太阳能电池晶片导线接合系统和方法与流程

太阳能电池晶片导线接合系统和方法
1.相关专利申请的交叉引用
2.本专利申请要求2020年12月14日提交的美国临时专利申请号63/124,970的权益，该临时专利申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
3.本文所述主题的实施例整体涉及太阳能电池制造系统和方法。


背景技术：

4.太阳能电池是熟知的用于将光转换成电能的装置。太阳能电池具有正面以及与正面相背对的背面，所述正面在正常操作过程中面向太阳以收集太阳辐射。太阳能电池所接收的太阳辐射产生可用于为外部电路(诸如负载)供电的电荷。
5.太阳能电池可由硅晶片制成。例如，太阳能电池晶片可经过掺杂、金属化、切割等以得到多个太阳能电池。单个太阳能电池可与其他部件诸如玻璃、封装器、背板等电连接和层压以形成太阳能模块。
6.尽管其得到广泛接受，但是太阳能电池仍需要以低成本和高通量制造，以便与其他能源进行商业竞争。本发明的实施例涉及一种用于将导线附接至太阳能电池的系统和方法。


技术实现要素：

7.在一个实施例中，导线接合系统被配置为将导线附接至太阳能电池晶片。导线接合系统可包括可移动平台、加热的进给管、焊接加热器尖端和导线切割器。平台支撑并且移动太阳能电池晶片。待附接至太阳能电池晶片的导线来自导线源并且穿过进给管被拉引。辊穿过进给管中的开口接触导线，以促进导线的至少初始移动。焊接加热器尖端接触导线以将导线焊接到太阳能电池晶片，并且导线切割器将导线切割成预定的长度。该系统具有多个通道，这些通道用于在并行操作中将多条导线附接至太阳能电池晶片。
8.在另一个实施例中，用于将导线附接至太阳能电池晶片的方法包括将第一多条导线中的每一条的第一部分焊接在太阳能电池晶片上。在第一转位实例中，移动太阳能电池晶片以跨太阳能电池晶片拉引第一多条导线。在第一转位实例中移动太阳能电池晶片后，将第一多条导线中的每一条的第二部分焊接到太阳能电池晶片上。然后切割第一多条导线中的每一条。在第二转位实例中，移动太阳能电池晶片以在太阳能电池晶片上的第一多条导线与后续第二多条导线之间形成间隙。在后续焊接步骤中，可沿第一多条导线的长度将第一多条导线焊接到太阳能电池晶片上。
9.本领域的普通技术人员在阅读包括附图和权利要求书的本公开全文之后，本公开的这些和其他特征对于他们而言将是显而易见的。
附图说明
10.当结合以下附图考虑时，通过参见具体实施方式和权利要求书可以更完全地理解所述主题，其中在所有附图中，类似的附图标记是指类似的元件。附图未按比例绘制。
11.图1示出根据本发明的一个实施例的超能电池。
12.图2示出根据本发明的一个实施例的在重叠太阳能电池之间的界面的放大侧面剖面图。
13.图3示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池的放大顶部。
14.图4示出根据本发明的一个实施例的超能电池的前视图。
15.图5示出根据本发明的一个实施例的制造超能电池的方法的流程图。
16.图6示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池晶片导线接合系统的示意图。
17.图7示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池晶片导线接合系统的顶视图。
18.图8示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池晶片导线接合系统的导线接合头部组件和送线器的放大侧视图。
19.图9至14示出根据本发明的一个实施例的将导线附接至太阳能电池晶片的方法。
20.图15示出根据本发明的一个实施例的已附接至太阳能电池晶片的导线。
21.图16示出了根据本发明实施例的具有同轴导线和偏置导线的太阳能电池晶片。
22.图17示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池晶片导线接合系统的导线接合头部组件和送线器的放大侧视图。
