针对背接触式光伏面板的用于具有集成封装和介电层的导电背板的连续生产的打孔和固定的复合站和方法

摘要

针对背接触式光伏面板的用于具有集成封装和介电层的导电背板(300)的连续生产的打孔和固定的复合操作站(10)和方法。所述复合操作站是自动的，并且在周期顺序中集成了同时执行的多个加工过程；具体地，所述复合操作站基于多功能圆柱形辊(100)，所述多功能圆柱形辊(100)通过旋转来布置集成封装和介电材料的膜(308)，为了固定在准确位置的目的，对膜(308)进行加热并且压在支承背板的导电层(302)上，所述辊设置有开口(101)，以使得能够采用激光装置(120)从外部进行打孔，并且还能够借助排气扇(130)从内部强制抽吸烟气和残余物。

说明书

本发明涉及针对采用背接触晶体硅电池制成的光伏面板的用于具有 集成封装和介电层的导电背板的连续生产的打孔和固定的复合操作站和 方法。

技术领域

本发明发现在生产光伏面板的工业部门中的特定应用，具体涉及具有 背接触晶体硅电池的现代光伏面板，其也称为第二代光伏面板，以将其与 具有前接触电池和背接触电池的常规面板区分开。具有背接触电池的所述 面板在背部具有多层支承部件，所述多层支承部件还集成了电接触部，并 且通常称为导电型背板。本发明允许以有利的方式生产具有集成封装和介 电层的特定类型的导电背板。

现今，原则上，可以认为由具有背接触式电池的光伏面板的已知解决 方案提供的优点是众所周知的；然而，由于主要与系统的低有效性以及适 合于当前生产标准(特别参照所需要的加工精度、产品质量、系统的自动 化和工业成本)的过程的低有效性有关的许多实现困难，所述面板还不是 非常普遍。

背景技术

为了确定与所提出的解决方案相关的现有技术的目的，进行了常规检 查、搜索公共档案，这使得找到一些现有技术的文献，其中：

D1：WO2012015307(DeJong等人)

D2：EP2139050(Bakker等人)

D3：ITTV2012A000211(Baccini等人)

D4：WO2012058053(Meakin等人)

D1提出了一种具有背接触太阳能电池的模块，其中，由三个层(其 中被插入的绝缘层分离的两个外部导电层被配置成使得依次接触相邻的 电池对)制成的平面元件来进行电传导；这种模块的制造过程最初提供将 电池定位在平的表面上，布置所述多层接触元件以使得串联连接在第一导 电层上的第一对相邻电池，并且因此串联连接至第二导电层上的第二对电 池，并且依次这样进行下去以完成连接，其后通过以下方式提供了两个另 外的外部层：制造整个包装的封装材料，其然后由背刚性层和前透明玻璃 所支承。

D2提出了背接触式面板的如下装配方法：从布置有导电层的传统型 的导电背板开始向上，在导电层上布置导电粘合材料，并且然后叠置被打 孔的下封装层，从而使孔与所述导电材料匹配；然后布置电池、上封装层 和玻璃以之后经受终轧。

D3描述了一种用于装配具有新型结构的背接触式光伏面板的具有较 高的生产质量和较低的工业成本的如下全自动方法：从具有集成封装和介 电层的特定导电背板开始，所述特定导电背板通常称为BCBS，并且单独 制造而被视为购买的部件。所述BCBS是由双层封装材料制成的，所述双 层封装材料具有插入的介电质，所述BCBS被打孔并且精确地布置在接合 至支承背板的导电板上；所述BCBS被水平布置在托盘上，其中导电层向 上并且电池的接触区已经被掩蔽，因此可以在所述BCBS上利用称为逐滴 或点滴(dispensing)型的分配来直接并且自动地布置导电材料(如ECA)， 从而提供用于识别位置的电子控制系统；之后布置电池、上封装层和玻璃， 以然后将经受终轧。

