光伏电池、封装光伏电池制造工艺、光伏瓦的电连接组件和光伏屋顶瓦的制作方法

1.本发明涉及一种p
‑
n型光伏电池，其包含的组分提供日光防护功能，用以降低热系数，继而具有更好的导电效率。本发明还涉及这种封装光伏电池制造工艺，涉及一种用于光伏瓦的电连接组件，该组件以简单且安全的方式将光伏瓦产生的电力传导至逆变器，还涉及包括封装光伏电池和电连接组件的所述光伏瓦。


背景技术：

2.光伏电池是由半导体材料制成的器件，其通过光电效应将太阳辐射转化为电能。而光伏瓦是一种用于覆盖房屋和建筑物的建筑构件，其包含一个或多个光伏电池。
3.现有技术中已知的光伏电池有多种。这些光伏电池的区别在于其制造材料，尽管也采用其他更贵的贵重材料制造光伏电池，例如涂有二氧化钛(tio2)和氧化锌(zno)的锡/氧化铟(oei)纳米颗粒，但其中最常见的材料是晶体硅。
4.尽管光伏电池被认为是“清洁”的发电装置，由此人们对其大规模使用有很大兴趣，但是因为光伏电池由半导体材料制成，两个主要因素制约其通常能效较低：(i)这些半导体材料所吸收的过量太阳能，主要是致使电池温度升高的紫外光谱能量，从而导致导电率降低；(ii)电池的半导体材料以太阳辐射形式所吸收的红外光谱，并且不能为导电提供能量，仅仅产生增加电池温度的热转换，并导致导电率降低。
5.为了解决导电率低的问题，人们在该技术领域中进行了多项研究和开发。
6.在这方面，文献br 10 2012 027389
‑
6描述了罗马瓷砖或平面样式的瓦片，其包括掺杂有磷并封装在其单柄结构中的光伏晶体硅电池。瓦片组件从顶部到底部包括半透明树脂层、乙烯醋酸乙烯酯(eva)聚合物、光伏电池、作为背板层的eva聚合物、瓦片和半透明树脂。
7.此外，gao等人题为“水溶液中类叶红素敏化电极的光伏响应：涂有tio2纳米颗粒、类叶红素和聚乙烯咔唑混合物的ito”的论文中，例如描述了利用角黄素基类叶红素和5.‑
胡罗卜素处理涂有二氧化钛纳米颗粒(oei/tio2)的锡/介质氧化物半导体以提高这些半导体材料的导电率。该文还介绍了类叶红素在此类处理中的作用机制。在此情况下，这些半导体中存在的角黄素分子通过形成能量激发来吸收太阳辐射。此状态下，随着二氧化钛优化了它的导电性，其电子迁跃到锡/介质氧化物的导电带。
8.此外，zhuang等人题为“使用类叶红素集料作为电子供体和叶绿素衍生物作为电子受体的自然光合作用光伏电池”的论文公开了利用番茄红素基类叶红素和叶绿素色素处理锡/铟氧化物(oei)和钼(iii)氧化物(moo3)光伏电池或oei/moo3。该论文还介绍了由于存在有作为电子供体分子的类叶红素和作为电子受体分子的叶绿素而优化能量效率的过程。这些分子的存在在这些光伏电池中建立了空穴和电子通量的平衡，从而提高了它们的效率。
9.muthusaamy题为“围氏马尾海藻提取物作为zno光阳极基染料敏化太阳能电池的
低成本敏化剂”的论文描述了使用包含色素混合物(如类叶红素、岩藻黄质和叶绿素)的海藻提取物来提高氧化锌(zno)光阳极(一种半导体)的能量效率。在该论文中，这些色素的存在提高了这种材料的光伏效率。
10.因此，可以在现有技术研究中发现未掺杂的光伏电池中有使用类叶红素，以及pn型光伏电池(掺杂有p型和n型掺杂剂)，但pn型光伏电池中不包括类叶红素。
11.此外，在通常的光伏瓦和面板中，它们之间用于传导产生的电力的连接是由光伏电缆做成的，该光伏电缆包含两类保护，uvb抗阻，即抵抗从太阳发射的紫外线，以及燃烧抗阻。
12.此外，这些已知的光伏瓦和面板具有安装在电力传导电缆的终端处的接线盒和单触点电连接器，其在每片面板或瓦中，沟通电力输出电缆与逆变器之间的连接。
