一種太陽能電池光伏建築組件及製造方法
2023-06-20 19:13:11
專利名稱：一種太陽能電池光伏建築組件及製造方法
技術領域：
本發明公開一種透光型薄膜太陽能電池組件，廣泛應用於光伏建築一體化，屬於太陽能技術領域。
背景技術：
目前，現有技術光伏建築一體化(以下簡稱BIPV)中的太陽能電池組件，作為一種具有發電功能的新型建築材料，在太陽能電池市場佔有重要地位。薄膜太陽能電池，一般選擇透明剛性(玻璃)基片或柔性基片材料。剛性薄膜太陽能電池可以做到大尺寸，軟基柔性薄膜太陽能電池以輕、薄為顯著特徵，可以任意彎曲，形狀多變。本發明正是為光伏建築一體化，提供尺寸、形狀、美觀、具有發電功能，符合建築美學要求的太陽能電池光伏組件。 目前，薄膜太陽能電池的透光技術可以歸納為一，用預留孔方式解決透光性，在電池未成膜之前，預先在絕緣基板預留通孔模式來實現。二，用雷射刻蝕、絲印聯同噴砂技術，在成膜過程中形成透光組件。前者造成組件的抗風荷等機械強度下降，並降低襯底在電池製備工藝中的不穩定性，同時極大增加BIPV電池組件製造成本。後者存在薄膜刻蝕過程中都會對光吸收層(光電轉換層)會造成汙染和破壞，影響電性能。日本專利JP2003003956採用雷射刻蝕光吸收層和背金屬電極層實現透光，雷射刻蝕產生高能等離子體熔化背金屬，易導致被刻蝕的界面上前電極和背電極的直接短路以及非晶矽顆粒的晶化，增大漏電流，降低填充因子，因而降低了電池電性能。日本專利JP2009059772A，公開電池打孔匯流技術， 克服了以上技術不足，但因孔徑變化範圍窄，透光不足。解決太陽能電池組件高透光度狀態下，仍然保持電性能和強度不受影響，正是本發明亟待要繼續突破的技術，以滿足特種行業標準，尤其作為光伏建築一體化使用的太陽能電池光伏組件，需透光度高，形式多樣化、美觀度高。
發明內容
鑑於此，本發明旨在提出一種透光性薄膜太陽能電池光伏組件及其製造方法。太陽能電池光伏建築組件，包括用來製成光伏建築組件和BIPV光伏模塊的軟性的薄膜太陽能電池晶片，其特徵是太陽能電池基片，電池晶片包括柔性襯底與光電轉換層依次疊加呈三明治結構，其通孔貫通分布於基片及電池晶片的各薄膜層上；
由聚合物材料做柔性電池基片，選擇包括聚醯亞胺、聚對苯二甲酸類塑料、聚環氧乙烷其中的一種；
分布於基片和基片各膜層上的孔通，構成具有透光功能的通孔和通孔透光圖案，分別是電池晶片的匯流孔和導流孔；
柔性電池晶片與封裝材料層壓製成透光型太陽能光伏建築組件。本發明將透光處理與不損壞電池性能有機的結合，突破大孔徑加工技術，透光孔直徑0. 5mnT50mm內可任意調節。滿足BIPV光伏屋頂和光伏幕牆的採光要求，同時，提出透光型薄膜太陽能電池光伏組件的製造方法，包括不同透光率和透光圖案的柔性和剛性BIPV光伏組件。本發明所說的透光型柔性太陽能電池，可以用來製成光伏建築組件(以下簡稱透光BIPV組件)，是一種以柔性聚合物(如聚醯亞胺、聚對苯二甲酸類塑料、聚環氧乙烷等)為襯底，並在不同的薄膜沉積階段對該聚合物薄膜進行機械衝孔，形成不同孔徑和圖案的光伏電池晶片，再通過層壓機或高壓釜工藝，將前板透明柔性氟材料(如聚氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物等)或前板剛性透明材料(如玻璃等)，電池晶片、背板柔性材料(如高分子聚合物、有機無機複合材料)或背板剛性材料(如玻璃等)，在膠黏劑(如乙烯乙酸乙烯脂、聚乙烯醇縮丁醛酯等)的粘合下形成一個完整的透光BIPV光伏組件。