CN102386334A - 一种太阳能电池光伏建筑组件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透光型薄膜太阳能电池组件，广泛应用于光伏建筑一体化，属于太阳能技术领域。主要技术特征是太阳能电池的基片以柔性材料作为电池衬底和光电转换层（光吸收层）依次叠加呈三明治型结构；通孔贯通分布于基片及光电转换层的各膜层上；通孔形成于沉积硅基薄膜和透明导电膜之前，避免损坏膜层结构和电性能，通孔范围大（0.5mm—50mm），排布可满足玻璃幕墙和采光屋顶的透光率和美观度设计要求。

Description

一种太阳能电池光伏建筑组件及制造方法

技术领域

本发明公开一种透光型薄膜太阳能电池组件，广泛应用于光伏建筑一体化，属于太阳能技术领域。

背景技术

目前，现有技术光伏建筑一体化（以下简称BIPV）中的太阳能电池组件，作为一种具有发电功能的新型建筑材料，在太阳能电池市场占有重要地位。薄膜太阳能电池，一般选择透明刚性(玻璃)基片或柔性基片材料。刚性薄膜太阳能电池可以做到大尺寸，软基柔性薄膜太阳能电池以轻、薄为显著特征,可以任意弯曲，形状多变。本发明正是为光伏建筑一体化，提供尺寸、形状、美观、具有发电功能，符合建筑美学要求的太阳能电池光伏组件。目前，薄膜太阳能电池的透光技术可以归纳为：一，用预留孔方式解决透光性，在电池未成膜之前，预先在绝缘基板预留通孔模式来实现。二,用激光刻蚀、丝印联同喷砂技术，在成膜过程中形成透光组件。前者造成组件的抗风荷等机械强度下降，并降低衬底在电池制备工艺中的不稳定性，同时极大增加BIPV电池组件制造成本。后者存在薄膜刻蚀过程中都会对光吸收层（光电转换层）会造成污染和破坏，影响电性能。日本专利JP2003003956采用激光刻蚀光吸收层和背金属电极层实现透光，激光刻蚀产生高能等离子体熔化背金属，易导致被刻蚀的界面上前电极和背电极的直接短路以及非晶硅颗粒的晶化，增大漏电流，降低填充因子，因而降低了电池电性能。日本专利JP2009059772A，公开电池打孔汇流技术，克服了以上技术不足，但因孔径变化范围窄，透光不足。解决太阳能电池组件高透光度状态下，仍然保持电性能和强度不受影响，正是本发明亟待要继续突破的技术，以满足特种行业标准，尤其作为光伏建筑一体化使用的太阳能电池光伏组件，需透光度高，形式多样化、美观度高。

发明内容

鉴于此，本发明旨在提出一种透光性薄膜太阳能电池光伏组件及其制造方法。太阳能电池光伏建筑组件，包括用来制成光伏建筑组件和BIPV光伏模块的软性的薄膜太阳能电池芯片，其特征是太阳能电池基片，电池芯片包括柔性衬底与光电转换层依次叠加呈三明治结构,其通孔贯通分布于基片及电池芯片的各薄膜层上；

由聚合物材料做柔性电池基片，选择包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚环氧乙烷其中的一种；

分布于基片和基片各膜层上的孔通, 构成具有透光功能的通孔和通孔透光图案,分别是电池芯片的汇流孔和导流孔; 

柔性电池芯片与封装材料层压制成透光型太阳能光伏建筑组件。

本发明将透光处理与不损坏电池性能有机的结合，突破大孔径加工技术，透光孔直径0.5mm~50mm内可任意调节。满足BIPV光伏屋顶和光伏幕墙的采光要求，同时，提出透光型薄膜太阳能电池光伏组件的制造方法，包括不同透光率和透光图案的柔性和刚性BIPV光伏组件。

 本发明所说的透光型柔性太阳能电池，可以用来制成光伏建筑组件（以下简称透光BIPV组件），是一种以柔性聚合物（如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚环氧乙烷等）为衬底，并在不同的薄膜沉积阶段对该聚合物薄膜进行机械冲孔，形成不同孔径和图案的光伏电池芯片，再通过层压机或高压釜工艺，将前板透明柔性氟材料（如聚氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物等）或前板刚性透明材料（如玻璃等），电池芯片、背板柔性材料（如高分子聚合物、有机无机复合材料）或背板刚性材料（如玻璃等），在胶黏剂（如乙烯乙酸乙烯脂、聚乙烯醇缩丁醛酯等）的粘合下形成一个完整的透光BIPV光伏组件。

