包括多個雙面電池的光伏模塊以及製造該模塊的方法與流程

2024-03-23 22:32:05

本發明涉及包括多個雙面光伏電池的光伏模塊，以及製造該模塊的方法。

背景技術：

在光伏模塊中，光伏電池可以通過導電元件(例如銅帶)來串聯連接，這些導電元件將一個電池的正面連接至相鄰電池的背面。

在這樣的模塊中，不同電池的正面位於相同側，該側形成模塊的正面，而背面位於相對側，該相對側形成模塊的背面。

圖1以包括電池C1、C2、C3的模塊的局部截面視圖的形式而示出該互連模式(稱為「標準模式」)。

各電池的正面的附圖標記為AV，背面的附圖標記為AR。

為了將電池C1的正面連接至電池C2的背面，銅帶1不是平面的，而是從正面到背面穿過模塊。

在不同的電池通過帶1、1'等連接之後，其被封裝在封裝材料2中，並且被層壓在兩個玻璃面板3、3'之間，或者層壓在正面的玻璃面板與背面的聚合物面板之間(根據模塊是單面或是雙面的，所述聚合物可以是透明的或不透明的)。

帶從正面到背面的穿越需要帶的變形，這可能在所述帶中形成機械應力，易於導致所述帶的化學腐蝕或機械疲勞，從而導致所述模塊的電氣故障(互連斷開)或機械故障(開裂)。

該互連模式不僅應用到單面電池(也即其主面中只有一個是光敏的)，還應用到雙面電池(其兩個主面都是光敏的)。這樣的雙面電池可以通過(例如，以格柵的形式或任何其他形式)在常規電池的背面進行局部的金屬化來獲得。

對於包括雙面電池的模塊，另一種可能的互連模式是所謂的「單片」互連，如圖2所示意性地顯示的。

與圖1的附圖標記相同的附圖標記表示已經參考該附圖描述過了的相同的元件。

在該互連模式下，各電池根據連接一個電池的正面AV與相鄰電池的背面AR的連接的+和-的極性而布置。

由此，可以使用平的銅帶1、1'來分別在模塊的正面將電池C1的正面連接至相鄰電池C2的背面，以及在模塊的背面將電池C2的正面連接至相鄰電池C3的背面。

這樣的互連模式在例如專利DD 135 014中得到描述。

單片互連的益處在於，可以同時連接模塊中的全部電池，而不同於包括多個步驟的標準互連模式(其中各電池相繼彼此連接)。而且，由於事實上不需要進行銅帶的預先變形，所以製造模塊的方法得以更加簡化。

圖3A和圖3B示意性地示出了分別在標準互連和單片互連的情形中的將各電池互連的順序。

對於標準互連(圖3A)，考慮到銅帶的構型，只有在銅帶已經連接至相鄰電池之後才能組裝電池。從而，組裝需要相繼的步驟E1、E2、E3等，直至各電池已全部連接。

對於單片互連(圖3B)，組裝在單個步驟中進行，兩列銅帶(一列在模塊的正面側，另一列在模塊的背面側)同時連接至各電池的對應的面。

單片互連的另一個益處在於，其最小化了銅帶中的應力，從而限制了與所述帶相關的故障風險。

而單片互連的另一個益處在於，各電池的間隔可以最小化。實際上，在標準互連中，各電池的一定間隔是必須的，以便使銅帶能夠從正面穿越到背面。對於單片互連，這樣的間隔被大幅減小了，從而增加了模塊的面積效率(W/m2)。

另外已知的是，雙面光伏電池的正面與背面的轉換效率有差異。該差異一方面是由於形成電池的材料的物理特性，而另一方面是由於在背面側上比在正面側上存在密度更大的金屬化。該差異還可能源於這樣的選擇：對兩個面中的一個的效率進行優化而損害另一個。

