专利名称：太阳能电池封装结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池封装结构及其制造方法，尤其涉及一种使用晶片级封装工艺(wafer level packaging process)的太阳能电池封装结构及其制造方法。
背景技术：
太阳能电池为利用光伏效应(photovoltaic effect)将太阳能直接转换为电能的装置。公知的太阳能电池的尺寸和重量分别被IOcm χ IOcm χ 10 20cm的巨大尺寸和4 公斤(kg)的笨重模块重量所限制。公知的太阳能电池的透镜将太阳光仅聚焦至单一太阳能芯片上。因此，当公知的太阳能电池的温度增加时，来自于公知的太阳能电池的热会较慢散发至外界。因此，需要使用散热块(heat sink)来提升散热效率。然而，公知的太阳能电池因额外的散热块而增加其模块重量。同时，巨大尺寸的公知的太阳能电池的聚焦距离长。 因而公知的太阳能电池具有约小于0. 5度(degree)的小受光角度(accepted angle)(即光学系统孔径角度的一半)。此外，因为在公知的太阳能电池中需要高精确度的追日器(sun tracker)以追踪太阳位置，所以公知的太阳能电池的制作成本高。在此技术领域中，需要一种太阳能电池封装结构及其制造方法，以改善上述缺点。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，有鉴于此，本发明一实施例提供一种太阳能电池封装结构，包括一承载晶片；一导电图案层，设置于上述承载晶片上；一太阳能电池芯片阵列，设置于上述导电图案层上，其中上述太阳能电池芯片阵列电性连接至上述导电图案层； 一第一间隔屏障物，设置于上述承载晶片上，且围绕上述太阳能电池芯片阵列；以及一第一光学元件阵列，设置于上述承载晶片上方，以将太阳光聚焦至上述太阳能电池芯片阵列上， 其中上述第一光学元件阵列借由上述第一间隔屏障物与上述承载晶片隔开。本发明另一实施例提供一种太阳能电池封装结构的制造方法，包括提供一承载晶片；于上述承载晶片上形成一导电图案层；于上述导电图案层上设置具有多个太阳能电池芯片的一太阳能电池芯片阵列，其中每一个上述些太阳能电池芯片电性连接至上述导电图案层；于上述承载晶片上设置一第一间隔屏障物，其围绕上述太阳能电池芯片阵列；以及于上述承载晶片上方设置一第一光学元件阵列，以将太阳光聚焦至上述太阳能电池芯片阵列上，其中上述第一光学元件阵列借由上述第一间隔屏障物与上述承载晶片隔开。本发明提供的太阳能电池封装结构及其制造方法，当考虑仅供一个公知的太阳能电池芯片使用的标准模块面积时，可允许较多的芯片设置于其上。另外，本发明实施例的太阳能电池封装结构的模块重量远轻于公知的太阳能电池。因此，因为本发明实施例的太阳能电池封装结构的尺寸较小，所以可缩短其聚焦距离。因而本发明实施例的太阳能电池封装结构的受光角度(accepted angle)可约大于2度(degree)。因此，相较于公知的太阳能电池，使用于本发明实施例的太阳能电池封装结构中的追日器可具有较大的受光角度以及较为简单的组装工艺。此外，本发明实施例的太阳能电池封装结构有增加的芯片数目，太阳光可聚焦至承载晶片的不同位置上，上述位置为太阳能电池芯片的设置处，所以来自太阳光的热可更容易消散。本发明实施例的太阳能电池封装结构可具有足够低的操作温度，所以不需使用额外的散热物。所以，相较于公知的太阳能电池，太阳能电池封装结构可具有更佳的功效和可靠度。因此，可降低太阳能电池封装结构的制造成本。
图1为本发明一实施例的太阳能电池封装结构的俯视图。
图2为沿图1的A-A’切线的剖面图。
图3至图6为本发明一实施例的太阳能电池封装结构的制造方法的工艺剖面图。
图7为本发明另一实施例的太阳能电池封装结构的制造方法的工艺剖面图。
图8为本发明另一实施例的太阳能电池封装结构的剖面图。
图9为本发明又另一实施例的太阳能电池封装结构的剖面图。
主要附图标记说明
500a、500b、500c、500d 太阳能电池封装结构；
200 -、承载晶片；
201广、导电图案层；
202广、太阳能电池芯片；
203 -、导线；
204、2(Ma 第一光学元件；
210 -、第一透明平板；
212 -、太阳能电池芯片阵列；
212a,212b,212c 第一透镜；
213a 第一凸面；
213b 第二凸面；
213c、213e、233a、237 凸面；
