專利名稱：太陽能電池模塊及其封裝方法
太陽能電池模塊及其封裝方法
本申請要求了于2005年4月11日提交的美國臨時申請序列 號60/670538的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容在此引入作為參考。
技術(shù)背景
封裝對于太陽能電池的壽命而言是很關(guān)鍵的，尤其是薄膜太 陽能電池。普遍使用的封裝方法(Glass/TF-Cell/PVB/Glass )或 (Glass/TF-Cell/EVA/Tedlar/Al)具有大量的濕氣和氧滲透，其主要是從 太陽能電池的邊緣穿過EVA/PVB疊層材料。擴散物質(zhì)的量取決于直接 暴露于空氣的PVB或EVA的面積(封裝材料薄膜的厚度乘以模塊的周 長)。結(jié)果厚PVB或EVA層導致高的滲透幾率，增加了封裝區(qū)域中的濕 度和氧含量。穿過封裝材料滲透的氣體對某些TF電池材料可能是有害 的。特別是作為透明導電層使用的摻硼ZnO，它對濕度敏感，在使用標 準封裝時其壽命可能嚴重受到限制。
因而模塊制造使用穩(wěn)定的薄膜材料，例如Sn02。考慮電池穩(wěn) 定性時這些材料是最好的選擇。然而，對于整體電池性能這可能并不是 最好的選擇。例如，濕度敏感的ZnO透明電極材料就可增強電池性能， 特別是光捕捉特性(參看丄Mueller in Solar Energy 77(2004)p.917或 J.Meier et al at Orlando Solar Energy Conference 2005 proceedings (2005))。由于封裝材料的受限絕緣質(zhì)量，未采用這種優(yōu)越的透明電極材 料，以避免受到濕度影響時電池性能的惡化。
圖la和lb示出了目前使用的太陽能收集模塊100中用于TF 電池的封裝方案。TF電池20封裝在前端的透明襯底10和背部的封裝 材料30 (EVA或PVB)和背部保護層40中。該背部保護層可以是玻璃 41或聚合材料42。使用聚合薄層(f01l) 42時，需要向聚合薄層粘附另 外的金屬層43以限制經(jīng)過聚合薄層的擴散。目前，使用了相當厚的聚 合薄層或?qū)?到達幾個毫米)，金屬膜直接層疊在聚合薄層上。金屬膜 和聚合薄層都提供有齊平的邊緣(flush edges),并需要粘附到玻璃襯底。
與玻璃襯底的粘附可以通過層壓或膠合工藝來完成。Tedlar是上述聚合 薄層的可選擇的材料，因為它相對于各種環(huán)境條件相當穩(wěn)定。然而，也 可以使用其他薄層材料。
利用非玻璃替代物封裝薄膜太陽能收集電池的一種更成熟的 方案是使用包括如圖2所示的金屬密封薄層60的背部保護層40。主要 的聚合薄層50用作介電材料和機械保護，而金屬薄層60用作象氧氣或 水蒸汽這樣的環(huán)境氣體的擴散阻擋。對工業(yè)應用，金屬和聚合物薄層60 和50主要通過膠合相互粘附，使金屬和聚合物薄層都具有齊平的邊緣 (flush edges)。如圖2所示，將這個特殊的背部保護層40層壓到玻璃 襯底10上，得到濕度滲透減少的太陽能模塊100。然而，這種封裝具有 電弧問題(arcingproblems)的主要缺陷。
該電弧是由從多層薄層的金屬邊緣(層50/60的邊緣)流到 接地的金屬框架90或任何周圍的接地電勢的漏電流引起的。當代，無 變壓器(tansformer-less)的DC/AC轉(zhuǎn)換器切換模塊的極性以更有效的 變換到AC電壓。TF電池20和具有金屬層60的背部保護40在這種改 變時表現(xiàn)為電容器。結(jié)果，金屬邊緣上的電壓跟隨TF電池20的電壓。 由于金屬薄層60現(xiàn)在被充電，到地電勢(例如模塊的框架)的電弧成 為可能，并且在濕潤條件下極可能發(fā)生。這種電弧不僅損害封裝薄層并 使DC/AC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生嚴重問題。
目前可行的封裝方案將模塊設計限制為對濕氣和/或氧氣不敏 感的材料。例如，目前薄膜模塊制造使用Sn(^作為透明電極。具有高 霾(haze)系數(shù)的ZnO可作備選。然而，這種材料對濕度更加敏感。使 用這種粗糙(rough) ZnO還可以使新的電池設計成為可能。通常在可 以將SnC^還原成裸錫的還原氣氛中沉積微晶p層。該反應降低了 Sn02 前接觸的透明度。結(jié)果使電池性能降低。相反，在P層沉積期間當曝 露以還原等離子體時ZnO并未顯示出這種特性，這就允許在透明電極上 直接沉積微晶p層。
同樣地，濕氣/氣體滲透阻擋也給予了許多其他可選的電池設 計的靈活性，例如ZnO/Al制成的可選背部反射器或NIP電池。如圖1 所示的目前使用的方案使用相當厚的EVA或PVB層。這兩種材料都具 有濕氣/氣體擴散性。為了保護TF電池設計，模塊邊緣15和TF電池之 間的距離應盡可能大。另一方面在邊緣15和TF電池20之間的死區(qū)(dead area)根本上降低了模塊的功率。因此這些未利用區(qū)域降低了沉積玻璃 板的總體價值。
—般地基于玻璃板的封裝方案額外增加了模塊的重量。只要 模塊面積很小，這個并不是主要考慮的問題。玻璃面積超出1iW面積， 同時模塊重量根據(jù)玻璃的厚度增加10kg以上。該重量上加上封裝玻璃 的重量可能需要使用特別的安裝工具例如起重機或其他的提升裝置來安 裝該模塊。因玻璃背板而導致的模塊100的重量增加在終端用戶那里還 影響了模塊的支持結(jié)構(gòu)。
結(jié)果(圖lb)，為代替基于玻璃的背面，使用基于聚合物(塑 料)薄層42的電池覆蓋層(背部保護40)。這些方案通常需要在塑料材 料的上方有金屬薄層43以獲得合適的濕氣/氣體滲透值。使用這種設計 時須考慮其他問題。例如現(xiàn)代的模塊和太陽能電池技術(shù)使DC/AC轉(zhuǎn)換 器中的電流交替，該DC/AC轉(zhuǎn)換器頻繁的改變模塊的電流。這些電流 的改變對金屬背薄層43充電導致在金屬薄層43和支撐太陽能模塊100 的框架90之間電弧。這種電弧可能導致太陽能模塊100的總體損失。 結(jié)果，封裝必須和金屬框架90間設置一定距離。因此在框架90和封裝 區(qū)域間提供一個距離，這增加了玻璃邊緣15邊緣和能量收集材料(TF 電池20)邊緣之間的距離。因而，玻璃襯底20上的TF電池區(qū)域部分 減少了，導致太陽能電池模塊100中有源區(qū)域的損失。
目前的背部薄層60， 5 0方法使用薄層-金屬-Tedlar⑧的組合來 封裝薄膜電池。最后的Tedlar⑧薄層主要用于天氣和環(huán)境保護并且價格 相當高。使用替代的最終封裝材料在工業(yè)上將受到相當重視。
然而，太陽能電池封裝中的主要問題在模塊100的邊緣15上。 在那里封裝和襯底的界面非常容易有粘附問題。界面上的濕氣/氣體毛細 管滲透效應(creeping through capillary effects)將破壞電池的性能。待 膠合的界面不夠干凈或者對玻璃、背部薄層或粘合劑的不正確的清潔或 處理導致的膠合問題都可能會加重這種滲透效應。
發(fā)明內(nèi)容

復合的太陽能收集模塊包括襯底、薄膜太陽能收集電池、絕 緣膜和金屬層。襯底對太陽射線透明且具有襯底周圍邊緣。薄膜太陽能 收集電池緊鄰襯底布置以收集穿過襯底的太陽射線，并具有電池周圍邊 緣。電絕緣膜與襯底相對設于薄膜太陽能收集電池的上方，并具有絕緣 的周圍邊緣。金屬層與薄膜太陽能收集電池相對設置在絕緣膜上，并具 有金屬周圍邊緣。金屬周圍邊緣從襯底周圍邊緣和絕緣周圍邊緣凹進。該金屬周圍邊緣還至少與電池周圍邊緣共同延伸(coextensive)。


圖la禾n lb示出了傳統(tǒng)的太陽能電池封裝結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。
圖2示出了使用背部保護薄層的太陽能電池封裝結(jié)構(gòu)的目前 的設計。
圖3a示出了進一步的太陽能電池封裝結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。
圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的太陽能電池封裝結(jié)構(gòu) 的側(cè)面剖視圖。
具體實施方式
這里使用的下面縮寫具有以下意義TFcell: 薄膜電池PVB: 聚乙烯基丁縮醛(Polyvinylbutyral)EVA: 乙基醋酸乙烯(Ethyl Vmyl Acetate)Tedlar : 來自杜邦的聚氟乙烯薄片 PVC: 聚氯乙烯 PE: 聚乙烯PMMA: 聚甲基甲基丙烯酸(Polymethylmetacrylic Acid)樹脂玻 璃(Plexiglas)NIP: 指以下層壓TF電池結(jié)構(gòu)n摻雜硅層一本征硅層一p摻雜硅層PIN: 指以下層壓TF電池結(jié)構(gòu)p摻雜硅層一本征硅層一n摻雜硅層
也在此處使用的復合太陽能收集模塊是指通常的層壓結(jié)構(gòu)， 其中模塊的單個元件以分層的或"堆疊"方式的層或膜來提供。模塊中 的每個元件具有以該元件的周圍邊緣結(jié)束的基本平面寬闊區(qū)域和在與該 元件的平面寬闊區(qū)域垂直的方向測量的厚度，因此整個復合模塊的厚度 等于所有單個元件厚度的總和。"平面寬闊區(qū)域"并不意味著每個元件 都必須是平坦和平面的，也可以使用具有彎曲表面的元件，這種情形下 得到的太陽能收集模塊具有相對彎曲的表面形狀。
公開的發(fā)明通過應用如圖3所示的封裝方案來處理上述的問 題。在TF電池20的上部應用絕緣薄膜70。在膜70的上部沉積金屬材 料制成的另一層膜80來提供抵抗?jié)駳夂脱鯕獾臐B透阻擋。最后，在金 屬膜上應用機械和電保護層40以得到完整的封裝組件。
最接近TF電池20的第一絕緣薄膜是電絕緣膜70。和現(xiàn)有 技術(shù)相比，該膜70相對于典型的EVA和PVB嵌入材料其厚度只是一小 部分，因此與EVA和PVD嵌入材料30相比，從模塊邊緣到電池的側(cè) 向濕氣滲透可以減少到不足10。％。
優(yōu)選地，膜70可以旋涂、輥涂、噴射涂敷在由TF電池20 覆蓋的襯底10上?？梢允褂么罅康挠袡C和無機材料。例如，用于作電 路板涂覆時，樹脂就是很好的選擇，因為它們在商業(yè)上可行并在電絕緣 方面具有良好的特性。有機薄膜的最終厚度取決于.-a)膜70材料基礎需求是形成電絕緣膜。因而有機薄膜必須是連 續(xù)的并具有可接受的厚度均勻性。例如PMMA就是一種候選材料。然 而，根據(jù)其質(zhì)量和沉積方法所需的厚度可能改變。假定是具有低氣泡密 度的高等級材料，lum薄膜就足夠了。低等級材料可能較便宜，然而 由于氣泡和孔洞的密度高，可能需要的厚度更大，且可能出現(xiàn)TF電池 到頂部金屬薄膜的電弧路徑。這種情形下建議至少厚度大于l"m的薄 膜，根據(jù)例如氣泡和孔洞的密度的因素可以使用例如達到10"m和20 的厚度。如指出的那樣，氣泡和孔洞的密度是重要的。因此，沉積 方法對決定薄膜厚度很重要。例如，噴射涂敷的薄膜比旋轉(zhuǎn)涂敷的薄膜 具有較高的氣泡和孔洞密度及較低的均勻性。有機薄膜使用的材料并不 限于單一選擇。不使用有機薄膜，也可以使用無機薄膜(參考例如美國專 利No. 6407329)。 b)電特性絕緣膜70必須具有足夠低的電導性，使得模塊的電性能(填充系數(shù)(fill factor),電壓和電流)不受負面的影響。
—般絕緣膜70通過以下標準來優(yōu)化a) 在電特性和環(huán)境穩(wěn)定性方面的優(yōu)化材料b) 應用已知的工業(yè)化和自動方法
由于膜厚度很低，絕緣膜70到空氣的擴散橫截面同樣很低， 使空氣和濕度交換降到接近為零。在絕緣膜70的頂部沉積了金屬層80。 該金屬層80可以是例如Al、 Cu，并直接放置在絕緣膜70上。TF電池 20嵌在金屬層80內(nèi)，對其構(gòu)成完全保護使其免于環(huán)境影響。全部的金 屬覆蓋可由幾種方法得到。然而，由于金屬對所有的TF層相關(guān)的氣體 都具有很低的滲透性，所以只需很薄的金屬層。因而使用從幾個(例如 2 — 3)納米厚到一或兩個微米厚的層。我們的實驗已經(jīng)示出lOOnm厚 的鋁膜可以提供很好的密封性能。然而，需要指出的是金屬膜80的層 厚非常依賴于使用的金屬和獲得的膜質(zhì)量。 一般而言金屬膜80應當是 連續(xù)的，且應當在確定最終的膜厚之前使用同樣的安全裕量。沉積膜的 可選方法是濺射，它使得能夠以可接受的價格實現(xiàn)這種薄層的快速且同 質(zhì)的沉積。
如圖3b的實施例所示，金屬膜80不必和絕緣膜70對準。 也就是說，金屬膜80的邊緣不必和絕緣膜70齊平或共同延伸。作為替 代，與位于金屬膜80和TF電池20間的絕緣膜70相比，金屬膜80從 模塊100的邊緣15 (也從包裝模塊100的金屬框架90)凹進了更大的 距離。在該示出的實施例中，金屬膜80從模塊邊緣15凹進了一個距離， 而絕緣膜70 —直延伸到模塊邊緣15。這種設置允許金屬膜80相對于玻 璃邊緣15和金屬框架90的凹進，以支撐太陽能電池模塊。金屬框架90 和金屬膜80中間的空隙足夠大，同時TF電池20和金屬膜80之間的距 離也足夠避免電弧問題。相比以前的配置，通過產(chǎn)生能量的TF電池區(qū) 域使得得到了更高的玻璃利用率。圖3a和圖3b的比較將詳細解釋這種 好處。在圖3a的例子中，金屬保護膜80和玻璃(模塊)邊緣15間的 凹進是必須的，它消耗了從模塊邊緣15算起約5 — 15mm的玻璃面積。 在該距離之后，開始對氣體/濕氣緊密密封必要的金屬/薄層(foil)布置。
在圖3b示出的本發(fā)明的實施例中，絕緣膜70接近玻璃邊緣15，只有金屬膜80凹進。這允許金屬膜80邊緣定位得與TF電池20更接近，例如 0—4mm，這是由于絕緣膜70延伸出它們的相應邊緣足夠遠，使得電弧 不會在它們之間在絕緣層70的邊緣周圍跳躍。因而在示出的實施例中， TF電池20在更加靠近玻璃襯底10 (模塊)的邊緣15延伸約15mm。 假定玻璃(模塊)尺寸是1100X1300mn^并計算TF電池20整體周長 上增加的15mm延伸的增加面積，那么有源TF區(qū)域?qū)募s1.35n^增加 到約1.39m2，增幅為2.6%。
在一層或多層絕緣膜70和金屬膜80上方，應用了機械和電 保護層40。該機械保護層40保護該薄膜組件不受例如在安裝太陽能板 時的切割和機械方面的天氣影響的機械損傷。和以前的工藝相比，該層 40不需要有任何的氣體滲透性能。因此，相比目前使用的Tedlar⑧薄片 而言可以使用低預算的材料。公開的封裝允許TF電池20具有抵抗大氣 氣體曝露的很穩(wěn)定的絕緣性。因此，可以使用濕度敏感的TF電池材料。 一個優(yōu)選的材料是硼摻雜的ZnO，它是高效電池的可行的候選TCO (透明導電氧化物)材料。
基于上述的公開可以有幾個優(yōu)點1. 非常穩(wěn)定的封裝，暴露在濕度和/或高溫下時基本不變化， 延長的壽命。2. 可以使用例如采用LP-CVD (低壓化學氣相沉積)方法沉 積的ZnO的材料作前TCO，使得電池性能更高。3. 可以使用例如Ag的材料作為背反射材料，提高了電池效 率并減少了成本。4. 可以使用例如ZnO這樣的在低溫下沉積的材料用作與白 反射器結(jié)合的背部接觸。5. 由于滲透的減少，因此從模塊邊緣到TF電池的距離可以 減少，其提高了電池孔徑和每個模塊的功率。6. 由于金屬層沒有暴露于或接近于金屬框架，因此不存在放 電弧或寄生放電的風險。
而且，由于增強的大氣絕緣性，因此NIP太陽能電池也是可
能的。對于所有其中必須保護薄膜電池不受濕度或大氣氣體影響的情形 都可以使用絕緣。
雖然本發(fā)明通過某些實施例做了介紹，應當理解，在并不脫 離由所附權(quán)利要求所闡明的本發(fā)明的范圍和精神且無需通過過度試驗的 情況下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員就可以對本發(fā)明作出的各種調(diào)整和改變。
權(quán)利要求
1、一種復合的太陽能收集模塊，包括對于太陽射線透明的襯底，所述襯底具有襯底周圍邊緣；薄膜太陽能收集電池，鄰接所述襯底布置，用于收集透過所述襯底的太陽射線，所述薄膜太陽能收集電池具有電池周圍邊緣；電絕緣膜，相對于所述襯底布置于所述薄膜太陽能收集電池上，并具有絕緣周圍邊緣；以及金屬層，相對于所述薄膜太陽能收集電池布置于所述絕緣膜上，并具有金屬周圍邊緣；所述金屬周圍邊緣從所述襯底周圍邊緣和所述絕緣周圍邊緣向內(nèi)凹進，所述金屬周圍邊緣還與所述電池周圍邊緣至少共同延伸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能收集模塊，所述金屬周圍邊緣和 所述電池周圍邊緣共同延伸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l一2所述的太陽能收集模塊，所述絕緣周圍邊緣 與所述襯底周圍邊緣共同延伸。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l一3所述的太陽能收集模塊，所述金屬層向所述 襯底周圍邊緣延伸超過所述電池周圍邊緣0—4mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能收集模塊，所述金屬周圍邊緣從 所述襯底周圍邊緣向內(nèi)凹進5到15mm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 — 5所述的太陽能收集模塊，還包括相對于所述 絕緣膜布置在所述金屬層上的機械保護層，所述機械保護層與所述襯底 共同延伸。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l一6所述的太陽能收集模塊，所述襯底由玻璃制 成，所述機械保護層由選自包括玻璃和聚合物材料的組中的材料制成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l一7所述的太陽能收集模塊，所述太陽能收集電 池包括硼摻雜的ZnO透明導電層。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l一8所述的太陽能收集模塊，所述電絕緣膜具有 1 ixm到10um的厚度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽能收集模塊，所述電絕緣膜由PMMA制成。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l一9所述的太陽能收集模塊，所述金屬層具有從2nm到2um的厚度。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的太陽能收集模塊，所述金屬層具有約 100nm的厚度。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1一12所述的太陽能收集模塊，所述金屬層是鋁膜。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1一13所述的太陽能收集模塊，所述太陽能收集 電池具有PIN結(jié)構(gòu)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1一13所述的太陽能收集模塊，所述太陽能收集 電池具有NIP結(jié)構(gòu)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1一15所述的太陽能收集模塊，所述襯底具有 1100mmX 1300mm的尺寸并因此確定了 4800mm長的襯底周圍邊緣，所 述金屬周圍邊緣從所述襯底周圍邊緣向內(nèi)凹進5到15mm，且所述電池 周圍邊緣從所述襯底周圍邊緣向內(nèi)凹進5到19mm。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的太陽能收集模塊，所述電絕緣膜具有 從1 u m到10 u m的厚度，所述金屬層具有2nm到2 u m的厚度。
全文摘要
一種復合的太陽能收集模塊，包括封裝在一側(cè)的例如玻璃的透明襯底和另一側(cè)的電絕緣膜之間的薄膜太陽能收集電池。在電絕緣膜上布置金屬層，以提供保護使其免于可能損害該薄膜太陽能收集電池的大氣物質(zhì)的擴散的影響。確定絕緣和金屬層的尺寸使得更大的收集電池可在更大比例的可用襯底表面區(qū)域上用于收集太陽能，而不會在電池邊緣和金屬層邊緣之間產(chǎn)生電弧。
文檔編號H01L31/048GK101156251SQ200680011479
公開日2008年4月2日 申請日期2006年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者A·比切爾 申請人:Oc歐瑞康巴爾斯公司