CN101057342A - 用于互连太阳能电池串的太阳能电池装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池装置，其包含至少一个第一太阳能电池以及至少一个与该太阳能电池相连接的分散式保护二极管(101)。为了在足够的范围内通过一个或者多个保护二极管保护太阳能电池或者太阳能电池联合(如串)而不必绝对必要动用太阳能电池本身的材料的情况下，建议保护二极管除了前和后接触(13，15)之外还具有与前接触相间隔并通过p/n结电连接的另一接触(14)，与第二太阳能电池相连接的连接器从该接触出发，所述第二太阳能电池在其侧与第一太阳能电池互连成串。

Description

用于互连太阳能电池串的太阳能电池装置以及方法
本发明涉及一种太阳能电池装置，其包含至少一个带有在前和背接触之间运行的光敏半导体层的第一太阳能电池以及至少一个与该太阳能电池连接的分散式保护二极管，所述分散式保护二极管带有由第一导电性的半导体材料组成的衬底、在此衬底的表面区域内形成的层或者在此表面区域上施加的第二导电性的层、在所述第二导电性的层上的第一金属接触、和在衬底上布置的第二金属接触，其中用于互连保护二极管的连接器从第一和第二金属的接触出发。此外，本发明涉及一种用于互连太阳能电池串的方法。
基于特别是在价格低廉的碳的航天电池情况下在从阳光到电流的转化中高得多的效率，半导体太阳能电池制造的重点倾向于在材料方面和制造方面贵得多的III-V半导体太阳能电池(III＝元素周期表的第三组的元素，如Ga(镓)或者In(铟)；V＝元素周期表的第五组的元素，如As(砷)或者P(磷))。
在相应的太阳能电池的情况下，在耗费的结晶生长工艺(外延(Epitaxie))中通过大多在与硅相比十分昂贵的单晶锗圆片(Ge衬底晶片)上沉积多个不同的单晶层来制造光敏层。在层沉积后，所述外延晶片包含用于转化阳光所需的所有元素。于是，外延晶片在其制造后采用在半导体技术中普遍的光刻方法和蚀刻、金属化和减反射蒸镀等等被进一步处理成太阳能电池并且最终从圆片上被切除。
通过适当地选择层和其由不同的III-V材料的组合，在此可以针对光的不同波长相叠地沉积不同敏感的层序列并且处理成所谓的“多结”太阳能电池，这共同解释了电池的高效率。当前的应用状况是三重电池，也就是三个相叠分层的子电池，其中两个以外延生长的方式由III-V材料构成，和第三个由有效混合的Ge衬底构成。通常III-V太阳能电池由直径为100mm的圆晶片(衬底)(4″晶片)制成。
三重电池是带有三个相叠分层的串行连接的太阳能电池的三倍(三个电池(子电池)具有用于提高三重电池的总效率的不同的光谱灵敏度；“多结”电池：带有多个子电池的电池)。
三重电池形式的相应的多结太阳能电池例如可以由在Ge衬底上所构造的Ge底部电池、GalnAs中间电池和GalnP顶部电池组成。外延晶片的价格当前总计超过用于制造硅太阳能电池的相同大小的硅晶片价格的20倍。由于用于制造III-V太阳能电池的外延晶片形式的原材料的高价格，为了减少由于太阳能电池制造工艺的故障应该将工艺步骤的数量保持尽可能小，以便由此避免电池最终价格的进一步成本增加。
由于与硅相比III-V化合物和锗的较大的特定重量(Gewicht)(大约因数为4)和将卫星运送到宇宙中的高费用，III-V圆片比通常在标准半导体技术(例如IC制造)中薄，由此特别是因为Ge衬底也比Si晶片更易碎，因而在增加的制造耗费的情况下故障风险仍在增大。
为了将用于连接电池成串(String)(至在底板上所期望的工作电压的串行互连的太阳能电池的单元；panel＝底板(Paneele)；装配有太阳能电池的面(翼)，正如在卫星中常见的)的耗费保持尽可能低，但又为了不得到太短的串，因为现代的III-V电池的工作电压为Si电池的多倍，期望比较大的电池。同时，外延晶片的高价格使得期望尽可能多的晶片面积用于电池。由于成本原因，大约8cm×4cm的带有两个剪切角的电池(所谓的剪切角电池)因而已变得普遍，其中从4″晶片获得两个电池。由此与在纯矩形电池情况下相比，通过对角进行剪切可以将晶片面的更大部分用于电池。
在直径为100mm的圆片的宽为2mm的量上不足的晶片边缘的情况下，得到72.4cm2的面积。两个矩形电池可以最大获得6.79cm×6.79cm＝46.1cm2(64％)的面积，而在边长为8cm×4cm的带有剪切角例如为1.35cm的两个电池的情况下得到60.34cm2的面积，使得可以使用圆片面积的83％。由几何形状制约，这些电池不完全充填底板的面积：在电池之间的角上保留了不用于光转换的三角形面积。
在大面积的半导体二极管(如形成太阳能电池的所述二极管)的情况下，通过半导体材料的p/n结的高欧姆性的、局部的、小尺寸的电连接(微短路)经常是不可避免的，正如例如由于在制造期间或者特别是在外延p/n结情况下的表面受损，如在III-V太阳能电池的情况下由于掺杂材料积聚(变质的半导体材料)，例如晶体损伤(例如由于轻微偏移的晶格的受损)。不降低或者仅仅十分轻微地降低作为太阳能电池的二极管(在流通方向的p/n结)的功能的所述微短路在串中在运作电池时在截止方向上以公知方式可能导致电池受损。在截止的p/n结的情况下，太阳能电流可以由具有功率为N＝Us·Is的高的串电压Us通过高欧姆性的微短路强制。这可能局部地造成强热、再掺杂成低欧姆性(半导体的强变质)和最终造成电池的受损。