本發明所要解決的技術問題，與現有技術相比，主要的區別在於太陽能電池的基片是以柔性材料作為電池襯底和光電轉換層(光吸收層)依次疊加呈三明治型結構；通孔貫通分布於基片及光電轉換層的各膜層上；通孔形成於沉積矽基薄膜和透明導電膜之前，避免損壞膜層結構和電性能，採用機械衝模；對基片成膜前形成的通孔包括透光孔和匯流孔； 封裝材料可以是高分子聚合物包括有機無機複合材料以及玻璃材料的組合；透光型BIPV 光伏組件既可以是剛性組件，也可以是柔性組件。太陽能電池晶片，其光電轉換層為非晶微晶矽疊層柔性電池，其透光通孔在 0. 5mnT50mm範圍內任意調節。目的在於根據BIPV設計要求調節不同透光率和透光圖案。本發明包括了柔性太陽電池晶片的製造和封裝。一種太陽能電池光伏建築組件的製造方法，包括用來製成光伏建築組件和BIPV 光伏模塊的太陽能電池晶片，選用軟基片聚合物高分子材料和封裝材料，其特徵是具有透光功能的通孔，形成於沉積矽基薄膜和透明導電膜之前，分布貫穿於整個電池晶片工序流程；
基片的第一次衝孔首先對絕緣的基片，沿著長度方向對基片兩側幅面進行衝孔，形成透光通孔；
基片的第二次衝孔是基片兩面沉積導電膜層後，為導電基片在兩面沉積透明導電的膜層基片膜形成通孔有規則的分布，構成透光圖案；
組件封裝採用所說柔性基片，構成透光度高，圖案的電池晶片，用組合材料層壓封裝製備柔性或剛性太陽能電池光伏建築組件和BIPV組件。電池晶片的製造
以柔性聚合物薄膜材料為電池的基片即電池襯底，在基片兩側幅面上分布的通孔是導流孔，通孔的直徑為lmnT5mm，通孔中心間距等於每節電池晶片的節寬，一節節串聯電池條的寬度，簡稱節寬。隨後對基片的正面和背面上，濺射鍍導電金屬膜包括銀、鋁、鎳或氧化鋅膜，電池基片在其成膜後，為導電基片。匯流透光通孔位置於在基片匯流孔和導電基片的中間區域，其形狀各異，透光度可變調節，匯流透光通孔的範圍為0. 5mnT50mm，並形成電極串聯結構。形成疊層電池在基片的導電膜面上沉積矽基薄膜光電轉換層，包括非晶矽單結的，異質結雙結、三結疊層薄膜；
電池正面在疊層電池正面繼續沉積透明導電膜，包括摻銦氧化錫薄膜、摻硼氧化鋅薄膜、摻鋁氧化鋅薄膜等；
電池背面在導電基片2另一面濺鍍金屬膜(如銀、鋁、鎳)或氧化鋅膜。
雷射刻劃在電池正面和背面分別用不同功率的雷射刻劃兩條錯位的線，形成一節節內部串聯的電池晶片。前背電極將電池晶片剪裁成所需尺寸的單元電池晶片，在電池晶片的兩端頭，匯集電流，作為電極引出導線。電池模塊將具有匯流帶的電池晶片封裝成模塊，包括由電池模塊封裝的太陽能電池組件、光伏電池組件，還包括BIPV光伏組件。透光太陽能電池晶片的封裝材料，包括前板透明柔性氟材料或前板的玻璃材料。 柔性透光BIPV光伏組件，則要求封裝的前板透明材料和背板皆為柔性聚合物材料。將前板透明材料、膠黏劑、電池晶片、膠黏劑、背板材料在層壓機或高壓釜中熱壓封裝。本發明用甚高頻等離子體增強化學氣相沉積技術(VHF-PECVD)沉積非晶矽/微晶矽疊層太陽能電池，背電極可以是金屬或金屬合金薄膜，亦可以是透明導電膜，如氧化銦錫 (ITO)或氧化鋅(ZnO)；前電極透明導電膜&10，採用金屬源氣相化學沉積。本發明不同於已有技術，還在於依據BIPV美觀和透過率的匯流孔、透光孔的直徑大小和分布貫穿於整個工序流程；電池封裝材料可以是高分子聚合物、有機無機複合材料以及玻璃材料的組合。本發明與現有技術相比產生了意想不到效果，尤其應用在BIPV組件的透光和電池電性能方面，將透光度和匯流技術集成在一起，有效地避免了鑿孔形成的電流損失。通孔範圍大(0. 5mm—50mm)，排布可滿足玻璃幕牆和採光屋頂的透光率和美觀度設計要求。這對 BIPV乃至綠色智能建築的推廣將產生重要意義。
