太阳能面板的制作方法

本专利申请要求2015年8月18日提交的标题为“Solar Panel”(太阳能面板)的美国临时专利申请No.62/206,667的优先权权益，该临时专利申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及其中太阳能电池以叠盖(shingled)方式布置的太阳能电池模块，更具体地涉及如下太阳能模块：在电并联的多列太阳能电池中的太阳能电池之间的背面电连接提供了绕过任何表现不佳的太阳能电池而穿过太阳能模块的迂回电流通路。

背景技术：

人类需要替代能源来满足全球日益增长的能源需求。在许多地理区域，部分地借助太阳能资源，用太阳能(如光伏)电池产生的电力，就足以满足这种需求。

技术实现要素：

一方面，太阳能模块包括多个超级电池，这些超级电池被布置成物理上平行、且彼此以并联方式电连接的两列或多列。每个超级电池都包括多个成直线布置的矩形硅太阳能电池，其中相邻的硅太阳能电池的长边重叠且彼此直接导电接合，使硅太阳能电池以串联方式电连接。太阳能模块还包括多个迂回电互连件，每个迂回电互连件都被布置成垂直于超级电池列延伸，以将并排位于相邻列中的至少一对太阳能电池的背面电连接，从而提供迂回电流通路，在一个或多个其他太阳能电池提供的电流不足以支持模块的正常工作的情况下，所述迂回电流通路便绕过一个或多个其他太阳能电池而穿过所述模块。这些迂回电流通路不穿过旁路二极管。

在结合附图，参阅本发明的以下更详细的描述之后，本发明的这些和其他实施例、特征和优点对于本领域技术人员而言将变得更加清楚，下面首先简要描述附图。

附图说明

图1示出了以叠盖方式布置、串联连接的一串太阳能电池的横截面示意图，其中相邻太阳能电池的端部重叠，从而形成叠盖的超级电池。

图2示出了包括多个叠盖的矩形超级电池的示例性矩形太阳能模块的前表面的示意图，其中每个超级电池长边的长度近似等于太阳能模块长边的全长。超级电池的长边被布置成与太阳能模块的长边平行。

图3至图11示出了示例性太阳能模块的背面的示意图，其中，相邻列的超级电池中的太阳能电池的背面之间的电互连提供了绕过因受损、被遮挡或别的原因造成表现不佳的太阳能电池而穿过太阳能模块的替代电流通路(即迂回)。

图12A至图12B示出了各个太阳能电池背面的金属化，以及超级电池之间的迂回电连接，这两种特征使电流能够围绕太阳能电池中的水平裂纹而流动。

图13示出了在施加均匀的机械负载之后，常规太阳能模块中的典型裂纹图案。

图14A示出了示例性的图案化金属化后板，该后板提供的电连接与图10所示的电互连件和返回导线提供的电连接对应。图14B示出了到图14A所示接线盒中的旁路二极管的电互连的近距离视图。

具体实施方式

应当参照附图来阅读以下具体实施方式，在所有不同的附图中，相同的参考标号指代类似的元件。附图(未必按比例绘制)描绘了选择性实施例，而无意于限定本发明的范围。具体实施方式以举例而非限定的方式示出了本发明的原理。该具体实施方式描述了本发明的若干个实施例，若干种改编形式、变型形式、替代方案和用途，包括目前据信是实施本发明的最佳模式；本领域技术人员阅读该具体实施方式之后，将清楚了解使用本发明的技术制造本发明的太阳能面板的方法。

除非上下文清楚地另行指示，否则本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”，皆包括多个指代物。另外，术语“平行”用来指“大致平行”，涵盖与平行几何形状的细微偏差。术语“垂直”用来指“垂直或大致垂直”，涵盖与垂直几何形状的细微偏差，而并非要求本文所述的任何垂直布置都是完全垂直的。术语“正方形”用来指“正方形或大致正方形”，涵盖与正方形的细微偏差，例如具有倒角(如倒圆或其他截顶)拐角的大致正方形形状。术语“矩形”用来指“矩形或大致矩形”，涵盖与矩形的细微偏差，例如具有倒角(如倒圆或其他截顶)拐角的大致矩形形状。

