JP2015502044A - スマート光電池およびモジュール - Google Patents

Abstract

オン電池型エレクトロニクスを備える後面接点太陽電池が提供される。後面接点太陽電池は、光捕捉前面および光捕捉前面と反対側の後面を有する半導体基板からなる。第１の相互嵌合メタライゼーションパターンは、半導体基板の後面上に位置付けられ、バックプレーンが、それを支持し、半導体基板の後面に取り付けられる。第２の相互嵌合メタライゼーションパターンが、バックプレーン上に位置付けられ、第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続される。オン電池型電子構成要素が、第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに取り付けられ、電気リードが、オン電池型電子構成要素を第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続する。

Description

本開示は、一般には、太陽光起電性（ＰＶ：photovoltaic）電池およびモジュールの分野に関し、より詳細には、光起電性（ＰＶ）太陽電池およびモジュールのためのパワーエレクトロニクスを含むオン電池型（on-cell）エレクトロニクスに関する。

本願は、２０１１年１１月２０日出願の米国仮特許出願第６１／５６１，９２８号に基づき優先権を主張するものであり、その全体を本願に引用して援用する。

結晶シリコンの光起電性（ＰＶ）モジュールは、２０１２年現在で、全体として世界のＰＶ年間の需要市場および累積設備容量の約８５％より多くを占めている。結晶シリコンＰＶに関する製造プロセスは、結晶シリコン太陽電池の使用に基づき、単結晶または多結晶シリコンのウエハから開始される。非結晶シリコンベースの薄膜ＰＶモジュール（たとえばＣｄＴｅ、ＣＩＧＳおよびアモルファスシリコンＰＶモジュール）は、低コストの製造プロセスをもたらす可能性があり得るが、しかし通常、市販の薄膜ＰＶモジュールに関して、変換効率が、主流の結晶シリコンＰＶモジュール（これは、市販の結晶シリコンモジュールに関して通常の１４％から２０％を超える範囲内の効率をもたらす）と比べて、極めてより低く（１桁から約１４％までの範囲内）、定着した結晶シリコン太陽光ＰＶモジュールと比べて、未確認だが長期のフィールド信頼性の実績がある。最新の結晶シリコンＰＶモジュールは、様々なＰＶ技術の中で最善の総合エネルギー変換性能、長期フィールド信頼性、非毒性およびライフサイクル持続可能性をもたらす。さらに、最近の進展および進歩によって、結晶シリコンＰＶモジュールの総合的な製造コストは、既に０．８０ドル／Ｗｐより低い状態に至らしている。破壊的な単結晶シリコン技術、たとえば再利用可能な結晶シリコンテンプレート、薄い（たとえば≦５０μｍ）エピタキシャルシリコン、バックプレーン積層を使用する薄いシリコンサポートおよび多孔性シリコンリフトオフ（lift-off）技術の使用に基づいて組み立てられる、高効率の薄い単結晶シリコン太陽電池は、高効率（太陽電池および／またはモジュールの効率が少なくとも２０％）および大量生産において０．５０ドル／Ｗｐをはるかに下回るＰＶモジュール製造コストの有望な見通しを与えている。

図１は、通常の太陽電池、たとえば結晶シリコン太陽電池またはＧａＡｓ太陽電池などの化合物半導体の等価回路を示す概略図である。太陽電池は、電流源として表すことができ、Ｉ_Ｌとして示す、または短絡回路電流Ｉｓｃとして知られる光生成（photo-generation）電流（太陽電池の端子を短絡させたとき流れる電流）をダイオードと並列で、また短絡抵抗と並列で、および直列抵抗と直列に生成する。電流源から生成される電流は、太陽電池に対する日光照射パワー強度のレベルによって決定される。不要な暗電流Ｉ_Ｄが、Ｉ_Ｌと反対方向で流れ、それは、太陽電池中の再結合損失によって生成される。太陽電池の両端間の電圧は、その端子がオープンであり、且ついずれもの負荷に接続されていないとき、Ｖｏｃまたは開回路電圧として知られている。また、実際の太陽電池の等価回路は、図１Ｂの回路図に示すように、有限の直列抵抗Ｒ_Ｓおよび有限の短絡抵抗Ｒ_ＳＨを含む。理想的な太陽電池では、直列抵抗Ｒ_Ｓはゼロであり、短絡抵抗Ｒ_ＳＨは、無限大である。しかし、実際の現実的な太陽電池では、直列抵抗は、太陽電池が、その半導体およびメタライゼーションにおいて寄生直列抵抗成分を有するので（すなわち、それは、完全な導体ではない）、有限である。半導体層抵抗およびメタライゼーション抵抗を含む、そのような寄生抵抗成分は、太陽電池の動作の間、抵抗損およびワット損を生じることになる。短絡抵抗は、たとえば面および縁部の短絡欠陥（shunting defect）、さらに太陽電池中の他の非理想性による、一方の端子から他方の端子への不要な電流の漏れによって引き起こされる。やはり、理想的な太陽電池は、直列抵抗がゼロであり、短絡抵抗が無限大の抵抗値を有するものになるはずである。

図２Ａは、やはり、太陽電池の等価回路モデルを示し、電流源、光生成電流および暗電流（寄生の直列および短絡の抵抗は示さず）を示す概略図であり、図２Ｂは、電池上に日光が当たる場合とそうでない場合における、結晶シリコン太陽電池などの太陽電池の通常の電流−電圧（ＩＶ）特性を示す、対応するグラフである。Ｉ_ＬおよびＩ_Ｄは、それぞれ、太陽電池の所望の能動的な光生成電流および不要な暗電流を示す。

ＰＶモジュール中で使用される太陽電池は、基本的にフォトダイオードであり、それは、その表面に到着した日光を、半導体吸収体中の光生成電荷担体によって直接電力に変換する。複数の太陽電池を有するモジュールでは、日陰になった電池のいずれも、ＰＶモジュール内の日陰でない電池と同じ量の電力を生成することができない。通常のＰＶモジュール中のすべての電池が、通常直列のストリング中で接続され、また、パワーの差によって、電池を通る光生成電流の差が生じる（日陰の電池対そうでない電池）。直列に接続された日陰でない電池のより多い電流を、日陰でない電池とまた直列に接続された日陰の（または部分的に日陰の）電池を通して流すことを試みた場合、日陰の電池（または部分的に日陰の電池）の電圧は、実際に負になる（すなわち、日陰の電池は、事実上、逆バイアスされることになる）。この逆バイアス条件下では、日陰の電池は、パワーを生成する代わりに、かなりのパワーを消費している、または浪費している。日陰の、または部分的に日陰の電池によって消費される、または浪費されるパワーによって、電池が熱くなり、日陰の電池が位置するところに局所的な熱スポットが生成され、最終的には電池およびモジュールの故障を引き起こす可能性があり、それゆえにフィールドにおいて深刻な信頼性故障問題が生じる。

