专利名称：具有二维轮廓的电能产生模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及电能产生模块领域，例如使用光电膜(photovoltaic film)的太阳能电池模块。更具体地，本发明涉及尤其适用于房顶和具有非平坦表面的其它建筑应用的电能产生模块。本发明还涉及这种模块的制造方法。
背景技术：
正在越来越多地开发从太阳能电池技术获得的能量作为有价值的、可再生的和通常普遍存在的资源。随着用于生产所采用的技术变得更具能量效率和更加便宜，太阳能电池工业持续发展。太阳能或光电(PV)电池-术语“太阳能”和“光电”在此处可以互用-是指将光转变为电能来产生直流电流和电压的分立元件。典型地，几个这种电池以串联的方式电性连接形成PV模块(有时也称作面板)来产生更大规模的能量。通常，PV模块包括太阳能电池和其它辅助部件，例如互连、接触、结构单元(element)、密封剂材料和保护器件(例如二极管)。模块的结构(即，承载)单元经常是底层(backlayer)衬底或者是顶层覆盖层。通常，后者必须是透明的，以将光传输到PV电池。还可以将许多PV模块连接在一起以形成更大的阵列结构。
在太阳能电池中最常用的半导体材料是单晶、多晶或者非晶形式的硅。除了各种形式的硅之外，其它的半导体材料例如砷化镓、硒化铟铜和碲化镉也使用在太阳能电池中。晶态硅太阳能电池通常是由相对较厚(例如，大约200μm)的硅晶片制成，所述硅晶片是从单晶或多晶锭上切下的。然而，最近普遍使用公知的半导体制造技术将具有更薄的太阳能电池膜的模块整体地沉积到低成本的衬底(例如玻璃或塑料)上。这种薄膜具有多个优点，包括易于制造、制造成本低和更适于批量生产(虽然这通常是以较低效率为代价的)。在薄膜技术中，在各沉积步骤之间可以使用激光加工将大面积的衬底分为多个单独的电池，在制造过程期间这些电池彼此电性连接成为整体。尤其是，非晶硅更适合或使用于薄膜太阳能电池中。典型地，通过使用反应气体(例如具有各种掺杂剂的硅烷)的等离子体增强化学气相沉积方法沉积硅来制造这些PV电池，以形成具有P型、I型(本征)和N型半导体层的P-I-N(或N-I-P)半导体结构。
典型地，以某种方式密封或封装PV模块来机械地以及防腐蚀地保护PV单元。密封也防止灰尘和水渗入。覆盖太阳能电池模块顶表面的密封剂必须至少部分地透光，以致至少一定百分比的所需波长的光能够到达太阳能电池。为了提供较坚固且不易碎的结构，PV模块的底表面(其不需要将光传输到太阳能电池)可以由铝或其它合适的材料形成的刚性基底层构成。这种类型的PV模块通常是通过将太阳能电池的薄膜层叠在顶部透明密封剂和底部基底层之间而形成的，例如在美国专利申请No.10/688,596“光电产品及其制造方法”中所述，通过参考将其内容合并在此处。通过使用厚玻璃层作为衬底或覆盖层也可以形成结构刚性的PV模块。可以将这种刚性的PV模块用在基底层安装为平靠墙或房顶表面的建筑应用中。然而，在房顶或墙不具有平坦表面的地方(例如，具有波纹状瓦片的房顶)，将模块安装到房顶上需要在模块的下面使用相对精巧的安装构造，并且还必须保证非平坦表而的预期功能(例如，去除降雨(precipitation))不会被损害。另外，在不平坦的表面上使用平坦的PV模块通常会损害建筑物或其它结构的外观美感。
EP-A2-0874404描述了通过施加工作压强(pressure)而弯曲的太阳能电池模块，从而使其具有与普通房顶材料相同的方式使用所需的形状和刚性。该模块包括具有刚性导电衬底的光电层。另外，为了增加模块的机械强度，将支撑件固定至下表面(back surface)的外部，以实现也用作房顶材料的太阳能电池模块。因此，必须从满足对于房顶建筑单元的严格要求的坚固、刚性材料中选择支撑件的材料。这样，只有通过施加足够的压强才能进行模块的成型和弯曲，这需要昂贵的按压设备。为了避免内层的高压强或小的曲率半径(其可能损坏能量产生层)，必须提供复杂的层排列。
另外，EP-A2-0874404的模块包括相互连接的离散的产生能量的矩形电池。连接过程是繁琐的并且费用昂贵，需要连续的制造方法。另外，不同的电池在不同的位置弯曲，由此暴露于不同量的太阳光。应知道，在电池串联连接的地方，所得模块中的电流受限于任何一个电池中的最低电流。因此，由于一些电池中高的遮蔽(shading)损失，使所得模块的效率大大降低。
在US2001/0045228中描述了相似的方案。另外，所述的太阳能电池模块包括刚性的例如不锈钢衬底。需要铝应变保持板来给出没有太阳能电池的区域的形状。弯曲需要高的压强和昂贵的设备，并且需要采取措施以防止损坏光电层。
在US-A1-2003/0140959中公开了另一种由刚性衬底给定形状的光电模块。仅通过机械约束就可实现衬底的形成。
