TW201347202A - 包含超薄彈性玻璃之多接面光伏打模組 - Google Patents

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Abstract

茲揭示多接面光伏打模組，包含複數個光伏打結構、PV包體、複數個封裝玻璃層及結構玻璃層。光伏打結構界定獨立吸收帶，且與封裝玻璃層及結構玻璃層一起定位。光伏打結構至少部分由PV包體圍繞，且藉由分別的彈性封裝玻璃層分開，以電氣隔絕鄰接光伏打結構，且准許光伏打結構配置成並聯或串聯的PV堆疊單元電路。

Description

包含超薄彈性玻璃之多接面光伏打模組 【優先權主張】
本申請案根據專利法主張美國臨時申請案，於2011年11月30日申請，案號為61/565,080之優先權的益處，該案之內容以引用之方式整體併入本文。
本揭示案係關於光伏打(PV)模組
在發電工業中，不斷發展著使得PV技術能夠與現有的電力生產方法(例如，水力發電、煤礦發電、核能發電、風力發電等等)相容。為了能夠如此，製造成本、轉換效率及效率衰減係為需要解決的某些設計挑戰。
本揭示案係導向用於薄膜單一及多接面PV應用之薄的專業玻璃解決方案的使用。專業玻璃的厚度係典型地小於大約2 mm(例如，0.7 mm)，且舉例而言，可與鹼石灰玻璃片結合以完成模組包裝。考慮專業玻璃的使用將能夠達到較高效率的薄膜單一及多接面PV模組，因為專業玻璃典型地允許主動裝置層的較高溫度沉積、較高光學穿透度、且改善 裝置層的場中耐久性。如此，亦考慮本揭示案之內容呈現降低單一及多接面PV模組之成本的途徑，此途徑平衡超薄彈性(UTF)專業玻璃之包裝及製造兩者優點。
此外，此處所揭露之實施例可利用於PV模組解決方案，此解決方案平衡UTF專業玻璃以能夠達成主動裝置層的捲筒對捲筒(RTR)連續沉積。如此，考慮UTF專業玻璃可在RTR配置中使用，以建立低成本專業玻璃包裝，此包裝可輕易整合至健全模組組件中，同時維持使用專業玻璃的優點。
根據本揭示案之一個實施例，多接面光伏打模組包含複數個光伏打結構、PV包體、複數個封裝玻璃層、及結構玻璃層。光伏打結構界定獨立吸收帶，且與封裝玻璃層及結構玻璃層一起定位。光伏打結構至少部分由PV包體圍繞，且藉由分別的彈性封裝玻璃層分開，以電氣隔絕鄰接光伏打結構，且准許光伏打結構配置成並聯或串聯的PV堆疊單元電路。封裝玻璃層具有小於大約2.0 mm的厚度，且界定足以以捲軸方式用於非破壞性儲存之彈性的程度。
10‧‧‧光伏打模組
20‧‧‧光伏打晶圓
20’‧‧‧薄膜PV結構
25‧‧‧主動區域
30‧‧‧晶圓包體
40‧‧‧封裝玻璃基板
50‧‧‧封裝玻璃超基板
60‧‧‧結構玻璃層
100‧‧‧模組
120A，120B‧‧‧光伏打結構
122‧‧‧主動層
124‧‧‧導電電極
125‧‧‧主動區域
126‧‧‧基板
130‧‧‧PV包體
140A，140B，140C‧‧‧封裝玻璃層
150‧‧‧電路節點
160‧‧‧結構玻璃層
200‧‧‧光伏打模組
220A，220B‧‧‧光伏打結構
230‧‧‧PV包體
240A，240B‧‧‧封裝玻璃層
260‧‧‧結構玻璃層
當與以下圖式一起閱讀時，可最佳地理解本揭示案的特定實施例之以下詳細說明，其中類似的結構係以類似的元件符號表示，且其中：第1圖係根據本揭示案的一個實施例之光伏打模組的概要圖示；第2圖係根據本揭示案的一個實施例之光伏打模組 製造程序的概要圖示；第3圖係根據本揭示案的替代實施例之光伏打模組的概要圖示；第4圖係根據本揭示案之多接面光伏打模組的概要圖示；第5圖係根據本揭示案，圖示在多接面光伏打模組中使用的許多合適端點配置之一者；第6圖係根據本揭示案的替代實施例之多接面光伏打模組的概要圖示。
第1圖中係概要地圖示根據本發明的一個實施例之光伏打模組10，且包含複數個光伏打晶圓20、晶圓包體30、封裝玻璃基板40、封裝玻璃超基板(superstrate)50、及結構玻璃層60。光伏打晶圓20界定光伏打模組10的主動區域25，且至少部分地藉由晶圓包體30而環繞在封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50之間。