標準的な（すなわち、通常、ＰＶモジュールは６０個の太陽電池を含む）結晶シリコンＰＶモジュールは、通常、モジュール内で３つの２０個の電池が直列接続されるストリングになるように配線で結ばれ、それぞれのストリングが、外部接合ボックス中に配置される外部バイパスダイオード（通常、ｐｎ接合ダイオードまたはショットキーダイオードのいずれか）によって保護されており、そのストリングは、互いに直列に電気的に接続されて、直列に接続されるモジュールの最終的なＰＶモジュール組み立ての電気的な相互接続および出力電気リードを形成する。ＰＶモジュールがその表面上で相対的に一様な太陽照射を受ける限り、モジュール内の電池は、ほぼ等しい量のパワー（および電流）を生成することになり、電池の最大パワー電圧またはＶ_ｍｐが、ほとんどの結晶シリコンＰＶモジュールに関して約０．５Ｖ〜０．６Ｖのオーダーである。それゆえ、直列に接続された２０個の電池の各ストリングの両端間の最大電圧またはＶ_ｍｐは、結晶シリコン電池を使用するＰＶモジュールに関して約１０〜１２Ｖのオーダーになるはずである。一様なモジュール照射条件下では、各外部バイパスダイオードは、その端子の間で約−１０〜−１２Ｖの逆バイアス電圧を受けることになり（さらに、モジュールは、その最大パワーポイントまたはＭＰＰで動作する）、バイパスダイオードは、オフ状態のままである（それゆえ、接合ボックス中の逆バイアスされた外部バイパスダイオードによって出力されるモジュールパワーに対して影響がない）。２０個の電池からなるストリング中の或る電池が、部分的に、または完全に日陰である場合、その電池は、日陰でない電池より少ない電力（およびより少ない電流）を生成する。ストリング中の電池が通常直列に接続されるので、日陰の太陽電池は、逆バイアスされた状態になり、電力を浪費し始め、したがって、パワーを生成する代わりに、局所的な熱スポットが、逆バイアスされた日陰の電池の場所で生成されることになるはずである。適切な予防処置が採られない限り、日陰の電池によるパワー浪費およびその結果生じる局所的な発熱によって、様々な故障モード（たとえば逆バイアスされた日陰の電池の故障、電池間の相互接続の不具合、および／またはカプセル材料および／またはバックシートなどのモジュール積層材料の不具合）のために、さらにまた設置されたＰＶシステム中で火災の危険がある可能性にために、電池およびモジュールの信頼性が不十分になる恐れがある。

結晶シリコンモジュールでは、部分的に、または完全に電池が日陰になることによって引き起こされる、上記で言及した熱スポットの影響をなくすために、且つその結果生じるモジュール信頼性故障の可能性を防ぐために、外部バイパスダイオードがしばしば使用される。そのような熱スポットの現象は、日陰の電池が逆バイアスされることによって引き起こされ、ＰＶモジュール中のＰＶ電池の表面に入る日光が、十分に一様でない場合（たとえば１つ以上の電池が、完全に、またはたとえ部分的にでも日陰になることによって）、影響を受けたＰＶ電池を永久に損傷させ、火災を引き起こす危険性さえある恐れがある。バイパスダイオードは、通常ＰＶモジュールの下位ストリング上に配置され、通常、３つの２０個の電池からなる下位ストリングを有する標準の６０個の電池からなる結晶シリコン太陽モジュール中の２０個の太陽電池からなる下位ストリングごとに、１つの外部バイパスダイオードが配置される（この構成は、３つの２４個の電池からなる下位ストリングを有する７２個の電池からなる結晶シリコン太陽モジュール中の２４個の太陽電池からなる下位ストリングごとに、１つの外部バイパスダイオードとすることができ、多くの他の構成が、いずれもの数の電池を有するモジュールのために可能である）。直列接続された電池ストリングの両端間に外部バイパスダイオードを有する、この接続構成によって、逆バイアスによる熱スポットが防止され、ＰＶモジュールが、様々な実際に日陰になる、または部分的に日陰になる、およびソリング（soling）の条件下でその耐用年限の間ずっと高い信頼性でもって動作することができるようになる。電池が日陰でない場合、ストリング中の各電池は、その電流値が、ストリング中の他の電池と比較的一致している電池電流源として動作し、下位ストリング中の外部バイパスダイオードが、モジュール中の下位ストリングのトータル電圧によって逆バイアスされている（たとえば直列の２０個の電池は、結晶シリコンＰＶシステム中のバイパスダイオードの両端間に約１０Ｖ〜１２ボルトの逆バイアスを生成する）。ストリング中の或る電池が日陰である場合、日陰の電池は、逆バイアスされて、その日陰の電池を含む下位ストリングのためのバイパスダイオードがオンになり、それによって日陰でない下位ストリング中の良い状態の太陽電池からの電流が、外部バイパス回路中を流れることが可能になる。外部バイパスダイオードが（通常、３つの外部バイパスダイオードが、標準で主流の６０個の電池からなる結晶シリコンＰＶモジュールの接合ボックス中に含められる）、電池の日陰である場合、ＰＶモジュールおよび電池を保護するが、その外部バイパスダイオードは、また、実際に、設置されたＰＶシステムに対して、電力収穫およびエネルギー生成のかなりの喪失をもたらすことになる。

図３Ａおよび３Ｂは、３つの２０個からなる電池の下位ストリング２（２０個の電池が各下位ストリング中で直列に接続されている）が直列に接続され、３つの外部バイパスダイオード４が、モジュール中のいずれもの電池の日陰または過度に部分的な日陰の間、電池を保護する、代表的な６０個の電池からなる結晶シリコン太陽モジュールの図である（図３Ａは、単一の電池が日陰であることを示し、すなわち日陰の電池６を示し、図３Ｂは、複数の電池の部分的な日陰の状態、すなわち部分的な日陰の行８を示す）。例として、図３Ａは、下部の行中の１つの電池が日陰である（１つの２０個の電池からなる下位ストリングが日陰の影響を受けている）、６０個の電池からなるモジュールを示し、図３Ｂは、下部の行中の６個の電池が部分的に日陰である（３つの２０個の電池からなる下位ストリングが日陰の影響を受けている）、６０個の電池からなるモジュールを示す。１つ以上の電池が、下位ストリング中で日陰である場合（またはかなりの程度の日陰まで、部分的に日陰である）（図３Ａに示すように）、日陰の電池（複数可）を含む下位ストリングのためのバイパスダイオードは、起動されて全体の下位ストリングを短絡し、それゆえ熱スポットを防止することによって日陰の電池（複数可）を保護し、且つまたモジュールの有効電力出力を約１／３だけ減少させる（３つの下位ストリング中の１つだけが、日陰の影響を受けている場合）、その両方を行う。下位ストリングごとに少なくとも１つの電池が、日陰である場合（図３Ｂに示すように）、すべての３つのバイパスダイオードは、起動されて全モジュールを短絡し、それゆえ、少なくとも１つの日陰の電池が、３つの２０個の電池からなる下位ストリング中のそれぞれ中に存在するとき、モジュールから少しもパワーが抽出されないように妨げられる。

例として、通常の外部のＰＶモジュールの接合ボックスは、６０個の電池からなる結晶シリコン太陽モジュール中で３つの外部バイパスダイオードを収納することができる。外部接合ボックスおよび関連する外部バイパスダイオードは、全体のＰＶモジュールの部品表（ＢＯＭ：Bill of Material）のコストの一部の一因となり、ＰＶモジュールのＢＯＭコストの約１０％になり得る（すなわち太陽電池のコストを除いたＰＶモジュールのＢＯＭコストのパーセンテージとして）。さらにまた、外部接合ボックスは、また、設置されたＰＶシステム中で、フィールド信頼性故障および火災の危険の源になる恐れがある。ほとんどの現在の結晶シリコンＰＶモジュールでは、外部バイパスダイオードがその接合ボックス中に配置されている、外部接合ボックスが圧倒的に使用されているが、しかし、前面接点の電池を備え、モジュールの積層プロセスの間、ＰＶモジュール組立品内に直接、ただし前面接点の太陽電池から離れて３つのバイパスダイオードを配置し積層するＰＶモジュールのいくつかの実施例が存在している（しかし、前面接点の電池の２０個の電池からなる下位ストリングごとに、依然として１つのバイパスダイオードが使用されている）。この実施例は、依然として外部バイパスダイオードの制約を受けている、すなわち単一の電池が日陰であるときでさえ、バイパスダイオードは、日陰の電池をその下位ストリング内に含む、全体の電池の下位ストリングを短絡し、それゆえ設置されたＰＶシステムの電力収穫およびエネルギー生成の性能が低下する。

