CN102356471B - 太阳能电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太阳能电池模块，在该太阳能电池模块中交替地提供了：装有具有受光面和非受光面的第一导电性基板，以及分别形成于受光面和非受光面上的具有互不相同的极性的电极的第一太阳能电池；以及装有具有受光面和非受光面的第二导电性基板，以及分别形成于受光面和非受光面上的具有互不相同的极性的电极的第二太阳能电池。

Description

太阳能电池模块

技术领域

本发明涉及包括半导体器件形式的太阳能电池的太阳能电池模块。

背景技术

由晶体太阳能电池制成的太阳能电池模块一般通过提供单独基于一种导电类型的基板的太阳能电池并且为了提高电压将所述电池串联连接来制造。在这种情况下，如果使用各自具有在受光面一侧的第一极性的电极以及在非受光面一侧的第二极性(与第一极性相反)的电极的电池，则在受光面一侧的第一极性的电极必须通过含有焊料及其它成分的导体(称为“接头线(tabwire)”)与在非受光面一侧的第二极性的电极连接，以便实现串联。这些由接头线所连接的电极是宽度相对较大(大约1～3mm)的电极并且一般称为母线棒电极。

在上述常规的太阳能电池模块中，试图使太阳能电池彼此尽可能紧密地排布，以便提高模块的转换效率。但是，因为在受光面一侧和非受光面一侧存在用于连接电极的接头线，所以将太阳能电池之间的间距减小到3.0mm或更小的距离的尝试遇到了由接头线的弯曲应力所致的电池边缘故障的问题。这导致太阳能电池的组装密度相对太阳能电池模块的面积而降低。

该问题的一种解决途径是降低接头线自身的厚度以便简便地减小接头线的弯曲应力，尽管引起了增加布线电阻的另一个问题。另一种解决途径由例如JP-A2008-147260(专利文献1)进行了描述，给出了一种太阳能电池模块，在该太阳能电池模块中提供了具有预弯曲部分的接头线，并且连接该接头线使得弯曲部分布置于相邻的电池之间，由此减小接头线的弯曲应力并防止电池边缘故障。

但是，这种方法具有以下缺点：必须制备具有特殊弯曲部分的接头线，并且弯曲部分的存在增加了接头线的连接长度，从而使太阳能电池模块的填充因子劣化。

引文列表

专利文献

专利文献1：JP-A2008-147260

发明内容

发明要解决的问题

本发明的目的(已经在上述情况下得出)是要通过使太阳能电池的组装密度相对太阳能电池模块的面积增大来提供提高了模块转换效率的太阳能电池模块。

解决问题的手段

为达到以上目的而进行了深入的研究，本发明人已经发现，当包括具有受光面和非受光面的第一导电类型的基板以及分别形成于受光面和非受光面上的极性相反的电极的第一太阳能电池，与包括具有受光面和非受光面的第二导电类型(与第一导电类型相反)的基板以及分别形成于受光面和非受光面上的极性相反的电极的第二太阳能电池交替地排布时，太阳能电池模块被构成，在该太阳能电池模块中具有第一极性的电极的第一太阳能电池与具有第二极性(与第一极性相反)的电极的第二太阳能电池并置于共同的平面内。这种配置保证了，第一和第二太阳能电池通过以接头线使受光面上的电极彼此连接以及使非受光面上的电极彼此连接来串联连接，并且电池按照3.0mm或更小的间距紧密排布，由此可以使太阳能电池的组装密度相对太阳能电池模块的面积增加，导致提高的模块转换效率。该配置便于接头线的附接并且消除了由接头线所致的应力，防止电池边缘故障并提高了制造的成品率，这保证了高可靠性太阳能电池模块的制作。本发明以这些发现为基础。

应当指出，对于在受光面和非受光面上的电极，形成于跨过母线棒电极的太阳能电池正面上的用于收集输出的宽为大约50～200μm的薄电极被称为“指状电极”，并且用于取出由指状电极所收集的输出的宽为大约1～3mm的相对较厚的电极被称为“母线棒电极”。

因此，本发明提供了如下所限定的太阳能电池模块。

保护范围1：一种太阳能电池模块，包括：处于交替排布的、包括具有受光面和非受光面的第一导电类型的基板以及分别形成于所述受光面和所述非受光面上的相反极性的电极的第一太阳能电池、以及包括具有受光面和非受光面的第二导电类型的基板以及分别形成于所述受光面和所述非受光面上的相反极性的电极的第二太阳能电池。

