CN101611487B - 薄膜太阳能模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜太阳能电池模块，以及一种用于互连薄膜太阳能电池的方法。该方法包含以下步骤：在一基顶(102)上的半导体薄膜二极管结构(202)内形成一条或多条沟槽(200)，从而，该二极管结构被分割成多个分离的太阳能电池，而且，各个太阳能电池的成对侧壁的掺杂极性，与该二极管结构的基顶侧半导体层的掺杂极性相同。在该二极管结构上形成一非连续性绝缘层(300)，从而，各成对的侧壁的其中一侧壁被该绝缘层所覆盖，而各成对的侧壁的另一侧壁以及各太阳能电池的一个或多个表面接触区域则仍保持暴露。在该二极管结构上形成非连续性导电层(400)，从而，对于各成对的相邻的第一与第二太阳能电池来说，第一太阳能电池的暴露侧壁电气连接到第二太阳能电池的表面接触区域，且仍旧保持不会电气连接至第一太阳能电池的表面接触区域。
Description
技术领域
本发明总的来说涉及一种将薄膜太阳能电池相互连接起来的方法，以及一种薄膜太阳能电池模块。
背景技术
在一个支撑性异质基顶(例如：玻璃)上的薄膜太阳能电池具有能够显著降低太阳能光电(PV)模块的制造成本，这是因为相对传统的运用晶片的太阳能电池来说，他们仅需要一部分的半导体材质即可。而且，薄膜太阳能电池的优点在于：它可以在一个大面积的基底(接近1m2)上制成，如此可简化制程且降低制造成本。
虽然太阳能电池的输出电流与装置的尺寸成比例，但是输出电压并非如此，因此，大面积(接近1m2)的太阳能电池具有很高的电流及很低的电压。由于电阻损耗与电流平方成正比，所以，大面积的太阳能电池具有很大的电阻损耗(因此，具有很低的能量转换效率)，因而不适用于大部分的应用情形中。解决此项问题的一种常见方法是将大面积太阳能电池分割成许多块(例如：k块)较小的电池，每小块电池均具有相同的大小，而且，将这些较小的电池电气式地串联起来，如此一来，各个电池的电压就可以加总起来，而且，这些电池的电流仅为大面积电池的k分之一。
大部分的太阳能电池均是以p-n结的半导体二极管作为基础。通过运用硅晶片的太阳能电池，此二极管结构通常可利用均匀掺杂的p型晶片且沿着此晶片的表面形成(例如，通过扩散)一薄n+型层而实现。通过薄膜太阳能电池，当薄半导体膜沉淀时，通常可产生此二极管结构。典型地，相较于硅晶片太阳能电池的好几百微米来说，所产生的p-n结二极管其厚度小于5微米。
太阳能电池的串联式互连涉及到将一个p-n结二极管(或电池)的n型侧电气式连接(通过例如金属这样的适当传导媒介)到下一个电池的p型侧上等步骤。然后，通过将第一个电池的p型侧与最后一个电池的n型侧连接到一负载，则可以从这样的一连串电池中取出电流。假如在这个串电池中的所有各个电池均具有相等尺寸的话，则每个电池所产生的电流均相等，且等于通过此串电池的电流。每个电池的输出电压将会添加至此串电池中的其它电池上，从而，假如这个串电池中具有k个电池，且每个电池的电压为V的话，则整串电池所产生的输出电压为kxV(忽略电阻损耗)。
通过硅晶片所制成的太阳能电池，这样的一连串互连结构一般是由一个晶片接着一个晶片而制成的，使得这些晶片被建构成一模块。通过薄膜太阳能电池，一般可使用不同的方案，这是由于先前所提到的薄膜太阳能电池具有能够被放置在大面积基底上的优点。