213d、213f、233b 平面；
214a 第一光学元件阵列；
214b 第二光学元件阵列；
216广、太阳光；
218广、第一间隔屏障物；
230广、第二透明平板；
232广、第二透镜；
234广、第二间隔屏障物；
236广HS明模；
(I1、d, 高度。
具体实施例方式
以下以各实施例详细说明并伴随
的范例，作为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分皆使用相同的附图标记。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各元件的部分将分别描述说明，值得注意的是，图中未绘出或描述的元件，为所属技术领域中具有普通知识的技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为公开本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。图1为本发明一实施例的太阳能电池封装结构500a的俯视图。图2为沿图1的 A-A’切线的剖面图。利用一晶片级封装工艺(wafer level packaging process)来制造例如为聚焦型光伏(concentrating photovoltaic, CPV)电池封装结构500a的太阳能电池封装结构500a。如图1和图2所示，太阳能电池封装结构500a可包括一承载晶片200。 一导电图案层201，设置于承载晶片200上。一太阳能电池芯片阵列212，其包括多个太阳能电池芯片202，设置于导电图案层201上。一第一间隔屏障物218，设置于承载晶片200 上，且围绕太阳能电池芯片阵列212。一第一光学元件阵列214a，设置于承载晶片200上方，以允许太阳光216聚焦至太阳能电池芯片202上，其中借由连接于第一光学元件阵列 21 和承载晶片200两者之间的第一间隔屏障物218，将第一光学元件阵列21 与承载晶片200隔开。在本发明一实施例中，承载晶片200可视为太阳能电池芯片阵列212的一载板和/或一散热元件，其可包括例如硅、陶瓷或类似材料的介电材料、例如铝或类似材料的金属材料。在本发明一实施例中，太阳能电池芯片202是以已掺杂的一半导体产生运作，且掺杂的上述半导体形成用一 p-n结隔开的两个区域。每一个太阳能电池芯片202可具有至少两个电极位于其上，其中上述电极可包括一正极(anode electrode)和一负极(cathode electrode)，上述正极和负极分别连接至p-n结的两个不同的区域。在本发明一实施例中， 导电图案层201可具有多个隔绝的导电图案，分别电性连接至太阳能电池芯片202的不同的电极，以传递太阳能电池芯片202转换的电子信号。上述导电图案层201可包括例如铝 (Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、银(Au)、金(Ag)、锡(Sn)、钯(Pd)、钨(W)、铬(Cr)或类似材料的导电材料。假设承载晶片200为一印刷电路板(PCB)，则太阳能电池芯片202可不需导电图案层201直接与承载晶片200接触。在本发明一实施例中，第一光学元件阵列21 可为排列为一阵列形式的多个第一光学元件204。第一光学元件阵列21 可由一第一透明平板 210和形成于其上的具有多个第一透镜21 的一第一透镜阵列组成。第一透明平板210 和第一透镜21 可包括例如玻璃或压克力(acryl)的透明材料。每一个第一透镜21 位于每一个太阳能电池芯片202的正上方。在本发明其他实施例中，第一光学元件阵列21 可还包括反射物(图未显示)以进一步将太阳光216聚焦至太阳能电池芯片202上。第一间隔屏障物218可视为一间隙物，利用一高度Cl1将第一光学元件阵列21 和承载晶片200 隔开，因而有助于太阳光216的焦点会位于太阳能电池芯片202的表面上。在本发明一实施例中，第一间隔屏障物218可包括无机或有机绝缘材料，例如氧化物、氮化物、聚酰亚胺 (polyimide)、类似材料或上述组合。图3至图6为本发明一实施例的太阳能电池封装结构500a的制造方法的工艺剖面图。如图3所示，提供一承载晶片200。接着，可利用一沉积工艺和一图案化工艺，于承载晶片200上形成一导电图案层201，其具有多个隔绝的导电图案。请参考图4，于导电图案层201上设置具有多个太阳能电池芯片202的一太阳能电池芯片阵列212。在如图4图所示的一实施例中，每一个太阳能电池芯片202分别设置于其中一个导电图案上，其中太阳能电池芯片202的正极利用导线203电性连接至相邻于设置有太阳能电池芯片202的上述导电图案的其他导电图案层。
