ЭЛЕКТРОД ДЛЯ КОНТАКТИРОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ELECTRODE FOR CONTACTING OF PHOTOELECTRIC CONVERTERS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к фотоэлектрическим преобразователям, в частности к технологии сборки солнечных модулей, коммутации ячеек фотоэлектрических преобразователей и конструкционным элементам для коммутации ячеек фотоэлектрических преобразователей. Данное изобретение может применяться для сборки монолитных солнечных модулей на основе ФЭП изготовленных из монокристаллического кремния, поликристаллического кремния, ФЭП изготовленных по гетероструктурной технологии.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ соединения фотогальванических элементов (см. [1] US2012/0125391 A1, МПК H01L 31/0504, опубл. 24.05.2012). Известный способ включает склейку двух или более солнечных элементов, при этом, по меньшей мере, один солнечный элемент имеет контакт, сформированный на первой поверхности, который электрически соединен с проводящей клеммой солнечного элемента, а основание второй ячейки физически и электрически связано с контактом. Между подложкой второй и первой ячеек помещен изолятор, который препятствует короткому замыканию между ними.
Из уровня техники также известна высокоэффективная конструкция цепи солнечных элементов (см. [2] US2014/0124014 A1, МПК H01L 31/0201, опубл. 08.05.2014). Конструкция цепи солнечных элементов состоит из последовательно соединенных солнечных элементов, расположенных на подложке с перекрывающимися концами смежных солнечных элементов. Структура металлизации передней и задней поверхностей может обеспечить повышение эффективности.
Из уровня техники известна высокоэффективная солнечная панель (см. [3] US2015/0090314 A1, МПК H01L 31/042, опубл.  02.04.2015). В одном варианте осуществления настоящего изобретения описана панель солнечных батарей. Панель солнечных батарей включает в себя множество комплектов солнечных элементов. Солнечные элементы в комплекте последовательно соединены, а комплект солнечных элементов соединены параллельно. Количество солнечных элементов в соответствующем комплекте достаточно велико, так что выходное напряжение солнечной панели по существу совпадает с выходным напряжением обычной солнечной панели со всеми своими псевдо квадратными солнечными элементами, соединенными последовательно.
Все вышеперечисленные модули имеют недостаток, связанный с тем, что ячейки фотоэлектрических преобразователей являются весьма хрупкими, и в процессе сборки солнечных модулей их легко повредить. В связи с этим затрудняется работа со сборками из ячеек (стрингами). Так же в процессе сборки, до момента затвердевания проводящего клея может происходить смещение ячеек, что может приводить к полной непригодности конечной сборки. Все это в значительной степени снижает выход годной продукции.
Также из уровня техники известен способ изготовление модулей солнечных элементов с электродами с низким удельным сопротивлением (см. [4] US2015/0270410 A1, МПК H01L 31/0201, опубл. 24.09.2015). Один вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает получение солнечного модуля. Солнечный модуль включает в себя переднюю крышку, заднюю крышку и множество солнечных элементов, расположенных между крышками передней и задней сторон. Соответствующий солнечный элемент включает в себя многослойную полупроводниковую структуру, электрод на передней стороне, расположенный над многослойной полупроводниковой структурой, и задний электрод, расположенный ниже многослойной полупроводниковой структуры. Каждый из передних и задних электродов содержит металлическую сетку. Соответствующая металлическая сетка содержит множество контактных линий и одну шину, соединенную с контактными линиями. Единая сборная шина сконфигурирована для сбора тока от контактной линии.
Применение контактной сетки уменьшает эффективную площадь конечных модулей, т.к. они затеняют часть ячеек и не скрыты соседними ячейками. Так же в данном случае применяется дополнительный конструктивный элемент, шина, которая применяется для соединения ячеек и так же вносит дополнительное сопротивление. В случае соединения внахлест они обладают приведенными ранее недостатками. В аналоге говорится о контактной сетке, нанесенной непосредственно на ячейки, а для коммутации ячеек между собой применяется дополнительная шина. В нашем случае контактная сетка и коммутационные элементы выполнены в качестве единого элемента.
Наиболее близким аналогом является электрод для фотоэлектрических ячеек и фотоэлектрических модулей (см. [5] CA2496557, МПК H01L 31/04, опубл. 11.03.2004). В состав которого входит прозрачная полимерная пленка, на которую нанесен адгезионный слой и множество параллельных проводов, внедренных в адгезионный слой. По меньшей мере часть проводов выступают из адгезионного слоя на поверхность фотоэлектрического преобразователя.
