CN203503672U - 一种针对面聚光太阳能电池的封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种针对面聚光太阳能电池的封装结构，所述封装结构由一个电池模组构成，所述的电池模组又由若干个独立电池单元串/并联而成，其中每个独立电池单元从外到内依次由低铁高强度透光玻璃、若干片面聚光太阳能电池、陶瓷覆铜基板和水冷腔体组成。这样的结构特别适合在需要大面积高倍聚光的场合，能够有效避免采用常规点聚光太阳能电池所带来的一些问题，并且排列紧凑，结构简单，具有非常好的维护性和可生产性。

Description

一种针对面聚光太阳能电池的封装结构

技术领域

本实用新型属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及到一种针对面聚光太阳能电池的封装结构。

背景技术

在减少光伏发电成本的各种方式中，使用聚光发电技术CPV技术是被研究者和使用客户所深度考虑的一种方式。

这种途径之所以被广泛关注是因为可以使用廉价的聚光材料来代替昂贵的太阳能电池，并且可以通过聚光方式来进一步提高太阳能电池发电效率。但是，一些难点也同时存在于CPV技术中，例如，电池封装结构和电池散热技术。

常规CPV分2大类，即透射点聚光型和反射面聚光型。前者采用菲涅尔透镜将入射光汇聚到太阳能电池上，形成点聚光发电；后者则采用高反射率双曲镜面将入射光反射汇聚到太阳能电池上，形成面聚光发电。在点聚光发电方式中，往往采用面积较小的太阳能电池和被动散热方式；而在面聚光发电方式中，往往采用大面积太阳能电池，而由于电池面积过大，被动散热很难取得理想效果。

图1是现有技术中透射点聚光方式所采用的太阳电池结构示意图。电池芯片在表面和背面分别制备上了金属上表面电极1和背电极4，采用层状结构相连接方式，太阳电池芯片包括了一个厚厚的衬底层3和电池层2，电池层可以使单结也可以是多结。采用半导体封装结构，将太阳电池与导热性能良好的基板5进行封装，同时利用金丝7键合工艺将表面电极与导电金属电气相连，背电极则与基板使用锡膏焊接而成，最后采用封胶8工艺将电池芯片与外界空气隔离形成保护。为了保证电池工作在合理温度，因此这类电池一般都是较小面积，再利用外部大面积散热片进行被动散热。

直接采用图1所使用的透射点聚光太阳能电池来构建反射面聚光太阳能电池，则可能会对***效率和可靠性有比较大的影响，主要在以下3个方面：

（1）图1所示的点聚光太阳能电池，其2个电极分别位于电池上/下面，因此上表面电极电气连接一般采用金丝键合方式。在点聚光方式应用中，太阳光入射到透射聚光元件9形成一次汇聚光后，再入射到二次聚光棱柱10后二次聚光到放置在散热基板12上的电池片上，如图2所示，其中二次聚光棱柱底面积一般和电池表层收光面积相似，因此，能流密度最大处在电池接收表面，而金丝导线部分11则可以避免直接受到最大光强照射而温度上升，从而避免阻抗增加。

而在面聚光应用中，聚光面往往比点聚光方式要大很多倍，这时就需要采用若干单独太阳电池串/并联成密集电池阵列进行发电。在这样的应用中，金丝键合部分同时也受到高能量光强照射，而因为金丝一般不和散热基板直接接触，因此热量会积聚在金丝导线上，从而表面温度会大幅度上升，在500x聚光条件下，金丝局部温度可能上升到200度以上，从而导致金丝阻抗增大，***效率大幅度降低。

（2）图3是使用4片点聚光太阳能电池构成的发电阵列示意图。其中，4片点聚光太阳能电池相互串联，各个电池正负极采用金丝桥接7和电路分别进行连接。因此在这样的应用中，如果采用这样的电池组成发电阵列，则为了保证大电流输出，各个电池之间必须间隔较宽的电气走线缝隙13，从而无法密集排列，也就浪费了聚光面积，造成能量损失，导致***效率下降。