モジュールの直列ストリング中のモジュールに対する日陰による信頼性故障に関する影響を最小限にする１つの知られた方法は、直列に接続されたモジュールの両端間にバイパスダイオードを使用することであり、その効果は、図４Ａおよび４Ｂに示し、例の回路を図５に描く。これは、各モジュールの接合ボックス内に外部バイパスダイオードを備えるモジュールと実質的に同じである。図４Ａは、日陰でない場合の太陽電池のモジュールのシリーズについて電流経路を示し、図４Ｂは、１つのモジュールが日陰であり、バイパスダイオードが代わりの電流経路を形成している場合の同じ太陽電池のモジュールのシリーズを示す。そして図５は、外部バイパスダイオードが、モジュールの下位ストリングまたはストリング中で使用されている、直列接続された太陽電池の概略回路モデルの図である（各太陽電池は、その等価回路図を用いて示す）。電池がいずれも日陰でない場合、バイパスダイオードは、逆バイアス状態のままであり、太陽電池のストリングは正常に動作して、太陽モジュールの電力生成に十分に寄与している。電池のいずれかが部分的に、または完全に日陰にある場合、日陰の電池は、逆バイアスされて、バイパスダイオードは、順方向にバイアスされ、それゆえ、熱スポットまたは日陰の電池に対する損傷の可能性が最小になる。言い換えると、モジュールが日陰になったとき、そのバイパスダイオードは、順方向にバイアスされて電流を伝導することになり、モジュールの直列ストリング中の性能劣化および信頼性問題が防止される。バイパスダイオードは、全体の日陰のモジュール（または少なくとも１つの日陰の電池を含む下位ストリング）の電圧を低い負電圧（たとえば−０．５Ｖ〜０．７Ｖ）に保持して、モジュールストリングのアレイの出力の全体のパワー低下を制限する。

図６は、バイパスダイオードを含む、および含まない場合の結晶性太陽電池の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示すグラフである（ｐｎ接合バイパスダイオードを用いる実施例を示す）。バイパスダイオードによって、日陰の太陽電池の両端間に印加される最大逆バイアス電圧がバイパスダイオードのターンオン順方向バイアス電圧を超えないように制限される。

図７は、６０個の電池からなるモジュール内で２０個の電池からなる下位ストリングごとに１つの日陰の電池を含む（たとえば日陰の電池１０のように、全部で３つの電池が日陰である）、図４および５のものと同様の結晶シリコンＰＶモジュールの実施例を示す図であって、すべての３つの２０個の電池からなる下位ストリングがバイパスダイオードによって短絡されて、日陰の電池が保護されるので、３つの２０個の電池からなる下位ストリング中の３つの電池が日陰になることによって、モジュールによって供給される太陽ＰＶパワーがなくなることを示す図である。２０個の電池からなる下位ストリングごとに１つの外部バイパスダイオードを含む構成を使用すると、３つの２０個の電池からなる下位ストリング中で３つの電池が日陰になることの結果は、たとえモジュールの３／６０（または６０個の電池からの３個の電池）だけが日陰の影響を受けたとしても、ＰＶモジュールから抽出されるパワーがゼロに下がることである。やはり、外部バイパスダイオードを備える、このタイプの知られたＰＶモジュール構成は、フィールドに設置されたＰＶシステムに関して、かなりのエネルギー生成および電力収穫のペナルティを被ることになる。

複数のモジュールのストリングを有する結晶シリコンＰＶシステムの設備では、電力収穫およびエネルギー生成に対するモジュールの日陰になることの影響およびそれらの有害なインパクトは、上記で示した、モジュールの単一の直列ストリングを有する実施例より極めてより大きい可能性がある。直列接続されたモジュールのストリングを複数の並列のストリングとして有するＰＶシステムでは、並列のストリングは、互いにほぼ同じ電圧を発生しなければならない（すなわち並列のストリングの電圧は、一致しなければならない）。その結果として、並列に接続されすべてのモジュールのストリングに、ほぼ同じ電圧で動作させるという電気的な制約によって、日陰のストリングが、そのバイパスダイオードを起動することができない。したがって、多くの場合、ストリング中の１つのＰＶモジュール上の陰は、全体のストリングによって生成されるパワーを実際に減少させる恐れがある。代表的な実施例として、１つの日陰でないＰＶモジュールのストリングおよび上記で前の実施例で述べたように日陰になった１つのＰＶモジュールのストリングを考える。最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ：Maximum-Power-Point-Tracking）性能によって、第１のＰＶモジュールのストリングから全パワーの生成、および第２のＰＶモジュールのストリングから全パワーの７０％の生成ができるようになる。このようにして、両方のストリングは、同じ電圧に達する（並列のストリングからの電流は、直列接続されたモジュールの並列に接続されたストリングでは、同じモジュールのストリングの電圧で加法的である）。したがって、この実施例では、集中型ＭＰＰＴを備える集中型ＤＣ／ＡＣインバータを使用すると、ＰＶモジュールのアレイによって生成されるパワーは、いずれものモジュールが日陰でない場合の最大可能パワーの８５％になるはずである。

図８および９は、ＰＶシステム設備の２つの実施例を示す図である。図８は、バイパスダイオードが６００Ｖ、９００ＷのＰＶ出力を生成するように接続されている、ＰＶモジュール（それぞれが５０Ｗ出力を有する）の３×６アレイの実施例を示す。図９は、充電バッテリと並んでバイパスダイオードとブロッキングダイオードを備える３つのＰＶモジュールの直列接続を示す。従来のモジュールでは、直列に、そして並列に接続されるモジュールのストリングには、通常、バイパスおよびブロッキングのダイオードが使用される。しかし、前に述べた実施例と同様に、これらの代表的なＰＶモジュールの設備は、既にあらましを述べた問題のために、設置されたＰＶシステムの電力収穫の制限およびエネルギー生成の減少に悩まされる。

