具有通过印刷导体串联连接的印刷光伏电池的光伏模块的制作方法
【专利说明】具有通过印刷导体串联连接的印刷光伏电池的光伏模块
[0001]相关串请案的交叉参考
[0002]本申请案主张由特利西妞.杨布(Tricia Youngbull)等人在2013年3月15日申请的标题为“全印刷光伏模块(All-Printed Photovoltaic Modules) ”的第61/790，507号美国临时申请案的优先权，所述案让渡给本受让人且以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及形成光伏(PV)面板(也称为太阳能面板或太阳能电池)，且特定地说，涉及一种用于印刷具有串联连接在一起的光伏电池的光伏面板的技术。
【背景技术】
[0004]标题为“制造发光、光伏或其它电子设备和系统的方法(Method ofManufacturing a Light Emitting, Photovoltaic or Other Electronic Apparatus andSystem)”的第US2010/0167441号美国专利申请公开案让渡给本受让人且以引用的方式并入本文中。所述公开案描述使用半导体微二极管的阵列形成发光二极管(LED)薄板及光伏(PV)面板的各种技术。特定地说，光伏面板由微球体组成且直径可大约为20微米到40微米。制造硅球体的若干方法是已知的且包含:在落塔中由熔融硅形成球体，在衬底上图案化硅粒子聚结物且熔融所述硅粒子聚结物以通过表面张力形成球体，或使粉末下坠穿过等离子反应器。
[0005]在现有技术中，可制造所有微二极管并联连接的相对较大的光伏电池。由每一光伏电池产生的电压是约0.6伏特，且电流取决于电池的大小。多个光伏电池可分开制造且接着个别光伏电池可安装于大得多的共同衬底(例如具有几平方英尺的面积)上以形成模块。完成对电池的串焊(tabbing and stringing)以串联连接个别光伏电池以增大模块的电压。此工艺是缓慢且昂贵的，且用于连接到每一电池的焊接点易于断裂，导致面板的操作寿命期间的功率损耗。还在连续工艺中在模块层级完成旁路二极管的集成，且通常，若干电池依靠单一旁路二极管以节省成本。此外，此增大电压的技术受到限制，因为在大衬底上分开安装越来越多的光伏面板且将其串联连接造成线性增大的成本。
[0006]需要一种使用印刷硅微二极管形成任何大小的单一光伏模块的廉价技术，其中单一光伏模块由与并联连接的印刷旁路二极管串联连接的诸多小光伏电池组成。此还允许单一光伏面板产生更高电压，例如超过200伏特。此最终降低光伏阵列的系统成本的总余额。
【发明内容】
[0007]在一项实施例中，将全大气压工艺用于形成光伏面板。可使用高效卷带式(roll-to-roll)制造技术。
[0008]在一项实施例中，柔性的电介质衬底(例如聚碳酸酯、PET或其它聚合物)用作起始衬底。在另一实施例中，起始衬底是薄金属箔，且所述箔在电池隔离之前层压到电介质衬底上。
[0009]将一层含铝墨水印刷于衬底上方，接着在未固化含铝墨水上印刷硅球体浆液。假定起始衬底是金属箔，例如铝箔。在印刷期间(例如)通过狭缝式模具涂布、丝网掩模或通过胶版印刷图案化所述含铝墨水，以界定个别光伏电池的阵列。
[0010]将硅球体的浆液制备为墨水。硅球体的直径可为10微米到300微米且经预掺杂为η型或P型或具有本征导电类型。在实例中假定轻微掺杂的P型微球体。接着，以与图案化含铝墨水的相同图案印刷浆液。所印刷浆液形成紧密堆积的硅球体单层，且所述球体变为嵌入含铝墨水中。接着，通过连续炉或其它热源固化含铝墨水(例如，使墨水的溶剂蒸发)及使含铝墨水退火(烧结铝粒子)。所述退火导致硅球体的接触区域与铝墨水形成合金以形成背表面场或高度掺杂的P+硅，且形成与铝的欧姆接触。此P+层减少球体背表面处的电子-空穴重组，且因此使效率增大总计I到3个百分点。
[0011]在球体上方印刷电介质。所述电介质经设计以通过毛细管作用及表面张力从所述微球体的顶部润湿移除(wet off)(或毛细吸附移除(wick off))，以在微球体之间形成I微米到15微米厚的涂层，且接着固化。所述娃球体的顶部上剩余的约150nm或更少的残余电介质层不会对形成Pn结造成有害效果。