23.图18示出根据本发明的一个实施例的将导线附接至太阳能电池晶片的方法的流程图。
具体实施方式
24.在本公开中，提供了许多具体细节，诸如系统、部件和方法的实例，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将会认识到，本发明可在没有所述具体细节中的一者或多者的情况下实施。在其他情况下，未示出或描述为人们所熟知的细节，以避免使本发明的方面模糊不清。
25.图1示出根据本发明的一个实施例的超能电池100。在图1的实例中，超能电池100包括叠盖布置的多个太阳能电池120，其彼此重叠(见箭头103)，就像屋顶上的叠瓦一样。叠盖布置使太阳能电池120串联连接以形成超能电池100。每个太阳能电池120都包括半导体二极管结构及其电触点，太阳能电池120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。
26.在一个实施例中，每个太阳能电池120为晶体硅太阳能电池，该晶体硅太阳能电池具有包含前表面金属化图案的正面(太阳侧)以及包含背表面金属化图案的背面。前表面和背表面金属化图案为太阳能电池120的n-p结的相对侧提供电触点。前表面金属化图案设置在n型导电性的半导体层上，并且背表面金属化图案设置在p型导电性的半导体层上。应当理解，在无损本发明的优点的情况下，可改变太阳能电池120的一个或多个方面。例如，前表面金属化图案可设置在p型导电性的半导体层上，并且背表面金属化图案可设置在n型导电性的半导体层上。
27.图2示出根据本发明的一个实施例的在重叠太阳能电池120之间的界面(见图1，
103)的放大侧面剖面图。太阳能电池120可包括半导体基板102、汇流条110、指状物106和导线108。半导体基板102可包括正面上n型导电性的半导体层和背面上p型导电性的半导体层。半导体层102中的自由电子从半导体层102通过指状物106移动至导线108，然后移至汇流条110。电子可从汇流条110移至相邻的连接的太阳能电池120，从而形成穿过超能电池100的电流。
28.在一个实施例中，包括汇流条110和/或指状物106的前表面金属化图案由用于此类目的的银膏形成并且通过例如丝网印刷方法沉积。应当理解，汇流条110和/或指状物106也可由其他合适的材料和沉积方法形成。在附图中，仅标记出汇流条110、导线108和指状物106中的一部分以最大程度减少附图的杂乱。
29.在图2的实例中，太阳能电池120的背表面金属化图案包括接触垫116。接触垫116可包含与汇流条110和/或指状物106相同的材料并且以相同的方式形成。导电粘合剂(eca)118将太阳能电池120的接触垫116连接至相邻太阳能电池120的汇流条110，以在太阳能电池120之间形成串联电连接。
30.图3示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池120的放大顶部。在图3的实例中，指状物106设置在汇流条110的平行取向上，并且导线108设置在汇流条110和指状物106的垂直取向上。汇流条110、导线108和指状物106电连接在一起，在一个实施例中，其电连接至n型导电性的半导体层。应当理解，可改变汇流条110、指状物106和导线108的设计以适应不同的超能电池设计。
31.图4示出根据本发明的一个实施例的超能电池100的前视图。在图4的实例中，将超能电池100显示为具有叠盖太阳能电池120，其仅用于举例说明的目的。应当理解，超能电池中太阳能电池的数量取决于超能电池的具体情况。如图4所示，每个太阳能电池120具有多条导线108，其中每条导线108具有终止于太阳能电池120的端部。汇流条110和指状物106可通过印刷或其他沉积方法形成。相比之下，导线108从导线源单独拉出，置于(与沉积相反)太阳能电池120的正面，然后焊接到指状物106和汇流条110。因此，将导线108附接到太阳能电池120可能是一项昂贵并且耗时的操作。
