CN104425639B - 使用印刷电路板的太阳能电池 - Google Patents

Abstract

使用印刷电路板（PCB）的太阳能电池，包括由绝缘材料形成的基板，该基板内交替地形成有贯穿该基板的多个固定孔和连通孔；多个光电效应发生器，其具有球形或多面体形状，固定至所述基板上并位于所述多个固定孔上方，并通过暴露于所述基板上部的光接收部分接收光而产生光电效应；多个上部电极，其形成于所述基板的顶部表面上，并连接至所述光电效应发生器的各光接收部分；以及多个下部电极，其形成于所述基板的底部表面上，连接至所述光电效应发生器的各非光接收部分，并经所述多个连通孔与多个所述上部电极相连通。

Description

使用印刷电路板的太阳能电池

技术领域

本发明涉及具有使用印刷电路板（PCB）和硅球的结构的太阳能电池。

背景技术

太阳能电池是用于将光能转化为电的装置，其使用两种类型的半导体来产生电，即，P型半导体和N型半导体。当光照射在太阳能电池上时，在太阳能电池中产生电子和空穴。电荷载体，例如电子和空穴，移动至P极和N极，从而在P极与N极之间产生电位差（光伏发电）。在这种情形下，当负载连接至太阳能电池时，电流开始流动，这就是所谓的光电效应。

当前的太阳能光伏发电系统中常用的硅太阳能电池具有这样的结构，该结构包括硅晶片基板、上电极和下电极。硅晶片基板上在P层与N层之间具有P-N结。通常，硅晶片基板的上层形成N层，而硅晶片基板的下层作为P层。在N层的顶部表面上形成有上部电极和防反射膜，在P层的底部表面上形成有下部电极。当光照射在具有这种结构的太阳能电池上时，在太阳能电池中产生电荷载体，例如电子和空穴；在这些电荷载体中，电子朝N型半导体移动，而空穴朝P型半导体移动。移向N型和P型半导体的电荷载体移至电极，从而使电流开始流动。

如上构建的太阳能电池存在的问题是，由于光被上部电极所覆盖，因此光接收面积减小了，并且，在太阳能电池模块中，用于连接电池的导电阻抗性条带会降低能效。为提高光电转换效率，已尝试通过减小上部电极的线宽而增大光接收面积，并通过减低太阳能电池反射率而降低反射损失。除这样的尝试外，还作出了各种研究，以降低太阳能电池的制造成本。

发明内容

本发明涉及具有新结构的太阳能电池，其可使用光电效应发生器来增大光接收面积，所述光电效应发生器具有球形或多面体形状，且可使用印刷电路板（PCB）结构来降低制造成本。

根据本发明的一个方面，提供了一种使用印刷电路板（PCB）的太阳能电池，该太阳能电池包括：基板，其由绝缘材料形成，该基板内交替地形成有贯穿该基板的多个固定孔和连通孔；多个光电效应发生器，其具有球形或多面体形状，固定至基板上并分别位于多个固定孔上方，所述光电效应发生器对穿过暴露于基板上部的光接收部分的光进行接收，从而产生光电效应；多个上部电极，其形成于基板的顶部表面上，并连接至光电效应发生器的各光接收部分；以及多个下部电极，其形成在基板的底部表面上，并连接至光电效应发生器的各非光接收部分，且经多个连通孔与多个上部电极相连通。

多个光电效应发生器中的每一个可包括P型硅或N型硅，以及具有P-N结的扩散层，所述扩散层形成于光电效应发生器的光接收部分的表面上。

多个光电效应发生器中的每一个的表面可具有带纹理的形状。在多个光电效应发生器中的每一个的表面上可形成有涂覆了抗反射材料的覆层。

多个光电效应发生器中的每一个可包括：连接部分，其用于界定多个固定孔中的每一个，并连接至光电效应发生器的光接收部分的每一个；第一延伸部分，其从连接部分开始在第一方向上延伸；以及上部连通部分，其形成于第一延伸部分的端部上，用于界定多个连通孔中的每一个。

多个光电效应发生器中的每一个可包括：填充部分，其填充在固定孔中，并连接至光电效应发生器的非光接收部分；第二延伸部分，其从填充部分开始在与第一方向反向的第二方向上延伸；以及下部连通部分，其形成于第二延伸部分的端部上，以界定连通孔。

在固定孔上形成有绝缘单元，以使连接部分和填充部分绝缘。

太阳能电池可进一步包括抗反射膜，其通过在基板的顶部表面上涂覆抗反射材料而形成。太阳能电池可进一步包括：玻璃板，其位于抗反射膜的顶部表面上；以及碳纳米管（carbon nanotube, CNT）覆层，其形成于玻璃板的顶部表面上，并包括CNT材料。

