用于将柔性太阳能电池输送至卷到卷模块组装过程中的方法与流程

本申请要求2013年11月14日提交的美国临时申请第61/904,058号的优先权，其公开内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于封装光伏电池的系统和工艺。

背景技术：

在实例中，在柔性衬底上的薄膜太阳能电池包括安置在薄金属箔(例如，不锈钢)上的非晶硅和在金属或聚酰亚胺箔上的铜铟镓二硒化物(CIGS)。薄膜碲化镉(CdTe)太阳能电池可以在玻璃上生产，但是也可以在柔性衬底上生产。为了可用于太阳能供电系统，太阳能电池与其它类似太阳能电池串联电互连以升高电压水平并最小化否则由于高电流将出现的损耗。

技术实现要素：

在一个方面，本公开描述了一种方法。所述方法包含递增地形成光伏电池串，使得在串中的光伏电池从串的前边缘延伸。递增地形成串包含依次地连接连续的光伏电池，并且依次地连接连续的光伏电池包含将每个连续光伏电池连接至对应的此前已连接的离前边缘最远的光伏电池。所述方法还包含在形成串时将旁路二极管电连接至串的连续部分，使得每个连续部分包括与第一预定数目的串联连接的光伏电池并联连接的旁路二极管。所述方法另外包含在形成串时通过使串的前边缘绕引出卷筒旋转将其上连接有旁路二极管的串缠绕成卷。所述方法还包含响应于达到第二预定数目的光伏电池的串完成所述卷；以及封装所完成的卷。

在另一方面，本公开描述了一种系统。所述系统包含制造装置，其经配置以递增地形成光伏电池串，使得在串中的光伏电池从串的前边缘延伸。为了递增地形成串，制造装置经配置以依次地连接连续的光伏电池，并且为了依次地连接连续的光伏电池，制造装置经配置以将每个连续光伏电池连接至对应的此前已连接的离前边缘最远的光伏电池。制造装置另外经配置以在形成串时将旁路二极管任选地电连接至串的连续部分，使得每个连续部分包括与第一预定数目的串联连接的光伏电池并联连接的旁路二极管。系统还包含滚动装置，其经配置以在形成串时通过使串的前边缘绕着引出卷筒旋转将其上连接有旁路二极管的串缠绕成卷，并且响应于达到第二预定数目光伏电池的串完成卷。所述系统另外包含封装装置，其经配置以封装完成的卷。

在又一方面，本公开描述了封装。所述封装包括光伏电池卷。光伏电池卷包含绕芯缠绕的光伏电池串。光伏电池串可为每卷单个串或可包含由对应的分隔区域分隔开的光伏电池组，其中每组包含预定数目的串联连接的光伏电池，并且其中每个分隔区域将在一组中的光伏电池与在相邻组中的光伏电池电隔离。封装还包括至少部分包围光伏电池卷的封装。

前述发明内容仅是例示性的并且不旨在以任何方式限制。除了上述例示性方面、实施例以及特征之外，通过参考附图和以下详细描述，另外的方面、实施例以及特征将变得显而易见。

附图说明

图1根据实例实施例示出了一部分平面金属网的几何结构。

图2a和图2b根据实例实施例示出了成品光伏电池。

图3a根据实例实施例示出了从柔性光伏电池的长互连串部分的光敏侧的示意性平面视图。

图3b根据实例实施例示出了图3a的互连电池部分的示意的横截面侧视图。

图4为根据实例实施例示出用于封装光伏电池方的法的流程图。

图5根据实例实施例示出了具有依次连接的光伏电池的串构建工具。

图6a根据实例实施例示出了阻塞二极管的操作。

图6b根据实例实施例示出了旁路二极管的操作。

图7a根据实例实施例示出了连接至光伏电池组的旁路二极管。

图7b根据实例实施例示出了连接至两个连续光伏电池组的两个旁路二极管。

图8根据实例实施例示出了将光伏电池串进料至引出卷筒。

图9根据实例实施例示出了完成的卷和对完成卷的封装。

具体实施方式

以下详细描述参考附图描述了所公开的系统和方法的各种特征和功能。在图中，除非上下文另外规定，否则类似符号标识类似部件。本文中所描述的例示性系统和方法实施例不意指限制。可容易理解的是，所公开的系统和方法的某些方面可以多种不同配置来布置及组合，本文中涵盖所有所述配置。

