CN112789735A - 生产在两个方向上弯曲的太阳能面板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产在两个方向上弯曲的太阳能面板的方法。当太阳能电池被层压(附接)到弯曲表面(例如汽车的透明车顶)，即至少局部地在两个方向上弯曲时，会出现问题。太阳能电池能够在一个方向上(沿着圆柱形表面)弯曲，但在两个方向上弯曲的程度要小得多。本发明通过将大量的太阳能电池(100)细分为子组(302L，302R，304L，304R，306L，306R，308L，308R)来解决这个问题，每个子组与弯曲表面(202)的一区域相关联。通过将这些子组选择为使得在一个方向上几乎不发生弯曲，太阳能电池可以在垂直方向上弯曲。为了进一步优化效率，使用阳极和阴极位于一侧(与光敏侧相反的一侧)的太阳能电池，从而使得柔性箔能够用于子组中的太阳能电池的互连。

Description

生产在两个方向上弯曲的太阳能面板的方法
技术领域
本发明涉及生产在两个方向上弯曲太阳能面板的方法，该方法包括：
·提供大量的太阳能电池，太阳能电池显示光敏侧和在与光敏侧相反的一侧上的阴极和阳极的连接，
·提供弯曲表面，该弯曲表面为透明或半透明的，弯曲表面在两个方向上弯曲。
背景技术
在太阳能面板中，大量的太阳能电池通常使用“指状电极”相互连接，以将一个太阳能电池的光敏侧与相邻电池的背面连接起来。然后将这些相互连接的电池层压在两个片材之间，例如聚烯烃或其共聚物之一的片材，诸如EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)或聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，之后将这些片材结合到玻璃以形成(平的)太阳能面板。
注意，本文中的层压也称为(用密封剂)结合或封装。因此，层压、结合和封装可互换使用。
太阳能电池通常是半导体材料的薄晶片。由于太阳能电池中产生的应力，这种太阳能电池只能以有限的方式变形为圆柱形的形状和一些其他形状(例如，锥形)。如果这些应力超过断裂极限，则发生太阳能电池的断裂，并可能使电池失效。
在本文中，半导体材料的晶片包括硅、GaAs、InP等的单晶晶片、多晶晶片和非晶晶片。
进一步注意到，在本文中，“柔性片材”描述例如聚酰亚胺或聚酯(或更通用的：绝缘合成材料)的片材，其上具有导电层或图案(通常是铜、银)。当显示导电图案时(通过蚀刻、机械加工或以其他方式去除导电材料或通过在其他毛坯合成材料上选择性地添加导电材料)，这种片材也被称为柔性PCB或FCB。
生产二维弯曲的太阳能面板具有挑战性，因为太阳能电池很易碎，并且当在两个方向上弯曲时产生的应力比仅在一个方向上弯曲时高得多。此外，当在两个方向上弯曲时，柔性片材中产生应力，这可能导致箔片起皱或折叠。
注意，当将柔性箔和粘附到其上的太阳能电池结合到弯曲表面时，这可能导致电池、电池的互连部或互连接头的破损等。
从美国专利申请公开US2014/0130848A1中已知该问题的解决方案。这里提供包括太阳能电池的标准的平片材(层压片)，并且在该片材上形成切口。当片材此时覆盖在凸面形状上，切口将扩张，从而实现在两个方向上弯曲。
这种方法的缺点是，由于切口张开，太阳能电池的覆盖范围较低。此外，指状电极的使用将减少可用于太阳能转换的太阳能电池的面积。此外，尽管这不存在技术问题，但其美学外表不如均匀覆盖的太阳能面板。
从美国专利申请公开US2017/0141253A1中已知该问题的另一解决方案。这里，电池组是使用上述指状电极和电池的互连电池，并且该公开描述了如何改变指状电极的长度以干扰太阳能电池的对准，之后太阳能电池被层压/结合到弯曲表面。
这种方法的缺点是，在弯曲表面上，例如汽车的太阳能车顶，太阳能电池的覆盖范围小于平面。此外，指状电极的使用减少了用于太阳能转换的半导体面积的量。此外，电池在层压之前的定位是困难的，因为电池被指状电极定位在不规则的矩阵中。此外，尽管这不存在技术问题，但其美学外表不如均匀覆盖的太阳能面板。
注意到，尽管由于太阳能电池的价格较高而没有广泛使用，但是在与光敏表面相反的一侧上具有阳极和阴极连接的太阳能电池是已知的。由于指状电极不会“遮蔽”光敏表面的一部分(不拦截来自光敏侧的光)，因此它们具有更高的效率。
