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    一種增強光捕捉之太陽光電模組，包括串接的複數個太陽電池。當垂直於太陽電池的串接方向設為x方向時，在x方向之兩太陽電池的間隙為4mm~6mm之間，藉此增強光捕捉。
    公开号:TW201308644A
    申请号:TW100127210
    申请日:2011-08-01
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Cheng-Yu Peng；Chung-Teng Huang；Fu-Ming Lin
    申请人:Ind Tech Res Inst；
    IPC主号:H01L31-00
    专利说明:
    增強光捕捉之太陽光電模組
    本發明是有關於一種太陽光電模組，且特別是有關於一種增強光捕捉之太陽光電模組。
    傳統太陽光電模組封裝結構有以玻璃(glass)、黏膠、太陽電池、黏膠和背板(backsheet)所構成的一般型太陽光電模組。此外，近來還有以玻璃、黏膠、太陽電池、黏膠和玻璃所構成的透光型太陽光電模組。這樣的封裝結構雖具有強模組高強度特性，卻有光損失而造成發電功率降低的問題。
    目前有關如何降低光損失或增強光捕捉的研究都把重點放在高透光與背板元件的結構設計，如美國專利US 5,994,641將鋸齒結構面對太陽光裝置於太陽電池陣列間隙、美國專利公開號US2008/0000517 A1則提出具表面凹凸結構的高反射背板。
    由於上述研究多著重於模組材料開發與製作技術，所以大多耗時且製作複雜。
    本發明提供一種增強光捕捉之太陽光電模組，能藉由控制太陽電池的間隙，達到提升模組發電功率的效果。
    本發明另提供一種增強光捕捉之太陽光電模組，能藉由控制太陽電池的外圍間隙面積與太陽電池面積的比率，達到提升模組發電功率的效果。
    本發明提出一種增強光捕捉之太陽光電模組，包括串接的複數個太陽電池。這種太陽光電模組的特徵在於令垂直於太陽電池的串接方向為x方向，則太陽電池在x方向之間隙的範圍為4mm~6mm之間。
    在本發明之一實施例中，當平行於太陽電池的串接方向被設為y方向，則太陽電池在y方向之間隙的範圍大於或等於2mm。
    本發明另提出一種增強光捕捉之太陽光電模組，包括數個太陽電池。這種太陽光電模組的特徵在於單一太陽電池的外圍間隙面積與單一太陽電池之面積之比率在0.058~0.125之間。
    在本發明之實施例中，所述太陽光電模組包括不透光型模組、透光型模組或背接觸模組。
    在本發明之實施例中，所述太陽光電模組包括至少由一表面層、上述太陽電池、以及一背面層依序所構成的一疊層結構。其中一封裝材料包附著該些太陽電池而分別與該表面層及該背面層相連接。
    在本發明之實施例中，所述表面層的材料包括玻璃、乙烯四氟乙烯共聚物(ethylene-tetrafluoroethylene，ETFE)、聚氟乙烯(polyvinyl fluoride，PVF)或壓克力。
    在本發明之實施例中，所述表面層或背面層包括壓花(texture)結構。
    在本發明之實施例中，所述背面層包括玻璃、ETFE、聚氟乙烯、壓克力或多層光散射表面之反射封裝背板。
    在本發明之實施例中，所述太陽電池與背面層的距離約為0mm~6.4mm。
    在本發明之實施例中，所述封裝材料係選用一種或數種的結構疊層組成，其結構包括：乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、ETFE或矽樹脂(SILICONE)。
    基於上述，本發明利用模組系統之光線追跡方法，設計太陽電池之間隙範圍，使導光設計滿足全反射路徑而達到光補捉目的，同時具備製作容易與提升模組發電功率的效果。
    為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
    以下實施例僅是用來更詳細地描述本發明之應用，並附圖來作說明。然而，本發明還可採用多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於下列所述之實施例。在圖式中，為明確起見可能將各層的尺寸及相對尺寸作誇飾，而未按尺寸比例繪製。
    圖1是依照本發明之第一實施例之一種太陽光電模組的上視示意圖。圖2是圖1之II-II線段之剖面示意圖。
    請先參照圖1，第一實施例的太陽光電模組100中有數個串接的太陽電池102，當垂直於太陽電池102的串接方向設為x方向時，則太陽電池102在x方向之間隙d1的範圍須在4mm~6mm之間。另外，當平行於太陽電池102的串接方向設為y方向，則太陽電池102在y方向之間隙d2的範圍例如大於或等於2mm，但本發明並不限於此。