如本文所使用的术语“光伏电池”(在本文中也是“太阳能电池”)，一般指的是包含光活性材料(或吸收器)的器件，所述器件经配置以在器件暴露于电磁辐射(或能量)或电磁辐射给定波长或其波长给定分布时产生电子(或电)。光伏器件可包括相邻于光活性材料的柔性衬底。如本文所使用的术语“光伏串”一般指的是包含一个或多个光伏电池的器件。

太阳能电池可以与其它类似太阳能电池串联电连接以升高电压水平并最小化否则由于高电流将出现的电阻损耗。一定数目串联连接的电池基于由电气标准(UL或TUV)定义的电压限制可以其安装受限，但是仍有一些应用包括许多串联连接的太阳能电池。举例来说，屋顶应用可使用集成到几米长的太阳能模块中的许多电池。在一些实例中，电池可以运送至屋顶供应商作为在供应商机构处用于叠置的数百个单独单元的盒子；但是，此种运送方法可包括在供应商地点处的显著资本投资和劳动需求两者。在其它实例中，几米长的电池串可以预先制备，但是运送和搬运此种串可为复杂的。

还可产生其它搬运问题。举例来说，单独的电池易碎并且在搬运和运送期间可被损坏。几米长的电池长串对于搬运繁琐并且几个人可以参与搬运此类串，这可增加封装和运送的复杂性。另外，若单独的电池被发送至客户，则客户可将旁路二极管安装至用于保护电池组，这还可包括劳动和资源投资。而且，基于应用类型，太阳能电池应用可包括多尺寸的串。在客户供应商处必须将单独的电池集成到不同尺寸的串中以匹配不同应用，这可为繁琐的。

本文中所公开的为缓解前述问题的用于封装和运送光伏电池的方法和系统。可以形成光伏电池串、缠绕成卷并且封装。封装的卷可包括任何数目的光伏电池(例如，数千个)。封装的卷可便于运送至客户并由客户搬运。举例来说，电池卷可以在客户机构处由单个人解开并搬运。旁路二极管可以集成到卷中而不是在客户机构处添加。电池卷可以适合于定制尺寸应用。包括适合于具体应用的预定数目的电池的卷的部分可以解开并且从卷的其余部分中切割以被用于具体应用。根据本文所公开的方法和系统其它方面和优点将变得显而易见。

I.光伏电池构建

在一些实例中，光伏电池包含包括相邻于光活性材料的柔性衬底和从第一电池电极至相邻电池电极的互连件的光伏器件。举例来说，互连件可包括相邻于光伏器件的电线、金属网等等。光伏器件可包括柔性薄膜光伏器件。金属网可包含用于允许电磁辐射与光活性材料接触的多个洞(或开口)。光伏电池可另外包含在光伏器件边缘部分安置在金属网和光伏器件之间电绝缘材料。在实例中，电绝缘材料可以是光学透明的。

金属网的开口可具有任何形状、尺寸或配置。开口可为环形、三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、七边形、八边形或九边形或任何部分形状(例如，半环形)或其组合。

光活性材料可经配置以在暴露于电磁辐射(或光)时吸收光并产生电子。金属网可以适于收集来自光伏器件的电子并将电子传导至负载，如举例来说，能量储存系统(例如，电池)、电网或电子器件或系统。光活性材料可以由各种材料形成。柔性光活性的材料的实例包括(但不限于)非晶硅、铜硫族化物(例如，铜铟硫化物、铜铟硒化物、铜铟镓二硒化物或CIGS等等)、碲化镉(CdTe)以及CdZnTe/CdTe。