保护范围2：根据保护范围1所述的太阳能电池模块，包括其中所述第一和第二太阳能电池串联连接的部分，其中在所述串联连接部分中所使用的所述第一太阳能电池的数量为50％～70％，以及在所述串联连接部分中所使用的所述第二太阳能电池的数量为30％～50％。

保护范围3：根据保护范围1或2所述的太阳能电池模块，其中所述第一导电类型的基板是n型半导体基板以及所述第二导电类型的基板是p型半导体基板。

保护范围4：根据保护范围1、2或3所述的太阳能电池模块，其中所述太阳能电池按照0.1mm～3.0mm的间距排布。

保护范围5：根据保护范围1到4中的任一保护范围所述的太阳能电池模块，其中所述第一和第二太阳能电池之间的短路电流密度之差高达20％。

发明的有利效果

根据本发明的太阳能电池配置和互连方法使得太阳能电池的组装密度能够相对太阳能电池模块的面积增加，由此提高了模块转换效率。另外，由于与现有技术的方法相比，该方法能够减小由接头线施加于太阳能电池的边缘的应力，因而能够以提高的成品率制造高可靠性太阳能电池模块。

附图说明

图1示出了在现有技术的太阳能电池模块中的太阳能电池的示例性串联连接，图1a是截面图以及图1b是受光面一侧的平面图。

图2示出了在根据本发明的太阳能电池模块中的太阳能电池的示例性串联连接，图2a是截面图以及图2b是受光面一侧的平面图。

图3是受光面一侧的平面图，示出了整个现有技术的太阳能电池模块的示例性互连。

图4是受光面一侧的平面图，示出了整个根据本发明的太阳能电池模块的示例性互连。

具体实施方式

现在，本发明的实施例将参照附图详细地描述，尽管并不限于所示出的实施例。在用于示出实施例的所有附图中，相同的符号表示具有相同功能的部件，并且省略了关于它们的重复描述。为了便于理解，使附图相对太阳能电池之间的间距及其厚度夸大。出于方便起见，省略了指状电极。

本发明涉及太阳能电池模块，在该太阳能电池模块中，包括具有受光面和非受光面的第一导电类型的基板以及分别形成于受光面和非受光面上的极性相反的电极的第一太阳能电池(一个或多个)、与包括具有受光面和非受光面的第二导电类型的基板以及分别形成于受光面和非受光面上的极性相反的电极的第二太阳能电池(一个或多个)交替地排布。这种太阳能电池模块如图2所示那样来构造，其中具有第一导电类型基板的太阳能电池1以及具有第二导电类型基板的太阳能电池2交替地排布，并且母线棒电极3由接头线4连接。在此，第一太阳能电池的基板的导电类型与第二太阳能电池的基板的导电类型相反。例如，当前者为n型时，后者则为p型。此外，在第一太阳能电池的基板的受光面上的电极的极性与在第二太阳能电池的基板的非受光面上的电极的极性相同，而在第一太阳能电池的基板的非受光面上的电极与在第二太阳能电池的基板的受光面上的电极是极性相同的。在本发明的实施例中，如图2b所示，例如，当第一太阳能电池被布置成其基板的受光面朝上时，第二太阳能电池则布置成其基板的受光面朝上，使得在第一太阳能电池的受光面上的电极与在第二太阳能电池的受光面上的电极可以被线性地连接于共同的平面内，没有弯曲。

在本实施例中，在此所使用的太阳能电池的基板的导电类型、杂质扩散层、抗反射涂层及其它元件可以与众所周知的实例一致。太阳能电池可以通过JP-A2001-77386所描述的众所周知的方法来制备。

用于构造根据本发明的太阳能电池的半导体基板可以是例如p型或n型单晶硅基板、p型或n型多晶硅基板、非硅型化合物半导体基板等。对于单晶硅基板，可以使用切割的单晶硅{100}p型硅基板，在该基板中高纯度硅被掺杂了III族元素(例如，硼或镓)以提供0.1～5Ω·cm的电阻率。类似的掺杂了V族元素(例如，磷、锑或砷)的n型硅基板也可使用。

至于在此所使用的单晶硅基板的纯度，具有较低浓度的金属杂质(例如，铁、铝和钛)的基板是优选的，因为较高效率的太阳能电池能够使用寿命较长的基板来制造。单晶硅基板可以通过包括CZ和FZ方法在内的任何方法来制备。在此，也可以将预先通过众所周知的方法(例如，西门子法)提纯的冶金级硅(metallicgradesilicon)用于以上方法中。