将薄膜太阳能电池互相连接于玻璃基顶上的一种典型方法，是基于使用透明导电氧化物(TCO)，例如：铟锡氧化物或氧化锌。这些TCO基本上是高能带间隙的半导体，其不会吸收大量的太阳光，但由于他们被高度掺杂的缘故，所以他们是良好的导电体。TCO是PV模块的一个重要成分，此PV模块是由并未展现出令人满意的侧向传导性的半导体所制成(即，被掺杂的半导体层具有非常高的电气薄膜电阻)。由导电性很差的半导体(例如非晶硅或微晶硅)所制成的PV模块，通常在太阳能电池上使用两个TCO薄膜。其中一薄膜在前表面上，而另一薄膜则在后表面上。相邻电池的互连结构是由激光刻划及后续沉淀各个TCO与半导体层的组合结果而实现出来。
如果半导体层具有足够良好的侧向电气传导性的话，则可以不使用TCO，而可以通过格状或条状的金属接点直接接触。Basore的专利公告第WO 03/019674 A1号揭示一种用于薄膜太阳能电池的可能互连方式。Wenhan的美国专利第5,595,607号则揭示另一种可行的方式。此方式是以沟槽为基础，这些沟槽的侧壁在一特殊制程中被高度掺杂，且随后在沟槽中填满金属。
就制造环境的背景来说，上述用于具有充分良好侧向导电性的半导体层的互连方式，需要很多的制程步骤，以实现此互连结构。因此，需要提供一种用以将薄膜太阳能电池互连于异质基顶上的替代技术，以解决上述问题。
发明内容
根据本发明第一方法，提供一种互连薄膜太阳能电池的方法，该方法包含以下步骤：在一基顶上的半导体薄膜二极管结构内形成一或多条沟槽，从而，该二极管结构被分割成多个分离的太阳能电池，而且，各个太阳能电池的成对的侧壁的掺杂极性，与该二极管结构的基顶侧半导体层的掺杂极性相同；在该二极管结构上形成一非连续性绝缘层，从而，各成对的侧壁的其中一个侧壁被该绝缘层所覆盖，而各成对的侧壁的另一侧壁以及各太阳能电池的一个或多个表面接触区域则仍保持暴露；以及，在该二极管结构上形成一个非连续性导电层，从而，对于各成对的相邻的第一与第二太阳能电池来说，第一太阳能电池的暴露侧壁电气连接到第二太阳能电池的表面接触区域，且仍旧保持不会电气连接至第一太阳能电池的表面接触区域。
可以通过激光刻划而形成沟槽。
形成非连续性绝缘层、导电层或此两层包含喷墨印刷。
形成非连续性绝缘层、导电层或此两层包含网版印刷。
形成非连续性绝缘层、导电层或此两层，包含在沉淀各个层所用的材质期间或之后实施各个层的图案化。
在沉淀用于各个层的材质之后，使各个层产生图案包含喷墨印刷或微影技术。
非连续性绝缘层包含聚合体。
非连续性导电层包含金属膏状物。
二极管结构包含聚晶硅。
此方法另外包含在基顶与二极管结构之间设置抗反射涂层。
根据本发明第二方面，设有一种薄膜太阳能模块，包含：基顶；形成该基顶上的半导体薄膜二极管结构；一个或多个形成于该二极管结构内的沟槽，从而该二极管结构被分割成多个分离的太阳能电池，而且，各个太阳能电池的成对侧壁的掺杂极性，与该二极管结构的基顶侧半导体层的掺杂极性相同；在该二极管结构上所形成的非连续性绝缘层，从而，各成对的侧壁的其中一侧壁被该绝缘层所覆盖，而各成对的另一侧壁以及各太阳能电池的一或多个表面接触区域则仍保持暴露；以及一个在该二极管结构上所形成的非连续性导电层，从而，对于各成对的相邻的第一与第二太阳能电池来说，第一太阳能电池的暴露侧壁电气连接到第二太阳能电池的表面接触区域，且仍旧保持不会电气连接至第一太阳能电池的表面接触区域。
非连续性绝缘层包含聚合体。
非连续性导电层包含金属膏状物。
二极管结构包含聚晶硅。
此模块以另外包含在基顶与二极管结构之间的抗反射涂层。
附图说明
本领域普通技术人员由下面的文字描述(仅通过实例)及结合图式，将可更容易明了本发明的实施例，其中：
图1是一个非对称掺杂的太阳能电池结构的剖面图。
图2至图4是显示一个用于互连薄膜太阳能电池的方法的剖面图。
图5是太阳能模块的平面图。
图6是显示一个用于互连薄膜太阳能电池的方法的流程图。
具体实施方式
