光伏互连系统、装置和方法
【专利说明】光伏互连系统、装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2013年I月28日提交的美国临时专利申请序列号61/757636的优先权，其通过引用并入本文。本申请还通过引用并入下列美国专利、美国出版物和外国申请的全部内容:5681402、5759291、4574160、4617420、4888061、4652693、5391235、6803513、5457057、5181968、7276724、5547516、5735966、6239352、6310281、6372538、6414235、6459032、6690041、7194197、7507903、7635810、7732243、7851700、7868249、7898053、7898054、7989692、7989063、8062922、20100147356、20120000510、20120000502、20120006378、20030121228A1、20030127128A1、20040069340、20050176270、20060032752、20060174930、20060180195、20080011350、20080227236、20080257399、20080314433、20090107538、20090111206、20090145551、20090169722、20090163374、20090223552、20090293941、20100108118、20100193367、20100218824、20100224230、20100229942、20100269902、20110056537、20110067754、20110070678、2012000052、20130269748、12/482699、W02005077062 和 TO2009006230。
[0003]引言
[0004]光伏领域主要涉及将太阳光直接转换为直流电的多层材料。这种转换的基本机理是安东尼.亨利.贝克勒尔(Antoine-Cesar Becquerel)在1839年首先观察到的光伏效应，并由爱因斯坦在1905年在其被授予诺贝尔物理学奖的开创性科学论文中首先正确描述。在美国，光伏(PV)器件一般称为太阳能电池或光伏电池。太阳能电池通常构造成P型和η型半导体的配合夹层结构，其中，η型半导体材料(在夹层结构的一“面”上)表现出过量电子，以及P型半导体材料(在夹层结构的另一“面”上)表现出过量空穴，每个空穴表示缺乏电子。靠近两种材料之间的ρ-η结，来自η型层的价电子移到P型层中的相邻空穴中，在太阳能电池中形成小电失衡。这在形成电子Ρ-η结的冶金结附近产生电场。
[0005]当入射光子将电池中的电子激发到导电带中时，所激发电子从半导体的原子变成游离的，从而形成自由电子/空穴对。因为如上所述，Ρ-η结在所述结附近形成电场，以这种方式靠近所述结形成的电子/空穴对倾向于脱离并离开所述结，其中，电子移向所述结的η型面上的电极，空穴移向P型面上的电极。这在电池中形成总体电荷不平衡，使得如果在电池的两面之间设置外部导电路径，电子将沿着该外部路径从η型面移回到P型面，从而形成电流。在实践中，电子可以通过覆盖η型面的表面的一部分的导电网格从该表面或接近该表面收集，同时仍然允许入射光子充分进入电池。
[0006]当包含适当定位的电触点并且电池(或一系列电池)并入闭合的电路时，此类光伏结构形成工作的光伏器件。作为独立的器件，单一的常规太阳能电池不足以给大多数应用供电。结果，太阳能电池通常通过前面的一个电池连接到后面的另一个电池布置成光伏模块或“串”，从而将各个电池的电压电串联在一起。通常，相当数量的电池串联连接以实现有用的电压。随后，所得直流电流可以通过逆变器馈送，其中，直流电流在该逆变器变换为适当频率的交流电流，该频率经选择以匹配由常规电网供应的交流电流的频率。在美国，这个频率是60赫兹(Hz)，，以及大多数其他国家提供50Hz或60Hz的交流电流。