在一些情况下，光伏电池另外包含将金属网固定至光伏器件的光学透明膜。光学透明膜可以是压敏粘合剂。作为替代方案，金属网可以通过导电环氧树脂固定至光伏器件。作为另一个替代方案，金属网可以通过低熔点焊料附接至光伏器件。作为又一个替代方案，金属网可以通过导电带或热塑性材料(如热熔粘合剂)附接至或固定至光伏器件。

图1根据实例实施例示出了一部分平面金属网的几何结构。金属网100可以安装在光伏器件上以形成光伏电池。网100具有宽度Wm并且可具有在箭头102方向上大体上长的长度。放大视图104示出网几何结构的细节。一般来说，在网中的开口具有宽度Wo，长度Lo以及边高Ho。在一个实例中，Ho可约为1/3Lo至1/2Lo，因此开口类似于细长的六边形，但是Ho可以为0。在那个实例中，网开口采用边长为d的菱形(虚线)形式。若继续扩展金属直至Wo等于Lo，则然后开口可以更对称，并且若Ho也接近于0则菱形可以是正方形。

网100可以由金属材料(如铜、铁、锡、镍、金、银、铂、钯、铬、钨、钛、钽或其任何组合)形成。在一些实例中，网100可以由聚合材料形成并且涂覆有金属材料。

图2a和图2b根据实例实施例示出了成品光伏电池。单独光伏电池的平面视图在图2a中示出。有源光伏(或太阳能)器件200(在本文中也为“器件”)具有宽度Wc和长度Lc。具有如图1所示宽度Wm的一部分网100可以施用在器件200上方。网100在器件200的一个边缘上方延伸(即，悬垂)。在器件200的左侧上，网100短了(从器件200的边缘)量“e”。网100与器件200的一个长边重叠了量“s”，举例来说所述量“s”可以是Lo的几倍。网100可导致在沿着悬垂区域的器件200的边缘处电短路或分流。通过之前施用宽度大致为2e的绝缘透明的压敏粘合剂(PSA)的薄条202可以防止这种情况。网100可以固定构件(如PSA、热敏透明带或热熔粘合剂，其尺寸可以约等于网尺寸减去悬垂区域“s”)的方式附接至器件200。

图2b示出了图2a的光伏电池横截面的示意图。光伏器件200可包括至少三个部分：光活性电池(或材料)204、导电柔性衬底206以及，在一些情况下，反面涂层208。光活性电池204的总厚度可约为几纳米至几微米。衬底206可以由不锈钢或其它金属箔形成。衬底206可导电并可用作光活性电池204背电极的延伸部分。反面涂层208可包括用于提供与在相邻电池之间网互连的流电兼容性的薄金属涂层。作为一个实例，网100可由铜制得并镀有锡薄涂层。在此情况下，涂层208可以由锡制得，尽管结构可起到延长时段的作用，但是在理想环境封装条件下无涂层208，如举例来说，若电池在真空下或在惰性(例如，Ar、He)环境中封装。柔性光伏器件200具有厚度tc，其取决于电池204、衬底206和涂层208中的每一个的厚度。

沿器件200一个长边的边缘施用透明的绝缘带202可防止网100的悬垂区域“s”导致沿着器件200的边缘分流。可以改变网100的厚度tm以获得充分低的电阻同时最小化遮蔽损耗。网100可以通过透明带210(例如，PSA或热熔粘合剂)保持抵抗器件200。在图2b中，在网100未悬垂在器件200上的边缘上，示出胶带210悬垂在网100的边缘上的距离e；然而，在一些实例中，带可在此侧上覆盖网100，但在任一侧上不延伸超过器件200的边缘。

II.形成电池串

在一些情况下，光伏串可包含多个光伏电池。多个光伏电池可彼此串联电接触(即，串联配置)。在一些实例中，一个光伏电池的金属网与相邻光伏电池的下侧(与光伏器件光接收侧相对的背侧)电接触。可安置光伏电池在光伏电池“串”中彼此相邻。

