具有通過印刷導(dǎo)體串聯(lián)連接的印刷光伏電池的光伏模塊的制作方法
【專利說明】具有通過印刷導(dǎo)體串聯(lián)連接的印刷光伏電池的光伏模塊
[0001]相關(guān)串請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張由特利西妞.楊布(Tricia Youngbull)等人在2013年3月15日申請(qǐng)的標(biāo)題為“全印刷光伏模塊(All-Printed Photovoltaic Modules) ”的第61/790，507號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，所述案讓渡給本受讓人且以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及形成光伏(PV)面板(也稱為太陽能面板或太陽能電池)，且特定地說，涉及一種用于印刷具有串聯(lián)連接在一起的光伏電池的光伏面板的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004]標(biāo)題為“制造發(fā)光、光伏或其它電子設(shè)備和系統(tǒng)的方法(Method ofManufacturing a Light Emitting, Photovoltaic or Other Electronic Apparatus andSystem)”的第US2010/0167441號(hào)美國專利申請(qǐng)公開案讓渡給本受讓人且以引用的方式并入本文中。所述公開案描述使用半導(dǎo)體微二極管的陣列形成發(fā)光二極管(LED)薄板及光伏(PV)面板的各種技術(shù)。特定地說，光伏面板由微球體組成且直徑可大約為20微米到40微米。制造硅球體的若干方法是已知的且包含:在落塔中由熔融硅形成球體，在襯底上圖案化硅粒子聚結(jié)物且熔融所述硅粒子聚結(jié)物以通過表面張力形成球體，或使粉末下墜穿過等離子反應(yīng)器。
[0005]在現(xiàn)有技術(shù)中，可制造所有微二極管并聯(lián)連接的相對(duì)較大的光伏電池。由每一光伏電池產(chǎn)生的電壓是約0.6伏特，且電流取決于電池的大小。多個(gè)光伏電池可分開制造且接著個(gè)別光伏電池可安裝于大得多的共同襯底(例如具有幾平方英尺的面積)上以形成模塊。完成對(duì)電池的串焊(tabbing and stringing)以串聯(lián)連接個(gè)別光伏電池以增大模塊的電壓。此工藝是緩慢且昂貴的，且用于連接到每一電池的焊接點(diǎn)易于斷裂，導(dǎo)致面板的操作壽命期間的功率損耗。還在連續(xù)工藝中在模塊層級(jí)完成旁路二極管的集成，且通常，若干電池依靠單一旁路二極管以節(jié)省成本。此外，此增大電壓的技術(shù)受到限制，因?yàn)樵诖笠r底上分開安裝越來越多的光伏面板且將其串聯(lián)連接造成線性增大的成本。
[0006]需要一種使用印刷硅微二極管形成任何大小的單一光伏模塊的廉價(jià)技術(shù)，其中單一光伏模塊由與并聯(lián)連接的印刷旁路二極管串聯(lián)連接的諸多小光伏電池組成。此還允許單一光伏面板產(chǎn)生更高電壓，例如超過200伏特。此最終降低光伏陣列的系統(tǒng)成本的總余額。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一項(xiàng)實(shí)施例中，將全大氣壓工藝用于形成光伏面板。可使用高效卷帶式(roll-to-roll)制造技術(shù)。