 本发明所要解决的技术问题，与现有技术相比，主要的区别在于太阳能电池的基片是以柔性材料作为电池衬底和光电转换层（光吸收层）依次叠加呈三明治型结构；通孔贯通分布于基片及光电转换层的各膜层上；通孔形成于沉积硅基薄膜和透明导电膜之前，避免损坏膜层结构和电性能，采用机械冲模；对基片成膜前形成的通孔包括透光孔和汇流孔；封装材料可以是高分子聚合物包括有机无机复合材料以及玻璃材料的组合；透光型BIPV光伏组件既可以是刚性组件，也可以是柔性组件。

太阳能电池芯片,其光电转换层为非晶微晶硅叠层柔性电池，其透光通孔在0.5mm~50mm范围内任意调节。目的在于根据BIPV设计要求调节不同透光率和透光图案。

本发明包括了柔性太阳电池芯片的制造和封装。

一种太阳能电池光伏建筑组件的制造方法，包括用来制成光伏建筑组件和BIPV光伏模块的太阳能电池芯片,选用软基片聚合物高分子材料和封装材料，其特征是具有透光功能的通孔，形成于沉积硅基薄膜和透明导电膜之前，分布贯穿于整个电池芯片工序流程；

基片的第一次冲孔：首先对绝缘的基片，沿着长度方向对基片两侧幅面进行冲孔，形成透光通孔；

基片的第二次冲孔：是基片两面沉积导电膜层后，为导电基片在两面沉积透明导电的膜层基片膜形成通孔有规则的分布，构成透光图案；

组件封装：采用所说柔性基片，构成透光度高，图案的电池芯片，用组合材料层压封装制备柔性或刚性太阳能电池光伏建筑组件和BIPV组件。

电池芯片的制造：

以柔性聚合物薄膜材料为电池的基片即电池衬底，在基片两侧幅面上分布的通孔是导流孔，通孔的直径为1mm~5mm，通孔中心间距等于每节电池芯片的节宽，一节节串联电池条的宽度，简称节宽。随后对基片的正面和背面上，溅射镀导电金属膜包括银、铝、镍或氧化锌膜，电池基片在其成膜后，为导电基片。汇流透光通孔位置于在基片汇流孔和导电基片的中间区域，其形状各异，透光度可变调节，汇流透光通孔的范围为0.5mm~50mm，并形成电极串联结构。

形成叠层电池：在基片的导电膜面上沉积硅基薄膜光电转换层，包括非晶硅单结的，异质结双结、三结叠层薄膜；

电池正面：在叠层电池正面继续沉积透明导电膜，包括掺铟氧化锡薄膜、掺硼氧化锌薄膜、掺铝氧化锌薄膜等；

电池背面：在导电基片2另一面溅镀金属膜（如银、铝、镍）或氧化锌膜。

激光刻划：在电池正面和背面分别用不同功率的激光刻划两条错位的线，形成一节节内部串联的电池芯片。

前背电极：将电池芯片剪裁成所需尺寸的单元电池芯片，在电池芯片的两端头，汇集电流，作为电极引出导线。

电池模块：将具有汇流带的电池芯片封装成模块，包括由电池模块封装的太阳能电池组件、光伏电池组件，还包括BIPV光伏组件。

透光太阳能电池芯片的封装材料，包括前板透明柔性氟材料或前板的玻璃材料。柔性透光BIPV光伏组件，则要求封装的前板透明材料和背板皆为柔性聚合物材料。

将前板透明材料、胶黏剂、电池芯片、胶黏剂、背板材料在层压机或高压釜中热压封装。

本发明用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术（VHF-PECVD）沉积非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池，背电极可以是金属或金属合金薄膜，亦可以是透明导电膜，如氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）；前电极透明导电膜ZnO，采用金属源气相化学沉积。

本发明不同于已有技术，还在于依据BIPV美观和透过率的汇流孔、透光孔的直径大小和分布贯穿于整个工序流程；电池封装材料可以是高分子聚合物、有机无机复合材料以及玻璃材料的组合。