集光式ＰＶ（またはＣＰＶ：Concentrator PV）用途のための前面接点の化合物半導体（ＩＩＩ〜Ｖ）の多接合太陽電池とのバイパスダイオードのモノリシック集積化の別の代表的な実施例。図１０は、多接合化合物半導体のＣＰＶ電池とのバイパスダイオードのモノリシック集積化の実施例を示す図である。この実施例は、ＣＰＶ用途のための化合物半導体の多接合太陽電池と同じゲルマニウム（Ｇｅ）基板上にモノリシックで集積化されたバイパスダイオードとして使用される化合物半導体のショットキーダイオードを示す。この実施例では、ショットキーバイパスダイオードおよび化合物半導体の多接合太陽電池は、両方が太陽電池の同じ側（上側）に存在し、異なる材料層が積み重ねられ、それによって太陽電池の組み立てプロセスが、極めてより複雑で費用のかかるものになっている（それゆえ、そのような実施形態は、ＣＰＶ電池が本当に高価であるＣＰＶ用途に関してデモンストレーションするためだけである）。同じ高価なゲルマニウム基板上に太陽電池とショットキーバイパスダイオードがモノリシックで集積化された結果として、全体のプロセスの複雑さおよびコストは、実質的にさらに増加され、さらにまた電池の能動的な太陽光が当たる側と同じ側にショットキーバイパスダイオードを集積化することによって、太陽電池および太陽パネルの実効効率のペナルティを招いている。ショットキーバイパスダイオードを前面接点の化合物半導体の多接合太陽電池上に、このようにモノリシックで集積化するには、太陽電池中とバイパススイッチ中に材料層の異なる積み重ねが必要になり、それゆえ、実質的に全体のモノリシック太陽電池の処理が複雑になり、太陽電池の組み立てプロセスのステップ数が増加し、そしてその製造コストが上昇する。太陽電池の組み立てのために、そのように著しく追加される処理の複雑さおよびコストの増加が、ＣＰＶ太陽電池では容認できる可能性があるが、それは、それほど密度が高くないＣＰＶ太陽電池では、たとえば結晶シリコン太陽電池では、経済的に実行可能になることはできない。図１１は、多接合化合物半導体のＣＰＶ電池とのバイパスダイオードのモノリシック集積化の実施例を示す図である。この実施例は、化合物半導体の多接合太陽電池と同じゲルマニウム（Ｇｅ）基板上にモノリシックで集積化されたバイパスダイオードとして使用されるｐｎ接合ダイオードを示す。この実施例では、ｐｎ接合のバイパスダイオードおよび化合物半導体の多接合太陽電池は、両方が太陽電池の同じ側（上側）に存在して、異なる材料が積み重ねられ、それによって、太陽電池の組み立てプロセスが極めてより複雑で高価になる（それゆえ、そのような実施形態は、ＣＰＶ電池が本当に高価であるＣＰＶ用途に関してデモンストレーションするためだけである）。ｐｎ接合バイパスダイオードが太陽電池と同じ高価なゲルマニウム基板上にモノリシックで集積化された結果として、全体のプロセスの複雑さおよびコストがさらに増加し、さらにまた電池の能動的な太陽光が当たる側と同じ側にバイパスダイオードを集積化することによって、太陽電池および太陽パネルの実効効率のペナルティを招いている。やはり、ｐｎ接合バイパスダイオードを前面接点の化合物半導体の多接合太陽電池上にこのようにモノリシックで集積化するには、太陽電池中とバイパススイッチ中に材料層の異なる積み重ねが必要になり、それゆえ、実質的に、全体のモノリシック太陽電池の処理が複雑になり、太陽電池の組み立てプロセスのステップ数が増加し、そしてその製造コストが上昇する。太陽電池の組み立てのために、そのように著しく追加される処理の複雑さおよびコスト増加が、ＣＰＶ太陽電池では容認できる可能性があるが、それは、それほど密度が高くないＣＰＶ太陽電池では、たとえば結晶シリコン太陽電池では経済的に実行可能になることはできない。

一般に、非常に密度が高いＣＰＶ用途のための、高価な多接合太陽電池上に示すようなバイパスダイオード（ショットキーダイオードまたはｐｎ接合ダイオード）のモノリシック集積化が、太陽電池とのモノリシック集積化による追加のコストおよび増大する製造プロセスの複雑さにもかかわらず、そのような特定の用途には許容できる可能性があるが、しかし、高価な化合物半導体の多接合太陽電池についてデモンストレーションしたアプローチは、主流のフラットパネル（集中型でない、または密度が低いから中間）の太陽ＰＶ電池およびモジュールには、高価すぎて手が出せず、許容できないはずである。また、既に述べたように、バイパスダイオードのモノリシック集積化の方法が、そうでなければ太陽電池によって使用される領域を使い果たすので、その方法は、日光吸収面積を失うことによって、有効な日光吸収を減少させ、それゆえ電池の実効効率を低下させる。

モジュールレベルのＤＣ／ＡＣマイクロインバータ（micro-inverter）のパワーオプティマイザ（Power Optimizer）またはモジュールレベルのＤＣ／ＤＣコンバータ（converter）のパワーオプティマイザのより従来の性能に比べて、電力収穫およびエネルギー生成の増進した性能をもたらす様々な解決策が、試みられている。１つのそのような技術は、電池ベースのＰＶモジュールのエネルギー生成を増加させるために、モジュール内の電池の間でプログラマブル相互接続を利用する、たとえばEmphasis Energy社からの適応太陽モジュール（ＡＳＭ：Adaptive Solar Module）技術である。いくつかの例では、これは、モジュールが日陰である場合、より従来のＭＰＰＴパワーオプティマイザに比べて、より高いレベルのＰＶエネルギー収穫をできるようにし得る。しかし、この技術では、ＰＶモジュールごとに約３０ドルから１００ドルを超えるコストがかかる恐れがあるモジュールレベル／外部コンバータボックス（マイクロインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータ）および関連する相互接続技術が利用される。モジュールレベルのコンバータボックスは、ＤＣからＤＣへ、またはＤＣからＡＣへエネルギーを変換し、そしてモジュール内で再構成可能な、またはプログラマブルな電池相互接続を行うように、ＰＶモジュール組立品として構築することができる。しかし、モジュールレベルのコンバータボックスは、個々の電池と、たとえば電池の後面上で一体化されず、そして、そうすることができない、そして個々の電池とともに組み立てられる。

したがって、電力収穫を増加させ、エネルギー生成を向上させる、オン電池型エレクトロニクスを有する後面接点太陽電池に対する必要性が生じる。開示する主題によれば、既に開発された後面接点の太陽電池および後面接点の太陽電池モジュールに付随する欠点を実質的になくす、または軽減する、オン電池型エレクトロニクスを備える後面接点の太陽電池が提供される。

開示する主題の一態様によれば、オン電池型エレクトロニクスを備える後面接点の太陽電池が提供される。後面接点の太陽電池は、光捕捉前面と、光捕捉前面と反対側の後面とを有する半導体基板からなる。第１の相互嵌合するメタライゼーションパターンが、半導体基板の後面上に位置付けられ、バックプレーンが、それを支持し、そして半導体基板の後面に取り付けられる。第２の相互嵌合するメタライゼーションパターンが、バックプレーン上に位置付けられて、第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続される。オン電池型電子構成要素が、第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに取り付けられ、電気リードがオン電池型電子構成要素を第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続する。

開示する主題のこれらおよび他の態様、さらにまた追加の新規な特徴は、本明細書に提示する記述から明らかになる。この概要の意図は、請求する主題を包括的に述べることではなく、むしろ主題の機能性のいくらかを短く概説することである。本明細書に提示する他のシステム、方法、特徴および利点は、次の図および詳細な記述を検討すると、当業者に明らかになるはずである。本記述内に含まれる、すべてのそのような追加のシステム、方法、特徴および利点は、いずれかの請求項の範囲内に含めるべきであると意図する。