图3a根据实例实施例示出了从柔性光伏电池300的长互连串的一部分的面向光侧看的示意性平面图。每个光伏电池可包括网100、光伏器件200以及绝缘带202。单独光伏电池300由间隙“g”分隔开。

图3b根据实例实施例示出了图3a的互连电池300的部分的示意性横截面侧视图。在实例中，第二电池放在具有电池之间的间隙“g”的第一电池的网100的悬垂区域“s”上。耦合构件302(例如PSA或热熔粘合剂)的相对宽条将两个相邻电池保持在一起而不破坏在第一电池的网和第二电池背部分(例如，背对光的部分)之间的电连接。在实例中，可以放置耦合构件302以将第一电池桥接至第二电池。在另一个实例中，耦合构件302可以仅放置在第二电池上。绝缘带202可经配置以防止第一电池的边缘与折弯的网接触(以及例如，被其分流)。在一些情况下，绝缘带可经配置以防止网100将给定电池的顶(光接收)部与相邻电池的底部短路，如当使相邻器件电池200彼此侧向朝向以形成光伏串时。给定长度的电池串可以此种方式制得并且可以作为单元处理。

III.封装光伏电池的示例方法和系统

图4为根据实例实施例示出用于封装光伏电池的方法400的流程图。方法400可以通过具有经编程以实施方法400的一个或多个计算机处理器的计算机系统(例如，包括机器人系统)实施。方法400可包括如由方框402至408中的一个或多个所示的一个或多个操作、功能或动作。尽管方框以顺序次序示出，但是这些方框可在一些情况下以平行和/或不同于本文中所描述的次序而执行。并且，各种方框基于所希望的实施方式可以合并成较少方框、划分成另外的方框和/或移除。

在方框402处，方法400包括递增地形成光伏电池串，使得在串中的光伏电池从串的前边缘延伸。递增地形成串包含依次连接连续的光伏电池。依次连接连续的光伏电池包含将每个连续光伏电池连接至对应的此前已连接的离前边缘最远的光伏电池。

在实例中，计算系统可经配置以使得机器人或机械臂拾取第一电池(其中光接收侧面向下)，并且将电池装载到串构建工具的输入侧中。计算系统可经由例如机器人配置以将第一电池移动或定位至下一个电池的位置，并且将第二电池装载到初始装载第一电池的地点的串构建工具中。机器人可经配置以装载第二电池，这样在两个之间存在间隙(例如，1mm)，并且第二电池的悬垂网可以连接至第一电池的背侧(与光敏侧相对)。举例来说，计算机系统可经配置以包括并使用机器人视觉系统以实现定位对应的在适当位置中的电池、保持间隙以及对电池执行任何处理操作中高精度。

另外，可将施用一片压敏或熔融粘合剂带以将第二电池的悬垂网固定至第一电池的背侧。压敏带可以是给定长度(例如，电池的相同长度)的胶带，并且可以是导电或不导电的。可以重复此过程以通过将每个连续的光伏电池连接至对应的此前已连接的离前边缘(以待装载的第一电池的边缘)最远的光伏电池依次地连接连续的光伏电池。

图5根据实例实施例示出了具有依次连接的光伏电池的串构建工具500。图5描绘了可已首先装载到串构建工具500的第一电池502。电池504、506和508可已经依次装载并且连续地连接以形成光伏电池串。第一电池502的边缘形成串的前边缘510。计算系统可经配置以(例如，经由机器人)使电池往向下移动流同时将电池依次添加至离前边缘510最远的端部512。

返回参考图4，在方框404处，方法400包括在形成串时将旁路二极管电连接至串的连续部分，使得每个连续部分包括与第一预定数目串联连接的光伏电池并联连接的旁路二极管。二极管使用半导体材料(例如，硅)并具有两个端子。给定二极管经配置以允许电在中一个方向上通过而在另一个方向上不通过。

