CN101447517B

CN101447517B - 一种薄膜型太阳能集电管装置

Info

Publication number: CN101447517B
Application number: CN 200810240607
Authority: CN
Inventors: 赵夔; 陆真冀; 章文羿; 廖成; 焦飞
Original assignee: 赵夔
Current assignee: Wang Hui
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: CN101447517A

Abstract

本发明涉及薄膜型太阳能集电管装置，属于基本电气元件领域。该装置包括外管、内管、电池组件与两根引线；所述内管***外管内，且内管两端平行于外管两端，所述电池组件设置在内管外壁上，所述引线分别与内管外壁上的电池组件两端相连，该电池组件由内到外依次层叠在内管外壁上的背电极层、光吸收及光电转换层、透明电极层所组成。本发明可以克服现有平面型薄膜太阳能电池生产成品率低、工艺设备要求高的因素，同时采用的玻璃管壁厚要比平面式的薄，降低了造价。

Description

一种薄膜型太阳能集电管装置

技术领域

本发明属于基本电气元件领域，特别涉及一种薄膜型太阳能集电管装置的结构设计。

背景技术

能源危机问题已经成为制约目前发展经济建设的关键问题。地球表面接受的太阳能辐射能够满足全球能源需求的1万倍。地表每平方米平均每年受到的辐射可生产1700kW·h电。国际能源署数据显示，在全球4％的沙漠上安装太阳能电池***，就足以满足全球能源需求。太阳能电池主要分为两类，一类是晶硅太阳能电池，包括单晶硅(sc-Si)太阳能电池、多晶硅(mc-Si)太阳能电池两种。现有晶硅太阳能电池存在生产成本高，生产过程中高能耗与污染严重等问题。中国现在的晶硅太阳能电池生产线多数设备和原料费用昂贵，产生附加值很低；另一类是薄膜太阳能电池，主要包括非晶硅(a-Si，使用的是硅，但以不同的形态表现)、铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)太阳能电池。

薄膜太阳能电池吸收层厚度约为几个微米，比起晶硅太阳能电池(吸收层最薄也需要150微米)大大减少了昂贵的材料消耗，所以薄膜太阳能电池的生产成本比晶硅太阳能电池要低；另一方面，薄膜太阳能电池中转换效率最高的铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池，不管是实验室小样片，还是大面积组件均已经接近了多晶硅太阳能电池的水平。所以，薄膜太阳能电池逐渐发展为第二代太阳能电池。但是，该技术的不足之处在于：第一，现在的薄膜太阳能电池多为平板式结构，如图1所示，包括基底101设置在该基底上的薄膜结构的电池组件102及与电池组件相连的电极引线，该电池组件包括三层，由内到外依次为背电极层、光吸收及光电转换层、透明电极层，其中背电极层可以是纯金属钼(Mo)薄膜，也可是金属钼(Mo)和金属铬(Cr)组成的复合薄膜；光电吸收及转换层可以是铜铟镓硒(CIGS)和硫化镉(CdS)组成的异质结，也可以是碲化镉(CdTe)和硫化镉(CdS)组成的异质结，或者不同掺杂硅材料的PN结等等；透明电极层可以是ITO(氧化铟锡)薄膜，也可以是IIIA族元素掺杂的氧化锌(ZnO:B，ZnO:Al，ZnO:Ga)薄膜。这种结构的大面积电池组件光电转换效率还较低，一般10％左右；第二，为了保证生产线的年产量，需要把电池组件的面积做得非常大，常规尺寸0.9米×0.7米、1.2米×1.6米等，这样大的面积容易由于个别瑕疵点而影响整体效率，因而降低了成品率；第三，平面式大面积薄膜太阳能电池，其基底多为玻璃材料，厚度3-5毫米(面积越大，厚度越厚)，生产材料消耗大，而且生产由于一般需要高真空生产设备(一般每步只能加工一到两片)，大面积电池组件致使生产设备庞大、成本高；第四，在大规模电池工程中，为了克服倾斜摆放电池板的阴影影响，电池基底板之间必须间隔足够的距离，这样使其占地使用率不是很高(多为50％以下)，从而降低了单位土地光能的利用率。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术不足之处，提出一种薄膜型太阳能集电管装置，本发明可以由若干个集电管串联或者并联起来形成电池组，大大提高单位面积的光利用率与发电效率。

本发明提出的一种薄膜型太阳能集电管装置，其特征在于：该装置包括一个或两个以上集电管，每一个集电管包括外管、内管、电池组件与两根引线；所述内管***外管内，且内管两端平行于外管两端，所述电池组件设置在内管外壁上，所述引线分别与内管外壁上的电池组件两端相连。