也可以在挠性衬底例如那些由聚酰亚胺或PET塑料制成的衬底上制造太阳能电池，以使所得的薄膜PV模块具有挠性结构。然后，可以使用密封剂材料例如含氟聚合物膜来密封整个挠性PV模块，而不会严重地降低模块的挠性。在挠性PV模块中使用的一种此类密封剂是与乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)一起应用的乙烯-四氟乙烯共聚物(Tefzel)膜(由杜邦集团公司制造)。
由于能够使用卷到卷(roll-to-roll)制造技术生产挠性PV膜，所以与必须使用成批技术生产的膜相比较，所述挠性PV膜具有以极低成本生产的可能。所得的挠性模块也是轻质的，并且可用于某些类型的应用，例如用于便携式PV充电器模块，这是由于能够方便地将它们卷成管形以致在不使用时占用较少的空间。另外，挠性PV模块还能够与非平坦的结构单元更好地结合。因此，例如通过将挠性PV模块安装在不具有一般平坦表面的房顶瓦片的顶部来将其使用在房顶应用中。由于挠性模块的挠性，能够使其近似呈现非平坦表面的轮廓，例如波纹形或波浪形的房顶瓦片(或者安装在这些瓦片上的类似形状的刚性基底层的轮廓)。然而，大多数挠性PV模块与刚性PV模块相比不耐久且更加易碎，使其不太适于使用在露天和/或暴露于其它环境条件下的建筑应用中。另外，由于挠性PV模块的轮廓要与所需的房顶单元的轮廓相匹配，所以每个挠性PV模块的成型和安装是相对艰辛的过程。
鉴于上述问题，明显地需要一种更适合应用(尤其是房顶或建筑应用)于具有二维轮廓的非平坦表面例如波纹形房顶中的PV模块。
发明内容
本发明涉及一种电能产生模块(例如PV模块)，该模块尤其适于安装和结合在具有或需要非平坦物理表面的位置(例如建筑物的正面或房顶)。这可通过成型模块以使模块呈现所需的二维轮廓以与非平坦表面或非平坦建筑单元相匹配而实现。本发明还涉及制造这种电能产生模块的方法。本发明也涉及一种模块，在该模块中降低了由于模块的成型部分对模块其它部分的遮蔽而导致的效率损失。
这样，在一个方案中，本发明提供一种电能产生模块，包括电能产生膜，其被密封在顶层密封剂材料与底层密封剂材料之间。密封剂材料的类型和数量使得当向密封剂施加高温和压强中至少一种时，密封剂材料的形状能够发生变化，但是在普通的(即，自然发生的)温度和压强条件下，密封剂材料在电能产生膜的周围提供刚性结构。通过施加压强和/或高温，该模块成型为具有和提供所需的二维轮廓。之后，一旦将该模块置于普通的温度和压强条件(例如，室外的温度和压强)下，该模块就具有刚性结构。
电能产生膜包括多个彼此电性连接的条形电池。每个条形电池的纵向平行于界定二维轮廓的平面而延伸。这样，在所有串联连接的条上的遮蔽是相同的或者至少是可比较的，并且在具有不同电流的电池串联连接时而出现的遮蔽损失没有降低模块的效率。
在优选实施例中，电能产生膜包括PV膜(例如包括非晶硅P-I-N半导体结构)，并且顶部密封剂材料至少部分是透明的。该顶部密封剂材料还优选是抗UV的。底部密封剂材料可以包括与顶部密封剂材料相同的材料，但是也可以不同。
在另一个方案中，本发明提供一种制造这种电能产生模块的方法。该方法包括提供电能产生膜、顶层密封剂材料和底层密封剂材料。然后，施加高温和压强的至少其中之一，以将电能产生膜、顶层密封剂材料和底层密封剂材料接合在一起作为接合的堆叠层。另外，还施加高温和压强的至少其中之一来成型该接合的堆叠层，以使模块具有所需的二维轮廓。在一个优选实施例中，接合包括施加大约在70℃与250℃之间的温度和大约在0.3bar至10bar之间的压强，成型包括施加大约在70℃与250℃之间的温度和大约在0.01bar至1bar之间的压强。可以在接合之后立即进行成型，或者甚至与接合同时进行成型。另外，以这样的方式进行弯曲/成型，即多个条形电池的纵向平行于界定二维轮廓的平面而延伸。
结合参考下面的详细说明以及通过实例示出本发明优选实施例的附图，本发明的目的和优点将更易于理解和更加显而易见，其中图1是根据本发明的优选实施例在接合步骤之前PV模块中各层的分解图；图2是沿着图1中II-II线的部分横截面图，其示出了图1中的PV膜的一种可能结构；图3示出图1中的PV模块的接合步骤的高位图(high level diagram)；图4示出成型PV模块以使其具有所需二维轮廓的压型(profiling)步骤的高位图；图5是在一个实施例中压型的PV模块的顶部透视图；图6A和图6B是在其它可能实施例中PV模块的侧视图；以及图7是根据本发明另一实施例在接合步骤之前PV模块中各层的分解图。
具体实施例方式
根据本发明的优选实施例，图1是分解图，其示出了在PV模块100经受接合步骤之前，在该模块中的不同的膜(即，层)。虽然也可以将本发明应用到其它类型的电能产生膜和模块中，但是本发明尤其适用于PV领域，因此这里参考PV应用。这决不是试图将本发明的范围局限于其它适合类型的电能产生膜和模块，例如，混合的热光电(TPV)膜。