圖4示出了雙面電池的正面(曲線a)和背面(曲線b)根據波長λ的轉換效率R(內量子效率)的示例。

概括而言，在目前市場上現有的雙面電池中，正面與背面的轉換效率之間的比大約為70％至95％。

在包括多個電池的光伏模塊中，產生的電流取決於產生最小電流的電池。

因此，在上述的單片布置中，模塊所產生的電流僅僅是在所述模塊根據標準互連模式而組裝的情況下所將產生的電流的70至95％。

技術實現要素：

因此，本發明的目標為，設計一種光伏模塊，其可以按照單片的方式組裝，而且其中，電流的產生得到最大化。

根據本發明，提出了一種用於製造光伏模塊的方法，所述光伏模塊具有旨在暴露於太陽輻射的正面，所述方法至少包括下列步驟：

-提供多個雙面光伏電池，所述多個雙面光伏電池各自具有短路電流比，針對每個電池將所述短路電流比限定為下述兩項之間的比：

·在所述雙面光伏電池的背面受到照射時產生的短路電流，以及

·在所述電池的正面受到照射時產生的短路電流，

-將每個電池不對稱地切割為第一部分和第二部分，使得所述部分的表面面積之間的比基本等於所述電池的短路電流比(B)或等於電池的集合的平均短路電流比，

-在模塊的主平面中並置所述電池部分以形成電池部分的對，所述電池部分的對選擇為使得第一部分的正面的短路電流基本等於第二部分的背面的短路電流，所述部分布置為使得第一部分的正面和第二部分的背面與模塊的正面一致，

-生成第一部分的正面與第二部分的背面的電連接。

所述電池的短路電流比一般嚴格小於1。

「電流基本等於短路電流」指的是，電流被包括在相對於短路電流的±2％的範圍內，優選在相對於該電流的±1％的範圍內，而在更優選的方式中，在該電流附近的實質上為零的範圍內。

根據實施方案，對每個電池進行切割所根據的短路電流比是特定於所述電池的短路電流比。

或者，對每個電池進行切割所根據的短路電流比是電池的集合的平均短路電流比。

根據本發明的執行的一種形式，其中，在不對稱地切割的步驟之後，進行對稱地切割第一部分和第二部分中的每個的步驟，所述對稱地切割在所述部分的寬度上或長度上進行。

兩個電池部分之間的電連接一般通過導電材料的帶來製作。

以特別有益的方式，所述帶在平面內延伸。

該方法進一步包括：

-在模塊的主平面中並置全部的電池的部分，

-同時生成同一電池的部分之間的電連接以及相鄰的電池的部分之間的電連接。

本發明還涉及能夠通過這樣的方法獲得的光伏模塊。

所述模塊具有旨在暴露於太陽輻射的正面，並且包括按對並置的多個不對稱的雙面光伏電池的部分，其中，對於每對：

-第一部分的正面和第二部分的背面與模塊的正面一致，

-第一部分的正面與第二部分的背面電連接，且第二部分的正面與相鄰的對的第一部分的背面電連接，

-第一部分的正面的短路電流基本等於第二部分的背面的短路電流。

兩個電池部分之間的電連接通過導電材料的帶來製作。

以特別有益的方式，所述帶在平面內延伸。

附圖說明

參考所附附圖，通過下面的具體實施方式，本發明的其他特徵和益處將更加清楚，在附圖中：

-圖1是根據標準互連模式組裝的模塊的一部分的截面視圖，

-圖2是根據單片互連模式組裝的模塊的一部分的截面視圖，

-圖3A和圖3B分別示意性地示出了標準互連方法和單片互連方法的步驟，

-圖4示出了雙面光伏電池的正面(曲線a)和背面(曲線b)的效率，

-圖5示出了根據本發明的考慮短路電流而切割電池的原理，

-圖6A示出了根據本發明的在模塊中組裝電池部分的示例，展示的視圖是所述模塊的正面的視圖，

-圖6B示出了將對稱電池部分組裝到模塊中的示例，其不在本發明的範圍內，

-圖7是展示對於根據本發明的光伏模塊的，根據光照的最大功率(Pmax)和短路電流(Isc)的增益的示圖，

-圖8A和圖8B示出了根據本發明的考慮短路電流比來切割雙面電池的變化形式，

-圖9A和圖9B分別示出了根據特定於每個雙面電池的短路電流比來切割每個雙面電池，以及所述電池的各部分的組裝，

-圖10A至圖10C示意性展示了分別根據標準連接、根據相同表面面積的雙面電池的單片連接以及根據本發明的不對稱雙面電池的連接雙面電池的原理。

具體實施方式

用於製造光伏模塊的方法包括下述相繼的步驟。

該光伏模塊旨在通過多個雙面電池的單片組裝來製造。所述光伏模塊具有正面和背面。

首先，在旨在形成模塊的一批雙面電池中，對於電池的每個面確定短路電流(標記為Isc，按mA表示)。常規上，電池的正面(FAV)是電池的短路電流Isc最大的面，而電池的背面(FAR)是所測量的兩個面中短路電流最小的面。背面與正面之間的短路電流比B根據這些測量來得出。