太阳能电池可进一步包括散热膜，其堆叠在基板的底部表面上，对基板进行散热。

太阳能电池可进一步包括至少一个电路板，其位于基板底部表面上，该电路板包含电连接至多个下部电极中的每一个的电路图案。

在基板中以及贯穿基板可形成有空气孔，空气流经该孔，以降低风阻。

结合以下附图，本领域人员将更好地理解根据本发明的使用印刷电路板的太阳能电池的目的和配置。

附图说明

通过结合以下附图对示例性实施例的详细描述，本领域技术人员将清楚了解本发明的以上描述及其他目的、特征和优点，其中：

图1是根据本发明一个实施例的使用印刷电路板（PCB）的太阳能电池的横截面视图；

图2是图1的基板的平面图；

图3是图1的基板的后视图；

图4是图1的硅球的放大横截面视图；

图5是设置有上部电极的基板的平面图；

图6是设置有下部电极的基板的后视图；

图7是根据本发明另一实施例的使用印刷电路板的太阳能的横截面视图。

具体实施方式

以下将结合附图详细描述本发明的示例性实施例。

图1是根据本发明一个实施例的使用印刷电路板（PCB）的太阳能电池的横截面视图。图2是图1的基板的平面图；图3是图1的基板的后视图。

参见图1到图3，太阳能电池包括由绝缘材料形成的基板110、形成在基板110上的多个光电反应发生器，形成在基板110顶部表面上的多个上部电极130、形成在基板110底部表面上的多个下部电极140。

将绝缘材料形成的通用PCB使用的基板作为基板110。该基板110可由例如环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺等材料形成。

在基板110中以及贯穿基板110交替形成有多个固定孔111和连通孔112。固定孔111和连通孔112交替形成在特定方向上。固定孔111提供了空间，以连通硅球120与下部电极140，而连通孔112提供了空间，以连通上部电极130与下部电极140。

光电效应发生器固定至基板110上，其功能是在接收光时产生光电效应。每个光电效应发神器可由能产生光电效应的半导体材料形成，例如，硅或砷化镓。

参见图1到图3，光电效应发生器具有球形或多面体形状，以增大光接收部分。术语“球形”在此包括了具有曲形外表面的任何形状，例如圆球形和椭圆形。术语“多面体形状”在此指以扁平表面为边界的三维形状，例如四面体形状、五面体形状、六面体形状，八面体形状或十二面体形状。

光电效应发生器可具有由半导体材料形成的、能产生光电效应的结构，或具有通过在球体或绝缘材料（例如，塑料或玻璃）多面体的外表面上涂覆半导体材料、从而使其能产生光电效应的结构。在后一种结构中，涂覆在球体或多面体外表面上的半导体材料的例子可包括硅、碲化镉和铜铟镓硒。

在以下描述中，假定光电效应发生器由硅形成，并具有球形形状，为便于描述，“光电效应发生器”将以“硅球”120的称谓指代。相应地，对硅球120的描述也适用于其他类型的光电效应发生器。

多个硅球120固定至基板110上，并分布于固定孔111上方。硅球120可部分插入相应的固定孔111而固定至基板110，其尺寸大于固定孔111的直径。硅球120经暴露于基板110上部的部分（以下称作“暴露部分”）接收光，从而产生光电效应。以下将详细描述硅球120的配置。

尽管在图1到图3中硅球120是插入在固定孔111中的，然而，本实施例并不限于此种方式，根据光电效应发生器的形状和大小，硅球120也可以不插入固定孔111中。例如，当光电效应发生器为尺寸大于固定孔111的多面体形状时，光电效应发生器可固定至基板110上，覆盖固定孔111。

多个上部电极130形成于基板110的顶部表面上，并连接至硅球120的各光接收部分（即，暴露部分）。参见图2，每个上部电极130可包括连接部分131、第一延伸部分132和上部连通部分133。

形成连接部分131以界定每个固定孔111，并连接至每个硅球120的光接收部分。连接部分131可形成为环形，并通过与硅球120的光接收部分接触，从而电连接至硅球120。

第一延伸部分132从连接部分131开始在第一方向（图2中向右侧的方向）上延伸。第一延伸部分132从连接部分131开始在第一方向上延伸，以到达在第一方向上远离连接部分131的每个连通孔112。

上部连通部分133形成在第一延伸部分132的端部上，以界定连通孔112。上部连通部分133可形成为环形，类似连接部分131的形状。

多个下部电极140形成在基板110的底部表面上，并连接至插入在硅球120固定孔111中的各非光接收部分。下部电极140经连通孔112与上部电极130连通，并与各硅球120串联电连接。

参见图3，每个下部电极140包括填充部分141、第二延伸部分142和下部连通部分143。

填充部分141填充在每个固定孔111中，并连接至每个硅球120的非光接收部分。填充部分141是通过将导电材料填充在固定孔111中而形成的。在固定孔111中可形成有用于使连接部分131和填充部分141绝缘的绝缘单元116。