本说明书公开的高效率太阳能模块(在本文中也称太阳能面板)包括多个硅太阳能电池，这些硅太阳能电池以重叠叠盖方式布置，并通过相邻的重叠太阳能电池之间的导电接合而以串联方式电连接，从而形成超级电池，这些超级电池在太阳能模块中被布置成物理上平行的列。超级电池可包括任何适宜数量的太阳能电池。举例来说，超级电池的长度可基本上跨太阳能模块的全长或全宽，或者，两个或多个超级电池可被布置成端对端成一列。这种布置将太阳能电池到太阳能电池的电互连隐藏起来，不仅提升了太阳能模块的工作效率，还使其外观更有美感。

有利的是，本文所述的太阳能模块包括位于相邻列的超级电池中的太阳能电池的背面之间的电互连件，这些电互连件提供了绕过因受损、被遮挡或别的原因造成表现不佳的太阳能电池而穿过太阳能面板的替代电流通路(即迂回)。这些迂回电流通路不穿过旁路二极管。

现在转向附图，以便更详细地了解本说明书中所描述的太阳能模块，图1示出了以叠盖方式布置、串联连接的一串太阳能电池10的横截面视图，其中相邻太阳能电池的端部重叠并电连接，从而形成超级电池100。每个太阳能电池10都包括半导体二极管结构及其电触点，太阳能电池10被光照射时其中产生的电流可通过该半导体二极管结构及其电触点而提供给外部负载。

在本说明书描述的实例中，每个太阳能电池10都是矩形晶体硅太阳能电池，其具有正面(太阳侧)金属化图案和背面(阴影侧)金属化图案，正面金属化图案设置在n型导电性的半导体层上，背面金属化图案设置在p型导电性的半导体层上，这些金属化图案为n-p结的相对两侧提供电接触。然而，其他材料体系、二极管结构、物理尺寸或电接触布置如果适当也可使用。例如，正面(太阳侧)金属化图案可设置在p型导电性的半导体层上，背面(阴影侧)金属化图案可设置在n型导电性的半导体层上。

矩形太阳能电池10可例如通过将标准尺寸的正方形或伪正方形太阳能电池晶片分割成两个或更多个(即N个)矩形太阳能电池而制备，所述N个矩形太阳能电池的长度各自等于标准尺寸太阳能电池晶片的边长(如156毫米)，而所述N个矩形太阳能电池的宽度各自等于标准尺寸太阳能电池晶片边长的分数(即，约1/N)。N可以是例如2至20或更大的数字，例如6或8。

再次参见图1，超级电池100中相邻太阳能电池10在下述特定区域内彼此直接导电接合：在该区域内，相邻太阳能电池10通过导电接合材料实现重叠，导电接合材料将一个太阳能电池的正面金属化图案电连接到相邻太阳能电池的背面金属化图案。适用的导电接合材料可包括(例如)导电粘合剂、导电粘合剂膜和导电粘合剂带，以及常规焊料。

图2示出了示例性矩形太阳能模块200的前视图，矩形太阳能模块200包括六个矩形超级电池100，每个矩形超级电池100的长度都近似等于太阳能模块长边的长度。超级电池被布置成平行的六列，其长边被定向为与模块的长边平行。类似构造的太阳能模块也可包括这种边长的超级电池，但其列数比该实例所示的列数多或少。采用其他变型形式时，各超级电池的长度可近似等于矩形太阳能模块短边的长度，而且这些超级电池可被布置成平行的列，其中超级电池的长边被定向为与模块的短边平行。采用别的一些布置时，每一列可包括(例如)可串联电互连的两个或更多个超级电池。模块短边的长度可为(例如)约1米，而长边的长度可为(例如)约1.5米至约2.0米。也可为太阳能模块选择任何其他适宜的形状(如正方形)和尺寸。超级电池可包括数量和尺寸都为任何适宜值的矩形太阳能电池。类似地，一列超级电池可包括被布置在一个或多个超级电池中的数量和尺寸都为任何适宜值的矩形太阳能电池。