以下的实施例提供一种在具有相当良好的侧向导电性的玻璃(或其它绝缘、透明异质材质)上，用于将薄膜太阳能电池互连的方法。特别地，此方法是以具有p-n结的太阳能电池作为内容进行叙述，但是，对于熟知此项技术者来说，本方法经由适当修改也可以被运用于多重结的太阳能电池上。
太阳能电池是由一个被夹在具有相反极性的两个高度掺杂层之间的低掺杂(或本征)吸收体区域所组成。因此，太阳能电池为n+πp+型，其中π表示一层p(正)、n(负)或i(本征)型半导体材质。此方法可以被应用于n+πp+型/玻璃及p+πn+型/玻璃结构，或者具有在可见光谱内为透明的绝缘支撑基顶的等效结构。π层一般厚度小于10微米，因此相较于p+层与n+层来说，具有可忽略的侧向导电性。透明的基顶在正对着太阳能电池的表面上也可以具有一抗反射性层，此抗反射性层一般是由氮化硅所制成。
此方法也可以应用于非对称掺杂的太阳能电池上，其中，在玻璃侧高度掺杂层中的掺入剂量，是比空气侧高度掺杂层中的掺入剂量大上至少好几倍，从而，当半导体膜被局部熔化(例如，通过激光)时，掺入剂物种将会扩散到整个熔化的半导体区域内，而且，p型与n型掺入剂可局部互相补偿，从而，熔化区域的最终掺杂极性将会与玻璃侧高度掺杂层的极性相等。
图1显示一个范例性非对称掺杂的太阳能电池结构100的剖面图。此结构100包含一个玻璃支撑基顶102，虽然在此图形中被显示成位于此结构的底部，但是，实际上是位于面向太阳的表面上。玻璃基顶102具有一个抗反射层或涂层103，在本实施例中是由氮化硅所制成。玻璃侧高度掺杂的n+层104形成为具有大约50至200nm的厚度，低掺杂的p层106则具有大约1至10微米的厚度，而高度掺杂的p+层108具有大约50至200nm的厚度，如此完成了p+pn+/玻璃的太阳能电池结构100。半导体层104、106与108是在薄膜半导体材质沉淀于玻璃基顶102上的期间利用掺入技术而形成的。半导体材质可以包含使用例如电浆增强化学蒸镀法(PECVD)或电子光束蒸发法所沉淀的聚晶硅，且分别利用例如硼与磷作为正负掺入剂。
在用于将较小电池互连为整个大面积太阳能电池结构100的第一步骤中，使用激光在含有层104、106与108的半导体薄膜202内刻划一组平行的沟槽200，以便将大面积太阳能电池结构100分割成k个又长又窄的太阳能电池206，如图2所示。在所示的实施例中，抗反射层103并未被激光束所刻划，然而，假如抗反射层被激光束所刻划的话，本方法也可产生同样的效果。由于先驱物薄膜太阳能电池100的非对称掺杂结构的缘故，所以，长窄太阳能电池206的经激光刻划过的侧壁204的掺杂极性，将会等于电池206的基顶侧高度掺杂层104的掺杂极性，也就是说，在此范例中为n。
当来自激光的一股光线撞击半导体膜202时，一部分的入射光被吸收掉，导致此膜202被加热。由于此膜202的吸收系数随温度而增加，所以，当薄膜202变热时，就会吸收更多的激光束。如此，导致所谓的热散逸，这样，薄膜202很快地到达沸点温度。在激光束中心底下的此部分半导体膜202，由于在该处激光束最为强烈，所以，它首先到达沸点，而在激光束周围底下的此部分半导体膜202则仅到达熔点。在激光束的中心底下的此部分半导体薄膜202会蒸发而急速膨胀。半导体蒸气的急速膨胀会将熔化的半导体推离开激光处理过的区域的中心，因而形成沟槽200。
熔化的半导体材质当它被推离开时会冷却并重新凝固，从而，它以波浪的形状凝固，而形成侧壁204。掺入剂原子在液态半导体材质中的扩散非常快，使得这些掺入剂会均匀地散布于半导体薄膜202的整个熔化且重新凝固的部位。在单发激光的持续期间，此过程发生得非常快速。随着激光束扫描过半导体薄膜202的表面，通过重迭连续的激光脉冲，可以在半导体薄膜202内刻划出沟槽200。