所谓的旁路或者保护二极管、也即与所遮蔽的电池的p/n结反极性并联地连接的二极管产生对所述受损的保护，所述二极管当电池的p/n结截止时在流通方向上被极化并且在电压为Ud时允许电流通过，所述电压对应于在流通方向上在正好该电流时该二极管的特征曲线。通过电池的缺损(fehlende)电压Um和二极管的流通电压Ud降低在串末端的电压Ur：Ur＝Us-Um-Ud。在电池的未遮蔽状态下，保护二极管的p/n结通过在截止电压时的相同电流流通来截止电流流通，所述截止电压仅仅对应于所属的太阳能电池的流通电压。
为了防止在串中各个电池的损坏而在遮蔽时以与电池反极性并联连接的二极管形式将保护二极管用于电池本身是公知的。
对于III-V电池作为解决方案存在单片集成保护二极管(单片二极管)、也即二极管，其由与电池类似的元件已在制造外延期间直接地在晶片上在大多附加的工艺步骤中生成并且在制造电池期间在附加的技术步骤中被处理成这种，并且然后位于电池上(参见例如DE-A-3 826 721，US-A-2002/0179141)。
这些解决方案的基本缺点在于，降低了电池的活性(active)面积。因此，通常选择保护二极管在其尺寸上尽可能的小。由此在通过电流时其电压并从而其功率得以增加。这可能从长期导致保护二极管的损坏或者由于保护二极管是电池的一部分而局部地导致其不期望的强变热。
由于单片二极管需要在晶片平面上的附加耗费、也即附加的外延层和在制造电池时附加的技术工艺，所以这些构成了不可忽略的附加成本因素。因为单片二极管仅仅可以由与网格匹配的III-V材料构成，所以也仅仅可能的是选择二极管类型(仅仅具有高流通电压的III-V二极管)的自由性微小。
因此，应当优选可以不依赖于电池的生产被制造并因此也提供更多材料自由性的分离式二极管。所述分散式二极管具有附加优点，即不依赖于电池而被选择和检查，使得在制造期间已经损坏的二极管并同时不意味着昂贵的无用的电池。
在太阳能电池上安装分散式二极管作为单片集成保护二极管的替代方案通常从太阳能翼(Solar-Flügel)(底板)的制造商要求安装时的附加耗费。这特别适用于矩形太阳能电池，所述矩形太阳能电池完全地填充翼的面积，使得为了安装保护二极管必须移位到第三维(Dimension)(在太阳能电池下方的引线和二极管)。这意味着在底板制造中的高耗费。此外，底板的重量由于额外需要的长引线电缆而增加。
可以从US-A-4,481,378公知一种具有串行互连的太阳能电池和保护二极管的太阳能电池模块，其中保护二极管分别与每一个电池反极性并联地连接。保护二极管与相邻电池的背面连接并且被布置在太阳能电池之间的间隙内。
根据US-B-6,563,289，从原先矩形的太阳能电池分离出角并且作为保护二极管以反向极化的方式与太阳能电池相连。
根据US-B-6,353,176的太阳能电池装置包含具有留下的角的太阳能电池，其中可以布置保护二极管。
根据US-B-6,034,322具有限流保护的太阳能电池装置包含在角上具有斜切边的矩形的太阳能电池，在所述角中可以布置用于保护太阳能电池的三角形二极管。这些允许在太阳能电池的平面中移动的二极管被用作连接器。
根据US-A-2003/0029494，保护二极管被集成在太阳能电池串中，其中连接器从保护二极管的正面引到相邻的太阳能电池的背面，所述相邻的太阳能电池在串中与要保护的太阳能电池的正面串行地连接。保护二极管的背面接触引向要保护的电池的背面。
本发明所基于的任务是，如此改进前述类型的太阳能电池装置，使得在足够的范围内可以通过一个或者多个保护二极管保护太阳能电池或者太阳能电池联合(Solarzellenverbund)(例如串)，而不必绝对必要地动用太阳能电池本身的材料。此外，应该能够毫无问题地在保护二极管或者太阳能电池之间互连，其中同时应该避免高的重量增加。
根据本发明，基本上通过以下方式解决本任务，即第二接触直接与保护二极管的衬底接触，并且在第一金属接触的旁边并以与其相间隔的方式被布置，和通过p/n结与第一金属接触电连接。在此，第一或者第二金属接触可以与第二太阳能电池的背面连接并且第三金属接触可以与第一太阳能电池的前面连接。此外，保护二极管经由第一或者第二金属接触通过第二太阳能电池以反极性并联的方式被互连到第一太阳能电池。
特别地，建议一种包含分散式保护二极管的太阳能电池装置，所述分散式保护二极管就前面的区域而言如此被结构化，使得除了保护二极管的n/p或者p/n结之外还在第二金属接触和保护二极管的衬底之间产生直接的欧姆接触，以便一方面能够实现太阳能电池之间的导电连接和另一方面以与要保护的太阳能电池反极性并联的方式接入保护二极管。
根据本发明，对串中的太阳能电池保护的任务基本上通过反极性并联连接的分散式二极管来解决，所述分散式二极管由具有第一导电性类型的半导体本体(衬底)组成，其中在正面除了第二导电性类型的半导体区域上的第一金属接触之外还以与其相间隔的方式在第一导电性类型的半导体上通过p/n结电绝缘地设置第二金属接触，所述第二金属接触直接与衬底电连接。在此，根据太阳能电池的类型和对二极管衬底的导电性类型的选择，可以通过第一或者第二接触借助于连接器将要保护的太阳能电池的背面与二极管电连接并且利用二极管的第二或第一金属接触与在串中直接在要保护的电池之后的电池连接，其在其侧借助于用于将太阳能电池串行互连成串的连接器与在前的要保护的电池的正面电连接，其中二极管在联合中形成以与要保护的太阳能电池反极性并联方式布置的保护二极管。