接着，请参考图5，可利用一组装工艺，举例来说，可使用一黏胶来组装第一间隔屏障物218和承载晶片200的方式，于承载晶片200上设置一第一间隔屏障物218，其围绕每一个太阳能电池芯片202。如图5所示，第一间隔屏障物218具有高度Cl1，其大于太阳能电池芯片202的高度，以确保后续组装的第一光学元件阵列21 不会与太阳能电池芯片202 接触。接着，请参考图6，晶片级的第一光学元件阵列21 制作完成且在后续工艺中与承载晶片200组装。如图6所示，可利用模压工艺(molding process)形成第一透镜21 , 其中第一透镜21 的焦距定义第一间隔屏障物218的高度屯。接着，请参考图2，制作完成的第一光学元件阵列21 借由设置于承载晶片200上的方式与承载晶片200组装，以将太阳光216聚焦至太阳能电池芯片阵列212上。借由连接于第一光学元件阵列21 和承载晶片200两者之间的第一间隔屏障物218，将第一光学元件阵列21 与承载晶片200隔开。经过上述工艺之后，完成本发明一实施例的太阳能电池封装结构500a。如图2图所示，在本发明一实施例中第一光学元件阵列21 的第一透镜21 为一双凸透镜，其具有朝向该太阳光216的一方向的一第一凸面213a，以及朝向太阳能电池芯片202的一第二凸面21北。在如图2图所示的一实施例中，第二凸面21 为一波浪形表表1本发明一实施例的太阳能电池封装结构500a与公知的太阳能电池的比较表。
1.模块特性太阳能电池面积聚焦距离重量太阳能电池芯片尺寸芯片数目公知的太阳能电池12 cm χ 12 cm>10 cm>2000g5.5mm χ 5.5 mm1个太阳能电池封装结构500a12cm χ 12cm<1.0 cm<100g400μηι χ 400μιη200个2.模块性能产生功率受光角度使用追日器类型产生温度散热物公知的太阳能电池~3 瓦(W)0.5-1.5 度 (degree)复杂型追日器>50°C需要太阳能电池封装结构500a~3 瓦(W)>2 度(degree)简单型追日器<10°C不需要 表1为本发明一实施例的太阳能电池封装结构500a与公知的太阳能电池的比较表。从表1中显示的太阳能电池封装结构500a具有以下优点。第一，使用晶片级封装工艺制造的太阳能电池封装结构500a可具有400 μ mx400 μ m的较小的尺寸。当考虑12cm χ 12cm的太阳能电池标准模块面积时，且上述面积为单一公知的太阳能电池芯片的所需面积，相较于公知的太阳能电池仅允许有1个太阳能电池芯片，太阳能电池封装结构500a可
7允许有约200个太阳能电池芯片。另外，太阳能电池封装结构500a的模块重量少于100克 (g)，远轻于公知的太阳能电池。因此，因为太阳能电池封装结构500a的较小尺寸，其聚焦距离可降低至小于lcm。于是，太阳能电池封装结构500a的受光角度(accepted angle)可约大于2度(degree)。因此，相较于公知的太阳能电池，使用于具有较大受光角度的太阳能电池封装结构500a中的追日器可以较为简单或具有较低的追日精确度。此外，因为太阳能电池封装结构500a有增加的芯片数目，太阳光可聚焦至承载晶片200的许多不同位置上， 上述位置为太阳能电池芯片的设置处，所以可更容易消散来自太阳光的热。如表1所示，相较于公知的太阳能电池，受太阳光照射的太阳能电池封装结构500a可具有低于10°C的较低产生温度，所以不需使用额外的散热物。所以，太阳能电池封装结构500a可具有改善的功效和可靠度。因此，可降低太阳能电池封装结构500a的制造成本。在本发明其他实施例中，为了进一步的聚焦需求，太阳能电池封装结构可包括两个或多于两个的垂直堆叠的光学元件阵列。图7为本发明另一实施例的太阳能电池封装结构500b的制造方法的工艺剖面图。上述附图中的各元件如有与图2至图6所示相同或相似的部分，则可参考前面的相关叙述，在此不做重复说明。于承载晶片200上方设置第一光学元件阵列21 之后，于第一光学元件阵列21 上设置一第二间隔屏障物234。如图7所示，第二间隔屏障物234可设置于第一间隔屏障物218的正上方，且第二间隔屏障物234的材质可与第一间隔屏障物218相同。