CN103314450A - 绝缘材料的均匀层在背面接触太阳能电池中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明基于使用绝缘材料的均匀层将连接器与背面接触太阳能电池特别是MWT型电池的非照射侧分开，该层优选为耐热材料如玻璃纤维的均匀的纺织物或非纺织物，和经过所述均匀层进行电池的接触点和连接器之间的电连接，从而使绝缘材料部分地嵌入所述连接中。
Description
技术领域
本发明涉及光伏器件，例如太阳能电池。更具体地，本发明涉及当太阳能电池的两个相反掺杂区域的端触点设置在太阳能电池的非照射表面上时用于使电池的接触点连接到外部连接器的方法。
背景技术
现有技术中描述的大部分太阳能电池可根据它们的一般结构细分为若干种类。
最普通的太阳能电池，即所谓的标准电池，在电池的两侧上具有其相反掺杂的区域以及在照射侧上的包括汇流排的金属化。在太阳能电池工业中长久以来存在避免照射侧上的汇流排的期望，因为它们产生重要的暗影损失。
在所谓的背面接触(back-contact)太阳能电池中，太阳能电池的两个相反掺杂区域的两个欧姆接触(即两组外部连接点，也叫做端点)设置在太阳能电池的背面或非照射表面上。因此，背面接触太阳能电池在电池背侧处提供正极端子和负极端子的端点。这种概念使得能够降低暗影损失。
背面接触太阳能电池分成三种主要的种类(对于综述文章，参见Prog.Photovolt:Res.Appl.2006;14:107–123)。
叉指背面接触(IBC)电池包括单独依靠在后部接点(rear junction)处的载流子收集的那些电池设计；它们需要高纯度的硅。
发射极穿孔卷绕(EWT)电池在两侧具有载流子收集，且依靠穿过电池中大量的密集透孔或通孔(via)从前到后的电流传导。
金属穿孔卷绕(MWT)电池具有与标准电池结构最紧密联系的结构。在这些电池中，发射极位于照射侧上，汇流排移到后表面，在照射表面上仅留下薄的前表面栅极，其通过将其延伸穿过晶片中的少量金属化的开孔(或通孔)连接到后表面。WO98/54763公开了MWT电池。
在所有类型的背面接触电池中，在接触点或区域收集电流，所述点或区域则焊接到称为连接器或互连器(interconnector)的铜条，至少一个连接器焊接到一系列的负极接触点或区域，并且至少一个其它连接器焊接到一系列的正极接触点。
当连接器在相反符号的区域上经过时，在它们之间必须设置绝缘层。实际结果是在绝缘层中必须提供孔；该孔必须在绝缘层中产生且该绝缘层必须以所述孔面对接触点的方式设置在非照射侧上，从而允许进行电连接，例如通过焊接。孔的产生和绝缘层的对齐是两个困难的操作。因此，需要找到更简单的连接系统，避免在绝缘层中产生孔的需求。
发明内容
本发明的目的是提供制造背面接触光伏电池的方法，其减轻或者避免现有技术中的一些问题。
本发明的特别目的是提供用于将接触点电连接到互连器而无需在绝缘层中产生孔的方法，该绝缘层将连接器与包围接触点的相反极性的区域分开。
本发明的另一目的是提供在将连接器与接触点电连接之前不需要电池的非照射表面上的绝缘层的任何特定对齐的方法。
本发明提供背面接触太阳能电池，其中太阳能电池的两个相反掺杂区域的接触点设置在太阳能电池的非照射表面上，其包括连接器以从接触点收集电流，特征在于连接器经过绝缘材料的均匀层电连接到接触点，该绝缘材料的均匀层将连接器与非照射表面分开。
本发明还提供用于将背面接触太阳能电池的欧姆接触连接到外部连接器的方法，包括如下步骤：
-提供太阳能电池，其中两个相反掺杂区域的接触点设置在其非照射表面上；
-布置绝缘织物材料的均匀层；
-在一种极性的一个或多个接触点上方布置至少一个电连接器和在另一极性的一个或多个接触点上方布置至少一个电连接器，每个接触点面对电连接器，电导体通过织物材料与包括接触点的非照射表面空间地分开；