在改进方案中规定，第一和第二太阳能电池通过至少两个保护二极管相连接，第一保护二极管的第三金属接触不仅与第二太阳能电池的背接触、而且与第二保护二极管的第二金属接触相连接，所述第二保护二极管的第三金属接触与第一太阳能电池的前接触相连接。因此在将保护二极管与要保护的太阳能电池互连的同时，得到太阳能电池之间彼此互连。
在两个太阳能电池通过两个保护二极管连接的情况下，可以这样地构造保护二极管之一，使得第二金属接触与第一金属接触相连接，并且第二导电性的表面区域在第一和第二的金属接触下延伸。
为了能够实现从第一和第二保护二极管出发并且要将它们相互连接的连接器的简单连接，按照本发明的另一建议规定，从第一保护二极管的第二金属接触出发的连接器和从第二保护二极管的第二金属接触出发的连接器凸出第一和第二太阳能电池或者其玻璃罩(Deckglas)的正面并且在玻璃罩之外优选地通过焊接或者焊补连接。
不管太阳能电池是否通过一个保护二极管或者多个保护二极管连接，本发明的创造性建议规定，第一太阳能电池和/或第二太阳能电池在俯视图中是具有斜切角的矩形形状并且至少一个保护二极管在斜切角转移的区域内运行。由此产生对底板表面的最佳利用，其中同时能够实现保护二极管和太阳能电池的简单互连。
尤其规定，互连成串的多个太阳能电池通过相应的保护二极管连接。在此可以在每个斜切角内布置保护二极管。在此，保护二极管和太阳能电池位于一个平面内。
根据本发明建议，保护二极管在俯视图中具有三角形几何形状。
尤其规定，保护二极管具有三角形棱柱的几何形状。
在此，在带有斜切角和边长为8cm的正方形面的太阳能电池的情况下，在角被移除之前，保护二极管应该具有优选地大约在0.7cm2≤F≤1cm2内、尤其在大约0.8cm2≤F≤0.9cm2内的基面F。
此外，本发明涉及一种用于互连太阳能电池串的方法，该方法通过以下方法步骤表征：
-将太阳能电池以背面布置在基片上，
-将太阳能电池的前面接触与第一连接器连接，
-在太阳能电池的前面固定一个或者多个透明的遮盖，
-翻转太阳能电池，
-通过第一连接器将第一和第二太阳能电池连接成串，
-将保护二极管入引入在太阳能电池之间存在的自由空间内，
-将保护二极管与太阳能电池连接，并且
-将如此产生的串与基片连接。
在此，尤其在引入保护二极管之前，将相邻的太阳能电池通过第一连接器串行地互连。
在改进方案中规定，将保护二极管以其背面接触、即第三金属接触布置在太阳能电池的前面区域中，并且通过分别至少一个保护二极管以串行方式互连相邻的太阳能电池，同时将保护二极管以反极性并联方式互连到相邻的太阳能电池之一。
尤其，规定了以下方法步骤：
a)将太阳能电池以背面布置在基片上，
b)将保护二极管引入在太阳能电池之间存在的自由空间内，
c)将太阳能电池的前面接触与保护二极管的在串中在前面运行的第三接触(背面接触)连接，
d)在太阳能电池的前面上固定一个或者多个透明的遮盖，
e)翻转太阳能电池，
f)将保护二极管的在串中在背面运行的第一和第三接触(前接触)与相邻的太阳能电池的背面接触连接，和
g)将如此所产生的串与基片连接。
在此，串可以在与基片连接之前被翻转。
此外，本发明规定，在两个相邻的太阳能电池之间布置两个保护二极管，其中一个保护二极管以其背面接触(第三金属接触)并且另一保护二极管以其前面接触(第一和第二金属接触)被布置在太阳能电池的前面区域内，使得相邻的太阳能电池通过这两个保护二极管以串行方式互连并且保护二极管通过在太阳能电池的背面区域内运行的接触互连。在此，两个连接器可以从保护二极管的在太阳能电池的背面区域内运行的接触出发，所述连接器在太阳能电池串之外被连接。
根据本发明建议一种二极管，所述二极管带有由第一导电性的半导体材料组成的衬底、在衬底的表面区域内形成的层或者在表面区域上施加的第二导电性的层、在第二导电性的层上的第一金属接触、和在第一金属接触旁边并以与其相间隔的方式并通过p/n结电绝缘方式相连接的第二金属接触，所述第二金属接触与保护二极管的衬底直接接触。
在此，保护二极管中的p/n结可以通过肖特基(Schottky)接触代替。
本发明其它的细节、优点和特征不仅仅可以单独地和/或以组合方式从权利要求、由所述权利要求中要推断出的特征、而且可以从对由图中要推断出的优选实施形式的以下描述中得到。
图1示出保护二极管的第一实施形式，
图2示出另一保护二极管，
图3示出带有电路的保护二极管的对图1的替代实施形式，
图4示出由半导体晶片制造的带有斜切角的两个太阳能电池的原理表示，
图5以剖面图和片断方式示出太阳能电池串，
图6示出穿过带有通过保护二极管相连的太阳能电池的底板的剖面图，
图7示出具有不同几何形状的保护二极管的串的片断的后视图，
图8以具有通过保护二极管相连的太阳能电池的片断示出底板的另一实施形式，
图9示出通过保护二极管互连的串的光入射侧的片断，
图10示出根据图9的表示，但是是从背面，
图11示出具有斜切角的太阳能电池的原理表示，
图12示出具有斜切角和布置在所述斜切角中的保护二极管的太阳能电池，
图13示出穿过具有分别通过两个保护二极管互连的太阳能电池的底板的剖面图，
图14示出根据图13的经由保护二极管的太阳能电池连接的扩展，
图15示出用于互连太阳能电池的第一工艺的原理表示和
图16示出用于互连太阳能电池的第二工艺的原理表示。