本发明的特点及效果：

由于本发明更改原来的大面积平板装置为细管装置(一般管直径小于4厘米)，从而在生产过程中对真空设备的尺寸要求降低，同时每个真空设备可以同时处理多根管式装置，从而降低了设备造价。

本发明还进一步减小了成品单位的镀膜面积(单位面积减小)，太阳能集电管实际是将大面积板式电池组件分解为多个中空管型电池组件，这样容易在生产过程中制造均匀的薄膜。如果其中一根集电管品质差，可以将其挑出，而不影响其它集电管，提高成品率。

本发明还进一步提供了封装结构以克服水汽渗入的影响，保证了薄膜型太阳能集电管装置长时间露天使用的可靠性。每一个太阳能集电管采用的玻璃管壁厚要比板式的薄，管壁厚度约1-1.5毫米(平板玻璃厚度3-5毫米)，重量减轻了，造价也会同比下降。

由于本发明可以由若干个集电管串联或者并联起来，加上反光瓦结构各种用途的太阳能电池，从而提高了单位面积的光利用率和发电效率。

附图说明

图1是常规平面型薄膜太阳能电池的结构图。

图2是本发明的碲化镉太阳能集电管的结构图。

图3是本发明的铜铟镓硒太阳能集电管的结构图。

图4是本发明的电池组件制备过程图。

图5是本发明的薄膜型太阳能集电管装置结构图(附反光瓦)。

具体实施方式

本发明提出的薄膜型太阳能集电管装置，结合附图及实施例详细说明如下：

实施例1为碲化镉薄膜型太阳能集电管装置，其结构如图2所示，该装置包括外管201、内管202、电池组件203、正极引线204、负极引线205、两端电极封接口206。所述内管202***外管201内，且内管202两端平行于外管201两端，电池组件203设置在内管外壁上，引线204与引线205分别与内管外壁上的电池组件的左右两端相连。该装置的外管201与内管202均为中空结构，且外管201与内管202两端均有电极封接口206，该装置中的正负两极由引线204、205分别从该装置的两端引出。两端封接口206的作用是封闭内管202和外管201之间的空间，而两端封接口206在内管口径以内的部分为敞口结构，以便冷却介质的流通。

本实施例1的内管202的截面形状为圆形。内管的材料为透明物质，如玻璃、石英玻璃、高分子材料等。

本实施例1的内管202内部可以通过流动的气体(如空气或N₂等)和液体(如水或油等)，作为冷却介质以便在电池正常工作时维持内管壁较低的温度，防止电池光电转换效率的下降，同时可以通过在管内流动的气体或液体充分利用太阳热能。

本实施例1的外管作用是保证光透过性和保护内管外壁的电池组件，外管的材料多为透明物质，如玻璃或高分子化合物(EVA，PE)等。

由于太阳能集电管需要长时间露天放置使用，为了防止水汽渗入，本实施例在管的一端部加有吸水剂(如无水硅胶等)。

本实施例1的电池组件203设置在内管外壁上，该电池组件包括三层，由内到外依次为背电极层、光吸收及光电转换层、透明电极层。背电极层材料为纯金属钼(Mo)薄膜；光吸收及光电转换层上沉积的光吸收材料为碲化镉，用该材料作为电池的P型半导体，并且在P型半导体上沉积N型半导体(如：CdS等)组成PN结(异质结)；透明电极层的材料为ITO(氧化铟锡)薄膜。

实施例2为铜铟镓硒薄膜型太阳能集电管装置，其结构如图3所示，该装置包括外管301、内管302、电池组件303、引线305、引线308、两电极309、电极封接口307、封闭端304。所述内管302***外管301内，且内管302两端平行于外管301两端，电池组件303设置在内管外壁上，引线308与引线305分别与内管外壁上的电池组件的左右两端相连。该装置的外管301与内管302均为中空结构，且外管与内管一端通过高温烧蚀，内管、外管熔融冷却凝结变成封闭端304，另一端由电极封接口307封接，该装置中的电极正负两极由引线305、308从该装置由封闭物封闭的一端引出。在该装置的内外两管之间可以通入适量惰性气体(如氮气、氩气)，起到一定的导热和保护作用。