如图1所示，PV模块100由薄挠性PV膜110、顶部密封剂材料150的薄片(sheet)和底部密封剂材料170的薄片形成。尽管所示挠性PV膜110为平坦的(即，从侧面看是一维轮廓)，但是应知道挠性PV膜110能够采用薄片平面中的各种2-D轮廓。(在某些情况下，根据所使用的材料、结构和工艺，甚至可以采用3-D轮廓，尽管第三维度中的变化通常不及另两个维度中的变化显著。)参照图1，PV膜110包括挠性衬底120，PV半导体电池结构130建立在该挠性衬底120上。衬底120优选包括塑料片，例如聚酰亚胺、PET(聚乙烯对苯二酸酯)或PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)薄片。也可以使用其它挠性衬底，例如铝、绝缘体-金属合成物或纤维强化塑料。此外，在所示的实施例中，如将要在下文详细说明的，每个PV电池被定形为条形，并且多个薄导体140和两个较厚的电流聚集汇流条145沿着PV电池结构130的顶表面延伸。由条130、导体140和汇流条145给出膜110的至少某种各向异性刚性。由下面描述的弯曲步骤给出垂直方向的更重要的刚性。
顶部密封剂材料150对光160是透明的，以使至少一定百分比的所需波长的光能到达PV膜110。优选地，顶部密封剂材料150透射高百分比的入射光，例如至少90％。顶部密封剂材料150也优选为抗紫外线(UV)的(或者紫外稳定的)，从而当长期暴露在UV辐射下时，其透明度、结构可靠性和抗腐蚀性不会显著降低。另外，在某些情况下，UV辐射可能导致膜的PV特性降低，在这种情况下，用顶部密封剂材料150来阻挡任何大量的这种辐射到达膜也是很重要的。如果顶部密封剂材料150不是自然地抗UV的，则可以通过使用混合挤压或者层压到材料150的外表面上的添加剂或保护层，而使其具有这些抗UV特性(即，UV稳定)。这些添加剂或保护材料可以包括UV吸收材料或UV稳定聚合物例如氟化聚合物。底部密封剂材料170可以是不透明的，并且不必是抗UV的或UV稳定的；然而，在一些实施例中，可能最方便的是顶部密封剂和底部密封剂均简单地使用相同的材料。
根据本发明，顶部和底部密封剂材料优选均包括可热成型的材料，例如热塑性聚合物，通过加热能够将其变软，然后在冷却过程中再变硬。例如，材料150和170可包括PE(聚乙烯)、PET(聚乙烯对苯二酸酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、TPU(热塑性聚亚安酯)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)或者这些材料的各种混合物。优选地，密封剂材料150和170的软化温度大约在70℃和250℃之间。在更下面所述的另一实施例中，替代可热成型的材料150和170(或者除此以外)，每一种这些材料可包括注射模制材料。
为了清楚起见，注意图1没有按比例绘制。然而，PV电池结构130例如可以具有介于0.1μm和20μm之间的厚度，而衬底120可以具有介于大约10μm和300μm之间的厚度。对这种PV膜110来说，材料150和170的薄片厚度可以相应地在大约0.1mm至5mm范围内。也应注意，材料150的薄片厚度可以与材料170的薄片厚度相同，但是它们也可以不同。重要地是，如下面详细讨论的，根据本发明所使用的密封剂材料150和170的类型和/或数量使得所制造的PV模块在普通条件(即，自然发生的温度和压强)下具有刚性和耐用结构，而不同于传统用于密封挠性PV膜产品的密封剂。
如本领域普通技术人员所公知的，薄挠性PV膜可以使用各种不同材料，并且可具有各种不同结构。通常，PV膜使用半导体以吸收其能带隙以上的光子，导致产生电荷载流子(电子和空穴)。然后，这些电荷载流子由半导体中的P-N或P-I-N结、或者由半导体与另一种材料之间的异质结产生的内电场所分离。然后，电荷载流子通过电极聚集，并用于在外部电路中产生电流。
本发明的PV模块通常可以使用任何类型的薄PV膜。在一个说明性的实施例中，图2示出膜110沿着图1中II-II线的部分横截面图。如图所示，图2中的PV电池结构130使用非晶硅(a-Si)，沉积非晶硅以在底部电极132与透明的顶部电极138之间形成包括P型(p)、本征(i)和N型(n)层的P-I-N PV单元133。这种PV电池结构的制造是公知的，所以现在仅简要进行说明。在沉积非晶硅层之前，通过溅射或其它合适的技术形成铝(Al)的底部电极层132。然后，将该层图形化(例如，使用激光刻蚀工艺)以分离每个电池的底部电极。然后，从硅烷和氢的混合物加上合适的掺杂剂(例如磷化氢)通过PECVD方法将N型a-Si层134沉积在底部电极层的上面。通常，在沉积本征a-Si层135期间不使用掺杂剂，而可以将甲烷和乙硼烷(或者三甲基硼)添加到硅烷和氢中以为随后的P型a-Si层136提供必要的掺杂。下一步，沉积透明的导电氧化物(TCO)顶部电极层138，然后将其图形化以形成空白区139来电性绝缘相邻电池的顶部电极。顶部电极138的材料应该允许高的光子透射，适合的材料包括氧化铟锡(ITO)、氧化锡(SnO2)和氧化锌(ZnO)。另一方面，底部电极132可以包括任何导电材料，其为不透明的(例如，铝或银)或者如上述的TCO。