-将每个接触点与面对它的连接器经过将它们空间地分开的绝缘材料层电连接，电连接嵌入织物材料。
本发明进一步提供绝缘材料的均匀层作为背面接触太阳能电池中的焊料穿孔(solder-through)绝缘层的用途。
附图说明
附图涉及MWT型背面接触电池，其是本发明的优选实施方案；图1到11仅仅是示意性的，且为了说明性的目的，元件的尺寸没有按比例绘制。
图1显示具有六行接触点的MWT型背面接触电池的背(非照射)侧。
图2显示经过接触点到照射表面上的正面栅极的截面图。
图3显示经过接触点到背面的截面图。
图4和5显示根据本发明的实施方案在每个接触点上施加两滴焊料膏之后分别如图2和3的相同截面图。
图6和7显示在电池的背面上方布置纺织玻璃纤维层然后在该行接触点上方布置连接器后分别如图4和5的相同截面图。
图8和9显示在焊接后分别如图6和7的相同截面图。
图10显示当使用具有厚的焊料层的连接器时如图8的相同截面图。
图11显示在焊接后MWT型背面接触电池的背面。
图12显示MWT型背面接触电池的尺寸和接触点的位置。
图13显示焊接后经过接触点到背面的截面的照片。
具体实施方案
本发明适用于所有类型的背面接触电池，但是特别适用于MWT电池且因此将参考这样的电池进行描述。在本说明书中，我们将会把相反极性的区域称为第一和第二区域，第一区域在照射侧上和第二区域在背(非照射)侧上。
如图1所示，电池的背侧包括在晶片1大部分表面上的区域3和六行接触区域——也称作接触点，区域3由金属涂层——通常为不可焊接的铝涂层——构成，所述接触区域具有拥有圆头的矩形形状。从图1的上部，第一、第三和第五行显示为包括九个第一区域的可焊接接触点4，接触点4穿过一个或多个通孔连接到在正面(照射)侧上的第一区域且被凹槽包围以便与在基板1和金属层3之间的界面处的第二区域电绝缘。第二、第四和第六行显示为包括八个第二区域的可焊接接触点8。
图2显示经过通过一个通孔连接到照射面2上的第一区域的接触点4的截面图。通过凹槽(未显示)，接触点4与第二区域电绝缘。每个接触点4还可通过超过一个的通孔连接到第一区域。
图3显示经过接触点8到第二区域的截面图。
图4和5显示根据本发明实施方案在每个接触点上施加两滴焊料膏5之后分别如图2和3的相同截面图。使滴的数量适合于接触点的形状。
然后在电池的背侧上，优选在其全部表面上，施加由电绝缘材料制成的纺织物或非纺织物的均匀层，该电绝缘材料耐受焊接(或固化)和随后的层压(封装)步骤所需的温度。
如在本文中使用的，均匀层意味着在其中接触点所位于的电池的区域上方是均匀的纺织物或非纺织物的层。因此，在制造织物之后，在织物中没有产生特定开孔，且本发明依靠使用纺织物或非纺织物中的网孔(meshopening)。在电连接步骤期间，电连接材料穿过网孔，同时连接器和接触点保持通过织物而空间地分开；这导致电连接嵌入织物。
在电池区域之外，织物密度可以是不同的，例如更低以节省在其中不需要织物处的织物材料，或者更高以对隐藏位于其后的元件做出贡献。
不需要绝缘材料的对齐，因为没有具有在织物(tissue)中产生以相对每个接触点设置的开孔的图案。绝缘材料层还可施加在若干电池上。这具有它还将覆盖在电池之间的空间中的连接器的额外优点；这防止阳光通过连接器的不期望的反射，否则需要一些物理作用例如涂布连接器的可见部分。
形成绝缘层的优选材料是玻璃，因为其组合所有期望的性能：它是惰性材料(已经用在太阳能电池板中而且用于其它目的，因而在本领域中已知具有所需的长期耐受性)；它具有优异的物理性质且将有助于模块的尺寸稳定性；它具有优异的电绝缘性质；它具有优异的化学性质，是基本上惰性的(防潮，不排气)和耐火的；且它是相对廉价的。
非纺织物是不太优选的，由于通常用化学品/粘合剂覆盖纤维以制造非纺织物。
在选择纺织玻璃织物中，必须考虑若干基本变量：