接着，将一非连续性绝缘层300通过例如喷墨印刷或网版印刷等而涂抹于太阳能电池206的表面上，从而，如图3所示，各电池206的一侧壁204a及表面302的主要部分会被绝缘层300所覆盖，但是各电池206的其它侧壁204b以及各电池206的表面302上的几个“接触区域”304则不会被此绝缘层300所覆盖。绝缘层300例如可以包含聚酰亚胺等聚合物。然后，绝缘层300可通过例如在适当温度烘培此装置306而进行干燥。然后，例如在氢氟酸中蚀刻，而移除经过激光刻划的侧壁204b上的热氧化物，以及表面接触区域304的自然氧化物。
接着，如图4所示，通过例如喷墨印刷或网版印刷，而涂抹一个例如金属的非连续性导电层400。应用此导电层400，从而，对于各成对的相邻电池206a、206b来说，在一个太阳能电池206b的暴露侧壁204b以及相邻太阳能电池206a的接触区域304a之间，设有一导电路径，但是，在同一个电池206b的暴露侧壁204b与接触区域304b之间没有导电路径。金属层400在沿着长窄太阳能电池204a、206b的长度上亦为非连续性，从而，沿着太阳能电池204a、206b的一个可能局部分流器将不会收集来自整个太阳能电池206a、206b区域的电流，而仅收集来自此分流器周围的区域的电流。然后，此装置402在一适当温度下进行烘培，以增进金属与半导体接点的电气特性。
此装置402提供一种薄膜太阳能电池模块，包含基顶102及一个形成于该基顶上的半导体薄膜二极管结构，而且，在该二极管结构内形成有一条或多条沟槽，从而，该二极管结构被分割成多个分离的太阳能电池206a、206b，而且，各个太阳能电池的成对侧壁204a、204b的掺杂极性，与该二极管结构的基顶侧半导体层104的掺杂极性相同。此模块另外包含一个在该二极管结构上的非连续性绝缘层300，从而，各成对的侧壁的其中一侧壁204a被该绝缘层300所覆盖，而各成对的侧壁的另一侧壁204b以及各太阳能电池(例如：206a)的一个或多个表面接触区域(例如：304a)则仍保持暴露。此模块另外包含一个在该二极管结构上的非连续性导电层400，从而，对于各成对的相邻的第一与第二太阳能电池206b、206a来说，第一太阳能电池206b的暴露侧壁204b电气连接到第二太阳能电池206a的表面接触区域304a，且仍旧保持不会电气连接至第一太阳能电池206b的表面接触区域304b。
图5显示依据上述图1至图4所示的方法所形成的装置500的平面示意图。外部金属层502沿着沟槽506被形成为非连续列504，且各列504也是沿着沟槽506的长度为非连续，所以，沿着沟槽506形成多个区段508a至508c。在绝缘层510内形成开口512，这些开口填满了来自金属层504的材质，以接触各半导体电池514的表面。半导体层514内的破折线指出沟槽506的侧壁518以及剩余的太阳能电池部520之间的边界。
图6显示一个用于互连薄膜太阳能电池的方法的流程图600。在步骤602中，在一基顶上的半导体薄膜二极管结构内形成一条或多条沟槽，从而，该二极管结构被分割成多个分离的太阳能电池，而且，各个太阳能电池的成对侧壁的掺杂极性，与该二极管结构的基顶侧半导体层的掺杂极性相同。在步骤604中，在该二极管结构上形成一非连续性绝缘层，从而，各成对的侧壁的其中一侧壁被该绝缘层所覆盖，而各成对的侧壁的另一侧壁以及各太阳能电池的一个或多个表面接触区域则仍保持暴露。在步骤606中，在该二极管结构上形成一非连续性导电层，从而，对于各成对的相邻的第一与第二太阳能电池来说，第一太阳能电池的暴露侧壁电气连接到第二太阳能电池的表面接触区域，且仍旧保持不会电气连接至第一太阳能电池的表面接触区域。