13.接线盒通常用于容纳防止反向电流的二极管。顺序排布的连接器用于避免电气连接中的不良接触。然而，使用通常的接线盒和电连接器增加了屋顶瓦和光伏面板的成本，并使屋顶的制造和组装更加复杂。
14.因此，人们已经开始研发面向屋顶使用的建筑光伏电池(例如瓦片)，这类电池不使用电缆端子处的电连接器来传导由这类电池产生的电能并且不使用接线盒。
15.例如，文献br 10 2012 027389
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6描述了设置有光伏电池的聚合物复合瓦，该光伏电池布置在瓦片的主体上。光伏电池与屋顶瓦的联合系统不使用接线盒，目的是降低制造成本并便于生产。因此，电池转换的电能导通到光伏电池之间的母线条带，后者焊接有电线束，用于将该电能连接和传输到电流逆变器。这样，线束用于串联连接光伏电池的供电母线，最后使用连接器将这一系列光伏电池连接到逆变器上。
16.在该方案中，虽然不再使用光伏电池连接器，但仍然需要使用它来将线束连接到逆变器上。此外，线束与光伏电池的母线的连接是通过使用焊接来完成的，这不便于简化盖子的安装，因为需要焊接，产品达不到最终实现安装。
17.文献wo 2008/137966提出了一种可靠结构和低成本太阳能屋顶的解决方案。在该文献中，减少了布线，只在每排光伏电池的末端留出电缆，并且取消了接线盒。此外，屋顶瓦电气部分的组装方式是瓦片相互连接，最终由成排瓦片完成连接，而不是逐片瓦通过接线盒和电气连接器单独连接。
18.在该文献所描述的设置中，电连接是通过将一片瓦的突片装配到相邻瓦的突片上来实现，从而仅当瓦片安装在屋顶上时才形成电连接。没有连接瓦片的电线束，连接器是内置的，一片瓦有一个“公”连接器，而相邻一片瓦有一个“母”连接器。当配对的瓦片闭合，电触点接通，无需使用接线盒。这种布线受限于每排瓦的末端需要逆变器连接，但该文献没有提到在连接到逆变器时在每排瓦上省去连接器的使用。
19.因此，可以看出简化光伏瓦组装中的电连接是有意义的。从这个意义上说，瓦片的电气简化是必要的，省去带来成本和连接困难的组件，但不会导致可能产生触电或火灾风险的不安全安装。


技术实现要素：

20.因此，本发明旨在提供一种包含p型和n型掺杂剂，并包含提供日光防护功能并用以降低热系数的组分的pn型光伏电池，从而使得该光伏电池分别具有提高的导电率和导电
率上的效率提升。
21.本发明的另一个目的是提供一种制造封装pn型光伏电池的方法，包括掺杂步骤，该步骤含有提供日光防护功能，用以降低热系数，继而在该电池的导电率上有效率提升的组分。
22.本发明的另一个目的是提供一种光伏瓦，其与封装光伏电池形成单炳结构以便同时具备盖屋顶和发电特性。
23.本发明的另一目的在于提供一种用于光伏瓦电连接的组件，其能够以简单且安全的方式将由多个光伏瓦产生的电能传导至电流逆变器。
24.本发明的另一个目的是提供一种光伏瓦，该光伏瓦设有用于光伏瓦电连接的组件。发明简要说明
25.本发明的目的在于提供一种pn型光伏电池，其包括涂覆有导电膜的晶体硅结构，所述导电膜由p型掺杂剂溶液和n型掺杂剂溶液形成，所述p型和n型掺杂剂溶液包含类叶红素组分。
26.本发明的另一个目的是一种封装p
‑
n型光伏电池制造工艺，包括以下步骤：a)用包含类叶红素成分的p型和n型掺杂溶液形成的导电膜涂覆多个晶体硅结构，形成多个p
‑
n型光伏电池；b)通过锡焊将多个p
‑
n型光伏电池结合形成组件；c)组件封装形成封装光伏电池；d)电气连接。
27.本发明的目的还在于一种用于光伏瓦电连接的组件，所述光伏瓦具有光伏电池，电连接组件包括：至少一个第一连接器以及至少一个第二连接器，所述第一连接器嵌入光伏瓦片中并与至少一个光伏电池的电气母线相连，所述第二连接器连接到一对导线，所述第二连接器与所述第一连接器电连接，以便将由所述光伏电池产生的电能传导至逆变器元件。