    然後，請參照圖2，第一實施例的太陽光電模組100例如是至少由一表面層200、串接的太陽電池102與背面層204依序所構成的疊層結構，其中封裝材料202包覆著串接的太陽電池102而分別與表面層200及背面層204相連接。當背面層204是背板(backsheet)材料時，太陽光電模組100為不透光型模組；當背面層204是玻璃之類的透光材料時，太陽光電模組100為透光型模組。此外，太陽光電模組100還可以是背接觸模組。表面層200是透光材料，如玻璃、ETFE、聚氟乙烯(PVF)或壓克力，並可以表面為增加光散射的結構，但本發明不限於此。在本實施例中，太陽電池102與背面層204的距離H約在0mm~6.4mm之間，但本發明不限於此。
    表面層200的材料例如玻璃、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)或壓克力。表面層200也可具有壓花(texture)結構。
    背面層204的材料例如玻璃、ETFE、聚氟乙烯(PVF)、壓克力或多層光散射表面之反射封裝背板(如結構為PVDF/PET/PVDF、PA/PA/PA、PVF/PET/PVF、F/PET/PA、PVF/PET/EVA等)。以增強光補捉的觀點來看，因為多層光散射表面具有優異的零深度聚光效應(zero-depth concentrator effect)，所以這類材料較適合當作背面層204，其光學效應如圖2中的光206在進入太陽光電模組100後會從背面層204反射並被捕捉至太陽電池102。而背面層204也可具有壓花結構，可提供作為光散射表面。
    至於封裝材料202則可自乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、ETFE以及矽樹脂(SILICONE)等材料中選用一種或數種的結構疊層組成。
    圖3是依照本發明之第二實施例之一種太陽光電模組的上視示意圖。在圖3中，太陽光電模組300包括數個太陽電池302，並且為清楚顯示其特徵而在圖中省略其他構件。本實施例的太陽光電模組300是藉由控制太陽電池302及其外圍間隙之面積比率來增強光捕捉。詳細而言就是單一太陽電池302的外圍間隙面積(顯示於圖3的點狀區域)304與單一太陽電池302之面積的比率在0.058~0.125之間。至於太陽光電模組300的其他構件可參照第一實施例之圖2，如表面層、封裝材料、背面層等。
    以下列舉幾個實驗結果來驗證上述實施例的效果。
    實驗一
    準備5種不同的反射背面層材料，具有多層光散射表面的材料與結構，包括A：Krempel AKASOL PVL 1000V(結構為PVDF/PET/PVDF)、B：Isovolta 3554(結構為PA/PA/PA)、C：Isovolta 2442(結構為PVF/PET/PVF)、D：Isovolta 3572(結構為F/PET/PA)、E：Madico TPE(結構為PVF/PET/EVA)。
    然後，將5種不同的背面層材料與玻璃、EVA以及2×2個太陽電池分別製作五組如圖2所示的太陽光電模組，其包括玻璃(厚度3.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/太陽電池(厚度0.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/背面層(厚度0.2mm)。
    每一組的太陽光電模組具有2mm的y方向之間隙d2與0.4mm的太陽電池與背面層之距離H，但x方向之間隙d1則有2mm、4mm、5mm、6mm與10mm五種不同距離。
    對照實驗一
    將玻璃、EVA以及4個太陽電池製作一組如圖2所示的太陽光電模組，其包括玻璃(厚度3.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/太陽電池(厚度0.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/玻璃(厚度3.2mm)。
    這組太陽光電模組之y方向之間隙d2是2mm與太陽電池與背面層之距離H是0.4mm，x方向之間隙d1則與實驗一同樣有2mm、4mm、5mm、6mm與10mm五種不同距離。
    實驗二
    將背面層選用材料B：Isovolta 3554(結構為PA/PA/PA)與玻璃、EVA以及4個太陽電池製作一組如圖2所示的太陽光電模組，其包括玻璃(厚度3.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/太陽電池(厚度0.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/背面層(厚度0.2mm)。