D4提出了用于背接触式面板的下面的方法：在其上已经预先施加有 诸如EVA的一些粘合材料的背板上布置导电条；在导电条上布置介电材 料；在导电条上布置诸如ECA的导电材料，而不指定定位逻辑；布置电 池、上EVA层、玻璃，并且终轧。作为替选方式，在其上已经预先布置 了诸如EVA的一些粘合材料的背板上布置导电条；在导电条上布置介电 材料；在导电条上布置诸如ECA的导电材料，而不指定定位标准；布置 有孔的EVA层，其中，孔与布置EVA的位置对应；布置电池、上EVA 层、玻璃，并且终轧。

总之，认为如下已知是合理的：

-具有背接触式电池和包括电路的支承背板的第二代光伏面板，然后在所 述光伏面板上依次布置：作为绝缘掩模的介电材料的层、导电材料、以接 触部上的孔为中心的下封装层、电池、上封装层、玻璃；

-第二代面板的具体有利的解决方案，所述第二代面板包括称为BCBS的 进化型的导电背板，其集成了介电掩模的功能和下封装层的功能；

-用于自动装配第二代面板的系统和方法，其从已制成的BCBS型的导电 背板开始；

缺点

总之，我们已经观察到所描述的已知的解决方案具有一些缺点或至少 一些限制。

首先，已经发现的是，如今装配过程很少是自动化的并且包括多个人 工操作，错误、再处理和浪费的可能性高，由此质量和可靠性降低，并且 工业和劳动力成本增加；这个问题主要与根据具体面板结构来布置的复杂 且昂贵的自动化系统和方法相关。另外，我们发现了特别是在高生产量的 情况下的装配过程期间在质量控制和常规的产品检查方法方面的限制。

其次，在已知的背接触式面板的装配方法中(例如在D2中)，发现 正确定位有孔的下封装层是特别困难的，下封装层被插入在BC与电池之 间，是柔性的并且为可变形的类型并且难以定位在所述BC上，在导电材 料已经预先施加在BC上的情况下需要高的准确度，以这样的方式来匹配 所述封装层的各个孔。事实上，已知的是该操作意味着所述有孔的封装层 的变形的高的可能性以及孔相对于所述BC偏移的高的可能性，特别是由 于材料的性质和减小的厚度，所以该操作被孔削弱；因此，观察到被制成 接触部的导电材料所污染的高风险，还存在朝向随后叠置的电池的危险的 短路的可能性。另外，我们提示：所述导电材料是预先布置的，并且因此 由于接下来的下封装层的应用而经受溢料(flashes)或偏移。

第三，已经发现的是，在背接触式面板的已知的装配方法中(例如在 D3中)，并且特别是参照具有集成封装和介电层的导电背板(还被缩写称 为BCBS)的有利的解决方案，用于制造所述导电背板的优化的自动化系 统和方法是未知的。更普遍的是，市场上没有具有竞争性价格的BC，并 且就加工时间和成本而言，没有使得能够以方便且有利的方式来在工业上 装配具有高质量标准和高生产量的背接触电池的导电背板的系统。

第四，还发现的是，在已知的技术中通过丝网印刷直接在BC的金属 导电层上施加绝缘介电掩模的惯例是采用导电背板来构建面板的限制。事 实上，这种惯例意味着长的加工时间和高的复杂度，这是因为至少需要三 个操作阶段，即，丝网印刷、硬化或固化以及洗涤，具有低的工艺参数的 容差；另外，为此，通常使用典型地在电子行业中所使用的而且非常昂贵 的在外部(即在光伏面板的正常操作条件下)是不耐久的介电材料。

另外参照背接触式面板的已知的装配方法(例如在D1、D2和D4中)， 具体发现的是，为了获得包括介电掩模、封装层和导电材料的BC的目的， 需要大量的操作和通道，这是因为需要高的准确度、高的可重复性、高的 控制性和高的可靠性。

