专利名称：用于iii-v族半导体太阳能电池的聚光式光伏系统接收器的制作方法
技术领域：
本申请案针对一种太阳能电池接收器，更特定来说涉及一种包含太阳能电池、金 属化陶瓷衬底及散热器的太阳能电池接收器。
背景技术：
历史上，太阳能电力(在太空与陆地两者中)一直主要由硅太阳能电池提供。然 而，在过去几年中，对用于太空应用的高效III-V族化合物半导体多结太阳能电池的大量 制造已使得人们考虑能够将此替代技术用于陆地电力产生。与硅相比，III-V族化合物半导 体多结电池通常更能抵抗辐射且具有更大的能量转换效率，但其制造起来往往花费更多。 一些当前III-V族化合物半导体多结电池具有超过27%的能量效率，而硅技术通常仅达到 约17%的效率。在聚光条件下，一些当前III-V族化合物半导体多结电池具有超过37%的 能量效率。一般来说，所述多结电池具有ρ上η极性且由InGaP/(In)GaAs/Ge半导体结构的 垂直堆叠组成。III-V族化合物半导体多结太阳能电池层通常经由金属有机化学气相沉积 (MOCVD)生长在锗(Ge)衬底上。使用Ge衬底准许在η型与ρ型Ge之间形成结，借此利用 所述衬底来形成底部或低带隙子电池。
发明内容
根据一实施例，一种用于将太阳能转换成电的太阳能电池接收器包含陶瓷衬底、 太阳能电池及散热器。所述陶瓷衬底具有第一金属化表面及相对的第二金属化表面。所述 陶瓷衬底的所述第一金属化表面具有分离的传导区域。所述太阳能电池具有连接到所述陶 瓷衬底的所述传导区域中的第一传导区域的传导第一表面及具有连接到所述传导区域中 的第二传导区域的传导接触区的相对的第二表面。所述散热器借助高导热附着介质(例如 填充有金属的环氧树脂粘合剂或焊料)接合到所述陶瓷衬底的所述第二金属化表面。根据另一实施例，一种用于将太阳能转换成电的太阳能电池接收器包含陶瓷衬 底、太阳能电池、旁路二极管及散热器。所述陶瓷衬底具有第一金属化表面及相对的第二金 属化表面。所述陶瓷衬底的所述第一金属化表面具有分离的传导区域。所述太阳能电池具 有电连接到所述陶瓷衬底的所述传导区域中的第一传导区域的阳极端子及电连接到所述 传导区域中的第二传导区域的阴极端子。所述旁路二极管跨越所述陶瓷衬底的所述第一及 第二传导区域与所述太阳能电池并联连接。所述散热器借助高导热附着介质(例如，填充 有金属的环氧树脂粘合剂或焊料)接合到所述陶瓷衬底的所述第二金属化表面。根据另一实施例，通过以下步骤制造太阳能电池接收器提供具有第一金属化表 面及相对的第二金属化表面的陶瓷衬底，所述第一金属化表面具有分离的传导区域。将太 阳能电池的传导第一表面连接到所述陶瓷衬底的所述传导区域中的第一传导区域，且将所 述太阳能电池的相对的第二表面的传导接触区连接到所述传导区域中的第二传导区域。借 助高导热附着介质(例如填充有金属的环氧树脂粘合剂或焊料)将散热器接合到所述陶瓷衬底的所述第二金属化表面。当然，本发明并不限于以上特征及优点。在阅读以下具体实施方式
且观看附图后， 所属领域的技术人员将认识到额外特征及优点。
图1是包含太阳能电池、金属化陶瓷衬底及散热器的太阳能电池接收器的实施例 的部分分解透视图。图2更详细地显示图1的太阳能电池及金属化陶瓷衬底。图3是图1中所示的太阳能电池、金属化陶瓷衬底及散热器的横截面图。
具体实施例方式现在将描述本发明的细节，包含其例示性方面及实施例。参照图式及下文描述，相 同的参考编号用于指代相同或功能上类似的元件，且打算以高度简化的图示方式图解说明 例示性实施例的主要特征。此外，所述图式既不打算描绘实际实施例的每一特征，也不打算 描绘所描绘元件的相对尺寸，且这些图式并非按比例绘制。太阳能电池接收器包含用于将太阳能转换成电的太阳能电池。在本文所描述的各 种实施方案中，采用了三结III-V族化合物半导体太阳能电池，但可根据应用而使用其它 类型的太阳能电池。太阳能电池接收器通常含有额外组件，例如，用于耦合到输出装置或其 它太阳能电池接收器的连接器。对于一些应用，太阳能电池接收器可实施为太阳能电池模块的一部分。