    這組太陽光電模組具有4mm的x方向之間隙d1、太陽電池與背面層之距離H為0.4mm，但y方向之間隙d2則有2mm、4mm、5mm、6mm與10mm五種不同距離。
    對照實驗二
    除了將背面層換成玻璃，其他構件及x方向之間隙d1、y方向之間隙d2和太陽電池與背面層之距離H值都與實驗二相同。
    實驗三
    將背面層選用材料B：Isovolta 3554(結構為PA/PA/PA)，製作由玻璃(厚度3.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/太陽電池(厚度0.2mm)/EVA(厚度0.4mm)/背面層(厚度0.2mm)構成的太陽光電模組，其中的太陽電池是陣列為6×10排列，使用單晶電池轉換效率18%進行模組封裝。
    這組太陽光電模組之y方向之間隙d2是2mm、太陽電池與背面層之距離H是0.4mm，x方向之間隙d1有2mm、4mm、5mm、6mm與10mm兩種不同距離。
    實驗四
    除了將當作表面層的玻璃換成材料ETFE，背面層材料使用3MTM公司的ScotchshieldTM Films產品，其他構件及x方向之間隙d1、y方向之間隙d2和太陽電池與背面層之距離H值都與對照實驗二相同。
    實驗五
    除了將x方向之間隙d1換成5mm，背面層材料使用材料B：Isovolta 3554(結構為PA/PA/PA)，其他構件及y方向之間隙d2和太陽電池與背面層之距離H值都與對照實驗二相同。
    測試結果一
    以標準測試環境(STC)條件之A class太陽光模擬器(flash simulator)測試實驗一之輸出功率與對照實驗一之輸出功率。比較輸出功率變化基準為：(實驗一之輸出功率-對照實驗一之輸出功率)/對照實驗一之輸出功率，結果顯示於圖4。
    由圖4可知，使用x方向之間隙d1，範圍由4mm~6mm時，可使輸出功率增益提升，最大約+1.95%~+1.78%。
    測試結果二
    以STC條件之A class太陽光模擬器測試實驗二之輸出功率與對照實驗二之輸出功率。比較輸出功率變化基準為：(實驗二之輸出功率-對照實驗二之輸出功率)/對照實驗二之輸出功率，結果顯示於圖5。
    由圖5可知，當y方向之間隙d2範圍大於或等於2mm時，y方向之間隙每增加1mm會使輸出功率損失提高約為+0.17%以上。
    測試結果三
    以STC條件之A class太陽光模擬器測試實驗三之輸出功率，比較傳統習之技術之x方向之間隙d1為2mm與本實施例中設計改良x方向之間隙d1為4mm，分別得到輸出功率為243.77Wp(d1=2mm)與246.63Wp(d1=4mm)，其詳細數據顯示於下表一。
    從表一可計算出電池間隙光捕捉效率可提升模組功率1.01%。
    測試結果四
    以STC條件之A class太陽光模擬器測試實驗四之輸出功率與對照實驗二之輸出功率。比較輸出功率變化基準為：(實驗四之輸出功率-對照實驗二之輸出功率)/對照實驗二之輸出功率，結果顯示於圖6。
    由圖6可知，使用3MTM公司的ScotchshieldTM Films產品做為背面層材料時，當y方向之間隙d2為2mm、太陽電池與背面層之距離H為0.4mm時，x方向之間隙d1在4~6mm的距離皆有良好的功率增益。
    測試結果五
    以STC條件之A class太陽光模擬器測試實驗五之輸出功率與對照實驗二之輸出功率。比較輸出功率變化基準為：(實驗五之輸出功率-對照實驗二之輸出功率)/對照實驗二之輸出功率，結果顯示於圖7。
    由圖7可知，固定x方向之間隙d1為5mm時，當y方向之間隙d2範圍為2mm~10mm時，輸出功率增益皆能提高+1.2%以上。
    實驗六
    使用市售6吋單晶、多晶太陽能模組設計時，6吋單晶電池面積約為239 cm2、6吋多晶電池面積約為243.36 cm2。當x方向之間隙d1=4mm、y方向之間隙d2=2mm時，6吋單晶電池的外圍間隙面積約為23.4cm2、6吋多晶電池的外圍間隙面積約為19.04cm2，電池的外圍間隙面積與電池面積的比率經過計算顯示於下表二。
    同樣使用市售6吋單晶、多晶太陽能模組設計時，如將x方向之間隙d1改為6mm，其餘條件不變，則電池的外圍間隙面積與電池面積的比率經過計算一樣顯示於下表二。
    而用8吋多晶太陽能模組設計時，8吋多晶電池面積約為20.8×20.8 cm2、8吋單晶電池面積約為432.64cm2。當y方向之間隙d2=2mm並改變x方向之間隙d1分別為4mm與6mm之情況下，電池的外圍間隙面積與電池面積的比率經過計算一樣顯示於下表二。