因此，本行业的企业有必要找到相对于现有解决方案更有效的解决方 案；本发明的目的还在于解决所描述的缺点。

发明内容

通过根据如所附权利要求的特征的本发明实现该目标和其他目标，借 助于针对背接触式光伏面板的用于具有集成封装和介电层的导电背板的 连续生产的打孔和固定的复合操作站和方法来解决出现的问题。所述复合 操作站是自动化型的并且在周期顺序中集成了同时进行的多个加工过程； 特别地，所述复合操作站基于多功能圆柱形辊，所述多功能圆柱形辊通过 旋转来展开集成封装和介电材料的膜，对膜进行加热并将膜压在支承背板 的导电层上，以便将膜固定在准确位置，所述辊设置有开口，以使得能够 采用激光装置从外部进行打孔，并且还能够借助排气扇从内部强制抽吸烟 气和残余物。

目的

以这种方式通过大量创造性贡献，其效果已能够达到相当大的技术进 步，实现了解决上述的主要问题的一些目标和优点。

本发明的第一目的是使得能够如上所述以工业有利的方式生产用于 背接触式光伏面板的具有BCBS型的集成封装和介电层的导电背板。特别 地，本发明提出了在周期顺序中同时执行连续生产过程的主要功能(即， 对集成封装和介电层进行打孔以及在导电背板上的正确位置处进行有关 固定)的复合且自动操作站。所述复合操作站允许获得具有低成本、高性 能和长寿命的所述背板；特别地，与常规解决方案相比，本发明提高了可 重复性并且增加了最终产品的质量标准。

本发明的第二目的是实现高的生产能力，还节省被系统占据的空间以 及相关的投资，从而在工业上是有利的。

第三目的是消除与人工操作有关的故障。

第四目的是提供由激光系统带来的打孔的灵活性，从而允许可对将在 封装和介电多层上制成的孔的配置进行调整，以用于接下来的对应于接触 部在导电背板上进行固定的目的。

第五目的是能够去除在导电背板上形成绝缘层的常规丝网印刷，以显 著节省时间和成本。此外，可以采用如上所述的更现代并且更便宜的解决 方案来取代现今在背接触式背板中使用的常规绝缘解决方案，所述更现代 并且更便宜的解决方案具有恒定并且稳定的结构，并且具有组合绝缘和封 装功能，从而具有更长的寿命。作为上述的多层解决方案的替选方案，采 用集成封装和介电层，还可以采用将粘合性和封装行为与介电绝缘功能进 行结合的等同单层解决方案，这归功于可以以相同方式处理并且具有等同 目的的适合的充电聚合物膜。

根据一些优选实施方式的以下详细描述，在所附的示意性附图的帮助 下，这些优点以及其他优点将显现，所附的示意性附图的执行细节不视为 是限制性的，而仅是说明性的。

附图说明

图1a示出了根据例如D3中的已知技术的被称为BCBS型的具有集成封 装和介电层的导电背板的示意性截面图。

图1b示出了根据例如D3中的已知技术的包括如图1a中的BCBS型的所 述背板的光伏面板的最终组合物的示意性截面图。

图2示出了由本发明提供的用于具有集成封装和介电层的导电背板的连 续生产的打孔和固定的复合式操作站的示意性截面图。

具体实施方式

本发明描述了旨在用于装配背接触式光伏面板的对具有集成封装和 介电层的导电背板的生产周期进行集中和优化的复合站和方法。更具体 地，提供有复合型的站(10)，其是自动化的并且为了同时制造的目的对 在周期顺序中执行的多个操作进行集成，其具有高的可重复性和低的成 本，提供有特定类型的导电背板(300)，其具有集成封装和介电层，所述 导电背板(300)通常被为称为BCBS，参见现有技术表(图1a)；所述导 电背板旨在用于构建具有背接触结构的光伏面板(330)，参见现有技术表 (图1b)。发现的是，所述导电背板为在ITTV2012A000211(Baccini等 人)中所描述的类型，并且进而包括被称为堆叠体(308)(其优选地为多 层)的半成品元件，其为在ITVI2012A000133(Baccini等人)中所描述 的类型。