上述步骤可以使用菲斯切尔(Fischer)等人在美国专利申请公开No.2003/0172873A1中描述的单室卷到卷设备和方法来执行，该申请的全部内容通过参考援引于此。另外，为了在平行的单个条形PV电池之间提供串联连接，使用机械(或激光)划线器来刻蚀载流网格图形穿过多个层138、136、135、134和(部分地)132。然后，用导电胶(例如银胶)填充刻蚀区以制成薄导体140。以这种方式，在相邻电池的顶部电极138与底部电极132之间提供了电性串联连接。
也应知道，除了单结P-I-N a-Si PV电池结构之外，使用堆叠的串列(tandem)(P-I-N/P-I-N)或三层(P-I-N/P-I-N/P-I-N)结，或者使用包括较厚微晶硅I型层的电池，能够制成更高效率的太阳能电池结构，其中该微晶硅I型层也可以通过PECVD工艺沉积。另外，如上已注意的，挠性薄PV膜也可以基于其它的半导体材料，例如多晶硅、微晶硅、薄膜硅、薄膜串列电池、铜铟镓二硒(CIGS)、CIS元件、碲化镉(CdTe)、纳米晶染料敏化材料、或导电聚合物。应知道，半导体结构通常根据所使用的材料而有所不同。
现在参照图3，示出了用于接合具有顶部密封剂材料150和底部密封剂材料170薄片的薄挠性PV膜110的叠层步骤。将薄片150、膜110和薄片170放入到层合机200中或者能够在高温下将三个薄片接合在一起的其它合适的设备中。在图示的实施例中，层合机200是具有两个旋转鼓210和220的热卷压机，所述旋转鼓210和220在大约70℃和250℃之间的温度下施加压强以将薄片接合在一起并提供接合的PV模块堆叠层100′。在优选实施例中，由层合机200所施加的压强为从大约0.3bar至10bar之间(1bar＝100kPa)，在一个具体的实例中使用1bar的压强。接合过程可利用密封剂材料150和170的自粘着性质，或者可以在PV膜110与每个密封剂薄片之间插入粘着材料的附加层(未示出)，例如胶、硅、或者乙烯-醋酸乙烯共聚物。尽管层合机200应用了压强和高温两者的组合，但是在某些实施例中可以只/主要使用压强或只/主要使用高温来作用于接合，尽管这种技术的效果通常依赖于所使用的密封剂材料150和170的类型。然而应知道，无论应用温度和压强的哪种组合，所施加的条件将不是自然发生的条件，即，另外的，模块100将要暴露于其中的温度和/或压强的组合。
可以以多种不同的方式发生接合步骤。在一个实施例中，接合步骤作为整个批处理而发生，该批处理使用平压将膜110、顶部密封剂150和底部密封剂170各自的平坦部分结合在一起，以形成用于单一PV模块的接合的堆叠层100′(优选使密封剂的交叠在所有面上包围PV膜)。如果也使用粘着层(例如EVA层)来帮助创建接合的堆叠层100′，那么可以优选这个技术。可选地，可以使用卷批处理，其中膜110、顶部密封剂150和底部密封剂170的薄片从三个单独的卷被送入到卷压机(例如图3中的层合机200)中。作为另一个可选方式，与膜110、顶部密封剂150和底部密封剂170的多个PV模块相对应的连续膜可以从三个单独的卷被送入到卷压机中，并且在叠层之后或在成型之后被切割为所需长度。
优选地，密封剂材料交叠PV膜的每个面以提供边密封，这通过使用上述前两种技术中的任一种能够实现。然而，对第三种技术中的连续膜来说，当切割了连续的叠层材料时，在切割边处将暴露PV膜，从而将易于受到渗透和/或降解的影响。在这种情况下，通过再加热经严格接合的堆叠层，并焊接在所暴露的边周围的堆叠层中存在的热塑性材料来密封所暴露的边，可以执行附加的步骤来密封切割边。如果必须或需要，则在密封切割/暴露的边时，也可以将附加的可热成型的材料添加到接合的堆叠层中。
在一些实施例中，也可能需要在真空中执行接合步骤以助于防止任何空气混入到密封的接合堆叠层100′中。另外，虽然接合的PV模块堆叠层100′的顶表面可以仅是平坦的，但该表面也可以以改变反射性、避免刺眼、提高光捕获和/或提高模块的外观美感的方式被纹理化。通过在用于将层接合在一起的叠层压/卷上使用合适的表面结构，可以应用这种纹理(texture)。
根据本发明，在已经将PV模块的不同薄片接合在一起之后，通过施加压强(优选与高温一起)进一步定型接合的堆叠层100′，以提供具有所需二维轮廓(即，从侧面看具有二维外形)的PV模块100。在图4所示的实施例中，压型设备300包括互补的模具部件310和320，所述模具部件310和320在高温下操作以机械地施加压力将模块100变成所需的轮廓形状。在优选实施例中，由设备300施加的压强从大约0.01bar至1bar范围内变化，在一个具体实施例中施加的压强为0.05bar。设备300中的温度对应于可热成型的密封剂材料150和170的软化温度，如上所表明的，该温度可以在70℃与250℃之间。在可选实施例中，通过将接合的堆叠层100′固定在模制设备的框架中、加热该堆叠层，然后经两个互补模具部件中的孔施加真空，以使空气压强将模具部件压紧到接合的堆叠层100′，可以执行压型步骤，从而使接合的堆叠层100′呈现这些模具部件的形状。
