CN1007766B - 太阳能电池阵列 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种太阳能电池阵列，该阵列由一对隔开的互相电绝缘的柔性铝箔片形成。带N型外壳的P型半导体球穿过其中的一片，并与两片均有电气耦合。半导体球被固定在有氧化涂层的铝箔片上，这些片材作为防蚀掩膜，蚀刻除去N型外壳。在通过机械研磨去除半导体氧化物之后，半导体球接触另一块片材，球放在压刻和腐蚀出的小孔里，当迫使球进入孔时，片材温度处于500℃至577℃。在带状材料上形成许多这样的阵列，在分割位置放垫片并在上面划割把阵列各自分开，所以片材之一就有凸缘伸到外面以连接另一个阵列的片材，以这样的方法可以用互连的许多阵列来构成大型太阳能板。

Description

本发明涉及用排列在一金属箔片基体上的硅球体制造太阳能电池的方法，上述电池在受到光照时产生电能。

人们已熟知将太阳光转换成其他形式有用能的能量发生系统，由于作为主要能源的太阳具有经济性，所以这样的装置不断地得到发展和改进。基尔比（Kilby）等在美国专利4，021，323中揭示了一种这样的系统，其中由玻璃或塑料之类透明基体组成的太阳能阵列是将在一侧具有N型表层的P型硅粒埋入基体中，或者将在一侧具有P型表层的N型硅粒埋入基体中。尽管布局可以变动，但最好有一半粒子是具有N型表层的P型硅粒而其他是具有P型表层的N型粒子。在基体的背面，穿过基体并隆起的硅粒子用合适的导电的喷镀金属互相联接。硅粒子的表层部分穿过基体的正面。这些阵列被浸入一种电解质中，最好浸入氢溴酸（HBr）中，电解质接触基体的正面。由于接触电解质的导电类型不同的硅粒之间存在电势差，在太阳光下在其间形成电位差，此时氢溴酸电解成氢气和溴，氢气冒泡溢出，而溴则留在溶液内。氢气被收集并成为一种能源，例如，在众所周知的燃料电池和类似的装置中。

这种类型的太阳能阵列中，硅粒子单独参与电解。其结果，假如少量粒子的P-N结被短路或被旁路的话，阵列产生反应产物的速率不会受到显著影响。

另一个用来从太阳光产生有用能的系统使用与上述类型相似的阵列，但构造成能产生电力，而不是进行电解。美国专利2，904，613号揭示了这样一个系统。虽然，有可能交替排列，但一个有用的实施例 包括诸如玻璃或塑料等的透明基体，它携带了具有P型表层的N型硅粒子。粒子的N型芯从基体背面凸起并由合适的导电金属相互联接。P型表层从基体正面凸起，并由诸如在纯金属栅结构上氧化锡之类导电的光导材料相互连接。在太阳光作用下，在这一阵列的背面和正面的互连结构之间形成电位差，这阵列可以被合适地联接成直接驱动外部的电负载。

肯特.R·卡森于1983年12月15日（T1-9744）提出的申请号为562，782的申请中对已有技术作出了改进，即对上述发明作了进一步改进。然而，在现有技术中，依照上述的已有技术制造太阳能阵列的费用是相当不经济的，至今还未看到此已有技术的方法在经济上取得很大成功。因此，迫切需要提供经济上可行的太阳能阵列，以便能够相对不太昂贵地制造这样的阵列。

根据本发明，提供一个制造太阳能电池阵列的方法，大大地减少了上述已有技术中提及的问题，与列举的已有技术相比，该方法能比较经济地制造太阳能电池阵列。

简要地说，依照本发明，太阳能电池阵列用第一张标准型柔性铝箔制成，标准型铝箔的表面上可能有天然的氧化铝。在将要安放硅球的那些地方压刻箔片以形成金属基体。然后用有机物清洗并腐蚀，去除那些进行过压刻的薄的区域，以在其内产生小孔和提供塞入硅球的位置。利用一附加的腐蚀步骤在箔片上形成粗糙的表面。箔片形成将要设置的硅球的壳体，还作为前接触。在P型内芯上具有N型表层的硅球被设置在箔片的背面，在箔片正面设置一真空吸盘把硅球部分地吸入先前在箔片上形成的小孔中，切断空气流过小孔的通道。因为最初使用多于小孔数量的硅球，所以，所有的小孔最后都要被硅球填满，然后用刷子或类似东西清除箔片背面没用的硅球。

