專利名稱：具有光學(xué)聚能器的光伏疊層底板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏疊層底板組件。
背景技術(shù)：
通過光伏(PV)電池供電正變得越來越流行，因為該技術(shù)的成本已經(jīng)降低，且出于環(huán)境和策略的原因，對于其它電源的依賴越來越不受歡迎。然而，難以提供成本有效的PV模塊，因為PV模塊的成本由PV電池的成本主導(dǎo)。
光伏電池是指將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的電池。所產(chǎn)生的電為直流電，其可以用作直流電，可以使用轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成交流電，或者存儲在電池中供日后使用。從概念上說，形式上最簡單的光伏器件為僅消耗光的太陽能電池。由于陽光隨處可得，光伏器件與傳統(tǒng)電源相比有諸多優(yōu)點。光伏系統(tǒng)為分布式電源系統(tǒng)，使得可調(diào)控其電力輸出以用于任何實際用途。此外，光伏系統(tǒng)中允許容易地實現(xiàn)漸增的電力增加，而不像諸如化石或核燃料的傳統(tǒng)方法那樣，要求幾兆瓦的電站必須經(jīng)濟可行。
盡管光伏電池具有各種形式，最常見的結(jié)構(gòu)為其中形成了大面積的二極管或者p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料。就基本功能而言，通過典型地位于前端的接觸結(jié)構(gòu)和位于背部的接觸而從器件中抽取電流，所述接觸結(jié)構(gòu)允許陽光進入太陽能電池，而位于背部的接觸則使電路完整。
PV電池的成本占PV模塊成本高達(dá)約80％。降低PV電池的成本是使PV模塊經(jīng)濟可行的一個可選方法。降低模塊成本的最直接途徑是降低PV模塊中使用的硅的覆蓋面積(footprint)或者數(shù)量，而不減小PV模塊的功率密度。
提高PV電池的效率也可有效降低每瓦特的成本，但要使PV電池經(jīng)濟可行，成本降低的幅度無需到達(dá)25％或者更高。在受控條件下的實驗室測試中，使用低水平的光濃度(即，＜3X)可使硅覆蓋面積的降幅多達(dá)40％，而效率只降低約20％。在模塊中使用集中的太陽光的方法并不新奇，已有多家公司著手該方法。光濃度的下降成為如此實施的附加成本，降低了硅覆蓋面積減小的有效成本收益。此外，剩下的太陽能電池覆蓋面積工作于更高的溫度，由于效率損失而進一步降低了收益。

發(fā)明內(nèi)容
在示例實施例中，光伏(PV)疊層底板組件包含絕緣襯底和第一表面結(jié)合到該絕緣襯底上的金屬箔片，且該箔片的與第一表面相對的第二表面上電接收地安裝太陽能電池。該金屬箔片包含安置于金屬箔片第二表面的暴露區(qū)域上的光聚能器，且該光聚能器被構(gòu)造成將其表面上的入射光反射到太陽能電池以將太陽能電池上光的濃度增大約1.5X到約4X。
在另一個示例性實施例中，太陽能電池疊層組件包含分別具有第一側(cè)和第二側(cè)的多個太陽能電池，該多個太陽能電池中的每一個被構(gòu)造成當(dāng)在至少第一側(cè)上接收到光子時產(chǎn)生電流，且密封劑被可操作地耦合到該多個太陽能電池中每一個的第一側(cè)。絕緣襯底被可操作地耦合到該多個太陽能電池中每一個的第二側(cè)。金屬箔片的第一表面結(jié)合到該絕緣襯底上，且與第一表面相對的第二表面上電接收地安裝太陽能電池。該金屬箔片包含安置于該金屬箔片第二表面的暴露區(qū)域上的光聚能器，且該光聚能器被構(gòu)造成將其表面上的入射光反射到太陽能電池以將太陽能電池上光的濃度增加約1.5X到約4X。