与接合步骤相似，压型步骤可以作为批处理(如所示的)执行，或者可以使用连续的卷处理。另外，由于接合的PV模块堆叠层100′在经受压型步骤之前通常不需要冷却，所以可以在接合步骤之后立即执行压型步骤，并能够在相同的设备中进行(即，层合机200和压型设备300可以结合)。作为另一个可选方式，接合和压型步骤可以同时发生，作为单个处理步骤。如果密封剂材料150和170包括在被重复加热和冷却时能化学降解的热塑性聚合物，或者尤其是如果密封剂材料150和170包括只能被加热和固化一次的热固性材料，则优选上面的方法。
作为另一个可选方式，代替上述的接合和压型，使用注射模制技术能够实现压型的PV模块100。在这种情况下，将PV膜110放置在压型的注射模具(未示出)中，并注入密封剂树脂材料(具有上述的透明和抗UV特性)以将该模块填埋在所需的轮廓形状中。注射模制密封剂的适当实例包括PET(聚乙烯对苯二酸酯)、PC(聚碳酸酯)、PP(聚丙烯)、PA(聚酰胺)、ABS(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物)或这些材料的各种组合。
优选通过冷却或者让模块返回到环境温度条件来执行密封剂材料在成型之后的再硬化。然而，根据所使用的材料，可以使用化学制剂或者例如紫外光来增进、开始或加速硬化。
一旦已经完成压型步骤并已经冷却了PV模块100，即使没有刚性板或支撑件(例如铝或玻璃基底)形成模块的一部分，仍然提供了刚性的、坚固的、耐用的而且还相对轻质的PV模块。应知道，本发明的一个重要方面是，一旦PV模块100已经冷却并在普通条件(即，自然发生的温度和压强)下使用，所使用的密封剂材料的类型和数量足以给PV模块100提供这种刚性和耐用结构。这不同于现有的薄膜挠性PV模块中的密封剂，其中所用的密封剂的类型和/或数量使模块在普通条件下保持它们的挠性特质。在本发明的一个典型实施例中，PV模块100的总厚度大约为2mm，其提供坚固的、刚性的以及轻质的结构。
PV模块100的轮廓形状可以是波纹形的(即，具有交替的脊和沟)、立缝式(standing seam)(即，联锁的)或者需要用于特定应用的任何其它所需的非平坦(即，二维轮廓)形状。在图4的实施例中，PV模块100是具有近似正弦曲线轮廓的波纹形。在图5中示出这种PV模块的更详细的顶部透视图。在图6A和图6B中也典型地示出另外的PV模块轮廓。更具体地，图6A示出了具有波纹形的梯形轮廓的PV波纹形模块100A的侧视图，而图6B示出了PV波纹形模块100B的侧视图，该模块100B具有适于提供立缝式效果以使相邻的PV模块能够相互联锁的轮廓。如图所示，在图6B的具体实施例中，即使PV模块100B具有2-D轮廓，模块100B内部的PV膜110的轮廓在这种情况下仍然是平坦的(即，膜110具有1-D轮廓)。
典型地，另外的，PV模块的顶表面和底表面是一致的，因为在与2-D轮廓的平面平行的平面中，模块的横截面将共有相同的2-D轮廓。然而，这不是必须的，可以不是这种情况，即在PV模块中包括用作固定点的部件、边界部件或者用于制作电性接触点的部件。
另外，可以将三维纹理设置在顶部密封剂层中，例如通过使用具有纹理化表面的模具部件310和可能具有纹理化表面的模具部件320。该纹理可以限定微光学元件，例如微透镜，用于提高膜110的光电有源部的聚光性以及用于将光偏离膜的无源部(例如互连区139和140以及用附加的电流聚集指针网格(current collecting finger grid)覆盖的区域)。另外或可选地，该纹理可以改善模块的光学外观，和/或可以降低模块表面不必要的强光。
应知道，在PV模块100中的PV电池是串联连接的情况下，PV模块中的电流局限于任何一个PV电池中的最低电流。因此，如图5所示，在相邻的电池之间整体地提供电性串联连接的条形电池的纵轴x1和薄导体140优选地定向为平行于界定模块2-D轮廓的平面x；z(即，图的平面)。这保证了没有PV电池位于完全(或主要)沿着2-D轮廓内的沟或谷的位置，在2-D轮廓内的沟或谷中电池可能仅暴露在最少量的太阳光下，这将在整体上大大地限制通过PV模块导通的电流。以图5中的电池取向进行替换，不会发生遮蔽损失(除了纯几何损失)，这是因为每个电池通常将暴露在相同量的太阳光下，因此产生相同量的电流。这样，可能形成条的串联连接，而不会降低电池上所得的电流。