圖1是本發明的結構示意圖。具有一定透光率和圖案的BIPV組件。導流孔1、基片2上的電池薄膜、電池正面雷射刻劃線3、虛線表示電池背面雷射刻劃線5、通孔圖案組合 100，可透光。圖2、是本發明圖1中所示的薄膜太陽能電池的基片2或稱襯底，一種聚合物柔性薄膜材料為軟基片，在其寬度兩側排布一列衝孔是導流孔1，孔徑在lmnT5mm之間。圖3、是本發明，經過沉積成膜處理的導電基片2，在圖2導流孔1和導電基片2的中間區域排布的衝孔，是透光匯流透光通孔4，形成前電極和背電極的串聯結構。可以根據 BIPV設計要求，形成不同形狀和透光率的匯流透光通孔4。圖4A，4B分別表明本發明的導電基片2，沉積光電轉換膜層後，在電池膜面正面和背面，分別用雷射刻劃出的兩條線3和5，以形成內部串聯式電池結構。圖5、是本發明在一個電池模塊的兩端，貼有匯流塗錫帶6，匯集電流，作電極引出導線。圖6，是本發明的一個實施例，太陽能電池層壓組件的結構示意。透明柔性前板 103，膠黏劑102、電池晶片101、背板材料104。圖7，是本發明的一種層壓電池組件結構示意圖，透光彎曲玻璃203、膠黏劑102、 電池晶片101。
具體實施例方式實施例1:見圖1
透光型薄膜電池的製造方法，選取基片聚醯亞胺做柔性襯底， 基片1寬度IOOOmm和厚度lOOMm，長度不限
基片第一衝孔在聚醯亞胺的基片2兩側寬平面上，距離邊界20mm處為中心線，用圓形衝頭衝孔，沿著長度方向衝導流孔1，形成匯流孔，孔直徑為5mm，孔與孔的中心間距200mm， 對衝孔後的基片2噴水清洗和吹風乾燥；
基片成膜將帶孔1的基片2進真空濺鍍室，在基片的正反兩面同時濺鍍金屬薄膜鋁， 製成導電基片；
導電基片成孔在成膜後的基片2上衝孔，為第二次衝孔，沿著寬度方向在導電基片中間區域，用圓形衝頭，衝成一排排匯流透光通孔4，形成匯流透光通孔4陣列，孔徑為50mm， 孔與孔的中心間距800mm，衝孔後，進行清洗、乾燥處理；
沉積光電轉換層將帶匯流透光通孔4的導電基片進入PECVD沉積室，先後沉積微晶矽 PIN層和非晶矽PIN層。沉積採用40MHz甚高頻，氣體等離子放電，進行化學氣相沉積；沉積非晶矽層，矽烷和氫氣的流量比率1 :20 ；
沉積P、N層；
沉積微晶矽層矽烷和氫氣的流量比率1 :100。將沉積完非晶/微晶矽疊層薄膜的導電基片傳送至下一個真空濺鍍室濺鍍氧化銦錫薄膜。將濺鍍氧化銦錫薄膜後的導電基片，用雷射刻劃機上下兩個雷射頭沿著寬度方向，和設定的間距，一排排的刻劃，最終形成一節節內部串聯式電池結構。實施例2:
本實施例見圖6，柔性BIPV組件是實施例1中的一種透光型柔性光伏電池組件，電池模塊是柔性薄膜電池晶片，其厚度為0. 2mm，採用柔性前板和柔性背板進行封裝，按照如下工藝步驟進行封裝
測試篩選用太陽光模擬器測試薄膜電池的電性能，合格的剪裁成電池晶片； 選厚度為75Mm的透明的柔性前板，採用聚氟乙烯，與厚度為75ΜΠ1的膠黏劑EVA形成粘接呈一個平臺，將電池晶片按照一定規律擺放在該平臺上，電池片背光面朝上，受光面朝下。將塗錫銅帶6用滾壓機壓粘在電池晶片的兩端，電池片之間可以串並聯連接。有塗錫帶的電池片用膠黏劑和透明柔性前板貼合，膠黏劑EVA和厚度為75ΜΠ1柔性背板用熱壓機壓合，根據BIPV組件長度的設計要求，兩層材料間預留出線孔。在熱壓後，將根據組件模塊尺寸剪裁。在導線引出口焊線、安裝接線盒及灌膠。太陽能模擬器測試組件電性能，篩選合格品。實施例3
柔性電池晶片封裝成一種剛性BIPV組件
剛性透光BIPV光伏組件要求封裝所用的前板透明材料和背板材料中至少有一種為剛性。本實施例前板103採用透光平板玻璃，背板104採用透光平板玻璃進行封裝。
電池模塊電池性能測試，用太陽光模擬器測試，將合格柔性電池晶片101，剪裁單元電池晶片；