（3）点聚光太阳能电池为了减少光反射，一般都采用封胶工艺。即采用高透明胶膜8直接将电池片与外界隔离。而在反射面聚光应用中，由于聚光面积较大，如果采用高透明胶膜8来隔离，则在高照度和高紫外情况下，其耐候性，防水性都可能存在问题，影响电池寿命，降低效率。

因此，在反射面聚光应用中，需要针对其具体应用，选择合适电池类型，并有针对性的封装。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种针对面聚光太阳能电池的封装结构,不仅仅可以用在碟式聚光太阳能发电***，也可以用在槽式聚光太阳能发电***以及其它面聚光太阳能发电***中。。

本实用新型提供了一种针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：所述封装结构由一个电池模组构成，所述的电池模组又由若干个独立电池单元串/并联而成，其中每个独立电池单元从外到内依次由低铁高强度透光玻璃、若干片面聚光太阳能电池基板和水冷腔体等部分组成。这样的结构特别适合在需要大面积高倍聚光的场合，能够有效避免采用常规点聚光太阳能电池所带来的一些问题，并且排列紧凑，结构简单，具有非常好的维护性和可生产性。

优选地，每个独立电池单元上的面聚光太阳能电池均从同一个晶圆上切割得到。这样所得的太阳电池具有非常好的电流匹配和结构一致性，采用这样的电池片可以串/并联成效率更高的电池单元。

优选地，所述面聚光太阳能电池的正负电极位于同一面。因此在反射面聚光应用中采用此类电池可以避免由于金丝部分受到强光照射而导致内阻增大的问题，提高了效率。

优选地，所述面聚光太阳能电池为交叉背接触硅基太阳能电池，或者多结面化合物太阳能电池。

优选地，电池的基板和水冷腔体成一体密封，电池的基板作为水冷腔体的盖板。从而保证水冷的最大效率，降低电池表面温度

优选地，所述基板采用高导热材料。这样可以不另外使用水冷腔体，并且散热效率更高。

优选地，所述基板为陶瓷覆铜基板，或者为内有水槽的水冷陶瓷覆铜基板，或者为铜基板，或者为铝基板，或者为氮化铝基板。

优选地，电池模组与匀光装置配合使用。从而可以保证光强的均匀性。

附图说明

图1是现有技术中透射点聚光太阳电池结构示意图；

图2是现有技术中透射点聚光使用示意图；

图3是现有技术中由4片点聚光太阳电池串联构成的点聚光电池阵列示意图；

图4是本实用新型中一种面聚光太阳电池结构示意图；

图5是本实用新型中12片面聚光太阳电池构成的模块单元；

图6是本实用新型中由4个模块单元构建的1个电池模组；

图7是本实用新型中电池模组与匀光装置配合示意图；

图8是本实用新型中在同一块晶圆上获取同一个模块单元的12片太阳电池示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-金属表面电极  2-电池层  3-衬底层  4-金属底面电极5-基底  6-表面增透膜  7-金线  8-透明硅胶  9-透射聚光镜10-聚光棱柱  11-金线  12-散热器  (13)-电池间隔  14-上表面增透膜  15-N型硅  16-P型掺杂区  17-N型掺杂区  18钝化区  19-金属正电极  20-金属负电极  21-水冷腔体  22-陶瓷覆铜DBC基板  23-面聚光电池片  24-低铁高强度透光玻璃  25-进/出水口  26-4单元电池模组  27-阻塞二极管  28-内面四侧高反光镜面  29-晶圆。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

而本专利就是为了解决这些问题而具体提出来的。该技术不仅仅可以用在碟式聚光太阳能发电***，也可以用在槽式聚光太阳能发电***以及其它面聚光太阳能发电***中。

图4是反射面聚光方式所采用的一种太阳电池结构示意图。这种电池可以是单结硅太阳能电池也可以是三结面电池，其共同的特点是P-N结均以重掺杂的形式存在于器件背面。对于单结硅来说，这种电池也被称为交叉背接触太阳能电池，其内部存在两种接触方式，一种是PN接触，即PN结，即图4中N型硅15与P型掺杂区16之间接触；另外一种是欧姆接触，即N型硅15与N型掺杂区17之间的接触。金属正电极19和金属负电极20所在区域构成了合金层，电池背面形成SiO2的表面钝化层，即绝缘层18，该绝缘层位于金属正电极19和金属负电极20之间，防止短路。