開示する主題の特徴、本質および利点は、図面とともに行う、以下に述べる詳細な記述からより明らかになるはずであり、図面では、同様の参照番号は、同様の特徴を示す。

太陽ＰＶ電池のための等価回路図を示す回路図である。 太陽ＰＶ電池のための等価回路図を示す回路図である。 理想的な太陽電池の等価回路モデルを示す図である（直列または短絡の抵抗がないことを示す）。 日光が照射されない、および照射の条件下で太陽電池の電流対電圧（ＩＶ）特性を示す、対応するグラフである。 １つの電池が日陰である、通常の６０個の電池からなる結晶シリコン太陽モジュールの図である。 いくつかの電池が部分的に日陰である、通常の６０個の電池からなる結晶シリコン太陽モジュールの図である。 日陰でない場合の太陽電池モジュールのシリーズについて、電流経路を示す図である。 １つのモジュールが日陰であり、バイパスダイオードが代わりのバイパス電流経路を形成している、同じ太陽電池モジュールのシリーズを示す図である。 太陽電池を、それらの等価回路図を用いて示している、モジュールの下位ストリング中で使用される外部バイパスダイオードの概略図である。 バイパスダイオードがある場合とない場合の結晶性太陽電池の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示すグラフである。 直列接続された太陽電池の異なる下位ストリング上の３つの電池が、日陰になっている、結晶シリコンＰＶモジュールの例を示すグラフである。 ＰＶシステム設備の実施例を示す図である。 ＰＶシステム設備の実施例を示す図である。 多接合化合物半導体のＣＰＶ電池とのバイパスダイオード（ショットキーダイオードまたはｐｎ接合ダイオードのどちらか）のモノリシック集積化の実施例を示す図である。 多接合化合物半導体のＣＰＶ電池とのバイパスダイオード（ショットキーダイオードまたはｐｎ接合ダイオードのどちらか）のモノリシック集積化の実施例を示す図である。 薄いシリコンの、後面接点／後面接合の結晶シリコン太陽電池の製造プロセスの重要な処理ステップを強調するプロセスフローである。 太陽電池ごとに１つのバイパスダイオードを備える分散型セル方式陰管理システムを示す概略図である（太陽電池は、それらの等価回路図を用いて示す）。 バイパススイッチとして（またはバイパススイッチ回路構成の一部として）使用することができる金属酸化膜半導体の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のＩＶ特性を示すグラフである。 開示する主題によるＩＳＩＳ分散型セル方式陰管理実装形態の概略図である（具体的にはバイパススイッチとしてＭＯＳＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴを含む回路構成を使用する実施形態）。 開示する主題によるＩＳＩＳ分散型セル方式陰管理解決策の概略図である（具体的にはバイパススイッチとしてバイポーラ−接合トランジスタＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）またはＢＪＴを含む回路構成を使用する実施形態）。 バックプレーン支持層を含む、後面接点／後面接合の結晶性半導体太陽電池の横断面図である。 少なくとも１つのオン電池型電子構成要素がバックプレーン層上に搭載されて、それに取り付けられている、図１７に示す電池と同様の、後面接点／後面接合の結晶性半導体太陽電池の横断面図である。 太陽電池のバックプレーンおよび代表的な相互嵌合する後面接点（ＩＢＣ：interdigitated back-contact）メタライゼーションパターンの平面図を示す図である。 バイパススイッチのリードを高伝導性でエミッタおよびベースのバスバーに取り付けることによって、バイパススイッチが電池後面上の電池端子またはバスバーに直接取り付けられ、バイパススイッチが、熱スポットを最小にする、図１９の太陽電池のバックプレーンの平面図を示す図である。 ＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザ、またはＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザが、バックプレーン側でエミッタおよびベースのバスバーにおいて直接電池端子上に搭載されて、それに取り付けられている、図１９の太陽電池のバックプレーンの平面図を示す図である。 所与の日光照射レベルで太陽電池のＩＶ特性、および最大の電力収穫を得るための最大パワーポイント（ＭＰＰ）を示すグラフである。 代表的な太陽モジュールに関し、異なる太陽モジュールの照射強度の下におけるパワー対電圧特性、および動作のピーク最大パワーポイントを示すグラフである。

次の記述は、限定する意味で理解すべきでなく、本開示の一般的な原理を述べる目的で作成されている。本開示の範囲は、請求項を参照して決定すべきである。本開示の例示の実施形態は、図面で例示し、同様の番号は、様々な図面の同様の、および対応する部分を参照するために使用する。

具体的な実施形態、たとえば単結晶シリコン基板および他の述べる組立材料を使用する後面接点の太陽電池を参照して、本開示を述べているが、当業者は、本明細書で議論する原理を、必要以上の実験をすることなく、前面接点の電池、半導体材料（たとえばガリウムヒ素、ゲルマニウムなど）を含む他の材料、技術領域および／または実施形態に適用することができるはずである。

上記で注記し述べたように、日陰がある状態で信頼性があるモジュール動作をもたらし、さらに知られた結晶シリコン（または他の電池ベース）のＰＶシステムで最大パワーを抽出させる、現在最新の太陽電池の保護および熱スポットの防止は、次の事項の１つまたはその組み合わせを使用することに基づくことがしばしばである。すなわち、バイパスダイオード、すなわち、もっとも普通に、ＰＶモジュール中で直列接続された太陽電池の１つの下位ストリングごとに１つの外部バイパスダイオード（通常、３つの外部バイパスダイオードが、結晶シリコンＰＶモジュールごとに、外部モジュール接合ボックス中に配置される）：ＰＶモジュールごとに外部の１つの外部マイクロインバータ（または、代替実施形態として１つのＤＣ／ＤＣコンバータ）を使用する、モジュールレベルでの最大パワーポイントのトラッキング（ＭＰＰＴ：maximum power point tracking）：および電池ベースのＰＶモジュールのエネルギー生成を増加させるための、モジュール内での電池の間のプログラマブルな相互接続技術である。

バイパスダイオードが、日陰の電池を保護し、熱スポットを防止し、且つ熱スポットおよび逆バイアスされる電池によるモジュール故障を防止することができるが、バイパスダイオードは、また、モジュールが日陰になった、またはソリング（soling）が存在するときの実際のフィールド動作では、モジュールパワーの抽出が損なわれることによって、エネルギー生成をかなり低下させることになる。たとえば、標準の６０個の電池からなるモジュール設計を仮定すると、単一の電池が日陰になることによって、モジュールパワーの１／３が失われることになる可能性があり（というのは、バイパスダイオードが、日陰の電池を含む２０個の電池からなる下位ストリング全体をバイパスさせることになるはずであるので）、さらに単一の電池が、正常な日陰でない条件の間では、モジュールパワーの１／６０を占めるだけである。同様に、３つの電池が日陰である場合、６０個の電池からなるＰＶモジュール中の２０個の電池からなる下位ストリングごとに１つの電池が日陰になると仮定すると（この例は、図７に示す）、すべての３つのバイパスダイオードは、起動されて、モジュールから抽出されるパワーは、ゼロに下がり（またはモジュールパワーの１００％の喪失）、さらに３つの日陰の電池は、正常な日陰でない動作条件の間では、モジュールパワーの３／６０（１／２０）を占めるだけである。

それにひきかえ、本明細書に開示する解決策は、スマートＰＶ電池およびスマートＰＶモジュールを提供し、それは、たとえば、ＰＶ設備のためにＰＶモジュールの電力収穫を増加させ、エネルギー生成を高めるための、さらにまた他の関連する利点をもたらすための次の構成要素または該次の構成要素の組み合わせを含む。分散型陰管理解決策は、バイパススイッチが、各太陽電池の後面上に（たとえば電池のバックプレーン上に）搭載されて集積化されて、モジュール組立品内に積層される／埋め込まれる、それゆえ外部バイパスダイオードを備える外部接合ボックスに対する必要性がなくなり、且つ、また全体のモジュール信頼性が向上する。分散型パワーオプティマイザおよびエネルギー生成増進の解決策であり、その解決策は、１つのＤＣ／ＤＣコンバータのパワーオプティマイザまたは１つのＤＣ／ＡＣマイクロインバータのパワーオプティマイザを各太陽電池後面上に（たとえば電池のバックプレーン上に）集積化させる。電池レベルのパワーオプティマイザのエレクトロニクス（たとえば、モノリシックのシングルチップ解決策）は、後面接点の太陽電池の後面バックプレーン上に搭載し、その上で集積化して、モジュール組立品内に積層する／埋め込むことができる。開示する様々なパワーオプティマイザの実施形態では、各電池から抽出されるパワーは、日陰の条件にかかわらず、最大にすることができ、分散型陰管理解決策が得られる。