Недостатком данного прототипа является наличие прозрачного диэлектрического слоя, подверженного фотодеградации в активной области солнечных модулей. Так же данный электрод не предусматривает возможности контактирования фотоэлектрических ячеек внахлест, для повышения коэффициента использования поверхности солнечных модулей.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является формирование монолитных цепочек ячеек ФЭП с созданием надежного контактного соединения ФЭП в цепочках ячеек при сборке солнечного модуля по монолитной технологии. Также задачей является исключение высокотемпературного отжига при нанесении контактной сетки, что позволяет применять монолитную сборку в ФЭП на основе гетероструктурной технологии.
Техническим результатом является повышение прочности монолитных цепочек ячеек, снижение рисков возникновения микротрещин и раскалывания ФЭП при изготовлении цепочек ячеек, уменьшение вероятности появления пузырей вдоль ячеек при ламинировании, повышение эффективности токосъема с ФЭП, повышение выхода годных модулей за счет уменьшения брака при сборке монолитных цепочек ячеек, исключение этапа нанесения контактной сетки в процессе производства ФЭП, повышение надежности солнечного модуля в процессе эксплуатации, снижение вероятности выхода из строя модуля в результате изменения геометрических размеров элементов конструкции и ячеек ФЭП при изменении температуры.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет электрода для контактирования фотоэлектрических преобразователей содержащего металлическую сетку, выполненную из проволоки покрытой припоем, сверху и снизу которой нанесен клеевой слой для соединения с ячейками ФЭП при монолитном изготовлении фотоэлектрических преобразователей, причем клеевой слой нанесен на одном краю металлической сетки и в середине с противоположной стороны в местах перекрытия ячеек ФЭП.
Технический результат также достигается за счет того, что в качестве клеевого слоя для крепления металлической сетки к ячейкам ФЭП могут быть использованы термоклеи или фотополимерные клеи или эпоксидные смолы или TPO или EVA или силиконы. В качестве припоя могут быть использованы свинцовые или оловянные или висмутовые или индиевые сплавы.
Краткое описание чертежей
Фигура 1. Геометрические параметры проволочного электрода.
Фигура 2. Схема сборки модуля Shingled (ячеечная или черепичная конструкция) с применением проволочного электрода.
Фигура 3. Вид сверху сборки модуля Shingled с применением проволочного электрода.
Фигура 4. Схематическое изображение электрода для контактирования фотоэлектрических преобразователей.
На фигурах обозначены следующие позиции:
f
ff
d — диаметр проволоки; L — длина проволоки; r — расстояние между проволоками; 1 — электрод; 1а — металлическая сетка из проволоки, покрытой припоем; 1в — клеевой слой; 2 — ячейка ФЭП; 3 — выводная шина; 4 — ламинирующая пленка; 5 — носитель; 6 — поперечный элемент сетки электрода; 7 — продольный элемент сетки электрода; 8 — клеевой слой расположенный по центру электрода; 9 — клеевой слой расположенный на краю электрода .
Осуществление изобретения
Основной задачей при сборке солнечного модуля по монолитной технологии является обеспечение надежного и прочного электрического соединения ячеек ФЭП без потери эффективности токосъема. Для решения этой проблемы предлагается использовать проволочный электрод с элементами фиксации ячеек ФЭП (2), представляющий собой покрытую припоем металлическую сетку, выполненную из проволоки (1), сверху которой в двух местах нанесен клеевой слой (1в). То есть сверху и снизу металлической сетки нанесен клеевой слой для соединения с ячейками ФЭП при монолитном изготовлении фотоэлектрических преобразователей, причем клеевой слой нанесен на одном краю металлической сетки и в середине с противоположной стороны в местах перекрытия ячеек ФЭП. Для осуществления жесткой коммутации ячеек ФЭП в цепочки можно применять металлическую сетку (1а) с секциями разной формы и размеров. Цепочки ячеек ФЭП установлены на носитель (5) при помощи ламинирующей пленки (4), причем при укладывании цепочек ячеек ФЭП на носитель первая и последняя ячейки с помощью проволочного электрода коммутируется к заранее уложенной на ламинирующую пленку выводную шину (3) путем ее кратковременного нагрева. В качестве клеевого слоя для крепления ячеек к сетке могут быть использованы термоклеи, фотополимерные клеи, эпоксидные смолы, TPO, EVA, силиконы. При этом во время сборки монолитных цепочек, материал для фиксации ячеек может проявлять склеивающие свойства как под действием различных внешних факторов, например, температуры (термоклеи) или света (фотополимерные клеи); так и без них, например, исполнение в виде клейкой ленты. Обеспечение электрического контакта металлической проволоки, покрытой припоем, с ячейками происходит в процессе ламинирования модуля. При этом в качестве носителя (5) для монолитной полусборки используются как стекла, так и полимеры, покрытые двойным слоем инкапсулянта, между которыми помещаются ячейки ФЭП. Преимущества электрода для контактирования в таком исполнении является то, что при его использовании отсутствует необходимость в контактной сетке на поверхности ФЭП, а, следовательно, исключены этапы трафаретной печати и высокотемпературного отжига. Это обстоятельство позволяет применять проволочный электрод в монолитных солнечных модулях, выполненных не только на основе ФЭП из монокристаллического и поликристаллического кремния, но и также ФЭП на основе гетероструктурной технологии.