下面根据从图中推断出的实施例进一步说明用于太阳能电池的分散式保护二极管的构造和其到太阳能电池串或底板中的集成。在此，给相同的元件配备相同的参考符号或者相应的参考符号。
在图1中示出第一实施形式的本发明保护二极管101，所述保护二极管由如硅、锗的半导体材料或者如GaS或者GaP或者GaInAs或者GaInP的来自元素周期表的第1II和V组的材料组成。在此，主体、也就是衬底11可以是p导电掺杂的。在表面区域内而且在保护二极管101的正面的区域内一直到表面形成n掺杂的区域12，该n掺杂的区域12与衬底11一起构成向后良好截止的n/p结(n-up二极管)、即真正的保护二极管。
正如根据图1的图示看出，n掺杂的区域仅仅在衬底11上面的一部分上延伸。n掺杂的区域在外侧被金属接触13覆盖。该金属接触被称为第一接触。具有衬底11的导电性的导电接触15沿着背面延伸并且与该衬底处于欧姆接触。该接触被称为第三接触。以与第一接触13相间隔并且与之电绝缘的方式，在衬底11的上面、也即在n掺杂的区域12之外施加另一金属接触14，该另一金属接触与衬底11处于欧姆接触。该接触被称为第二接触。通过在保护二极管101的正面的导电的第一和第二接触13、14和背接触15(第三接触)以下面所描述的方式互连太阳能电池。
从图2中可以得出另一保护二极管102。在此，n掺杂的表面区域12范围广地沿着整个上面延伸。然后n掺杂的区域12由第一金属接触13覆盖。此外，保护二极管102从结构上对应于保护二极管101。
实际上，为了改善保护二极管101、102的特性，可以在半导体或者半导体层11、12上或者在金属接触13、14、15的部分上施加绝缘层和/或者钝化和/或者金属化。
合理地如此选择保护二极管101、102的几何尺寸，使得这些保护二极管在未被太阳能电池覆盖的区域中以串的形式布置，所述太阳能电池优选地被构造为剪角电池(cropped corner cell)，也就是具有斜切的或者剪除的角的太阳能电池。在此，为了以下面所描述的方式互连太阳能电池，应当将保护二极管101、102布置在太阳能电池的边远的角内、特别是在相互邻接的太阳能电池的区域内。
代替具有n/p结的保护二极管101、102，作为n-up二极管也可以使用具有交换掺杂的保护二极管用于被相应掺杂的太阳能电池。在这种情况下，掺杂被交换，也就是说p→n和n→p。
在图3中示出了根据本发明的保护二极管20的另一实施形式，该保护二极管在理论上对应于保护二极管101。就面积而言，在保护二极管20的情况下，p/n结可以首先整个面地在表面的一侧上生成。示例性地可以论及相应的掺杂材料的扩散或离子注入或者层的外延沉积和随后的与衬底21相反掺杂的区域22的一部分的移除(腐蚀)。在图3中所示的保护二极管20是类型p-up的这种保护二极管，其中在p导电的层22上施加金属接触23作为第一接触。以与该第一接触相间隔和电绝缘并且与n导电的衬底21欧姆接触的方式布置第二金属接触24。第三金属接触25或者背面接触沿着衬底21的背面延伸。
应该能够借助于保护二极管20说明前述类型的保护二极管、也即保护二极管101、102和20、特别是图1和图3的保护二极管可以有利地被用于不同的应用中。为此，在其中示出包含可能的端子点K1、K2、K3、K4的电路图(StKr)和在内部以电的方式工作的元件，也就是二极管(P(p-up))、在端子K1和K2或者K4和K3之间运行的电阻R1和R3、以及在本实施例中水平地穿过n导电的衬底21运行的电阻24、和存在于背面接触25(第三接触)内的电阻R2。
在所采用的电流I＝1A的情况下，对由于在内部电阻R1至R4上的电压损耗而在二极管20中除了在p/n结上的电压降之外出现的最大电压损耗ΔV的粗略估计从ΔV＝R I中被计算出来，其中R＝[(R1+R2+R3)R4]/[R1+R2+R3+R4]。已这样执行了该估计，使得计算出的电阻总是比在事实中实际的电阻大，与此相应地，电压损耗在事实中得出较小的结果。
对应于二极管101并且由20mΩcm的Si衬底(p1＝2E-2Ωcm)制成的二极管用作计算例子。该形状对应于图6的形状，二极管101的面为F1＝1cm2，p-(14)和n-(13)区域分别为Fn＝Fp＝0.5cm2，其中不考虑二极管下侧的双重面。二极管101的厚度是D1＝150μm＝0.015cm，在接触13和14之间的分离边B1的长度为B1＝1.2cm，其距离S1为S1＝100μm(0.01cm)，金属化的厚度D2(ρ2＝1.6E-6Ωcm)来自Ag：D2＝10μm(0.001cm)，在连接器40a和40b之间的距离A1为A1＝0.5cm。
借助于用于从特定电阻ρ和该电阻的外部几何形状、也就是长度L和横截面F计算电阻的公式进行估计：R＝ρ？长度L/横截面F。
对于R1和R3(在衬底21中的竖向电阻)该估计适用：
ρ1＝2E-2Ωcm硅
对于R1和R2都适用：面积F＝Fp(14)＝Fn(13)＝0.5cm2，
长度L＝D1＝0.015cm
R1＝R3＝1.5E-4Ω
对于Ag的接触金属中的R2；厚度D2＝10μm(0.001cm)，ρ＝1.6E-6Ωcm，
从F＝D2 B1＝0.0006cm 1.2cm＝7.2E-4cm2计算F，
长度L＝A1＝0.5cm
R2＝6.6E-4Ω
对于R4(在衬底中的水平电阻)：ρ1＝2E-2Ωcm硅
从厚度D1和B1计算出F为F＝D1 B1＝1.2cm，
长度L＝A1＝0.01cm
R4＝1.1E-2Ω