因此，作为半成品的所述BCBS导电背板具有复合式结构，以及集 成了具有多元化的特定功能的多个叠置的层的紧凑元件。所述BCBS导电 背板至少包括：用作支承件的绝缘介电背层(301)，进而通常由至少两个 层构成，最外面的层保持暴露在空气中，并且因此被处理成对水解和紫外 线有更大的耐受性；根据要被串联连接的背接触式电池(320)的背接触 部，合适地成形的并且配置有开口(303)的金属导电层(302)；复合式 多层元件，其通常被称为堆叠体(308)，并且有与所述电池(320)的背 接触部对应的孔(309)。所述堆叠体由与所述BC接触的第一封装或热粘 合层(305)以及与布置在上部的电池(320)接触的第二封装或热粘合层 (307)构成，插入在第一封装或热粘合层(305)与第二封装或热粘合层 (307)之间的内层介电材料(306)用作选择性绝缘掩模，参见现有技术 表(图1a至图1b)。为了使得与背接线盒进行电接触，可以在所述BC(304) 上制成通孔(310)；此外，为了促进对应于所述孔的所述接触的目的，可 以可选地集成导电界面元件，其也在作为非穷尽示例的ITTV20130059 (Baccini等人)或ITTV20130060(Baccini等人)中进行了描述。

此外，参见现有技术表(图1a至图1b)，发现的是，构成所述堆叠 体(308)的集成封装和介电层具有填充所有的间隙并且焊接至上封装层 (322)的下封装层(305和307)的结合功能，因而对用所述电池(320) 制成的电路提供完全的密封和保护，以对抗任何有害的大气因素，例如水 分、凝结物或灰尘；另一方面，插入封装层的介电层(306)具有选择性 焊接掩模的功能，也就是说，其防止在炉中在结构的轧制阶段期间对包含 在光伏模块中的导电粘合层和封装层进行加热和聚合期间可能发生的任 何可能的短路。因此，就在背接触式光伏面板(330)的装配中的生产简 便性、可重复性和节省时间而言，所述BCBS(300)是特别有利的。

因此，参见现有技术表(图1a至图1b)，包括所述BCBS(300)的 具有背接触结构的光伏面板(330)的装配结构相对于构成的面板的常规 解决方案被简化成：从背侧(311)开始依次为：被称为BCBS的具有集 成封装和介电层的导电背板(300)；背接触式光伏电池(320)；例如被称 为ECA型的导电粘合层(321)；前封装层(322)；前玻璃(323)。支承 所述BCBS(300)的背层(301)可以进而根据已知技术为复合式，其由 具有多样化功能的专注于保护其免受大气因素(例如水分和紫外线)危害 的各种常规聚合物和粘合层制成。作为一个非排他性的示例，我们想到由 抗紫外线的PET层、蒸汽阻挡部、支承BS层和EVA的底涂层构成的多 层式的实施方式；此外，我们还想到由防腐型的层保护的金属导电层的实 施方式。

因此，在下文中下列术语和缩写具有以下所指出的含义：

BC：是用于背接触式电池的导电背板(conductivebacksheet)的缩写， 其为集成有实现布置在其上的太阳能电池的串联电连接的电路的背板；

BCBS：是具有集成封装和介电层的特定的导电背板，采用半成品复合和 多功能元件的形式，如上所述，其在工业上简化了对具有背接触结构的面 板的装配；

背接触：定义为具有包括正电极性和负电极性两者的接触部的背接触光伏 电池被布置在背部处，因此包括这种电池和导电型背板的面板也被定义为 背接触面板；

堆叠体：成膜的多层半成品元件，其由具有插入的介电层的EVA型或聚 烯烃的两个封装层构成，如由本发明提供的，堆叠体的是有孔的。

为了本发明的目的，作为一种替选方式，还可以使用将粘合和封装行为与 介电绝缘功能结合起来的单层多功能型的等同解决方式，例如，借助于聚 合物膜特别是充电聚合物膜来执行这样的功能。

所提供的复合站和方法基于旋转型的连续生产逻辑，其在周期顺序中 执行用于形成具有集成封装和介电层的所述导电背板(300)所必需的主 要加工过程，所述加工过程集中在单一操作站中；特别地，这种操作至少 为对所述堆叠体(308)的膜进行打孔并且将其固定到BC(304)上，以 这样的方式使孔(309)精确地对应于在导电层(302)上的电池的接触点， 从而获得具有插入的介电层(还用作绝缘掩模)的封装材料。更详细地(图 2)，所述复合站(10)至少由如下组成：