为了平衡基板的成本和成品率以及转换效率，半导体基板的厚度优选为100～300μm，并且更优选地为150～250μm。如果半导体基板的电阻率低于以上所限定的范围，则太阳能电池的转换效率的分布可能会变窄，而晶体成本可能会由于在晶锭拉晶上的限制而是高的。如果电阻率高于该范围，则太阳能电池的转换效率的分布可能会变宽，而晶体成本可能是低的。

在本发明的实施例中，第一导电类型既可以是n型也可以是p型。当选择n型用于第一导电类型时，第二导电类型可以是p型，或者当选择p型用于第一导电类型时，第二导电类型可以是n型。

另外，基板表面优选地被设置具有称为“纹理”的微观凹凸。纹理是用于降低太阳能电池的表面反射率的有效手段。纹理可以容易地通过浸入在热碱水溶液(例如，氢氧化钠)中的方式来设置。

至于杂质扩散层，所使用的杂质源可以选自V族元素(例如，磷、砷和锑)和III族元素(例如，硼、铝和镓)。在一种实例中，杂质扩散层可以通过例如使用用于磷扩散的三氯氧磷的气相扩散法来形成。在该实例中，优选在三氯氧磷等的气氛中执行20～40分钟的850～900℃的热处理。此外还优选地，杂质扩散层具有0.1～3.0μm的厚度，并且更优选地为0.5～2.0μm。如果杂质扩散层过厚，则可能有更多的所生成的电子和空穴重新结合于其中的可用位置，导致转换效率降低。如果杂质扩散层过薄，则存在较少的所生成的电子和空穴重新结合于其中的位置，但是通过基板流到集电极的电流的横流电阻(transverseflowresistance)可能增大，导致转换效率降低。硼的扩散例如可以通过施加市场上可购得的含硼涂层剂、干燥以及20～60分钟的900～1050℃的热处理来实现，以形成扩散层。

在常规的硅太阳能电池中，p-n结必须单独形成于受光面上。为此，优选采用适合于避免在背面上形成p-n结的手段，例如，通过在扩散之前将两个基板堆叠在一起，或者通过在扩散之前于背面上形成作为扩散掩模的SiO₂膜或SiNx膜。除了气相扩散法之外，杂质扩散层还可以通过诸如丝网印刷或旋涂的另外的技术来形成。

抗反射膜优选为使用等离子体CVD系统等形成的SiNx膜，或者包括由热氧化产生的SiO₂膜和如上所形成的SiNx膜的多层膜。其厚度优选为70～100nm。

在这样获得的半导体基板上，使用丝网印刷技术等来形成电极。电极的形状并没有受到特别限制。母线棒电极的宽度通常为1～3mm，并且每个表面上的母线棒电极的数量优选为1到4，并且更优选地为2到3。在多个电极形成于一个表面上的情形中，电极优选形成为相互平行地延伸。

在丝网印刷技术中，通过混合导电粒子(例如，铝粉或银粉)、玻璃粉、有机粘结剂等而获得的导电性浆料被丝网印刷。在印刷之后，浆料在700～800℃下烘焙5～30分钟，以形成电极。通过印刷技术来形成电极是优选的，但是电极还可以通过蒸发和溅射技术来制备。此外，在受光面和非受光面上的电极可以同时烘焙。用这种方式，第一极性的电极形成于具有第一导电类型的基板的第一太阳能电池的受光面上，而与第一极性相反的第二极性的电极形成于第一太阳能电池的非受光面上。类似地，第二极性的电极形成于具有第二导电类型的基板的第二太阳能电池的受光面上，而第一极性的电极形成于第二太阳能电池的非受光面上。在其中n型半导体基板被选作第一导电类型的基板并且p型半导体基板被选作第二导电类型的基板的实例中，第一极性的电极是负电极并且第二电极的电极是正电极。

在本发明的太阳能电池模块中，至少一个第一太阳能电池和至少一个第二太阳能电池(二者皆如上所定义)交替地串联和/或并联连接。这样连接的太阳能电池可以用透明的树脂(例如，乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)共聚物)封装，以完成太阳能电池模块。此外，模块可以形成为连同密封树脂一起使用如同常规模块中的基板那样的基板或者如同常规模块中的膜那样的膜来形成的受保护结构，超直型(super-straight)结构、基板结构和玻璃封装结构中的任何一种结构。另外，还可以附接上框架，用于在模块周围提供保护。该太阳能电池模块可以通过任何众所周知的方法来制造，例如，JP-AH09-51117中的方法。