太阳能电 池模块可包含太阳能电池接收器及耦合到所述太阳能电池接收器的透镜。所述透镜用于将 所接收的光聚焦到太阳能电池接收器上。由于透镜，所述太阳能电池接收器可接收到对太 阳能的更大聚光。在一些实施方案中，所述透镜适于将太阳能聚光到400倍或更多倍。举 例来说，在500个太阳聚光下，Icm2的太阳能电池面积产生与在无聚光的情形下500cm2的 太阳能电池面积将产生的相同的电力量。因此，聚光的使用允许用例如透镜及镜的高成本 效益材料来替代较为昂贵的半导体电池材料。可将两个或两个以上太阳能电池模块一起组 合成一阵列。这些阵列有时称为“板”或“太阳能板”。图1图解说明包含太阳能电池102的太阳能电池接收器100的实施例。在一个实 施例中，太阳能电池102是三结III-V族化合物半导体太阳能电池，其包括串联布置的顶部 电池、中间电池及底部电池。在另一实施例中，太阳能电池102是具有ρ上η极性的多结太 阳能电池且由Ge衬底上的InGaP/(In)GaAs III-V族化合物构成。在每一情形中，太阳能 电池102经定位以从辅助光学元件104接收所聚焦的太阳能。辅助光学元件104定位于太阳能电池102与例如透镜的主要聚焦元件(未显示) 之间。辅助光学元件104通常经设计以朝向太阳能电池102的上表面收集由对应透镜聚光 的太阳能。辅助光学元件104包含从对应透镜接收光束的进入孔口 105及将所述光束传输 到太阳能电池102的出射孔口 107。辅助光学元件104包含位于孔口 105、107之间的中间 区域112。在理想条件下，与辅助光学元件104相关联的透镜将光直接聚焦到太阳能电池 102而不使光碰到辅助光学元件104上。在大多数情形中，所述透镜不将光直接聚焦于太阳能电池102上。此可由于各种原因而发生，包含但不限于折射透镜设计的色差、构造期间太阳能电池102相对于透镜的 不对准、操作期间由于跟踪器误差、结构性挠曲及风力负载所致的不对准。因此，在大多数 条件下，所述透镜聚焦光使得所述光反射离开辅助光学元件104。理想设置与不对准设置之 间的差异可以是透镜定位中小于1°的较小变化。因此，辅助光学元件104充当光溢散捕捉器以在对应透镜不将光直接聚焦于太阳 能电池102上时的情形中致使所述光中的更多光到达太阳能电池102。辅助光学元件104 可包含反射多层中间区域，例如2009年3月12日提出申请的序列号为12/402，814的美国 专利申请案(其内容以全文引用的方式并入本文中)中所揭示的种类。所述反射多层中间 区域可由不同材料形成且具有不同光学特性，使得离开辅助光学元件104且被传输到太阳 能电池102的光束的反射率优化太阳能电池102的表面上的聚合辐照度而胜过入射太阳能 光谱。举例来说，在一些实施方案中，可用银或另一材料涂覆辅助光学元件104的本体112 的内表面以实现高反射率。在一些情形中，反射涂层由例如SiO2的钝化涂层保护以保护辅 助光学元件104免遭氧化、锈蚀或腐蚀。辅助光学元件104的本体112具有一个或一个以上安装凸耳114，其用于经由一个 或一个以上紧固件118将本体112附接到托架116。提供托架116以用于经由一个或一个 以上紧固件122将辅助光学元件104安装到散热器120。托架116为导热性，使得由辅助光 学元件104在操作期间产生的热能可传递到散热器120并耗散。如此实施方案中所示，辅 助光学元件104具有四个反射壁。在其它实施方案中，可采用不同的形状(例如，形成三角 形横截面的三侧形状)。辅助光学元件104可由金属、塑料或玻璃或其它材料制成。在图2中所示的一个实施例中，聚光器106安置于辅助光学元件104的出射孔口 107与太阳能电池102之间。聚光器106优选地为玻璃且具有光学入口 108及光学出口 110。在一个实施例中，聚光器106为实心玻璃。聚光器106增强从辅助光学元件104出射 的光且朝向太阳能电池102引导经增强的光。在一些实施方案中，聚光器106具有从入口 108到出口 110呈锥形的大体正方形横截面。在一些实施方案中，聚光器106的光学入口 108是正方形且为约2cmx2cm，而光学出口 110为约0. 