閱讀下述附圖及詳細(xì)描述之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會明白根據(jù)這些實施例的其它系統(tǒng)與/或方法。這些附加系統(tǒng)和方法完全落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)，其受所附權(quán)利要求保護。


圖1闡述了現(xiàn)有PV模塊的制造過程；圖2闡述了根據(jù)一示例實施例的、相互可操作地耦合的兩個太陽能電池組件的截面圖；圖3為圖1的金屬箔的俯視圖，其詳述了根據(jù)一示例實施例的太陽能電池和置于組件邊緣上的電學(xué)總線之間的電學(xué)互連圖案；圖4為根據(jù)一示例實施例的取出的圖2的硅晶片的底部透視圖，闡述了置于其底面上的、用于與互連圖案的相應(yīng)接觸相連的電學(xué)接觸；圖5為根據(jù)另一個示例實施例的一太陽能電池疊層組件的截面視圖，該組件具有置于柔性聚合物襯底上、用于將其上的入射光反射到相鄰的太陽能電池的光學(xué)聚能器。
具體實施例方式
參考圖1，闡述了光伏模塊的傳統(tǒng)制造工藝。在PV行業(yè)中該工藝變化甚小，并且在過去的15-20年內(nèi)基本上保持不變。在步驟1，使用接頭(tabbing)結(jié)構(gòu)將單個太陽能電池2(與本技術(shù)無關(guān))電學(xué)互連成串聯(lián)串4。手動或者使用自動的接頭機或串接(stringing)機將焊料片(solder tab)(未示出)涂敷于單個電池2。串4為PV疊層的構(gòu)件塊。步驟1的串接工藝涉及對電池2的物理處理，這經(jīng)常會導(dǎo)致電池?fù)p壞，需要手動修補。這些串通常被手動移到層疊臺(layup station)上，多個串在該臺上被排列到頂部玻璃上(見步驟4)，該頂部玻璃被將在步驟2中用作密封層的塑料片(未示出)覆蓋。這通常為手動操作，當(dāng)然部分商家已經(jīng)實現(xiàn)層疊工藝這一部分的自動化。串4的互連為手動操作，需要使用帶子用于電隔離，并需要焊接于適當(dāng)位置的附加銅接頭。在步驟4層疊組件之前，應(yīng)用聚合物背板8?？稍诓襟E3測試該疊層以檢驗連接。部分商家在步驟3增加特殊的測試以識別損壞的電池。應(yīng)該注意，在步驟3仍然可以進行修補。該組件隨后在步驟4使用真空疊層工藝密封，形成傳統(tǒng)的PV疊層10。存在限制上述工藝的生產(chǎn)能力并增加其成本的多個瓶頸。毫無疑問地，串的手動層疊以及需要修補損壞的串限制了產(chǎn)生能力并增加了成本。最后的疊層步驟也制約了生產(chǎn)能力。
現(xiàn)在參考圖2，根據(jù)一個示例實施例，兩個太陽能電池疊層組件16和18被可操作地相互耦合，每一個的制作都不是將任何單獨的電池串接在一起。每個太陽能電池疊層組件16和18包括底板組件20，該底板組件具有安裝在其上并用密封劑24密封的多個太陽能電池組件或者硅晶片22。在密封劑24上設(shè)有玻璃襯底26以允許陽光穿過，這里通常用光子射線28表示陽光。當(dāng)每個硅晶片22的暴露表面或第一側(cè)面30接收到穿過玻璃/密封劑界面的光子28時，硅晶片22在相對的第二側(cè)面32上產(chǎn)生電流，這在本領(lǐng)域中是公知的。
多個太陽能電池22通過底板組件20電學(xué)耦合在一起。太陽能電池組件的數(shù)目并不受限，其數(shù)目和結(jié)構(gòu)將決于預(yù)計的用途。出于示例的目的，闡述了太陽能電池組件22。各種太陽能電池組件的設(shè)計基本上相同，并以類似的方式相互電學(xué)耦合。
仍然參考圖2，在一示例實施例中，底板組件20包括絕緣襯底40，在硅晶片22和襯底40之間具有金屬箔層42。絕緣襯底40為包括柔性或者剛性聚合物的聚合物襯底。所示的襯底40為剛性塑料，圍繞每個組件16和18被模塑成塑料模框。