图6a根据实例实施例示出了阻塞二极管600的操作。图6a描绘了用两个太阳能电池模块(串或板)602和604设置的对电池606(为简单起见未示出控制器)进行充电实例，其中阻塞二极管600与两个模块串联，，所述两个模块也是串联连接的。每个模块可包括单个太阳能电池或一组预定数目的电池。当光投射在板上时，只要由两个模块602和604产生的电压大于电池606的电压，则将发生对电池606进行充电。然而，当没有光投射在模块602和604上(即，在黑暗环境中)时，模块602和604将不产生电压，并且电池606的电压将使电流在相反方向上流经模块602和604，电池606进行放电。阻塞二极管600防止此类放电。在一些实例中，阻塞二极管可以集成至太阳能模块的构造中，因此在客户机构处不需要另外的阻塞二极管。

图6b根据实例实施例示出了旁路二极管608和610的操作。如所示出的，旁路二极管608和610分别与模块602和604并联连接。在一些情况下，在图6a或图6b中示出的模块602和604中的一个可以被遮蔽(或损坏)，同时可以对其它模块进行光照。遮蔽部分模块可以由树枝、碎屑或雪所引起。在这些情况下，遮蔽的模块可不产生任何显著的功率，并且可具有阻塞由未遮蔽模块产生的功率流动的高电阻。旁路二极管608和610缓解此问题。由未屏蔽模块产生的电流可流经旁路二极管以避免屏蔽模块的高电阻。举例来说，若模块602被屏蔽并造成高电阻，由模块604产生的电流可绕过模块602并改为流经旁路二极管608。

在一些应用中，太阳能板用划分成组(模块)的电池构建，每组具有内置式旁路二极管。在方法400的方框404处，在含有预定数目电池的串的部分形成之后，旁路二极管可以并联地电连接至部分光伏电池的部分。举例来说，每个旁路二极管可具有电连接至在串的部分中的一个光伏电池阴极的阳极，并具有电连接至在串的部分的另一个光伏电池阳极的阴极。旁路二极管可另外粘结(例如，使用环氧树脂材料)至光伏电池。

图7a根据实例实施例示出了连接至光伏电池组的旁路二极管。图7a描绘了并联连接至在串中的许多串联连接的光伏电池的旁路二极管700。图7b根据实例实施例示出了连接至两个连续光伏电池组的两个旁路二极管。在形成每个光伏电池组时可将旁路二极管添加至该串。图7b描绘了连接至对应电池组的旁路二极管700和702。

返回参考图4，在方框406处，方法400包括在形成串时通过使串的前边缘绕引出卷筒旋转将其上连接有旁路二极管的串缠绕成卷。计算/机器人系统可经配置以维持将光伏电池添加并串联地连接至对应的此前已连接的电池。当串达到某一长度时，可将前边缘(例如，在图5中的前边缘)进料至引出卷筒，其可经配置在形成串时以给定速度旋转从而将串缠绕成卷。

图8根据实例实施例示出了将光伏电池800的串进料至引出卷筒802。图8描绘了在形成串800时将串800进料至引出卷筒802。引出卷筒802可包括芯，串在所述芯上滚动，所述芯由适当材料制得。在一些实例中，在串到达引出卷筒802之前，串可以通过卷层压机804供给。卷层压机804可经配置以给定转速旋转，该转速匹配引出卷筒802对应转速并且也等于由于电池被添加至串中，电池在串构建工具上移动的线速度。作为一实例，卷层压机804可施加压力(例如，20psi)以增强压敏带(例如，在方框402处描述的该片压敏带)对给定电池背面的粘合力。除辊层压机804的压力之外，可或可不使用热量。使用辊层压机804作为用于施加压力和/或热量的方式仅是用于解释说明的实例，并且其它技术可以用于施加此类压力以增强压敏带对于给定电池背面的粘合力。

在串800通过卷层压机804进料之后，将串800进料至引出卷筒802，所述引出卷筒802经配置以与卷层压机804大体上相同的速度旋转。在卷层压机804和引出卷筒之间的拉力可以帮助保持将串800笔直缠绕到引出卷筒802芯上的方式测定。