[0008]在一項(xiàng)實(shí)施例中，柔性的電介質(zhì)襯底(例如聚碳酸酯、PET或其它聚合物)用作起始襯底。在另一實(shí)施例中，起始襯底是薄金屬箔，且所述箔在電池隔離之前層壓到電介質(zhì)襯底上。
[0009]將一層含鋁墨水印刷于襯底上方，接著在未固化含鋁墨水上印刷硅球體漿液。假定起始襯底是金屬箔，例如鋁箔。在印刷期間(例如)通過狹縫式模具涂布、絲網(wǎng)掩?；蛲ㄟ^膠版印刷圖案化所述含鋁墨水，以界定個(gè)別光伏電池的陣列。
[0010]將硅球體的漿液制備為墨水。硅球體的直徑可為10微米到300微米且經(jīng)預(yù)摻雜為η型或P型或具有本征導(dǎo)電類型。在實(shí)例中假定輕微摻雜的P型微球體。接著，以與圖案化含鋁墨水的相同圖案印刷漿液。所印刷漿液形成緊密堆積的硅球體單層，且所述球體變?yōu)榍度牒X墨水中。接著，通過連續(xù)爐或其它熱源固化含鋁墨水(例如，使墨水的溶劑蒸發(fā))及使含鋁墨水退火(燒結(jié)鋁粒子)。所述退火導(dǎo)致硅球體的接觸區(qū)域與鋁墨水形成合金以形成背表面場(chǎng)或高度摻雜的P+硅，且形成與鋁的歐姆接觸。此P+層減少球體背表面處的電子-空穴重組，且因此使效率增大總計(jì)I到3個(gè)百分點(diǎn)。
[0011]在球體上方印刷電介質(zhì)。所述電介質(zhì)經(jīng)設(shè)計(jì)以通過毛細(xì)管作用及表面張力從所述微球體的頂部潤濕移除(wet off)(或毛細(xì)吸附移除(wick off))，以在微球體之間形成I微米到15微米厚的涂層，且接著固化。所述娃球體的頂部上剩余的約150nm或更少的殘余電介質(zhì)層不會(huì)對(duì)形成Pn結(jié)造成有害效果。
[0012]在球體上方印刷磷酸、摻雜磷的玻璃、摻雜磷的硅納米粒子或含磷硅前驅(qū)體，且通過(例如)激光進(jìn)行加熱，以將η型摻雜物擴(kuò)散到球體的頂表面中，形成二極管。接著，從球體的頂部洗除殘余磷摻雜物。
[0013]接著，在球體的暴露η型層上方狹縫式模具涂布(或通過其它方法印刷)例如導(dǎo)電墨水的透明導(dǎo)體。如果所述導(dǎo)體材料經(jīng)沉積為液體，那么導(dǎo)體粘度可足夠低以使所述導(dǎo)體材料通過重力、表面張力及毛細(xì)管作用匯集在球體的下部附近，且從球體上方縮回以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此匯集減小導(dǎo)體的電阻且避免了導(dǎo)體覆蓋二極管且減小光學(xué)透射的問題。
[0014]因此，連續(xù)底部鋁箔襯底電接觸微二極管的陽極側(cè)，且圖案化透明導(dǎo)體電接觸微二極管的陰極側(cè)。每一個(gè)光伏電池中的所有微二極管經(jīng)并聯(lián)連接。整個(gè)光伏模塊可為幾英尺寬及幾英尺長。
[0015]接著，將電介質(zhì)襯底層壓到鋁箔襯底的背表面。
[0016]以下技術(shù)用于電隔離單一模塊內(nèi)的光伏電池以允許所述電池串聯(lián)連接。
[0017]控制激光以燒蝕印刷光伏電池之間(即，在未印刷所述球體的間隙內(nèi))的鋁箔襯底，直到層壓電介質(zhì)的襯底，以形成圍繞每一電池區(qū)域的窄溝槽以使所述電池彼此電隔離。每一電池可為正方形、矩形、六邊形或其它形狀。取決于待產(chǎn)生的所需電壓，每一電池可為任何大小。舉例來說，由于每一電池產(chǎn)生約0.6伏特，所以針對(duì)100伏特系統(tǒng)，在模塊中形成約170個(gè)電池。接著，偏移印刷電介質(zhì)材料以部分填充電池之間的間隙以電絕緣相鄰電池的導(dǎo)電陽極層。