本发明的太阳能电池模块的一种优选实施例将参照附图详细地描述。图1示出了在常规的太阳能电池模块中的太阳能电池的示例性串联连接，图2示出了在根据本发明的太阳能电池模块中的太阳能电池的示例性串联连接，图1a和2a是截面图，而图1b和2b是从受光面一侧观看的平面图。在图1和2中示出的是具有第一导电类型的基板的第一太阳能电池1、具有第二导电类型的基板的第二太阳能电池2、母线棒电极3和接头线4。

图1的常规太阳能电池模块包括具有第一导电类型的基板的太阳能电池。这样，在受光面上的母线棒电极和在非受光面上的母线棒电极通过接头线连接，以实现串联连接。为了提高模块转换效率而使太阳能电池尽可能紧密地排布的尝试可能由于接头线的弯曲应力而导致电池边缘故障。

另一方面，图2所示的本发明的太阳能电池模块这样构造，使得具有第一导电类型的基板的太阳能电池1与具有第二导电类型的基板的太阳能电池2交替地排布。从而，具有第一极性的电极的电池和具有第二极性的电极的电池并置于共同平面内，使得在受光面上的电极或者在非受光面上的电极能够通过接头线相互连接，以实现串联连接。结果，相邻的电池可以按照3.0mm或更小，尤其是1.0mm或更小的间距紧密地排布。如果电池之间的间距过大，则太阳能电池的组装密度可能相对太阳能电池的面积降低，导致模块转换效率降低。虽然在电池之间的较短的间距是所希望的，但是至少0.1mm的间距是优选的，因为过于接近的间距使得电池之间接触，导致裂隙或碎屑。在其中外壳框架被附接的另一种实施例中，在外壳框架与模块周边(最外行)处的太阳能电池之间的间距优选为0.1～3.0mm，更优选地为0.1～1.0mm。如果框架间距过窄，则框架可能叠盖太阳能电池，引起遮蔽损失(shadowloss)，导致模块转换效率降低。如果框架间距过宽，则太阳能电池的组装密度可能相对太阳能电池的面积降低，导致模块转换效率降低。应当指出，接头线可以通过标准的技术用焊料等连接。

然后，图3示出了总体的常规的太阳能电池模块的示例性互连，以及图4示出了根据本发明的总体的太阳能电池模块的示例性互连。在所示出的实例中，太阳能电池按照4个电池×4个电池的多行方式排布，并且串联连接。在图3和4中所示出的是具有第一导电类型的基板的第一太阳能电池1、具有第二导电类型的基板的第二太阳能电池2、第一极性的电极的终端5、第二极性的电极的终端6和外壳框架7。通过图3和图4之间的比较，应当理解，本发明的太阳能电池模块比常规的太阳能电池模块具有更高的相对模块面积的组装密度。

在该优选实施例中，太阳能电池模块包括其中第一和第二太阳能电池被串联连接的部分。在串联连接的部分中，具有第一导电类型的基板的第一太阳能电池的数量优选为50％～70％，更优选地为50％～60％，而具有第二导电类型的基板的第二太阳能电池的数量优选为30％～50％，更优选地为40％～50％。如果第一和第二太阳能电池中的任一种电池的数量是超高的，则利用本发明的串联连接的布线可能是不可能的。

此外，第一和第二太阳能电池之间的短路电流密度之差优选达到20％，更优选地达到10％。对于短路电流密度过大的差值，太阳能电池模块具有可能受限于串联连接的电池当中的最低短路电流密度的短路电流密度。

实例

以下借助于示例给出了实例和比较实例，但是本发明并不仅限于这些实例。在下面的实例中，太阳能电池和太阳能电池模块的特性(短路电流密度、开路电压、填充因子和转换效率)使用太阳能模拟器(光强度1kW/m²，光谱AM1.5global)来测量。