Особенности:
1. Проволочный электрод может быть изготовлен из металлической проволоки, покрытой припоем на основе различных сплавов: свинцовых, оловянных, висмутовых, индиевые и т.д. В таблице приведен примерный перечень низкотемпературных припоев, которые могут быть применены для покрытия металлической проволоки.
2. Поперечные элементы, выполняющие несущую функцию, могут быть выполнены из полимерных материалов, таких как ПЭТ, лавсан, полиэтилены, фторполимеры.
Для нахождения оптимальной конфигурации контактной сетки используется метод минимизации потерь мощности: оптимальные параметры – параметры, при которых функция общих потерь   принимает минимальное значение, где  – расстояние между центрами проволок,  — удельное сопротивление сетки,  – ширина активной области ячейки Shingled  (ширина за вычетом области наложения).
Общие потери представляют собой сумму оптических и электрических потерь:
otp,сетки
el,общ
, где P – общие оптические потери на сетке, P – общие электрические потери;
Оптические потери на сетке для Shingled -ячеек:
, где – приведенная ширина сетки,  – расстояние между центрами проволок (фигура 1);
Электрические потери представляют собой сумму омических потерь:
el,f
el,k
el,TCO
, где P – электрические потери на проволоках, P – электрические потери на контакте сетки и ТСО (прозрачный проводящий оксид), P – электрические потери в ТСО.
Формулы для расчета соответствующих электрических потерь:
, где  – плотность тока в точке максимальной мощности без учета оптических потерь в сетке,  – напряжение в точке максимальной мощности,  – удельное сопротивление сетки,  - приведенная высота сетки,  – ширина активной области ячейки (фигура 1);
otp,сетки
, где   – плотность тока в точке максимальной мощности, P – общие оптические потери на сетке;
c
, где с – контактное сопротивление,  – сопротивление TCO,   - длина собирания фототока;
.
3. Клеевой слой для фиксации ячеек к проволочному электроду при монолитной сборке расположен в области перекрытия ячеек, и никак не влияет на эффективность ФЭП (т.к. затененная область ячейки не вырабатывает ЭДС).
4. Прочное скрепление ФЭП с помощью проволочного электрода уменьшает вероятность появления воздушных пузырей вдоль цепочек ячеек ФЭП при ламинировании модуля.
Этапы технологии сборки:
1. Подготовка носителя и размещение его на ровной поверхности.
2. Укладка ламинирующей пленки.
3. Сборка цепочек ФЭП с использованием проволочного электрода с фиксацией ячеек на клеевой слой в соответствие с его свойствами (фотофиксация, фиксация на липкий слой клейкой ленты, термофиксация). Поэтому монолитная сборка ячеек может происходить как непосредственно на носителе, так и вне его, например, при необходимости монтажа на нагретой или подсвечиваемой поверхности (фигура 1).
4. При укладывании цепочек ФЭП на носитель первая и последняя ячейки с помощью проволочного электрода специального вида коммутируется к заранее уложенной на ламинирующую пленку выводную шину путем ее кратковременного нагрева (фигура 2).
5. Пайка выводов шинок.
6. Укладка второго слоя ламинирующей пленки. Вывод контактов через ламинирующую пленку.
7. Укладка тыльного защитного листа с выводом контактов через отверстие.
Пример 1:
1. В качестве носителя с фронтальной стороны солнечного модуля используется закаленное стекло, сверху которого укладывается один слой термопластичной полиолефиновой (TPO) ламинирующей пленки.