发明内容
为了解决上述已经存在的解决方案的问题，本发明提供了一种克服这些问题的方法。
为此，该方法的特征在于
提供两个或多个其上具有导电图案的柔性箔，
太阳能电池被分组为子组，每个子组与弯曲表面上的一区域和一个柔性箔相关联，该方法包括后续步骤：
·焊接步骤，包括：对于每个子组，将太阳能电池焊接到柔性箔或将太阳能电池用导电粘合剂结合到柔性箔，
·定位步骤，包括将两个或多个子组遮盖在弯曲表面上，
·最终层压步骤，包括将子组层压到弯曲表面。
众所周知，太阳能电池和柔性箔可以承受一个方向上的一些弯曲，从而沿着圆柱形表面(的一部分)，但是当在两个方向上弯曲时(局部沿着双曲面的一部分)可承受的就要小得多。允许在两个方向上有一些弯曲，特别是因为可以充当填充物的结合材料(层压材料)以及结合材料的厚度随太阳能电池的尺寸的变化可以“吸收”(甚至消除)一些弯曲。
层压件意味着最大层压厚度(初始层压厚度)。然而，在层压过程期间，由于(未固化的、尚未交联的)层压片材的粘度，厚度可能局部变化。
在层压过程期间，层压片材(和嵌入的太阳能电池)在例如一个大气压(10N/cm2)、125℃和145℃之间的温度和例如20分钟的时间下被模制和固化。这导致EVA层完全交联。可以使用时间和温度的其他组合，其中较低的温度需要较长的时间用于完全交联(固化)。也有可能在较低的温度和较短的时间内固化，这导致不完全(也称为部分)交联，使材料经常是粘的，并且仍然是部分粘性的。对于其他层压材料，可以使用其他温度和固化时间。
通过将大量的太阳能电池分成子组，与弯曲表面上的区域相关联的每个子组在至少一个方向上具有小的或可忽略的曲率，可形成可以结合(层压)到弯曲表面的子组。当适当地划分成子组时，这因此就产生了具有低于太阳能电池断裂极限并低于柔性箔在层压到弯曲表面时出现褶皱的极限的机械应力的子组。
注意，结合材料(层压材料)在太阳能电池和弯曲表面之间不需要具有恒定的厚度，但是为了效率、热性能和美学的原因，厚度优选地不应该在太阳能电池和大量的太阳能电池上变化太大。
在焊接步骤中，太阳能电池电连接并机械连接到柔性箔。该步骤可以涉及例如在超过200℃的温度下的焊膏的焊接，或者可以涉及用诸如填充有诸如铜、银等导电材料的环氧树脂之类的导电粘合剂结合。这种粘合剂的固化通常在100-150℃之间的温度下进行，并且可以在层压过程中进行。
在接下来的定位步骤中，然后这些子组中的每一个都被定位(遮盖)在弯曲表面上。
在最后的层压步骤中，遮盖在弯曲表面上的子组被层压到弯曲表面。
注意到，虽然使用柔性箔(也称为背接触箔或BCF)是已知的(在大多数情况下使用聚酯/铜箔，但是已知聚酰亚胺也用于载体，并且银已知为导体)，但是在弯曲表面(在两个方向上具有曲率)上使用这种箔不是已知的，因为在没有根据本发明的这些步骤的情况下，当折叠/遮盖于在两个方向上弯曲的弯曲表面上或中时，柔性箔倾向于产生褶皱，使得它不适合在这些条件下使用。
注意，美国专利申请公开US2017/0141253A1依赖于指状电极长度的变化，并且没有暗示柔性箔与在一侧具有阳极和阴极连接的太阳能电池一起使用。
在根据本发明的方法的一实施例中，在焊接步骤之后并在定位步骤之前，***首次层压步骤，该首次层压步骤包括：
·对于每个子组，层压太阳能电池和相关联的柔性箔，层压在导致部分交联的温度和时间下执行，
·定位步骤包括将包含太阳能电池和柔性箔的部分交联层压件遮盖在弯曲表面上或弯曲表面中，并且
·最终层压步骤包括将包含太阳能电池和柔性箔的部分交联层压件层压到弯曲表面，从而使在首次层压步骤中施加的层压完全交联。
通过在定位步骤之前部分层压太阳能电池和柔性箔，定位更容易，因为太阳能电池和柔性箔形成互连的板材(web)。此外，在处理和定位过程中(易碎的)太阳能电池损坏的可能性较小。不完全交联的优点是相同的层压材料可用于最终层压，其中在最终层压中完成部分交联。此外，在最终的层压步骤中加热完全交联的层压会导致第一层压层的透明度降低，以及密封剂诸如硬化的降解。这种“部分”层压避免了前面提到的问题和风险。