如本文所述的太阳能模块通常包括的太阳能电池数，为相同尺寸的常规模块的许多倍(如N倍)，这是因为N个矩形太阳能电池是由单个常规尺寸的太阳能电池晶片形成的。任选地，由这些太阳能电池形成的超级电池可按电并联/电串联组合进行布置，这种布置提供的电流输出和电压输出类似于具有大约相同尺寸且包括串联连接的常规尺寸太阳能电池的太阳能模块提供的电流输出和电压输出。例如，要是常规模块包括M个常规尺寸以串联方式电连接的太阳能电池，则包括N列电并联的超级电池的相应叠盖超级电池模块(其中每列超级电池包括M个串联连接的矩形太阳能电池，每个矩形太阳能电池的面积为常规太阳能电池的1/N)将提供与所述常规模块大约相同的电压输出和电流输出。

图2以及图3至图11(下文将描述)的示例性太阳能模块包括六列超级电池，所有这些超级电池都通过各列相对两端处的端部互连件250而以并联方式电互连。由于采用了电并联布置，所以每一列两端的电压(在列的一端与另一端之间的电压)相同，但流过每一列的电流可以不同。也可在太阳能模块中采用与下文结合图3至图11所述的布置类似的“迂回”电互连布置，其中包括列数较少的超级电池并且/或者全部超级电池列中的一些而非所有列以并联方式电连接。

本文所述的太阳能模块通常包括一个或多个(如三个)旁路二极管，但也不必包括。如果与旁路二极管之一电并联布置的太阳能电池因被遮挡、破裂或别的原因造成电池性能未达最佳而明显限制电流增大，则旁路二极管将变为正向偏置，在电学上绕开该太阳能电池或模块内包括该太阳能电池的一部分。这防止了在电流限制电池周围形成危险热点，从而改善了模块的性能。

因为本文所述的太阳能模块包括并联电连接的超级电池，所以有机会凭借以下过程来进一步改善模块性能：提供替代电流通路(即迂回)，使得在超级电池中的一个电池被严重遮挡或因别的原因电流受限的情况下，电并联超级电池中的相邻成串电池可试图以较大电流工作来补偿电流受限。这些迂回通路穿过太阳能电池的背面金属化再穿过迂回电互连件，将在该模块的相邻超级电池列中并排设置的电压相等的成对太阳能电池电连接。太阳能电池的整个背面金属化都具有导电性，这使旁路及迂回构造能够利用本文所述的迂回互连件和/或平面图案化的金属化后板。

在极端情况下，所有列的超级电池都以并联方式电连接，并且每个太阳能电池都具有迂回连接器，这些迂回连接器附接到位于不同的(如相邻的)列中的至少一个电池，从而提供替代电流通路。然而作为替代，迂回连接器可被置于电池子组上，以便在统计学上减少由于破裂或其他故障机制引起的损坏显著降低模块性能的可能性。

此外，迂回连接器可聚集在模块最有可能经历电池破裂的区域内，例如沿着大家很熟悉的来自机械负载的应力线布置。裂纹可由若干种机制产生，可取决于在场地中或屋顶上安装模块的方式，也可基于安装方法和应力来源以可预测的图案出现。风雪负载产生特定的应力，导致模块产生裂纹。在模块上行走也可产生裂纹。严重冰雹可产生另一类型的裂纹。虽然最初的裂纹可能不会引起电路断开，也不会以其他方式降低模块的性能，但裂纹可能因模块经历受热冷却循环而扩大，并最终显著降低模块的性能。单晶电池中的裂纹与多晶电池中的裂纹可能有不同的表现。

相邻列中太阳能电池的背面金属化之间的迂回电连接可例如使用短铜互连件来实现，这些短铜互连件从相邻列之间的间隙上方跨过而将相邻列连接在一起，并在太阳能电池背面的相对两端处导电接合。可使用例如焊料、导电胶或其他导电性粘合剂，或者采用任何其他适宜的方法将迂回互连件接合到太阳能电池(例如，接合到太阳能电池背面上的接触垫)。迂回互连件上原本从太阳能模块的正面(也就是透过列之间的间隙)可见的任何部分可用黑色涂层或黑色胶带覆盖，或者采用其他方式变暗或隐藏，以保持从模块的正视图观察呈现“全黑”状态。实施过程中，导电性迂回电流通路可包括电池背面(如铝)金属化的多个部分，以及迂回互连件。