第二间隔屏障物234可具有高度d2，其大于第一透镜 212b的高度，以确保后续组装的第二光学元件阵列214b不会与第一透镜212b接触。然后， 另一个第二光学元件阵列214b已制作完成且提供与承载晶片200组装，且设置于第一光学元件阵列21 上。类似于第一光学元件阵列214a，第二光学元件阵列214b可包括一第二透明平板230和形成于其上的具有多个第二透镜232的一第二透镜阵列，其中每一个第二透镜232位于一个第一透镜212b的正上方。第一光学元件阵列21 和第二光学元件阵列 214b借由连接于两者之间的第二间隔屏障物234彼此隔开，且第二透镜232的一焦距定义第二间隔屏障物234的高度d2。经过上述工艺之后，完成本发明另一实施例的太阳能电池封装结构500b。如图7所示，第一光学元件阵列21 的第一透镜212b为一平凸透镜 (plano-convex lens)，其具有朝向太阳光216的一方向的一凸面213c，以及朝向太阳能电池芯片202的一平面213d。在如图7图所示的一实施例中，凸面213c为一波浪形表面。而第二光学元件阵列214b的第二透镜232为一平凸透镜(plano-convex lens)，其具有朝向太阳光216的一方向的一凸面233a，以及朝向太阳能电池芯片202的一平面23北。本发明另一实施例的太阳能电池封装结构500b，除具有前述的太阳能电池封装结构500a的优点之外，还可具有例如改善聚光特性等优点。如图8和图9所示，在本发明其他实施例中，可使用许多不同的实施例以更进一步将太阳光聚焦至太阳能电池芯片上。图8为本发明另一实施例的太阳能电池封装结构500c 的剖面图。具有第一光学元件阵列21 的太阳能电池封装结构500c可具有多个透明模 236，设置于第一透镜212c的正下方，且分别包覆太阳能电池芯片202、导电图案层201和导线203。每一个透明模236具有朝向第一光学元件20 的一凸面237，透明模236的焦点设计位于太阳能电池芯片202的表面上以更进一步聚焦太阳光。在本发明一实施例中，在形成第一间隔屏障物218之前，可利用模压工艺(molding process)形成透明模236。在本发明一实施例中，透明模236可包括例如聚酰亚胺(polyimide)或环氧树脂(印oxy)的透明绝缘材料。第一光学元件阵列21 的第一透镜212c可为一平凸透镜(plano-convex lens)，其具有朝向太阳光216的一方向的一凸面213e，以及朝向太阳能电池芯片202的一平面213f0图9为本发明又另一实施例的太阳能电池封装结构500d的剖面图。与第一光学元件阵列21 和第二光学元件阵列214b垂直堆叠的太阳能电池封装结构500d也可具有多个透明模236，设置于第一透镜212b的正下方，且分别包覆太阳能电池芯片202、导电图案层201和导线203。每一个透明模236具有朝向第一光学元件20 的一凸面237，且透明模236的焦点设计位于太阳能电池芯片202的表面上以更进一步聚焦太阳光。在本发明一实施例中，在形成第一间隔屏障物218之前，可利用模压工艺(molding process)形成透明模236。在本发明一实施例中，透明模236可包括例如聚酰亚胺(polyimide)或环氧树脂 (epoxy)的透明绝缘材料。在本发明一实施例中，第一光学元件阵列21 的第一透镜212b 和第二光学元件阵列214b的第二透镜232的特性类似于太阳能电池封装结构500b的第一光学元件阵列21 的第一透镜212b和第二光学元件阵列214b的第二透镜232。相较于公知的的太阳能电池，使用较小尺寸的晶片级封装工艺来制造本发明实施例的太阳能电池封装结构。当考虑仅供一个公知的太阳能电池芯片使用的标准模块面积时，本发明实施例太阳能电池封装结构可允许较多的芯片设置于其上。另外，本发明实施例的太阳能电池封装结构的模块重量远轻于公知的的太阳能电池。因此，因为本发明实施例的太阳能电池封装结构的尺寸较小，所以可缩短其聚焦距离。因而本发明实施例的太阳能电池封装结构的受光角度(accepted angle)可约大于2度(degree)。因此，相较于公知的太阳能电池，使用于本发明实施例的太阳能电池封装结构中的追日器可具有较大的受光角度以及较为简单的组装工艺。此外，本发明实施例的太阳能电池封装结构有增加的芯片数目，太阳光可聚焦至承载晶片的不同位置上，上述位置为太阳能电池芯片的设置处，所以来自太阳光的热可更容易消散。