智能光伏電池和模塊的制作方法
【專利摘要】提供一種帶有電池上電子器件的背接觸太陽能電池。所述背接觸太陽能電池包括半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底具有光捕獲前部以及與光捕獲前部相對(duì)的背部。第一叉指金屬化圖案設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的背部，背板支撐件附著到半導(dǎo)體襯底的背部。第二叉指金屬化圖案設(shè)置在背板上并且連接到第一叉指金屬化圖案。電池上電子元件附著到第二叉指金屬化圖案上，并且以電引線將電池上電子元件連接到第二叉指金屬化圖案。
【專利說明】智能光伏電池和模塊
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求在2011年11月20日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)61/561，928的權(quán)益，以上 專利申請(qǐng)通過引用全文并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明一般涉及太陽能光伏（PV)電池和模塊的領(lǐng)域，具體涉及包含功率電子器 件的電池上（on-cell)電子器件，該功率電子器件用于光伏（PV)太陽能電池和模塊。

【背景技術(shù)】
[0004] 晶體硅光伏（PV)模塊當(dāng)前，截至2012年，約占據(jù)超過85%的全球PV年需求市場 和累積裝機(jī)容量。晶體硅PV的制造工藝是基于晶體硅太陽能電池的使用，并始于單晶硅或 多晶硅晶片?；诜墙Y(jié)晶硅的薄膜PV模塊（例如，碲化鎘，銅銦鎵硒和無定形硅PV模塊） 可以提供低成本制造工藝的可能性，但是相比主流的晶體硅PV模塊（對(duì)于市售的晶體硅PV 模塊，其提供14%至20%以上的典型效率范圍），通常提供對(duì)于市售薄膜PV模塊的更低的 轉(zhuǎn)換效率（在約達(dá)到14%的單位數(shù)范圍內(nèi)），并且對(duì)比完善的晶體硅太陽能PV模塊，其現(xiàn) 場可靠性的長期跟蹤記錄未經(jīng)證實(shí)。在各種光伏技術(shù)中，前沿的晶體硅PV模塊提供最佳的 整體能量轉(zhuǎn)換性能、長期現(xiàn)場可靠性、無毒性和生命周期可持續(xù)性。此外，最近的發(fā)展和進(jìn) 步已帶動(dòng)晶體硅PV模塊的整體制造成本低于0. 80美元/Wp。顛覆性的單晶硅技術(shù)--例 如，基于采用可重復(fù)使用晶體硅模板的高效率超薄單晶硅太陽能電池、?。ɡ?，< 50 μ m) 外延硅、采用背板層壓的薄硅支撐以及多孔硅抬升剝離技術(shù)--提供了高效率保證（至少 為20 %的太陽能電池和/或模塊效率）以及在大規(guī)模生產(chǎn)條件下使光伏組件制造成本低于 0.50 美元/Wp。
[0005] 圖1A示出了典型的太陽能電池，例如晶體硅太陽能電池或者化合物半導(dǎo)體，如砷 化鎵太陽能電池的原理圖。太陽能電池，可以表示為電流源，產(chǎn)生由光生成的電流，如込所 示，或者也稱為短路電流Isc (在太陽能電池端子短路時(shí)流動(dòng)），該太陽能電池與二極管并 聯(lián)，還與分流電阻并聯(lián)，并且與串聯(lián)電阻串聯(lián)。該電流源產(chǎn)生的電流取決于太陽能電池上的 陽光照射功率密度水平。在太陽能電池中，不期望的暗電流I D向著的相反方向流動(dòng)，而 且是由重組損耗產(chǎn)生。當(dāng)太陽能電池的末端打開且沒有連接到任何負(fù)載時(shí)，其電壓被稱為 開路電壓，如Voc所示。實(shí)際可行的太陽能電池等效電路還包括有限的串聯(lián)電阻Rs和有限 的分流電阻R SH，如圖1B的電路原理圖所示。在理想的太陽能電池中，串聯(lián)電阻（R_ies)RsS 零且分流電阻（Rshunt)RSHS無窮大。然而，在實(shí)際可行的太陽能電池中，有限的串聯(lián)電阻是 由于太陽能電池在其半導(dǎo)體和金屬化元件中具有寄生串聯(lián)電阻元件（即是說，其不是理想 的導(dǎo)體）。這些寄生電阻元件包括半導(dǎo)體層電阻和金屬化電阻，因此在太陽能電池工作過程 中產(chǎn)生歐姆損耗和功耗。例如由于面和邊緣分流缺陷以及其它太陽能電池中的非理想因素 的影響，從一個(gè)末端到另一個(gè)末端的非期望電流泄漏引起分流電阻。再次，理想的太陽能電 池具有零串聯(lián)電阻和無窮大電阻值的分流電阻。
[0006] 圖2A也示出了太陽能電池等效電路模塊、電流源、光生成電流和暗電流的原理圖 (沒有示出寄生的串聯(lián)和分流電阻）；圖2B所示為對(duì)電池進(jìn)行或者沒有進(jìn)行陽光照明時(shí)，太 陽能電池例如是晶體硅太陽能電池的典型電流-電壓（IV)特性對(duì)應(yīng)曲線圖。k和I D分別 為太陽能電池的期望的活躍光生成電流和非期望的暗電流。
[0007] 在PV模塊中使用的太陽能電池基本上是光電二極管--它們通過在半導(dǎo)體吸收 體中的由光生成的載流子，直接將到達(dá)它們表面的陽光轉(zhuǎn)換成電能。在帶有多個(gè)太陽能電 池的模塊中，在PV模塊內(nèi)，任何遮蔽的電池不能產(chǎn)生與非遮蔽電池一樣的電功率量。因?yàn)?在典型PV模塊中，所有電池通常以串聯(lián)串的形式連接，在多個(gè)電池之間（遮蔽vs.非遮蔽 電池）不同功率還會(huì)產(chǎn)生不同的由光生成的電流。如果嘗試通過遮蔽的（或者部分遮蔽 的）電池來驅(qū)動(dòng)更大電流的串聯(lián)的非遮蔽電池，遮蔽的電池也串聯(lián)連接非遮蔽的電池，那 么遮蔽的電池（或者部分遮蔽的電池）的電壓實(shí)際上變成負(fù)（即，遮蔽的電池有效地變成 反向偏壓）。在反向偏壓條件下，遮蔽的電池消耗或者顯著散失電能而不是產(chǎn)生電能。由遮 蔽或者部分遮蔽的電池消耗和散失的電能，將會(huì)引起電池發(fā)熱，在遮蔽的電池所在的位置 產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，最終可能引起電池和模塊失效，因此導(dǎo)致現(xiàn)場大部分可靠性失效的問題。
[0008] 標(biāo)準(zhǔn)的（S卩，PV模塊典型地包括60個(gè)太陽能電池）晶體硅PV模塊，通常在模塊中 接成三個(gè)分別含有20個(gè)電池串聯(lián)的串，每個(gè)模塊是由外部的旁路二極管（通常是PN結(jié)二 極管或肖特基二極管）來保護(hù)，旁路二極管設(shè)置在外部接觸盒中，外部連結(jié)盒以互相串聯(lián) 電連接的形式，形成最后的PV模塊組件的電互連件以及串聯(lián)連接模塊的輸出電引線。只要 PV模塊相應(yīng)地接收在其表面上的均勻的太陽能光線，在模塊中的電池將會(huì)產(chǎn)生幾乎相等的 功率量（和電流），且具有電池最大功率電壓或者V mp，而對(duì)于多數(shù)晶體硅PV模塊該電壓值 約為0. 5V至0. 6V。因此，對(duì)于采用晶體硅電池的PV模塊，每個(gè)強(qiáng)勁的20個(gè)電池進(jìn)行串聯(lián) 連接，其最大功率電壓或者Vmp約為10V至12V。在均勻的模塊照明條件下，每個(gè)外部旁路 二極管的末端將具有約-10V至-12V的反向偏壓電壓（當(dāng)模塊運(yùn)作在最大功率點(diǎn)或者M(jìn)PP 時(shí)）并且旁路二極管保持在OFF狀態(tài)（因此，連結(jié)盒中的反向偏壓外部旁路二極管不影響 模塊功率輸出）。在含20個(gè)電池的串中，如果電池串受到部分或者全遮蔽，會(huì)比無遮蔽的 電池產(chǎn)生更少的電能（及更少的電流）。因?yàn)樵陔姵卮械碾姵赝ǔＪ谴?lián)連接的，遮蔽 的太陽能電池變成反向偏壓并且開始散失電能，因此會(huì)在反向偏壓電池的位置產(chǎn)生局部熱 點(diǎn)，而不是產(chǎn)生能量。除非采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，能量散失和引起的遮蔽電池局部發(fā)熱，可 能因?yàn)楦鞣N失效狀態(tài)（例如反向偏壓的遮蔽電池的失效、電池間互相連接的失效和/或模 塊層壓材料例如密封膠和/或背板的失效）導(dǎo)致電池和模塊的可靠性變差，而且在安裝的 PV系統(tǒng)中還存在火災(zāi)隱患。
[0009] 晶體硅模塊通常使用外部旁路二極管，為了排除上述的由電池部分或者全遮蔽引 起的熱點(diǎn)所帶來的影響，并且防止發(fā)生潛在的模塊可靠性失效。遮蔽的電池的反向偏壓導(dǎo) 致的這種熱點(diǎn)現(xiàn)象,可以永久地破壞受到影響的PV電池，如果射到PV模塊中的PV電池表 面的陽光不充分均勻（例如，由于一個(gè)或者多個(gè)電池受到全部或者甚至部分的遮蔽），甚至 會(huì)引起火災(zāi)危險(xiǎn)。旁路二極管通常設(shè)置在PV模塊的子串上，典型地，標(biāo)準(zhǔn)的含60個(gè)電池的 晶體硅太陽能模塊帶有三個(gè)含20個(gè)電池的子串，每個(gè)含20個(gè)太陽能電池的子串設(shè)置有一 個(gè)外部旁路二極管（該配置還可以是，含72個(gè)電池的晶體硅太陽能模塊帶有三個(gè)含24個(gè) 電池的子串，每個(gè)含24個(gè)太陽能電池的子串設(shè)置有一個(gè)外部旁路二極管；對(duì)于含有其它數(shù) 量電池的模塊，也可以由其它配置）。這種在串聯(lián)的電池串上設(shè)有外部旁路二極管的連接配 置，防止反向偏壓熱點(diǎn)，并且在各種現(xiàn)實(shí)的遮蔽或者部分遮蔽和單獨(dú)的條件下，使PV模塊 在壽命期內(nèi)高可靠地工作。當(dāng)沒有電池遮蔽時(shí)，在電池串中，每個(gè)電池以相對(duì)匹配其它強(qiáng)勁 狀態(tài)中的電池的電流值作為電流源，并帶有子串中的外部旁路二極管，其被模塊中的子串 的總電壓偏壓（例如在晶體硅PV系統(tǒng)中，20個(gè)串聯(lián)的電池在旁路二極管上產(chǎn)生約10V至 12V的反向偏壓）。當(dāng)遮蔽強(qiáng)勁狀態(tài)的電池時(shí)，遮蔽的電池被反向偏壓，對(duì)于包含遮蔽的電 池子串，打開旁路二極管，由此使得來自非遮蔽子串中的良好太陽能電池電流流入到外部 旁路電路中。在電池遮蔽的情況中，當(dāng)外部旁路二極管（典型地，在標(biāo)準(zhǔn)的主流含60個(gè)電 池的晶體硅PV模塊連結(jié)盒中包含三個(gè)外部旁路二極管）保護(hù)PV模塊和電池的時(shí)候，對(duì)于 安裝的PV系統(tǒng)，它們實(shí)際上還能夠造成電能采集和能量產(chǎn)出的顯著損失。