*一个旋转式耦接装置，所述耦接装置具有多功能圆柱形辊(100)，通过 旋转所述辊(100)在周期顺序中执行如下的多个加工过程：所述辊(100) 布置膜，为了固定在BC上的目的，压所述膜并且对所述膜进行加热，还 能够将对应的对孔进行激光打孔，并且能够强制抽吸剩余的烟气和废物；

*打孔装置，其具有至少一个激光装置(120)，所述至少一个激光装置(120) 与存在于辊(100)上的贯穿对孔(101)对应来对堆叠体膜进行冲孔，并 且可选地对背板之间的膜执行分离切断；

*组合装置(110-2)，用于展开膜卷(324)，所述组合装置(110-2)包括 卷的旋转支承件(110)、中间辊(111)以及附着于多功能辊(100)的反 辊(112)；

*一个外部排气扇型的强制抽吸装置(130)，所述强制抽吸装置(130)还 具有真空，并且具有连接于多功能辊(100)内部的部分；

*水平移动装置，其具有移动支承表面(140)。

堆叠体(308)从卷(110、324)连续展开，并且借助于迫使所述堆 叠体(308)围绕所述多功能辊(100)附着卷绕的反辊(112)而被中间 辊(111)朝向多功能辊(100)传送；所述辊(100)至少具有以下特定 特性：

*所述辊(100)在其圆柱形表面上被打孔，以此具有要在堆叠体自身中制 成的相同的打孔图案；

*所述辊(100)被整体或局部加热，以此来激活热塑性材料的粘合特性， 所述热塑性材料被包含在沿附着的接合点之间的路径的堆叠体的膜(308) 中，所述路径对应于从反辊(112)至BC上的固定点(P)，所述路径随 之附着于所述多功能辊(100)；

*所述辊(100)被压，以此来在固定点(P)处对堆叠体(308)施压，以 抵靠背板(304)的导电层(302)，使得所述背板(304)同时在移动支承 表面(140)上从下面传递；

*所述辊(100)采用不允许堆叠体粘附至其自身的表面处理(例如，涂覆 聚四氟乙烯或具有相同功能的另一处理)来在圆柱形表面上进行涂覆。

*所述辊(100)通过所述排气扇(130-1)从所述辊(100)内部以强制方 式被抽吸，所述排气扇(130-1)抽取并且排出烟气和打孔残余物。

在堆叠体(308)沿如上所述的附着路径(112、P)旋转缠绕在所述 多功能辊(100)周围的同时，激光打孔装置(120)从外部侧面根据计划 的打孔图案来在所述堆叠体(308)的整个宽度上对所述堆叠体(308)进 行冲孔(图2)。堆叠体中由入射激光束(121)制成的每个孔(309)与 存在于多功能辊(100)的圆柱形表面上的孔(101)对应，以此方式，借 助于所述排气扇(130、131)将由堆叠体的升华产生的烟气以及所述打孔 操作的任何可能的残余物被抽吸进所述旋转辊(100)中。

所述激光打孔装置(120)(图2)为具有频率在20KHz的范围内并 且功率在300W至500W的范围内的脉冲的CO₂商用型；借助于移动光 学器件对光束(121)进行定向，并且可获得的打孔速度在约30孔/秒至 50孔/秒的范围内。如果激光束在与多功能辊(100)中制成的下面的孔 (101)对应的区域中冲击堆叠体，为了将在多功能辊的圆柱形表面上要 被打孔的堆叠体(308)的宽度划分成多个部分的目的，可以在连续的顺 序中并联和/或串联地加入多个激光源，因而获得打孔操作的周期时间的 减少。当打孔阶段已经完成时，所述激光装置(120)还可以有利地执行 将堆叠体(308)切割(325)成预设尺寸，以此多功能辊(100)使得精 确尺寸的有孔的堆叠体与在下面的BC(304)的导电表面相匹配。所述 切割阶段将与在下面的背板的行进阶段同步，并且例如自动视觉类型的控 制系统将定位背板的起始边缘和结束边缘，以便执行将堆叠体切割成对于 正确完全覆盖BC所需的尺寸。以相同的方式，多功能辊(100)的旋转 与BC(304)的移动(140、202)同步发生，以此在固定点(P)处堆叠 体(308)与BC(304)具有相同的行进速度。