[0018]接著，執(zhí)行金屬化步驟以在電池的頂表面上的所述透明陰極導(dǎo)體與相鄰電池的邊沿處的暴露陽極導(dǎo)體之間形成連接，以串聯(lián)連接所有電池。此金屬化步驟可為在所述間隙中的電介質(zhì)材料上方圖案化的印刷金屬墨水?？稍谒稣麄€(gè)光伏模塊上方依蛇形圖案連接電池。
[0019]常規(guī)光伏面板通常外部連接到旁路二極管，所述旁路二極管與所述光伏面板按反并聯(lián)關(guān)系連接。在(例如)通過靜電放電或其它電壓源將反向偏壓施加到光伏面板的情況中，旁路二極管傳導(dǎo)電流。
[0020]在本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例中，每一電池具有通過激光溝槽形成步驟隔離的小區(qū)域，所述小區(qū)域被用作所述電池的旁路二極管。舉例來說，取決于所述電池的大小，旁路二極管可占據(jù)電池的1/25或更少。在金屬化步驟期間，旁路二極管與其相鄰光伏電池按反并聯(lián)關(guān)系連接以保護(hù)電池。
[0021]所述金屬化步驟還可在每一電池的透明導(dǎo)體層上方形成薄平行條狀物，以改進(jìn)跨每一電池的表面的電流散布。
[0022]所述金屬化步驟還可將一些電池并聯(lián)連接以實(shí)現(xiàn)面板的目標(biāo)電壓及電流。
[0023]—或多個(gè)透明層可形成于硅微二極管上方以減少反射。接著，(例如)通過將透明頂部薄板層壓到面板來封裝所得光伏模塊。
[0024]在詳述中描述其它實(shí)施例。所有步驟都可在大氣壓條件下執(zhí)行。
【附圖說明】
[0025]圖1是起始薄金屬箔襯底的俯視圖。對(duì)于卷帶式全大氣壓印刷工藝，襯底可為任何大小。
[0026]圖2圖解說明緊接在涂布一層硅球體之前狹縫式模具涂布(印刷)含鋁墨水或膏層，使得球體上覆于未固化導(dǎo)體層。此類層可通過其它方式(例如輪轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印刷或輥式刮刀(knife-over-roll)涂布)施覆。印刷層經(jīng)圖案化以形成通過間隙分開的光伏電池，所述光伏電池最終串聯(lián)連接。
[0027]圖3是光伏電池的沿著一行P型硅球體的部分的橫截面圖，其圖解說明在未固化導(dǎo)體層上沉積硅球體以形成緊密堆積單層。為簡(jiǎn)明起見將展示只對(duì)單一球體上執(zhí)行所述工藝，但是可在光伏模塊的整個(gè)表面上方同時(shí)執(zhí)行所述工藝的每一步驟。
[0028]圖4圖解說明氣刀，其從硅球體漿液蒸發(fā)溶劑以協(xié)助薄層(例如單層)的形成，同時(shí)迫使球體進(jìn)入未固化導(dǎo)體層中。圖4還圖解說明硅球體層及導(dǎo)體層被退火以在硅球體中形成背表面場(chǎng)。
[0029]圖5圖解說明在圖4的工藝之后硅球體接合到導(dǎo)體層。
[0030]圖6圖解說明涂布在光伏面板的表面上方的電介質(zhì)障壁層。
[0031]圖7圖解說明電介質(zhì)已從微球體的頂部潤濕移除(或毛細(xì)吸附移除)而暴露硅表面。
[0032]圖8圖解說明沉積在硅表面上方的η型摻雜物層。η型摻雜物原子是從η摻雜物層擴(kuò)散到硅中以原位形成ρη 二極管。
[0033]圖9圖解說明在摻雜下伏硅之后洗除η型摻雜物層。
[0034]圖10圖解說明至少沿著硅球體的邊沿涂布的透明導(dǎo)體或其它導(dǎo)體。透明導(dǎo)體材料(如果沉積為液體)可通過毛細(xì)管作用從球體的頂表面自動(dòng)縮回且令人滿意地匯集在球體的周邊附近以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
[0035]圖11是所得光伏面板的俯視圖，其展示(例如)在卷帶式工藝中在將金屬箔襯