[0010] 圖3A和3B所示為60個(gè)電池的晶體硅太陽能模塊帶有三個(gè)串聯(lián)連接的含20個(gè)電 池的子串2 (每個(gè)子串中的20個(gè)電池串聯(lián)連接），并且對(duì)模塊中任意的電池進(jìn)行遮蔽或者過 度部分遮蔽的期間，以三個(gè)外部旁路二極管4來保護(hù)電池（圖3A示出了單個(gè)遮蔽電池，即 受到遮蔽的電池6,圖3B示出了多個(gè)電池的部分遮蔽條件，部分遮蔽的行8)。例如，圖3A 所示為60個(gè)電池的模塊在最下面一行有1個(gè)遮蔽的電池（一組含20個(gè)電池的子串受到遮 蔽的影響），圖3B所示為60個(gè)電池的模塊在最下面一行有6個(gè)部分遮蔽的電池（三個(gè)含 20個(gè)電池的子串受到遮蔽的影響）。在子串中（如圖3A所示），如果一個(gè)或更多的電池被 遮蔽（或者部分遮蔽成顯著的遮蔽角度），對(duì)于帶有遮蔽的電池的子串，那么旁路二極管通 過防止熱點(diǎn)來保護(hù)遮蔽的電池，還減少了約1/3的有效模塊電能輸出（如果三個(gè)中只有一 個(gè)子串受到遮蔽的影響）。當(dāng)三個(gè)含20個(gè)電池的子串中含有至少一個(gè)遮蔽的電池的時(shí)候， 如果每個(gè)子串有至少一個(gè)電池被遮蔽（如圖3B所示），觸發(fā)全部三個(gè)旁路二極管并且對(duì)整 個(gè)模塊分流，因此阻止從模塊提取電能。
[0011] 例如，在60個(gè)電池的晶體硅太陽能模塊中，典型的外部PV模塊連結(jié)盒可以封裝三 個(gè)外部旁路二極管。外部連結(jié)盒和相關(guān)的外部旁路二極管占據(jù)一部分整體PV模塊材料清 單（Β0Μ)成本，可能占據(jù)約10%的PV模塊Β0Μ成本（即是去除太陽能電池成本的PV模塊 Β0Μ成本百分比）。此外，在安裝的PV系統(tǒng)中，外部連結(jié)盒還可能是現(xiàn)場可靠性失效和火災(zāi) 危險(xiǎn)的源頭。而多數(shù)電流晶體硅PV模塊顯著地使用設(shè)置有外部旁路二極管的外部連結(jié)盒， 有一些帶有前觸點(diǎn)電池 PV模塊的例子，前觸點(diǎn)電池直接在PV模塊組件內(nèi)放置和層壓三個(gè) 旁路二極管，但是在模塊的層壓工藝中，與前觸點(diǎn)太陽能電池分離（然而，仍然在每個(gè)含20 個(gè)電池的前觸點(diǎn)電池子串中使用一個(gè)旁路二極管）。該例子仍然對(duì)外部旁路二極管進(jìn)行限 制，即是，盡管在遮蔽單個(gè)電池的時(shí)候，旁路二極管分流復(fù)數(shù)個(gè)電池的整個(gè)子串，該復(fù)數(shù)個(gè) 電池帶有子串中的遮蔽電池，因此減少安裝的PV系統(tǒng)的電能采集和能量產(chǎn)出。
[0012] 一個(gè)公知方法，用于在一列模塊串中將模塊上的由遮蔽引起的可靠性失效影響降 到最低，該方法是在串聯(lián)連接的模塊上使用旁路二極管來實(shí)現(xiàn)，其效果如圖4A和4B所示， 示例的電路如圖5所示。其與每個(gè)模塊連結(jié)盒中的外部旁路二極管模塊的效果相同。圖 4A所示為用于太陽能電池模塊列的非遮蔽的電流路徑，圖4B所示為相同的太陽能電池模 塊列，帶有一個(gè)受到遮蔽的模塊和提供替代電流路徑的旁路二極管。圖5是串聯(lián)的太陽能 電池的電路模型原理圖，太陽能電池帶有用在模塊子串或串中的外部旁路二極管（每個(gè)太 陽能電池以其等效原理圖來表示）。如果沒有電池受到遮蔽，旁路二極管保持反向偏壓狀 態(tài)，并且太陽能電池串正常工作，完全投入太陽能模塊發(fā)電。如果有任意的電池受到部分或 者全遮蔽，遮蔽的電池被反向偏壓并且旁路二極管被正向偏壓，因此使遮蔽的電池出現(xiàn)熱 點(diǎn)或者損壞的可能性降到最低。換句話說，當(dāng)模塊變成遮蔽的時(shí)候，其旁路二極管變成正向 偏壓，引導(dǎo)電流來避免模塊列串中的性能下降和可靠性問題。旁路二極管將整個(gè)遮蔽的模 塊（或者帶有至少一個(gè)遮蔽的電池的子串）的電壓維持在細(xì)微的負(fù)電壓（例如-0.5V至 0. 7V)，以限制模塊串陣列輸出端中的整體電能下降。
[0013] 圖6所示為晶體太陽能電池在帶有和不帶有旁路二極管（此實(shí)例為pn結(jié)旁路二 極管）時(shí)的電流-電壓（I-V)特性曲線圖。旁路二極管將應(yīng)用在遮蔽的太陽能電池上的最 大反向偏壓電壓限制為不大于旁路二極管的導(dǎo)通正向偏壓電壓。
[0014] 圖7所示為晶體硅PV模塊的實(shí)例，其類似于圖4和圖5,在60個(gè)電池的模塊中在 每個(gè)含20個(gè)電池的子串中帶有一個(gè)遮蔽的電池（例如遮蔽的電池10,總共三個(gè)電池被遮 蔽），其中在三個(gè)含20個(gè)電池的子串中的三個(gè)遮蔽的電池，造成由模塊提供的太陽PV電能 的散失，這是因?yàn)榕月范O管將所有的三個(gè)含20個(gè)電池的子串分流以保護(hù)遮蔽的電池。在 每個(gè)含20個(gè)電池的子串設(shè)置一個(gè)外部旁路二極管，使用這種配置時(shí)，當(dāng)三個(gè)含20個(gè)電池的 子串出現(xiàn)三個(gè)遮蔽的電池，盡管只有3/60的模塊（或者60個(gè)電池只有3個(gè)）受到遮蔽的影 響，卻造成從PV模塊提取的電能降至零的結(jié)果。再次，在現(xiàn)場中對(duì)于安裝的PV系統(tǒng)，這種 類型的帶有外部旁路二極管的公知PV模塊配置對(duì)能量產(chǎn)出和電能采集產(chǎn)生顯著的害處。
[0015] 在帶有多個(gè)模塊串晶體硅PV系統(tǒng)裝置中，模塊遮蔽影響和它們對(duì)電能采集和能 量產(chǎn)出的有害影響可以比上面所示的單個(gè)模塊列串的例子要更大。在具有由串聯(lián)連接的模 塊組成的多個(gè)并聯(lián)串的PV系統(tǒng)中，復(fù)數(shù)個(gè)并聯(lián)串必須產(chǎn)生彼此大約相等的電壓（即各個(gè)并 聯(lián)串的電壓必須匹配）。因此，使全部并聯(lián)連接的模塊串工作在大約相同電壓下的電氣約 束，不會(huì)允許遮蔽串觸發(fā)自身的旁路二極管。所以，在許多情形下，遮蔽一個(gè)模塊串中的PV 模塊，實(shí)際上可能減少全部串所產(chǎn)生的電能。作為一個(gè)典型實(shí)例，考慮一個(gè)非遮蔽的PV模 塊串和一個(gè)按照前面的實(shí)例所述的遮蔽的PV模塊串。最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT)功能將會(huì)使 第一個(gè)PV模塊串能夠產(chǎn)生出全部電能，使第二個(gè)PV模塊串產(chǎn)生出全部電能的70%。在這 種方式中，這兩個(gè)模塊串都達(dá)到相同的電壓（對(duì)于串聯(lián)連接模塊的并聯(lián)連接串，來自并聯(lián) 串的電流是以相同的模塊串電壓的附加物）。因此，在本例中，使用帶有MPPT的集中式直流 轉(zhuǎn)交流逆變器，在沒有遮蔽模塊時(shí)，由PV模塊陣列產(chǎn)生的電能將會(huì)是能夠產(chǎn)生的最大電能 的 85%。
[0016] 圖8和9所示為PV系統(tǒng)裝置的兩個(gè)實(shí)施例。圖8所示為3x6陣列的PV模塊（每 個(gè)模塊帶有50W的輸出）的例子，其連接旁路二極管以產(chǎn)生600V、900W的PV輸出。圖9所 示為3個(gè)帶有旁路二極管的PV模塊和阻塞二極管與蓄電池一起的串聯(lián)連接，在傳統(tǒng)的模塊 中，串聯(lián)和并聯(lián)連接的模塊串通?？梢圆捎门月泛妥枞O管。然而，類似先前所述的例 子，由于剛才敘述的問題，這些典型的PV模塊裝置遭受電能采集限制和安裝的PV系統(tǒng)的能 量產(chǎn)出下降。
[0017] 旁路二極管單片集成的另一個(gè)典型的例子帶有前觸點(diǎn)、化合物半導(dǎo)體（III-V)、用 于集中器PV(或CPV)應(yīng)用的多結(jié)太陽能電池。圖10所示為旁路二極管單片集成的例子， 帶有多連結(jié)的化合物半導(dǎo)體CPV電池。該例子展示一種用作單片集成旁路二極管的化合物 半導(dǎo)體肖特基二極管，其在相同的鍺（Ge)襯底上作為化合物半導(dǎo)體，還展示了用于CPV應(yīng) 用的多連結(jié)太陽能電池。在該例子中，肖特基二極管和化合物半導(dǎo)體、多連結(jié)太陽能電池都 是設(shè)置在太陽能電池的相同側(cè)（頂側(cè)），并且具有不同的材料層堆疊，從而使太陽能電池制 作工藝更復(fù)雜和高成本（因此，這樣的實(shí)施例只是說明在CPV應(yīng)用中，CPV電池非常昂貴）。 因此，在一樣昂貴的鍺襯底上與太陽能電池單片集成肖基特旁路二極管，基本上進(jìn)一步增 加整個(gè)工藝過程的復(fù)雜度和花費(fèi)，而且對(duì)有效的太陽能電池和太陽能面板效率帶來害處， 這是因?yàn)榧尚ぬ鼗月范O管的側(cè)面與電池的活躍陽光照射側(cè)面相同。在前觸點(diǎn)化合物 半導(dǎo)體多連結(jié)太陽能電池上單片集成旁路肖基特二極管，需要在太陽能電池和旁路開關(guān)中 的不同的材料層堆疊，因此，基本使整個(gè)單片的太陽能電池處理過程復(fù)雜化，增加太陽能電 池制作工藝的步驟數(shù)，并且增加制造成本。然而，在CPV太陽能電池中，對(duì)于太陽能電池的 制作，這樣顯著附加的過程復(fù)雜性和成本增加是可以接受的，但是在不是非常高濃度的CPV 太陽能電池中，例如在晶體硅太陽能電池中，不具有經(jīng)濟(jì)可行性。圖11所示為旁路二極管 單片集成的例子，帶有多連結(jié)的化合物半導(dǎo)體CPV電池。該例子展示一種用作單片集成旁 路二極管的pn結(jié)二極管，在相同的鍺（Ge)襯底上作為化合物半導(dǎo)體，以及展示多連結(jié)太陽 能電池。在該例子中，pn結(jié)二極管和化合物半導(dǎo)體、多連結(jié)太陽能電池都是在太陽能電池 的相同側(cè)（頂側(cè)），并且具有不同的材料堆疊，從而使太陽能電池制作工藝更復(fù)雜和高成本 (因此，這樣的實(shí)施例只是說明在CPV應(yīng)用中，CPV電池非常昂貴）。因此，在一樣昂貴的鍺襯 底上與太陽能電池單片集成pn結(jié)旁路二極管，進(jìn)一步增加整個(gè)工藝的復(fù)雜度和花費(fèi)，卻為 有效的太陽能電池和太陽能面板效率帶來害處，這是因?yàn)榧膳月范O管的側(cè)面與電池的 活躍陽光照射側(cè)面相同。再次，在前觸點(diǎn)化合物半導(dǎo)體多連結(jié)太陽能電池上單片集成旁路 pn結(jié)二極管，需要在太陽能電池和旁路開關(guān)中的不同的材料層堆疊，因此，基本使整個(gè)單片 的太陽能電池處理過程復(fù)雜化，增加太陽能電池制作工藝的步驟數(shù)，并且增加制造成本。然 而，在CPV太陽能電池中，對(duì)于太陽能電池的制作，這樣顯著附加的過程復(fù)雜性和成本增加 是可以接受的，但是在不是非常高濃度的CPV太陽能電池中，例如在晶體硅太陽能電池中， 不具有經(jīng)濟(jì)可行性。