[0012]在球体上方印刷磷酸、掺杂磷的玻璃、掺杂磷的硅纳米粒子或含磷硅前驱体，且通过(例如)激光进行加热，以将η型掺杂物扩散到球体的顶表面中，形成二极管。接着，从球体的顶部洗除残余磷掺杂物。
[0013]接着，在球体的暴露η型层上方狭缝式模具涂布(或通过其它方法印刷)例如导电墨水的透明导体。如果所述导体材料经沉积为液体，那么导体粘度可足够低以使所述导体材料通过重力、表面张力及毛细管作用汇集在球体的下部附近，且从球体上方缩回以形成导电网络。此汇集减小导体的电阻且避免了导体覆盖二极管且减小光学透射的问题。
[0014]因此，连续底部铝箔衬底电接触微二极管的阳极侧，且图案化透明导体电接触微二极管的阴极侧。每一个光伏电池中的所有微二极管经并联连接。整个光伏模块可为几英尺宽及几英尺长。
[0015]接着，将电介质衬底层压到铝箔衬底的背表面。
[0016]以下技术用于电隔离单一模块内的光伏电池以允许所述电池串联连接。
[0017]控制激光以烧蚀印刷光伏电池之间(即，在未印刷所述球体的间隙内)的铝箔衬底，直到层压电介质的衬底，以形成围绕每一电池区域的窄沟槽以使所述电池彼此电隔离。每一电池可为正方形、矩形、六边形或其它形状。取决于待产生的所需电压，每一电池可为任何大小。举例来说，由于每一电池产生约0.6伏特，所以针对100伏特系统，在模块中形成约170个电池。接着，偏移印刷电介质材料以部分填充电池之间的间隙以电绝缘相邻电池的导电阳极层。
[0018]接着，执行金属化步骤以在电池的顶表面上的所述透明阴极导体与相邻电池的边沿处的暴露阳极导体之间形成连接，以串联连接所有电池。此金属化步骤可为在所述间隙中的电介质材料上方图案化的印刷金属墨水。可在所述整个光伏模块上方依蛇形图案连接电池。
[0019]常规光伏面板通常外部连接到旁路二极管，所述旁路二极管与所述光伏面板按反并联关系连接。在(例如)通过静电放电或其它电压源将反向偏压施加到光伏面板的情况中，旁路二极管传导电流。
[0020]在本发明的一项实施例中，每一电池具有通过激光沟槽形成步骤隔离的小区域，所述小区域被用作所述电池的旁路二极管。举例来说，取决于所述电池的大小，旁路二极管可占据电池的1/25或更少。在金属化步骤期间，旁路二极管与其相邻光伏电池按反并联关系连接以保护电池。
[0021]所述金属化步骤还可在每一电池的透明导体层上方形成薄平行条状物，以改进跨每一电池的表面的电流散布。
[0022]所述金属化步骤还可将一些电池并联连接以实现面板的目标电压及电流。
[0023]—或多个透明层可形成于硅微二极管上方以减少反射。接着，(例如)通过将透明顶部薄板层压到面板来封装所得光伏模块。
[0024]在详述中描述其它实施例。所有步骤都可在大气压条件下执行。
【附图说明】
[0025]图1是起始薄金属箔衬底的俯视图。对于卷带式全大气压印刷工艺，衬底可为任何大小。
[0026]图2图解说明紧接在涂布一层硅球体之前狭缝式模具涂布(印刷)含铝墨水或膏层，使得球体上覆于未固化导体层。此类层可通过其它方式(例如轮转丝网印刷或辊式刮刀(knife-over-roll)涂布)施覆。印刷层经图案化以形成通过间隙分开的光伏电池，所述光伏电池最终串联连接。
[0027]图3是光伏电池的沿着一行P型硅球体的部分的横截面图，其图解说明在未固化导体层上沉积硅球体以形成紧密堆积单层。为简明起见将展示只对单一球体上执行所述工艺，但是可在光伏模块的整个表面上方同时执行所述工艺的每一步骤。
[0028]图4图解说明气刀，其从硅球体浆液蒸发溶剂以协助薄层(例如单层)的形成，同时迫使球体进入未固化导体层中。图4还图解说明硅球体层及导体层被退火以在硅球体中形成背表面场。
[0029]图5图解说明在图4的工艺之后硅球体接合到导体层。
[0030]图6图解说明涂布在光伏面板的表面上方的电介质障壁层。
[0031]图7图解说明电介质已从微球体的顶部润湿移除(或毛细吸附移除)而暴露硅表面。
[0032]图8图解说明沉积在硅表面上方的η型掺杂物层。η型掺杂物原子是从η掺杂物层扩散到硅中以原位形成ρη 二极管。
[0033]图9图解说明在掺杂下伏硅之后洗除η型掺杂物层。
[0034]图10图解说明至少沿着硅球体的边沿涂布的透明导体或其它导体。透明导体材料(如果沉积为液体)可通过毛细管作用从球体的顶表面自动缩回且令人满意地汇集在球体的周边附近以形成导电网络。
[0035]图11是所得光伏面板的俯视图，其展示(例如)在卷带式工艺中在将金属箔衬