类似地，虽然在图6A和图6B中没有示出电池取向(其中用于模块100A和100B的电池和串联连接是条形的)，但是它们也优选定向为平行于界定模块2-D轮廓的平面。当然，如果模块100中的PV电池以不同的方式电性连接，则可能优选不同的电池取向。
也如图5所示，PV模块100可以具有通过密封剂材料形成的两个接触开口146，用以将电线148连接到PV膜110中的每个电流聚集汇流条145。为了举例说明的目的，示出了已经穿过图5中PV模块100的顶表面制作而成的接触开口146。然而，更典型地，由通过来自模块底表面的密封剂形成的开口而形成接触部。接触开口146优选在接合和压型步骤完成之后形成，其形成方式描述于美国专利中请10/688,596“光电产品及其制造方法”中，该申请的全部内容通过参考援引于此。一旦已经制作了必需的连接，则为了保护的目的，开口146可能被密封。应知道，通过将电线148连接到PV模块100，该模块可以与作为PV阵列的一部分的其它PV模块连接和/或连接到外部电路。可选地，代替附加的电线148，开口146可以简单地将PV模块100直接电性连接到下部的PV接线盒(junction box)。
如提到过的，在已经成型之后，PV模块是刚性的、坚固的和耐用的。因此，与最传统的挠性PV膜产品相比，所述模块能够更好地经受住暴露于不利的天气和其它环境条件下。同时，通过表现出所需的2-D轮廓形状，由于本发明的PV模块提供更好的结构吻合，所以其能够更完全地结合到所需的应用中。因为这些原因，本发明的PV模块更适合于安装在不平坦的现有建筑表面(例如，波纹形或压型的房顶或建筑物正面(facade)单元)上。另外，在某些情况下，本发明的PV模块可以完全取代现有建筑单元(例如，房顶瓦片或建筑物正面单元)，从而所述PV模块提供PV功能和所需的建筑/结构功能。更一般地，本发明的模块适于使用在具有非平坦表面的任何地方。
PV模块100的轮廓可以符合在建筑和房顶工业中已经使用和标准化的现有材料的尺寸和形状，例如76mm或18mm的波纹形房顶瓦片。另外，每个PV模块能够被安装在(或者能够取代)一个或几个标准化的建筑单元上。例如，可以将单个PV模块100制造为具有1米×2米的表面尺寸，并能够用于覆盖(或取代)几个房顶瓦片。使用现有的PV制造工艺，在大约12至300伏下，这种模块能够产生大约50至300瓦的峰值PV功率。任选地，可以将模块的尺寸增加到例如2米×10米，以覆盖整个房顶部分或建筑物正面的全部长度。可选地，可以将PV模块的表面积减小以符合单个房顶瓦片的尺寸，例如30cm×50cm。
将PV模块100安装到建筑单元或者安装为建筑单元——可以以任何传统的方式发生。例如，使用夹子、使用螺丝钉通过钻通模块轮廓的安装孔、或者使用任意其它紧固技术，可以将模块100固定到另一个单元或表面。在某些情况下，在压型的PV模块下面提供空气间隙可能是理想的，以助于冷却PV膜并提高其效率。也可以将多个PV模块100焊接或粘在一起，以形成更大的密封部分用于房顶或建筑物正面。PV模块100还可以与模块下面的热绝缘层(例如，聚亚安酯泡沫)相结合。这种绝缘层优选沿着压型的PV模块的整个底表面涂布，例如通过挤压将泡沫涂布到该表面。这种绝缘层可以额外地提高和稳定压型的PV模块的机械和结构性能。尤其是，底部绝缘的压型模块结合将非晶硅用作PV材料特别有利，因为这种模块输出的功率的温度系数相对较小。
虽然结合具体实施例对本发明进行了说明，但明显的是，本领域的技术人员显然可根据前述说明作出多种替换、修改和变化。例如，在一个可能的变化中，图7示出了在PV模块400中使用的多个层(在接合和压型之前)。如所示的，模块400包括PV膜410和底部密封剂材料470的薄片，PV膜410包括在相对较厚的覆盖层450上制造的PV电池结构430，覆盖层450包含例如PET(聚乙烯对苯二酸酯)。在这个实施例中，覆盖层450既用作制造PV电池结构430的绝缘基底，也在随后的接合步骤中用作顶部密封剂层。以这种方式，覆盖层450应该具有前面对于顶部密封剂层150所述的透明和抗UV的特性。也应注意，覆盖层450可具有相对大的厚度以使所得的PV膜410在普通的(即，自然发生的)温度下不是挠性的。可选地，覆盖层450的厚度可以相对较小，但是底部密封剂材料470的薄片厚度可以相应地增加，在这种情况下，PV膜410可以仍然是挠性的。另外，应知道，在这个实施例中，在覆盖层450上首先沉积的基底电极应该包含TCO，如果在PV电池结构430中P-I-N结构用于电池，则随后在TCO电极层上顺序沉积P型、I型和N型层。最后，虽然在图7中示出的覆盖层450比PV电池结构430具有较大的表面积，但是以这种方式制造PV膜410可能并不实用。如果这样的话，为了保证在接合之后PV电池结构430的边被密封剂材料充分保护和覆盖，可以使用较大的底部密封剂薄片470，和/或在将PV膜410和底部密封剂470的薄片已经初步接合在一起之后，可以添加附加的密封剂材料。然后，可以以上面描述的方式压型所得的接合堆叠层。