[0018] 通常，對(duì)于特殊應(yīng)用，對(duì)于非常高濃度CPV應(yīng)用，盡管額外的花費(fèi)以及單片集成太 陽能電池而附加的制造工藝復(fù)雜性，旁路二極管（肖基特二極管或者pn結(jié)二極管）的單片 集成是可接受的；描述的方式用于昂貴的化合物半導(dǎo)體多連結(jié)太陽能電池，會(huì)過分地昂貴 并且對(duì)于主流的平板（非濃縮的或者低于中等濃度的）太陽能PV電池和模塊是不能接受 的。而且，如前所述，因?yàn)榕月范O管單片集成的方法消耗太陽能電池所的區(qū)域，所以減少 有效的陽光吸收，減少了陽光吸收區(qū)域，因此減少有效的電池效率。
[0019] 對(duì)比更傳統(tǒng)的模塊級(jí)DC轉(zhuǎn)AC的微逆變器功率優(yōu)化器或者模塊級(jí)DC轉(zhuǎn)DC的轉(zhuǎn)換 器功率優(yōu)化器的功能，各種解決方案已試圖提供增加電能采集和能量產(chǎn)出的功能。其中一 種技術(shù)是通過程序控制以模塊內(nèi)的電池之間的互相連接，從而增加基于電池的PV模塊的 能量產(chǎn)出，這種技術(shù)例如是來自重點(diǎn)能源的自適應(yīng)太陽能模塊（ASM)技術(shù)。在一些例證中， 對(duì)比更傳統(tǒng)的MPPT功率優(yōu)化器，在模塊遮蔽的情況下，其可以獲得更高水平的PV能量采 集。然而，這種技術(shù)采用模塊級(jí)/外部轉(zhuǎn)換器盒（微逆變器或者直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器）和相 關(guān)的互連技術(shù)，其可能使每個(gè)PV模塊花費(fèi)30美元至100美元。模塊級(jí)轉(zhuǎn)換器盒提供從直 流至直流或者從直流至交流的能量轉(zhuǎn)換，并且可以整合到PV模塊組件內(nèi)，從而在模塊內(nèi)部 提供可重構(gòu)或者程序可控的的電池互連。然而，模塊級(jí)轉(zhuǎn)換器盒不能與單獨(dú)的電池集成，例 如不能在電池背部集成，也不能與單獨(dú)的電池組合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 因此，有必要開發(fā)用于具有電池上電子器件的背接觸太陽能電池，以增加電能采 集和促進(jìn)能量產(chǎn)出。根據(jù)本發(fā)明的主題，提供一種帶有電池上電子器件的背接觸太陽能電 池，基本上消除或者減少與先前開發(fā)的背接觸太陽能電池和背接觸太陽能電池模塊相關(guān)的 缺點(diǎn)。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明主題的一個(gè)方面，提供一種帶有電池上電子器件的背接觸太陽能電 池。所述背接觸太陽能電池包括半導(dǎo)體襯底，半導(dǎo)體襯底具有光捕獲前部以及與光捕獲前 部相對(duì)的背部。第一叉指金屬化圖案設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的背部，背板支撐件附著到半導(dǎo)體 襯底的背部。第二叉指金屬化圖案設(shè)置在背板上并且連接到第一叉指金屬化圖案。電池上 電子元件附著到第二叉指金屬化圖案上，并且以電引線將電池上電子元件連接到第二叉指 金屬化圖案。
[0022] 根據(jù)此處提供的描述，本發(fā)明主題的這些和其它方面，以及附加的新穎特征，將是 顯然的。此概要的意圖不是要做到所要求主題的全面描述，而是提供一些主題的功能性簡 述。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過對(duì)以下附圖及說明進(jìn)行審查后，在此提供的其它的系統(tǒng)、方法、特 征和優(yōu)勢將或變得清楚。其目的是將這些另外的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)勢都包括在本說明 內(nèi)，并落入任意權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 根據(jù)下文的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明主題的特征、特性以及優(yōu)勢會(huì)將會(huì)變得 更加明顯，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的特征，并且其中：
[0024] 圖1A和1B所不為太陽能PV電池的等效電路的電路原理圖；
[0025] 圖2A所示為理想的太陽能電池（沒有示出串聯(lián)或分流電阻）的等效電路模塊的 原理圖，圖2B所示為暗和陽光照明條件下的太陽能電池電流-電壓（IV)特性的對(duì)應(yīng)曲線 圖；
[0026] 圖3A和3B所示為典型的60個(gè)電池的晶體硅太陽能模塊，其分別帶有一個(gè)遮蔽的 電池和多個(gè)部分遮蔽的電池；
[0027] 圖4A所示為用于太陽能電池模塊串的非遮蔽的電流路徑，圖4B所示為相同的太 陽能電池模塊串，其中圖4B中帶有遮蔽的模塊和提供替代旁路電流路徑的旁路二極管；
[0028] 圖5為用在模塊子串中的外部旁路二極管的原理圖，其中太陽能電池以其等效電 路圖示出；
[0029] 圖6為晶體太陽能電池在帶有和不帶有旁路二極管時(shí)的電流-電壓（I-V)特性曲 線圖；
[0030] 圖7所示為晶體硅太陽能PV模塊的例子，該晶體硅太陽能PV模塊在串聯(lián)連接的 太陽能電池的不同的子串上共有三個(gè)遮蔽的電池；
[0031] 圖8和9所示為PV系統(tǒng)裝置的兩個(gè)實(shí)施例；
[0032] 圖10和11所示為旁路二極管（肖特基二極管或者PN結(jié)二極管）與多連結(jié) (multi-junction)化合物半導(dǎo)體CPV電池單片集成的實(shí)施例；
[0033] 圖12所示為在一制造工藝流程中突出薄硅的背接觸/背連結(jié)的結(jié)晶體硅太陽能 電池的關(guān)鍵處理步驟；
[0034] 圖13所示為分布式電池遮蔽管理系統(tǒng)的原理圖，每個(gè)太陽能電池配有一個(gè)旁路 二極管（太陽能電池以其等效電路圖示出）；
[0035] 圖14為可用作旁路開關(guān)（或者用作旁路開關(guān)電路的一部分）的金屬氧化層半導(dǎo) 體場效應(yīng)晶體管（M0SFET)的IV特性曲線圖；
[0036] 圖15所示為根據(jù)本發(fā)明主題而實(shí)現(xiàn)的ISIS分布式電池遮蔽管理的原理圖（具體 為使用M0SFET或者包含M0SFET的電路作為旁路開關(guān)的實(shí)施例）；
[0037] 圖16所示為根據(jù)本發(fā)明主題的ISIS分布式電池遮蔽管理解決方案的原理圖（具 體為使用雙極結(jié)型晶體管--BJT或者包含BJT的電路作為旁路開關(guān)的實(shí)施例）；
[0038] 圖17為包含背板支撐層的背接觸/背結(jié)晶體半導(dǎo)體太陽能電池的橫截面圖；
[0039] 圖18為類似圖17的背接觸/背結(jié)晶體半導(dǎo)體太陽能電池的橫截面圖，帶有至少 一個(gè)電池上電子元件安裝和附著到背板層上；
[0040] 圖19所示為背板的頂視圖和太陽能電池的典型叉指背接觸（IBC)金屬化圖案；
[0041] 圖20所示為圖19中的太陽能電池的背板的頂視圖，該太陽能電池具有直接附著 到電池末端或者匯流條的芳路開關(guān)，該芳路開關(guān)通過向發(fā)射極和基極匯流條提供商電導(dǎo)率 的旁路開關(guān)引線，使熱點(diǎn)最少化；
[0042] 圖21所示為圖19中的太陽能電池的背板的頂視圖，帶有直流轉(zhuǎn)直流MPPT功率優(yōu) 化器或者直流轉(zhuǎn)交流MPPT功率優(yōu)化器，它們直接安裝和附著到背板側(cè)上的、發(fā)射極和基極 匯流條上的電池末端；
[0043] 圖22所示為太陽能電池 IV特性曲線和最大功率點(diǎn)（MPP)，該最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)給定 的陽光照明等級(jí)下的最大電能采集；以及
[0044] 圖23所示為代表太陽能模塊的功率-電壓特性曲線，以及在不同的太陽能模塊照 明強(qiáng)度下的峰值最大工作功率點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面的描述并不作為本發(fā)明的限制，而是為了對(duì)本文公開技術(shù)進(jìn)行一般性描述。 本文公開技術(shù)的保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求書確定。附圖中所描述的為本文公開的示例性實(shí)施 例，在多幅圖中，同樣的數(shù)字代表同樣或相應(yīng)的部分。
[0046] 而且，雖然此處公開技術(shù)利用特定實(shí)施例描述，如使用單晶硅襯底的背接觸晶體 硅及其它描述的制作材料，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將本文所述的原理，應(yīng)用到前接觸電 池、其它包含半導(dǎo)體材料（如砷化鎵、鍺等）的材料、【技術(shù)領(lǐng)域】、以及/或者實(shí)施例，而不需 要通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
[0047] 如上所述，當(dāng)前最先進(jìn)的太陽能電池保護(hù)和熱點(diǎn)預(yù)防，在出現(xiàn)遮蔽的時(shí)候?yàn)槟K 提供可靠的運(yùn)作，以及在公知的晶體硅（或者其它電池基）PV系統(tǒng)中提供最大電能提取 的解決方案，其通?；谑褂孟铝械囊粋€(gè)或者組合：旁路二極管，最常見是PV模塊中串 聯(lián)連接的每一個(gè)太陽能電池子串帶有一個(gè)外部旁路二極管（典型地，在每個(gè)晶體硅PV模 塊中，有三個(gè)外部旁路二極管設(shè)置在外部模塊連結(jié)盒內(nèi)）；位于模塊級(jí)的最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)，在每個(gè)PV模塊中使用外部的一個(gè)外部微逆變器（或者替代為直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器）； 以及可編程控制的模塊內(nèi)部電池之間互連的技術(shù)，用于增加電池基PV模塊的能量產(chǎn)出。