[0007]已经开发出来商用的一种特殊类型的太阳能电池是一种“薄膜”光伏电池。与其他类型的光伏电池诸如晶体硅光伏电池相比，薄膜光伏电池需要更少的吸光半导体材料以形成工作电池，并因此可以降低处理成本。通过采用先前开发的用于电极层的沉积技术，薄膜类光伏电池也提供降低的成本，其中，在所述沉积技术中，类似材料广泛用在薄膜行业的保护、装饰和功能涂层。低成本商用薄膜产品的常见示例包括在聚合物类食品包装上的防水涂层、建筑玻璃上的装饰涂层、住宅和商用玻璃上的低辐射热控涂层以及眼镜上的防刮伤防反光涂层。采用或更改已在这些其他领域中开发的技术允许降低光伏电池薄膜沉积技术的开发成本。
[0008]而且，薄膜电池的效率接近20 %，这比得上或超过最高效的结晶电池的效率。具体地，半导体材料铜铟镓砸(CIGS)是稳定的，具有低毒性，并且真正是薄膜，工作光伏电池需要的厚度小于两微米。结果，到目前为止，似乎证明CIGS最有可能具有高性能是低成本的薄膜光伏产品，并因此渗透到大容量发电市场。用于薄膜光伏技术的其他半导体变体包括铜铟砸、铜铟硫、砸化铜铟招和碲化镉。
[0009]某些薄膜PV材料可以沉积在刚性玻璃基板或柔性基板上。玻璃基板是相对便宜的，通常具有与CIGS或其他吸收层相对接近匹配的热膨胀系数，并允许使用真空沉积系统。不过，当比较可用于沉积过程期间的技术选项时，刚性基板在处理过程中有各种缺点，诸如处理设备和材料存储需要相当大的地面空间，将玻璃均匀加热升温到或接近玻璃退火温度的昂贵和专用设备，基板断裂导致合格率损失的高可能性，以及加热玻璃的更高热容量所产生的更高电力成本。此外，由于玻璃的重量和断裂特性，刚性基板需要增加的运输成本。结果，使用玻璃基板用于薄膜的沉积可能不是多层功能性薄膜材料诸如光伏材料的低成本、大容量、高产出、商业制造的最佳选择。
[0010]相反，薄型柔性基板的卷对卷处理允许使用紧凑、不怎么昂贵的真空系统和已经开发用于其他薄膜行业的非专用设备。基于薄的柔性基板材料的光伏电池也表现出对快速加热和冷却以及大的热梯度的相对高耐受性(在处理过程中产生低可能性的断裂或失效)，需要相对低的运输成本，并且比基于刚性基板的电池表现出更容易安装。可以在例如由Wendt等人在美国专利号6310281、6372538和7194197和Britt等人在美国专利号8062922中发现关于适合用于本发明所公开的方法和设备的一类薄膜光伏电池的组成和制造的另外细节，上述全部专利通过引用并入本文。
[0011]如先前所指出的，相当数量的PV电池往往串联连接以实现有用的电压，并因此实现预期的电输出。此类构造往往称为光伏电池“串”。由于晶体基板和柔性薄膜基板的不同特性，薄膜电池比晶体电池可能构造出电池之间的不同电串联连接，以及形成薄膜电池之间的可靠串联连接构成了几个挑战。例如，在薄膜电池上直接焊接(用于连接晶体太阳能电池的传统技术)将电池的光伏涂层暴露给破坏性的温度，并且通常用于形成薄膜电池上的收集网格的有机类银油墨可能在任何情况下不允许普通焊接材料的强粘合。因此，光伏电池往往用独立导线PV或用导电性胶粘剂(ECA)附接到电池的导电片而不是焊接来连接。
[0012]不过，即使当独立导线或导电片用于形成电池件连接时，在导线或导电片跨接在电池边缘上的情况下，极薄的涂层和沿切割光伏电池边缘的潜在剥落引入短路(电损失)的机会。此外，光伏涂层沉积在其上面的导电基板可能很容易被来自附接导线和导电片的热-机械应力变形，其中，所述导电基板通常是金属箔。这个应力可以传递到弱粘合界面，这会产生电池的脱层。
[0013]另外，ECA与电池背面之间或ECA与正面上的导电网格之间的粘附力会变弱，并且机械应力可能导致收集网格在这些位置的分离。而且，在电池背面上的钼或其他涂层与将收集网格的导电片连接到太阳能电池的ECA之间会发生腐蚀。这种腐蚀可能产生高电阻触点或粘附力失效，从而导致电损失。