(1)玻璃组成：不需要使用除普通“E”(电)型之外的另一种玻璃，作为典型组成具有52-60wt%二氧化硅、16-25wt%氧化钙、12-16wt%氧化铝、8-13wt%氧化硼、0-1wt%氧化钠和氧化钾、以及0-6wt%氧化镁；
(2)纱的组成：优选纱由连续的丝(“C”)构成；
(3)平均丝直径：在本领域中显示为以um表示的数值；可使用4-10的值，优选7-9的值；
(4)股数：在本领域中这显示为以100yd/lb(1yd=0.9144m；1lb=0.454kg)表示的数值；优选25-50的值；
(5)编织图案：平纹编织是优选的；
(6)织物整理：纺织玻璃织物可不经整理而使用，但是当期望更大的开孔时，具有纤维的一些施加的编织锁以改善尺寸稳定性变得有用；选择编织锁材料以与在太阳能电池板制备中使用的封装材料化学相容。
相对于接触点和连接器的尺寸，绝缘层中的网孔应当小，但是应足够大以使焊料或者导电粘合剂流过该开孔。这通过简单且快捷的测试容易地完成。开口不需要是对称的，且可为例如矩形或不规则的，如在切短的纤维织物的情况下。
一旦电池的背面被织物层覆盖，连接器必须施加在每行接触点的上方。
图6和7显示在电池的背侧上方布置纺织玻璃纤维层6然后在该行接触点的上方布置连接器(分别为7和9，取决于它们的极性)后分别如图4和5的相同截面图。
连接器是标准的可焊接连接器。优选它们被薄的焊料层覆盖以保证最佳的焊接。如在本领域长期以来已知的，连接器可具有伸缩弯头(expansionbend)，使得在焊接步骤后，电池不经受应力。在电池的背侧上施加连接器之前，至少被连接器覆盖的表面区域应被织物层覆盖。
图8和9显示在焊接后分别如图6和7的相同截面图。可以看出，焊料5在熔化时流过纺织玻璃纤维织物6且现在分别将接触点4和8电连接到连接器7和9。在没有施加焊料膏和没有发生焊接步骤的地方，织物充当绝缘材料和隔离物，避免短路和不期望的电连接。从图中清楚的是，织物保持不被焊接过程物理地影响；换句话说，是织物本身继续保持连接器和电池的背面空间地分开。
根据本发明的其它实施方案，可首先施加织物，且在安置连接器和焊接之前，将数滴焊料膏分别施加到在连接器上的织物上。
根据本发明的其它实施方案，可使用导电粘合剂(典型地是需要热固化的含金属的膏)或各向异性膏(典型地是需要压缩和热固化)代替焊料膏，其也可在织物之前或之后施加。在这样的情况下，绝缘材料在接触步骤期间应保持化学惰性和物理上不受影响也是重要的。
根据本发明的又一实施方案，有可能使用具有厚的焊料层的连接器。当该层足够厚时，在焊接步骤期间焊料将熔化穿过织物并将连接器与接触点连接。然而，这需要连接器是预先压花的，使得仅待焊接的表面与织物物理接触。作为例子，图10表示如图8的相同截面，不同在于连接器7已被压花使得熔化的焊料5可仅在期望与接触点4电接触之处(即在连接器被压在电池上且被加热之处)熔化穿过织物6。然而，在电池的背面上方保持绝缘材料层是重要的，因为它将用于在后续处理步骤期间保持连接器6与区域3电分离。图10图解仅在一侧上具有厚的焊料层的连接器的情况，如果由于与本发明不相关的原因而需要的话，其在另一侧上可具有薄的焊料层(未示出)。
图11显示配有其相反极性的连接器7和9的MWT型背面接触电池的背面。
在之后电池层压为包括若干电池的太阳能电池板期间，封装材料(典型地是EVA、有机硅、热塑性聚烯烃或其它本领域中已知的合适封装材料)将嵌入织物，和织物将对太阳能电池板提供额外的尺寸稳定性和增强。封装和使用的材料对于本发明没有显著的影响。
尽管已参考优选的实施方案描述了本发明，但它也可用于焊接EWT或IBC型电池中的连接器，其中连接器必须与一种极性的区域电连接同时与相反极性的相邻区域电绝缘。使用如上所述的绝缘材料层避免必须在一些绝缘材料中在预定位置产生孔和以高精度安置绝缘材料。