28.进一步，本发明的一个目的是一种光伏瓦，其包括多个封装光伏电池和用于光伏瓦电连接的组件。
附图说明
29.图1a是本发明p
‑
n型光伏电池的截面示意图；
30.图1b是多个相互连接的p
‑
n型光伏电池的示意图；
31.图2
‑
是本发明光伏瓦的透视图；
32.图3是本发明封装光伏电池制造工艺的流程图；
33.图4是封装光伏电池制造工艺的步骤流程图，更具体地为利用导电膜涂覆多个晶体硅结构的步骤；
34.图5
‑
是封装光伏电池的分解示意图；
35.图6是具有本发明电连接组件的光伏瓦的俯视图；
36.图7是具有本发明电连接组件的光伏瓦的仰视图；
37.图8是具有本发明电连接组件的光伏瓦的截面示意图；
38.图8a
‑
是嵌入光伏瓦中的电连接组件的第一连接器的详细视图；
39.图9是本发明电连接组件的主导体排线的透视示意图；
40.图9a是本发明电连接组件的主导线的详细视图；
41.图10
‑
是本发明电连接组件的次导线的透视示意图；
42.图11是通过本发明电连接组件互相连接的多个瓦片的仰视图；
43.图12是通过本发明电连接组件互相连接的多个瓦片的俯视图；
44.图13是通过本发明电连接组件互相连接的多个瓦片的透视图；
45.图14是本发明电连接组件的主导体排线的电连接示意图；
46.图15
‑
是本发明电连接组件的次导线的电连接示意图。
具体实施方式
47.根据优选实施例并如图1a和1b所示，本发明pn型光伏电池10包括涂覆有导电膜12的晶体硅结构11，该导电膜12由p型掺杂剂溶液和n型掺杂剂溶液形成。
48.p
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型和n
‑
型掺杂剂溶液除包括掺杂剂元素外还包含如下详述的类叶红素组分。
49.在这方面，p型掺杂剂溶液包含来自元素周期表5a族的掺杂剂元素，优选磷，含量为1.5至4质量百分比。而n型掺杂剂溶液包含来自元素周期表2a族的掺杂剂元素，优选钙，含量为0.5至2质量百分比。
50.p型和n型掺杂剂溶液还包括含量50至70质量百分比的异丙醇、含量15至30质量百分比的松脂树脂、含量0.5至2质量百分比的阳离子氟碳表面活性剂，含量0.5至2.5质量百分比的液态甘油，含量1.5至4质量百分比的硝酸银。
51.此外，为了形成导电膜12，p型和n型掺杂剂溶液在各自溶液中包括含量为1至5质量百分比的类叶红素。类胡萝卜素是天然色素，具有很强的吸收太阳辐射的能力，还可以作为紫外线过滤器。这些类叶红素优选选自一个组，所述组包括胭脂素、降胭脂树素、番茄红素、角黄素、岩藻黄素和β
‑
胡萝卜素。
52.p
‑
n型光伏电池10在暴露于阳光时将产生电流。晶体硅结构11中存在的硅原子在其最外电子层中恰好具有四个电子。存在于导电膜12中的磷作为n型掺杂元素具有五个电子，因此磷原子将四个电子共享，留下一个不属于共价键的电子，但其仍被磷原子核的正电荷所吸引。因此，不属于共价键的磷电子很容易挣脱其与磷原子核键的束缚，并且低能量就足以让其挣脱。在这种情况下，这些电子被认为是自由的，并且导电膜12中存在的n型掺杂元素掺杂的晶体硅结构11现在具有n型电子层。
53.与之相对，钙元素的最外电子层具有两个电子，因此，当替换硅原子时将形成“空穴”，该“空穴”将被定义为缺失两个负电荷，从而形成p型电子层。
54.将n型和p型两类电子层接触，电子从低电子浓度区域流向高电子浓度区域。当电子离开n型一侧时，p
‑
n接触边界上会积聚正电荷，同样在p型一侧积聚负电荷。在p