然后，把球冲压接合到铝箔上，冲压力将硅球压入小孔中，使硅 球的大圆位于箔片正面一侧的前面（朝向太阳或光源的一面）。在高压下将球压到孔中的动作使得铝箔在与硅球接触的表面处被撕裂，并且裸露出新的铝，由于硅球相对于铝箔的运动产生的剪切作用也会刮走表面的氧化铝而裸露出新的铝。这种作用也会从与铝箔特别是与裸露铝接触的球的部分表面上去除氧化硅。在大约500℃至不到577℃的温度范围内，铝会发生这种作用，在此温度铝虽然还是固体，但已很容易变形，而硅仍然是刚体。（假如冲压时间足够短的话，温度可以超过577℃），新铝冲击二氧化硅并且在冲压期间将它从冲压部位基本上除去。通过种方式使硅铝之间接合，从而形成铝与硅N型表层的接触。然后，箔片和硅球的阵列冷却到环境温度，使得箔片再度硬化。

然后，腐蚀带有裸露硅球的箔片背面，以去除那里的N型表层。因为铝箔作为硅腐蚀剂的掩膜，而箔片因为有自然形成的很薄的一层天然的氧化物，本身不是很活泼了。阵列放在硫酸槽（约10%的硫酸）中作阳极化处理约半分钟，以在铝上产生一个氧化涂层，接着用另一个阳极化槽，其中盛有一半1%的磷酸以密封铝和使硅阳极化。这里面约生成大约10微米三氧化二铝和0.1微米的二氧化硅。然后研磨球的背表面，使其产生一个可以与之接触的表面。研磨工艺使表面粗糙以便形成一个良好的欧姆接触。然后在预热到处于500℃至不到577℃的温度范围内的一个温度后，将第二张薄的铝箔放到研磨表面，将铝箔压紧在研磨区域，与之形成接触。

在以一卷一卷的方式形成阵列的实施例中，在把二张铝箔接合到硅球上之前，在二张铝箔之间于相邻的阵列间的一个位置处设置垫片。在该实施例中，上面和下面的箔片被相向挤压，但在第二张铝箔与硅球接合时并不与垫片接合。然后在阵列两侧的垫片上铝箔被合适地划割开，从而在阵列两相对侧都提供了一延伸出的箔片部分。然后铝箔 的延伸部分可以以串联电路关系连在一起，形成一种扩大了的电路。

带有垫片的阵列可进行划割，互相分开并去角，使矩形阵列只在一侧有向外延伸的作为接触的第二铝箔部分。这些接触与其他任何形状的阵列的第一铝箔部分连接，提供带有输入与输出的组件。

结论是具有裸露在阵列正面的各个硅球的凸出部分的太阳能阵列提供了增加吸收太阳光线的有效表面。进一步显而易见的是，利用相对少数量的廉价材料和工艺步骤，提供了这样一个柔软的，在铝箔上有一个轻微反射层的阵列。

图1    是依照本发明制造太阳能阵列的工艺流程示意图。

图2    是图1流程的工艺示意图。

图3    是阵列在一维方向相互连接程序的示意图。

图4    是阵列在二维平面相互连接程序的示意图。

图5    是阵列在三维空间相互连接程序的示意图。

图6    是依照本发明的组件图。

参照图1和图2，可见依照本发明利用本发明的特点制造太阳能阵列的工艺流程示意图。开始，准备约2密尔厚的铝箔[1]，铝箔[1]是可弯曲的，同时通常在其表面上有一很薄的天然氧化层自然裸露于环境。与这里的说明着眼于单个的太阳能阵列元件的同时，应该明白，正如在此以前的已有技术中已举例说明的那样，总阵列是由单一阵列元件组合而成。