本发明与现有技术相比产生了意想不到效果，尤其应用在BIPV组件的透光和电池电性能方面，将透光度和汇流技术集成在一起，有效地避免了凿孔形成的电流损失。通孔范围大（0.5mm—50mm），排布可满足玻璃幕墙和采光屋顶的透光率和美观度设计要求。这对BIPV乃至绿色智能建筑的推广将产生重要意义。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图。具有一定透光率和图案的BIPV组件。导流孔1、基片2上的电池薄膜、电池正面激光刻划线3、虚线表示电池背面激光刻划线5、通孔图案组合100，可透光。

图2、是本发明图1中所示的薄膜太阳能电池的基片2或称衬底，一种聚合物柔性薄膜材料为软基片，在其宽度两侧排布一列冲孔是导流孔1，孔径在1mm~5mm之间。

图3、是本发明，经过沉积成膜处理的导电基片2，在图2导流孔1和导电基片2的中间区域排布的冲孔，是透光汇流透光通孔4，形成前电极和背电极的串联结构。可以根据BIPV设计要求，形成不同形状和透光率的汇流透光通孔4。

图4A,4B分别表明本发明的导电基片2，沉积光电转换膜层后，在电池膜面正面和背面，分别用激光刻划出的两条线3和5，以形成内部串联式电池结构。

图5、是本发明在一个电池模块的两端，贴有汇流涂锡带6，汇集电流，作电极引出导线。

图6，是本发明的一个实施例，太阳能电池层压组件的结构示意。透明柔性前板103，胶黏剂102、电池芯片101、背板材料104。

图7，是本发明的一种层压电池组件结构示意图，透光弯曲玻璃203、胶黏剂102、电池芯片101。

具体实施方式

实施例1：见图1

透光型薄膜电池的制造方法，选取基片聚酰亚胺做柔性衬底，

基片1宽度1000mm和厚度100μm，长度不限

基片第一冲孔：在聚酰亚胺的基片2两侧宽平面上，距离边界20mm处为中心线，用圆形冲头冲孔，沿着长度方向冲导流孔1，形成汇流孔，孔直径为5mm，孔与孔的中心间距200mm，对冲孔后的基片2喷水清洗和吹风干燥；

基片成膜：将带孔1的基片2进真空溅镀室，在基片的正反两面同时溅镀金属薄膜铝，制成导电基片；

导电基片成孔：在成膜后的基片2上冲孔，为第二次冲孔，沿着宽度方向在导电基片中间区域，用圆形冲头，冲成一排排汇流透光通孔4，形成汇流透光通孔4阵列，孔径为50mm，孔与孔的中心间距800mm，冲孔后，进行清洗、干燥处理；

沉积光电转换层：将带汇流透光通孔4的导电基片进入PECVD沉积室，先后沉积微晶硅PIN层和非晶硅PIN层。

沉积采用40MHz甚高频，气体等离子放电，进行化学气相沉积；沉积非晶硅层，硅烷和氢气的流量比率1：20；

沉积P、N层；

沉积微晶硅层：硅烷和氢气的流量比率1：100。

将沉积完非晶/微晶硅叠层薄膜的导电基片传送至下一个真空溅镀室溅镀氧化铟锡薄膜。

将溅镀氧化铟锡薄膜后的导电基片，用激光刻划机上下两个激光头沿着宽度方向，和设定的间距，一排排的刻划，最终形成一节节内部串联式电池结构。

实施例2：

本实施例见图6，柔性BIPV组件是实施例1中的一种透光型柔性光伏电池组件，电池模块是柔性薄膜电池芯片，其厚度为0.2mm，采用柔性前板和柔性背板进行封装，按照如下工艺步骤进行封装：

测试筛选：用太阳光模拟器测试薄膜电池的电性能，合格的剪裁成电池芯片；

选厚度为75μm的透明的柔性前板，采用聚氟乙烯，与厚度为75μm的胶黏剂EVA形成粘接呈一个平台，将电池芯片按照一定规律摆放在该平台上，电池片背光面朝上，受光面朝下。

将涂锡铜带6用滚压机压粘在电池芯片的两端，电池片之间可以串并联连接。

有涂锡带的电池片用胶黏剂和透明柔性前板贴合，胶黏剂EVA和厚度为75μm柔性背板用热压机压合，根据BIPV组件长度的设计要求，两层材料间预留出线孔。在热压后，将根据组件模块尺寸剪裁。在导线引出口焊线、安装接线盒及灌胶。