2. На стекло укладывается медная выводная шинка, луженная оловянно-свинцовым припоем, к которой припаивается специальный краевой проволочный электрод с одним клеевым слоем, выходящий с тыльной стороны первой ячейки.
-8
2
3. Проволочный электрод для ячеек длиной 15.6 см и шириной 1.56 см является медная сетка, покрытая припоем с составом олово 62 %, свинец 38 %, со следующими оптимальными геометрическими параметрами: количество проволок – 133, диаметр сетки – 25 мкм, расстояние между центрами проволок – 1.17 мм. Сопротивление такой сетки составляет 1.8*10 Ом·м; потери – 0.24 Ом·см, минимальные относительные потери на контактировании – 3.58 %.
3. Монолитная сборка цепочек ячеек происходит следующим образом. На фронтальную сторону ячейки накладывается проволочный электрод так, чтобы первый слой скотча приклеивал сетку к ФЭП в области перекрытия ячеек. Вторая ячейка укладывается поверх первой ячейки. При этом проволочный электрод прикрепляется к ней с тыльной стороны вторым слоем скотча.
4. Затем по схеме, описанной в пункте 3, на фронтальную сторону второй ячейки прикрепляется следующий проволочный электрод. Данный процесс повторяется до тех пор, пока не будет получена монолитная сборка с необходимым количеством ячеек.
5. Последняя ячейка также, как и первая, припаивается к выводной шинке с помощью специального краевого проволочного электрода с одним клеевым слоем только с фронтальной стороны.
6. Аналогично производят сборку остальных цепочек ячеек.
7. Укладывается второй слой термопластичной полиолефиновой (TPO) ламинирующей пленки, затем полимерный тыльный лист с алюминиевым слоем.
8. Выводятся контактные шинки через тыльный лист, и проводится процесс ламинации.
Пример 2:
1. В качестве носителя с фронтальной стороны солнечного модуля используется закаленное стекло, сверху которого укладывается один слой термопластичной полиолефиновой (TPO) ламинирующей пленки.
2. На стекло укладывается медная выводная шинка, луженная оловянно-свинцовым припоем, к которой припаивается специальный краевой проволочный электрод с одним клеевым слоем, выходящий с тыльной стороны первой ячейки.
-12
2
3. Проволочный электрод для ячеек длиной 15.6 см и шириной 7.8 см является медная сетка, покрытая припоем с составом висмут 13,7 %, свинец 44,8 %, олово 41,5 %, со следующими оптимальными геометрическими параметрами: количество проволок – 235, диаметр сетки – 25 мкм, расстояние между центрами проволок – 0.66 мм. Сопротивление такой сетки составляет 1.8*10 Ом·м; потери – 0.58 Ом·см, минимальные относительные потери на контактировании – 7.3 %.
3. Монолитная сборка цепочек ячеек происходит следующим образом. На фронтальную сторону ячейки накладывается проволочный электрод так, чтобы первый слой скотча приклеивал сетку к ФЭП в области перекрытия ячеек. Вторая ячейка укладывается поверх первой ячейки. При этом проволочный электрод прикрепляется к ней с тыльной стороны вторым слоем скотча.
4. Затем по схеме, описанной в пункте 3, на фронтальную сторону второй ячейки прикрепляется следующий проволочный электрод. Данный процесс повторяется до тех пор, пока не будет получена монолитная сборка с необходимым количеством ячеек.
5. Последняя ячейка также, как и первая, припаивается к выводной шинке с помощью специального краевого проволочного электрода с одним клеевым слоем только с фронтальной стороны.
6. Аналогично производят сборку остальных цепочек ячеек.
7. Укладывается второй слой термопластичной полиолефиновой (TPO) ламинирующей пленки, затем полимерный тыльный лист с алюминиевым слоем.
8. Выводятся контактные шинки через тыльный лист и проводится процесс ламинации.