第二延伸部分142从填充部分141开始在第二方向（其与第一方向反向，在图3中是向左侧的方向）上延伸，以到达在第二方向上远离填充部分141的连通孔112。

在第二延伸部分142的端部上形成有下部连通部分143，以界定连通孔112。下部连通部分143可形成为环形，类似上部连通部分133，并通过镀层115连接至上部电极130的上部连通部分133，所述镀层115形成在连通孔112的内壁上。

每个上部电极130和下部电极140可由导电材料形成，例如铜或银，且可使用与形成印刷电路板的一般电路图案相同的方法来形成。在上述配置中，硅球120的光接收部分经上部电极130电连接至在第一方向上远离的下部电极140，且硅球120的非光接收部分经下部电极140电连接至在第二方向上远离的上部电极130。

通过在基板110的顶部表面上涂覆抗反射材料（例如氟系树脂、纳米粒子、二氧化硅或二氧化钛）而形成抗反射膜150，并在基板110的底部表面上形成由绝缘材料构成的外覆层180，以保护下部电极140。

透光板160由可透射光的透光材料（例如，玻璃）形成，其分布于抗反射膜150的顶部表面上，以保护上部电极130。包括碳纳米管（CNT）材料的CNT覆层170可形成于透光板160的顶部表面上。CNT覆层170降低了反射率，从而使最大量的光透射在硅球120上。

用于使基板110散热的散热膜可附加地堆叠在基板110的底部表面上。散热膜用于使基板110的热量排放至外部，当具有过覆层180时，其可附在过覆层180的底部表面上。

在如上构建的太阳能电池中，由于用硅球120吸收了光，因此，光接收面积可大于传统的平板太阳能电池。由于上部电极位于硅球120下方，因此，可解决光被上部电极130遮盖的问题。此外，由于可使用制造印刷电路板的电路图案的方法来制造该太阳能电池，因此，可简化制造工艺，降低制造成本。

图4是图1的硅球120的方法横截面视图。

硅球120包括P型硅或N型硅，以及具有P-N结的扩散层，所述扩散层形成于硅球120的光接收部分的表面上。硅球120可附加地包括P型或N型掺杂剂。

在图4中，硅球120由P型硅形成，而扩散层121为形成在硅球120表面上的N型层。在这种情形下，可通过在高温下使包括V族元素的三氯氧磷或磷酸扩散在由P型硅形成的硅球120中，并进行掺杂工艺，来形成扩散层121。所述掺杂工艺可以在硅球120连接在基板110上的状态下进行。在这种情形下，在基板110上额外地形成了三氯氧磷或磷酸层。

尽管在图4中硅球120由硅形成，其也可通过在绝缘球上涂覆硅来形成。

上部电极130的连接部分131与扩散层121和N极相接触，而下部电极140的填充部分141与硅球120的P极相接触。当光照射在硅球120上时，在硅球120中产生电子和空穴，电子朝扩散层121和上部电极130移动，而空穴朝下部电极140移动，从而使电流开始流动。

硅球120的表面可具有带纹理的形状122，以降低反射率，硅球120的表面上可额外地形成有涂覆了抗反射材料的覆层123。由于硅球120上形成有纹理表面，硅球120的表面上形成有用于抗反射的覆层123，且透光板160上形成有CNT覆层170，因此，可极大地降低反射损耗。

图5是设置有上部电极130的基板110的平面图；图6是设置有下部电极140的基板110的后视图。

参见图5和图6，上部电极130设置为形成多列，下部电极设置为与上部电极130对应。本实施例并不限于这种方式，根据上部电极130的图案形状和设置，太阳能电池可制造为具有各种其他结构。

特别地，与包括通过连接多个电池而形成的太阳能电池模块的传统硅太阳能电池不同，根据本发明的太阳能电池可制造为具有各种面积，具体取决于基板110的面积和硅球120的数量。并且，由于无需用于连接电池的条带，因此，可避免条带导电阻抗导致的电能损耗。

在基板110中以及贯穿基板110，可形成多个空气孔117，以允许空气流经其中，从而降低风阻。空气孔117可竖直穿过基板110的顶部和底部表面，从而使风能穿过基板110的顶部和底部表面。尽管图5和图6中是以预定间隔形成了狭缝形状的空气孔117，然而空气孔117的形状和数量都是可变的。

图7是根据本发明另一实施例的使用印刷电路板的太阳能电池的横截面视图。

与前述实施例的太阳能电池相比，图7的太阳能电池额外地包括用于执行特定功能的电路板190。该电路板190位于基板110的底部表面上，其包括电连接至下部电极140的上部和下部电路图案191和192。