開示するシステムおよび方法は、スマートＰＶ電池およびスマートＰＶモジュールを提供し、それは、非常に低コストで分散型電池レベル（セル方式）においてパワーエレクトロニクスを集積化し、システムコストを低下させ（設置するシステムのコストを設置で１ドル／Ｗより低くすることができるようになる）、そしてエネルギー生成に関して性能を向上させる（均等化電気コストまたはＬＣＯＥ（Levelized Cost of Electricity）を０．０５ドル〜０．１０ドル／ｋＷｈより低くすることができるようになる）性能を有する。コストおよび効率は、太陽電池製造では重要な役割を果たし、前に注記したように、結晶シリコンの光起電性（ＰＶ:photovoltaic）モジュールは、現在、全体の世界的なＰＶ市場の８５％より多くを占めている。現在、着手時のシリコンウエハのコストは、結晶シリコンＰＶモジュールの製造コストの約４０％を占める。

図１２は、薄い結晶シリコン太陽電池の製造プロセスの重要な処理ステップを強調するプロセスフローであり、それは、再使用可能なテンプレートおよび多孔性シリコンのリリース層上へのエピタキシャルシリコン蒸着を使用して、スマート電池およびスマートモジュールのためのバックプレーンが積層される、低コスト、高効率、且つ後面接合／後面接点の単結晶電池を生成するために、実質的にシリコン使用量を減少させ、且つ従来の製造ステップをなくしている製造プロセスである。スマート電池は、電子構成要素（たとえばバックプレーン上に直接搭載されて、それに取り付けられるバイパススイッチ、および／またはＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザ）の少なくとも１つ、またはその組み合わせを含む。

このプロセスは、多孔性シリコンの薄い犠牲層がその中に形成される（たとえば通電したＨＦ／ＩＰＡ湿式化学での表面修正プロセスを介する電気化学エッチングプロセスによって）、再使用可能なシリコンテンプレート（通常、ｐ型単結晶シリコンウエハから製作される）から開始される。高品質エピタキシャルシード層として、さらにその後の分離／リフトオフ層として両方で働く、犠牲多孔性シリコン層が形成される際、現場でドープされる単結晶シリコンの薄い層（通常厚さが、数ミクロンから約７０ミクロンまでの範囲内であり、より好ましくは約５０ミクロン以下である）が形成される（たとえばトリクロロシランまたはＴＣＳ、および水素など、シリコンガスを含む環境下における化学蒸着またはＣＶＤ（chemical-vapor-deposition）プロセスを使用する大気圧エピタキシー、またエピタキシャル成長と呼ばれているものによって）。電池処理ステップの大部分が終了した後、極めて低コストのバックプレーン層が、永久的な電池の支持および強化のために、さらにまた太陽電池の高伝導性電池メタライゼーションを支持するために、薄いエピ層に接着される。通常、バックプレーン材料は、薄い（たとえば約５０〜２５０ミクロン）柔軟な電気絶縁性のポリマー材料シート、たとえばプロセス統合および信頼性の要求を満たす安価なプリプレグ材料（通常プリント回路基板で使用される）から製作される。次いで、ほとんど処理された後面接点、後面接合のバックプレーンが強化された広い領域（たとえば太陽電池の面積が、少なくとも１２５ｍｍ×１２５ｍｍ以上）の太陽電池が、機械的に弱い犠牲多孔性シリコン層に沿って、テンプレートから分離されてリフトオフ（lifted off）され（たとえば機械的なリリースＭＲプロセスを介して）、さらにまたテンプレートは、多数回再使用することができ、それによって太陽電池の電池製造コストがさらに最小にされる。次いで、最終の電池処理が、テンプレートからリリースされた後、露出している太陽光が当たる側に対して実施することができる（たとえば前面テクスチャ、および不動態化および反射防止膜蒸着プロセスを完了することによって）。

バックプレーンに埋め込まれる相互接続および強化バックプレーンと連結する後面接合／後面接点の組み合わせの電池設計によって、定着したエレクトロニクス組み立て方法、たとえば表面実装技術（ＳＭＴ）を使用して、電池レベルにおける極めて低コストのパワーエレクトロニクスの信頼性のある集積化を可能にする電池アーキテクチャがもたらされる。高効率の薄い結晶シリコン太陽電池のために、永久的な構造上の支持／強化として働くこと、および埋め込まれる高伝導性（アルミニウムおよび／または銅）の相互接続を形成することに加えて、これらのバックプレーン技術は、また、電池の太陽光の当たる側を妨げることなく（すなわち能動的な照射領域が、電池の後面バックプレーン上に搭載される電池ベースのエレクトロニクスによって使い果たされないので、効率のペナルティがない）、極めて低コストのパワー電子構成要素、たとえばバイパススイッチおよびＭＰＰＴパワーオプティマイザの電池バックプレーン上での集積化を可能にし、さらに証明済の後面接点のモジュール組み立ておよび積層の技法と互換性を維持している。

バックプレーン材料は、薄いシリコン層に対して過度の熱誘起ストレスを引き起こさないように、熱膨張係数が十分に低い（低ＣＴＥ（coefficient of thermal expansion））ポリマー材料の薄いシートとすることができることが好ましい。さらに、バックプレーン材料は、最終的な電池組み立てプロセス、具体的には、電池前面の湿式テクチャリング（texturing）の間の耐化学性および前面不動態化のＰＥＣＶＤ蒸着の間の熱安定性およびＡＲＣ層に対するプロセス統合の要求を満たすべきである。さらにまた、電気絶縁性バックプレーン材料は、モジュールレベルの積層プロセスおよび長期信頼性の要求を満たすべきである。様々な適切なポリマー（たとえばプラスチック、フッ素重合体、プリプレグなど）および非ポリマー材料（たとえばガラス、セラミックなど）は、バックプレーン材料として検討し恐らく使用することができるが、最適な選択は、ただしこれらに限定されないが、コスト、プロセス統合の容易さ、信頼性、柔軟性などを含む、多くの考慮事項によって決まる。バックプレーンのために選択される１つの有用な材料は、プリプレグである。プリプレグシートは、プリント回路基板の構成要素として使用される。プリプレグシートは、樹脂およびＣＴＥ低減ファイバ（CTE-reducing fiber）の組み合わせまたは粒子から製作される。好ましくは、バックプレーン材料は、安価な、低ＣＴＥ（通常ＣＴＥ＜１０ｐｐｍ／℃、より好ましいのはＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）、薄い（通常５０〜２５０ミクロン、好ましいのは５０〜１００ミクロン）のプリプレグシートとすることができることであり、プリプレグシートは、テクスチャ化学で比較的化学的に耐性があり、少なくとも１８０℃までの温度で、より好ましくは、少なくとも約２８０℃までの温度で熱的に安定している。プリプレグシートは、通常、太陽電池後面に取り付けられ、さらに、真空ラミネータを使用して、依然としてテンプレート上に存在している（電池のリフトオフプロセスの前に）。熱および圧を加えるとき、薄いプリプレグシートは、処理された太陽電池の後面に永久的に積層される、または取り付けられる。次いで、リフトオフでリリースされる境界は、通常パルスレーザーのスクライビングツールを使用して、太陽電池の周辺のまわりで画定され、次いで、バックプレーンに積層された太陽電池が、機械的なリリースまたはリフトオフプロセスを使用して再使用可能なテンプレートから分離される。その後のプロセスステップは、（ｉ）太陽電池の太陽光が当たる側に対するテクスチャおよび不動態化プロセスの完了、（ｉｉ）電池後面（これは太陽電池のバックプレーンである）に対する太陽電池の高伝導性メタライゼーションの完了を含むことができる。高伝導性メタライゼーション（通常アルミニウムおよび／または銅を含むが、太陽電池の製造および材料のコストを低下させるために銀を含まないことが好ましい）が、太陽電池のバックプレーン上に形成され、エミッタおよびベースの両方の極性を含む。