实施例
所有的评估都对层压物(EVA封装物和太阳能级玻璃，在背侧上具有保护箔)根据IEC61853(Photovoltaic Module Performance Testing and EnergyRating)在标准条件下进行。
实施例1
根据WO98/54763中描述的方法的优选实施方案由多晶硅晶片制备MWT背面接触电池。图12显示具有6行接触点的156mmx156mm电池的非照射面。接触点具有拥有圆头的矩形形状，如所示的：连接到照射面的接触点为2mm宽且6mm长，被1mm宽的非金属化区域包围，同时连接到非照射面的带电区域的接触点为2.5mm宽且6mm长。从顶部开始(如图12上所示)，非照射面具有1行9个接触点，每17mm一个，连接到照射面，然后是一行8个连接到非照射面的带电区域的接触点，也是每17mm一个，该布置重复再两次。
在具有合适接触点的探针台上测量该电池的填充因子和分流电阻。
在每个接触点上，沉积两滴1.8mm直径的焊料膏，所述1.8mm直径已在单独的实验中确定以便在加热后得到0.9mm直径的凸起。焊料膏从EFD以名称NC-D501A得到：其由含有45-75um尺寸的Sn62Pb36Ag2合金粉末的NC(免清洗)焊剂基础(flux basis)构成。焊料膏选择为适合焊接至覆盖连接器的合金且耐受后面的层压步骤。电池上的焊料膏的总重量是在沉积后0.27g或者在干燥后0.23g。
然后，用纺织玻璃织物层覆盖非照射面。玻璃织物从Porcher Industries以参考式样(reference style)3449得到。它是平纹编织织物，具有EC968纱以及11.8±0.3(经(warp))和3,5±0.3(经纱(chain))的计数/cm(根据ISO7211-2)，具有整理094(黑)，相对重量为111±6g/m2(根据ISO3374测量)。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由覆盖有30um的Sn焊料层的100um厚且3mm宽的铜条构成。将电池加热到150℃。然后以轻的手压将270℃温度的焊料尖端(solder tip)施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
图13显示在焊接后经过接触点到背面的截面的照片。该照片粗略地对应于在图8或9中的箭头5和6之间所包括的部分。可在顶部上可看到连接器，在两侧上具有焊料层。它与电池的表面良好地分开，除了在照片的左侧，其中看见焊料将连接器连接到接触点(照片显示接触点为180um厚的硅晶片顶部上的银层)。在照片的右侧，可看到玻璃纤维层在连接器和接触点之间，保持它们空间地分开。
通过如下对所得到的(封装的)电池进行电学评估：将所得到的电池的填充因子和分流电阻与对如最初得到的电池(使用探针台)预先测量的填充因子和分流电阻进行比较；损失为填充因子约2.5%和分流电阻1%。
实施例2
重复实施例1直到施加纺织玻璃织物。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由覆盖有9um的Sn-Pb-Ag焊料(62-36-2wt%)层的80um厚且6mm宽的铜条构成。将电池加热到170℃。然后以轻压将240℃温度的焊料尖端施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
制备22个相同的电池并将它们串联连接以形成模块。模块的评估给出以下结果：
高的填充因子的值证明本发明提供优异的电绝缘和电连接两者。
实施例3