如[a]所示，铝箔[1]最初先压成六边形间隔排列的布局，例如，六边形中心部位为16密尔厚，厚度减小的压刻面[3]的直径比要置放在里面的球体直径略小。压刻面可以是园形或其他几何形状，如六边形。在压刻面是多边形的情况下，通过这多边形中心并横跨多边形的直线将短于将要置放的球的直径。然后如[b]所示，清洗箔以去除有机物，用加热的氢氧化钠或氢氧化钾蚀刻以除去箔片上压刻面[3]的 区域，在这地方形成小孔[5]。在蚀刻期间，压刻面[3]先于箔片的其它部分被除去，因为压刻面[3]比箔片的其它部分薄，故也蚀刻得快，并由于在其压刻时进行过冷加工。这称为铝基体。

此时箔可选用50%的39A蚀刻液进行蚀刻使其具有某种结构（蚀刻剂39A是15%氢氟酸，60%硝酸和15%冰醋酸），从而提供一个使背面反射减至最小的基体表面。

许多如（c）所示具有N型表层[9]和P型内芯[11]的硅球[7]放在箔片[1]的基体背面[13]上，并在箔片的正面[15]设置真空吸盘把球[7]吸入孔[5]中。因为最初在箔片背面有多于小孔[5]数量的硅球[7]，所有的小孔都将被硅球[7]填充，然后用刷或其他类似的方法把过量的球[7]从箔片的背面去掉。这里采用的硅球的直径最好是14.5密尔，如上所述，孔[5]的截面直径小于14.5密尔，从而在箔片的正面形成真空，其理由在下文说明。

球[7]被接合在如（d）所示的铝箔[1]的小孔[5]内，如（d）所示，通过加热该箔片，并加上冲击压力，硅球[7]被很快地压入小孔[5]中，在孔的内部引起一个剪切动作，该动作刮去在孔边上箔片内表面处的氧化铝，暴露出未氧化的元素铝。因为已说明过，铝已被加热到约530℃的温度，此时，硅球[7]被压入小孔[5]中，所以铝是容易起反应的，在机械性能上多少有些粘并容易变形。因此元素铝与球上很薄的天然氧化硅层反应并把它去除，所以现在箔片[1]上的铝可以直接接合到硅球的N型表层[9]上的元素硅而形成接触。

球[7]被放置在孔[5]内，所以它的大园处在箔片[1]的前面或者在其正面[15]。用放在铝箔[1]上面与下面的压力垫可以实现这样的安排。压力垫是用涂有诸如氮化硼粉末这样的释放剂的约8密尔厚的铝箔制成的。它作为缓冲垫在冲击期间使冲压锤不致冲坏球。此外，压力垫吸收锤的撞击。在箔片[1]的侧面[13]上的顶压力垫比在箔片 [1]的侧面[15]上的底压力垫厚，以使硅球的大圆象上面所述那样偏离箔片[1]。对一个2平方厘米的阵列，用约48英尺磅的冲击能进行操作已获得成功。于是，正如上所述，现在铝被直接接合到硅上去了。

然后，如（e）所示，用39A蚀刻剂蚀刻箔片[1]背面[13]和在这一面上的硅球部分，去除阵列背面上部分N型表层[9]并暴露出P型区。带有天然氧化物的铝箔[1]对蚀刻剂的作用像一防护罩，仅允许去除阵列背面〔13〕的部分表层[9]。然后用去离子水漂洗阵列去掉蚀刻剂，如（f）所示，再把阵列作阳极化处理以钝化裸露的硅，将箔片在约20伏电压下浸入10%的硫酸溶液中约半分钟。然后箔片在约20伏电压下浸在0.5%的磷酸溶液中钝化半分钟。必须使用磷酸，并且发现使用磷酸能封闭氧化铝中的小孔，在先前已被蚀刻的硅表面上形成大约1000A厚的氧化铝21。

然后用熟知的方法在阳极氧化期间形成的背面[21]上机械研磨阳极氧化过的阵列的硅球[7]。这种研磨把氧化硅[21]和一些硅都去掉从而平整硅球[7]的背面[17]，并在[17]上产生一个粗糙的表面使其能够形成欧姆接触。然后如图（h）所示，将一张约为1/2密尔的薄铝箔放置在各个硅球[7]的背面[17]上，因此它覆在研磨过的平面区域[17]和在上述条件下被加热至约为530℃的温度的铝箔上，该温度最好在大约500至577℃的范围内。然后用冲击压力把加热过的铝箔[19]压紧硅球[7]，从而在由于冲击暴露出的铝与由于研磨和冲击元素铝而暴露在硅球[7]背面上的硅之间形成一接合。箔片[19]与硅区[11]的接触用参照（d）所描述的同样的方法接合而成。由于铝箔片[1]的阳极氧化，所述箔的表面有一厚层氧化铝，以防止箔片[1]与箔[19]间发生短路。[如图（i）所示，可在阵列的前表面上涂上一层标准抗反射涂层，以改善硅的光吸收率。]由此可见，已经提供了一个太阳能电池阵列，其中硅球的主要部分被暴露于入射的太阳光线， 该阵列是柔性的，所采用的工艺和材料相对来讲都不昂贵且数量少。

在实际工艺流程中，上面揭示出的阵列通常以一卷一卷的方式形成，而不是形成单个阵列。然后阵列可以形成组件，例如1米乘2米的大小，并在此形状下进行试验，以上述这种方法制成的每个阵列，通常每边约有10厘米。

要以成卷形式提供上述太阳能阵列，然后形成组件，其程序将按照图3至图6中所表示的进行。先参见图3，可见阵列互连系统的一维示意图，在图3（a）中可见，单一阵列[30]的硅球[31]被定位在正面的接触箔片[33]中，背面的箔片[35]还没有附着到球上。垫片[37]被插在阵列[30]之间，从图4（a）中看得更清楚。从图4（a）中可见，正面箔片[33]比背面箔片[35]小一些，其原因从下面可显而易见。

现在参见图3（b），可见背面箔片[35]已与硅球[31]以及垫片[37]接触，正面箔片[33]也与垫片接触。这在图1的（h）步工序中完成，背面箔片[35]被接合到硅球[31]上也作为该工序的一部分。箔片[33]与[35]将不与垫片[37]粘合，仅仅是接触而已。然后箔片在垫片上图3（b）中V形件所指的位置上被刻割，以在阵列相互分开和垫片移去后提供如图3（c）和图4（b）所示的构件。然后，图3（c）和4（b）所示的阵列去角，如图4（c）所示，以提供四个凸缘，这些凸缘是背面箔片[35]的的一部分，处于阵列方块的每一边，标以A，B，C，D。然后把B，C，D凸缘折叠到阵列下面，如图3（d）及图4（d）所示，然后用超声焊接或类似方法把凸缘A接合到下一个阵列的凸缘B，C，D中的一个，使该阵列与下阵列相连，如图31（e）所示。

用互连工序可提供如图5所示的三维排列，其中带有延伸凸缘A的一个阵列被定位，这样凸缘A连接下一个阵列的凸缘B，C或D中的一个，以这样的程序继续在一直线方向或其他途径上连续下去以形成整个组件，图6所示的完整组件中，凸缘A固定于毗邻 的阵列〔30〕的B，C或D凸缘上，形成一前后相连的电路将60个这种阵列形成串联电路。同时也提供了把组件连到输入[41]和输出[43]的凸缘。

在完成图6的组件后，就根据图2做测试，假如测试成功，就可以把组件安装在背贴材料或类似的材料上，然后在接合处用超声焊接将凸缘接合在一起，此后，组件被密封起来，与环境隔开。然后密封组件按标准方法再进行测试，从而为用户提供出可使用的组件。

虽然本发明对特定的较佳实施例作了说明，但有许多变形和改进对那些熟知本专业的人是显而易见的。因此，其权利要求应扩展到包括所有这样的变形和改进。

Claims (5)

1、一太阳能电池阵列，其特征在于，它包括：

a.带有许多间隔的小孔的第一铝箔层；

b.许多半导体构件，每个均有一P型和一N型区域，N型区域接合到所述第一铝箔，

c.和所述第一铝箔绝缘并连接到P型区域的一接触件。

2、如权利要求1所述的太阳能电池阵列，其特征在于，所述接触件是第二铝箔。

3、如权利要求2所述的太阳能电池阵列，其特征在于，所述半导体构件是球形的。

4、如权利要求3所述的太阳能电池阵列，其特征在于，所述的半导体构件的大圆是在所述第一铝箔的远离所述接触件的侧面的前方。

5、如权利要求4所述的太阳能电池阵列，其特征在于，它还包括置于所述第一铝箔的远离所述接触件的表面上的抗反射涂层。

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