式中、xは0〜1であり、yは0〜2である)により表すことができる。銅インジウムセレニド及び銅インジウムガリウムセレニドは好ましい。部分24は吸収層に加えて、複数の層を含むことができ、例えばCIGS系セルにおいて有用であることが当該技術分野で知られている、1つ以上のエミッタ(バッファ)層、導電性層(例えば、透明導電性層)などがここで考えられる。これらのセルは可とう性又は剛性であってよく、形状及びサイズがさまざまであることができるが、一般的に壊れやすく、環境劣化を受けやすい。好ましい実施形態では、光起電力セル20は実質的な亀裂及び/又は有意な機能損失なしに曲げることができるセルである。例示の光起電力セルはUS3767471、US4465575、US20050011550A1、EP841706A2、US20070256734a1、EP1032051A2、JP2216874、JP2143468及びJP10189924aを含む多くの米国特許及び刊行物中に教示されそして記載されており、それらの文献をすべての目的のために参照により本明細書に取り込む。
上部回収構造28は光活性部分22によって生成される電気エネルギーを収集し、導電性パスにそれを集中するように機能する。回収構造28はセルの上面層(例えば、TCO層130)の有効シート抵抗を低減するために光活性層24(例えば、上面26)の上に堆積させることができる。回収構造28は、通常、光学的に不透明な材料を含んでもよく、また、実質的に平行な一連の導電体トレース27として適用されてもよく(例えば、図9に示すように、他の構成が考えられ、必ずしもここに示されるセルの相互接続の概念に影響を及ぼさない)、トレース間の間隔は、グリッドが表面上で比較的小さな面積を占めるようにする。1つの例示の追加の回収構造28の構成を図1Aに示し、ここで、構造28は、示されている他の導電性トレース27に対して概して垂直に延びているバスライン29を含む。1つの好ましい実施形態では、バスライン29は、後縁34でセル20の周囲縁付近に位置することができる(例えば、約10.0mm以内)。より好ましくは、それは非導電性層部分30にすぐに隣接して位置される。
非導電性層部分30はソーラセルの縁から導電性要素60を電気的に隔離するための絶縁体又は誘電体として機能する。非導電性層部分の存在は導電性要素60との接触により生じうるソーラセルの縁での電気的な短絡の発生を低減するものと考えられる。絶縁体はソーラセルアセンブリ中の各々個々のソーラセルの前縁又は後縁32、34の一方又は両方でソーラセル又は導電性要素60に適用されることができる。絶縁体は、導電性要素がソーラセルの縁を横切っている箇所で、デバイスの縁に沿って明確な領域として形成されることができ、又は、セル20の縁の全体の長さ又は実質的な部分に沿って単層として適用されることができ、それにより、セルと導電性要素60との間の明確な層を含むことができる。絶縁体は、液体として堆積され、そして硬化又は架橋して固体材料を形成する合成ポリマーのタイプであってよい。硬化又は架橋は、例えば、熱又は紫外線(UV)エネルギーの適用を介して達成することができる。UV硬化性組成物については、硬化プロセスを短期間で行うことができることが望ましく、例えば、10秒未満、より具体的には約3秒未満であることができる。多くの光硬化性ポリマーは、少なくとも300mJ/cm2のエネルギーを必要とし、より通常には、200〜400nmの範囲で約500〜1200mJ/cm2のUVエネルギーを必要とする。例示の実施形態としては、アクリレート及びエポキシ樹脂系組成物が挙げられる。あるいは、非導電性層部分30はテープの形態などの固体材料として適用することができる。適切な代替品としては、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)などのフルオロカーボンポリマー、ソーラセル又は相互接続材料上に被覆されうる硬化性絶縁ポリマー、ソーラセル又は相互接続材料に適用することができる無機誘電性材料が挙げられる。また、ポリエチレンフィルムなどのカプセル化層40、50として使用される材料を置き換えることができると考えられる。好ましい実施形態では、非導電性層部分30は、紫外線により硬化される液体誘電性エポキシ組成物である。1つの例示の実施形態では、部分30はポリイミドテープである。そのような市販のテープはDupont(登録商標)によって提供されるKapton(登録商標)テープである。一般に、非導電性層部分30はが約2より大きい誘電率を示すことができ、さらには約4よりも大きくなることができる。例示の電気絶縁材料は、約4.8より大きい誘電率を有し、体積抵抗率は約3×1014Ω-cmよりも大きい。
