TWI434425B - 改良的太陽能電池模組及其製造方法 - Google Patents

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TWI434425B TW100105672A TW100105672A TWI434425B TW I434425 B TWI434425 B TW I434425B TW 100105672 A TW100105672 A TW 100105672A TW 100105672 A TW100105672 A TW 100105672A TW I434425 B TWI434425 B TW I434425B
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改良的太陽能電池模組及其製造方法
本發明有關改良的太陽能電池模組，尤指一種具有包覆絶縁層的電纜用來連接導線之改良的太陽能電池模組，更因此在製程時不需使用膠帶固定太陽能電池串。
近幾年的生態意識抬頭與環境保護議題中，最引人關注的為CO2 排放所導致的全球暖化現象，因此穩定的綠色能源發展為亟需解決的課題。太陽能電池的安全性與便於處置，為最有潛力的綠色能源來源之一。現今的太陽能電池有許多形態，如(a)單晶矽(monocrystalline silicon)太陽能電池；(b)多晶矽(polycrystalline silicon)太陽能電池；(c)非晶矽(amorphous silicon)太陽能電池；(d)銅銦硒化物(copper-indium selenide)太陽能電池；以及(e)化合物半導體(compound semiconductor)太陽能電池。上述多種型態的太陽能電池當中，由於薄膜矽晶太陽能電池、化合物半導體太陽能電池、及非晶矽太陽能電池具有成本相對低即可製作成大面積等優點，遂成為近期主要發展目標。
太陽能電池模組的傳統製成方法為：(1)太陽能電池串接；(2)將太陽能電池串列排列為太陽能電池矩陣；(3)將一片玻璃、乙酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate,EVA)、太陽能電池矩陣、及背板依序排列進行層壓處理(lamination process)；(4)將疊層的太陽能電池矩陣接線於接線盒(junction box)；以及(5)組合鋁框。然而，前揭傳統方法有部分問題亟須改善。
當模組進行層壓處理時，在層壓前導線通常藉由穿越EVA及背板以連接於端子盒(junction box)，這樣的作法伴隨著以下缺點。首先，由於導線穿越EVA和背板，EVA和背板必須在層壓處理前經過打孔或剪開。為避免在導線(ribbon)穿孔時造成太陽能電池串移位，需使用膠帶來加以固定。然膠帶恐會影響太陽能電池模組的長期穩定性。
其次，漏電甚至短路問題依舊存在。當製造太陽能模組時，無絕緣包覆的導線通常用來與導線和端子盒連接。如果導線和導線之間距離過近，太陽能電池模組在產生電力時容易造成導線間發生漏電或短路，進而影響人身安全甚至引起火災。
為解決上述的兩個問題，美國第6,340,403號專利揭示一種改良的結構。請參照圖1。太陽能電池模組疊層結構10，由數個獨立太陽能電池11所組成(圖式僅顯示兩個)，如眾所周知，電池連接由焊接達成，並封閉在二個氟聚合物/黏著層13和14之間，封閉層各由黏著層15與含氟聚合物層16所組成。特定份量的氟聚合物材料或含氟聚合物層12設置於太陽能電池11中間。
如上所述，美國第‘403號專利中的數個太陽能電池11是厚度100 μm(4 mil)並間隔1250 μm(50 mil)的矽太陽能電池，黏著層15由厚度50 μm(2 mil)的矽基樹脂黏著劑所組成，含氟聚合物層12和16由50 μm(2 mil)厚的E-CTFE所組成。舉例來說，矽基樹脂黏著劑的種類可為Dielectric Polymers Inc.所製造(商標為TRANS-SIL)，市面上有販售並廣泛使用。太陽能電池11的厚度可在模組10內變化，可高達25 mil厚(625 μm)。黏著層15的厚度變化可為10-50 μm(0.4-2 mil)。含氟聚合物層16的厚度變化可為5-260 μm(0.2-5 mil)。黏著層和含氟聚合物層16的厚度取決於使用的材料、太陽能電池的結構、以及太陽能模組疊層結構的應用層面。
第‘403號專利揭示一種氣密式的太陽能電池模組疊層結構，相當具有撓性並耐用，適用於高海拔等惡劣條件的環境。此發明提供一種層壓處理，可用來封裝高功率重量比(power to weight ratio)的太陽能電池陣列，在惡劣環境條件下提供保護，太陽能電池陣列因而能使用於太陽能船艇，如太陽能飛機Pathfinder及其他種類的太空飛行器。在高海拔地區，除了極端溫度變化以外，太陽能光譜(solar spectrum)的紫外線(ultra-violet,UV)鮮有減弱，因此太陽能電池陣列疊層必須能適用於此環境條件以保護太陽能電池。
然而，層壓處理僅是使用新材料無法完全解決上述問題，主要是未考慮到太陽能電池結構中的導線。太陽能電池雖可受到良好保護，卻未將導線的保護納入考量。無絶縁保護的導線會產生漏電或甚至造成長時間使用後的短路。因此，目前亟需一種能克服上述太陽能電池模組製程問題的方法。
根據本案之一觀點，一種改良的太陽能電池模組，包括：具有數條導線的太陽能電池矩陣，以將太陽能轉換為可輸出的電能；形成於太陽能電池矩陣一側的前板，以使太陽光通過；形成於太陽能電池矩陣另一側的背板，以使太陽光通過或保護太陽能電池矩陣；以及黏著和固定於太陽能電池矩陣的隔離罩，以避免太陽能電池矩陣受到壓力、溼氣及熱的影響。用包覆絶縁層的電纜穿透數個形成於背板與隔離罩的孔，並焊接於導線上，並使用黏著劑來密封孔及固定電纜。