作為示例，下面的表1示出了一批九個電池的正面和背面的特性。

物理量Voc指開路電壓(按V計)，Pmax是最大供電功率，FF是形狀因數。

表1的最後一列表示背面的短路電流與正面的短路電流之間的比B。

表1：

對於這批電池，背面與正面之間的短路電流比的算數平均值(或平均Isc比)等於89.50％。

根據實施方案，然後，遵照所述平均Isc比，每個電池被以不對稱的方式切割為兩個部分，即，確保每個電池的兩個部分的表面面積的比等於比B。

例如，如圖5所示，每個電池C具有長度為L的矩形形狀。

每個電池C在寬度上切割為兩個部分CA、CB，其長度分別為LA和LB，比LA/LB等於平均的短路電流比(即，89.44％)，而LA+LB等於電池的長度L。電池的兩個部分CA、CB從而相對於切割線(以虛線指示)是不對稱的。

參照圖6A，然後，被切割的電池部分根據上述原理組裝，以形成模塊。在圖6A表示的示例中，被組裝形成模塊的是表1中的電池12、14、15、16和17。

為此，要確保來自相同電池的部分相鄰，表面面積最小的部分(其由其所來自的電池的序號以及隨後的字母A表示)被定向為使其正面與模塊的正面一致，而表面面積最大的部分(其由其所來自的電池的序號以及隨後的字母B表示)被定向為使其背面與模塊的正面一致。

電連接一方面製作在電池的各部分之間，而另一方面製作在電池之間。例如，如圖6A所示，在模塊的正面(該圖中可見的面)側上，相同電池的兩個部分通過三個平行導電帶連接，而在模塊的背面側上，兩個相鄰電池的兩個部分通過三個平行導電帶連接。

所述帶中的每個由此延伸在模塊的正面的平面上，或背面的平面上。這因而為單片組裝。

這樣的組裝的益處在於，能夠同時連接雙面電池的不同部分，這使得組裝方法更簡單且快捷。另外，通過避免導電帶在模塊的正面與背面之間穿越，該構造還更穩定，並且限制了由於導電帶所導致的故障。

自然地，所述帶的數量和尺寸可以在不偏離本發明的範圍的情況下進行修改。

然後，通過將這樣連接的電池部分夾在兩層封裝材料之間，並且通過將組件層壓在形成模塊的正面和背面的兩個面板之間，來完成該模塊的製造。正面板和背面板可以由玻璃和/或聚合物製作。後一步驟本身是已知的，因此不需要詳細描述。

在這樣的模塊中，電池的正面上的短路電流較高的事實被正面暴露的電池的部分(例如部分12A)的表面面積較小的事實所補償，而且，背面上的短路電流較低的事實被背面暴露的電池的部分(例如部分12B)的表面面積較大的事實所補償。

優選地，如此形成的模塊是單面的而不是雙面模塊。實際上，電池部分的切割和布局提高了模塊在正面上的電性能，但是趨於降低在背面的電性能。

因此，只關注模塊的正面，從同一電池的一個部分至另一個部分，短路電流基本上相等。

這由下面的圖表2示出，其展示了對於電池的每個部分的正面和背面的短路電流。

表2：

應當注意，在上面展示的批次的電池中，發明人已經選擇，匹配電池16的正面16A與電池17的背面17B，以便獲得相似的短路電流。在該特定情況下，電池16和17的部分16B和17A的短路電流值不令人滿意，因此排除這兩個電池。

更一般地，應當注意到，不必匹配同一電池的各部分以實施本發明。實際上，只基於所述部分的正面和背面的Isc值並且將Isc值彼此最為相似的部分關聯，從而形成電池部分的對是完全可能的。