图8还描绘了划分成电池组(如由对应的分隔区域808A和808B分隔开的组806A、806B和806C)的串800。图8还示出了与形成串部分的预定数目的光伏电池并联连接的旁路二极管(如旁路二极管810A和810B)。组806A至806C的每组光伏电池可以在每组内串联电连接，并且每个分隔区域808A至808B可经配置以将在一个组中的光伏电池与在相邻组中的光伏电池电隔离。举例来说，每个分隔区域(如808A和808B)可包括电绝缘材料以便机械地连接两个相邻电池组而不电连接它们。在一些实例中，组806A至806C可包括相同数目的光伏电池和旁路二极管。在其它实例中，每组可包括不同数目的光伏电池和/或不同数目的旁路二极管。此类构造可有助于使用用于定制尺寸应用的电池卷。单个卷可包括许多电池(例如，1,000至20,000)但是可以由分隔区域划分成具有不同尺寸的各种组，并且可以用于需要不同尺寸的若干应用。

返回参考图4，在方框408处，方法400包括响应于达到第二预定数目光伏电池的串完成串；以及封装所完成的卷。当达到某一数目的电池(例如，基于客户需求的1,000个电池至20,000个电池)时，计算系统或机器人可经配置以停止将光伏电池添加至串。另外，电池卷可以连同以待封装的芯一起卸载。

可使用适于并围绕(至少部分)光伏电池卷的任何类型的封装或封装器件。作为实例，光伏电池卷可以绕由卡纸板板或铝制成的芯缠绕在一个实例中，两个金属芯防护装置可以安装在芯的两个端部上。芯防护装置的直径举例来说可以是2"，比电池卷外径宽。在实例中，在完成电池卷时，可以在两个芯防护装置两者之间卷外径四周放置一块发泡体(例如，1/2"厚)以保护光伏电池。电池卷然后可放入具有干燥剂的真空密封防潮层包袋中。卷可以另外放入于卡纸板箱中以准备运送。新的芯可以被装载到引出卷筒802上用于待生产的下一个光伏电池卷。

图9根据实例实施例示出了完成的卷900以及用于完成的卷900的封装904。完成的卷900绕芯902缠绕。如图9所示，多个完成的卷可以在单个封装904中封装。然而，在一些实例中，每个单独卷可以分开封装。

以此方式，组成串的数千电池可以是封装成卷。电池卷有助于封装和处理。电池卷可以在客户机构处由单人解开处理。旁路二极管被集成到卷中，并因此在客户机构处不需要额外劳动安装二极管。电池卷适合于定制尺寸的应用。包括适合于具体应用的预定数目电池的卷的一部分可以展开或解开并从其余部分切割以用于具体应用。为了促进此类定制，电池组可以由如图8所示的分隔区域电隔离。通过切割分隔区域，一个电池组可以与相邻电池组物理上分隔开，而不损坏在任一组中的电池。

如上所述，机器人系统(例如，定制的机器人系统)可以用于根据方法400和图1至图8描述的此类操作操控电池。示例系统可包括依次的模块或装置，其包括制造装置、滚动装置以及封装装置。举例来说，制造装置可经配置以递增地形成光伏电池串，并在形成串时将旁路二极管电连接至串的连续部分。滚动装置可经配置以通过在形成串时使串的前边缘绕引出卷筒旋转将其上连接有旁路二极管的串缠绕成卷；以及当串达到预定数目的光伏电池时完成卷。封装装置可经配置以将完成的卷封装至合适的封装中。

虽然已参考某些实施方式描述了本方法和/或装置，但本领域的技术人员应理解，在不脱离本方法和/装置范围的情况下可以进行各种改变并且其等效物可以被代替。此外，在不脱离本公开范围情况下，可以作出许多修改以适应本公开教导内容的具体形式或材料。因此，希望的是，本方法和/或装置不限于所公开的具体实施方式，但是本方法和/或装置将包括落在所附权利要求书范围内的所有实施方式。