作为替代，在与超级电池列垂直取向的太阳能电池“行”中的太阳能电池之间的迂回互连可用例如单个宽度与模块近似的较长交叉带来实现，其中交叉带在所述行中与每个电池的背面导电接合。这种方法例如对于包括数量巨大的太阳能电池的模块来说可能是优选的，这种模块例如具有六列超级电池，各列分别有八十个太阳能电池。这种模块原本需要400个独立的短互连件，以便为每个电池提供迂回通路。

迂回互连(不管是短还是长)可按照与例如2015年3月31日提交的标题为“Shingled Solar Cell Panel Employing Hidden Taps”(采用隐藏抽头的叠盖式太阳能电池面板)的美国专利申请14/674,983中描述到旁路二极管的“隐藏抽头式”互连相同的方式来实现，该专利申请全文以引用方式并入本文。该‘983申请还公开了用于到旁路二极管的隐藏抽头式互连的背面金属化图案和接触垫，这些结构也有利于如本文所述的迂回互连。如图3至图11所示，例如，可使用相同类型或基本相似类型的互连件来实现太阳能模块中的迂回通路和到旁路二极管的连接。

还可例如使用导电接合到太阳能电池背面的图案化的金属化后板来实现迂回互连，其中后板上的图案化的金属化提供了迂回电流互连。后板上的图案化金属化还可提供到旁路二极管和/或接线盒的电连接。(参见例如下文对图14A至图14B的讨论)。通常情况下，后板上的金属化图案是单层平面图案。

在图3的示例性太阳能模块300中，安装的所有迂回通路都可用。也就是说，每个太阳能电池10的背面金属化都通过迂回互连件275电连接到相邻超级电池列中与该太阳能电池10相邻的一个(或多个)太阳能电池的背面金属化。迂回互连件中的两个(275A和275B)还经由返回导线(导体)280A和280B电连接到接线盒290内的三个旁路二极管(未示出)。返回导线280C和280D将旁路二极管电连接到端部互连件250。跨多列成直线布置、具有迂回互连件275A或275B的其他迂回互连除提供迂回电流通路之外，还充当到旁路二极管的隐藏抽头。(还在其他附图中示出了用迂回互连件形成的也提供到旁路二极管的隐藏抽头的类似布置)。

应当理解，在图3和下文将描述的其他附图中，返回导线例如280A至280D例如与太阳能电池电绝缘，与返回导线在其上方经过的导体(除导体端部以外的位置)也电绝缘。例如，图3中的返回导线280B电连接(如导电接合)到迂回电互连件275B，但与返回导线280B在到接线盒290的途中在其上方经过的其他迂回电互连件电绝缘。这可例如用设置在返回导线与太阳能电池背面之间的绝缘串和模块的其他部件来实现。

图4的示例性太阳能模块400与图3的太阳能模块类似，只不过在太阳能模块400中，沿着超级电池列每隔一个太阳能电池安装(即交替安装)了迂回。

在图5的示例性太阳能模块500中，迂回互连件275以下述图案安装：该图案被设计用于补偿可能因太阳能模块的均匀机械负载而引起的典型裂纹图案。图13中示出了被叠加在常规带状跨栏式(tabbed)太阳能模块的草图上的裂纹图案，其中裂纹图案通常用线条305表示。在图5的实例中，导体280A和280B分别导电接合到太阳能电池10A和10B的背面金属化，从而将其自身电连接到接线盒290内的旁路二极管。

可沿着超级电池列按任何适宜的间隔来安装迂回互连件。所述间隔可相等或近似相等，作为替代，也可沿超级电池列长度的方向而变化。在示例性太阳能模块600(图6)和700(图7)中，迂回互连件275被安装成跨模块大致均匀隔开的四行。在示例性太阳能模块800(图8)和900(图9)中，迂回互连件275被安装成跨模块的五行，模块一端处的迂回互连件之间的间隔大于模块另一端处的迂回互连件之间的间隔。在示例性太阳能模块1000(图10)中，迂回互连件275被安装成跨模块的六行，模块中部的互连件之间的间隔大于模块两端处的互连件之间的间隔。在示例性太阳能模块1100(图11)中，迂回互连件275结合五个串联连接的旁路二极管被安装成跨模块的九行，在相邻的每一对旁路二极管之间都有两行互连件。