实例1

在本实例中，图4所示的结构的太阳能模块按照以下方式来制作。

太阳能电池通过将n型单晶硅基板用作第一导电类型的基板以及将p型单晶硅基板用作第二导电类型的基板来制备。这样制备的全部电池都具有100mm平方的尺寸。

使用n型基板的太阳能电池的平均特性包括35.1mA/cm²的短路电流密度，0.619V的开路电压，78.3％的填充因子以及17.0％的转换效率。

使用p型基板的太阳能电池的平均特性包括35.1mA/cm²的短路电流密度，0.618V的开路电压，78.5％的填充因子以及17.0％的转换效率。

由于太阳能电池被串联连接而构成太阳能电池模块，因而太阳能电池在制备期间被调整以便(除其它特性以外)具有相等的短路电流密度。

在4×4＝16的阵列中使用两种类型的太阳能电池，太阳能电池模块在本发明的范围内制造。在太阳能电池之间的间距为0.5mm，在模块周边的电池与框架之间的间距是1.0mm，并且框架具有5.0mm的宽度。当接头线从位于模块周边的电池沿母线棒方向凸出3.0mm时，它们被连接至下一行的母线棒电极。

这样制作的模块具有包括框架在内的长413.5mm、宽419.5mm的尺寸。

这样制作的太阳能电池模块的特征是3.50A的短路电流，9.88V的开路电压，77.9％的填充因子以及15.5％的转换效率。

值得注意的是，虽然太阳能电池之间的间距为0.5mm，但是在电池边缘没有观察到故障。

比较实例1

在比较实例中，图3所示的结构的太阳能电池模块按照以下方式来制作。

作为太阳能电池，只有那些在实例1中使用第一导电类型的基板的的电池被用于4×4＝16的阵列中。至于太阳能电池之间的间距，沿母线棒方向的通过接头线的互连的间距为4.0mm，没有通过接头线的互连的间距为0.5mm。其余参数，包括在模块周边的电池与框架之间的间距、框架宽度以及接头线从模块周边的电池沿母线棒方向的凸出，与实施例1中的参数相同。

这样制作的模块具有包括框架在内的长413.5mm、宽430mm的尺寸。

在比较实例中所制作的太阳能电池模块的特征是3.51A的短路电流，9.90V的开路电压，77.4％的填充因子以及15.2％的转换效率。

部件列表

1使用第一导电类型基板的第一太阳能电池

2使用第二导电类型基板的第二太阳能电池

3母线棒电极

4接头线

5第一极性电极的终端

6第二极性电极的终端

7外壳框架

Claims (7)

1.一种太阳能电池模块，包括第一太阳能电池和第二太阳能电池，所述第一太阳能电池包括具有受光面和非受光面并具有通过所述受光面上的III族元素的扩散而在所述受光面上形成p-n结的杂质扩散层的第一导电类型基板以及分别形成于所述受光面和所述非受光面上的相反极性的电极，所述第一导电类型基板是具有150-250μm厚度的n型单晶硅基板，所述第二太阳能电池包括具有受光面和非受光面并具有通过所述受光面上的V族元素的扩散而在所述受光面上形成p-n结的杂质扩散层的第二导电类型基板以及分别形成于所述受光面和所述非受光面上的相反极性的电极，所述第二导电类型基板是具有150-250μm厚度的p型单晶硅基板，其中所述n型单晶硅基板和所述p型单晶硅基板的杂质扩散层分别具有0.5～2μm的厚度，其中所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池均具有相同尺寸的方形，其中所述第一太阳能电池和第二太阳能电池被交替排布使得所述第一太阳能电池的所述受光面上的所述电极与所述第二太阳能电池的所述受光面上的所述电极通过接头线被线性地连接于共同的平面内而没有弯曲，并且其中所述太阳能电池在制备期间被调整为使得所述第一太阳能电池和所述第二太阳能电池之间的短路电流密度之差达10％。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，包括其中所述第一和第二太阳能电池被串联连接的部分，其中在所述串联连接的部分中所使用的所述第一太阳能电池的数量为50％～70％，并且在所述串联连接的部分中所使用的所述第二太阳能电池的数量为30％～50％。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池模块，其中所述太阳能电池以0.1mm～1mm的间距排布。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其中所述n型单晶硅基板是通过将V族元素掺杂进通过CZ法或FZ法制备的高纯度硅基板制备的，并且所述p型单晶硅基板是通过将III族元素掺杂进通过CZ法或FZ法制备的高纯度硅基板制备的。

5.根据权利要求1或4所述的太阳能电池模块，其中所述n型单晶硅基板和所述p型单晶硅基板分别具有0.1～5Ω·cm的电阻率。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其中布置了由方形的所述第一太阳能电池和方形的所述第二太阳能电池交替排布的多个太阳能电池构成的多个行。

7.根据权利要求3所述的太阳能电池模块，其中布置了由方形的所述第一太阳能电池和方形的所述第二太阳能电池交替排布的多个太阳能电池构成的多个行。