本实施例2的内管302的截面形状为圆形。内管的材料为不透明物质，如钢、铜、铝等金属、陶瓷、不透明的高分子材料等。

本实施例2的外管作用是保证光透过性和保护内管外壁的电池组件，外管的材料多为透明物质，如玻璃或高分子化合物(EVA，PE)等。

本实施例2的电池组件303设置在内管外壁上，该电池组件包括三层，由内到外依次为背电极层、光吸收及光电转换层、透明电极层。背电极层材料为金属钼(Mo)和金属铬(Cr)组成的复合薄膜；光吸收及光电转换层上沉积的光吸收材料为铜铟镓硒，用该材料作为电池的P型半导体，并且在P型半导体上沉积N型半导体(如：CdS等)组成PN结(异质结)；透明电极层的材料为IIIA族元素掺杂的氧化锌(ZnO:B，ZnO:Al，ZnO:Ga)。

本发明的电池组件制备过程如图4所示，共分为六步a～f：

a，先在内管外壁401沉积一层背电极材料402，形成背电极层，背电极材料可以是纯金属钼(Mo)薄膜，也可是金属钼(Mo)和金属铬(Cr)组成的复合薄膜。背电极材料沉积的方式可以是磁控溅射，也可以是电沉积等方法。

b，在背电极层表面，用激光刻蚀的方法沿内管外壁圆周刻出若干条相互平行的细槽403，每条槽的宽度为80-160微米，相邻槽之间的距离为5-15毫米，槽深直至内管外壁。

c，在完成第二步的基础上继续沉积光电吸收、转换材料，形成光吸收及光电转换层404，该光吸收、转换材料可以是铜铟镓硒(CIGS)和硫化镉(CdS)组成的异质结，也可以是碲化镉(CdTe)和硫化镉(CdS)组成的异质结，或者不同掺杂硅材料的PN结等等。

d，在每一条细槽403的相同一侧、相距为80-160微米处，刻蚀光吸收及光电转换层404形成若干条细槽405，细槽405均平行于细槽403。细槽405刻蚀的方式可以采用激光刻蚀，也可以采用机械刻蚀(针尖等)。细槽405的槽宽80-160微米，槽深至背电极层402表面。

e，沉积电池的透明电极层406，该透明电极层的材料可以是ITO(氧化铟锡)薄膜，也可以是IIIA族元素掺杂的氧化锌(ZnO:B，ZnO:Al，ZnO:Ga)，制备方式可以是物理气相沉积(PVD)，如磁控溅射，也可以是化学气象沉积(CVD)，如有机金属化学气象沉积，还可以是其他一些方式，如喷墨热分解等等。

f，在每一条细槽405的相同一侧(与细槽403分别处于细槽405两侧)、相距为80-160微米处，刻蚀形成若干条细槽407。细槽407均平行于细槽405。细槽407刻蚀的方式可以采用激光刻蚀，也可以采用机械刻蚀(针尖等)。细槽407的槽宽80-160微米，槽深至背电极层402表面。

上述各工艺步骤中选用的材料及制备方法与已有的平板式结构的电池组件相同，只是在生产过程中减小了成品单位的镀膜面积(单位面积减小)，对真空设备的尺寸要求降低，同时每个真空设备可以同时处理多根管式装置，从而降低了设备造价，并提高了成品率。

本发明的太阳能集电管是由若干个单电池串联起来形成的电池组。三次刻蚀的作用是切断单电池之间的并联连接，而使其形成串联。

本发明的薄膜型太阳能集电管装置可采用串联的连接方式将多根太阳能集电管连接起来，并且在组件的一侧放置反光瓦来提供低倍数反光聚焦，组成如图5，包括反光瓦501、太阳能集电管502、反光面503。这样就可以提供比一根集电管电池更高的输出功率(更高的电流或电压)，同时提高了单位面积的发电利用率。

Claims

1.一种薄膜型太阳能集电管装置，其特征在于，该装置包括外管、内管、电池组件与两根引线；所述内管***外管内，且内管两端平行于外管两端，所述电池组件设置在内管外壁上，所述引线分别与内管外壁上的电池组件两端相连，该电池组件由内到外依次层叠在内管外壁上的背电极层、光吸收及光电转换层、透明电极层所组成。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置的外管与内管均为中空结构，且外管与内管两端均设置有封闭内管和外管之间空间的电极封接口，该装置中的正负两极由引线分别从该装置的两端引出。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置的外管与内管均为中空结构，且外管与内管一端为封闭端，另一端设置有封闭内管和外管之间空间的电极封接口，该装置中的电极正负两极由引线从该电极封接口的一端引出。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，在该内外两管之间通有惰性气体。

5.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述内管的截面形状为圆形，内管的材料为不透明物质材料，外管的材料为透明物质材料。