太阳能模拟器测试组件电性能，筛选合格品。

实施例3：

柔性电池芯片封装成一种刚性BIPV组件：

刚性透光BIPV 光伏组件要求封装所用的前板透明材料和背板材料中至少有一种为刚性。本实施例前板103采用透光平板玻璃，背板104采用透光平板玻璃进行封装。

电池模块电池性能测试，用太阳光模拟器测试，将合格柔性电池芯片101，剪裁单元电池芯片；

将涂锡铜带6压粘在单元电池芯片背光面的两端，并留出一定长度搭粘到下一片电池芯片101，电池芯片是串联（或并联）连接；

将透光平板玻璃、胶黏剂，放置在电池芯片的上下，对称铺设成，用层压机、高压釜进行热压封装；

在导线引出口焊线、安装接线盒及灌胶；

封装完成后，用太阳能模拟器测试将每个组件电性能输出，确认合格品和不良品。

实施例4：

图1所示的具有一定光率和透光图案的BIPV组件，其薄膜电池沉积方法是：

选择软基片2宽度800mm，厚度60μm的聚合物薄膜，

在其两侧见图2，以距离边界20mm处为中心线，沿着长度方向，使用圆形，不锈钢冲头相对基片2垂直冲孔，通孔的直径4mm，孔间距200mm；冲孔后进行喷水清洗和吹风干燥处理，后

将该冲孔基片传送至真空溅镀室，在薄膜的正反两面同时溅镀金属薄膜氧化铟锡。

此时，将基片2溅镀成膜后，为导电基片2，对其进行第二次冲孔，沿着宽度方向在聚合物薄膜的中间区域使用圆形的不锈钢冲头相对于导电基片2垂直冲孔，采多个冲头沿宽度方向冲出具有团簇花纹结构的透光图案，然后沿着长度方向一排一排的冲成汇流透光通孔4，整个组件具有较好的美观效果。根据BIPV组件的设计要求，孔直径40mm，孔的中心间为500mm，孔的排布可以根据各种设计需要来实现。冲孔后，进行喷水清洗和吹风干燥。

将完成第二次冲孔的具有导电薄膜的基片1在PECVD沉积室先后沉积微晶硅PIN层和非晶硅PIN层。沉积频率为27.12MHz，由甚高频驱动反应气体等离子放电，进行化学气相沉积。

将沉积完非晶/微晶硅叠层薄膜后，再在真空溅镀室溅镀氧化铟锡薄膜（或锌薄膜）。

如图4所示，在沉积完光电转换膜层后，对其激光刻划，上下两个激光头沿着宽度方向，按照一定间距，一排排的刻划，形成一节节内部串联式电池结构。该电池薄膜选用以上实施例任何一种封装模式成BIPV组件，还可以由柔性前板聚合物薄膜和刚性背板材料，或用透光弯曲玻璃203进行封装。

Claims (15)

1. 一种太阳能电池光伏建筑组件，包括用来制成光伏建筑组件和BIPV光伏模块的软性的薄膜太阳能电池芯片，其特征在于太阳能电池基片，电池芯片包括柔性衬底与光电转换层依次叠加呈三明治结构,其通孔贯通分布于基片及电池芯片的各薄膜层上；

由聚合物材料做柔性电池基片；

分布于基片和基片各膜层上的通孔（1）, 构成具有透光功能的通孔（4）和通孔透光图案,分别是电池芯片的汇流孔和导流孔; 

所说的柔性电池芯片与封装材料层压制成透光型太阳能光伏建筑组件。

2. 根据权利要求1所述的一种太阳能电池光伏建筑组件，其特征在于所述的太阳能电池芯片,其光电转换层为非晶微晶硅叠层柔性电池，其透光通孔在0.5mm~50mm范围内任意调节。

3. 根据权利要求1所述的一种太阳能电池光伏建筑组件，其特征在于所述柔性电池基片为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚环氧乙烷其中的一种，在基片两侧幅面上分布的通孔（1）是导流孔，通孔的直径为1mm~5mm，通孔中心间距等于每节电池芯片的节宽。

4. 根据权利要求3所述的一种太阳能电池光伏建筑组件，其特征在于所说的电池芯片膜层上分布的通孔（4）位于通孔（1）和电池芯片膜层的中间区域，通孔（4）是汇流孔,范围为0.5mm~50mm，其形状和分布各异。