电压损耗ΔV＝R I：
ΔV＝[(R1+R2+R3)*R4]/[R1+R2+R3+R4]*I
ΔV＝0.88E-3V＝0.88mV。
实际上，可以将该电压降实现得更低。
因为在使用硅二极管的情况下，在p/n结上的电压降大约为0.68V(680mV)，因此在保护二极管的内部电阻上的电压降仅仅提供很小的附加份额。
在考虑太阳能电池的标准连接技术的情况下，应该根据下面的阐述进一步阐述对根据本发明的保护二极管的使用。
在基于直径为100mm的外延晶片31的情况下，带有斜切角(“cropped corner”)32的由III-V材料制成的太阳能电池31的当前所偏爱的设计可示意性地从图4得出而且从光入射侧示出。在串中带有用于在电池30之间安装电串行连接(连接器)的接触面34的金属蓄电横梁(Stromsammelbalken)33位于两个较长面的通过两个斜切角32受限的较短面上，其直接与在串中串行连接的电池邻接。在对晶片面的广泛的最佳使用中，电池30的边长a、b、c例如为a＝8cm，b＝4cm和c＝1.35cm。
因此，在这种情况下，在边缘的边b和c之间的角度为45°的情况下，在串平面上保留具有长度Ld＝大约0.95cm/0.95cm/1.35cm的边的三角形面积、也就是说，Fd＝大约0.9cm2的面积，不用于转换光线。
在图5中，以剖面图和片断示意地示出从电池到电池和从电池到二极管的可能的连接方式，其中后者对应于图2的类型。为了解说，一起画出电流走向图，该电流走向图通过4b7标记。
太阳能电池30a、30b是三重类型的这种太阳能电池，其中例如，在锗衬底上施加Ge底部电池、在Ge底部电池上施加GaInAs中部电池和最后施加GaInP顶部电池，其通过隧道二极管分离。然而，就这点而言，参考充分熟知的太阳能电池类型。太阳能电池本身通过粘合剂4b6被固定在基底4b5上。在光入射侧，太阳能电池30a、30b和从而还有保护二极管102通过粘合剂4b3a、4b3b借助于玻璃罩4b2a、4b2b被覆盖。
在本实施例中，太阳能电池30a、30b最上面的半导体层是n导电(n-up电池)的，而不因此对根据本发明的教导进行限制。
在执行载体4b5功能的底板用的串的常见制造方法中，连接器4b1首先在太阳能电池30a、30b的光线入射侧(正面)被固定在前面接触面34上。然后，玻璃罩4b2a借助于粘合剂4b3a被施加。在这种状态下，太阳能电池也被称作CIC(连接器集成电池(connectorintegrated cell))或者SCA(太阳能电池装置(solar cell assembly))。然后，为了连接成串而旋转太阳能电池，使得背面位于上面。然后，连接器4b1通过例如焊接或者焊补(Lten)与邻接的电池(在本实施例中是相邻电池30b)的背面电连接。
在该时刻，特别容易地将根据本发明的二极管102、也即在本实施例中用于n-up太阳能电池30a的n-up二极管装入相同类型、但在设计上镜像对称的电池30a的剪切角(cropped corner)的一个内(或者相应的本发明二极管102的每个剪切角内)。因此，在p导电的面上、也即在n-up二极管的所示情况下在金属接触15(即p接触)上安装与连接器4b1对应的连接器40b和在覆盖n导电区域12的金属接触13上安装第二连接器40a，其中二极管102被插入剪切角的一个中，以便随后一方面在电池30b的背面和保护二极管102的金属接触15之间并且另一方面通过连接器40a在接触13和太阳能电池30a的背面接触之间产生导电连接(参考流图4b7)。在使用p-up二极管的情况下可以互换接触13和15。合理地，二极管102同样可以用粘合剂4b3b装配玻璃罩4b2b或者电池30a的玻璃罩4b2a被设计得如此大，使得二极管102可以被直接地粘贴和以先前所描述的方式电连接。
通过借助于粘合剂4b6在基底4b5上施加串的底板制造的其它流程明显不受保护二极管102的嵌入的影响。
例如具有相应相反掺杂的二极管102可以以同样的方式用于如图5中原理上相同设计的p-up电池。
由于并不要求连接器在被插入串装置中之前安装在二极管101上，所以二极管101(图1)的使用变得更加简单，正如在图6中可得出。
在图6中纯粹示意地示出通过从电池30a到电池30b和电池30a、30b与保护二极管101的可能连接方式的剖面图。为了解说，这里也画出电流走向图4b7。代替根据图1的二极管101，也可以嵌入根据图3的二极管20，而不背离本发明。类似的适用于其它的实施例。
太阳能电池30a、30b是这种已结合图5得以说明的太阳能电池，使得参阅与此有关的实施。因此在不应因此对本发明进行限制的情况下涉及n-up类型的太阳能电池30a、30b。在用于底板的串的标准制造工艺中，连接器4b1首先在太阳能电池30a、30b的光入射侧被安装在前面接触34上，然后玻璃罩4b2a借助于粘合剂4b3被施加，并且被称为CIC的相应太阳能电池30a、30b为连接成串而被旋转，使得背面朝上，以便然后通过例如焊接或者焊补将连接器4b1与相应的相邻电池(也即在本实施例中电池30b)电连接。