由于此类电池正负电极均在电池背面，因此在反射面聚光应用中采用此类电池可以避免由于金丝部分受到强光照射而导致内阻增大的问题，提高了效率。此外，由于此类电池可以采用N型硅作为衬底，从而具有更小的光衰效应，因此能够更好发挥聚光特性。

由于在聚光***中希望有大的输出电压和小的输出电流来减少总体损耗，因此如图8所示，可以采用若干块取自同一块面聚光太阳电池晶圆29上的子电池，相互串联构成一个模块单元来增加输出电压，再利用多个模块单元相互并联构成电池模组来增加整体输出电流。

如图5所示，若干个此类电池封装构成一个模块单元，其中，电池基板采用导热性能良好的陶瓷覆铜DBC基板22，DBC基板的热膨胀系数接近硅芯片，且具有优良的导热性和高绝缘性。在DBC基板铜皮上刻蚀出相互串联的电气连接线路，并制作与各个电池背电极相对应的各个反对称焊盘图形后，采用无气泡锡膏将若干电池片23与基板22进行SMT贴片加工，保证两者对应重合焊接成一体，最后采用高透明硅凝胶将一个低铁高强度透光玻璃24和模块整体密封，防止工作电路被氧化或污染，增加其耐候性和防水性，提高组件寿命。

对于反射面聚光来说，需要采用主动散热方式，在本专利中，采取主动水冷方式。混合有乙二醇的制冷液经过水流进/出口25进行循环流动，上述密封好的组件作为水冷模块的最上层，再与尺寸和电池基板一样大小的水冷腔体21直接嵌入式密封，从而保证了水流的最大散热接触面积。两者之间的密封可以采取多种形式，如，激光焊接或者密封硅胶，水冷腔体可以采用紫铜或者其它高导热材料，这里考虑选择铜系材料主要是考虑到膨胀系数和电池基板类似。通过选择合适的导热结构和水流速度，可以保证电池表面温度在合理范围。

上述两个步骤完成后就形成了一个串联单元。可以再将若干个这样的串联单元再相互并联即可构成一个电池模组26，如图6所示，为4个串联单元构成的一个电池模组26。由于各个串联单元尺寸较小，因此采用每个单元使用一个阻塞二极管27，防止出现“热斑效应”。每个单元均采用同样的水冷结构，循环水从第一个单元进水口进入后，再通过其出水口进入其它单元的进水口，形成各个单位之间的水路联系。通过调节流速，可以保证各个单元都在合适温度。

使用时可以将上述电池模组26与光斑匀光装置配合使用，如图7所示，电池模组26被安置在匀光器底部，内嵌在匀光装置内侧284面为高反射率的镜面材料，这样可以保证入射到电池模组上的光斑均匀分布。

本专利所描述的针对面聚光太阳能发电***电池封装结构不仅仅只适合于碟式发电，也可以通过结构略微改动来适合其它面聚光太阳能发电***。

参考图5，实施例的一个单元的封装结构从后到前依次为水冷腔体21，陶瓷覆铜DBC基板22，12片反射面聚光太阳电池23，低铁高强度透光玻璃24。

所采用的面聚光太阳能电池片可以采用交叉背接触硅基太阳能电池，也可以采用多结面化合物太阳能电池以及其它太阳电池，所采用的太阳电池特征是电池正负电极位于同一面。所采用的电池基板也可以由氮化铝基板，铝基板或者铜基板代替。

12片反光面聚光太阳电池采用激光切割机在同一块电池晶圆上切割图8，激光切割机波长≤1064nm，划片精度≤10um，驱动***为精度高的步进电极或者高精度伺服电机。在同一块晶圆29上切割得到的同一组电池片之间可以有更好的电流匹配特性，且厚度差异不大。