封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50可包含UTF專業玻璃，且正因如此，橫跨光伏打模組10之實質上整體的主動區域25之厚度係小於大約2.0 mm，且界定足以以捲軸方式用於非破壞性儲存之彈性的程度。封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50之分別的玻璃成份可從各種傳統及待發展的UTF專業玻璃取得，但具有之限制為合適玻璃將實質上不含Na，此處係界定為包含不超過大約1重量百分比的Na。舉例而言且並非以限制的方式，合適的UTF專業玻璃包含鋁矽玻 璃及硼矽玻璃。所得到的模組10係高度密封的，且因此可耐水的進入、可為極度輕的重量、且可縮放至較大的尺寸格式而不超過典型的安裝重量限制。
舉例而言，結構玻璃層60係基於Na的玻璃(此係可界定為包含大於大約1重量百分比的Na)，且具有大於封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50之厚度及堅硬度。結構玻璃層60可直接固定至封裝玻璃超基板50，且如此在結構玻璃層60及超基板50之間界定不含PV結構的區。
在圖示的實施例中，光伏打晶圓20係藉由封裝玻璃超基板50而與結構玻璃層60分開，以在結構玻璃層60及光伏打晶圓20之間形成Na遷移屏障。然而，考慮光伏打晶圓20可藉由封裝玻璃基板40或封裝玻璃超基板50而與結構玻璃層60分開。在任一者情況中，所得到的雜質屏障將阻礙雜質從結構玻璃層60遷移至模組10的UTF封裝的部分。在其他物質之中，雜質可為鹼金屬，該等鹼金屬擴散離開強化結構玻璃，且進入主動裝置層，且因此衰減裝置性能。所得到的PV模組10可製造成高效率薄膜模組，且呈現降低PV模組成本的途徑，此途徑平衡超薄彈性(UTF)專業玻璃之包裝及製造兩者優點。
考慮PV晶圓可以各種形式呈現，包括但非限於晶圓化Si，舉例而言，結晶矽、巨晶矽、微晶矽、或此等之結合。或者，如第3圖中所圖示，考慮PV晶圓20可由薄膜PV結構20’取代，包括但非限於CdTe、串接矽、a-Si、及(二)硒化銅銦鎵(CIGS)薄膜結構，其中在第3圖中相同的結構 以相同的元件符號圖示。儘管此處所述本揭示案的概念主要在PV晶圓20的特定內文，但相對於薄膜或其他PV技術，應瞭解此處所稱之PV結構意圖包含各種PV應用，包括但非限於PV晶圓及薄膜PV結構。
在本揭示案的某些實施例中，選擇封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50，以界定彈性的程度，此彈性的程度足以減輕由封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50之間形狀改變所引起的模組厚度之增加。舉例而言，在UTF專業玻璃上的CIGS單元的個別片可使用商業上可取得包體材料(例如，EVA、PVB、離子體等等)及標準PV模組層壓裝備及技術來組裝。包體材料的典型片係0.5 mm厚，且允許在毗鄰玻璃片中的某些形狀改變。UTF專業玻璃基板40及超基板50的彈性提供在基板40及超基板50之間的平坦度進一步符合小的偏差之手段，且因此使得能夠使用更薄(0.25 mm或更薄)的包體片，而進一步降低模組成本。
舉例而言，特別考慮本揭示案之實施例，封裝玻璃基板及封裝玻璃超基板的彈性之程度將足夠用於以小於大約100 cm之彎曲半徑的自身加壓、實質上不失敗(小於1%的失敗機率)之彎曲。在更加限制的情況，其中主要關心彈性問題，考慮封裝玻璃基板及封裝玻璃超基板的彈性之程度將足夠用於以小於大約30 cm之彎曲半徑的自身加壓、實質上不失敗之彎曲。
儘管瞭解UTF專業玻璃之厚度典型地小於大約0.7 mm，且更一般而言，橫跨光伏打模組10的實質上整體的主 動區域25之厚度係小於大約2.0 mm，仍考慮較佳實施例將典型地利用橫跨光伏打模組10的實質上整體的主動區域25之厚度，係介於大約0.05 mm及大約0.3 mm的封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50。在許多實施例中，考慮較佳基板及超基板的厚度將小於或等於大約0.3 mm。在許多情況中，考慮對超基板及基板玻璃可意圖使用不同的厚度，以最佳化最終組件的整體強度且最小化成本。
在許多情況中，將藉由確保封裝玻璃基板及封裝玻璃超基板之分別的玻璃成分係實質上不含鹼金屬，而意圖進一步加強操作效率且最小化裝置衰減。再者，考慮可意圖確保封裝玻璃基板40及封裝玻璃超基板50之分別的玻璃成分，具有與光伏打晶圓的熱膨脹係數匹配的分別熱膨脹係數之特徵一至少在光伏打模組的操作溫度範圍內如此，亦即，從約-45℃至約150℃。此CTE匹配使得能夠使用非常薄的Si晶圓，以最小化成本。CTE匹配亦能夠消除一個包體層，最可能的為介於晶圓及基板UTF玻璃之間的層，以降低製造複雜度及成本。