如果太阳能模块包括旁路二极管，则可使用任何适宜数量的旁路二极管，并且这些旁路二极管可沿着超级电池列按任何适宜的间隔分隔开。旁路二极管可安装在接线盒内，作为替代，可嵌入包括太阳能电池的层压板中。示例性太阳能模块300、400、500和1000各自包括串联连接的三个旁路二极管(未示出)，这些旁路二极管都被布置在接线盒290内。在示例性太阳能模块600、700、900和1100中，太阳能电池层压板中嵌入了串联连接的五个旁路二极管310。在示例性太阳能电池模块800中，层压板中嵌入了串联连接的三个旁路二极管310。示例性太阳能模块700和900分别包括两个接线盒290A和290B，模块的两端各有一个，各自提供单一(如正的或负的)输出。

现在参见图12A至图12B，沿太阳能电池10的长轴取向的裂纹(如裂纹330)可大幅减小与电池长轴垂直的电流，该方向恰好是在本文所述的模块的正常工作期间，电流通常且优选地流经太阳能电池(例如在不流经迂回通路时)的方向。使用如上所述的迂回电互连件可提供绕过破裂电池的迂回通路。

还可在电池内提供绕过并越过裂纹的迂回电流通路，如图12A至图12B所示。特别地，位于太阳能电池背面的迂回互连件接触垫320被定位在太阳能电池的短端并且平行于短端伸长，从而基本上跨太阳能电池的宽度。导电接合到这些接触垫的迂回互连件275提供了跳过裂纹的电流通路，借此电池内的电流可到达互连件275，越过或绕过裂纹，然后再如例如箭头335所示返回太阳能电池的其他部分。

现在参见图14A至图14B，示例性的图案化金属化后板350提供了迂回电流通路和到接线盒290内的旁路二极管310的电连接，这些迂回电流通路和电连接对应于如图10所示与由迂回互连件275和返回导线280A至280D提供的那些。(接线盒不是后板的组成部分，但在模块内相对后板位于如附图所示的位置)。特别地，金属化图案包括正返回区域355、负返回区域360、第一旁路二极管返回通路365、第二旁路二极管返回通路370、两列迂回互连区域375A以及另外三列迂回互连区域375B，其中迂回互连区域375A还充当到旁路二极管的隐藏抽头。除去板的金属化(例如，如380处所示)，就可使各区域彼此电隔离。

尽管在上文所述的示例性太阳能模块中，每个矩形太阳能电池10的长边的长度都等于常规硅太阳能电池晶片的边长，但作为替代，太阳能电池10的长边也可以是常规太阳能电池晶片的边长的分数(例如1/2、1/3、1/4或更小)。相应地，可将模块中超级电池的列数增加到例如前述分数的倒数那样多倍(也可增加一列，或比该倒数小的数目那样多列，从而在列与列之间留出空隙空间)。例如，太阳能模块300(图3)中的每个全长太阳能电池10可用1/2长度的两个太阳能电池替代，这两个太阳能电池被布置在十一列或十二列超级电池中，或者任何其他适宜列数的超级电池中。例如，矩形太阳能电池的尺寸可为常规太阳能电池晶片边长的1/6乘1/2。以此方式缩短电池长度可增强电池抵挡破裂的鲁棒性，并降低了破裂电池对模块性能的影响。另外，使用迂回电互连件或具有上文刚描述过的较小电池的上述金属化背衬板，可增大可通过模块的迂回电流通路的数目(相比使用全长电池)，从而进一步减轻破裂电池对模块性能的影响。

公开的内容仅用于举例说明，不用于限制。鉴于公开的内容，另外的修改对于本领域技术人员而言将显而易见，并旨在属于所附权利要求的范围。