[0014]用导电片或导电带连接薄膜光伏电池的高级方法可以极大克服电短路和脱层的问题，但是可能令人不快地需要高生产成本来做到这点。而且，所有此类方法-不管如何健全-均需要光伏电池串的至少某些部分被导电片覆盖，这阻止太阳辐射照射该部分电池串并因此降低系统的效率。结果，需要一种用于将光伏电池互连为电池串以及用于改进互连电池的串的改进方法。具体地，需要一种用于光伏电池串和在形成光伏电池串时降低互连成本并降低被互连机构覆盖的每个光伏电池的小部分同时保持或提高电池抵御应力的能力的方法。
[0015]ICI (集成电池互连)技术克服上述问题，但是目前依赖在脱除工艺中形成的铜网格收集结构。铜电沉积在聚合物网状物上，并且超过90%的铜随后被去除。在网格区域中去除的相对区域甚至更大。虽然去除的铜的一部分可以回收，但是这个过程是相对昂贵和低效的，并且世界范围内只有少数供应商能够供应以所描述的方法生产的柔性互连结构。
[0016]另外，与形成当前的网格结构相关联的电镀和脱除蚀刻工艺采用可以掺杂基板的强化学槽(影响太阳能模块性能或可靠性)或对合适的基板材料设置限制。
【发明内容】
[0017]根据本教义的导线ICI方法用嵌入在前片中的铜导线替换铜网格材料。这种方法的好处包括铜导线是便宜的，并且可广泛地从很多制造商商购获得各种尺寸阵列。而且，用于处理铜导线的设备是普通和便宜的。
[0018]根据本教义的各方面的光伏模块结构包括多个柔性薄膜光伏电池，其电串联连接并层压至基本透明的顶片或前片，该顶片或前片具有面向电池的嵌入式导线网格图案。每个电池的光敏组合物的一部分可以被去除以暴露下面的导电基板，从而允许通过将接触一个电池顶面的嵌入式导线网格图案与电连接到相邻电池的导电基板的顶面的导电条电连接来互连电池。
[0019]也描述制造包括集成的多电池互连件的光伏模块的方法。该方法包括通过抹去、去除或以其他方式更改电池中的光敏材料以暴露某些区域中的下面导电基板，或使光敏材料足以导电形成与导电基板的电连接，来电隔离电池的某些部分以促进电池的互连的步骤。
[0020]例如，根据本教义的方法可以包括在透光前片的粘合层中嵌入导线网格图案，穿过第一电池的光敏组合物划线以电隔离布置在光敏组合物下面的导电基板的顶面上的多个互连区域，制备包括布置在介电条上的导电条的互连带，向第一电池应用互连带，使得导电条接触第一电池的互连区域，将导电条电连接到第一电池的导电基板顶面，折叠导电条，以便其围绕介电条缠绕，使第一电池和第二电池与前片的嵌入式导电网格图案对准，并通过将嵌入式导线图案置于电接触第二电池的光敏组合物和电连接到第一电池的导电基板顶面的导电条，串联地电互连第一电池和第二电池。
[0021]在一些情况下，将导电条电连接到第一电池的导电基板的顶面可涉及通过布置在互连区域中的光敏组合物，将导电条激光焊接到导电基板的顶面。激光焊接可以将现有的半导体材料诸如光敏组合物转换为具有低欧姆电阻的材料(例如，每平方厘米0.1毫欧或更小的电阻)，因此允许导电条与要焊接的电池的导电基板之间的电连接。
[0022]通过下面的【具体实施方式】和相关附图，很多其他装置、中间制品和制造方法将是明显的。
【附图说明】
[0023]图1是根据本教义的方面具有嵌入式导线网格的透光前片的底面的顶部平面图。
[0024]图2是沿图1的线2-2截取的前片的横截面视图。
[0025]图3是根据本教义的方面的多个互连带的顶部平面图。
[0026]图4是沿图3的线4-4截取的图3的互连带的横截面视图。
[0027]图5是以网状物形式的光伏材料的长度的顶部平面图。
[0028]图6A是从图5的网状物切割并经划线电隔离多个互连区域和环绕多个电池区域上的多个互连区域的光敏组合物的光伏材料的一部分的顶部平面图。
[0029]图6B是在图6A中示出的光伏材料的一部分的放大顶部平面图。
[0030]图6C是沿图6B中的线6C-6C截取的光伏材料的横截面视图。
[0031]图7是用于图3的互连带卷到卷应用于图6A的互连区域的设备的示意侧视图。
[0032]图8是图3的互连带应用于图6A的光伏区域的互连区域的顶部平面图。
[0033]图9是互连带中的三个导电指应用于图8中