9cmx0. 9cm。聚光器106的尺寸可随 太阳能电池模块及接收器的设计而变化。举例来说，在一些实施方案中，光学出口 110的尺 寸与太阳能电池102的尺寸大约相同。在一个实施例中，聚光器106为2X聚光器。聚光器 106的底表面可使用粘合剂(例如硅酮粘合剂)直接附着到太阳能电池102的上表面。太 阳能电池102通过光伏效应将传入太阳光直接转换成电。旁路二极管124与太阳能电池102并联连接。在一些实施方案中，二极管124是 一种例如肖特基(Schottky)旁路二极管或外延生长p-n结的半导体装置。出于图解说明 的目的，旁路二极管124为肖特基旁路二极管。提供外部连接端子125及127以用于将太 阳能电池102及二极管124连接到其它装置，例如邻近太阳能电池接收器(未显示)。通过考虑串联连接的多个太阳能电池102可了解旁路二极管124的功能性。可将 每一太阳能电池102设想为一蓄电池，其中二极管124中的每一者的阴极连接到相关联“蓄 电池”的正端子且二极管124中的每一者的阳极连接到相关联“蓄电池”的负端子。当串联 连接的太阳能电池接收器100中的一者受到损坏或遮蔽时，其电压输出减少或消除(例如， 到低于与二极管124相关联的阈值电压)。因此，相关联二极管124受到正向偏压，且旁路 电流仅流过所述二极管124 (而不流过太阳能电池102)。以此方式，未受损或未受遮蔽的太阳能电池接收器100继续从那些太阳能电池所接收的太阳能中产生电。如果不是因为旁路 二极管124，那么其它太阳能电池接收器所产生的大致所有电都将通过受遮蔽或受损的太 阳能电池接收器，从而将其毁坏，并在(例如)所述板或阵列内形成开路。太阳能电池接收 器100还包含用于安装太阳能电池102的陶瓷衬底126 (例如氧化铝衬底)及用于耗散由 太阳能电池102在操作期间产生的热的散热器120。图2更详细地图解说明太阳能电池102及陶瓷衬底126。陶瓷衬底126具有金属 化上表面及下表面128及130。陶瓷衬底126的两个表面128及130经金属化以增加陶瓷 衬底126的热传递能力，从而使太阳能电池接收器100能够更充分地处置由于太阳能电池 操作条件的突然改变而发生的快速温度改变。举例来说，太阳能电池102在将光转换成电 时产生热能。使陶瓷衬底126的上表面及下表面128及130两者均金属化实现将热能从太 阳能电池102较快地传递到散热器120以供耗散。当太阳能电池102突然被遮掩时，发生相 反状况。也就是说，太阳能电池102停止产生电并与辅助光学元件104 —样快速冷却。陶 瓷衬底126的金属化上表面及下表面128及130通过将热能从散热器120传递到太阳能电 池102 (且根据热状况还传递到辅助光学元件104)来防止太阳能电池102过快地冷却。太 阳能电池接收器100的增加的热传递能力减少了在快速温度改变期间赋予太阳能电池102 与陶瓷衬底126之间的界面的应力量，从而确保可靠的太阳能电池到衬底界面。陶瓷衬底126的金属化上表面128与太阳能电池102接触且具有分离的传导区域 132及134以用于提供到太阳能电池102的隔离的导电路径。第一传导区域132提供太阳 能电池102的阳极电接触点且第二传导区域134提供太阳能电池102的阴极电接触点。太 阳能电池102具有在图2中看不到但在图3的横截面中可看见的传导下表面136，所述传导 下表面定位于陶瓷衬底126的金属化上表面128的第一传导区域132上且连接到所述第一 传导区域。太阳能电池102的相对上表面138具有传导接触区140，所述传导接触区连接到 陶瓷衬底126的第二传导区域134。在一个实施例中，太阳能电池102的传导下表面136形成太阳能电池102的阳极 端子，且安置于太阳能电池102的上表面138处的传导接触区140形成阴极端子。根据此实 施例，太阳能电池102的传导下表面136定位于陶瓷衬底126的第一传导区域132上且与 第二传导区域134电隔离以确保太阳能电池102的正确操作。