32.图5示出根据本发明的一个实施例的制造超能电池100的方法251的流程图。在图5的实例中，太阳能电池晶片容纳于太阳能电池晶片导线接合系统(步骤252)中。在一个实施例中，太阳能电池晶片在容纳于导线接合系统中时，已具有汇流条、指状物和半导体二极管结构。导线接合系统将导线附接至太阳能电池晶片(步骤253)，然后将太阳能电池晶片切割为单独的太阳能电池条带。然后将太阳能电池晶片从导线接合系统移除。在激光器系统或其他工具中，在太阳能电池晶片上形成划线(步骤254)。刻划步骤可通过以下方式执行：在太阳能电池晶片上扫描激光束以在其上形成划线。划线便于在后续步骤中切割太阳能电池晶片以形成单独的太阳能电池条带。然后，将eca印刷到太阳能电池的接触垫上(步骤255)。然后沿划线切割太阳能电池晶片以得到太阳能电池条带(步骤256)，然后将其叠盖成超能电池(步骤257)。然后可固化叠盖太阳能电池。
33.图6示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池晶片导线接合系统200的示意图。图6示出导线接合系统200的顶视图、侧视图和前视图。导线接合系统200被配置为将多条导线108(例如，参见图3)附接在太阳能电池晶片250上。将导线108附接至太阳能电池晶片250，然后将太阳能电池晶片250切割成单独的太阳能电池120条带。
34.导线接合系统200包括平台210，该平台靠接在x轴(前后)平移台211和y轴(左右)平移台212上。为了图示清晰起见，未示出平移台的电机和导轨。将太阳能电池晶片250放置在平台210上。致动平移台211和212，将沿平行于地面的x-y平面移动平台210，从而移动太阳能电池晶片250。这使得导线108以同轴或偏移形式附接。
35.导线接合系统200包括送线器240，该送线器被配置为接收待附接至太阳能电池晶片250的多条导线108。导线接合头部组件230可容纳多个通道，其中每个通道被配置为放置、焊接和切割太阳能电池晶片250上的单条导线108。
36.头部组件230和送线器240安装在模块220上，该模块由支柱221致动。模块220的每个端部耦接到支柱221，但为了图示清晰起见，仅示出一个支柱221。支柱221被配置为沿z轴(上下)移动模块220(从而移动头部组件230和送线器240)并且旋转模块220(见θ)以改变头部组件230和送线器240相对于太阳能电池晶片250的平面的角度。支柱221可包括平移和旋转电机以及相应的导轨(未示出)。
37.图7根据本发明的一个实施例的导线接合系统200的顶视图。导线接合系统200包括计算机270，该计算机执行用于控制导线接合系统200的操作的控制程序271。计算机270可包括用于与电机控制器、换能器、传感器以及导线接合系统200的其他控制部件通信的接口。计算机270和导线接合系统200的控制部件可使用工业控制和自动化领域中常用的合适部件来实现。
38.如图7所示，导线接合系统200具有用于附接太阳能电池晶片250上的多条导线108的多个通道，这些通道由平台210支撑。导线源提供多条导线108，这些导线插入送线器240的相应的进给管(见图8，304)中(见箭头261)。在一个实施例中，导线源提供涂覆有锡和铅的铜导线108。可牵拉导线108穿过清洁的助焊剂溶液(未示出)，然后焊接到导线接合系统200中的太阳能电池晶片250。
39.在导线接合系统200的每个通道上，导线108沿x轴方向移动穿过送线器240(见箭头262)，由相应的加热器尖端231焊接(另见图8，231)，并且由相应的切割器232切割(另见图8，232)。在图7的实例中，切割器232与加热器尖端231相邻。多个通道使多条导线108可在并行操作中同时附接至太阳能电池晶片250，从而提高通量。导线接合系统200可被缩放以适应具有更少或更多条导线108和/或不同太阳能电池晶片尺寸的超能电池设计。
40.图8示出根据本发明的一个实施例的导线接合系统200的导线接合头部组件230和送线器240的放大侧视图。图8示出用于将导线108附接至太阳能电池晶片250的单个通道。如前文所述，导线接合系统200具有多个通道，这些通道用于在并行操作中同时附接多条导线108。