[0048] 盡管多個(gè)旁路二極管可以保護(hù)遮蔽的電池、防止熱點(diǎn)并且防止由熱點(diǎn)和反向偏壓 電池導(dǎo)致的模塊失效，它們還引起顯著的能量產(chǎn)出減少，這是因?yàn)?，在出現(xiàn)模塊遮蔽或單占 (soling)的時(shí)候，在實(shí)際現(xiàn)場操作中出現(xiàn)模塊電能提取損耗。例如，假設(shè)一標(biāo)準(zhǔn)的60個(gè)電 池的模塊，單個(gè)遮蔽的電池能夠引起1/3的模塊電能損失（因?yàn)榕月范O管會(huì)將帶有遮蔽 電池的整個(gè)的含20個(gè)電池的子串進(jìn)行旁路），然而在非遮蔽的正常條件下，單個(gè)電池的量 只占有1/60的模塊電能。類似地，有三個(gè)遮蔽的電池，假設(shè)在60個(gè)電池的PV模塊中，每個(gè) 含20個(gè)電池的子串帶有一個(gè)遮蔽的電池（如圖7所示的例子），全部三個(gè)旁路二極管被觸 發(fā)，那么從模塊提出的電能降至零（或者是100%模塊電能損失），然而在正常的非遮蔽的 工作條件下，三個(gè)遮蔽的電池量只占有模塊的3/60 (1/20)。
[0049] 對(duì)此，本文公開的解決方案是提供智能PV電池和智能PV模塊，其包括例如是下列 元件或者下列元件的組合，用于增加 PV模塊電能采集和增加 PV裝置的能量產(chǎn)出，以及獲得 其它相關(guān)好處。分布式遮蔽管理解決方案使旁路開關(guān)安裝和集成到每個(gè)太陽能電池的背 部（例如電池背板上），層壓或嵌入到模塊組件中一因此無需外部的帶有外部旁路二極 管的連結(jié)盒，而且還增加模塊整體可靠性。分布式功率優(yōu)化器和提高能量產(chǎn)出解決方案，在 每個(gè)太陽能電池的背部（例如電池背板上）集成一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器功率優(yōu)化器或者一 個(gè)直流轉(zhuǎn)交流微逆變器功率優(yōu)化器。電池級(jí)功率優(yōu)化器電子器件（例如單片的單芯片解決 方案）可以安裝和集成在背接觸太陽能電池的背部背板上，并且層壓/嵌入到模塊組件內(nèi)。 在各種公開的功率優(yōu)化器實(shí)施例中，不管遮蔽條件如何，從每個(gè)電池提取的電能都可以達(dá) 到最大化，從而獲得分布式遮蔽管理解決方案。
[0050] 公開的系統(tǒng)和方法使智能PV電池和智能PV模塊能夠集成低成本分布式電池級(jí) (電池狀）功率電子器件，減少系統(tǒng)成本（使安裝的系統(tǒng)成本小于1美元/W)，并且以能量 產(chǎn)出的方式改善性能（使平準(zhǔn)化電力成本或者LC0E能夠小于0. 05美元/kWh-0. 1美元/ kWh)。成本和效率在太陽能電池制造中占據(jù)主要角色，如前所述，晶體硅光伏（PV)模塊當(dāng) 前占據(jù)整個(gè)全球PV市場份額的85%以上。當(dāng)前，起始的硅晶片成本占據(jù)約40%的晶體硅 PV模塊制造成本。
[0051] 圖12為一工藝流程，其突出薄晶體硅太陽能電池制造工藝的關(guān)鍵處理步驟，充分 地減少硅的使用以及除去傳統(tǒng)的制造步驟，從而獲得低成本的、高效率的、帶有層壓的背 板，用于智能電池和智能模塊的背結(jié)/背接觸單晶硅電池，并且采用可重復(fù)使用的模板以 及沉積在多孔硅脫模層上的外延硅。智能電池包括至少一個(gè)或者一組電子元件（例如，直 接安裝和附著在背板上的旁路開關(guān)和/或直流轉(zhuǎn)直流或者直流轉(zhuǎn)交流MPPT功率優(yōu)化器。
[0052] 該工藝始于可重復(fù)使用的硅模板（通常由p型單晶硅晶片制成），在其中形成多 孔硅的薄犧牲層（例如，經(jīng)由電化學(xué)蝕刻工藝，通過存在電流的HF/IPA濕化學(xué)中的表面改 性工藝來實(shí)現(xiàn)）。接著形成犧牲的多孔硅層同時(shí)作為高質(zhì)量的外延籽晶層和隨后的分離/ 剝離層，形成原位摻雜單晶硅的?。ㄍǔ：穸确秶鷱膸孜⒚椎?0微米，最優(yōu)選為不大于50 微米）層（例如，在包括硅氣體如三氯硅烷或TCS和氫的環(huán)境中，通過使用化學(xué)氣相沉積或 CVD工藝的常壓外延來實(shí)現(xiàn)），該過程也被稱為外延生長。完成大多數(shù)的電池工藝步驟后， 形成非常低成本的背板層粘合到薄外延（印i)層，用于永久的電池支撐和加固以及支撐太 陽能電池的高導(dǎo)電率電池金屬化層。典型地，制作背板材料的材料為：薄的（例如大約50 至250微米）、柔性的、電絕緣聚合材料板，例如滿足工藝集成和可靠性需求的廉價(jià)預(yù)浸材 料（通常用在印刷電路板）。然后將已近處理完成的背接觸、背結(jié)、背板強(qiáng)化、大面積（例如 具有至少125mmX125mm和更大的太陽能電池面積）的太陽能電池進(jìn)行分離，并沿著機(jī)械性 弱的犧牲多孔硅層從模板抬升（例如，通過機(jī)械釋放MR過程來實(shí)現(xiàn)），同時(shí)該模板可以被重 復(fù)使用多次，從而進(jìn)一步減少太陽能電池單元的制造成本。向陽面在模板脫離后被暴露，然 后可以在向陽面上實(shí)施最終的電池處理（例如，完成前部紋理化和鈍化以及抗反射涂層沉 積工藝）。
[0053] 背結(jié)/背接觸電池組合的設(shè)計(jì)，結(jié)合背板嵌入的互連，以及加固的背板，提供了可 行的電池結(jié)構(gòu)，其采用完善的電子裝配方法，如表面貼裝技術(shù)（SMT)，可靠地在電池級(jí)集成 非常低成本的功率電子器件。除了作為永久的結(jié)構(gòu)支撐/加固并且為高導(dǎo)電率薄晶體硅太 陽能電池提供嵌入的高導(dǎo)電率（鋁和/或銅）互連，這些背板技術(shù)還允許，在電池背板上 集成非常低成本的功率電子元件，如旁路開關(guān)和MPPT功率優(yōu)化器，而沒有妨礙電池的向陽 面（即沒有效率損失，這是因?yàn)榘惭b在電池背部背板的電池基電子沒有占據(jù)活躍的照明區(qū) 域），同時(shí)以驗(yàn)證的背接觸模塊組件和層壓技術(shù)來保持兼容性。
[0054] 背板材料可以優(yōu)選為非常低熱膨脹（低CTE)系數(shù)的聚合物板材，從而不會(huì)在薄硅 層上引起極端的熱應(yīng)力。此外，背板材料必須滿足用于后端電池制造過程的工藝集成的需 求，尤其是電池前部濕紋理化過程中的耐化學(xué)性以及在前部鈍化和ARC層的沉積過程中的 熱穩(wěn)定性。此外，電絕緣背板材料必須滿足模塊級(jí)層壓工藝和長期穩(wěn)定性的需求。雖然各 種合適的聚合物（如塑料、氟樹脂、預(yù)浸料等）和非聚合物材料（如玻璃、陶瓷等）可以作 為考慮而且能夠用作背板材料，但是最優(yōu)的選擇取決于很多考慮，包括但不限于：成本、工 藝集成的容易性、可靠性、適應(yīng)性等。選擇預(yù)浸料作為背板材料是有益的。預(yù)浸板料常用作 印刷電路板的基礎(chǔ)材料。預(yù)浸板料是由樹脂和減膨脹系數(shù)（CTE-reducing)的纖維或顆粒 的結(jié)合而制成。優(yōu)選地，背板材料可能是便宜的、低CTE(通常為CTE〈10ppm/°C，更優(yōu)選為 CTE〈5ppm/°C )、薄的（通常為50至250微米，優(yōu)選為50至100微米）預(yù)浸板料，其在化學(xué) 紋理化中具有相對(duì)的耐化學(xué)性，以及溫度至少高達(dá)180°C甚至優(yōu)選地至少高達(dá)280°C的熱 穩(wěn)定性。典型地，使用真空層壓機(jī)將預(yù)浸板料附著到太陽能電池背部，此時(shí)仍然處于模板上 (在電池升起過程之前）。然后在上面加熱和加壓，使預(yù)浸板料永久地層壓或附著在已處理 的太陽能電池的背部。然后，通常使用脈沖激光劃線工具沿著太陽能電池的外圍（模板邊 緣附近）劃定抬升剝離邊界，然后采用機(jī)械剝離或抬升工藝，將背板層壓的太陽能電池從 可重復(fù)使用的模板分離。隨后的工藝步驟可以包括：（i)在太陽能電池向陽面上完成紋理 化和鈍化工藝，（ii)在太陽能電池背部（也是太陽能電池背板）完成太陽能電池高導(dǎo)金屬 化。在太陽能電池背板上形成高導(dǎo)金屬化（通常包括鋁和/或銅，但優(yōu)選地不包括銀，為了 減少太陽能電池制造和材料成本），使其同時(shí)包含發(fā)射極和基極。
[0055] 例如，在此描述的太陽能電池設(shè)計(jì)和制造工藝，具有通過電隔離的背板層隔開的 兩層金屬化。在背板層壓工藝前，實(shí)質(zhì)上，在背接觸太陽能電池上的最后一道工序是直接在 電池背部形成太陽能電池基極和發(fā)射極觸點(diǎn)金屬化圖案，優(yōu)選地使用絲網(wǎng)印刷的薄層或者 離子濺射的（PVD)鋁（或鋁硅合金）材料層。第一金屬化層（Ml)限定太陽能電池觸點(diǎn)金 屬化圖案，如細(xì)間距叉指背接觸（IBC)導(dǎo)體指狀物，該導(dǎo)體指狀物限定IBC電池的基極和發(fā) 射極區(qū)域。Ml層用作提取太陽能電池電流和電壓，然后將太陽能電池的電能轉(zhuǎn)移到將會(huì)形 成在第一金屬層之后（Ml之后）的第二層高導(dǎo)太陽能電池金屬化（M2層）。形成層壓的背 板后，背板支撐的太陽能電池隨后從模板脫離，然后完成前部紋理化和鈍化工藝，最后的工 藝是在背板上形成高導(dǎo)M2層。在背板上鉆（優(yōu)選使用激光鉆）多個(gè)（通常是100至1000 個(gè)）通孔。這些通孔設(shè)在預(yù)先指定的Ml的區(qū)域，通過形成在這些通孔中的導(dǎo)電插塞，在圖案 化的M2和Ml之間進(jìn)行后面的電連接。然后，形成圖案化的高導(dǎo)金屬化層M2 (通過離子濺 射和電鍍中的一種或它們的組合來實(shí)現(xiàn)--M2包括鋁和/或銅）。對(duì)于叉指背接觸（IBC) 太陽能電池，其帶有細(xì)間距（例如，在Ml上有100個(gè)指狀物的（IBC指狀物，圖案化的M2層 優(yōu)選地設(shè)計(jì)成與Ml正交，即M2的指狀物基本上與Ml的指狀物垂直。此外，由于該正交變 換，M2層的指狀物數(shù)量遠(yuǎn)小于Ml層的指狀物（例如，M2的指狀物大約少10至50倍）。因 此，M2層的圖案比Ml層的圖案更粗糙而且?guī)в懈鼘掗煹腎BC指狀物。在本實(shí)施例中，為了 去除與電池上的匯流條有關(guān)的電氣遮蔽的損耗，太陽能電池匯流條設(shè)置在M2層上（而不在 Ml層上）。因?yàn)?，在太陽能電池背部，基極和發(fā)射極都是互相連接并且使得匯流條在M2層 上可用，本發(fā)明的實(shí)施例能夠有效地在背板上集成一個(gè)或多個(gè)功率電子元件，以接入背板 上的太陽能電池的基極和發(fā)射極兩者的末端。
[0056] 類似一種非常低成本的印刷電路板，所公開的太陽能電池背板與背板上的太陽能 電池的兩極可被有效地用于電氣組裝并且在電池背部集成電子元件，而沒有妨礙太陽能電 池的向陽面并且沒有降低太陽能電池的可靠性，因此有助于實(shí)現(xiàn)分布式遮蔽管理以增強(qiáng)能 量產(chǎn)出、分布式的基于電池的MPPT功率優(yōu)化、降低的LC0E，以及經(jīng)由對(duì)全部電池和模塊的 更智能的電力管理來提高PV系統(tǒng)的可靠性。背板不僅能夠直接安裝、附接和支撐太陽能電 池上的薄膜形式的電子元件，它還有效地從敏感太陽能電池減少元件及其附件的任何有害 應(yīng)力的影響。本文描述的實(shí)施例能夠使智能太陽能電池和智能模塊，例如背接觸太陽能電 池中包括背接觸/背結(jié)IBC電池，帶有永久附著的（例如，層壓的）背板。智能電池包括電 子元件，例如在每個(gè)電池上集成有一個(gè)位于電池背板上的旁路開關(guān)和/或一個(gè)直接附著在 背板上的直流轉(zhuǎn)直流或直流轉(zhuǎn)交流MPPT電源優(yōu)化器。