在一个实施例中，陶瓷衬底 126的第一传导区域132在三个侧上由陶瓷衬底126的外围区域周围的第二传导区域134 至少部分地环绕。在一个实施例中，安置于太阳能电池102的上表面138处的传导接触区140占据 太阳能电池102的周长。在一些实施方案中，上部传导接触区140可以是更小或更大以适 应所需连接类型。举例来说，上部传导接触区140可仅触及太阳能电池102的一个、两个或 三个侧(或其若干部分)。在一些实施方案中，上部传导接触区140制作得尽可能小以最大 化将太阳能转换成电的面积且同时仍允许电连接。虽然太阳能电池102的特定尺寸将视应 用而变化，但标准尺寸为约1cm2。举例来说，一组标准尺寸可为总体约12. 58mmX12. 58mm、 约0. 160mm厚且总有效面积为约108mm2。举例来说，在大约12. 58mmX 12. 58mm的太阳能电 池102中，上部传导接触区140可为约0. 98mm宽且有效面积可为约IOmmX 10mm。太阳能电池102的上部传导接触区140可由多种传导材料(例如，铜、银及/或涂 覆有金的银)形成。在此实施方案中，正是太阳能电池102的η-传导阴极(即，发射极)
7侧接收光，且因此上部传导接触区140安置于太阳能电池102的阴极侧上。在一个实施例 中，太阳能电池102的上部传导接触区140经由一个或一个以上接合线142而线接合到陶 瓷衬底126的金属化上表面128的第二传导区域134。旁路二极管将陶瓷衬底126的金属化上表面128的第一传导区域132耦合到第二 传导区域134。在一个实施例中，旁路二极管124的阴极端子经由陶瓷衬底126的第一传 导区域132连接到太阳能电池102的阳极端子，且旁路二极管124的阳极端子经由陶瓷衬 底126的第二传导区域134电连接到太阳能电池102的阴极端子。太阳能电池102的阳极 端子如上文所描述由太阳能电池102的下部传导表面136形成，且在图2中看不到，但在图 3的横截面中可看见。太阳能电池102的阴极端子也如上文所描述由太阳能电池102的上 部传导接触区140形成。安置于陶瓷衬底126的金属化上表面128上的外部连接端子125 及127实现装置到太阳能电池102及旁路二极管124的电耦合。在一些实施方案中，连接 器端子125及127对应于阳极及阴极端子，且经设计以接纳用于连接到邻近太阳能电池接 收器的插座插头(未显示)。可通过将金属化层132及134附着到陶瓷衬底126来金属化所述衬底的上表面 128。在一个实施例中，在金属化层132、134中形成孔144。图2显示陶瓷衬底126具有附 着到上部衬底表面128 (下部金属化表面在图2中看不到，但在图3的横截面中可看见)的 两个金属化层132及134。可在陶瓷衬底102上形成对应凸块146 (在图2中看不到，但在 图3的横截面中可看见)。凸块146至少部分地就坐于形成于金属化层132及134中的孔 144中。接着，用焊料或其它类型的接合材料(例如粘合剂)填充金属化层132及134中的 孔144，从而将金属化层132及134附着到陶瓷衬底126的上表面128。可以类似方式金属 化陶瓷衬底126的下表面130。或者，不在陶瓷衬底126上提供凸块且所述衬底在正常制造 公差内为相对平坦的。图3图解说明太阳能电池接收器100的太阳能电池102、陶瓷衬底126及散热器 120沿图1中标示为X-X’的线的横截面图。为便于图解说明，未在图3中显示辅助光学元 件104、聚光器106及端子125、127。陶瓷衬底126的上表面及下表面128及130可具有至 少部分地坐落于形成于金属化层132、134及148中的孔144中的凸块146以用于将所述金 属化层附着到陶瓷衬底126，如上文所描述。或者，陶瓷衬底126在正常制造公差内为相对 平坦。在任一情形中，均将陶瓷衬底126的上表面及下表面128及130金属化。衬底126 的上部金属化表面128具有分离的传导区域132及134以用于提供到太阳能电池102的电 隔离的阳极及阴极连接，如上文所描述。太阳能电池102具有连接到陶瓷衬底126的金属化上表面128的传导区域132的 传导下表面136。