同时，如前述引入保护二极管101，该保护二极管根据n-up电池是n-up二极管并且以反极性并联方式被接入。在此，保护二极管101的安装在电池30a的剪切角的一个中进行。必要时也可以在每个剪切角中引入相应的保护二极管101，其中设计是镜像对称的。在此，与图5的构造相比该安装更简单，原因在于在将二极管101嵌入并置的电池30a、30b的装置中之后，仅仅在沿着n掺杂的层12延伸的金属层或者第一金属接触13与太阳能电池30a的背面之间和在直接在p导电的衬底11上运行的导电第二接触14与太阳能电池30b的背面之间的连接器40a和40b必须以与这也在电池之间进行的相同方式连接。合理地，这里二极管101也可以通过粘和剂4b3b装配玻璃罩4b2b，或者电池的玻璃罩4b2a被设计得大得足以将二极管101直接地粘贴和以这种方式电连接。
如借助于另一粘合剂4b6在基底4b5上施加串的底板制造的其它方法流程不受二极管101的嵌入的影响。
具有基本方法步骤的前述工艺再一次在图15中以纯原理的方式示出。
与图1的二极管相对应的二极管可用于具有从原理上与图6的设计相同的设计的p-up电池，局限是衬底是n导电的并且掺杂的表面层是p导电的。
此外存在这种可能性，即这样地在第一太阳能电池30a和第二太阳能电池30b之间互连保护二极管101，使得第一接触13与第二太阳能电池30b的背面接触并且第二接触14与第一太阳能电池30a的背面相连。在相应的互连中必须相应地再掺杂p/n结。
在图7中从背面考察以片断示出互连成串的带有保护二极管101的电池30a、30b的串的两个部分视图。在此，电池串不同如下，即在保护二极管101和太阳能电池30a或者太阳能电池30b之间的连接相互偏差。
从图8中可得出根据本发明的保护二极管的优选改进方案和使用，所述保护二极管不仅仅以与太阳能电池反极性并联的方式被接入，而且同时用作相互邻近的电池之间的连接的一部分。简化的底板制造可以从图8至10和16中得到，其中同样在不限制一般性的情况下，待连接的太阳能电池50a、50b是n-up电池类型的。在此，优选地，合理地以镜像对称设计形式的两个保护二极管101或者20用于连接连续的太阳能电池50a、50b，正如这可以直接从图9和10看出。在此，太阳能电池50a的斜切角中的保护二极管101在借助于粘合剂5a1施加公共的玻璃罩5a2之前分别通过连接器5a3这样地被电连接，使得电池50a的正面与二极管101的下面相连，也就是说根据图1、3的第三接触15或者25沿着互连成串的太阳能电池50a、50b的前面运行。为此，在电池50a的设计中，在斜切角(cropped corner)的边缘区域处构造接触面5a，所述斜切角与蓄电横梁5a7相连。然后，太阳能电池50a与保护二极管101或者20通过在直接与保护二极管101或者20的衬底11接触的第二金属接触14或者24和电池50b的背面之间安装连接器40a和通过在布置在p掺杂的层12上的第一导电接触13或者23和电池50a的背面之间安装连接器40b来连接并且集成成串中。在底板上的其它施加对应于先前进行的说明。
在图8中示出具有相关的二极管和电阻的流图(Stromdiagramm)5a4。
如在图16的方法流程中可以得出，也可以在电池50a的背面和二极管101的接触13之间施加公共的玻璃罩5a2之前安装连接器40b。
从图16中可以纯原理地推断出方法流程，用以将保护二极管101(和相应地保护二极管20)与太阳能电池50a、50b互连或者与太阳能电池50a反极性并联。因此，保护二极管101首先被布置在太阳能电池50a、50b的“自由”的角内，并且第一太阳能电池50a和第二太阳能电池50b的前接触分别与保护二极管101的第三接触连接，该第三接触通常被称为背接触。在此，给每个第一和第二太阳能电池50a、50b分配分开的保护二极管101。为此使用第一连接器5a3。此时连接器40b也可能已被安装。然后将玻璃罩5a2粘附在分别一个带有与之互连的保护二极管的太阳能电池上，旋转如此所生成的单元，并且然后将保护二极管101的第一和第二接触13、14与第一和第二太阳能电池连接(如焊接)(如果部分地先前还没有发生)，以使在同时集成保护二极管时将太阳能电池串行地连接成串。在翻转如此所生成的串之后，将该串以常用的方式粘附在底板上。
对通过以示例性方式应用保护二极管而形成的在电池50a和50b之间的附加电压降的估计对于本例再次可以从图3中得出。在此，电流从端子点K2流向K4。电流将流经串联电阻R2+R3(电阻R3+R4处于并联并且最多地降低总电阻)；因此在通过电流I＝1A的情况下，电压降最多为
ΔV＝(R2+R3)·I＝(6.6E-4+1.5E-4)·1A＝8.1E-4V＝0.81mV，并且在实际中会更小。
更大的太阳能电池的趋势使主轴为8cm·8cm的太阳能电池的引入更加可能。在此，每4″(4英寸)晶片制造一个电池，使得完成耗费的减少特别有意义，以便要轻易集成的分散式保护二极管的应用是重要。
图11示出带有总共4个剪切角62的这种太阳能电池60的可能设计。根据先前所进行的说明，可以利用相应设计的一个或者两个保护二极管将相应的太阳能电池60与相邻电池互连。
根据图12的太阳能电池70的特定设计，其中蓄电横梁73与在剪切角76的边缘或边的区域中所设置的所有四个接触面7导电连接，四个二极管10a1、10a2、10b1、10b2能够保护电池70，并且根据结合图8的说明，单独地沿着背面连接至在前的电池70a(接下来电池70b)。在此，进行电池与本发明保护二极管的内部连接和与本发明保护二极管彼此间的内部连接。图13因此纯原理地示出通过带有电池70的底板的剖面图，所述电池分别带有四个剪切角。电池彼此间的连接通过所谓的外部连接器711在SCA75的背面上(SCA＝太阳能电池装置＝电池70和相连接的二极管10a1、10a2、10b1、10b2在正面(光入射侧)通过粘合剂78配备公共的玻璃罩77)借助于保护二极管10a1、10a2、10b1、10b2来实现，所述保护二极管通过所谓的内部连接器76(在SCA内部)与电池连接。