这样，由于图7的太阳能电池具有印刷电路板结构，因此，该太阳能电池可通过堆叠特定功能的电路板190而具有集成式结构。例如，当太阳能电池连接至能量存储系统（energy storage system, ESS）时，电路板190可具有连接太阳能电池与能量存储系统、以及转换信号的功能。

上部图案191和下部图案192分别设置在图7中的电路板190的顶部表面和底部表面上。相应地，上部图案191和下部图案192通过镀层193彼此连通，所述镀层形成在连通孔的内壁上。电路板190并不限于此种图案，添加至太阳能电池的电路板190的形状和数量都是可变的。例如，电路板190可形成为单层，或覆盖为多层的两个或多个电路板190。

如上所述，根据以上构件的本发明的太阳能电池，由于使用具有球形或多面体形状的光电发生器来吸收光，因此，光吸收面积可大于传统的平板太阳能电池；并且，由于上部电极设置在光电效应发生器的下方，因此，光被上部电极遮盖的问题得以解决了。

此外，由于可使用制造印刷电路板的电路图案的方法来制造该太阳能电池，因此，可简化制造工艺，降低制造成本。

由于硅球表面上形成的纹理结构，硅球的抗反射覆层，以及玻璃板的CNT覆层，因此，反射损耗极大地降低了。

此外，根据基板面积和硅球数量，太阳能电池可制造为具有各种面积。由于无需用于连接电池的条带，因此，可避免条带导电阻抗导致的电能损耗。

对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明精神或范围的前提下，对上述本发明的示例性实施例作出各种修正，这是显而易见的。因此，本发明涵盖了权利要求及其等同例范围内的全部这类修正例。

Claims (10)

1.使用印刷电路板(PCB)的太阳能电池，该太阳能电池包括：

基板，其由绝缘材料形成，并形成为连续的扁平单一层，该基板内交替地形成有贯穿该基板的多个固定孔和连通孔，其中所述固定孔和连通孔具有贯穿所述基板的顶部表面和底部表面的通孔的形式；

多个光电效应发生器，其具有球形形状，固定至所述基板上并位于所述多个固定孔上方，并通过暴露于所述基板上部的光接收部分接收光而产生光电效应，其中具有P-N结的扩散层形成在所述多个光电效应发生器的光接收部分的表面上；

多个上部电极，其使用与形成印刷电路板的电路图案相同的方法形成在所述基板的所述顶部表面上，并连接至所述光电效应发生器的各光接收部分；以及

多个下部电极，其使用与形成印刷电路板的电路图案相同的方法形成在所述基板的所述底部表面上，并连接至所述光电效应发生器的各非光接收部分，且经所述多个连通孔与所述多个上部电极相连通，

其中，所述多个上部电极的每一个包括：

连接部分，其形成以界定所述多个固定孔中的每一个，并通过与所述光电效应发生器的光接收部分上的每个扩散层接触而连接至所述光接收部分上的每个扩散层，其中当光照在所述光电效应发生器上时，所述扩散层具有P极和N极中的一个；

第一延伸部分，其从所述连接部分开始在第一方向上延伸；以及

上部连通部分，其形成在所述第一延伸部分的端部上，以界定所述多个连通孔中的每一个，其中所述多个下部电极的每一个包括：

填充部分，其填充在所述固定孔中，并连接至所述光电效应发生器的非光接收部分，其中当光照在所述光电效应发生器上时，所述光电效应发生器具有P极和N极中的另一个；

第二延伸部分，其从所述填充部分开始在与所述第一方向反向的第二方向上延伸；以及

下部连通部分，其形成于所述第二延伸部分的端部上，以界定所述连通孔，

其中所述下部电极的所述下部连通部分通过所述连通孔的内壁上的镀层，连接至所述上部电极的上部连通部分。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个光电效应发生器的每一个包括P型硅或N型硅。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个光电效应发生器的每一个表面均具有带纹理的形状。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个光电效应发生器的每一个的表面上均形成有涂覆着抗反射材料的覆层。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述固定孔上形成有绝缘单元，所述绝缘单元用于使所述连接部分和所述填充部分绝缘。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池进一步包括抗反射膜，所述抗反射膜通过在所述基板的顶部表面上涂覆抗反射材料而形成。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池进一步包括：

玻璃板，其位于所述抗反射膜的顶部表面上；以及

碳纳米管(CNT)覆层，其形成于所述玻璃板的顶部表面上，并包括CNT材料。

8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池进一步包括散热膜，所述散热膜覆盖在所述基板的底部表面上，对所述基板进行散热。

9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池进一步包括至少一个电路板，该电路板位于所述基板的底部表面上，且所述电路板包含电连接至所述多个下部电极中的每一个的电路图案。

10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，在所述基板内形成有贯穿该基板的空气孔，空气流过该空气孔以降低风阻。