金屬箔片42包括銅或鋁，或者組合參考成本、電性能和熱性能進行選擇的其它金屬。金屬箔片42被圖形化以匹配硅晶片22和連續(xù)模塊疊層組件16、18之間的互連結(jié)構(gòu)?？梢允褂枚喾N技術(shù)形成金屬箔片42上的互連圖案，包括但不限于例如機械沖壓和電刻蝕。根據(jù)其將承載的最大電流，選擇金屬箔片厚度。預(yù)期箔片42的厚度為約0.5mil至約5mil。前述尺寸僅作為示例提供，并非旨在限制本發(fā)明的范圍。
金屬箔片42結(jié)合到絕緣襯底40。使用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂或者焊料(未示出)將太陽能電池或硅晶片22置于金屬箔片42上。箔片42提供了電池22之間電阻非常低的互連。此外，對于將太陽能轉(zhuǎn)換為電能時由電池22產(chǎn)生的熱或者是疊層組件16、18所吸收的太陽輻射產(chǎn)生的熱，箔片42有效地作為散熱片。
現(xiàn)在參考圖3，金屬箔片42被圖形化以分割電池22的電互連，使得可按許多方式對電池22分組以提供合適的電流和電壓。圖2示出了串聯(lián)連接的多個電池22以及說明了這種串聯(lián)串44中的互連圖案46的多個晶片位置45。每個串聯(lián)串44可包含可將失效的串44旁路的二極管48。
圖4闡述了圖2的串聯(lián)串44中晶片22的背側(cè)或第二側(cè)32。如圖3和4所示，來自該部分的電流是從位于串聯(lián)串44中每個電池22第二側(cè)32上的相應(yīng)焊盤47傳輸而來的，并且在對應(yīng)于疊層邊緣的金屬箔片42的邊緣連接器50處被組合。圖3還示出了可以用于旁路失效部分的二極管48是如何安裝到箔片42上的。
本領(lǐng)域中公知的是，當(dāng)陣列中的所有電池22受到照射時，每個電池將被正向偏置并流過正向電流。然而，如果一個或者多個電池受阻礙物等遮擋(即未受到照射)時，受遮擋的一個或多個電池將由于未被遮擋的電池所產(chǎn)生的電壓而變成反向偏置。電池的反向偏置會導(dǎo)致電池性能的永久退化，甚至電池的完全失效。為了防止該損壞，按照慣例地設(shè)有保護旁路二極管。一個旁路二極管48可跨接幾個電池，或者為了提高可靠性，每個電池22可具有其自己的旁路二極管48。
再次參考圖2，由電池22的光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的或者由疊層組件16、18內(nèi)部吸收的太陽輻射產(chǎn)生的熱也被引導(dǎo)到疊層的邊緣連接器50，熱量在此處通過圖2中大致由52所示的輻射或?qū)α鞫纳ⅰ?br> 圖2示出了一種可能的實施例，其中各個疊層組件16和18的相鄰邊緣連接器50可操作地相互連接以提供其間的電互連，并且在定義各個組件16、18的各個邊緣處提供熱沉。可以想到邊緣連接器50可以通過相應(yīng)的扣合功能件(snap-fit feature)(未示出)可操作地連接。
金屬箔片42也作為低水平的太陽能聚能器的集成元件。在太陽能電池22并未安裝在箔片42上的區(qū)域54，進入疊層組件16和18的光線將被反射到相鄰的太陽能電池22。按照這種方式，區(qū)域54充當(dāng)光線的反射器54。在示例實施例中，區(qū)域54上光線反射的角度受到控制，使得當(dāng)反射光線到達(dá)疊層的頂部界面56或者玻璃襯底26的底面時，反射光線返回到其余太陽能電池22的表面30，導(dǎo)致光強度的聚集或者增強，大致如圖1中的57所示。每個電池22的表面30上光增強增大約1.5倍(1.5X)到約4倍(4X)，取決于太陽能電池22的排列和反射器的設(shè)計。