要知道的是，对于熟知此项技术者来说，在不背离本发明的精神与范围的前提下，仍可以产生出许多变化及/或修改。因此，这些实施例仅用以说明而非限制。
例如，虽然太阳能电池结构被描述成具有n型侧壁的玻璃/n+/p/p+结构，但要知道的是，此种特殊掺杂结构仅作为示范而非限制。而且，所显示出来的表面接点的特殊配置方式亦仅作为范例而已。
而且，可以明白非连续性绝缘层、导电层或两层可以被实施成一连续层，且接着利用例如喷墨印刷或微影技术等产生图案，以形成各个的非连续层。
在此，要知道的是图1至图5仅为示意图，且并未依照比例绘制。
Claims (15)
1.一种用于互连薄膜太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：
在一基顶上的半导体薄膜二极管结构内形成一条或多条沟槽，从而，该二极管结构被分割成多个分离的太阳能电池，而且，各个太阳能电池的成对的侧壁的掺杂极性，与该二极管结构的基顶侧半导体层的掺杂极性相同；
在该二极管结构上形成一非连续性绝缘层，从而，各成对侧壁的其中一侧壁被该绝缘层所覆盖，而各成对侧壁的另一侧壁以及各太阳能电池的一或多个表面接触区域则仍保持暴露；以及
在该二极管结构上形成一非连续性导电层，从而，对于各成对的侧壁的相邻的第一与第二太阳能电池来说，第一太阳能电池的暴露侧壁电气连接到第二太阳能电池的表面接触区域，且仍旧保持不会电气连接至第一太阳能电池的表面接触区域。
2.如权利要求1所述的方法，其中，通过激光刻划而形成沟槽。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，形成非连续性绝缘层、导电层或此两层包含喷墨印刷。
4.如权利要求1所述的方法，其中，形成非连续性绝缘层、导电层或此两层包含网版印刷。
5.如权利要求1所述的方法，其中，形成非连续性绝缘层、导电层或上述两层，包含在沉淀用于各个层的材质期间或之后，实施各个层的图案化。
6.如权利要求5所述的方法，其中在沉淀用于各个层的材质期间或之后，实施各个层图案化的步骤包含喷墨印刷或微影技术。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该非连续性绝缘层包含聚合体。
8.如权利要求1所述的方法，其中，该非连续性导电层包含金属膏状物。
9.如权利要求1所述的方法，其中，该二极管结构包含聚晶硅。
10.如权利要求1所述的方法，另外包含在基顶与二极管结构之间设置抗反射涂层。
11.一种薄膜太阳能模块，包含：
基顶；
形成该基顶上的半导体薄膜二极管结构；
一个或多个形成于该二极管结构内的沟槽，从而，该二极管结构被分割成多个分离的太阳能电池，而且，各个太阳能电池的成对侧壁的掺杂极性，与该二极管结构的基顶侧半导体层的掺杂极性相同；
一个在该二极管结构上所形成的非连续性绝缘层，从而，各成对的侧壁的其中一侧壁被该绝缘层所覆盖，而各成对侧壁的另一侧壁以及各太阳能电池的一或多个表面接触区域则仍保持暴露；以及
在该二极管结构上所形成的非连续性导电层，从而，对于各成对的相邻的第一与第二太阳能电池来说，第一太阳能电池的暴露侧壁电气连接到第二太阳能电池的表面接触区域，且仍旧保持不会电气连接至第一太阳能电池的表面接触区域。
12.如权利要求11所述的薄膜太阳能模块，其中，该非连续性绝缘层包含聚合体。
13.如权利要求11或12所述的薄膜太阳能模块，其中，该非连续性导电层包含金属膏状物。
14.如权利要求11所述的薄膜太阳能模块，其中，该二极管结构包含聚晶硅。
15.如权利要求11所述的薄膜太阳能模块，另外包含在基顶与二极管结构之间的抗反射涂层。
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