重复实施例2，使用单晶硅晶片，直到施加纺织玻璃织物，除了电池上的焊料膏的总重量在干燥后为0.45g。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由覆盖有9um的Sn-Ag焊料(97-3wt%)层的80um厚且6mm宽的铜条构成。将电池加热到170℃。然后以轻压将250℃温度的焊料尖端施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
制备22个相同的电池并将它们串联连接以形成模块。模块的评估给出以下结果：
高的填充因子的值证明本发明提供优异的电绝缘和电连接两者。
实施例4
重复实施例1直到施加纺织玻璃织物。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由铜-锌合金(99.5-0.5wt%)的150um厚且6mm宽的条构成。将电池加热到160℃。然后以轻压将300℃温度的焊料尖端施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
填充因子 75.94%
Rsh(欧姆) 44.89(分流)
效率 16.11%
高的填充因子的值证明本发明提供优异的电绝缘和电连接两者。
实施例5
重复实施例1直到施加纺织玻璃织物，除了电池上的焊料膏的总重量在干燥后为0.34g，该纺织玻璃织物是具有整理094(黑色)的22x136特(tex)的变形的(texturised)8纱/cm织物。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由覆盖有9um的Sn-Ag焊料(97-3wt%)层的80um厚且6mm宽的铜条构成。将电池加热到170℃。然后以轻压将250℃温度的焊料尖端施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
评估电池:
高的填充因子的值证明本发明提供优异的电绝缘和电连接两者。
实施例6
如实施例1中所述制造MWT背面接触电池。
在每个接触点上，沉积两滴2mm直径的焊料膏，所述2mm直径已在单独的实验中确定以便在加热后得到1mm直径的凸起。焊料膏从EFD得到：其由含有45-75um尺寸的Sn43Pb43Bi14合金粉末的NC(免清洗)焊剂基础构成。焊料膏选择为适合焊接至覆盖连接器的合金且耐受后面的层压步骤。
然后，用纺织玻璃织物层覆盖非照射面。玻璃织物从Porcher Industries以参考式样962得到。它是平纹编织织物，具有EC934纱以及15.5±0.5(经)和15.0±0.5(经纱)的计数/cm(根据ISO7211-2)，没有整理，相对重量为106±5g/m2(根据ISO3374测量)。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由覆盖有30um的Sn62Pb36Ag2焊料层的80um厚且6mm宽的铜条构成。然后以轻的手压将270℃温度的焊料尖端施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
通过如下对所得到的电池进行电学评估：将所得到的电池的填充因子和分流电阻与对如最初得到的电池预先测量的填充因子和分流电阻进行比较；损失在两种情况下均约为1%。
实施例7
如实施例1中所述制造MWT背面接触电池。
在每个接触点上，沉积一滴焊料膏。电池上的焊料膏的总重量在干燥后是0.48g。焊料膏从EFD以名称NC-D501得到：其由含有45-75um尺寸的Sn62Pb36Ag2合金粉末的NC(免清洗)焊剂基础构成。
然后，用非纺织玻璃织物面毡覆盖非照射面。玻璃织物从Viledon以参考T1785得到。它是切短的纤维织物，具有E-玻璃纤维(根据DIN60-001-T1)，相对重量为14g/m2(根据EN 29 073-T1测量)和厚度为0.17mm(根据EN 29073-T2测量)。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由覆盖有9um的Sn-Ag焊料(97-3wt%)层的80um厚且6mm宽的铜条构成。将电池加热至170℃。然后以轻压将255℃温度的焊料尖端施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