[0057] 智能電池單元摭蔽影響抑制（ISIS)
[0058] 由于PV系統(tǒng)的串聯(lián)線路，在系統(tǒng)的光吸收表面上的少量阻礙可能會(huì)引起大量輸 出損失。各種代表性的例子說明電池和模板遮蔽造成功率采集能力喪失。例如，一個(gè)公開 的研究表明，對(duì)〇. 15%、2. 6%和11. 1%的PV模塊表面區(qū)域進(jìn)行妨礙會(huì)分別引起3. 7%、 16. 7%和36. 5%的輸出功率損失，因此在遮蔽情況下會(huì)造成安裝的PV系統(tǒng)能量產(chǎn)出顯著 地減少。如前所述，由于遮蔽使一個(gè)受到妨礙的電池的電流下降時(shí)，遮蔽的電池會(huì)拖低其它 所有在串或子串中與其串聯(lián)的電池的電流（除非在模塊的設(shè)計(jì)中采取糾正措施）。一種新 型的ISIS或公開主題的遮蔽管理設(shè)計(jì)，在每個(gè)太陽能電池背板上集成有一塊便宜的電子 器件（例如，一個(gè)非常低成本的功率電子旁路開關(guān)，如功率肖特基二極管或M0SFET或其它 合適的低正向電壓/低反向漏電流/低啟動(dòng)電阻旁路開關(guān)），以直接接入和電氣連接到兩條 太陽能電池的匯流條（基極和發(fā)射極），能夠在任何妨礙或遮蔽的電池周圍自動(dòng)重新改變 電路徑，從而減少對(duì)列串和PV模塊的影響--由此最大化電能采集和整體能量產(chǎn)出。此外， 本文所公開的ISIS系統(tǒng)和方法可以通過吸收應(yīng)力來提高整體電池和模塊的可靠性，該應(yīng) 力來自模塊內(nèi)不匹配的電流引起的熱量累積。如本文所公開的集成的ISIS，不需要帶有外 部旁路二極管的連結(jié)盒，因此降低了所產(chǎn)生的智能模塊的成本/Wp。另外，作為支撐襯底的 背板用于電子元件的有效隔離和減弱（decouple)來自敏感的半導(dǎo)體電池層的元件放置和 焊接的應(yīng)力影響，因此最大限度地減少熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力以及在電池背板和背部安裝ISIS 旁路開關(guān)而引起的應(yīng)力的任何有害影響。
[0059] 分布式最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT)功率優(yōu)化器。
[0060] 最大功率點(diǎn)（MPP)是電流電壓連續(xù)體上的點(diǎn)，其中，在各種太陽能光照條件下，從 日出至日落（或從日出時(shí)分"喚醒"太陽能電池，直到日落時(shí)分使電池"睡眠"），模塊產(chǎn)生最 大可能的輸出功率。電流和電壓值隨太陽輻射通量變化和其它全天工作條件（例如環(huán)境溫 度等）而變化，為了在MPP條件下工作（提取最大模塊電能），自動(dòng)MPP跟蹤器調(diào)整IV曲線 上的電壓和電流的工作點(diǎn)；而且，MPP跟蹤器還優(yōu)選地調(diào)整其輸出電流/電壓比，以匹配所 有串聯(lián)連接的太陽能電池（和模塊）電流值。本發(fā)明創(chuàng)造性地提供了非常低成本最大功率 點(diǎn)跟蹤（MPPT)功率優(yōu)化電路的真正分布式實(shí)施例，這是通過在電池層在每個(gè)電池背部經(jīng) 由背板集成智能電子器件來實(shí)現(xiàn)。如果利用每個(gè)模塊中的一個(gè)外部微逆變器（或替代地， 一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器）和使用每個(gè)外部微逆變器（或替代地，一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器） 的模塊級(jí)MPPT，那么這種配置例如可能會(huì)從第一串產(chǎn)生100%電能，從第二串產(chǎn)生97%的 電能。這將實(shí)現(xiàn)從PV裝置的全部電能中獲得98. 5%的電能采集，其對(duì)比傳統(tǒng)的集中式逆變 器的MPPT配置有顯著的改善。
[0061] 在本文公開擴(kuò)展和應(yīng)用到電池級(jí)MPPT的功率優(yōu)化時(shí)，在各種照明和電池遮蔽條 件下，這種解決方案不僅能夠從每個(gè)和每一個(gè)電池中大幅提高電能采集，從而比傳統(tǒng)方法 更進(jìn)一步最大化整體的模塊能量產(chǎn)出，還能夠封裝給定模塊內(nèi)的不匹配的電池（該電池來 自不同的制造容器，帶有不同的參數(shù)，如v mp和/或Imp值）以及消除系統(tǒng)級(jí)的模塊不匹配的 影響。
[0062] 所公開的系統(tǒng)的各種實(shí)施例，經(jīng)由分布式電池 ISIS和/或電池 MPPT功率優(yōu)化器 電子器件，通過在電池級(jí)集成智能功率電子器件功能，使成本顯著下降，包括低于〇. 20美 元/Wp的配置功率電子、低于0. 50美元/Wp的用于維持系統(tǒng)和裝置（總B0S)平衡以及 LC0E〈0. 10美元/kWh (實(shí)際上獲得LC0E功能費(fèi)用小于0. 05美元/kWh)。如前所述并對(duì)比 公開的系統(tǒng)和方法，常規(guī)功率電子器件僅存在于模塊級(jí)（附著到PV模塊的外部直流轉(zhuǎn)直流 轉(zhuǎn)換器盒或直流轉(zhuǎn)交流微逆變盒），或者存在于安裝的PV系統(tǒng)級(jí)（更傳統(tǒng)的集中式逆變器 MPPT)。根據(jù)本發(fā)明主題的實(shí)施例，通過新穎和獨(dú)特的分布式電池級(jí)MPPT功率優(yōu)化器和背 結(jié)電池實(shí)現(xiàn)的最大功率提取優(yōu)化，獲得比當(dāng)前的PV解決方案更多顯著得益和好處，該背結(jié) 電池包括背接觸/背結(jié)IBC電池及背板技術(shù)（背板設(shè)有兩條太陽能電池電引線或兩條匯流 條，并提供用于太陽能電池向陽面相對(duì)面的電子元件放置支持）。本發(fā)明主題僅以少量增加 成本的方式實(shí)現(xiàn)這些顯著的得益，從而大大降低LC0E，這是因?yàn)闇p輕了現(xiàn)有制造工藝中的 工藝集成（在電池背部，功率電子元件，如旁路開關(guān)和MPPT功率優(yōu)化器元件可直接安裝在 底板上而無需昂貴的制造步驟），同時(shí)顯著增加的能量產(chǎn)出（包括消除電池和模塊的不匹 配）。而目前的模塊級(jí)的直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器盒往往要求達(dá)到25%的能量產(chǎn)出增加率，這些 解決方案通常導(dǎo)致成本高于〇. 20美元/Wp ;相比之下，本文公開的新穎實(shí)施例（即獨(dú)特的 分布式電池 ISIS和電池 MPPT功率優(yōu)化解決方案）顯著地增加整體的PV模塊和安裝的PV 系統(tǒng)的功率輸出和系統(tǒng)能量產(chǎn)出，同時(shí)降低執(zhí)行成本使其低于〇. 20美元/Wp。
[0063] 此外，本文公開的分布式電池功率優(yōu)化解決方案提供有：
[0064]-改善逆變器的可靠性-管理電壓和電流達(dá)到可預(yù)測的水平，消除集中式逆變器 上的壓力（即，沒有過壓），并提高了整體轉(zhuǎn)換效率。此外，真正的分布式電池 MPPT功率優(yōu) 化的解決方案的結(jié)果使得集中式逆變器的設(shè)計(jì)得到簡化并降低其成本。
[0065]-抗孤島效應(yīng)--完全嵌入智能功率電路可以在模塊中、多個(gè)模塊中、多個(gè)模塊之 間和PV裝置外部位置實(shí)現(xiàn)分布式跟蹤和通信，允許緊急情況下自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)更容易、更 安全的安裝和維護(hù)。
[0066]-能夠忽略遮蔽并且能夠設(shè)計(jì)柔性的串長度及板，將意味著更少昂貴的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分析和整體裝置成本更便宜。
[0067]-電池/組件的監(jiān)控，引導(dǎo)改善的維修、清洗、性能預(yù)報(bào)和預(yù)防性維護(hù)措施。
[0068] 采用太陽能電池整合旁路開關(guān)的智能電池遮蔽影響抑制（ISIS)解決方案：以下 描述各種ISIS實(shí)施例。對(duì)于選擇旁路電子開關(guān)用于公開的分布式電池遮蔽管理（ISIS)系 統(tǒng)，并且在分布式開關(guān)中沒有顯著的功率散失損耗，涉及該選擇的考慮和規(guī)范，包括但不限 于：
[0069] -電池旁路開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)壓降在某些情況中遠(yuǎn)比一個(gè)正向偏置的二極管的壓降 要小。例如，假如 Vmp = 575mV 和 Imp = 9· 00A(大概相當(dāng)于 V。。= 660mV 和 Isc = 9· 75A)， 50mV的導(dǎo)通狀態(tài)電壓引起0· 45W的導(dǎo)通狀態(tài)功耗（power dissipation)，其比二極管的導(dǎo) 通狀態(tài)功耗要少10% (該計(jì)算不包括與開關(guān)的RSCTies相關(guān)的任何損失）。
[0070] -電池旁路開關(guān)以非常小的導(dǎo)通狀態(tài)串聯(lián)電阻來最少化導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)功耗：優(yōu)選 地，導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)RSOTies小于或等于ΙΟηιΩ (例如RseHes = 5ηιΩ，開關(guān)的歐姆功耗=0. 405W)。
[0071] -雙極結(jié)型晶體管（BJT)或M0SFET或任何合適的開關(guān)電路，包括這樣的元件，以提 供相對(duì)低的壓降和小的Rs" ies。
[0072] 例如，具有以下功能的旁路開關(guān)可以用作電子元件：
[0073] -當(dāng)旁路開關(guān)處于啟動(dòng)（0N)狀態(tài)（正向偏壓）時(shí)，功耗低。例如，功耗可以不大于 一部分平均電池生產(chǎn)功率。例如，對(duì)于5Wp的電池，當(dāng)全部電池串電流流通遮蔽的電池的旁 路開關(guān)的時(shí)候，選擇一旁路開關(guān)以限制功耗至不超過1W。