將塗錫銅帶6壓粘在單元電池晶片背光面的兩端，並留出一定長度搭粘到下一片電池晶片101，電池晶片是串聯(或並聯)連接；
將透光平板玻璃、膠黏劑，放置在電池晶片的上下，對稱鋪設成，用層壓機、高壓釜進行熱壓封裝；
在導線引出口焊線、安裝接線盒及灌膠；
封裝完成後，用太陽能模擬器測試將每個組件電性能輸出，確認合格品和不良品。實施例4
圖1所示的具有一定光率和透光圖案的BIPV組件，其薄膜電池沉積方法是 選擇軟基片2寬度800mm，厚度60Mm的聚合物薄膜，
在其兩側見圖2，以距離邊界20mm處為中心線，沿著長度方向，使用圓形，不鏽鋼衝頭相對基片2垂直衝孔，通孔的直徑4mm，孔間距200mm ；衝孔後進行噴水清洗和吹風乾燥處
理，後
將該衝孔基片傳送至真空濺鍍室，在薄膜的正反兩面同時濺鍍金屬薄膜氧化銦錫。此時，將基片2濺鍍成膜後，為導電基片2，對其進行第二次衝孔，沿著寬度方向在聚合物薄膜的中間區域使用圓形的不鏽鋼衝頭相對於導電基片2垂直衝孔，採多個衝頭沿寬度方向衝出具有團簇花紋結構的透光圖案，然後沿著長度方向一排一排的衝成匯流透光通孔4，整個組件具有較好的美觀效果。根據BIPV組件的設計要求，孔直徑40mm，孔的中心間為500mm，孔的排布可以根據各種設計需要來實現。衝孔後，進行噴水清洗和吹風乾燥。將完成第二次衝孔的具有導電薄膜的基片1在PECVD沉積室先後沉積微晶矽PIN 層和非晶矽PIN層。沉積頻率為27. 12MHz,由甚高頻驅動反應氣體等離子放電，進行化學氣相沉積。將沉積完非晶/微晶矽疊層薄膜後，再在真空濺鍍室濺鍍氧化銦錫薄膜(或鋅薄膜)。如圖4所示，在沉積完光電轉換膜層後，對其雷射刻劃，上下兩個雷射頭沿著寬度方向，按照一定間距，一排排的刻劃，形成一節節內部串聯式電池結構。該電池薄膜選用以上實施例任何一種封裝模式成BIPV組件，還可以由柔性前板聚合物薄膜和剛性背板材料， 或用透光彎曲玻璃203進行封裝。
權利要求
1.一種太陽能電池光伏建築組件，包括用來製成光伏建築組件和BIPV光伏模塊的軟性的薄膜太陽能電池晶片，其特徵在於太陽能電池基片，電池晶片包括柔性襯底與光電轉換層依次疊加呈三明治結構，其通孔貫通分布於基片及電池晶片的各薄膜層上；由聚合物材料做柔性電池基片；分布於基片和基片各膜層上的通孔(1)，構成具有透光功能的通孔(4)和通孔透光圖案，分別是電池晶片的匯流孔和導流孔；所說的柔性電池晶片與封裝材料層壓製成透光型太陽能光伏建築組件。
2.根據權利要求1所述的一種太陽能電池光伏建築組件，其特徵在於所述的太陽能電池晶片，其光電轉換層為非晶微晶矽疊層柔性電池，其透光通孔在0. 5mnT50mm範圍內任意調節。
3.根據權利要求1所述的一種太陽能電池光伏建築組件，其特徵在於所述柔性電池基片為聚醯亞胺、聚對苯二甲酸類塑料、聚環氧乙烷其中的一種，在基片兩側幅面上分布的通孔(1)是導流孔，通孔的直徑為lmnT5mm，通孔中心間距等於每節電池晶片的節寬。
4.根據權利要求3所述的一種太陽能電池光伏建築組件，其特徵在於所說的電池晶片膜層上分布的通孔(4)位於通孔(1)和電池晶片膜層的中間區域，通孔(4)是匯流孔，範圍為0. 5mnT50mm，其形狀和分布各異。
5.根據權利要求1所述的一種太陽能電池光伏建築組件，其特徵在於所說的透光太陽能電池晶片的封裝材料，包括前板透明柔性氟材料或前板的玻璃材料。
6.根據權利要求1-5任意一項所述的一種太陽能電池光伏建築組件，其特徵在於所說的電池晶片，其光電轉換層是矽基薄膜系列，包括非晶矽單結/雙結/三結，同質結或異質結的疊層薄膜。
7.根據權利要求6所述的一種太陽能電池光伏建築組件，其特徵在於所說的電池晶片的光電轉換層上還有透明導電膜，包括摻銦氧化錫薄膜/摻硼氧化鋅薄膜/摻鋁氧化鋅薄膜。