在根据本发明的方法的一实施例中，在焊接步骤之后并在定位步骤之前，***首次层压步骤，首次层压步骤包括：
·层压太阳能电池和相关联的柔性箔，层压在导致完全交联的温度和时间下执行，
·定位步骤包括将层压的子组遮盖在弯曲表面上或弯曲表面中，以及
·最终的层压步骤包括将层压的子组层压到弯曲表面。
该实施例类似于之前描述的实施例，不同之处在于在首次层压步骤中发生完全交联。为了避免层压材料的透明度的降低，需要严格控制温度和时间，但这可能是优选的，因为中间产品(太阳能电池和柔性箔的层压板材)更好处理，因为它比不完全固化(部分固化)的层压片材粘性低，并且对太阳能电池提供更好的保护。
在根据本发明的方法的另一实施例中，其中在最终的层压步骤期间，更多层压材料(密封剂)被放置并层压在层压的子组和弯曲表面之间。
该实施例描述在太阳能电池和弯曲表面之间放置多层层压材料(例如EVA-乙烯-醋酸乙烯酯)的可能性，这导致可显示出局部厚度变化的更多的层压材料(密封剂材料)，从而导致机械应力降低。
在根据本发明的方法的又一实施例中，至少在焊接步骤期间，两个或更多个柔性箔被置于一个平面中。
在平面上处理柔性箔和太阳能电池使得能够在标准焊接设备中制造。
注意，由于不是所有的子组都需要在同一时刻生产，不是所有的柔性箔都需要同时被置于平面上，因为每个子组进行焊接步骤的时刻可能不同。
在根据本发明的方法的另一实施例中，该方法进一步包括：在提供太阳能电池之前，估计由于太阳能电池的位置处的弯曲表面的曲率而在太阳能电池中产生的机械应力，并且基于该估计，将太阳能电池的尺寸调整为使得每个太阳能电池中的机械应力低于太阳能电池发生断裂的应力。
确定子组的尺寸(最大面积)最好通过迭代方法完成，从太阳能电池的第一尺寸开始，在模拟中确定当电池被迫沿着弯曲表面时会产生什么应力，如果在假定的允许最大值(例如太阳能电池断裂极限的一半)下应力太高，则在高应力发生的方向降低太阳能面板的尺寸，等等。
在根据本发明的方法的另一实施例中，该方法进一步包括：在提供太阳能电池之前，估计由于太阳能电池的位置处的弯曲表面的曲率而在太阳能电池中产生的机械应力，并且基于该估计，至少局部地将层压材料的厚度的值改变为使得太阳能电池中产生的应力低于太阳能电池发生断裂的应力。
通过至少局部改变层压材料的厚度，由于未固化层压材料的粘度，太阳能电池中产生的应力能够被降低。层压材料的厚度的局部变化可以通过在固化层压材料之前局部添加环、圆圈或其它形式来构建材料的3D形式来实现。注意，可以使用局部添加材料来实现这种解决方案，但是也可以使用较厚的密封剂(层压材料)，或者使用若干层，因为密封剂在层压过程期间将稍微固化。例如EVA的3D成型可以通过将一个或更多片材彼此叠置来实现，其中至少一个片材显示穿孔等。EVA的3D打印也是已知的。
附图说明
现在使用附图来阐述本发明，其中相同的附图标记表示相应的特征。为此目的：
图1A示意性示出从光敏侧看的本发明中使用的太阳能电池；
图1B示意性示出从与光敏侧相反的一侧看的本发明中使用的太阳能电池；
图2示意性示出根据本发明制造的太阳能面板的一种可能的截面；
图3A示意性示出太阳能面板的平面图，其示出形成每个子组的区域；
图3B示意性示出太阳能面板的平面图，其示出形成每个子组的太阳能电池。
具体实施方式
图1A示意性示出从光敏侧看的本发明中使用的太阳能电池。
图1A示意性示出本发明中使用的太阳能电池100。太阳能电池示出光敏区域102和绝缘边缘部分104。注意，该绝缘部分(实际上是绝缘侧壁)仅出现在所谓的钝化电池中。一个优点是绝缘部分能使电池彼此抵靠放置。侧部没有钝化的电池必须分开以避免短路。大多数市售电池都是从大晶片上切割下来的，并且没有显示出侧壁钝化，因此它们需要彼此间隔开以避免电短路。
太阳能电池的典型厚度在200μm的数量级，但是对于更柔韧的太阳能电池，优选更薄的电池，例如厚度为150μm的电池。
图1B示意性示出从与光敏侧相反的一侧看的本发明中使用的太阳能电池。
在另外的绝缘表面106上，为阳极108-i和阴极110-j提供接触区域的切口被提供。
图2示意性示出根据本发明制造的太阳能面板的一种可能的截面。
例如汽车玻璃车顶形式的弯曲表面202用例如EVA(乙烯醋酸乙烯酯)或聚烯烃的层压材料的交联层204结合到太阳能电池102a。光敏侧面向玻璃。