[0074] -當(dāng)旁路開關(guān)處于關(guān)閉（反向偏壓）的時(shí)候，有低反向漏電流。
[0075] -薄的元件封裝（例如<〈2mm或者甚至〈1mm)。
[0076] -能夠承受電池串的滿載電流。
[0077] 圖13以原理圖示出了分布式電池遮蔽管理系統(tǒng)，其在此參考為智能電池遮蔽影 響抑制或ISIS，在每個(gè)太陽能電池（以其等效電路圖示出）中采用一個(gè)低Vf (低正向偏壓 電壓）旁路二極管（還可以是一個(gè)低Vf旁路開關(guān)，如低Vf肖特基二極管），該太陽能電池 附著到每個(gè)電池背部背板和層壓在模塊中。對(duì)比每個(gè)多電池的子串帶有一個(gè)旁路二極管的 公知配置（通常在公知的配置中，每個(gè)含20個(gè)電池的子串帶有一個(gè)旁路二極管），這個(gè)分布 式旁路開關(guān)配置，無需外部連結(jié)盒旁路二極管，并且提高整體能量產(chǎn)出、提高PV裝置中的 模塊性能。因?yàn)槊總€(gè)電池使用一個(gè)旁路開關(guān)（如整流二極管，如在本實(shí)施例的肖特基二極 管），因此可以將串聯(lián)的模塊內(nèi)部的所有電池連接成單串（例如，對(duì)于含有60個(gè)電池的模塊 串聯(lián)連接成一個(gè)60個(gè)電池的串）。因此，使用根據(jù)本發(fā)明主題的ISIS結(jié)構(gòu)，而無需在模塊 內(nèi)設(shè)有多個(gè)子串。
[0078] 圖14所示為具有合適特性的功率金屬氧化層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（M0SFET)可被 使用為（獨(dú)立件或者用作開關(guān)電路的一部分）具有用于分布式旁路開關(guān)的高效旁路開關(guān)， 該分布式旁路開關(guān)附著到電池背板用于集成的遮蔽管理解決方案（ISIS)。例如，采用增強(qiáng) 型MOSFET作為開關(guān)，當(dāng)Ves>0時(shí)MOSFET打開，當(dāng)V es = 0時(shí)MOSFET關(guān)閉：
[0079] -當(dāng)Ves為零時(shí)，M0SFET處于關(guān)閉狀態(tài)，且其輸出電壓（VDS)等于VDD。
[0080] -當(dāng)Ves>0或者等于VDD，M0SFET的基點(diǎn)（Q)沿負(fù)載線移至點(diǎn)A。由于通道電阻下 降，漏極電流I D上升到其最大值。ID變成不依賴于VDD而是只依賴于ves的常值。因此，晶 體管類似閉合的（0N)開關(guān)，并且由于晶體硅的R DS (on)值，通道0N電阻不會(huì)完全減少到零， 而是變得非常小。
[0081] -當(dāng)Ves為低電壓（LOW)或者為零時(shí)，M0SFET的基點(diǎn)從A移動(dòng)到B。通道電阻變到 非常大，因此M0SFET變成關(guān)閉狀態(tài)（OFF)。如果V es在這兩個(gè)值之間切換，M0SFET相當(dāng)于單 刀單投開關(guān)。
[0082] -適當(dāng)?shù)墓β蔒0SFET的RSCTies電阻值通常小于0· 01 Ω (或者小于ΙΟπιΩ )。
[0083] -功率M0SFET開關(guān)通常具有浪涌電流保護(hù)，而對(duì)于大電流的應(yīng)用，可以使用雙極 結(jié)型晶體管。
[0084] 圖15所示為根據(jù)本發(fā)明主題的ISIS分布式電池遮蔽管理執(zhí)行的原理圖，在每個(gè) 太陽能電池中使用一個(gè)非常低Vf功率的基于M0SFET的旁路開關(guān)（開關(guān)包括M0SFET或者單 片電路包括M0SFET)，該旁路開關(guān)附著到每個(gè)電池背部和層壓到模塊內(nèi)。再次，對(duì)比每個(gè)多 電池的子串帶有一個(gè)旁路二極管的配置（通常在公知的配置中，每個(gè)含20個(gè)電池的子串帶 有一個(gè)旁路二極管），這個(gè)分布式旁路開關(guān)配置，無需外部連結(jié)盒旁路二極管，并且將會(huì)提 高模塊的能量產(chǎn)出。在該系統(tǒng)中，如果沒有電池受到遮蔽，旁路二極管保持反向偏壓狀態(tài)， 并且太陽能電池串正常工作且完全投入太陽能模塊發(fā)電。如果有任意的電池受到部分或者 全遮蔽，那么遮蔽的電池被反向偏壓并且旁路開關(guān)被開啟，消除太陽能電池出現(xiàn)熱點(diǎn)或者 損壞的可能性。
[0085] 圖16所示為根據(jù)本發(fā)明主題的ISIS分布式電池遮蔽管理解決方案的原理圖，在 每個(gè)太陽能電池中使用一個(gè)非常低Vf功率的基于雙極結(jié)型晶體管（BJT)的旁路開關(guān)（開 關(guān)包括BJT或者單片電路包括BJT)，該旁路開關(guān)附著到每個(gè)電池背部和層壓到模塊內(nèi)。雙 極型晶體管的基極和集電極連接在一起。再次，對(duì)比每個(gè)多電池的子串帶有一個(gè)旁路二極 管的配置（通常在公知的配置中，每個(gè)含20個(gè)電池的子串帶有一個(gè)旁路二極管），這個(gè)分 布式旁路開關(guān)配置，無需外部連結(jié)盒旁路二極管，并且將會(huì)提高模塊的能量產(chǎn)出。在該系統(tǒng) 中，如果沒有電池受到遮蔽，旁路晶體管開關(guān)保持OFF狀態(tài)，并且太陽能電池串正常工作且 完全投入太陽能電池的發(fā)電。如果有任意的電池受到部分或者全遮蔽，那么遮蔽的電池被 反向偏壓并且旁路開關(guān)被開啟（0N)，消除遮蔽的電池出現(xiàn)熱點(diǎn)或者損壞的可能性。
[0086] 雖然本發(fā)明主題的實(shí)施例可以應(yīng)用到任何類型的PV電池和模塊，ISIS特別地有 利于與背接觸型太陽能電池（無論是前結(jié)型或者背結(jié)型）一起使用，并在電池背部采用背 板安裝。通過電池背部的電絕緣背板層，能使電子元件安裝在電池背部，而不會(huì)出現(xiàn)影響活 躍的電池區(qū)域的機(jī)械或熱應(yīng)力的問題。因?yàn)榛钴S的電池和電子元件是設(shè)置在背板的相對(duì)兩 偵牝并由于這樣的電子元件放置，使得活躍的電池照明區(qū)域引起的效率損害降到最少或者 沒有出現(xiàn)。
[0087] 圖17是背接觸/背結(jié)晶體半導(dǎo)體太陽能電池的典型橫截面圖，該太陽能電池例 如是薄的單晶硅太陽能電池（例如具有< 50 μ m的單晶硅吸收層），其層壓或附著有電隔 離背板層，在電池的向陽面的相反側(cè)（對(duì)應(yīng)背部）帶有高電導(dǎo)的電池互連（例如，包括鋁 和/或銅金屬化）。在圖17中所示的背接觸/背結(jié)晶體半導(dǎo)體太陽能電池，包括薄的或者 超薄的晶體硅半導(dǎo)體襯底22,襯底22可以是大面積的電池，例如尺寸為125mmxl25mm或者 156mmxl56mm(或者其它從150cm 2到1000cm2任意大尺寸）的襯底。電池向陽面是電池接 收光線的表面，可以包括前部紋理，以及鈍化和抗反射涂層22。在安裝背板之前，例如以叉 指背接觸鋁金屬化指狀物圖案的方式（例如含有數(shù)百個(gè)細(xì)間距金屬化而沒有任何電池上 匯流條的指狀物）將相對(duì)細(xì)間距的電池上金屬化（Ml金屬化層）指狀物24設(shè)置在電池背 部。例如，背板26可以是電池背部的永久層壓背板，其厚度處在0· 05mm至0· 50mm(例如 0. 05mm至0. 25mm)的范圍內(nèi)，使得在電池背部的電子元件安裝沒有在活躍的電池上產(chǎn)生應(yīng) 力問題。背板26可以包括導(dǎo)電插塞（例如鋁和/或銅插塞，嵌在背板內(nèi)或者設(shè)置在背板上， 用于將電池背部背板上的高導(dǎo)電池互連件28電連接到電池上叉指背接觸金屬化（Ml金屬 化）指狀物24。圖20突出一個(gè)高導(dǎo)電池互連件28 (M2金屬化層）的實(shí)施例，例如以正交變 換雙匯流條IBC金屬化圖案的形式，例如，帶有厚度范圍在幾個(gè)微米至100 μ m之間的鋁和 /或銅指狀物，以及從四對(duì)到幾十對(duì)的基極/發(fā)射極金屬化指狀物。
[0088] 圖18是類似于圖17所示的電池的背接觸/背結(jié)晶體半導(dǎo)體太陽能電池的橫截面 圖，帶有電池上電子元件（以單晶元件配置示出），包括電絕緣層30、電池上電子元件34以 及設(shè)置在電池背部的電傳導(dǎo)引線32。如圖所示，電子元件34安裝在背板上（或者背板內(nèi)）， 并且電引線32連接到電池互連件。設(shè)置在電池背板上的電池級(jí)電子元件可以是旁路開關(guān) 并且可選地為MPPT直流轉(zhuǎn)直流（或MPPT直流轉(zhuǎn)交流）功率優(yōu)化器。如圖18中的電池所 示，功率電子零件設(shè)置在電池的背部，并且通過背板進(jìn)行吸震/與活躍的電池吸收器隔離。 可選的提供電絕緣的電絕緣層30可以是噴涂或絲網(wǎng)印刷層或者是貼附板。如果沒有電絕 緣層30,電引線32可以用絕緣套包覆，從而只在預(yù)定的位置使引線電連接（通過焊接或者 用可導(dǎo)電環(huán)氧樹脂）。為了提供電子元件34的集成遮蔽管理和/或MPPT功率優(yōu)化（例如 直流轉(zhuǎn)直流或直流轉(zhuǎn)交流功率優(yōu)化器）元件和太陽能電池引線之間所需的電互連，電導(dǎo)引 線32 (例如一個(gè)旁路開關(guān)有兩條引線）可以電附著到電池引流條（和/或IBC指狀物）。 電池上的電子元件34可以包括旁路開關(guān)和/或直流轉(zhuǎn)直流MPPT或者直流轉(zhuǎn)交流MPPT功 率優(yōu)化器。還可以采用其它可能的狀態(tài)監(jiān)測和匯報(bào)電子元件。在太陽能電池上，附著到電 池的MPPT功率優(yōu)化器可以通過遠(yuǎn)程編程來關(guān)閉和開啟，重新安排電流和/或電壓輸出，并 且提供太陽能電池狀態(tài)（包括但不限于電池功率、溫度等）。
[0089] 圖19所示為背板和太陽能電池（如圖17和18所示）的IBC金屬化（M2金屬化） 圖案的頂視圖，換句話說，圖19所示為太陽能電池的背板側(cè)（與向陽面相對(duì)）。如此圖所 示，背板側(cè)包括高導(dǎo)電池金屬化互連件（M2金屬化層），圖示的發(fā)射極匯流條42和對(duì)應(yīng)的 發(fā)射極金屬化指狀物44和基極匯流條46和對(duì)應(yīng)的基極金屬化指狀物48,設(shè)置在背板表面 40 (背板表面40在圖17和18中所示為背板26)。在圖19的背接觸/背結(jié)IBC結(jié)構(gòu)中，在 背板的兩側(cè)上，互連圖案為帶有兩個(gè)匯流條（發(fā)射極和基極匯流條）叉指圖案。如前所述， 因?yàn)閺碾姵厣系奖嘲迳匣ハ噙B接的金屬化圖案正交變換（orthogonal transformation), 在背板上的叉指高電導(dǎo)率指狀物的數(shù)量可以比電池上的金屬化指狀物（如圖17和18中的 電池上金屬化指狀物所示）的數(shù)量要少（例如，背板上的指狀物數(shù)量比電池上IBC指狀物 的數(shù)量少大約10至50倍），并且在背板上的指狀物基本上與電池上的指狀物垂直。在背板 上，指狀物可以附著到背板上或者可以嵌入到背板內(nèi)，并且匯流條可以設(shè)置在背板上。功率 電子元件可以安裝和附著到這個(gè)背板表面（如果需要，可以帶有電絕緣）同時(shí)將電引線連 接到背板表面上的基極和發(fā)射極匯流條（例如通過焊接、導(dǎo)電環(huán)氧凸塊或者其它合適的連 接技術(shù)）。