‑
n型连接边界处产生的这种电荷不平衡将形成电场，该电场将与电子扩散和空穴的自然趋势相反，从而达到平衡状态。
55.光子所形成的太阳光照射在p
‑
n型光伏电池上，瞬间就会形成电子
‑
空穴对。每个有足够能量使电子从一个电子层跃到另一个电子层的光子，都会形成一个电子和一个空穴。在此条件下，产生的电子将跃向n型一侧，空穴将移向p型一侧，电子的这种迁跃会形成
电流。由于电池的电场会形成电势差，因此就有可能产生电能，而电能正是这两个物理量的乘积。
56.光子所具有的能量高于使电子从一个电子层跃向另一电子层所需的能量，即，光子在紫外光区域附近以更高频率保持能量，其所提供的多余能量将被转化为热能。同样，光子所具有的能量低于使电子从一个电子层跃向另一电子层所需的能量，即，光子在光红外区域附近以更低频率保持能量，其提供的能量不足以将电子从其轨道释放，结果是该能量转化为热能。
57.在上述两种情况下，产生的热量导致p
‑
n型光伏电池10和晶体硅结构11的效率降低，由于电池电压降低，因此其可以产生的功率也降低。
58.由于p型和导电膜型12掺杂溶液中存在类叶红素，p
‑
n型光伏电池10的效率增加。这是因为类叶红素有助于吸收阳光，此外，它们在吸收太阳辐射方面具有很高的能力，尤其是紫外线辐射。
59.通过吸收紫外线产生的多余能量，类叶红素阻止pn型光伏电池10中热量的产生，并且还吸收紫外线区域中的多余能量，形成指向pn型光伏电池导电带的新电子通量。更具体地说，来自类叶红素分子本身的电子被转移到所谓的导电带上，随之电流增加，电池10的电能也随之增加。
60.为了具有如图1a所示的光伏系统，必须构建由多个p
‑
n型光伏电池10的连接组成的组件，该组件是通过锡焊料13制成的。为了避免焊接区域13中的问题，电池10需要不含杂质，尤其是在该交界区域中。因此，添加到p型和n型掺杂剂溶液中的异丙醇能够消除可能干扰电池10导电性的杂质并完全清除残留水。
61.此外，松脂树脂和甘油发挥作用，从而使焊料均匀分布。因此，在焊接时，锡自由地流入待焊接的部件中。另一方面，硝酸银是一种极好的能量导体，存在于p型和n型掺杂剂溶液中，以提高电池10交界区域的能量性能。
62.因此，在多个p
‑
n型光伏电池10的交接处存在的锡焊料13在接合的电池10之间提供导电性，例如，避免影响发电的电隔离区域。
63.如图3所示，本发明的另一个目的是提供制造封装的p
‑
n10型光伏电池的工艺。该工艺包括以下步骤：a)用包含类叶红素成分的p型和n型掺杂溶液形成的导电膜12涂覆多个晶体硅结构11，形成多个p
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n型光伏电池10；b)通过锡焊13将多个p
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n型光伏电池10结合形成组件15；c)组件15封装形成封装光伏电池19；d)电气连接。a)涂覆阶段
64.由p型和n型掺杂剂溶液形成的导电膜12涂覆多个晶体硅结构11的步骤包括1份松脂树脂与3份异丙醇混合形成混合物a，将1份类叶红素加入到16份混合物a中，形成均匀的混合物b，1份阳离子氟碳表面活性剂与85份混合物b结合3份硝酸银与1份阳离子氟碳表面活性剂形成混合物c，以及向每44份混合物c中加入1份甘油，形成混合物d(图4)。
65.一旦形成混合物d，就将其分成等份的混合物d1和混合物d2。针对混合物d1，有向15份混合物d1添加1份磷以形成n型掺杂剂溶液的步骤。针对混合物d2，有向45份半的混合
物d2添加1份钙以形成p型掺杂剂溶液的步骤。