柔性箔包括聚酯或聚酰亚胺膜206和铜迹线208。太阳能电池焊接在柔性箔上，或者通过用加热到例如200℃或更高的焊膏将电池和柔性箔焊接，或者通过使用在例如低于150℃的温度下固化的导电粘合剂(通常是金属填充的环氧树脂)。
太阳能电池102b和102c在这里被描述为属于另外的子组(柔性箔-尽管没有描绘用于这些电池的-与电池102a的柔性箔不同)。
注意，在柔性箔和太阳能电池之间可以放置另一材料层，或者作为焊接掩模(或者用于导电粘合剂的掩模)，或者作为遮蔽柔性箔上的铜迹线的美化屏幕，或者用于任何其他目的。这不必为透明材料。可以在该层上添加层压层(从而完全封装柔性箔)，但这不是必需的。
此外，柔性箔可以包括作为载体的仅一层诸如聚酰亚胺或聚酯的绝缘材料，在其上具有导电图案，或者柔性箔可以包括具有或不具有切口的另外的层以用作焊接掩模，或者出于其他目的，该另外的层或者在太阳能电池的一侧上或在相反侧上。
太阳能电池之间的层压材料(结合材料、密封剂)的量可以是一个层压层的结果，但是可以包括若干层压材料层。
进一步注意到弯曲表面(玻璃)和太阳能电池之间的结合层(层压层)是必要的，但是覆盖柔性箔的层压层对于本发明不是必需的。
图3A示意性示出太阳能面板的平面图，其示出形成每个子组的区域。
图3A示出被分成区域302L、302R、304L、304R、306L、306R和308的弯曲表面300。
弯曲表面的分布是当柔性箔和太阳能电池粘附(层压)到弯曲表面时产生的最大应力的分析的结果。这些应力可以在任何方向产生，但在许多应用中(诸如汽车车顶)，存在对称轴(这里是x轴)，从而简化问题。然后根据经验(或者使用另一种方法，例如基于计算机的方法)发现导致太阳能电池和箔都可接受的应力的区域的划分。
注意，尽管相关，但太阳能电池中的应力问题不一定导致柔性箔中的问题，反之亦然：太阳能电池的尺寸通常比柔性箔的(最大)尺寸更受限制。因此，在适度的曲率下，问题可能首先出现在柔性箔中。然而，在柔性箔出现问题之前，大的局部曲率可能导致太阳能电池出现问题。
图3B示意性示出太阳能面板的平面图，其示出形成每个子组的太阳能电池。
图3B可以被认为是源于图3A。这里描绘形成子组的太阳能电池(子组的边界用粗线表示)。可以看出，即使在子组内，电池的方向也可以改变，如在例如组304L中所示。
值得注意的是，这里使用的子组定义与太阳能技术中通常使用的“组”定义无关。组的标准定义包括一组电池，通常是一串的一部分，并且在现有技术的面板状态中，每个组都与一个优化器(最大功率点***)相关联。根据本发明的子组的定义用于表示附接到(双)弯曲表面而不超过预定应力水平的电池。
这意味着一个子组可以包括一个以上的组、或者一个组可以在一个以上子组上延伸，或者它们的任意组合。因此，两个子组可能包括三个组，反之亦然，而每个组可以与其自己的优化器相关联。
进一步值得注意的是，通常弯曲表面是透明或半透明的弯曲表面，但是也可能使用采用不透明的弯曲表面(例如金属弯曲表面)的方法，并且太阳能电池的光敏侧离弯曲表面最远。在那种情况下，柔性箔需要放置在弯曲表面和太阳能电池之间。然而，在大多数情况下，这是一种不太强固的解决方案，因为层压材料较软，并且更容易擦伤和磨损。
还值得注意的是，一个柔性箔与另一个柔性箔之间、或者与其他PCB或FBC之间的电连接可以通过在第一柔性箔上焊接或结合另一柔性箔(优选形成为具有形成电连接的几条线的条带)来实现。也可以使用经由电线的电连接。
注意，在本发明的上下文中，层压可以描述整体封装，但是也可以描述使用诸如聚烯烃或诸如EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)或聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的聚烯烃共聚物之一的结合或层压材料将一部分(例如太阳能电池)结合到另一部分(例如弯曲表面)。例如，在之前定义的最终层压步骤之后，柔性箔可以被层压材料覆盖或不覆盖。
一示例性的固化循环例如是，
·在加热至140℃的真空炉中，形成EVA片材、太阳能电池、柔性箔和另一EVA层片材的夹层结构。
·抽真空31/2分钟，