Таблица 1 Низкотемпературные припои
Состав припоя
Температура плавления, <sup>о</sup>С
висмут 76,5 %, таллий 23,5 %
198
олово 89 %, цинк 11 %
198
висмут 47,5 %, таллий 52,5 %
188
висмут 44,2 %, свинец 9,8 %, таллий 48 %
186
олово 62 %, свинец 38 %
183
олово 64 %, свинец 36 %
181
кадмий 32 %, олово 68 %
177 (178)
свинец 32 %, олово 68 %
177
висмут 12,8 %, свинец 49 %, олово 38,2 %
172
висмут 13,3 %, свинец 46 %, олово 40,1 %
165
висмут 10,5 %, свинец 42 %, олово 47,5 %
160
висмут 13,7 %, свинец 44,8 %, олово 41,5 %
160
висмут 16 %, свинец 36 %, олово 48 %
155
висмут 18,1 %, свинец 36,2 %, олово 45,7 %
151
висмут 25 %, свинец 50 %, олово 25 %
149
висмут 62,5 %, кадмий 37,5 %
149
висмут 19 %, свинец 38 %, олово 43 %
148
висмут 50 %, свинец 50 %
145
свинец 32 %, олово 50 %, кадмий 18 %
145
висмут 60 %, кадмий 40 %
144
кадмий 18,2 %, свинец 30,6 %, олово 51,2 %
142
висмут 57 %, таллий 43 %
139
висмут 57 %, олово 43 %
139
висмут 28,5 %, свинец 43 %, олово 28,5 %
132
висмут 56 %, олово 40 %, цинк 4 %
130
висмут 43 %, свинец 43 %, олово 13 %
128
висмут 27,2 %, свинец 44,5 %, олово 33,3 %
127
висмут 56,5 %, свинец 43,5 %
125
олово 52 %, индий 48 %
125
висмут 33,4 %, свинец 33,3 %, олово 33,3 %
123
висмут 36,5 %, свинец 36,5 %, олово 27 %
117
висмут 40 %, свинец 40 %, олово 20 %
113
висмут 42,1 %, свинец 42,1 %, олово 15,8 %
108
висмут 48 %, свинец 28,5 %, олово 14,5 %, ртуть 9 %
105
висмут 53 %, олово 26 %, кадмий 21 %
103
висмут 50 %, олово 25 %, кадмий 25 %
95
висмут 49,9 %, свинец 43,4 %, кадмий 6,7 %
95
висмут 50 %, свинец 31,2 %, олово 18,8 %
97
висмут 50 %, свинец 25–28%, олово 22–25 %
94–98
висмут 52.5 %, свинец 32.0 %, олово 15.5 %
95
висмут 51,6 %, кадмий 8,1 %, свинец 40,3 %
91
висмут 55,2 %, свинец 33,3 %, таллий 11,5 %
91
висмут 53,2 %, кадмий 7,1 %, свинец 39,7 %
89,5
висмут 35,3 %, кадмий 9,5 %, свинец 35,1 %, олово 20,1 %
80
висмут 58 %, индий 17 %, олово 25 %
79
висмут 50 %, свинец 34,5 %, олово 9,3 %, кадмий 6,2 %
77
висмут 50 %, свинец 34,4 %, олово 9,4 %, кадмий 6,2 %
76,5
висмут 27,5 %, кадмий 34,5 %, свинец 27,5 %, олово 10,5 %
75
висмут 33,7 %, индий 65,3 %
72
висмут 38,4 %, свинец 30,8 %, олово 15,4 %, кадмий 15,4 %
71
висмут 49,5 %, свинец 27,27 %, олово 13,13 %, кадмий 10,1 %
70
висмут 50 %, свинец 26,3 %, олово 13,3 %, кадмий 10 %
70
висмут 48,8 %, свинец 24,3 %, олово 13,8 %, кадмий 13,1 %
68,5
висмут 52,2 %, свинец 26 %, олово 14,8 %, кадмий 7 %
68,5
висмут 50,1 %, свинец 26,6 %, олово 13,3 %, кадмий 10 %
68
висмут 50 %, свинец 25 %, олово 12,5 %, кадмий 12,5 %
68
висмут 50,4 %, свинец 25,1 %, олово 14,3 %, кадмий 10,2 %
67,5
висмут 50,1 %, свинец 24,9 %, олово 14,2 %, кадмий 10,8 %
65,5
висмут 50,0 %, олово 12,5 %, свинец 25 %, кадмий 12,5 %
60,5
висмут 53,5 %, олово 19 %, свинец 17 %, ртуть 10,5 %
60
висмут 49,4 %, индий 21 %, свинец 18 %, олово 11,6 %
57
висмут 42 %, свинец 32 %, ртуть 20 %, кадмий 6 %
50
висмут 36 %, ртуть 30 %, свинец 28 %, кадмий 6 %
48
висмут 47,7 %, индий 19,1 %, олово 8,3 %,кадмий 5,3 %, свинец 22,6 %
47
висмут 40,2 %, кадмий 8,1 %, индий 17,8 %,свинец 22,2 %, олово 10,7 %, таллий 1 %
41,5