66.接下来，根据图4中的路线1，将晶体硅结构11浸入p型掺杂剂溶液中，然后再浸入n型掺杂剂溶液中。可选地，根据图4中的路线2，也可以将晶体硅结构11浸入n型掺杂剂溶液中，然后再浸入p型掺杂剂溶液中。在该步骤结束时，获得p
‑
n型光伏电池10，然后将其送至最后的干燥步骤以形成导电膜12。b)连接多个p
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n光伏电池的步骤
67.在该步骤中，将多个p
‑
n型光伏电池10串联设置，形成至少7个电池10的电池组，该电池组连接在一起以形成组件15(图1b)。
68.结合处通过锡焊料13制成，以便允许结合区域不损害组件15的导电性。c)组件封装步骤
69.然后封装所形成的组件15。如图5所示，开始在组件15上方，设置第一层eva聚合物16以形成负极端。在组件15下方，先设置第二层eva聚合物17，接下来是tpt(聚酯类树脂)材料的保护底层18，形成正极端。
70.在组件15的上方和下方设置这些层之后，进行封装，包括将该组件置于层压设备中的真空中。这种封装提供腐蚀保护和防水性能。
71.最后，对封装组件进行树脂涂层涂敷，其包括在第一层eva聚合物16形成的负极部件上涂敷一层树脂，例如半透明环氧树脂，形成树脂层14。
72.该步骤的产品是封装光伏电池19。d)电气连接
73.封装光伏电池19接收位于保护底层18外表面上的接线盒(未示出)。该接线盒被设计成允许封装光伏电池19在工作期间连接到电流逆变器(未示出)。然而，稍后将详细描述电连接的优选实施例。
74.本发明的另一个目的包括光伏瓦20，如图2所示。光伏瓦20优选地由混凝土或纤维水泥制成，但也可以由其他材料制成，例如陶瓷和聚合物，并且容纳多个封装光伏电池19以形成光伏系统。
75.光伏瓦20可具有包含至少一个波纹21伴随至少一个平台22的波纹形状、不存在平台的波纹形状21、或其他多种形状。封装光伏电池19固定在屋顶瓦片20上，优选通过聚氨酯胶粘合，也可以采用其他类型的固定方式，例如粘合剂、螺钉、铆钉等，使得封装光伏电池19与光伏瓦20形成具有两个功能的单柄：盖屋顶和发电。因此，它们不需要带有铝型材的固定系统和额外的结构将光伏系统固定在屋顶上，屋顶通常的支撑材结构或金属结构就足够了，因为用作屋顶的瓦片本身在结构上已经包括光伏电池。
76.特别地，封装光伏电池19可以附着在光伏瓦20的平台22上，光伏瓦20的波纹21上，两个连续波纹21之间的凹陷(未示出)处，波纹21的侧壁上，或光伏瓦20表面上的其他位置。
77.本发明光伏瓦20解决了传统光伏面板的审美问题、固定问题，便于在屋顶上的安装和维护，增加了屋顶的耐用性，允许在限制增加屋顶重量的项目中安装光伏系统，减少材料的使用，降低光伏系统的成本。
78.关于电连接，优选地并且如图6、7和8以及图8a所示，用于光伏瓦20的电连接组件包括在光伏瓦20中，特别是在光伏瓦20的后表面221上与光伏电池10相对处，嵌入第一主连接器121，其中电连接组件包括用于光伏瓦20的每个光伏电池10的第一主连接器121。
79.从图8a中可见，嵌入光伏瓦20后表面221中的每个第一主连接器121与附接到前表面211的光伏电池10的电气母线101、101
′
相连接，使得光伏电池10产生的电能被引导至第一主连接器121。
80.如图9和图10所示，电连接组件优选地包括连接到一对主导线141的多个第二主连接器131，形成主导体排线151。每个第二主连接器131覆盖有高介电强度、机械刚度和热绝缘的聚合物绝缘体。