·同时使用硅膜以大约1个大气压的压力真空挤压夹层结构，
·在这种情况下固化17分钟，
·移除压力，
·通风30秒，
·打开炉，移出夹层结构。
这导致完全固化(完全交联)的夹层结构。通过将固化时间减少到8分钟来获得部分交联的夹层结构。
将上述夹层机构层压到诸如太阳能汽车的玻璃车顶的弯曲表面通过例如以下进行：
·将玻璃车顶、未固化的EVA片材以及之前制作并固化的包含太阳能电池和柔性箔的夹层结构放置于可抽真空的袋子中，
·对袋子抽真空(从而对袋子的内容物施加一个大气压的压力)，
·在40分钟的时间内将袋子加热至100℃，
·在15分钟的升温时间内，将袋子进一步逐渐加热至130℃，
·在130℃的温度下固化20分钟，以及
·冷却。
注意，实验表明已经完全交联的夹层结构没有降解。

Claims (7)

1.一种生产在两个方向上弯曲的太阳能面板的方法，所述方法包括：
提供大量的太阳能电池(100)，所述太阳能电池显示光敏侧和在与所述光敏侧相反的一侧上的阳极(108-i)和阴极(110-j)的连接，
提供弯曲表面(202)，所述弯曲表面是透明的或半透明的，所述弯曲表面至少局部地在两个方向上弯曲，
其特征在于，所述方法进一步包括：
提供其上具有导电图案的两个或更多个柔性箔(206)，
所述太阳能电池(100)被分组为子组(302L，302R，304L，304R，306L，306R，308)，每个子组与所述弯曲表面上的一区域和柔性箔相关联，
焊接步骤，包括：对于每个所述子组，将所述太阳能电池(100)焊接到所述柔性箔(206)，或者用导电粘合剂将所述太阳能电池结合到所述柔性箔，
定位步骤，包括：将两个或更多个子组遮盖在所述弯曲表面上或所述弯曲表面中，
最终层压步骤，包括：将所述子组层压到所述弯曲表面(202)，所述太阳能电池和弯曲表面之间的层压厚度最大为预定的层压厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述焊接步骤之后并在所述定位步骤之前，***首次层压步骤，所述首次层压步骤包括：
对于每个和所有子组，层压所述太阳能电池和相关联的柔性箔，所述层压在不会导致完全交联的温度和时间下执行，
所述定位步骤包括将层压的子组遮盖在所述弯曲表面上或所述弯曲表面中，并且
所述最终层压步骤包括将首次层压的子组层压到所述弯曲表面，从而使在所述首次层压步骤中施加的层压完全交联。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述焊接步骤之后并在所述定位步骤之前，***首次层压步骤，所述首次层压步骤包括：
对于每个和所有子组，层压所述太阳能电池和相关联的柔性箔，所述层压在导致完全交联的温度和时间下执行；
所述定位步骤包括将层压的子组遮盖在所述弯曲表面上或所述弯曲表面中，并且
所述最终层压步骤包括将首次层压的子组层压到所述弯曲表面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述最终层压步骤期间，若干层层压材料被放置并层压在所述子组和所述弯曲表面之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少在执行所述焊接步骤期间，两个或更多个柔性箔被置于一个平面中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：在提供所述太阳能电池之前，估计由于所述太阳能电池的位置处的所述弯曲表面的曲率而在所述太阳能电池和所述柔性箔中产生的机械应力，并且基于该估计，将所述太阳能电池的尺寸调整为使得每个太阳能电池中的机械应力小于发生断裂时的机械应力。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：在提供所述太阳能电池之前，估计由于所述太阳能电池的位置处的所述弯曲表面的曲率而在所述太阳能电池中产生的机械应力，并且基于该估计，至少局部地将层压材料的厚度的值改变为使得所述太阳能电池中产生的应力低于所述太阳能电池发生断裂的应力。
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