[0090] 圖20所示為圖19中太陽能電池背板的頂（背板側(cè)與向陽面相對(duì)）視圖，在背板 側(cè)（電池背部）上，帶有的合適的薄型旁路開關(guān)直接附著到太陽能電池基極和發(fā)射極末端。 通過電引線52使電池上旁路開關(guān)50連接到高導(dǎo)電池金屬化（M2)互連件，電引線52通過 焊接點(diǎn)56連接到基極匯流條42和發(fā)射極匯流條46。如圖所示，例如，在背板的兩側(cè)，M2互 連圖案可以是帶有兩個(gè)匯流條的叉指圖案，旁路開關(guān)可以具有非常薄平面的封裝（例如， 封裝厚度優(yōu)選為小于1mm)和高電導(dǎo)率末端（例如以平帶條的形式）。每個(gè)旁路開關(guān)的末 端可以是電焊接或通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂以附著到每個(gè)匯流條上的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)（圖示的多 個(gè)點(diǎn)），從而當(dāng)旁路開關(guān)受到遮蔽而觸發(fā)和開啟的時(shí)候，能夠使通過電池的歐姆損耗降到最 小。在背板上，旁路開關(guān)的電引線可以合適地從叉指的指狀物實(shí)現(xiàn)電絕緣。
[0091] 例如，用于直接安裝在電池背板上的旁路開關(guān)的市面上有售的代表性實(shí)施例， 以形成實(shí)現(xiàn)分布式遮蔽管理解決方案（ISIS)智能電池和組件，該實(shí)施例包括：薄封裝 (0· 74mm)、適用于旁路二極管（旁路開關(guān)）的低正向電壓（低Vf) 10A肖特基二極管；以及 極其低正向電壓（極其低Vf)元件，適合用作接近理想的旁路開關(guān)。
[0092] 此外，低正向電壓（低Vf)開關(guān)稱為采用M0SFET技術(shù)的超勢壘整流器（SBR)，可以 適用為直接安裝在電池背板上的旁路開關(guān)，以形成智能電池和模塊，實(shí)現(xiàn)分布式遮蔽管理 解決方案（ISIS)。SBR比傳統(tǒng)的肖特基勢壘二極管提供更低正向偏壓電壓和更低反向漏電 流。此外，對(duì)比傳統(tǒng)的pn結(jié)二極管，SBR可以提供熱穩(wěn)定性和可靠性特性，但對(duì)于ISIS應(yīng) 用，其具有附加的出眾特性。替代地，低正向電壓（低Vf)開關(guān)稱為超勢壘整流器（SBR)，還 可以適用為直接安裝在電池背板上的旁路開關(guān)，以形成智能電池和模塊，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明主題 的分布式遮蔽管理解決方案。用于SBR開關(guān)技術(shù)的低正向偏壓和小反向漏的組合，可以使 它成為用于ISIS的旁路開關(guān)的一個(gè)非常有吸引力且合適的候選。
[0093] 而另一個(gè)用于直接安裝在電池背板上的旁路開關(guān)的市售代表性實(shí)施例，以形成實(shí) 現(xiàn)分布式遮蔽管理解決方案（ISIS)智能電池和組件，該實(shí)施例包括采用M0SFET技術(shù)的 低正向電壓（低Vf)開關(guān)，其稱作冷卻旁路開關(guān)（CBS)。各種封裝可用于市售的低正向電 壓（低Vf)肖特基二極管以及采用M0SFET技術(shù)的低正向電壓開關(guān)，其稱作冷卻旁路開關(guān) (CBS)。
[0094] 通過直接將功率優(yōu)化器電子器件分布在電池背板上，實(shí)現(xiàn)電池直流轉(zhuǎn)直流MPPT 功率優(yōu)化或者直流轉(zhuǎn)交流MPPT功率優(yōu)化：圖21所示為圖19中的太陽能電池背板帶有M2 互連圖案的頂視圖，帶有直流轉(zhuǎn)直流MPPT功率優(yōu)化器或者直流轉(zhuǎn)交流MPPT功率優(yōu)化器，并 直接附著到背板側(cè)上的電池末端。在這個(gè)圖示的實(shí)施例中，功率優(yōu)化芯片（可以是直流轉(zhuǎn) 直流或直流轉(zhuǎn)交流電源優(yōu)化器）被示為具有兩個(gè)輸入端（帶有連接到太陽能電池基極和發(fā) 射極匯流條的輸入）和兩個(gè)輸出端（其提供功率優(yōu)化芯片的調(diào)整輸出電流/電壓并且連接 到底板上的外部成對(duì)的匯流條）。在電池上功率優(yōu)化器64的輸入端上（例如，直流轉(zhuǎn)直流 MPPT或直流轉(zhuǎn)交流MPPT功率優(yōu)化器）是通過正極輸入端引線66和負(fù)極輸入端引線68連 接到高導(dǎo)電池金屬化互連件，分別通過焊點(diǎn)56連接到太陽能電池的正極（發(fā)射極）匯流條 42和負(fù)極（基極）匯流條46。負(fù)極輸出電引線58和正極輸出電引線70,分別通過調(diào)整的 輸出端連接到負(fù)極輸出引線62和通過焊點(diǎn)60連接到正極輸出引線64,從而連接到電池電 源優(yōu)化器64。電池上功率優(yōu)化器64有效地提供用于太陽能電池的可變阻抗輸入，以便操作 所述太陽能電池在任何時(shí)候處于其最大功率點(diǎn)，以預(yù)先指定的恒定電流級(jí)（對(duì)應(yīng)在串聯(lián)連 接電池中匹配的電流）或預(yù)先指定的恒定電壓級(jí)（對(duì)應(yīng)在并聯(lián)連接電池中匹配的電壓），同 時(shí)在其輸出端提供最大電池功率。
[0095] 如圖21所示，電池的背板側(cè)包括例如由鋁和/或銅制成的高導(dǎo)電池金屬化互連 (M2層）。M2互連圖案可以是叉指圖案，在背板表面的兩側(cè)帶有兩個(gè)匯流條（發(fā)射極和基極 匯流條）。MPPT功率優(yōu)化電子元件（例如單芯片封裝）具有薄的扁平封裝（例如，優(yōu)選具 有小于1_厚度的封裝）和高電導(dǎo)率的末端（例如平帶條）。MPPT功率優(yōu)化器電子器件的 每個(gè)輸入端可以通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂來的方式電焊接或附著到每個(gè)匯流條（發(fā)射極和基極 的母線）上的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)，從而減少電池中的歐姆損耗。類似地，MPPT功率優(yōu)化器電子 的每個(gè)輸出端可以通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂來的方式電焊接或附著到每個(gè)輸出匯流條上的一個(gè) 或多個(gè)點(diǎn)，從而減少電池中的歐姆損耗。
[0096] 如圖21所示，輸出匯流條62和64是可選的。如果使用這兩個(gè)輸出匯流條，在電池 制造過程中，它們可與其它電池背板M2互連指狀物以及發(fā)射極和基極匯流條于同一時(shí)間 在背板上形成。如果不使用輸出匯流條，在PV模塊組裝和整合到電池互連的過程中，MPPT 功率優(yōu)化電子器件的輸出端可以直接用作電池輸出端。
[0097] 根據(jù)本發(fā)明主題的一個(gè)方面，在電池背板上附著安裝MPPT功率優(yōu)化電子（直流 轉(zhuǎn)直流或直流轉(zhuǎn)交流）。圖22所示為太陽能電池 IV特性曲線和最大功率點(diǎn)（MPP)，該最 大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)給定照明（例如，lsun的照明）的最大電能采集（MPP是不同的，對(duì)于不同等 級(jí)的太陽能電池照明度）。一個(gè)實(shí)施例，圖23為典型的太陽能模塊IV曲線圖，其所示為? 0.4sun到?lsun的不同的太陽能模塊光照強(qiáng)度下的功率vs.電壓特性。為了從日出到日 落期間最大限度地提高電能采集，按照本發(fā)明的主題的電池實(shí)施例，使MPPT功率優(yōu)化器電 子器件能夠放置在每個(gè)電池背面（背板），以最大限度地提高PV模塊和PV系統(tǒng)的能量產(chǎn) 出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)非常高的系統(tǒng)級(jí)可靠性和非常低的LC0E。
[0098] 有一些市售的單芯片直流轉(zhuǎn)直流MPPT功率優(yōu)化器電子器件適用于本文所公開的 電池（電池級(jí)）MPPT功率優(yōu)化應(yīng)用?？商鎿Q地，可以設(shè)計(jì)和制造一個(gè)為給定的太陽能電池 進(jìn)行了優(yōu)化的單片（或接近單片）MPPT功率優(yōu)化器。盡管一些示例性芯片可能有矯枉過正 的設(shè)計(jì)，以及提供過多的功率能力，其用于電池單元背面/底板上的分布式電池級(jí)MPPT功 率優(yōu)化器電子器件的實(shí)施，可以使用更低的功率（例如，最大為5至10瓦）單芯片解決方 案以直接安裝并附著在電池背板。
[0099] 通過將分布式MPPT功率優(yōu)化器設(shè)置在電池背板上和將它們層壓在太陽能模塊 內(nèi)，本文公開的分布式MPPT直流轉(zhuǎn)直流（或直流轉(zhuǎn)交流）功率優(yōu)化解決方案提供了廣泛的 功能和優(yōu)點(diǎn)包括，但不限于以下內(nèi)容：
[0100]-對(duì)比模塊級(jí)直流轉(zhuǎn)直流逆變器盒或者直流轉(zhuǎn)交流微逆變器盒或者集中式逆變器 MPPT功率優(yōu)化，總體緩解遮蔽影響和大幅提升PV模塊和安裝的PV系統(tǒng)的電能采集。
[0101]-無需單獨(dú)的旁路二極管或旁路開關(guān)。
[0102] -從遮蔽的電池采集電能而不是對(duì)遮蔽的電池進(jìn)行分流和旁路。
[0103] -允許按不同的裝箱（binning)參數(shù)制作由不匹配/參差的電池組成的PV模塊。 [0104]-為制造的模塊減少每一瓦特的有效成本。
[0105]-無需模塊級(jí)MPPT直流轉(zhuǎn)直流（或者直流轉(zhuǎn)交流）功率優(yōu)化器。
[0106]-在最后的模塊層壓之前，分布式MPPT功率優(yōu)化器（直流轉(zhuǎn)直流或者直流轉(zhuǎn)交 流）安裝和附著到每個(gè)電池背板，使得在電池級(jí)能夠?qū)崿F(xiàn)完整的遠(yuǎn)程接入狀態(tài)監(jiān)測、診斷 和控制。每個(gè)電池可以被遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制（例如，關(guān)閉電池或重新開啟電池）并且電池和 模塊的狀態(tài)可被實(shí)時(shí)監(jiān)測。