導電性要素60は光起電力セル20どうしの間の電気的なブリッジとして機能する。電気的ブリッジは、1つのセルの上部(例えば、回収構造28及び/又は上面26)と隣接するセルの導電性基材層22との間に形成されていることが本発明において考えられる。この要素は比較的に低い電気抵抗(好ましくは1.0Ω/m未満、より好ましくは約0.20Ω/m未満、最も好ましく0.05Ω/m未満)を有することが望ましい。導電性ホイル又は導電性接着テープの形態、又は、上記のブリッジ機能を発揮する任意の同様の構造であることができる。Cu又はAlを含む例示の導電性要素金属ホイルはAg、Sn又はNiメッキされうる。1つの実施形態によれば、接着剤は金属ホイル上に適用され、それにより、ソーラセルの上面及び底面にホイルを取り付ける手段を提供することができる。金属ホイルテープは導電性又は非導電性であることができる接着剤を含んでよいものと考えられる。市販の金属ホイルテープの例としては、3M(登録商標)により提供されるEMIシールドテープが挙げられる。例示の実施形態では、金属ホイルテープは非導電性アクリル系接着剤を含む。
光起電力セルアセンブリは幾つかの機能を発揮することができる、任意要素である第一のカプセル化層40をさらに含むことができるものと考えられる。例えば、層40は接合メカニズムとしての役割を果たすことができ、隣接する層(例えば、セル20、導電性要素60及び/又は第二のカプセル化層50)を一緒に保持するのを助ける。また、所望の量及びタイプの光エネルギーが透過して、光起電力セル20(例えば、光活性部分24)に到達できるようにすべきである。第一カプセル化層40は、また、隣接する層の形状の不規則性を補償するように機能するか、又は、それらの層を変化(例えば、厚さの変化)させることができる。また、それは環境要因(例えば、温度変化、湿度など)ならびに物理的な運動及び曲げに起因する層間のたわみ及び運動を可能にする役割を果たすこともできる。好ましい実施形態では、第一のカプセル化層40は接着フィルム又はメッシュから本質的になることができるが、好ましくは、熱可塑性材料、例えば、EVA(エチレンビニルアセテート)、熱可塑性ポリオレフィン又は類似の材料である。層40は単層で構成されても、又は、複数層(第一、第二、第三、第四、第五層など)で構成されていてもよいものと考えられる。この層40の好ましい厚さは約0.1mm〜1.0mm、より好ましくは約0.2mm〜0.8mm、そして最も好ましくは約0.25mm〜0.5mmの範囲であることができる。
カプセル化層の別の例において、任意要素である第二のカプセル化層50は、一般に、光起電力セル20の下方に接続して配置されているが、ある場合には、第一のカプセル化層40に直接的に接触しうる。第二のカプセル化層50は第一のカプセル化層と同様の機能を発揮することができるが、必ずしも電磁線又は光エネルギーを透過させる必要はないものと考えられる。
光起電力セル20をアセンブリ10へと組み立てる方法も発明性があると考えられる。上記のすべての部品を提供し、アセンブリ10を製造するために使用される組み立て方法は下記を含むものと考えられる。ソーラセル20はバッチ又はスタック内に設けられ、手動又は自動でアンローディングステーションに提供されることができる。ソーラセル20は、あるいは、複数のソーラセルを含む連続ロールの形で提供され、単体化と呼ばれる工程で組み立て直前にロールから分離されうる。単体化されたソーラセルは光起電力性能により分類された容器(ビン)に提供することができる。ビンに提供されたセル20は手動でオペレータが個別にロードすることができる。又は、より好ましくは、産業用ロボットを用いてビンから個々のセルを取り上げ、検査領域に配置することができる。その後、視覚システムを用いて、ソーラセル20を高精度でピックアップし、そして適切な向きでフラットトップ真空コンベヤ上に配置するように産業用ロボットを導くことができる。1つの実施形態では、視覚システムは、セルの上面の画像を撮るカメラを含み、それはロボットに対してセルの正確な向きに関する情報を伝え、それにより、ロボットはセルを取り上げ、それを正確に位置決めされた向きでコンベヤ上に配置する。
Claims (14)
- 上面を有する光活性部分、
前記上面上の上部回収構造、
前縁、
後縁、及び
前記光活性部分の前記上面とは反対側にある可とう性の反対側導電性基材層、
を含む、複数の光起電力セルと、
第一の表面を有し、当該最長寸法に沿って少なくとも1回折り曲げられ、かつ、該少なくとも1回の折り曲げが0°の角度を形成する導電性要素と
を含む光起電力セルアセンブリであって、
前記第一の表面は第一の光起電力セルの上部回収構造及び/又は上面及び隣接する第二の光起電力セルの反対側導電性基材層と接触しており、前記第一の表面の少なくとも一部分は接着剤によりセルとの接触を維持しており、かつ、隣接する第二の光起電力セルの前記前縁は前記第一の光起電力セルの前記後縁とオーバーラップしており、かつ、前記複数の光起電力セルの各セルの周縁部分の少なくとも一部分は非導電性層部分を含む、前記光起電力セルアセンブリ。 - 前記導電性要素は前記第一の光起電力セルと前記後縁で接触しており、そして前記導電性要素は隣接する第二の光起電力セルの反対側導電性基材層と前記前縁で接触しており、さらに、前記導電性要素の前記後縁との接触部分の長さは前記後縁の長さの50〜100%であり、かつ、前記上部回収構造は一連の間隔を開けた、前記上面よりも低いシート抵抗を有する材料の導電性トレースを含む、請求項1記載の光起電力セルアセンブリ。