利用SMT贴片机将切割下来的电池片对应贴装于焊盘上，再利用回流焊将无气泡焊锡膏预热至100℃，经过80-230℃回流焊接到陶瓷覆铜DBC基板上，最后冷却至常温固化，使电池片与线路焊盘形成电路连接。所述的DBC基板热膨胀系数接近硅电池芯片，具有优良的导热性和高绝缘性。在DBC基板上预制做电气线路，按电池电极线路指状交叉且互不相连的反对称形式排列。焊接完毕后，进行线路测试。

水冷腔体采用掺有乙二醇或者丙三醇的制冷液进行循环散热，冷却腔体内部结构和贴片电池一一对应，可以更有针对性的进行散热。前述的贴片基板做为水冷腔体盖板直接和腔体密封，保证水流接触面积最大，密封方式可以采用高密封的环氧树脂硅胶或者激光焊接。

选择含铁量低于0.5%的低铁高强度透光玻璃作为封装盖板，利用高透明的硅凝胶将透光玻璃和电池板整体密封。所述的硅凝胶可以采用EVA胶膜，可以放置电池被氧化和污染，延长寿命。

本案例用4个发电单元组合成1个电池模组，参考图6，合计48片反射面聚光太阳电池，构成一个4单元并联电池模组，具有大的输出电压和小的输出电流，从而减小线路损耗。每个单元之间可以采用并联方式，单元内部采用串联方式。由于单元内部的12片电池片均取自同一个电池晶圆，因此具有比较好的一致性。水冷腔体彼此串联，循环液依次进入各个模块进行降温处理，控制合适的水流量可以保证各个单元之间的温度达到合适点。

电池模组与匀光装置配合使用，保证入射到发电单元的光照度均匀，从而具有良好的电流匹配特性。匀光装置内的反射材料可以采用铝膜，铝膜在紫外区，可见光区和红外区都有很高的反射率。在镀好的铝膜外表面可以用氧化的方法生成一层氧化膜，或在铝膜外表面特地加镀一层氧化铝或者氧化硅，这样可以保证铝膜有较高的反射率的同时也可以低于大气侵蚀，延长使用寿命。

具体实施例参数可以取下列参数，但不限制如下参数：

1)陶瓷基板典型厚度为0.63mm，表面镀金层厚度为0.3mm。

2)电池片切割面积1cmx3cm，一个单元面积为6cmx6cm，共12片反射面太阳电池。

2)电池片厚度0.2mm，采用无气泡焊锡膏贴片，贴片层厚度0.2mm。

2)高强度低铁高透光玻璃厚度1mm，采用EVA胶膜封装，胶膜层厚度0.5mm。

2)制冷腔体厚度8cm，水流控制速度2L/Hr。

2)电池模组面积15cmx15cm，电池面积12cmx12cm，合计48块电池。

通过上述内容，可以得到针对反射面聚光太阳电池的一种封装方式，能够有效解决采用点聚光太阳电池在反射面聚光应用中带来的一些问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：所述封装结构由一个电池模组构成，所述的电池模组又由若干个独立电池单元串/并联而成，其中每个独立电池单元从外到内依次由低铁高强度透光玻璃、若干片面聚光太阳能电池、基板和水冷腔体组成。 

2.如权利要求1所述的针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：每个独立电池单元上的面聚光太阳能电池均从同一个晶圆上切割得到。 

3.如权利要求1所述的针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：所述面聚光太阳能电池的正负电极位于同一面。 

4.如权利要求3所述的针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：所述面聚光太阳能电池为交叉背接触硅基太阳能电池，或者多结面化合物太阳能电池。 

5.如权利要求1所述的针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：电池的基板和水冷腔体成一体密封，电池的基板作为水冷腔体的盖板。 

6.如权利要求1所述的针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：所述基板采用高导热材料。 

7.如权利要求6所述的针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：所述基板为陶瓷覆铜基板,或者为内有水槽的水冷陶瓷覆铜基板，或者为铜基板，或者为铝基板，或者为氮化铝基板。 

8.如权利要求1所述的针对面聚光太阳能电池的封装结构，其特征在于：电池模组与匀光装置配合使用。 

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