[0107] -可以通過無線通信（WiFi)或者通過PV模塊功率引線上方的RF/AC調(diào)制來實(shí)現(xiàn) 電池級(jí)通信。
[0108] -對(duì)比其它模塊和安裝的PV系統(tǒng)中的電池，分布式電池 MPPT功率優(yōu)化電子器件可 提供電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及它們的相應(yīng)性能。
[0109] -遠(yuǎn)程接入信號(hào)可以尋址和重新安排用于各種任務(wù)的分布式MPPT功率優(yōu)化電子 器件，如關(guān)閉或啟動(dòng)（例如，在維修、安裝、啟動(dòng)等過程中）整體PV模塊或系統(tǒng)，或調(diào)整所需 MPPT模塊的電流和/或電壓等。
[0110] -在現(xiàn)場中，可為安裝的PV系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的測量指標(biāo)，如電池溫度（在背板側(cè) 上）。
[0111] 已經(jīng)很大程度上說明本文所描述的實(shí)施例結(jié)合了背接觸/背結(jié)晶體硅太陽能電 池，并使用非常薄的單結(jié)晶硅吸收層和背板，但應(yīng)該理解到，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，所公開 的主題的各方面可應(yīng)用于其它的太陽能電池和模塊的實(shí)施例，包括但不限于以下內(nèi)容：包 括這種電池的前接觸太陽能電池和PV模塊；如那些由GaAs、GaN、Ge和/或其它元素的晶 體和化合物半導(dǎo)體所制成的非晶體硅太陽能電池及模塊；以及，基于晶片的太陽能電池，包 括由晶體半導(dǎo)體晶片（如晶體硅晶片）制成的背接觸/前結(jié)、背接觸/背結(jié)和前結(jié)的太陽 能電池。
[0112] 然而，正如前面所指出的，作為本發(fā)明主題的方面，使用背接觸電池的有益效果 是，實(shí)施背接觸電池基本上不會(huì)最終影響到模塊制造。此外，在電池的背側(cè)上面，發(fā)射極和 基極的互連引線都可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整體的電池上電子器件的簡化，以促進(jìn)能量采集，以及 實(shí)現(xiàn)額外的電池級(jí)檢測和控制功能。
[0113] 上述示例性實(shí)施例的描述是為了使任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解或使用權(quán)利 要求的主題。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)這些實(shí)施例的各種修改將是顯然的，且本文所界定的一般 原理可應(yīng)用于其它實(shí)施例而無需創(chuàng)造性的能力。因此，要求保護(hù)的主題并非旨在被限定于 本文中所示的實(shí)施例，而是應(yīng)被賦予與本文所揭示的原理和新穎特征相一致的最廣范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種背接觸太陽能電池，包括： 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有光捕獲前部以及與光捕獲前部相對(duì)的背部； 設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述背部的第一叉指金屬化圖案； 附著到所述半導(dǎo)體襯底的背板，所述背板支撐所述半導(dǎo)體襯底； 設(shè)置在所述背板上的第二叉指金屬化圖案，所述第二叉指金屬化圖案連接到所述第一 叉指金屬化圖案； 附著安裝到所述第二叉指金屬化圖案的電池上的電子元件，所述電子元件包括旁路開 關(guān)；以及 連接所述電池上的電子元件到所述第二叉指金屬化圖案的電引線；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸太陽能電池，其中所述電子元件是肖特基二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸太陽能電池，其中所述電子元件是pn結(jié)二極管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸太陽能電池，其中所述電子元件是包含雙極結(jié)型晶體 管的電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸太陽能電池，其中所述電子元件是包含金屬氧化層半 導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET)的電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸太陽能電池，其中所述第二叉指金屬化圖案與所述第 一叉指金屬化圖案正交地對(duì)齊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的背接觸太陽能電池，其中所述電子元件還包括最大功率點(diǎn)跟 蹤功率優(yōu)化器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的背接觸太陽能電池，其中所述電子元件還包括直流轉(zhuǎn)直流 MPPT功率優(yōu)化器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的背接觸太陽能電池，其中所述電子元件還包括直流轉(zhuǎn)交流 MPPT功率優(yōu)化器。
10. -種背接觸背結(jié)太陽能電池，包括： 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有光捕獲前部以及與光捕獲前部相對(duì)的背部； 設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述背部的第一叉指金屬化圖案； 附著到所述半導(dǎo)體襯底的背板，所述背板支撐所述半導(dǎo)體襯底； 設(shè)置在所述背板上的第二叉指金屬化圖案，所述第二叉指金屬化圖案連接到所述第一 叉指金屬化圖案； 附著安裝到所述第二叉指金屬化圖案的電池上的電子元件，所述電子元件包括最大功 率點(diǎn)跟蹤功率優(yōu)化器；以及 連接所述電池上的電子元件到所述第二叉指金屬化圖案的電引線。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的背接觸背結(jié)太陽能電池，其中所述電子元件是直流轉(zhuǎn)直流 MPPT功率優(yōu)化器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的背接觸背結(jié)太陽能電池，其中所述電子元件是直流轉(zhuǎn)交流 MPPT功率優(yōu)化器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的背接觸背結(jié)太陽能電池，其中所述第二叉指金屬化圖案與 所述第一叉指金屬化圖案正交地對(duì)齊。
14. 一種太陽能光伏模塊，包括： 復(fù)數(shù)個(gè)背接觸太陽能電池，每個(gè)所述背接觸太陽能電池包括： 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有光捕獲前部以及與光捕獲前部相對(duì)的背部； 設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述背部的第一叉指金屬化圖案； 附著到所述半導(dǎo)體襯底的背板，所述背板支撐所述半導(dǎo)體襯底； 設(shè)置在所述背板上的第二叉指金屬化圖案，所述第二叉指金屬化圖案連接到所述第一 叉指金屬化圖案； 附著安裝到所述第二叉指金屬化圖案的電池上的電子元件，所述電子元件包括旁路開 關(guān)；以及 連接所述電池上的電子元件到所述第二叉指金屬化圖案的電引線；并且 所述復(fù)數(shù)個(gè)背接觸太陽能電池在所述模塊內(nèi)互相電連接。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能光伏模塊，其中所述電子元件還包括最大功率點(diǎn)跟 蹤功率優(yōu)化器。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的太陽能光伏模塊，其中所述電子元件還包括直流轉(zhuǎn)直流 MPPT功率優(yōu)化器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的太陽能光伏模塊，其中所述電子元件還包括直流轉(zhuǎn)交流 MPPT功率優(yōu)化器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能光伏模塊，其中，每一個(gè)所述背接觸太陽能電池上 的所述第二叉指金屬化圖案與每一個(gè)所述背接觸太陽能電池上的所述第一叉指金屬化圖 案正交地對(duì)齊。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能光伏模塊，其中所述電子元件是包含金屬氧化層半 導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET)的電路。
20. -種太陽能光伏模塊，包括： 復(fù)數(shù)個(gè)背接觸太陽能電池，每個(gè)所述背接觸太陽能電池包括： 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有光捕獲前部以及與光捕獲前部相對(duì)的背部； 設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的所述背部的第一叉指金屬化圖案； 附著到所述半導(dǎo)體襯底的背板，所述背板支撐所述半導(dǎo)體襯底； 設(shè)置在所述背板上的第二叉指金屬化圖案，所述第二叉指金屬化圖案連接到所述第一 叉指金屬化圖案； 附著安裝到所述第二叉指金屬化圖案的電池上的電子元件，所述電子元件包括最大功 率點(diǎn)跟蹤功率優(yōu)化器；以及 連接所述電池上的電子元件到所述第二叉指金屬化圖案的電引線；并且 所述復(fù)數(shù)個(gè)背接觸太陽能電池在所述模塊內(nèi)互相電連接。
【文檔編號(hào)】H01L31/0224GK104106143SQ201280067268
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月20日
【發(fā)明者】M·M·穆斯利赫, M·溫格特 申請(qǐng)人:速力斯公司