在一个实施例中，太阳能电池102的传导下表面136形成太阳能电池102 的阳极端子，且安置于太阳能电池102的上表面138处的传导接触区140形成太阳能电池 102的阴极端子。太阳能电池102的传导下表面136定位于陶瓷衬底126的金属化上表面 128的第一传导区域132上且与第二传导区域134电隔离以确保太阳能电池102的适当操 作。陶瓷衬底126的下表面130还具有金属化层148，所述金属化层借助高导热附着介 质150 (例如填充有金属的环氧树脂粘合剂或焊料)接合到散热器120。用金属填充环氧树 脂粘合剂(例如硅酮)增加陶瓷衬底126与散热器120之间的界面的导热性，从而进一步改进太阳能电池接收器100的热传递特性。在一个实施例中，高导热附着介质150是填充 有金属的环氧树脂粘合剂，其具有大约1到3密耳的厚度‘。xy。可将填充有金属的环氧树 脂粘合剂施加到陶瓷衬底126的下部金属化表面130、散热器120或两者且接着将其固化以 将散热器120接合到衬底126。在一个实施例中，散热器120是单片式挤制铝散热器，如图 1中所示。 可通过以下步骤制造太阳能电池接收器100 提供金属化陶瓷衬底126 ；及将太阳 能电池102的传导下表面136连接到衬底126的金属化上表面128的第一传导区域132。 (例如)经由一个或一个以上接合线142将安置于太阳能电池102的上表面138处的传导 接触区140连接到陶瓷衬底126的金属化上表面128的第二传导区域134。借助填充有金 属的环氧树脂粘合剂150将散热器120接合到陶瓷衬底126的下部金属化表面130。
权利要求
一种用于将太阳能转换成电的太阳能电池接收器，其包括陶瓷衬底，其具有第一金属化表面及相对的第二金属化表面，所述第一金属化表面具有分离的传导区域；太阳能电池，其具有连接到所述陶瓷衬底的所述传导区域中的第一传导区域的传导第一表面及具有连接到所述传导区域中的第二传导区域的传导接触区的相对的第二表面；及散热器，其借助导热附着介质接合到所述陶瓷衬底的所述第二金属化表面。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其中所述太阳能电池的阳极端子连接到 所述陶瓷衬底的所述第一传导区域且所述太阳能电池的阴极端子连接到所述陶瓷衬底的 所述第二传导区域。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其中所述陶瓷衬底的所述第一传导区域 在三个侧上由所述陶瓷衬底的外围区域周围的所述陶瓷衬底的所述第二传导区域至少部 分地环绕。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其中所述太阳能电池的所述传导第一表 面定位于所述陶瓷衬底的所述第一传导区域上且与所述陶瓷衬底的所述第二传导区域电 隔罔。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其中所述太阳能电池的所述传导接触区 线接合到所述陶瓷的所述第二传导区域且与所述陶瓷衬底的所述第一传导区域电隔离。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其中所述太阳能电池为多结太阳能电池。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其中所述散热器是挤制铝散热器。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其中所述导热附着介质包括填充有金属 的环氧树脂粘合剂。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池接收器，其中所述填充有金属的环氧树脂粘合剂 具有大约1到3密耳的厚度。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其进一步包括将所述陶瓷衬底的所述 第一传导区域耦合到所述陶瓷衬底的所述第二传导区域的旁路二极管。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池接收器，其进一步包括邻近于所述太阳能电池 定位且热连接到所述散热器的辅助光学元件，所述辅助光学元件包含一个或一个以上反射 表面及背对所述太阳能电池的扩大的入口以及面向所述太阳能电池的较小出口。