たとえば、本明細書に述べる太陽電池設計および製造プロセスは、電気絶縁性バックプレーン層によって分離される２つのレベルのメタライゼーションを含む。バックプレーンの積層プロセスに先立ち、後面接点の太陽電池に対する基本的に最後のプロセスは、好ましくはスクリーン印刷またはプラズマスパッタリング（ＰＶＤ）によるアルミニウム（またはアルミニウムシリコン合金）の材料層の薄層を使用して、太陽電池のベースおよびエミッタの接点のメタライゼーションパターンを直接電池後面上に形成することである。このメタライゼーションの第１の層（Ｍ１）は、太陽電池の接点のメタライゼーションパターン、たとえば相互嵌合する後面接点（ＩＢＣ：interdigitated back-contact）電池のベースおよびエミッタの領域を画定するファインピッチの相互嵌合する後面接点（ＩＢＣ）の導体フィンガーを画定する。Ｍ１層は、太陽電池の電流および電圧を抽出し、且つこの金属の第１の層の後に（Ｍ１の後に）形成されることになる、より高伝導性の太陽電池メタライゼーションの第２のレベル（Ｍ２層）に、太陽電池の電力を送るように働く。積層されたバックプレーンの形成の後、バックプレーンに支持された太陽電池が、その後テンプレートから引き離されて、前面テクスチャおよび不動態化のプロセスが完了し、残されたプロセスは、より高伝導性のＭ２層をバックプレーン上に形成することである。複数の（通常１００〜１０００個の）ビアホールが、バックプレーン中に穴開けされる（好ましくはレーザー穴開けを使用して）。これらのビアホールは、Ｍ１の事前に指定された領域上に位置し、その後、パターン形成されたＭ２層とＭ１層の間が、これらのビアホール中に形成される伝導性プラグを介して電気的に接続される。その後、パターン形成された高伝導性のメタライゼーション層Ｍ２が、形成される（プラズマスパッタリングおよびメッキの１つ、またはその組み合わせによって、Ｍ２がアルミニウムおよび／または銅を含む状態で）。ファインピッチ（たとえば１００個のフィンガー（Ｍ１上のＩＢＣフィンガー））である相互嵌合の後面接点（ＩＢＣ）太陽電池のために、パターン形成されたＭ２層は、Ｍ１に対して直交するように設計することが好ましい、すなわち、Ｍ２フィンガーは、基本的にＭ１フィンガーに対して垂直である。さらにまた、この直交変形のために、Ｍ２層は、Ｍ１層よりはるかに少ないＩＢＣフィンガーを有する（たとえば、約１／５０〜１／１０の係数だけ、Ｍ２のフィンガーが少ない）。それゆえ、Ｍ２層は、Ｍ１層よりＩＢＣフィンガーが非常に広い、極めてより粗いパターンである。この実施形態では、太陽電池のバスバーは、電池上のバスバーに関連する、陰による電気的な損失をなくすために、Ｍ２層上に配置される（そしてＭ１層上にはない）。ベースおよびエミッタの相互接続およびバスバーの両方が、太陽電池後面のバックプレーン上のＭ２層上で利用できるようにされているので、本発明の実施形態は、パワー電子構成要素または構成要素をバックプレーン上に効率的に集積化することができ、バックプレーン上で太陽電池のベースおよびエミッタの端子の両方にアクセスすることができる。

極めて低コストのプリント回路基板と基本的に同様に、開示する太陽電池バックプレーンは、太陽電池の両方の極性をバックプレーンに備えており、太陽電池の太陽光の当たる側を遮ることなく、且つ太陽電池の信頼性を低下させることなく、電子構成要素を電池後面バックプレーン上に電気的に組み立てて集積化するために、効率的に使用することができ、それゆえ、全体の電池およびモジュールによるよりスマートな電気管理を介して、エネルギー生成、分散型電池ベースのＭＰＰＴパワー最適化が高められ、ＬＣＯＥが減少され、そしてＰＶシステム信頼性が向上される分散型陰管理の実装形態が可能になる。バックプレーンによって、太陽電池上への薄い形の電子構成要素の直接の搭載、取り付けおよび支持が可能になるだけでなく、弱い太陽電池から、構成要素およびそれらの取り付けによるいずれもの有害なストレスの影響も効果的に切り離される。本明細書に述べる実施形態によって、スマート太陽電池およびスマート太陽モジュールが、たとえば後面接点／後面接合のＩＢＣ電池を含む後面接点太陽電池の形で、永久に取り付けられる（たとえば積層される）バックプレーンを用いて可能になる。スマート電池は、電子構成要素、たとえば電池バックプレーン上に集積化される１つのバイパススイッチ、および／または各電池上のバックプレーン上に直接取り付けられる１つのＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザを含む。

インテリジェントなセル方式陰影響抑制（ＩＳＩＳ：Intelligent cellular Shade Impact Suppression）
ＰＶシステムが直列に配線で結ばれるので、システムの光吸収面に対する、わずかな量の障害は、大きい出力喪失につながる恐れがある。電池およびモジュールが日陰になることの結果として、電力収穫性能の喪失の様々な代表的な例がある。たとえば、１つの公表された研究によれば、ＰＶモジュールの表面積の０．１５％、２．６％および１１．１％に対する障害が、それぞれ出力パワーの３．７％、１６．７％および３６．５％の喪失を引き起こし、それゆえ、日陰の場合、設置されたＰＶシステムのエネルギー生成がかなり低下することになると断定されている。前に議論したように、１つの電池の電流が、日陰のために障害を受けて低下したとき、日陰の電池は、ストリングまたは下位ストリング中で直列に配線で結ばれたすべての他の電池の電流を引きずり下ろす（是正処置がモジュール設計で採られない限り）。開示する主題の新規のＩＳＩＳまたは陰管理設計では、安価なエレクトロニクス部品（たとえば極めて低コストのパワーエレクトロニックのバイパススイッチ、たとえばパワーショットキーダイオードまたはＭＯＳＦＥＴ、または別の適切な低順方向電圧／低逆方向漏れ／低オン抵抗のバイパススイッチ）を各太陽電池バックプレーン上に集積化して、いずれもの障害を受けた、または日陰の電池のまわりで自動的に電気経路を切り替えて送り、直列のストリングおよびＰＶモジュールに対する影響を最小にすることができるように、太陽電池の両方のバスバー（ベースおよびエミッタ）に直接アクセスし、電気的に接続し、それによってＰＶモジュールの電力収穫および全体のエネルギー生成出力を最大にする。さらに、開示するＩＳＩＳシステムおよび本明細書に開示する方法は、モジュール内の不整合な電流に関連して蓄積される熱からのストレスを減少させることによって、全体の電池およびモジュールの信頼性を向上させることができる。本明細書に開示する統合ＩＳＩＳは、外部バイパスダイオードを備える接合ボックスに対する必要性をなくし、それゆえ、その結果得られるスマートモジュールのコスト／Ｗｐが低下する。さらに、電子構成要素ための支持基板として使用されるバックプレーンは、構成要素の配置およびはんだ付けによるストレスの影響を弱い半導体電池層から効率的に隔離し切り離し、それゆえ、熱的および機械的なストレス、および電池バックプレーンおよび後面上にＩＳＩＳバイパススイッチを搭載することに関連する、そのようなストレスのいずれもの有害な影響を最小にする。