对所得电池进行电学评估：
实施例8
重复实施例1，使用单晶硅晶片，直到施加纺织玻璃织物，除了在电池上的焊料膏的总重量在干燥后为0.45g。该玻璃织物是具有整理094(黑色)的22x136特(tex)的变形的8纱/cm织物。
将玻璃织物层施加到由11个电池构成的每个电池串(string)上。在电池区域外部，织物密度更稠密，以便覆盖在电池之间的空间中的连接器。
将连接器布置在六行接触点的每一行上，该连接器由覆盖有9um的Sn-Ag焊料(97-3wt%)层的80um厚且6mm宽的铜条构成。将电池加热至170℃。然后以轻压将250℃温度的焊料尖端施加到每个接触点的顶部以保证层之间的良好接触。
以11个电池的2串制备22个相同的电池并将它们串联连接以形成模块。模块的评估给出以下结果：
高的填充因子的值证明本发明提供优异的电绝缘和电连接两者。在电池区域外部的稠密织物在层压后赋予模块均匀的黑色外观。
Claims (14)
1.背面接触太阳能电池，其中太阳能电池的两个相反掺杂区域的接触点设置在太阳能电池的非照射表面上，该背面接触太阳能电池包括从电池的接触点收集电流的连接器，特征在于所述连接器通过绝缘织物材料的均匀层与所述非照射表面空间地分开并经过所述绝缘织物材料电连接到所述电池的接触点，电连接嵌入所述织物材料。
2.根据权利要求1的电池，进一步特征在于其为选自MWT型、IBC型和EWT型的类型。
3.根据权利要求1和2任一项的电池，其中所述绝缘材料选自纤维材料的纺织物或非纺织物。
4.根据权利要求1到3任一项的电池，其中所述绝缘材料是纺织玻璃纤维织物。
5.将背面接触太阳能电池的欧姆接触连接到外部连接器的方法，包括下列步骤：
-提供太阳能电池，其中两个相反掺杂区域的接触点设置在其非照射表面上；
-布置绝缘织物材料的均匀层；
-在一种极性的一个或多个接触点上布置至少一个电连接器和在另一极性的一个或多个接触点上布置至少一个电连接器，每个接触点面对电连接器，电连接器通过所述织物材料与包括接触点的非照射表面空间地分开；
-将每个接触点与面对它的连接器经过将它们空间地分开的绝缘材料层电连接，电连接嵌入织物材料。
6.根据权利要求5的方法，其中在通过绝缘材料层保持接触点与连接器空间地分开的同时进行电连接。
7.根据权利要求5或6的方法，其中太阳能电池为选自MWT型、IBC型和EWT型的类型。
8.根据权利要求5到7任一项的方法，其中绝缘材料选自纤维材料的纺织物或非纺织物，且优选为纺织玻璃纤维织物。
9.根据权利要求5到8任一项的方法，其中使用选自如下的导电材料进行电连接：焊料、焊料膏、导电粘合剂、各向异性导电膏和它们的组合，和所述方法包括至少一个选自如下的步骤：在布置绝缘材料层之前在每个接触点上施加该材料和在布置绝缘材料层之后在每个接触点上施加该材料。
10.根据权利要求5到9任一项的方法，包括得到根据权利要求1到4任一项的电池的额外步骤。
11.绝缘材料的均匀层作为背面接触太阳能电池中的焊料-穿孔绝缘层的用途。
12.根据权利要求11的用途，其中太阳能电池为选自MWT型、IBC型和EWT型的类型。
13.根据权利要求11或12的用途，其中绝缘材料选自纤维材料的纺织物或非纺织物，且优选为纺织玻璃纤维织物。
14.根据权利要求11到13任一项的用途，其中绝缘层的层还用来保持接触点和连接器空间地分开。
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