可以使用多種技術(shù)調(diào)整與/或控制與區(qū)域54相對應(yīng)的金屬箔片42的表面58上光反射的性質(zhì)?？梢允褂每涛g或者機械復(fù)制方法圖形化表面58。例如，箔片42的表面58圖形化成鋸齒圖案，大致如圖2中的60所示。該鋸齒圖案60包括定義各個鋸齒的角形側(cè)，以將光線反射到界面56，從而進一步反射到電池22的表面30上。通過在表面58上設(shè)置反射涂層66(見圖5)可進一步增強金屬箔片42的反射。也可考慮刻蝕或圖形化與界面56相對應(yīng)的玻璃襯底26的表面，以確保表面30上的反射捕獲盡可能多的光線，而不是通過玻璃逃逸。按照這種方式，通過優(yōu)化界面56處的光散射而優(yōu)化全內(nèi)反射。界面56處的圖形化玻璃26也會改善與塑料密封劑24的粘合。
此外，可以想到，例如箔片42的表面58可以刻蝕成包括線光柵以增加表面30上的反射光線，或者可以含有包括玻璃26的界面56的各種幾何節(jié)距以獲得所需的返回到每個電池22表面30上的反射。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，除了圖2所示的均勻鋸齒節(jié)距之外也可考慮隨機節(jié)距。
圖5示出了疊層組件100的備選實施例，其包括直接置于金屬箔片42上的涂層66。例如，涂層66可以是通過在金屬箔片42上印刷反射“墨水”而形成的反射的“墨水”66。圖5示出了墨水66的一個示例，該墨水為光學(xué)透明粘接劑內(nèi)非常細(xì)小的玻璃球68的膠狀懸浮體。當(dāng)該墨水66(例如小玻璃球68)被印刷到金屬箔片42上時，其結(jié)果是調(diào)整光線如何從表面158被反射。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)計該墨水66(例如球68的適當(dāng)尺寸和分布)，則相對于用光子28表示的入射光，光線將以某些角度分布被反射。
仍然參考圖5，可以用由Dupont公司制造的標(biāo)有“KAPTON H”商標(biāo)或者“KAPTON E”商標(biāo)的不導(dǎo)熱聚酰亞胺構(gòu)造柔性襯底40。由于KAPTON產(chǎn)品為不導(dǎo)熱的聚酰亞胺，本發(fā)明人在此已經(jīng)意識到，可以通過KAPTON層40設(shè)置熱輻射層，以從太陽能電池陣列背面輻射太陽能電池22中以及太陽能電池陣列中其它太陽能電池中產(chǎn)生的過量熱量。然而，將會認(rèn)識到，可以采用其它適合的材料以達(dá)到預(yù)期的最終目的。在圖5所示的另一個示例實施例中，柔性襯底40可包括穿過該襯底的金屬化孔70，從而允許太陽能電池22以及該太陽能電池陣列中其它太陽能電池中產(chǎn)生的過量熱量從該太陽能電池陣列的背面輻射出去，大致如圖中72所示。更為具體地，孔70可以填充與金屬箔片42熱交換的銅，金屬箔片42又與各個電池22熱交換。
這里所描述的太陽能電池組件以及控制該太陽能電池組件的溫度的方法與已知的太陽能電池組件及方法相比具有顯著的優(yōu)點。特別地，該太陽能電池組件設(shè)計成使用單個金屬箔片層將來自該太陽能電池組件的熱能從組件的背面輻射到組件的邊緣。因此，該太陽能電池組件的工作溫度可以維持在最佳工作溫度范圍內(nèi)，從而避免了由于工作于較高溫度而引起的效率損失。
在可供選擇的實施例中，可由下述材料中的一種或多種的薄膜構(gòu)成襯底40(i)聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、(ii)聚丙烯酸酯、(iii)聚碳酸脂、(iv)硅樹脂、(v)環(huán)氧樹脂、(vi)硅樹脂功能化環(huán)氧樹脂、(vii)聚酯，諸如標(biāo)有“MYLAR”商標(biāo)的由E.I.du Pont de Nemours &Co.制造的聚酯、(viii)標(biāo)有“APICAL AV”商標(biāo)的由KanegafugiChemical Industry Company制造的材料、(ix)標(biāo)有“UPILEX”商標(biāo)的由UBE Industries，Ltd制造的材料、(x)由Sumitomo制造的聚砜醚“PES”、以及(xi)標(biāo)有“ULTEM”商標(biāo)的由General Electric公司生產(chǎn)的聚醚酰亞胺。