對於該按不對稱方式切割的電池部分的組裝，正面暴露的部分的最小短路電流是4576mA，而背面暴露的部分的最小短路電流是4535mA。這兩個最小值基本相等，這意味著，模塊的性能不會受到電池部分之間的短路電流的差異的很大的影響。

作為比較，如圖6B所示，電池18、19、20和22被以對稱的方法切割，即，每個部分的長度相同。換言之，每個電池的兩個部分的表面面積相同。

這樣的對稱地切割模式(本發明不包括該模式)公開在EP1 770 791中，其也屬於單片互連方法。在這種情況下，切割用於輔助模塊中的電池的組裝。實際上，六邊形電池被切割為四個相同的部分，所述部分被沿著其各自的斜面布置，以形成矩形。由此製作了這樣布置的電池部分的互連。

為了形成模塊，由字母A表示的每個電池的部分被定向為使其正面與模塊的正面一致，而由字母B表示的每個電池的部分被定向為使其背面與模塊的正面一致。

下面的表3具有對於每個電池部分的正面和背面的短路電流。

表3：

對於每個電池，在一個部分的正面的短路電流與另一個部分的背面的短路電流之間觀察到了顯著的差異(後者被定向為在模塊的正面側)。

實際上，在該示例中，正面暴露的部分的最小短路電流是4804mA，而背面暴露的部分的最小短路電流是4284mA，即，差異大於500mA。這意味著，即使正面暴露的部分具有高短路電流，模塊的性能也要受到背面暴露且具有低短路電流的部分的影響。

圖7示出了圖6A所示的模塊的短路電流(Isc)和最大功率(Pmax)的增益。

對於該模塊，觀察到的Pmax的增益為大約+1.5％。

上述實施方案提供了這樣的切割，其將每個電池在寬度上切割為兩個部分。

然而，在不偏離本發明的範圍的情況下，也可以提供其他切割電池的模式(就部分的數量和/或切割各部分的方向而言)。作為一般規則，電池部分的數量是偶數，這能夠使得一個部分的正面匹配同一電池或另一電池的另一部分的背面，同時基本保留全部的電池部分的對的相同的總表面面積。

從而，圖8A示出了執行的變化形式，其中，電池(其示出在圖的左部)相繼以不對稱方式按其寬度切割為兩個部分(即，遵照如上教導的比LA/LB＝B)，然後以對稱方式按其長度切割(圖8A的中間部分)。如圖8A右部所示，由此獲得了電池的四個部分。

圖8B示出了執行的另一變化形式，其中，電池(其示出在圖的左部)以不對稱方式按其寬度切割為兩個部分(即，遵照如上教導的比LA/LB＝B)，然後每個部分按對稱的方式再次按其寬度切割為兩個部分。如圖8B的右部所示，由此獲得了電池的四個部分，兩個部分的長度為LA/2，而兩個部分的長度為LB/2。

在上述兩個實施方案中，第一不對稱切割操作根據比B進行，然後進行在長度或寬度上的對稱的切割的操作。這些實施方案能夠減小電池部分的每個「串(string)」的電流，從而限制焦耳效應導致的電流損失。應當回憶起，一串電池常規上對應於串聯連接的電池的單元。在標準模塊中，串包括大約10個電池，並且各串互連在一起。

此外，本發明不要求對於全部電池遵照相同的比B(其對應於電池的集合的平均比)來以不對稱的方式切割電池。

根據本發明的一個實施方案，針對每個電池確定比B，且遵照各個比B來切割所述電池。

如圖9A所示，考慮具有不同的短路電流比的三個電池C1、C2和C3。電池C1從而在寬度上切割為兩個部分，同時確保比LA1/LB1等於該電池的比B；電池C2從而在寬度上切割為兩個部分，同時確保比LA2/LB2等於該電池的比B；最後，電池C3在寬度上切割為兩個部分，同時確保比LA3/LB3等於該電池的比B。