5. 根据权利要求1所述的一种太阳能电池光伏建筑组件，其特征在于所说的透光太阳能电池芯片的封装材料，包括前板透明柔性氟材料或前板的玻璃材料。

6. 根据权利要求1-5任意一项所述的一种太阳能电池光伏建筑组件，其特征在于所说的电池芯片,其光电转换层是硅基薄膜系列，包括非晶硅单结/双结/三结,同质结或异质结的叠层薄膜。

7. 根据权利要求6所述的一种太阳能电池光伏建筑组件，其特征在于所说的电池芯片的光电转换层上还有透明导电膜，包括掺铟氧化锡薄膜/掺硼氧化锌薄膜/掺铝氧化锌薄膜。

8. 一种太阳能电池光伏建筑组件的制造方法，包括用来制成光伏建筑组件和BIPV光伏模块的太阳能电池芯片,选用软基片聚合物高分子材料和封装材料，其特征在于具有透光功能的通孔，形成于沉积硅基薄膜和透明导电膜之前，分布贯穿于整个电池芯片工序流程；

基片的第一次冲孔：首先对绝缘的基片（2），沿着长度方向对基片两侧幅面进行冲孔，形成透光通孔（1）；

基片的第二次冲孔：是基片（2）两面沉积导电膜层后，为导电基片在两面沉积透明导电的膜层基片形成通孔（4）有规则的分布，构成透光图案；

组件封装：采用所说柔性基片，构成透光度高，图案的电池芯片，用组合材料层压封装制备柔性或刚性太阳能电池光伏建筑组件和BIPV组件。

9. 根据权利要求8所述的一种太阳能电池光伏建筑组件的制造方法，其特征在于选用软性的薄膜太阳能电池，其电池的光电转换层为非晶微晶硅叠层柔性电池，其通孔集透光和电流功能，通孔在0.5mm~50mm范围内调节透光度大小。

10. 根据权利要求9所述的一种太阳能电池光伏建筑组件的制造方法，其特征在于在基片两侧幅面上制程导流孔（1），通孔的直径为1mm~5mm，通孔中心间距等于每节电池节宽。

11. 根据权利要求8所述的一种太阳能电池光伏建筑组件的制造方法，其特征在于在柔性薄膜太阳能电池，选择聚酰亚胺基片，对基片第一次机械冲孔，孔径范围1mm~5mm；第二次机械冲孔，是在导电基片上，通孔（4）的范围为0.5mm~50mm，其形状和分布各异，形成透光柔性薄膜太阳能电池芯片。

12. 根据权利要求8所述的一种太阳能电池光伏建筑组件的制造方法，其特征在于透光柔性薄膜太阳能电池芯片，选择透明柔性聚氟乙烯做前板，用高压釜工艺，或背板玻璃，在胶黏剂的粘合下形成一个完整的透光BIPV光伏组件。

13. 根据权利要求8所述的一种太阳能电池光伏建筑组件的制造方法，其特征在于刚性透光BIPV光伏组件，则要求封装所用的前板透明材料和背板材料中至少有一种为刚性。

14. 一种用于太阳能电池光伏建筑组件的电池芯片，选用刚性的薄膜太阳能电池和封装材料，其特征在于依次叠加呈三明治结构的电池芯片，其上集汇流和透光的通孔贯通分布在基片及电池薄膜层上；

所说的电池芯片是由柔性导电基片为衬底，其上的光电转换层，至少是一个由非晶硅/微晶硅的膜层结构，包括异质结双结或三结的膜层上；

在电池芯片的正面和背面至少刻有两条错位的激光刻划线，以形成电池芯片内电极串联连接；

在电池芯片的背面两端贴有汇流涂锡带。

15. 根据权利要求14所述的用于太阳能电池光伏建筑组件的电池芯片，其特征在于所说贯通于基片及电池薄膜层的通孔集汇流透光功能，基片上通孔，分布在绝缘基片的长度方向两侧幅面上，孔径范围（1）1mm~5mm；所说电池薄膜层的通孔是透光孔（4），分布在导电基片上，孔径范围为0.5mm~50mm，调节孔径，可构成透光图案,所说的通孔（1、4）分别是具有透光功能的导流孔和汇流孔。

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