为了扩展宽度和/或长度或所得的光电元件，在成型之后但是优选在安装到房顶上之前，可以将多个模块装配在一起。相邻模块之间的电性连接优选不用任何电线、通过交叠或接触汇流条145而实现，以提供所需的串联或并联连接。然而，以这种方式进行不同模块的装配，即保证在安装所装配的光电元件时，在相互串联连接的电池上有相同或近似量的太阳光。
更具体地，在打算将模块用在或作为波纹形或压型的房顶单元的实施例中，界定模块二维轮廓的平面x；z可以以大体平行于房顶的脊或边的向上的方向延伸。在这种情况下，条130优选沿着平行于该脊或边的水平方向延伸。
另一方面，如果界定二维轮廓的平面x；z以垂直于房顶的脊或边的向上的方向延伸，则条130优选以垂直于所述脊或边的向上的方向延伸。
所述模块也可以用作压型的或波纹形的大体上竖直的建筑物正面单元。在这种情况下，当安装所述模块时，如果界定二维轮廓的平面(x；z)是水平的，则所述条优选将水平地延伸。另一方面，如果该平面是竖直的，则所述条优选将沿向上的方向延伸。
权利要求
1.一种电能产生模块(100)，包括电能产生光电(PV)膜(110)，其被密封在至少部分透明的顶层密封剂材料(150)和底层密封剂材料(170)之间；其中，密封剂材料的类型和数量使得在向该模块施加高温或压强中至少之一时，能够改变该模块的形状；但是其中在普通的温度和压强条件下，密封剂材料在电能产生膜(110)的周围提供刚性结构；其中，该电能产生膜包括多个彼此电性连接的条形电池(130)；其中，该模块成型为提供所需的二维轮廓；以及其中，每个条形电池(130)的纵向(x1)平行于界定所述二维轮廓的平面(x；z)而延伸。
2.如权利要求1所述的模块，其中，所述条形电池(130)彼此串联连接。
3.如权利要求1或2所述的模块，其中，密封剂材料的类型利数量以及其它层的类型和数量使得通过应用下面的步骤能够永久地改变该模块的形状通过施加高温来软化密封剂材料；向模块(100)施加压强以获得所需的形状；硬化密封剂材料。
4.如权利要求3所述的模块，其中，密封剂材料的类型和数量使得通过施加大约在70℃与250℃之间的温度和大约在0.01bar至1bar之间的压强能够改变该模块的形状。
5.如权利要求3至4中任一权利要求所述的模块，其中，使用在该模块的至少一层中的材料的类型和数量使得该模块的形状在正常的温度条件下，即使被暂时施加压强，也不会永久地改变，且不会碎裂。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的模块，其中，该电能产生膜(110)包括衬底(120)，该衬底(120)在普通的温度和压强条件下是挠性的。
7.如权利要求6所述的模块，其中，该电能产生膜(110)的衬底(120)包括下列材料中的至少一种聚酰亚胺、PET(聚乙烯对苯二酸酯)或PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、铝、绝缘体一金属合成物或纤维强化材料。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的模块，其中，根据模块的二维轮廓，该模块(100)中的电能产生膜(110)是不平坦的。
9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的模块，其中，该电能产生膜(110)包括非晶硅半导体结构、微晶硅、薄膜硅、CIS元件、碲化镉元件和/或薄膜串列电池。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的模块，其中，在该模块成型以提供二维轮廓之前，该电能产生膜(110)、顶部密封剂材料(150)和底部密封剂材料(170)接合在一起以提供具有平坦轮廓的堆叠层。
11.如权利要求1至10中任一权利要求所述的模块，其中，在该模块成型和切割为所需长度之前，该电能产生膜(110)、顶部密封剂材料(150)和底部密封剂材料(170)在连续叠层过程中密封在一起。
12.如权利要求1至11中任一权利要求所述的模块，其中，该模块(100)是使用注射模制工艺成型的，并且顶部密封剂材料和底部密封剂材料包括在所述工艺期间适于注射的树脂。
13.如权利要求1至12中任一权利要求所述的模块，其中，顶部密封剂材料包括下列材料中的至少一种PE(聚乙烯)、PET(聚乙烯对苯二酸酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、TPU(热塑性聚亚安酯)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)。
14.如权利要求13所述的模块，其中，底部密封剂材料包括与顶部密封剂材料相同的材料。