81.更具体地并从图9和图9a中可见，多个第二主连接器131间隔连接到一对主导线141，并且连续第二主连接器131之间的间距与嵌入光伏瓦20中的连续第一主连接器121之间的间距一致。此外，连接到形成主导体排线151的主导线141的第二主连接器131的数量根据成排互连的光伏瓦20的数量而变化。
82.因此，图9和图14的接线图显示多个第二主连接器131，它们间隔开地连接到形成主导体排线151的一对主导线141，该主导体排线151在其端部包括设有至少一个二极管251的连接终端171。二极管251的作用是防止发生反向电流。
83.每条主导体排线151连接一排或一行光伏瓦20，从第二主连接器131装配到第一主连接器121起，与主导线151组装和互连的瓦片20的每行或每排，都在瓦片20线、连接端子171等的末端处留出空余。
84.第二主连接器131与第一主连接器121嵌合且电性连接，以将由至少一个光伏电池10产生并由第一主连接器121接收的电能通过一对主导线141传导至连接端子171。
85.图10和图15依次显示出至少一个并且优选多个次连接器191，该连接器连接到形成次级导体排线161的一对次导线241。该次级导体排线161的功能是将瓦片20的行或排连接至逆变器元件261或微型逆变器上。
86.因此，次级导体排线161的每个次连接器191关联或连接到主导体排线151的连接端子171，主导体排线151将光伏瓦20中产生的电能传导至逆变器元件261。
87.在这方面，从图11、12和13中可见，第一主连接器121嵌入光伏瓦20中，没有任何暴露的端子或电缆，保证这些瓦片20的安全性，避免的电击风险。如上所述的，每个第一主连接器121嵌入在光伏瓦20的后表面221中以接收由光伏电池10产生的电能。
88.在光伏瓦20成排或成行安装在相关屋顶上之后，第二主连接器131成排地装配到瓦片20的每个第一主连接器121上，如图11所示。
89.一旦完成构成所需覆盖物的多排装配，主导体排线151的连接端子171连接到次级导体排线161的次连接器191，并且次级导体排线161的端部与逆变器元件261相连。
90.图12显示与图11所示这些相同的连接，但是其为俯视图。在这种情况下，可以看出主导体排线151的主导线对受到瓦片20的保护，因此它们不需要由防紫外线材料制成，因为它们没有暴露在阳光下，瓦片20之间的导电是在屋顶下完成的，不受紫外线的影响。
91.所有连接器，无论主连接器还是次连接器，都具有8mm端子，支持70安的电流。此外，它们由镀锡黄铜制成，这是一种非常好的电能传导材料，并且具有很强的耐腐蚀性。
92.第一主导体121与第二主导体131的连接除了第二主导体131套管上的爪子外，在第一主导体121上还有爪子，以防止断线和接触不良，防止电弧和消除火灾风险。
93.本发明的目的在于在光伏瓦20的安装中使用光伏瓦20的电连接组件具有实用性，使得电连接不可能发生错误，即足以将瓦片20安装在所需的屋顶空间，第一主导体121中的
第二主导体131的连接或插头以及在连接端子171中的次级导体排线161的次连接器191的连接或插头足够光伏瓦20运行并且足以令人满意的方式获取其产生的电能。
94.本发明的另一个目的是包含用于上述光伏瓦20的电连接组件的光伏瓦20。
95.因此，安装了包含用于光伏瓦20的电连接组件的光伏瓦20，无需使用诸如mc4型端子和接线盒之类的部件，这些部件广泛用于这种类型的连接，尽管如此这没有使瓦片20的电连接不安全，因为电连接装置防止形成电弧、接触不良和电击。同时也消除了火灾隐患。
96.用于光伏瓦20的电连接组件的另一个优点是电连接的简单性，省去了用于安装瓦片20和电连接组件的专业工人。
97.以上描述了优选实施例的示例，应当理解，本发明的范围包括其他仅由所附权利要求内容限制的可能的变形，包括可能的等同变形。