具有通過印刷導體串聯連接的印刷光伏電池的光伏模塊的制作方法
【專利說明】具有通過印刷導體串聯連接的印刷光伏電池的光伏模塊
[0001]相關串請案的交叉參考
[0002]本申請案主張由特利西妞.楊布(Tricia Youngbull)等人在2013年3月15日申請的標題為“全印刷光伏模塊(All-Printed Photovoltaic Modules) ”的第61/790，507號美國臨時申請案的優先權，所述案讓渡給本受讓人且以引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及形成光伏(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連接在一起的光伏電池的光伏面板的技術。
【背景技術】
[0004]標題為“制造發光、光伏或其它電子設備和系統的方法(Method ofManufacturing a Light Emitting, Photovoltaic or Other Electronic Apparatus andSystem)”的第US2010/0167441號美國專利申請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體微二極管的陣列形成發光二極管(LED)薄板及光伏(PV)面板的各種技術。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物且熔融所述硅粒子聚結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器。
[0005]在現有技術中，可制造所有微二極管并聯連接的相對較大的光伏電池。由每一光伏電池產生的電壓是約0.6伏特，且電流取決于電池的大小。多個光伏電池可分開制造且接著個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。完成對電池的串焊(tabbing and stringing)以串聯連接個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易于斷裂，導致面板的操作壽命期間的功率損耗。還在連續工藝中在模塊層級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省成本。此外，此增大電壓的技術受到限制，因為在大襯底上分開安裝越來越多的光伏面板且將其串聯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技術，其中單一光伏模塊由與并聯連接的印刷旁路二極管串聯連接的諸多小光伏電池組成。此還允許單一光伏面板產生更高電壓，例如超過200伏特。此最終降低光伏陣列的系統成本的總余額。
【發明內容】
[0007]在一項實施例中，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。
[0008]在一項實施例中，柔性的電介質襯底(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、絲網掩模或通過膠版印刷圖案化所述含鋁墨水，以界定個別光伏電池的陣列。
[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微米且經預摻雜為η型或P型或具有本征導電類型。在實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，且所述球體變為嵌入含鋁墨水中。接著，通過連續爐或其它熱源固化含鋁墨水(例如，使墨水的溶劑蒸發)及使含鋁墨水退火(燒結鋁粒子)。所述退火導致硅球體的接觸區域與鋁墨水形成合金以形成背表面場或高度摻雜的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I到3個百分點。
[0011]在球體上方印刷電介質。所述電介質經設計以通過毛細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層不會對形成Pn結造成有害效果。
[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體，且通過(例如)激光進行加熱，以將η型摻雜物擴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)例如導電墨水的透明導體。如果所述導體材料經沉積為液體，那么導體粘度可足夠低以使所述導體材料通過重力、表面張力及毛細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電網絡。此匯集減小導體的電阻且避免了導體覆蓋二極管且減小光學透射的問題。
[0014]因此，連續底部鋁箔襯底電接觸微二極管的陽極側，且圖案化透明導體電接觸微二極管的陰極側。每一個光伏電池中的所有微二極管經并聯連接。整個光伏模塊可為幾英尺寬及幾英尺長。
[0015]接著，將電介質襯底層壓到鋁箔襯底的背表面。
[0016]以下技術用于電隔離單一模塊內的光伏電池以允許所述電池串聯連接。
[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)的鋁箔襯底，直到層壓電介質的襯底，以形成圍繞每一電池區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，由于每一電池產生約0.6伏特，所以針對100伏特系統，在模塊中形成約170個電池。接著，偏移印刷電介質材料以部分填充電池之間的間隙以電絕緣相鄰電池的導電陽極層。
[0018]接著，執行金屬化步驟以在電池的頂表面上的所述透明陰極導體與相鄰電池的邊沿處的暴露陽極導體之間形成連接，以串聯連接所有電池。此金屬化步驟可為在所述間隙中的電介質材料上方圖案化的印刷金屬墨水。可在所述整個光伏模塊上方依蛇形圖案連接電池。
[0019]常規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關系連接。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，旁路二極管傳導電流。
[0020]在本發明的一項實施例中，每一電池具有通過激光溝槽形成步驟隔離的小區域，所述小區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關系連接以保護電池。
[0021]所述金屬化步驟還可在每一電池的透明導體層上方形成薄平行條狀物，以改進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連接以實現面板的目標電壓及電流。
[0023]—或多個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施例。所有步驟都可在大氣壓條件下執行。
【附圖說明】
[0025]圖1是起始薄金屬箔襯底的俯視圖。對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體層。此類層可通過其它方式(例如輪轉絲網印刷或輥式刮刀(knife-over-roll)涂布)施覆。印刷層經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體層上沉積硅球體以形成緊密堆積單層。為簡明起見將展示只對單一球體上執行所述工藝，但是可在光伏模塊的整個表面上方同時執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溶劑以協助薄層(例如單層)的形成，同時迫使球體進入未固化導體層中。圖4還圖解說明硅球體層及導體層被退火以在硅球體中形成背表面場。
[0029]圖5圖解說明在圖4的工藝之后硅球體接合到導體層。
[0030]圖6圖解說明涂布在光伏面板的表面上方的電介質障壁層。
[0031]圖7圖解說明電介質已從微球體的頂部潤濕移除(或毛細吸附移除)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體或其它導體。透明導體材料(如果沉積為液體)可通過毛細管作用從球體的頂表面自動縮回且令人滿意地匯集在球體的周邊附近以形成導電網絡。
[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