15.如权利要求1至14中任一权利要求所述的模块，其中，该模块(100)的二维轮廓对应于建筑单元或建筑表面的非平坦轮廓，以使该模块能够安装在所述建筑单元或建筑表面上，或者取代一个或多个所述建筑单元。
16.如权利要求15所述的模块，其中，该模块的二维轮廓对应于波纹形或压型的房顶或建筑物正面单元的轮廓。
17.如权利要求16所述的模块，其中，该模块的二维轮廓对应于波纹形或压型的房顶的轮廓；其中，所述模块包括至少一个条(130)，当安装所述模块时，该条(130)趋于沿着大体平行于所述房顶的脊或边的方向延伸；以及其中，当安装所述模块时，界定所述二维轮廓的所述平面(x；z)以大体平行于所述脊或边的向上的方向延伸。
18.如权利要求16所述的模块，其中，该模块的二维轮廓对应于波纹形或压型的建筑物正面单元的轮廓；其中，所述模块包括至少一个条(130)，当安装所述模块时，该条(130)趋于沿着大体水平的方向延伸；以及其中，当安装所述模块时，界定所述二维轮廓的所述平面(x；z)以大体水平的方向延伸。
19.如权利要求1至15中任一权利要求所述的模块，其中，该模块的二维轮廓对应于波纹形或压型的房顶的轮廓；其中，所述模块包括至少一个条(130)，当安装所述模块时，该条(130)趋于以向上的方向延伸；以及其中，当安装所述模块时，界定所述二维轮廓的所述平面(x；z)以大体垂直于所述脊或边的向上的方向延伸。
20.如权利要求16所述的模块，其中，该模块的二维轮廓对应于波纹形或压型的建筑物正面单元的轮廓；其中，所述模块包括至少一个条(130)，当安装所述模块时，该条(130)趋于沿着大体竖直的方向延伸；以及其中，当安装所述模块时，界定所述二维轮廓的所述平面(x；z)以大体竖直的方向延伸。
21.如权利要求1至20中任一权利要求所述的模块，其中，顶层密封剂材料还包括用于电能产生膜的覆盖层。
22.如权利要求1至21中任一权利要求所述的模块，还包括热绝缘层，在该模块已经成型后将该热绝缘层涂布到该模块的底表面。
23.如权利要求1至22中任一权利要求所述的模块，在所述顶部密封剂层中还包括三维纹理，该三维纹理设计为提高该模块的PV有源部上的聚光性。
24.一种制造电能产生模块(100)的方法，包括提供电能产生膜(110)、顶层密封剂材料(150)和底层密封剂材料(170)，该电能产生膜(110)包括彼此电性连接的多个条形电池(130)；施加高温和压强中至少之一以将该电能产生膜、顶层密封剂材料和底层密封剂材料接合在一起作为接合的堆叠层；以及保持或施加高温以融化和/或软化所述密封剂材料，并施加压强来成型该接合的堆叠层，以使该模块具有所需的二维轮廓；其中，所提供的密封剂材料的类型和数量使得在向该模块施加高温和压强中至少之一时，能够改变该模块的形状；但是其中在普通的温度和压强条件下，密封剂材料(150、170)在该电能产生膜(110)的周围提供刚性结构；以及其中，每个条形电池的纵向(x1)平行于界定所述二维轮廓的平面(x；z)而延伸。
25.如权利要求24所述的方法，其中，接合包括施加高温和压强。
26.如权利要求25所述的方法，其中，接合包括施加大约在70℃与250℃之间的温度和大约在0.3bar至10bar之间的压强，以及其中成型包括施加大约在70℃与250℃之间的温度和大约在0.01bar至1bar之间的压强。
27.如权利要求24至26中任一权利要求所述的方法，其中，在接合之后立即进行成型。
28.如权利要求24至27中任一权利要求所述的方法，其中，成型与接合同时进行。
29.如权利要求24至28中任一权利要求所述的方法，其中，成型包括使用注射模制工艺，并且顶部密封剂材料和底部密封剂材料包括在所述工艺期间适于注射的树脂。
30.如权利要求24至29中任一权利要求所述的方法，所述高温足够用于融化所述密封剂材料而不损坏所述电能产生膜(110)，所述方法包括释放所述温度的步骤，用于在成型后再硬化所述密封剂材料。
31.如权利要求24至30中任一权利要求所述的方法，还包括将三维表面纹理应用到所述顶部密封剂层的步骤。
全文摘要
成型电能产生模块以呈现所需的二维轮廓，以与非平坦表面或建筑单元例如波纹形房顶相匹配。该模块包括被密封在顶层密封剂材料和底层密封剂材料之间的电能产生膜。密封剂材料的类型和数量使得当向该模块施加高温和/或压强时，能够改变密封剂材料的形状，但是在普通的(即，自然发生的)温度和压强条件下，密封剂材料在该电能产生膜的周围提供刚性结构。因此，通过施加合适的压强和/或高温能够成型该模块，但是一旦将该模块置于普通的温度和压强条件下，则该模块具有刚性结构。
文档编号H01L31/0392GK1934716SQ200580008621
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月16日 优先权日2004年3月16日
发明者狄尔高·菲舍, 亚历山·哥识, 伊方·识格勒 申请人:高频率科技有限公司