关于堆叠体的所述切割，还发现的是，相对于在下面的BC(304) 存在等于距离(D)的过量的材料，所述过量的材料使两个连贯的BC在 所述移动系统(140、202)上分离(图2)。尺寸受限的所述过量的材料 对于生产周期未引起问题，并且没有附加的工业成本，这是因为在任何情 况下，在旋转阶段之后，需要削减过量的材料，并且使材料自玻璃的周界 处从模块漏出，所述操作通常被称为削减。

更具体地，关于所述部件的尺寸，本发明提出应遵守如下关系(其中， N为大于或等于1的自然数)：

多功能辊(100)的直径＝[BC(304)的长度(L)+BC之间的距离(D)]/N*π

因此，如上所述进行的本发明允许在旋转型的单一复合式操作站(10) 中同时进行对于BCBS型的导电背板(300)的装配来说所需的主要加工 过程；事实上，为了完成所述背板的生产周期的目的，在所述复合站(10) 的上游布置所述BC(304)的装载站是足够的，所述装载站为在先获得 的购买部件，所述站为常规类型，并且目的在于对具有面向上的导电层 (302)的BC进行装载。在所述装载站中，所述BC例如取自堆中，并 且彼此相距固定的距离(D)来被布置在移动支承表面(140)(例如传送 带)上，；例如可以使用气动拾取手来自动地执行所述装载，或者可以手 动进行所述装载。可选地，在所述装载之后，还可以提供旨在促进背连接 至背接线盒的导电插入件的布置。因此，在如本发明提供的对BC(304) 上的堆叠体(308)进行打孔和固定之后，在所述复合站(10)的下游设 置如此获得的BCBS的检查和卸载的站是足够的，例如将BCBS堆叠以 有利于移动或贮存。

通过上述的复合操作站(10)和方法，例如借助于在 ITTV2012A000211(Baccini等人)中所述类型的自动化系统和生产过程， 可以根据预定目在工业上获得具有集成封装和介电层的BCBS型的导电 背板(300)，所述导电背板(300)准备好有利地用作开始元件，以用于 具有背接触结构的光伏面板(330)的自动化装配。

参考标记

(10)用于具有集成封装和介电层的导电背板的生产的打孔和固定的复合 站

(100)旋转、加压、加热和吸取型的多功能圆柱形辊

(101)使能够进行打孔和抽吸的贯穿对孔

(110)用于膜卷的旋转支承件

(111)中间辊

(112)反辊

(120)激光装置

(121)激光束

(130)还具有真空的排气扇

(131)排气扇的在辊内的部分

(140)背板和水平移动系统的部分的支承表面

(200)多功能辊的旋转方向

(201)膜展开的旋转方向

(202)背板的行进方向

(300)被称为BCBS型的具有集成封装和介电层的导电背板

(301)支承和保护背板

(302)金属导电层

(303)根据将电连接随后叠置的电池的特定电路来配置导电层的开口

(304)导电背板

(305)第一封装或热粘合层

(306)插入在封装层中的介电材料的层

(307)第二封装或热粘合层

(308)膜中的集成封装和介电材料

(309)与电池的背接触部对应的孔

(310)用于接触背接线盒的通孔

(311)置于阴影(shade)的背侧

(320)背接触式光伏电池

(321)电池接触元件

(322)前封装层

(323)玻璃

(324)集成封装和介电材料的膜的卷

(325)分离切割

(330)具有背接触结构的光伏面板，其包括被称为BCBS型的具有集成 封装和介电层的导电背板

(D)背板之间的距离

(L)背板的长度

(N)大于或等于1的自然数

(P)通过压力和加热固定的点