8.一種太陽能電池光伏建築組件的製造方法，包括用來製成光伏建築組件和BIPV光伏模塊的太陽能電池晶片，選用軟基片聚合物高分子材料和封裝材料，其特徵在於具有透光功能的通孔，形成於沉積矽基薄膜和透明導電膜之前，分布貫穿於整個電池晶片工序流程；基片的第一次衝孔首先對絕緣的基片(2)，沿著長度方向對基片兩側幅面進行衝孔， 形成透光通孔(1)；基片的第二次衝孔是基片(2)兩面沉積導電膜層後，為導電基片在兩面沉積透明導電的膜層基片形成通孔(4)有規則的分布，構成透光圖案；組件封裝採用所說柔性基片，構成透光度高，圖案的電池晶片，用組合材料層壓封裝製備柔性或剛性太陽能電池光伏建築組件和BIPV組件。
9.根據權利要求8所述的一種太陽能電池光伏建築組件的製造方法，其特徵在於選用軟性的薄膜太陽能電池，其電池的光電轉換層為非晶微晶矽疊層柔性電池，其通孔集透光和電流功能，通孔在0. 5mnT50mm範圍內調節透光度大小。
10.根據權利要求9所述的一種太陽能電池光伏建築組件的製造方法，其特徵在於在基片兩側幅面上製程導流孔(1)，通孔的直徑為lmnT5mm，通孔中心間距等於每節電池節覺。
11.根據權利要求8所述的一種太陽能電池光伏建築組件的製造方法，其特徵在於在柔性薄膜太陽能電池，選擇聚醯亞胺基片，對基片第一次機械衝孔，孔徑範圍lmnT5mm ；第二次機械衝孔，是在導電基片上，通孔(4)的範圍為0. 5mnT50mm，其形狀和分布各異，形成透光柔性薄膜太陽能電池晶片。
12.根據權利要求8所述的一種太陽能電池光伏建築組件的製造方法，其特徵在於透光柔性薄膜太陽能電池晶片，選擇透明柔性聚氟乙烯做前板，用高壓釜工藝，或背板玻璃， 在膠黏劑的粘合下形成一個完整的透光BIPV光伏組件。
13.根據權利要求8所述的一種太陽能電池光伏建築組件的製造方法，其特徵在於剛性透光BIPV光伏組件，則要求封裝所用的前板透明材料和背板材料中至少有一種為剛性。
14.一種用於太陽能電池光伏建築組件的電池晶片，選用剛性的薄膜太陽能電池和封裝材料，其特徵在於依次疊加呈三明治結構的電池晶片，其上集匯流和透光的通孔貫通分布在基片及電池薄膜層上；所說的電池晶片是由柔性導電基片為襯底，其上的光電轉換層，至少是一個由非晶矽/ 微晶矽的膜層結構，包括異質結雙結或三結的膜層上；在電池晶片的正面和背面至少刻有兩條錯位的雷射刻劃線，以形成電池晶片內電極串聯連接；在電池晶片的背面兩端貼有匯流塗錫帶。
15.根據權利要求14所述的用於太陽能電池光伏建築組件的電池晶片，其特徵在於所說貫通於基片及電池薄膜層的通孔集匯流透光功能，基片上通孔，分布在絕緣基片的長度方向兩側幅面上，孔徑範圍(1) lmnT5mm;所說電池薄膜層的通孔是透光孔(4)，分布在導電基片上，孔徑範圍為0. 5mnT50mm，調節孔徑，可構成透光圖案，所說的通孔(1、4)分別是具有透光功能的導流孔和匯流孔。
全文摘要
本發明涉及一種透光型薄膜太陽能電池組件，廣泛應用於光伏建築一體化，屬於太陽能技術領域。主要技術特徵是太陽能電池的基片以柔性材料作為電池襯底和光電轉換層(光吸收層)依次疊加呈三明治型結構；通孔貫通分布於基片及光電轉換層的各膜層上；通孔形成於沉積矽基薄膜和透明導電膜之前，避免損壞膜層結構和電性能，通孔範圍大(0.5mm—50mm)，排布可滿足玻璃幕牆和採光屋頂的透光率和美觀度設計要求。
文檔編號H01L51/46GK102386334SQ20111037845
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者何祝兵, 李毅, 蘇奇聰 申請人:深圳市創益科技發展有限公司