在許多情況中，結構玻璃層60將包含鹼石灰玻璃成分。然而，考慮結構玻璃層60一般可視為高穿透、強化結構玻璃，類似於回火、低Fe鹼石灰玻璃，或適合用於形成立即可運用於基於UTF專業玻璃的晶圓化Si模組之任何結構玻璃。
第2圖係根據本揭示案之製造光伏打模組的考慮方法之概要圖示。如以上應瞭解，所考慮的PV模組將典型地包 含複數個光伏打晶圓20、晶圓包體30、封裝玻璃基板40、封裝玻璃超基板50、及結構玻璃層60。根據製造程序，封裝玻璃基板40及超基板50係以捲軸方式提供。複數個光伏打晶圓20定位在封裝玻璃基板40的展開部分，以界定光伏打模組的主動區域。如此定位的光伏打晶圓20係與晶圓包體30一起封裝，且封裝玻璃超基板50的展開部分係定位在光伏打晶圓20、晶圓包體30及封裝玻璃基板40上。實質上，結構玻璃層60係定位在封裝玻璃超基板50上。製造程序進一步包含概要地圖示於第2圖中的70處之切塊操作，其中分散模組次組件在將結構玻璃層60定位在封裝玻璃超基板上之前建立。
考慮可運用本揭示案的技術以配置並聯的PV堆疊單元電路，其中模組的光伏打結構係透過專用的電路節點安排成並聯的，使得在光伏打結構中產生的電流係收集於並聯的PV堆疊單元電路中。以此方式，實施本揭示案之內容的技藝人士可使用UTF專業玻璃，以緊密地堆疊一連串兩端點的PV接面，此舉允許光學電氣轉換太陽能光譜的廣的光譜範圍，而無須電流匹配個別接面一此係為如串接矽雙接面單元的單塊堆疊接面之情況。
亦應考慮可運用本揭示案的技術以配置串聯的PV堆疊單元電路，其中模組的光伏打結構係透過單元之間專用的電路連接安排成串聯的，使得在光伏打結構中產生的電壓係收集於串聯的PV堆疊單元電路中。以此方式，實施本揭示案之內容的技藝人士可使用UTF專業玻璃，以緊密地堆疊一 連串兩端點的PV接面，此舉允許光學電氣轉換太陽能光譜的廣的光譜範圍，而無須電壓匹配個別接面。
舉例而言且並非以限制的方式，多接面光伏打模組100係圖示於第4圖中，且包含複數個光伏打結構120A，120B、耦接至複數個光伏打結構的電路節點150、PV包體130、複數個封裝玻璃層140A，140B，140C、及結構玻璃層160。多接面光伏打單元之操作原理可立即從可取得之先前技術中拾獲，舉例而言，如美國專利專利號7,122,733及7,863,515。為了本揭示案之目的，足以瞭解光伏打結構120A，120B界定獨立吸收帶，此等吸收帶可重疊或位於太陽能光譜的專有部分。再者，光伏打結構120A，120B係沿著模組100的共同入射太陽能輻射路徑與封裝玻璃層140A，140B，140C及結構玻璃層160一起定位，其中該路徑可沿著橫跨模組的單元結構之各種方向延伸。亦值得瞭解，光伏打結構120A，120B可沿著共同入射太陽能輻射路徑界定重疊或全等部分，且模組可取決於選擇用於模組100的特定配置，而設計成從單元結構之任一側或兩側接收入射太陽能輻射。
在任何情況中，如上所述，光伏打結構120A及120B可呈現作為PV晶圓或PV薄膜，且可設定成界定光伏打模組100的主動區域125。在圖示的實施例中，光伏打結構120A及120B藉由PV包體130圍繞，且藉由分別的封裝玻璃層140A，140B，140C分開，以電氣隔絕鄰接光伏打結構，且准許光伏打結構配置成並聯或串聯的PV堆疊單元電路。許多類型的合適薄膜光伏打結構之一者的一般結構係概要地呈現於 第5圖中，以幫助圖示控制節點150可與光伏打結構之各種層接合之方式。具體而言，第5圖圖示薄膜光伏打結構，包含夾擠在一對透明導電電極124之間的主動層122，其中上述所有均形成在基板126上，該基板可包含包體及封裝玻璃層。各個控制節點150係電氣耦接至薄膜主動層122的相對側，以激發光伏打電流的流動。以此方式連線的各個PV單元可與其他相似連線的單元以並聯或串聯耦接。
如以上參照第1-3圖的實施例所述，以上敘述為封裝玻璃基板/超基板的封裝玻璃層140A、140B、140C係典型地為小於2.0 mm的厚度，且界定足以以捲軸方式用於非破壞性儲存之彈性的程度。結構玻璃層160亦如以上參考第1-3圖所述，且如以上敘述，典型地具有大於封裝玻璃層140A、140B、140C之厚度及堅硬度。