上述公開內(nèi)容指出了允許PV疊層的單個部件用作電導(dǎo)體、熱導(dǎo)體和光學(xué)反射器的技術(shù)方法。這不同于向疊層添加新的部件(例如附加的材料層)以提供光學(xué)反射的其它方法。已經(jīng)描述了兩種特殊的方法，其一是基于可實現(xiàn)所有三個功能的單個金屬箔片42以及可以用于調(diào)整諸如電學(xué)柔性襯底的襯底的光學(xué)性能的墨水66，其中該襯底已經(jīng)支撐太陽能電池的鍵合及互連。圖2至5中所述的特定結(jié)構(gòu)作為示例，本發(fā)明并不限于各圖中所述的特定結(jié)構(gòu)。
光學(xué)聚能器允許從模塊疊層清除掉硅的一部分，裸露的區(qū)域?qū)⑵鹬允芸氐姆绞綄⒐饩€重新引導(dǎo)回到密封劑/玻璃界面56的作用，使得額外的(聚集的)光線落在其余太陽能電池22上。因此，光學(xué)聚能器可大幅降低模塊的成本成本的變化＝硅的原始成本×％硅的減少×(能量因子)×(成本增加因子)。注意，能量因子將小于1，但在理想情況下應(yīng)該很接近1，然而成本增加因子可能大于1，因為以減少的硅制作這種模塊需要更多的成本。最終，由于％硅的減少提供的成本利益超過實施每個模塊的硅覆蓋面積的減少導(dǎo)致的成本增加因子的提高與減小的能量因子(例如約0.8或80％)的結(jié)合，凈成本降低。
使用金屬箔片層的優(yōu)點包括聚集光線的方法，該方法可降低太陽能電池的面積而不影響能量傳輸并顯著降低成本。所公開的另一個優(yōu)點包括電學(xué)、熱學(xué)、和光學(xué)功能集成到單個部件(即金屬箔片)中，該部件作為疊層底板的一部分，從而大幅降低實現(xiàn)成本并簡化疊層組件。
該金屬箔片作為用于安裝可粘接到箔片上的太陽能電池的襯底，該箔片被圖形化以符合太陽能電池設(shè)計的金屬互連/鍵合焊盤排列。使用粘接劑或者焊料可以容易實現(xiàn)金屬與金屬的鍵合。該箔片提供了優(yōu)良的電流擴展和電導(dǎo)率，與典型太陽能電池的金屬化相比具有更低的薄層電阻，并超出了與電子柔性襯底相關(guān)的典型接點接觸或者薄金屬化的電流處理能力。此外，該金屬箔片還作為由太陽能電池直接產(chǎn)生的熱或者作為疊層內(nèi)太陽輻射吸收的副產(chǎn)品產(chǎn)生的熱的良好擴散工具。具有疊層結(jié)構(gòu)的箔片的設(shè)計和集成可使電流和熱被引導(dǎo)到疊層的邊緣，在所述疊層邊緣電流可通過與該疊層集成的電連接體向外傳輸且熱量可以通過輻射或者對流界面擴散到外部環(huán)境。此外，可以多種方式改變箔片的表面(例如使用刻蝕，機械壓印等)，該箔片還可增加涂層從而以特定的方式發(fā)射光線。按照這個方式，未結(jié)合太陽能電池的箔片區(qū)域可以將光線以一定的角度范圍反射返回到疊層的玻璃/密封劑界面。全內(nèi)反射增加且額外的光線被反射返回到太陽能電池，從而提高有效強度，得到濃度為1.5-4X的太陽光線。
盡管本發(fā)明是參考示例實施例進行描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，在不離開本發(fā)明范圍下可對本發(fā)明進行各種等效改變、對其元件進行等效替換。此外，可在不離開本發(fā)明的范圍下對本發(fā)明的示范進行許多改變以適用于特定的場合。因此，本發(fā)明并不限于所公開的用于執(zhí)行本發(fā)明的實施例，本發(fā)明包括所有落入指定權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例。而且，術(shù)語第一、第二等并不表示重要性的級別，相反，術(shù)語第一、第二等是用于元件之間的相互區(qū)別。