分散型最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ：Maximum-Power-Point-Tracking）パワーオプティマイザ
最大パワーポイント（ＭＰＰ）は、モジュールが、日の出から日没までの様々な太陽照射条件下で（または太陽電池がおよそ日の出で「目を覚ました」ときに開始され、電池がおよそ日没で「寝る」まで）、最大可能出力パワーを産出する、電流対電圧連続体上のスポットである。電流および電圧の値が、日中の間ずっと太陽照射フラックスの変化および他の動作条件（たとえば大気温度など）につれて変動するので、自動化されたＭＰＰトラッカー（tracker）が、ＭＰＰ条件で動作させるために（最大モジュールパワーを抽出するために）、ＩＶカーブ上の電圧および電流の動作点を調節する。さらに、ＭＰＰトラッカーは、また、直列に接続された太陽電池（およびモジュール）のすべての電流値を一致させるように、その出力電流／電圧比を調節することが好ましい。開示する新機軸は、バックプレーンを介してスマートエレクトロニクスを各電池後面上に集積化することによって、電池レベルにおける極めて低コストの最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ）パワー最適化回路構成の本当の分散型実装形態をもたらす。モジュールごとに１つの外部マイクロインバータ（または代替実施形態として、１つのＤＣ／ＤＣコンバータ）と、それぞれの外部マイクロインバータ（または代替実施形態として、１つのＤＣ／ＤＣコンバータ）を使用するモジュールレベルのＭＰＰＴとを使用した場合、この構成は、第１のストリングからパワーの１００％を生成し、たとえば第２のストリングからパワーの９７％を生成することができる。これは、ＰＶ設備から全パワーの９８．５％の向上した電力収穫、すなわち従来の集中型インバータＭＰＰＴ構成と比較して、実質的な向上を達成することになるはずである。

この解決策は、本明細書に開示するように、拡大され、電池レベルのＭＰＰＴパワー最適化に適用されたとき、様々な照射および電池の日陰の条件下における、それぞれおよびすべての電池からの電力収穫の実質的な向上を可能にし、それゆえ、全体のモジュールのエネルギー生成を、従来の方法に比べて、さらに最大化するだけでなく、また、所与のモジュール内で不整合な電池（Ｖ_ｍｐおよび／またはＩ_ｍｐの値など、パラメータが異なる、異なる製造ビンからの電池）のパッケージングもできるようにして、システムレベルでのモジュール不整合の影響をなくしている。

開示するシステムの様々な実施形態は、分散型セル方式ＩＳＩＳおよび／またはセル方式ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスを通じて電池レベルでスマートなパワーエレクトロニック性能を統合することによって、０．２０ドル／Ｗｐより低い、組み込まれるパワーエレクトロニクス、太陽光発電システムの設置コスト（トータルＢＯＳ：Balance of Systems and Installation）について０．５０ドル／Ｗｐより低いこと、およびＬＣＯＥ＜０．１０ドル／ｋＷｈ（＜０．０５ドル／ｋＷｈに届くＬＣＯＥ性能を実際に備える）を含む、かなりのコスト向上をもたらす。前に述べたように、そして開示するシステムおよび方法と対照的に、従来のパワーエレクトロニクスは、モジュールレベル（ＰＶモジュールに取り付けられる外部のＤＣ／ＤＣコンバータボックスまたはＤＣ／ＡＣマイクロインバータボックス）に、または設置されるＰＶシステムレベル（より従来の集中型インバータＭＰＰＴ）にだけ存在する。開示する主題による実施形態は、後面接点／後面接合のＩＢＣ電池およびバックプレーン技術（バックプレーンが、両方の太陽電池の電気リードまたはバスバーへのアクセスをもたらし、且つ太陽電池の太陽光が当たる側と反対側に電子構成要素を配置するために支持する）を含む、後面接合電池によって可能にされる、新規でユニークな分散型電池レベルのＭＰＰＴパワー最適化および最大パワー抽出最適化を通じて、今日既存のＰＶ解決策より実質的に大きい利益と恩恵を実現する。開示する主題は、漸増するより高いコストをかけただけで、これらの実質的な利益を実現し、それによって、既存の製造プロセス内でのプロセス統合が容易になるので、ＬＣＯＥを実質的に低下させ（パワーエレクトロニクス構成要素、たとえばバイパススイッチおよびＭＰＰＴパワーオプティマイザ構成要素が、高価な製造ステップに対する必要性なしに、電池後面上のバックプレーン上に直接搭載することができる）、さらにエネルギー生成を実質的に増加させる（電池およびモジュールの不整合をなくすことを含む）。現在のモジュールレベルのＤＣ／ＤＣコンバータボックスによって、２５％までもエネルギー生成が増加されると主張する傾向があるが、これらの解決策は、通常、約０．２０ドル／Ｗｐのコストを被るが、それにひきかえ、本明細書に開示する新規の実施形態（すなわち、ユニークな分散型セル方式ＩＳＩＳおよびセル方式ＭＰＰＴパワーオプティマイザの解決策）は、全体のＰＶモジュールおよび設置されるＰＶシステムの電力出力およびシステムのエネルギー生成を著しく増加させ、さらに実装コストを０．２０ドル／Ｗｐより低く減少させる。

さらに、本明細書に開示する分散型セル方式パワー最適化解決策は、次の事項をもたらす。
インバータ信頼性の向上：電圧および電流を予測可能なレベルまでに管理して、集中型インバータ上のストレスを取り除き（すなわち過電圧でない）、全体の変換効率を向上させる。さらに、集中型インバータ設計は、本当の分散型セル方式ＭＰＰＴパワー最適化解決策の結果として、簡単化し、コストを低下させることができる。
単独運転防止（anti-islanding）：完全に埋め込まれたスマートなパワー回路構成によって、モジュール内で、モジュールの間で、そしてモジュールとＰＶ設備の外部の場所との間で分散型トラッキングおよび通信ができるようになり、それによって非常用の自動的なシャットオフ、およびより容易でより安全な設置および保守が可能になる。
日陰を無視し、柔軟なストリング長およびプレーンを設計する能力は、それほど高価でないシステム設計解析およびより安価な全体の設置コストということになる。
電池／モジュールのモニタリングが、保守、清掃、パフォーマンス予測および予防保守処置の向上につながる。

太陽電池と集積化されるバイパススイッチを使用する、インテリジェントなセル方式陰影響抑制（ＩＳＩＳ：Intelligent cellular Shade Impact Suppression）解決策
次の章では、様々なＩＳＩＳ実装形態の実施形態を述べる。開示する分散型セル方式陰管理（ＩＳＩＳ）システム中において、分散型スイッチの形で実質的なパワー散逸損失なしに使用するためのバイパス電子スイッチの選択に関する考慮事項および基準は、ただしこれらに限定されないが、次の事項を含む。
いくつかの例では、順方向でバイアスされたダイオードのオン状態電圧低下よりはるかにより小さい、オン状態電圧低下が小さいセル方式バイパススイッチ。たとえば、Ｖ_ｍｐ＝５７５ｍＶおよびＩ_ｍｐ＝９．００Ａと仮定すると（約Ｖ_ｏｃ＝６６０ｍＶおよびＩ_ＳＣ＝９．７５Ａに対応する）、５０ｍＶのオン状態電圧は、オン状態のワット損が０．４５Ｗになるはずであり、それは、ダイオードのワット損の１０％より小さい（この計算は、スイッチのＲ_直列に関するいずれもの損失を含まない）。
オン状態直列抵抗が極めて小さく、オン状態スイッチのワット損を最小にする、好ましくはオン状態スイッチのＲ_直列が１０ｍΩ（たとえばