专利名称：太阳能电池模块及其封装方法
太阳能电池模块及其封装方法
本申请要求了于2005年4月11日提交的美国临时申请序列 号60/670538的优先权，其全部内容在此引入作为参考。
技术背景
封装对于太阳能电池的寿命而言是很关键的，尤其是薄膜太 阳能电池。普遍使用的封装方法(Glass/TF-Cell/PVB/Glass )或 (Glass/TF-Cell/EVA/Tedlar/Al)具有大量的湿气和氧渗透，其主要是从 太阳能电池的边缘穿过EVA/PVB叠层材料。扩散物质的量取决于直接 暴露于空气的PVB或EVA的面积(封装材料薄膜的厚度乘以模块的周 长)。结果厚PVB或EVA层导致高的渗透几率，增加了封装区域中的湿 度和氧含量。穿过封装材料渗透的气体对某些TF电池材料可能是有害 的。特别是作为透明导电层使用的掺硼ZnO，它对湿度敏感，在使用标 准封装时其寿命可能严重受到限制。
因而模块制造使用稳定的薄膜材料，例如Sn02。考虑电池稳 定性时这些材料是最好的选择。然而，对于整体电池性能这可能并不是 最好的选择。例如，湿度敏感的ZnO透明电极材料就可增强电池性能， 特别是光捕捉特性(参看丄Mueller in Solar Energy 77(2004)p.917或 J.Meier et al at Orlando Solar Energy Conference 2005 proceedings (2005))。由于封装材料的受限绝缘质量，未采用这种优越的透明电极材 料，以避免受到湿度影响时电池性能的恶化。
图la和lb示出了目前使用的太阳能收集模块100中用于TF 电池的封装方案。TF电池20封装在前端的透明衬底10和背部的封装 材料30 (EVA或PVB)和背部保护层40中。该背部保护层可以是玻璃 41或聚合材料42。使用聚合薄层(f01l) 42时，需要向聚合薄层粘附另 外的金属层43以限制经过聚合薄层的扩散。目前，使用了相当厚的聚 合薄层或层(到达几个毫米)，金属膜直接层叠在聚合薄层上。金属膜 和聚合薄层都提供有齐平的边缘(flush edges),并需要粘附到玻璃衬底。
与玻璃衬底的粘附可以通过层压或胶合工艺来完成。Tedlar是上述聚合 薄层的可选择的材料，因为它相对于各种环境条件相当稳定。然而，也 可以使用其他薄层材料。
利用非玻璃替代物封装薄膜太阳能收集电池的一种更成熟的 方案是使用包括如图2所示的金属密封薄层60的背部保护层40。主要 的聚合薄层50用作介电材料和机械保护，而金属薄层60用作象氧气或 水蒸汽这样的环境气体的扩散阻挡。对工业应用，金属和聚合物薄层60 和50主要通过胶合相互粘附，使金属和聚合物薄层都具有齐平的边缘 (flush edges)。如图2所示，将这个特殊的背部保护层40层压到玻璃 衬底10上，得到湿度渗透减少的太阳能模块100。然而，这种封装具有 电弧问题(arcingproblems)的主要缺陷。
该电弧是由从多层薄层的金属边缘(层50/60的边缘)流到 接地的金属框架90或任何周围的接地电势的漏电流引起的。当代，无 变压器(tansformer-less)的DC/AC转换器切换模块的极性以更有效的 变换到AC电压。TF电池20和具有金属层60的背部保护40在这种改 变时表现为电容器。结果，金属边缘上的电压跟随TF电池20的电压。 由于金属薄层60现在被充电，到地电势(例如模块的框架)的电弧成 为可能，并且在湿润条件下极可能发生。这种电弧不仅损害封装薄层并 使DC/AC转换器产生严重问题。
目前可行的封装方案将模块设计限制为对湿气和/或氧气不敏 感的材料。例如，目前薄膜模块制造使用Sn(^作为透明电极。具有高 霾(haze)系数的ZnO可作备选。然而，这种材料对湿度更加敏感。使 用这种粗糙(rough) ZnO还可以使新的电池设计成为可能。通常在可 以将SnC^还原成裸锡的还原气氛中沉积微晶p层。该反应降低了 Sn02 前接触的透明度。结果使电池性能降低。相反，在P层沉积期间当曝 露以还原等离子体时ZnO并未显示出这种特性，这就允许在透明电极上 直接沉积微晶p层。
同样地，湿气/气体渗透阻挡也给予了许多其他可选的电池设 计的灵活性，例如ZnO/Al制成的可选背部反射器或NIP电池。如图1 所示的目前使用的方案使用相当厚的EVA或PVB层。这两种材料都具 有湿气/气体扩散性。为了保护TF电池设计，模块边缘15和TF电池之 间的距离应尽可能大。另一方面在边缘15和TF电池20之间的死区(dead area)根本上降低了模块的功率。因此这些未利用区域降低了沉积玻璃 板的总体价值。
—般地基于玻璃板的封装方案额外增加了模块的重量。只要 模块面积很小，这个并不是主要考虑的问题。玻璃面积超出1iW面积， 同时模块重量根据玻璃的厚度增加10kg以上。该重量上加上封装玻璃 的重量可能需要使用特别的安装工具例如起重机或其他的提升装置来安 装该模块。因玻璃背板而导致的模块100的重量增加在终端用户那里还 影响了模块的支持结构。
结果(图lb)，为代替基于玻璃的背面，使用基于聚合物(塑 料)薄层42的电池覆盖层(背部保护40)。这些方案通常需要在塑料材 料的上方有金属薄层43以获得合适的湿气/气体渗透值。使用这种设计 时须考虑其他问题。例如现代的模块和太阳能电池技术使DC/AC转换 器中的电流交替，该DC/AC转换器频繁的改变模块的电流。这些电流 的改变对金属背薄层43充电导致在金属薄层43和支撑太阳能模块100 的框架90之间电弧。这种电弧可能导致太阳能模块100的总体损失。 结果，封装必须和金属框架90间设置一定距离。因此在框架90和封装 区域间提供一个距离，这增加了玻璃边缘15边缘和能量收集材料(TF 电池20)边缘之间的距离。因而，玻璃衬底20上的TF电池区域部分 减少了，导致太阳能电池模块100中有源区域的损失。
目前的背部薄层60， 5 0方法使用薄层-金属-Tedlar⑧的组合来 封装薄膜电池。最后的Tedlar⑧薄层主要用于天气和环境保护并且价格 相当高。使用替代的最终封装材料在工业上将受到相当重视。
然而，太阳能电池封装中的主要问题在模块100的边缘15上。 在那里封装和衬底的界面非常容易有粘附问题。界面上的湿气/气体毛细 管渗透效应(creeping through capillary effects)将破坏电池的性能。待 胶合的界面不够干净或者对玻璃、背部薄层或粘合剂的不正确的清洁或 处理导致的胶合问题都可能会加重这种渗透效应。
发明内容
复合的太阳能收集模块包括衬底、薄膜太阳能收集电池、绝 缘膜和金属层。衬底对太阳射线透明且具有衬底周围边缘。薄膜太阳能 收集电池紧邻衬底布置以收集穿过衬底的太阳射线，并具有电池周围边 缘。电绝缘膜与衬底相对设于薄膜太阳能收集电池的上方，并具有绝缘 的周围边缘。金属层与薄膜太阳能收集电池相对设置在绝缘膜上，并具 有金属周围边缘。金属周围边缘从衬底周围边缘和绝缘周围边缘凹进。该金属周围边缘还至少与电池周围边缘共同延伸(coextensive)。
图la禾n lb示出了传统的太阳能电池封装结构的侧面剖视图。
图2示出了使用背部保护薄层的太阳能电池封装结构的目前 的设计。
图3a示出了进一步的太阳能电池封装结构的侧面剖视图。
图3b示出了根据本发明一个实施例的太阳能电池封装结构 的侧面剖视图。
具体实施方式
这里使用的下面縮写具有以下意义TFcell: 薄膜电池PVB: 聚乙烯基丁缩醛(Polyvinylbutyral)EVA: 乙基醋酸乙烯(Ethyl Vmyl Acetate)Tedlar : 来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)树脂玻 璃(Plexiglas)NIP: 指以下层压TF电池结构n掺杂硅层一本征硅层一p掺杂硅层PIN: 指以下层压TF电池结构p掺杂硅层一本征硅层一n掺杂硅层
也在此处使用的复合太阳能收集模块是指通常的层压结构， 其中模块的单个元件以分层的或"堆叠"方式的层或膜来提供。模块中 的每个元件具有以该元件的周围边缘结束的基本平面宽阔区域和在与该 元件的平面宽阔区域垂直的方向测量的厚度，因此整个复合模块的厚度 等于所有单个元件厚度的总和。"平面宽阔区域"并不意味着每个元件 都必须是平坦和平面的，也可以使用具有弯曲表面的元件，这种情形下 得到的太阳能收集模块具有相对弯曲的表面形状。
公开的发明通过应用如图3所示的封装方案来处理上述的问 题。在TF电池20的上部应用绝缘薄膜70。在膜70的上部沉积金属材 料制成的另一层膜80来提供抵抗湿气和氧气的渗透阻挡。最后，在金 属膜上应用机械和电保护层40以得到完整的封装组件。
最接近TF电池20的第一绝缘薄膜是电绝缘膜70。和现有 技术相比，该膜70相对于典型的EVA和PVB嵌入材料其厚度只是一小 部分，因此与EVA和PVD嵌入材料30相比，从模块边缘到电池的侧 向湿气渗透可以减少到不足10。％。
优选地，膜70可以旋涂、辊涂、喷射涂敷在由TF电池20 覆盖的衬底10上。可以使用大量的有机和无机材料。例如，用于作电 路板涂覆时，树脂就是很好的选择，因为它们在商业上可行并在电绝缘 方面具有良好的特性。有机薄膜的最终厚度取决于.-a)膜70材料基础需求是形成电绝缘膜。因而有机薄膜必须是连 续的并具有可接受的厚度均匀性。例如PMMA就是一种候选材料。然 而，根据其质量和沉积方法所需的厚度可能改变。假定是具有低气泡密 度的高等级材料，lum薄膜就足够了。低等级材料可能较便宜，然而 由于气泡和孔洞的密度高，可能需要的厚度更大，且可能出现TF电池 到顶部金属薄膜的电弧路径。这种情形下建议至少厚度大于l"m的薄 膜，根据例如气泡和孔洞的密度的因素可以使用例如达到10"m和20 的厚度。如指出的那样，气泡和孔洞的密度是重要的。因此，沉积 方法对决定薄膜厚度很重要。例如，喷射涂敷的薄膜比旋转涂敷的薄膜 具有较高的气泡和孔洞密度及较低的均匀性。有机薄膜使用的材料并不 限于单一选择。不使用有机薄膜，也可以使用无机薄膜(参考例如美国专 利No. 6407329)。 b)电特性绝缘膜70必须具有足够低的电导性，使得模块的电性能(填充系数(fill factor),电压和电流)不受负面的影响。
—般绝缘膜70通过以下标准来优化a) 在电特性和环境稳定性方面的优化材料b) 应用已知的工业化和自动方法
由于膜厚度很低，绝缘膜70到空气的扩散横截面同样很低， 使空气和湿度交换降到接近为零。在绝缘膜70的顶部沉积了金属层80。 该金属层80可以是例如Al、 Cu，并直接放置在绝缘膜70上。TF电池 20嵌在金属层80内，对其构成完全保护使其免于环境影响。全部的金 属覆盖可由几种方法得到。然而，由于金属对所有的TF层相关的气体 都具有很低的渗透性，所以只需很薄的金属层。因而使用从几个(例如 2 — 3)纳米厚到一或两个微米厚的层。我们的实验已经示出lOOnm厚 的铝膜可以提供很好的密封性能。然而，需要指出的是金属膜80的层 厚非常依赖于使用的金属和获得的膜质量。 一般而言金属膜80应当是 连续的，且应当在确定最终的膜厚之前使用同样的安全裕量。沉积膜的 可选方法是溅射，它使得能够以可接受的价格实现这种薄层的快速且同 质的沉积。
如图3b的实施例所示，金属膜80不必和绝缘膜70对准。 也就是说，金属膜80的边缘不必和绝缘膜70齐平或共同延伸。作为替 代，与位于金属膜80和TF电池20间的绝缘膜70相比，金属膜80从 模块100的边缘15 (也从包装模块100的金属框架90)凹进了更大的 距离。在该示出的实施例中，金属膜80从模块边缘15凹进了一个距离， 而绝缘膜70 —直延伸到模块边缘15。这种设置允许金属膜80相对于玻 璃边缘15和金属框架90的凹进，以支撑太阳能电池模块。金属框架90 和金属膜80中间的空隙足够大，同时TF电池20和金属膜80之间的距 离也足够避免电弧问题。相比以前的配置，通过产生能量的TF电池区 域使得得到了更高的玻璃利用率。图3a和图3b的比较将详细解释这种 好处。在图3a的例子中，金属保护膜80和玻璃(模块)边缘15间的 凹进是必须的，它消耗了从模块边缘15算起约5 — 15mm的玻璃面积。 在该距离之后，开始对气体/湿气紧密密封必要的金属/薄层(foil)布置。
在图3b示出的本发明的实施例中，绝缘膜70接近玻璃边缘15，只有金属膜80凹进。这允许金属膜80边缘定位得与TF电池20更接近，例如 0—4mm，这是由于绝缘膜70延伸出它们的相应边缘足够远，使得电弧 不会在它们之间在绝缘层70的边缘周围跳跃。因而在示出的实施例中， TF电池20在更加靠近玻璃衬底10 (模块)的边缘15延伸约15mm。 假定玻璃(模块)尺寸是1100X1300mn^并计算TF电池20整体周长 上增加的15mm延伸的增加面积，那么有源TF区域将从约1.35n^增加 到约1.39m2，增幅为2.6%。
在一层或多层绝缘膜70和金属膜80上方，应用了机械和电 保护层40。该机械保护层40保护该薄膜组件不受例如在安装太阳能板 时的切割和机械方面的天气影响的机械损伤。和以前的工艺相比，该层 40不需要有任何的气体渗透性能。因此，相比目前使用的Tedlar⑧薄片 而言可以使用低预算的材料。公开的封装允许TF电池20具有抵抗大气 气体曝露的很稳定的绝缘性。因此，可以使用湿度敏感的TF电池材料。 一个优选的材料是硼掺杂的ZnO，它是高效电池的可行的候选TCO (透明导电氧化物)材料。
基于上述的公开可以有几个优点1. 非常稳定的封装，暴露在湿度和/或高温下时基本不变化， 延长的寿命。2. 可以使用例如采用LP-CVD (低压化学气相沉积)方法沉 积的ZnO的材料作前TCO，使得电池性能更高。3. 可以使用例如Ag的材料作为背反射材料，提高了电池效 率并减少了成本。4. 可以使用例如ZnO这样的在低温下沉积的材料用作与白 反射器结合的背部接触。5. 由于渗透的减少，因此从模块边缘到TF电池的距离可以 减少，其提高了电池孔径和每个模块的功率。6. 由于金属层没有暴露于或接近于金属框架，因此不存在放 电弧或寄生放电的风险。
而且，由于增强的大气绝缘性，因此NIP太阳能电池也是可
能的。对于所有其中必须保护薄膜电池不受湿度或大气气体影响的情形 都可以使用绝缘。
虽然本发明通过某些实施例做了介绍，应当理解，在并不脱 离由所附权利要求所阐明的本发明的范围和精神且无需通过过度试验的 情况下，本领域普通技术人员就可以对本发明作出的各种调整和改变。
权利要求
1、一种复合的太阳能收集模块，包括对于太阳射线透明的衬底，所述衬底具有衬底周围边缘；薄膜太阳能收集电池，邻接所述衬底布置，用于收集透过所述衬底的太阳射线，所述薄膜太阳能收集电池具有电池周围边缘；电绝缘膜，相对于所述衬底布置于所述薄膜太阳能收集电池上，并具有绝缘周围边缘；以及金属层，相对于所述薄膜太阳能收集电池布置于所述绝缘膜上，并具有金属周围边缘；所述金属周围边缘从所述衬底周围边缘和所述绝缘周围边缘向内凹进，所述金属周围边缘还与所述电池周围边缘至少共同延伸。
2、 根据权利要求1所述的太阳能收集模块，所述金属周围边缘和 所述电池周围边缘共同延伸。
3、 根据权利要求l一2所述的太阳能收集模块，所述绝缘周围边缘 与所述衬底周围边缘共同延伸。
4、 根据权利要求l一3所述的太阳能收集模块，所述金属层向所述 衬底周围边缘延伸超过所述电池周围边缘0—4mm。
5、 根据权利要求4所述的太阳能收集模块，所述金属周围边缘从 所述衬底周围边缘向内凹进5到15mm。
6、 根据权利要求1 — 5所述的太阳能收集模块，还包括相对于所述 绝缘膜布置在所述金属层上的机械保护层，所述机械保护层与所述衬底 共同延伸。
7、 根据权利要求l一6所述的太阳能收集模块，所述衬底由玻璃制 成，所述机械保护层由选自包括玻璃和聚合物材料的组中的材料制成。
8、 根据权利要求l一7所述的太阳能收集模块，所述太阳能收集电 池包括硼掺杂的ZnO透明导电层。
9、 根据权利要求l一8所述的太阳能收集模块，所述电绝缘膜具有 1 ixm到10um的厚度。
10、 根据权利要求9所述的太阳能收集模块，所述电绝缘膜由PMMA制成。
11、 根据权利要求l一9所述的太阳能收集模块，所述金属层具有从2nm到2um的厚度。
12、 根据权利要求11所述的太阳能收集模块，所述金属层具有约 100nm的厚度。
13、 根据权利要求1一12所述的太阳能收集模块，所述金属层是铝膜。
14、 根据权利要求1一13所述的太阳能收集模块，所述太阳能收集 电池具有PIN结构。
15、 根据权利要求1一13所述的太阳能收集模块，所述太阳能收集 电池具有NIP结构。
16、 根据权利要求1一15所述的太阳能收集模块，所述衬底具有 1100mmX 1300mm的尺寸并因此确定了 4800mm长的衬底周围边缘，所 述金属周围边缘从所述衬底周围边缘向内凹进5到15mm，且所述电池 周围边缘从所述衬底周围边缘向内凹进5到19mm。
17、 根据权利要求16所述的太阳能收集模块，所述电绝缘膜具有 从1 u m到10 u m的厚度，所述金属层具有2nm到2 u m的厚度。
全文摘要
一种复合的太阳能收集模块，包括封装在一侧的例如玻璃的透明衬底和另一侧的电绝缘膜之间的薄膜太阳能收集电池。在电绝缘膜上布置金属层，以提供保护使其免于可能损害该薄膜太阳能收集电池的大气物质的扩散的影响。确定绝缘和金属层的尺寸使得更大的收集电池可在更大比例的可用衬底表面区域上用于收集太阳能，而不会在电池边缘和金属层边缘之间产生电弧。
文档编号H01L31/048GK101156251SQ200680011479
公开日2008年4月2日 申请日期2006年4月10日 优先权日2005年4月11日
发明者A·比切尔 申请人:Oc欧瑞康巴尔斯公司