41.在图8的实例中，送线器240包括进给管304和多个机动辊303。在一个实施例中，进给管304被加热并且可适应具有在100μm至600μm范围内的直径的导线108。进给管304可具有大于导线108的直径的入口直径可便于插入导线，并且具有略大(例如，增大约5％)于导线108的直径的出口直径。进给管304相对于太阳能电池晶片250成一定角度。导线108来自导线源，其一端进入进给管304，另一端在头部组件230附近离开进给管304。进给管304具有开口，辊303通过这些开口接触进给管304中的导线108。在图8的实例中，一对相对的辊303接触导线108以促进导线108在进给管304中的移动。辊303可耦接到具有制动系统的电机(未示出)。可控制电机以驱动辊303推动或拉动导线108穿过进给管304。出于举例说明的目
的，示出两对相对的辊303。
42.在图8的实例中，进给管304的出口端在导线108焊接到太阳能电池晶片250的附接点(见305)附近的头部组件230下方。在一个实施例中，附接点可在汇流条或焊盘上。头部组件230包括焊接加热器尖端231和切割器232。在附接点处，加热器尖端231被加热(例如，通过脉冲加热)以将导线108焊接到太阳能电池晶片250上的附接点。使用加热器尖端231执行的焊接可为初始焊接步骤(也称为“第一阶段焊接”)将导线108对准并且定位焊到太阳能电池板250上。切割器232被配置为在焊接后切割导线108。支撑太阳能电池晶片250的平台210(见图6)根据需要向前移动(见箭头311)以使太阳能电池晶片250相对于头部组件230和送线器240移动。
43.最终焊接步骤(也称为“第二阶段焊接”)可在初始焊接步骤之后。最终焊接步骤可沿初始焊接步骤中尚未焊接到太阳能电池晶片250的导线108的长度将导线108焊接到太阳能电池晶片250。最终焊接步骤可在头部组件230之后执行，例如通过红外焊接来执行。最终焊接步骤可在受热腔室(例如烘箱)中执行。最终焊接步骤也可在专用焊接工作站中执行，该焊接工作站与导线接合系统200集成或与之分开。最终焊接步骤可涉及将太阳能电池晶片250置于加热平台上，使导线108背对平台，然后将导线108(例如，使用圆形尖端或金属辊)压向该平台。太阳能电池晶片250也可放置为使得导线108面向加热的卡盘，然后向下按压到太阳能电池晶片250上以使导线108接触卡盘。
44.图9至14示出根据本发明的一个实施例的将导线附接至太阳能电池晶片的方法。出于举例说明的目的，使用导线接合系统200的部件阐明该方法。应当理解，在无损本发明的优点的情况下也可使用其他部件执行该方法。
45.在图9至14的实例中，顺序执行该方法的步骤。在图9所示的第一步中，导线108通过进给管304进给(见箭头312)。辊303至少便于进给管304中的导线108的初始移动。导线108的第一端部在头部组件230的附近离开进给管304。
46.在图10所示的第二步中，降低加热器尖端231以接触导线108的第一端部并且将其焊接(例如，通过脉冲加热)到太阳能电池晶片250上的第一附接点。然后将加热器尖端231再次升高至其中立位置。
47.在图11所示的第三步中，导线108移动穿过进给管304(见箭头313)并且转位太阳能电池晶片250以向前移动预定的距离(见箭头314)，从而将导线108在太阳能电池晶片250上拉引预定的长度。例如，太阳能电池晶片250可转位以在太阳能电池晶片250上移动30mm至70mm的距离，用于进行六次到两次切割，其中切割提供连续导线108。导线108的总长度取决于超能电池的设计。在第三步中，主要由于太阳能电池晶片250的移动而拉引导线108。如所指出的，太阳能电池晶片250支撑在平台210上，移动该平台以移动太阳能电池晶片250。
48.在图12所示的第四步中，降低加热器尖端以接触导线108并且将其焊接到太阳能电池晶片250上的第二附接点。然后将加热器尖端231再次升高至其中立位置。在该实例中，将导线108定位焊到两个附接点，这两个附接点在导线108的相对端。应当理解，导线108也可定位焊到太阳能电池晶片上额外的附接点，例如在第一附接点与第二附接点之间的第三附接点。
49.在图13所示的第五步中，降低切割器232以切割导线108，从而在第二附接点处形成导线108的第二端部。然后将切割器232再次升高至其中立位置。此时，导线108具有预定
的总长度以及焊接到太阳能电池晶片250的第一端和第二端。
50.在图14所示的第六步中，太阳能电池晶片250转位以向前移动预定的距离(见箭头315)，从而在导线108与下一条导线108之间形成具有预定间隙长度的间隙。间隙的数量和间隙的长度取决于超能电池的设计。例如，导线接合系统200可形成两个间隙。太阳能电池晶片内的间隙可具有0.5mm至3mm的间隙长度，并且太阳能电池晶片之间的间隙可具有2mm至6mm的间隙长度。
51.该方法从第六步返回第一步(见图9)，以将下一条导线108附接到太阳能电池晶片250上。应当理解，该方法能够连续附接导线108而不浪费线材，从而使材料成本和附接时间最小化。
52.图15示出根据本发明的一个实施例的已附接至太阳能电池晶片250的导线108。为了图示清晰起见，仅示出两条导线108。在图15的实例中，导线108垂直于指状物106。在初始焊接步骤中，将导线108焊接到附接点320，如图10和12所示。附接点320可为例如汇流条或焊盘。在图15的实例中，导线108也可在导线108的中间部分被焊接到附接点320。在最终焊接步骤中，导线108的长度为l1和l2的部分被焊接到太阳能电池晶片250。当太阳能电池晶片250在切割后移动以牵拉导线108时，在导线108与后续的导线108之间形成间隙g1，如图14所示。
53.导线108可沿直通道或偏置通道附接。图16示出太阳能电池晶片250-1，其中导线108沿直通道附接。在太阳能电池晶片250-1中，导线108与下一条导线108成一行。图16还示出太阳能电池晶片250-2，其中导线108沿偏置通道附接。在太阳能电池晶片250-2中，导线108与下一条导线108偏离。根据需要，可通过沿y轴移动太阳能电池晶片250或头部组件230和送线器240，将导线108附接至偏置通道。
54.可调整导线接合系统200以满足不同的超能电池设计需要。例如，可调整导线接合系统200以适应不同的线号。图17根据本发明的一个实施例的导线接合系统200的送线器240-1的放大侧视图。送线器240-1为送线器240(见图8)的一个实施例，其可容纳较细的导线108(例如直径为100μm至400μm)。
55.在图17的实例中，进给管407为容纳细导线108的毛细管。与前文所述的进给管304一样，进给管407具有开口，机动辊405和406通过这些开口接触进给管407中的导线108。在图17的实例中，辊405为橡胶辊，而辊406为带凹槽的辊。一对相对的辊405和辊406便于导线108穿过进给管407移动。如图17的放大视图409所示，辊406可具有v形凹槽。导线108穿过辊405与辊406的v形凹槽之间的空间(见408)，保持细导线108准确对准。
56.图18示出根据本发明的一个实施例的将导线附接至太阳能电池晶片的方法500的流程图。可使用前文所述的部件执行方法500。应当理解，在无损本发明的优点的情况下也可使用其他组件。
57.在方法500中，通过太阳能电池晶片导线接合系统的进给管进给导线(步骤501)。在进给管的出口端，将导线的第一部分焊接在太阳能电池晶片上的第一附接点(步骤502)。然后向前移动太阳能电池晶片，从而拉引导线穿过进给管并且跨过晶片(步骤503)。在进给管的出口端，将导线的第二部分焊接到晶片上的第二附接点(步骤504)。一般而言，可将导线焊接到晶片上的多个附接点诸如两个附接点、三个附接点等。然后切割导线以在太阳能电池晶片上形成连续长度的导线(步骤505)。然后向前移动太阳能电池晶片，以在导线与待
附接至太阳能电池晶片的下一条导线之间形成间隙(步骤506)。然后将导线的其余部分，诸如导线的尚未焊接到附接点的部分，焊接到太阳能电池晶片(步骤507)。
58.公开了一种太阳能电池晶片导线接合系统以及将导线附接至太阳能电池晶片的方法。虽然已提供了本发明的具体实施例，但是应当理解，这些实施例是用于举例说明的目的，而不用于限制。通过阅读本公开，许多另外的实施例对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。