最終參考第6圖，此替代實施例的光伏打模組200亦包含複數個光伏打結構220A，220B、PV包體230、複數個封裝玻璃層240A，240B、及結構玻璃層260，但在結構玻璃層260及直接鄰接的光伏打結構220A之間缺少額外的封裝玻璃層。呈現此實施例以幫助圖示在所有實施例中並非必須或意欲在結構玻璃層260及直接鄰接的光伏打結構220A之間形成遷移屏障，即使在結構玻璃層為基於Na的玻璃之情況亦然。
為了說明且界定本發明之目的，應瞭解此處所參考之變數為參數或另一變數的「函數」，並非意圖代表該變數專門為所列舉參數或變數之函數。更確切地，此處所參考之 變數為所列舉參數的「函數」，係意圖為開放式的，使得變數可為單一參數或複數個參數的函數。
應瞭解當此處所利用時，「較佳」、「通常」及「典型地」之用語並非利用為限制所主張發明之範疇，或暗示某些特徵對所主張發明之結構或功能為關鍵、必要或甚至重要的。更確切地，此等用語僅意圖識別本揭示案的實施例之特定態樣，或強調替代或額外特徵可或不可利用於本揭示案的特定實施例中。
為了說明且界定本發明之目的，應瞭解此處所利用的「實質上」及「大約」之用語代表非確定的固有程度，此非確定性可歸因於任何定量比較、值、量測或其他表現。此處所利用的「實質上」及「大約」之用語亦代表定量表現可從指定的參考改變，而不導致討論中的標的之基本功能改變之程度。
在已經詳細說明本揭示案之標的，且參考本揭示案之特定實施例之後，應瞭解此處所揭露的各種細節不應領會為暗示此等細節係關於此處所述的各種實施例之必要部件之元素，即使在特定元素係圖示於隨附本說明書的各個圖式中之情況亦然。再者，可能作出修改及改變而不悖離在隨附請求項中界定之本發明的範疇係為顯而易見的。更具體而言，儘管本揭示案的某些態樣在此處識別為較佳或特別有益的，但考慮本揭示案並非必須限制為此等態樣。
應瞭解以下請求項之一或更多者利用「其中」之用語作為連接詞。為了界定本發明之目的，應瞭解在請求項中 引入此用語作為開放式連接詞，而使用此用語以引入一連串結構特徵的描述，且應以類似於更常使用的開放式前文用語「包含」之類似的方式來理解。
10‧‧‧光伏打模組
20‧‧‧光伏打晶圓
25‧‧‧主動區域
30‧‧‧晶圓包體
40‧‧‧封裝玻璃基板
50‧‧‧封裝玻璃超基板
60‧‧‧結構玻璃層

Claims (21)

  1. 一種多接面光伏打模組，包含複數個光伏打結構、一PV包體、複數個封裝玻璃層、及一結構玻璃層，其中：該等光伏打結構界定獨立吸收帶，且與該等封裝玻璃層及該結構玻璃層一起，沿著該模組的一共同入射太陽能輻射路徑而定位；該等光伏打結構界定該光伏打模組的一主動區域，且至少部分由該PV包體圍繞；該等光伏打結構藉由分別的封裝玻璃層分開，以電氣隔絕鄰接光伏打結構，且准許該等光伏打結構配置成一並聯的或一串聯的PV堆疊單元電路；該等封裝玻璃層具有小於大約2.0 mm的厚度，且界定足以以捲軸方式用於非破壞性儲存之彈性的一程度；及該結構玻璃層具有大於該等封裝玻璃層的一厚度及堅硬度。
  2. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中：該模組進一步包含電路節點，該等電路節點耦接至該複數個光伏打結構；及該等光伏打結構係透過該等電路節點而安排成該並聯的PV堆疊單元電路，使得在該等光伏打結構中產生的電流係收集於該並聯的PV堆疊單元電路中。
  3. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中： 該模組進一步包含電路連接，該等電路連接耦接至少兩個光伏打結構；及該等光伏打結構透過該等電路連接而安排成該串聯的PV堆疊單元電路，使得在該等光伏打結構中產生的電壓係收集於該串聯的PV堆疊單元電路中。
  4. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等光伏打結構之至少一者係定位於兩個封裝玻璃層之間，以形成該光伏打結構四周的一遷移屏障。
  5. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中：該等封裝玻璃層的玻璃成分係實質上不含Na；該結構玻璃層係一基於Na的玻璃；及該等光伏打結構之至少一者係藉由一封裝玻璃層與該結構玻璃層分開，以在該結構玻璃層及該光伏打結構之間形成一Na遷移屏障。
  6. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等獨立吸收帶位於該太陽能光譜之重疊或專有部分。
  7. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等光伏打結構沿著該模組的該共同入射太陽能輻射路徑界定重疊或全等部分。