圖9B示出了為形成模塊的所述電池的各部分的連接。

表面面積最小的各部分LA1、LA2和LA3被布置為使其正面與模塊的正面一致，而表面面積最大的各部分LB1、LB2和LB3被布置為使其背面與模塊的正面一致。

在每對(LA1、LB1)、(LA2、LB2)以及(LA3、LB3)的各部分之間在模塊的正面的水平上製作了電連接1、1"、1""，而在兩個不同的對的相鄰部分之間在模塊的背面的水平上製作了電連接1'、1'"。這些連接中的每個由導電材料的平的帶製作。

該實施方案具有優化每個電池的切割的益處，這是因為切割比特定地取決於所述電池的比B。

圖10A至圖10C示出了相比於利用雙面電池的標準連接(如圖10A所示)以及相比於利用相同的表面面積的雙面電池的單片連接(如圖10B所示)，根據本發明的雙面電池的單片連接(如圖10C所示)的益處。

參照圖10A，雙面電池C1、C2、C3相繼布置，這些電池中的每個的正面AV共平面並且形成模塊的正面。這些電池的每個的背面AR共平面並且形成模塊的背面。

通過導電帶1、1'，電池的正面電連接至相鄰電池的背面。

為便於所述導電帶從電池的正面穿行到相鄰電池的背面，在兩個相鄰電池之間布置足夠大的距離d。例如，距離d一般大約為2至4mm。

參照圖10B，雙面電池C1、C2、C3各自具有相同的長度L並相繼布置，在模塊的正面側，電池C1的正面AV與相鄰電池C2的背面AR共平面，並且在這兩個共平面的面之間通過導電帶1來確保電連接。在模塊的背面側，電池C2的正面AV與相鄰電池C3的背面AV共平面，並且在這兩個共平面的面之間通過導電帶1'來確保電連接。換言之，模塊的正面交替包括電池的正面和相鄰電池的背面。

由於導電帶1、1'各自在平面中延伸，所以兩個相鄰電池之間布置的距離可以小於對於標準連接設置的距離d。該電池間距離可以一般為大約1mm。

參照示出本發明的實施方案的圖10C，雙面電池C1、C2、C3各自具有相同的長度L並按對相繼布置。在對C1、C2中，在模塊的正面側，電池C1的正面AV與相鄰電池C2的背面AR共平面，並且在這兩個共平面的面之間通過導電帶1來確保電連接。如上所述，電池C1的長度L1和電池C2的長度L2服從關係：L1/L2＝B，其中B為Isc比。在模塊的背面側，電池C2的正面AV與屬於另一對電池的相鄰電池C3的背面AV共平面，並且在這兩個共平面的面之間通過導電帶1'來確保電連接。

根據本發明的單片連接(圖10C)的面積效率與標準連接(圖10A)的面積效率之間的比等於：2B/(1+B)。該比小於1，這意味著根據本發明的模塊的面積效率低於(如果B＝90％，則大約為-5％)標準連接的模塊的面積效率。另一方面，根據本發明的模塊受益於更簡單且更快捷的組裝方法，且較少受導電帶的電氣故障和機械故障的影響。另一方面，如下所述，根據本發明的模塊允許更小的電池部分之間的間隔。對於尺寸156mm*156mm的電池，這表示大約1.3％的增益。實際上，考慮對於156mm的電池的4mm的標準間隔。因為本發明使用切割的電池(大約78mm)和1mm的間隔，所以增益為(156+4)/(2*(78+1))＝160/158＝1.013，即1.3％。

根據本發明的單片連接(圖10C)的面積效率與對稱電池的單片連接(圖10B)的面積效率之間的比等於：2/(1+B)。該比大於1，這意味著根據本發明的模塊的面積效率高於(如果B＝90％，則大約為+5％)對稱電池的單片連接的模塊的面積效率。

與電池的間隔相關的面積效率的相對損失AR(按％計)由以下方程給出：AR＝d/L*100％。

利用單片模塊，電池之間的距離d可以減小至1mm，這表示相對於標準連接的電池之間的距離，在距離上的1至3mm的減小。如果考慮長度L＝156mm的電池，則對於圖10B的對稱單片模塊，效率的相對增益被包括在1/156與3/156之間，即0.6％與2％之間。對於根據本發明的不對稱單片模塊(圖10C)，切割的電池的長度為大約78mm，因此如上所述，最大增益為1.3％。

參考文獻

DD 135 014

EP 1 770 791