根據本案構想，隔離罩由乙酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate,EVA)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)或鑄模樹脂(casting resin)所製成。
根據本案構想，前板由聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、PTFE、聚對苯二甲酸二乙酯(polyethylene terephthalate,PET)、玻璃、或塑膠所製成。
根據本案構想，背板由PMMA、PTFE、PET、玻璃、或塑膠所製成。
根據本案構想，黏著劑包括矽基樹脂(silicone)。
根據本案之另一觀點，一種製造改良的太陽能電池模組的方法，包括以下步驟：a)提供具有複數條導線的太陽能電池矩陣，以將太陽能轉換為可輸出的電能；b)在太陽能電池矩陣的兩側形成前板與背板，以使太陽光通過和保護太陽能電池矩陣；c)形成遮蔽太陽能電池矩陣的隔離罩，以避免太陽能電池矩陣受到壓力、溼氣與熱的影響；d)依序壓合前板、隔離罩、及背板；e)鑽出穿透背板與隔離罩的孔；f)將穿越孔的絕緣電纜和太陽能電池矩陣內的導線焊接；以及g)將孔密封並以黏著劑固定電纜。
根據本案構想，隔離罩由EVA、PTFE、或鑄模樹脂(casting resin)所製成。
根據本案構想，前板由PMMA、PTFE、PET、玻璃、或塑膠所製成。
根據本案構想，背板由PMMA、PTFE、PET、玻璃、或塑膠所製成。
根據本案構想，壓合步驟在真空腔體中實行(vacuum chamber)。
根據本案構想，黏著劑包括矽基樹脂。
體現本發明特徵與優點的實施例將在後段的說明中詳細敘述。本發明能夠在不同的態樣上具有各種的變化，皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。
圖2至圖8繪示本發明之實施例。圖2為本發明之方法的流程圖。圖3至圖8詳細繪示本發明。請同時參照圖2、圖3、圖4及圖8。圖3係本發明之分解示意圖。圖4與圖8放大詳繪圖4之細部。圖2中改良的太陽能電池模組20的製造方法步驟如下所述。
設置具有數條導線2016的太陽能電池矩陣201，以將太陽能轉換為可輸出的電能(S201)。太陽能電池矩陣201由多個太陽能電池2014所組成。使用治具(jig，未圖示)將太陽能電池2014排列成太陽能電池串接2011。數個太陽能電池串接2011形成太陽能電池矩陣201。
前板203與背板205形成於太陽能電池矩陣201的兩側，以使太陽光通過(S202)。本實施例中，隔離罩212a與212b遮蔽太陽能電池矩陣201，使之免受壓力、溼氣與熱的影響(S203)。亦可使用單一隔離罩。
前板203、隔離罩212a與212b、及背板205依序壓合(S204)。此過程稱為層壓(lamination)，以形成太陽能電池模組20的基本結構。接下來，孔2052和2042鑽透背板205與隔離罩212b(S205)。
太陽能電池矩陣201內的導線2016與穿越孔2052及2042的絕緣電纜206焊接在一起(S206)。
黏著劑2054用來密封孔2052與2042，並固定電纜206。本發明使用的黏著劑2054為矽基樹脂(silicone)。
本實施例中，隔離罩212a與212b均由乙酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate,EVA)所形成。實際上，隔離罩212a與212b可由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)或鑄模樹脂(casting resin)製成。本實施例的前板203由玻璃製成，然亦可由聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)、聚對苯二甲酸二乙酯(polyethylene terephthalate,PET)、或塑膠製成，只要是低吸光並可使光束穿透的材料，因此前板並不限於使用玻璃來製成。背板205為塑膠板。某些太陽能電池模組的兩側均可接收太陽能，所以背板可設計成透明的。因此，玻璃、PMMA、PTFE、或PET均可使用。應強調的是層壓處理在真空腔體(vacuum chamber)中實施。藉由控制壓力與溫度，EVA會熔化並形成隔離罩212a與212b，以保護太陽能電池矩陣201免受壓力、溼氣和熱的影響。
為清楚繪示改良的太陽能電池模組20的細部結構與功能，請參照圖3至圖8。如圖3，太陽能電池矩陣201由太陽能電池2014所組成，可將太陽能轉換為電能。隔離罩212a與212b可保護太陽能電池矩陣201，使之免受壓力、溼氣與熱的影響。形成於隔離罩212a上的前板203，用來使太陽光通過光束。形成於隔離罩212b上的背板205，亦用來使太陽光通過光束。
數個孔2052形成於背板205上，並有數個孔2042形成於隔離罩212b上。導線2016焊接於穿越孔2052及2042的絕緣電纜206。請參照圖7。電纜206具有絕緣材料(如PVC或PBT)2064包覆的纜芯2062。黏著劑(矽基樹脂)2054用來密封孔2052及2042並固定電纜(如步驟S207)。