  8. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等封裝玻璃層界定彈性的一程度，該程度足以減輕由該封裝玻璃基板及該封裝玻璃超基板之間形狀改變所引起的模組厚度之增加。
  9. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等封裝玻璃層的彈性之該程度足夠用於以小於大約100 cm之一彎曲半徑的自身加壓、實質上不失敗之彎曲。
  10. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等封裝玻璃層於橫跨該光伏打模組之該主動區域的一實質上整體之厚度係小於大約2.0 mm。
  11. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等封裝玻璃層於橫跨該光伏打模組之該主動區域的一實質上整體之厚度係介於大約0.05 mm及大約2.0 mm之間。
  12. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等封裝玻璃層於橫跨該光伏打模組之該主動區域的一實質上整體之厚度係小於或等於大約0.3 mm。
  13. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等封裝玻璃層之分別的玻璃成分係實質上不含鹼金屬(Alkali-free)。
  14. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該等封裝玻璃層之分別的玻璃成分，在該光伏打模組的一操作溫度範圍上，具有與該光伏打結構的熱膨脹係數匹配的一熱膨脹係數之特徵。
  15. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該結構玻璃層之成分係一鹼石灰玻璃成分。
  16. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該太陽能輻射路徑線性或非線性地延伸橫跨該複數個光伏打結構之一堆疊。
  17. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該光伏打結構係透過介於之間的一PV包體而固定至一相關聯封裝玻璃層。
  18. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該PV包體包含EVA、PVB、一離子體或此等之一結合。
  19. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該光伏打結構包含複數個PV晶圓。
  20. 如請求項第1項所述之光伏打模組，其中該光伏打結構包含一薄膜光伏打結構，該薄膜光伏打結構係選自以下構成 之群組：CdTe、串接矽、a-Si、及(二)硒化銅銦鎵(CIGS)薄膜結構。
  21. 一種多接面光伏打模組，包含複數個光伏打結構、一PV包體、複數個封裝玻璃層、及一結構玻璃層，其中：該等光伏打結構界定獨立吸收帶，且與該等封裝玻璃層及該結構玻璃層一起，沿著該模組的一共同入射太陽能輻射路徑而定位；該等光伏打結構界定該光伏打模組的一主動區域，且至少部分由該PV包體圍繞；該等光伏打結構藉由分別的封裝玻璃層分開，以電氣隔絕鄰接光伏打結構，且准許該等光伏打結構配置成一並聯的或一串聯的PV堆疊單元電路；該模組進一步包含耦接至該複數個光伏打結構之電路節點，或包含連接至至少兩個該等光伏打結構之電路連接；該等光伏打結構係透過該等電路節點而安排成該並聯的PV堆疊單元電路，使得在該等光伏打結構中產生的電流係收集於該並聯的PV堆疊單元電路中，或該等光伏打結構係透過該等電路連接而安排成該串聯的PV堆疊單元電路，使得在該等光伏打結構中產生的電壓係收集於該串聯的PV堆疊單元電路中；該等封裝玻璃層具有小於大約2.0 mm的厚度，且界定足以以捲軸方式用於非破壞性儲存之彈性的一程度； 該結構玻璃層具有大於該等封裝玻璃層的一厚度及堅硬度；該等封裝玻璃層的玻璃成分係實質上不含Na；該結構玻璃層係一基於Na的玻璃；及該等光伏打結構之一者係藉由一封裝玻璃層與該結構玻璃層分開，以在該結構玻璃層及該光伏打結構之間形成一Na遷移屏障。
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