本发明实施例的太阳能电池封装结构可具有足够低的操作温度，所以不需使用额外的散热物。所以，相较于公知的太阳能电池，太阳能电池封装结构可具有更佳的功效和可靠度。因此，可降低太阳能电池封装结构的制造成本，并且可应用于小型聚焦型光伏(concentrating photovoltaic, CPV)系统。虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种太阳能电池封装结构，包括一承载晶片；一导电图案层，设置于该承载晶片上；一太阳能电池芯片阵列，设置于该导电图案层上，其中该太阳能电池芯片阵列电性连接至该导电图案层；一第一间隔屏障物，设置于该承载晶片上，且围绕该太阳能电池芯片阵列；以及一第一光学元件阵列，设置于该承载晶片上方，以将太阳光聚焦至该太阳能电池芯片阵列上，其中该第一光学元件阵列借由该第一间隔屏障物与该承载晶片隔开。
2.如权利要求1所述的太阳能电池封装结构，其中该第一光学元件阵列包括一第一透明平板和具有多个第一透镜的一第一透镜阵列形成于其上。
3.如权利要求2所述的太阳能电池封装结构，其中每一个所述第一透镜为一双凸透镜，其具有朝向该太阳光的一方向的一凸面以及朝向该太阳能电池芯片阵列的一波浪形表
4.如权利要求2所述的太阳能电池封装结构，还包括一第二光学元件阵列，设置于该第一光学元件阵列上方，该第二光学元件阵列包括一第二透明平板和具有多个第二透镜的一第二透镜阵列形成于其上，其中该第一光学元件阵列和该第二光学元件阵列借由一第二间隔屏障物彼此隔开。
5.如权利要求2或4所述的太阳能电池封装结构，还包括多个透明模，设置于该第一透镜阵列的正下方，且该些透明模分别包覆该太阳能电池芯片阵列，其中每一个该些透明模具有朝向该第一光学元件阵列的一凸面。
6.如权利要求5所述的太阳能电池封装结构，其中每一个所述第一透镜为一平凸透镜，其具有朝向该太阳光的一方向的一凸面以及朝向该太阳能电池芯片阵列的一平面。
7.如权利要求5所述的太阳能电池封装结构，其中每一个所述第一透镜为一正透镜， 其具有朝向该太阳光的一方向的一波浪形表面，且每一个该些第二透镜为一平凸透镜，其具有朝向该太阳光的一方向的一凸面。
8.一种太阳能电池封装结构的制造方法，包括下列步骤提供一承载晶片；于该承载晶片上形成一导电图案层；于该导电图案层上设置具有多个太阳能电池芯片的一太阳能电池芯片阵列，其中每一个该些太阳能电池芯片电性连接至该导电图案层；于该承载晶片上设置一第一间隔屏障物，其围绕该太阳能电池芯片阵列；以及于该承载晶片上方设置一第一光学元件阵列，以将太阳光聚焦至该太阳能电池芯片阵列上，其中该第一光学元件阵列借由该第一间隔屏障物与该承载晶片隔开。
9.如权利要求8所述的太阳能电池封装结构的制造方法，还包括于该第一光学元件阵列上设置一第二间隔屏障物；以及于该第一光学元件阵列上方设置一第二光学元件阵列，该第二光学元件阵列具有一第二透镜阵列形成于其上，其中该第一光学元件阵列和该第二光学元件阵列借由该第二间隔屏障物彼此隔开。
10.如权利要求8或9所述的太阳能电池封装结构的制造方法，其中于该承载晶片上设置该第一间隔屏障物之前还包括于该第一透镜阵列和该第二光学元件阵列的正下方形成多个透明模，且该些透明模分别包覆该些太阳能电池芯片，其中每一个该些透明模具有朝向该第一光学元件阵列的一凸面。
全文摘要
本发明提供一种太阳能电池封装结构及其制造方法，上述太阳能电池封装结构包括一承载晶片。一导电图案层，设置于上述承载晶片上。一太阳能电池芯片阵列，设置于上述导电图案层上，其中上述太阳能电池芯片阵列电性连接至上述导电图案层。一第一间隔屏障物，设置于上述承载晶片上，且围绕上述太阳能电池芯片阵列。一第一光学元件阵列，设置于上述承载晶片上方，以将太阳光聚焦至上述太阳能电池芯片阵列上，其中上述第一光学元件阵列借由上述第一间隔屏障物与上述承载晶片隔开。本发明提供的太阳能电池封装结构及其制造方法，模块重量轻，追日器可具有较大的受光角度以及较为简单的组装工艺，不需使用额外的散热物，具有更佳的功效和可靠度。
文档编号H01L31/052GK102347389SQ201110020118
公开日2012年2月8日 申请日期2011年1月11日 优先权日2010年7月27日
发明者余尚真, 林孜颖, 邓兆展 申请人:采钰科技股份有限公司