與傳統的太陽能電池模組製程方法相較之下，本發明使用治具(jig)來排列太陽能電池串，以避免太陽能電池串移位。可避免使用固定用的膠帶，如此可確保太陽能電池模組的長期穩定性。同時，使用絕緣電纜穿越EVA及背板，則不需於層壓處理前在EVA和背板上鑽孔。藉由有絶縁保護層的電纜，以防止太陽能電池模組導線與導線之間因過近而造成的漏電和短路問題。本發明背景所提及的兩個問題於焉解決。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．太陽能電池模組疊層結構
11．．．太陽能電池
12．．．含氟聚合物層
13．．．含氟聚合物層
14．．．黏著層
15．．．黏著層
16．．．含氟聚合物層
S201~207．．．步驟
20．．．太陽能電池模組
201．．．太陽能電池矩陣
2011．．．太陽能電池串接
2014．．．太陽能電池
2016．．．導線
203．．．前板
2042．．．孔
205．．．背板
2052．．．孔
2054．．．黏著劑
206．．．絕緣電纜
2062．．．纜芯
2064．．．絕緣材料
212a．．．隔離罩
212b．．．隔離罩
圖1繪示習知的改良太陽能電池模組。
圖2繪示本發明實施例的流程圖。
圖3繪示本發明層壓過程中太陽能電池模組的結構。
圖4繪示本發明之太陽能電池矩陣的放大圖。
圖5繪示本發明EVA層上的孔的放大圖。
圖6繪示本發明背板上的孔的放大圖。
圖7繪示本發明實施例的絕緣電纜。
圖8繪示本發明實施例之背板上密封的孔。
20．．．太陽能電池模組
201．．．太陽能電池矩陣
2011．．．太陽能電池串接
2014．．．太陽能電池
2016．．．導線
203．．．前板
2042．．．孔
205．．．背板
2052．．．孔
206．．．絕緣電纜
212a．．．隔離罩
212b．．．隔離罩

Claims (11)

  1. 一種改良的太陽能電池模組，包括：具有複數條導線的太陽能電池矩陣，以將太陽能轉換為可輸出的電能，其中該太陽能電池矩陣具有複數個太陽能電池，並使用一治具(jig)將該複數個太陽能電池固定排列成該太陽能電池矩陣，以避免該些太陽能電池移位；形成於太陽能電池矩陣一側的前板，以使太陽光通過；形成於太陽能電池矩陣另一側的背板，以使太陽光通過及保護太陽能電池矩陣；以及遮蔽太陽能電池矩陣的隔離罩，以避免太陽能電池矩陣受到壓力、溼氣及熱的影響；其中複數個孔穿透形成於背板與隔離罩，絕緣電纜穿越孔焊接於導線上，並使用黏著劑來密封孔及固定電纜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中隔離罩由乙酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate,EVA)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)或鑄模樹脂(casting resin)所製成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中前板由聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)、聚對苯二甲酸二乙酯(polyethylene terephthalate,PET)、玻璃、或塑膠所製成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中背板由PMMA、PTFE、PET、玻璃、或塑膠所製成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中黏著劑包括矽基樹脂(silicone)。
  6. 一種製造改良的太陽能電池模組的方法，包括以下步驟：a)提供具有複數條導線的太陽能電池矩陣，以將太陽能轉換為可輸出的電能，其中該太陽能電池矩陣具有複數個太陽能電池，並使用一治具(jig)將該複數個太陽能電池固定排列成該太陽能電池矩陣，以避免該些太陽能電池移位；b)在太陽能電池矩陣的兩側形成前板與背板，以使太陽光通過及保護太陽能電池矩陣；c)形成遮蔽太陽能電池矩陣的隔離罩，以避免太陽能電池矩陣受到壓力、溼氣與熱的影響；d)依序壓合前板、隔離罩、及背板；e)鑽出穿透背板與隔離罩的孔；f)將太陽能電池矩陣內的導線焊接於穿越孔的絕緣電纜；以及g)將孔密封並以黏著劑固定電纜。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中隔離罩由乙酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate,EVA)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)或鑄模樹脂所製成。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中前板由PMMA、PTFE、PET、玻璃、或塑膠所製成。
  9. 申請專利範圍第6項所述之方法，其中背板由PMMA、PTFE、PET、玻璃、或塑膠所製成。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中壓合步驟在真空腔體中實行(vacuum chamber)。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中黏著劑包括矽基樹脂。
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