    從表二可知，當x的範圍在4mm~6mm時，應用於現有的6吋太陽電池或者用於目前研究中的8吋太陽電池，都可在「太陽電池的外圍間隙面積」/「太陽電池之面積」=0.058~0.125的範圍內設計太陽光電模組。
    綜上所述，本發明藉由控制太陽電池之間隙範圍，使導光設計滿足全反射路徑而達到光補捉目的，同時可再搭配具備零深度聚光效應之背面層材料，而達到製作容易與提升模組發電功率的效果；另外，若搭配具有結構的表面層，會在表面增加光散射效果，此時，可進一步提升模組發電功率的效果。
    雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
    100、300．．．太陽光電模組
    102、302．．．太陽電池
    200．．．表面層
    202．．．封裝材料
    204．．．背面層
    206．．．光
    304．．．外圍間隙面積
    d1．．．x方向之間隙
    d2．．．y方向之間隙
    H．．．距離
    圖1是依照本發明之第一實施例之一種太陽光電模組的上視示意圖。
    圖2是圖1之II-II線段之剖面示意圖。
    圖3是依照本發明之第二實施例之一種太陽光電模組的上視示意圖。
    圖4是實驗一與對照實驗一之輸出功率增益曲線圖。
    圖5是實驗二與對照實驗二之輸出功率增益曲線圖。
    圖6是實驗四與對照實驗二之輸出功率增益曲線圖。
    圖7是實驗五與對照實驗二之輸出功率增益曲線圖。
    100．．．太陽光電模組
    102．．．太陽電池
    d1．．．x方向之間隙
    d2．．．y方向之間隙
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種增強光捕捉之太陽光電模組，包括串接的複數個太陽電池，該太陽光電模組的特徵在於：令垂直於該些太陽電池的串接方向為x方向，則該些太陽電池在x方向之間隙的範圍為4mm~6mm之間。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中平行於該些太陽電池的串接方向為y方向，則該些太陽電池在y方向之間隙的範圍大於或等於2mm。
    [3] 一種增強光捕捉之太陽光電模組，包括多數個太陽電池，該太陽光電模組的特徵在於：單一太陽電池的外圍間隙面積與單一太陽電池之面積之比率在0.058~0.125之間。
    [4] 如申請專利範圍第1項或第3項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中該太陽光電模組包括不透光型模組、透光型模組或背接觸模組。
    [5] 如申請專利範圍第1項或第3項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中該太陽光電模組包括至少由一表面層、該些太陽電池、以及一背面層依序所構成的一疊層結構，其中一封裝材料包覆著該些太陽電池而分別與該表面層及該背面層相連接。
    [6] 如申請專利範圍第5項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中該表面層的材料包括玻璃、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)或壓克力。
    [7] 如申請專利範圍第5項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中該表面層或該背面層包括壓花(texture)結構。
    [8] 如申請專利範圍第5項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中該背面層的材料包括玻璃、ETFE、聚氟乙烯、壓克力或多層光散射表面之反射封裝背板。
    [9] 如申請專利範圍第5項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中該些太陽電池與該背面層的距離約為0mm~6.4mm。
    [10] 如申請專利範圍第5項所述之增強光捕捉之太陽光電模組，其中該封裝材料係選用一種或數種的結構疊層組成，其結構包括：乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、ETFE或矽樹脂(SILICONE)。
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