部件清單


權(quán)利要求
1.一種光伏(PV)疊層底板組件(20)，包含絕緣襯底(40)；以及金屬箔片(42)，第一表面結(jié)合到所述絕緣襯底(40)，與所述第一表面相對的第二表面上電接收地安裝太陽能電池，所述金屬箔片(42)包含安置于所述金屬箔片(42)的所述第二表面的暴露區(qū)域(54)上的光聚能器，所述光聚能器被構(gòu)造成將其表面上的入射光反射到所述太陽能電池(22)以將所述太陽能電池(22)上光的濃度增加約1.5X到約4X。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述襯底(40)包括聚合物襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其中所述聚合物襯底包含柔性聚合物和剛性聚合物中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中靠近定義所述太陽能電池(22)外圍邊緣的邊緣放置的所述金屬箔片(42)的所述第二表面上的所述暴露區(qū)域(54)被增加了涂層(66)，并經(jīng)機械處理以將光線反射到所述太陽能電池(22)上并增強其上光強度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的組件，其中所述涂層(66)包含反射墨水。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的組件，其中所述墨水包括光學(xué)透明粘合劑內(nèi)玻璃球(68)的膠狀懸浮體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述金屬箔片(42)為銅、鋁、以及基于成本、電學(xué)和熱學(xué)性能考慮而選擇的導(dǎo)電金屬箔片(42)中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的組件，其中所述金屬箔片(42)被圖形化成至少匹配所述太陽能電池(22)和PV疊層模塊(10)的互連結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的組件，其中所述金屬箔片(42)構(gòu)造成提供多個太陽能電池(22)的低電阻互連，同時提供每個電池產(chǎn)生的熱量的散熱片。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的組件，其中所述太陽能電池(22)中至少一個產(chǎn)生的熱量以及所述模塊內(nèi)吸收的太陽輻射通過所述金屬箔片(42)被引導(dǎo)到定義所述模塊的邊緣。
全文摘要
一種光伏(PV)疊層底板組件(20)，包含絕緣襯底(40)和金屬箔片(42)，該金屬箔片(42)的第一表面上結(jié)合到所述絕緣襯底(40)，且與所述第一表面相對的第二表面上電接收地安裝太陽能電池。該金屬箔片(42)包含安置于金屬箔片(42)的第二表面的暴露區(qū)域(54)上的光聚能器，并被構(gòu)造成在將其表面上的入射光反射到所述太陽能電池(22)以將所述太陽能電池(22)上光的濃度增加約1.5X到約4X。
文檔編號H01L31/052GK1761075SQ200510097718
公開日2006年4月19日 申請日期2005年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月24日
發(fā)明者C·S·科爾曼 申請人:通用電氣公司