作为二极管10b1和10b2，不仅可以使用对应于图2的二极管、而且也可以使用对应于图1和3的反向导电性的保护二极管，原因在于不需要对应于图1的二极管的第二接触14来安装连接器，并且第一接触13的平面可以占据前面的整个面以减少二极管中的电阻。
可以从图14示意性地得出外部连接的变型。因为在二极管10a1和与之相邻的图1和2类型的具有反向导电性的二极管的侧上不存在短路的危险，所以每一半外部连接器可以经由玻璃罩77的侧被引导到CIC正面，以便通过例如焊接或焊补(见箭头)来进行电连接。与此有关的技术的优点在于，SCA能够在最终完成底板之前不久被测定，并且在故障情况下，修理(例如更换SCA)可以相对容易地被实现。与此有关的连接器也提供以下可能性，即将玻璃罩77的正面与电池连接以抗静电充电。
尤其从图7、9、10和12中可以得出，保护二极管20、101在俯视图中具有三角形几何形状、优选地是带有直角和尤其相同长度的腰的这种三角形几何形状。其它的几何形状同样是可能的。保护二极管与之无关地填充在太阳能电池之间通过剪切角造成的自由空间。

Claims (28)

1.太阳能电池装置，包含至少一个带有在前和背接触(34)之间运行的光敏半导体层的第一太阳能电池(30a，50a，60，70)以及至少一个与该太阳能电池连接的分散式保护二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)，所述保护二极管带有由第一导电性的半导体材料组成的衬底(11，21)、在衬底的表面区域内形成的层(12)或者在所述表面区域上施加的第二导电性的层(22)、在所述第二导电性的层上的第一金属接触(13，23)和在衬底上所布置的第二金属接触(14，24)，其中用于互连保护二极管的连接器(5a3，4b7，40a，40b，40c)从第一和第二金属接触出发，其特征在于，
第二接触(14，24)直接与保护二极管(121，10a1，10b2，10b3)的衬底(11，21)接触并且在第一金属接触(13，23)旁边并且以与其相间隔的方式布置并且与该第一金属接触通过p/n结电连接。
2.按照权利要求1的太阳能电池装置，其特征在于，在衬底(11，21)的关于第一和第二接触(13，23；14，24)的相对侧上在该衬底上布置第三金属接触(15，25)。
3.按照权利要求2的太阳能电池装置，其特征在于第三金属接触(15，25)，其与第一太阳能电池(30a，50a，60，70)或者与第二太阳能电池(30b，50b，70b)相连接。
4.按照权利要求1的太阳能电池装置，其特征在于，从第一和第二金属接触(13，23，24；14，24)出发的连接器连接第一太阳能电池(30a，50a，60，70)与第二太阳能电池(30b，50b，70b)。
5.按照权利要求3或者4的太阳能电池装置，其特征在于，第二金属接触(14，24)与第二太阳能电池(30b，50b，70b)的背面相连接，并且第三金属接触(15，25)与第一太阳能电池(30a，50a，70)的前面，反之亦然。
6.按照至少权利要求4的太阳能电池装置，其特征在于，保护二极管(101)经由第二金属接触(14)通过第二太阳能电池(30b)以反极性并联的方式与第一太阳能电池(30a)互连。
7.按照至少权利要求4的太阳能电池装置，其特征在于，保护二极管(101)经由第一金属接触(13)通过第二太阳能电池(30b)以反极性并联的方式与第一太阳能电池(30a)互连。
8.按照至少权利要求2的太阳能电池装置，其特征在于，第一和第二太阳能电池(70，70b)经由至少两个保护二极管(10a1，10b2)连接，并且第一保护二极管(10b2)的第三金属接触(711)不仅与第二太阳能电池(70b)的背接触、而且与第二保护二极管(10a1)的第二金属接触连接，所述第二保护二极管的第三金属接触与第一太阳能电池(70)的前接触连接(图13，14)。
9.按照权利要求8的太阳能电池装置，其特征在于，从第一保护二极管(10b2)的第三金属接触出发的连接器(200)与从第二保护二极管(10a1)的第二金属接触出发的连接器(202)凸出第一和第二太阳能电池(70，70b)的正面或者其玻璃罩(75a，75c)并且在玻璃罩之外优选地通过焊接或者焊补连接(图14)。
10.按照权利要求1或者4的太阳能电池装置，其特征在于，第一太阳能电池(30a，50a，70)和/或第二太阳能电池(30b，50b，70b)在俯视图中是具有斜切角的矩形形状并且至少一个保护二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)在斜切角之一的区域内运行。
11.按照权利要求10的太阳能电池装置，其特征在于，多个互连成串的太阳能电池通过在斜切角的区域内所布置的保护二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)互连。
12.按照权利要求10或者11的太阳能电池装置，其特征在于，保护二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)在俯视图中具有三角形几何形状。