- 前記導電性要素は、前記第一の光起電力セルと前記第二の光起電力セルとが実質的に同一平面上にない場合でも前記第一の光起電力セルと前記第二の光起電力セルとの間の電気接続が維持されるように可とう性を有する、請求項1または2記載の光起電力セルアセンブリ。
- 前記複数の光起電力セルは1つ以上の端子バーに接続されている、請求項1〜3のいずれか1項記載の光起電力セルアセンブリ。
- 前記上部回収構造は、前記非導電性層の10mm以内に配置されたバスラインを含み、かつ、前記導電性要素は前記バスラインの少なくとも一部と接触している、請求項4記載の光起電力アセンブリ。
- 前記導電性基材層上の前記導電性要素のオーバーラップは長さで少なくとも2.0mmである、請求項1〜5のいずれか1項記載の光起電力アセンブリ。
- 前記導電性要素は複数の折り曲げを含む、請求項1〜6のいずれか1項記載の光起電力アセンブリ。
- 前記導電性要素が、エンボス加工された表面を有する金属ホイルであり、該金属ホイルの該エンボス加工された表面の表面積の少なくとも10%が、前記第一の光起電力セルの前記上部回収構造又は上面と接触し、かつ、該金属ホイルの該エンボス加工された表面の表面積の少なくとも10%が、隣接する第二の光起電力セルの反対側導電性基材層と接触している、請求項1〜7のいずれか1項記載の光起電力アセンブリ。
- 前記導電性要素が、エンボス加工された表面を有する金属ホイルであり、該金属ホイルの該エンボス加工された表面の表面積の少なくとも40%が、前記第一の光起電力セルの前記上部回収構造又は上面と接触し、かつ、該金属ホイルの該エンボス加工された表面の表面積の少なくとも40%が、隣接する第二の光起電力セルの反対側導電性基材層と接触している、請求項1〜8のいずれか1項記載の光起電力アセンブリ。
- 前記接着剤が非導電性である、請求項8又は9に記載の光起電力アセンブリ。
- 前記導電性要素の厚さが0.01mm〜0.15mmの範囲内である、請求項1〜10のいずれか1項記載の光起電力アセンブリ。
- 前記導電性要素の折り曲げ角度が0°であり、該導電性要素が折り畳まれている、請求項1〜11のいずれか1項記載の光起電力アセンブリ。
- 前記第一の光起電力セルと前記第二の光起電力セルとが異なる平面上に配置されているか、又は、前記第一の光起電力セルと前記第二の光起電力セルの一方若しくは双方が曲面を構成している、請求項1〜12のいずれか1項記載の光起電力アセンブリ。
- (a)上面を有する光活性部分、上部回収構造及び底部導電性基材を各々が含む、ソーラセルであって、前縁及び後縁を各々が含むソーラセルを少なくとも2つ提供すること、
(b)各々第一の表面を有する少なくとも1つの導電性要素を提供すること、
(c)少なくとも1つの端子バーを提供すること、
(d)導電性基材の底面が前記少なくとも2つのソーラセルの前縁付近で第一の端子バーと接触するように第一のセルを配置すること、
(e)導電性成分を用いて前記第一のセルに第一の端子バーを接続すること、
(f)第一の導電性要素を当該最長寸法に沿って少なくとも1回軸に関して折り曲げ、かつ、該少なくとも1回の折り曲げが0°の角度を形成するように折り曲げること、
(g)折り曲げられた導電性要素を前記第一のセルの上部に後縁付近で適用しそして正確に配置して、該導電性要素が前記ソーラセルの上面及び/又は上部回収構造に接触するようにすること、
(h)前記第一のソーラセルに既に適用された折り曲げられた導電性要素上に第二のセルを配置し、それにより、該第二のソーラセルの導電性基材の底面が折り曲げられた導電性要素に接触するようにし、このようにして、第一のセル及び末端セルを有するストリングを形成すること、
(i)場合により、追加の導電性要素を少なくとも1回軸に関して折り曲げ、該折り曲げられた追加の導電性要素を前記末端セルの上部に後縁付近で適用しそして正確に配置して、該導電性要素が前記ソーラセルの上面及び/又は上部回収構造に接触するようにし、そして、末端ソーラセルに既に適用された折り曲げられた導電性要素上に追加のセルを配置し、それにより、該追加のソーラセルの導電性基材の底面が折り曲げられた導電性要素に接触するようにし、このようにして、以前の末端セルが中間セルになるように、第一のセル及び少なくとも1つの中間セル及び末端セルを有するストリングを形成すること、
(j)場合により、工程(i)を繰り返すこと、
(k)末端ソーラセルの回収構造縁の一部であるバスライン上で最後の末端ソーラセルの上面に第二の端子バーが接触するようにして第二の端子バーを配置すること、
(l)導電性成分を用いて、前記第二の端子バーを前記最後のセルに接続すること、
の工程を含む、光起電力アセンブリの製造方法。
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