12.根据权利要求11所述的太阳能电池接收器，其进一步包括布置于所述太阳能电池 与辅助光学元件之间的聚光器。
13.一种用于将太阳能转换成电的太阳能电池接收器，其包括陶瓷衬底，其具有第一金属化表面及相对的第二金属化表面，所述第一金属化表面具 有分离的传导区域；太阳能电池，其具有电连接到所述陶瓷衬底的所述传导区域中的第一传导区域的阳极 端子及电连接到所述传导区域中的第二传导区域的阴极端子；旁路二极管，其跨越所述陶瓷衬底的所述第一及第二传导区域与所述太阳能电池并联 连接；及散热器，其借助导热附着介质接合到所述陶瓷衬底的所述第二金属化表面。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池接收器，其中所述太阳能电池的所述阳极端子 定位于所述陶瓷衬底的所述第一传导区域上且与所述陶瓷衬底的所述第二传导区域电隔罔。
15.根据权利要求13所述的太阳能电池接收器，其中所述太阳能电池的所述阴极端子 线接合到所述陶瓷的所述第二传导区域且与所述陶瓷衬底的所述第一传导区域电隔离。
16.根据权利要求13所述的太阳能电池接收器，其中所述太阳能电池为多结太阳能电池。
17.根据权利要求13所述的太阳能电池接收器，其中所述导热附着介质包括填充有金 属的环氧树脂粘合剂。
18.根据权利要求17所述的太阳能电池接收器，其中所述填充有金属的环氧树脂粘合 剂具有大约1到3密耳的厚度。
19.根据权利要求13所述的太阳能电池接收器，其中所述旁路二极管的阳极端子电连 接到所述太阳能电池的所述阴极端子且所述旁路二极管的阴极端子连接到所述太阳能电 池的所述阳极端子。
20.根据权利要求13所述的太阳能电池接收器，其进一步包括具有锥形形状的辅助 光学元件，所述辅助光学元件包含背对所述太阳能电池的入口及面向所述太阳能电池的出
21.根据权利要求20所述的太阳能电池接收器，其中所述辅助光学元件热连接到所述散热器。
22.根据权利要求20所述的太阳能电池接收器，其进一步包括定位于所述太阳能电池 与所述辅助光学元件之间的聚光器，所述聚光器包含锥形形状，其具有面向所述辅助光学 元件的所述出口的扩大的第一端及面向所述太阳能电池的减小的第二端。
23.一种制造太阳能电池接收器的方法，其包括提供具有第一金属化表面及相对的第二金属化表面的陶瓷衬底，所述第一金属化表面 具有分离的传导区域；将太阳能电池的传导第一表面连接到所述陶瓷衬底的所述传导区域中的第一传导区域；将所述太阳能电池的相对的第二表面的传导接触区连接到所述传导区域中的第二传 导区域；及借助填充有金属的环氧树脂粘合剂将散热器接合到所述陶瓷衬底的所述第二金属化表面。
全文摘要
本发明涉及一种用于III-V族半导体太阳能电池的聚光式光伏系统接收器。根据一实施例，一种用于将太阳能转换成电的太阳能电池接收器包含陶瓷衬底、太阳能电池及散热器。所述陶瓷衬底具有第一金属化表面及相对的第二金属化表面。所述陶瓷衬底的所述第一金属化表面具有分离的传导区域。所述太阳能电池具有连接到所述陶瓷衬底的所述传导区域中的第一传导区域的传导第一表面及具有连接到所述传导区域中的第二传导区域的传导接触区的相对的第二表面。所述散热器借助导热附着介质(例如，填充有金属的环氧树脂粘合剂或焊料)接合到所述陶瓷衬底的所述第二金属化表面。
文档编号H01L31/02GK101924157SQ201010169600
公开日2010年12月22日 申请日期2010年4月28日 优先权日2009年6月16日
发明者史蒂夫·西尔, 理查德·W·小霍夫曼, 约翰·纳吉瓦里, 菲利普·布卢门菲尔德, 詹姆斯·福雷西, 达明·布伊 申请人:安科太阳能公司