13.按照权利要求10或者11的太阳能电池装置，其特征在于，保护二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)具有三角形棱柱的几何形状。
14.按照权利要求1或者12的太阳能电池装置，其特征在于，保护二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)具有优选地在大约0.7cm2≤F≤1cm2、尤其是在大约0.8cm2≤F≤0.9cm2中的基面F。
15.按照权利要求10的太阳能电池装置，其特征在于，优选地在第一和/或第二太阳能电池(30a，50a，70；30b，50b，70b)的每个斜切角内布置保护二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)。
16.按照权利要求1的太阳能电池装置，其特征在于，第一导电性是n导电的并且第二导电性是p导电的或者反之亦然。
17.按照权利要求1的太阳能电池装置，其特征在于，第一太阳能电池(30a，50a，70)和/或第二太阳能电池(30b，50b，70b)是具有优选地一个Ge底电池、优选地一个GalnAs中部电池和优选地一个GalnP顶部电池的三重电池。
18.按照权利要求1或者2的太阳能电池装置，其特征在于，两个相邻布置的太阳能电池(70，70b)通过两个保护二极管(10a1，10b2)相连接，
太阳能电池在太阳能电池前面是n导电的，
保护二极管中的一个(10b2)在前面在第二导电性的层内是p导电的，并且
另一保护二极管(10a1)在背面在具有第二导电性的层内是n导电的并第三金属接触(图13)。
19.按照权利要求8的太阳能电池装置，其特征在于，第一保护二极管(10b2)的背面接触不仅与第二太阳能电池(70b)的背面、而且与第二保护二极管(10a1)的第二金属接触相连接，
第二保护二极管的在串中在前面运行的第三金属接触与第一太阳能电池(70)的前接触相连接，并且
第二保护二极管的在串中在背面运行的第一金属接触与第一太阳能电池的背面相连接(图4)。
20.按照权利要求8的太阳能电池装置，其特征在于，在具有p/n结的太阳能电池的情况下，第一保护二极管具有n/p结并且第二保护二极管具有p/n结。
21.用于在使用根据前面所述的权利要求至少之一的保护二极管的情况下互连太阳能电池串的方法，其特征在于以下方法步骤：
-将太阳能电池以背面布置在基片上，
-将太阳能电池的前面接触与第一连接器连接，
-在太阳能电池的前面固定一个或者多个透明的遮盖，
-翻转太阳能电池，
-通过第一连接器将第一和第二太阳能电池连接成串，
-将保护二极管入引入在太阳能电池之间存在的自由空间内，
-将保护二极管与太阳能电池连接，并且
-将如此产生的串与基片连接(图6)。
22.用于在使用根据前面所述的权利要求至少之一的保护二极管的情况下互连太阳能电池串的方法，其特征在于以下方法步骤：
-将太阳能电池以背面布置在基片上，
-将保护二极管引入在太阳能电池之间存在的自由空间内，
-将太阳能电池的前面接触与保护二极管的在串中在前面运行的第三接触(背面接触)连接，
-将太阳能电池的前面接触与第一连接器连接，
-在太阳能电池的前面以及保护二极管上固定一个或者多个透明的遮盖，
-将保护二极管的在串中在背面运行的第一和第二接触(前接触)与相邻太阳能电池的背面接触连接，
-翻转太阳能电池，和
-将如此产生的串与基片连接(图8)。
23.按照权利要求19的方法，其特征在于，保护二极管用其第三接触被布置在太阳能电池的前面区域内，并且在保护二极管与相邻的太阳能电池之一以反极性并联方式被互连的同时，相邻的太阳能电池通过至少分别一个保护二极管以串行方式被互连(图6)。
24.按照权利要求21的方法，其特征在于，两个保护二极管被布置在两个相邻的太阳能电池之间，其中的一个保护二极管用其第三接触、并且另一保护二极管用其第一和第二接触被布置在太阳能电池的前面区域内，相邻的太阳能电池通过所述两个保护二极管以串行方式被互连并且保护二极管通过在太阳能电池的背面区域内运行的接触被互连(图13)。
25.按照权利要求21的方法，其特征在于，第二连接器(200，202)从保护二极管(10a1，10b2)的在太阳能电池(70，70b)的背面区域中运行的接触出发，所述连接器在太阳能电池串之外和在其前面区域中被连接(图14)。
26.用作太阳能电池装置中的保护二极管的二极管(101，20，10a1，10b2，10b3)，带有由第一导电性的半导体材料组成的衬底(11，21)、在该衬底的表面区域内形成的层(12，22)或者在表面区域上施加的第二导电性的层、在第二导电性的层上的第一金属接触(13，23)、和在第一金属接触旁边并与其相间隔并通过p/n结以电绝缘方式相连接的第二金属接触(14，24)，所述第二金属接触与保护二极管的衬底直接接触。
27.按照权利要求26的二极管，其特征在于，第三金属接触(15，25)被布置在衬底(11，21)的关于第一和第二金属接触(13，23；14，24)的相对侧上。
28.按照权利要求26的方法，其特征在于，保护二极管中的p/n结通过肖特基接触代替。
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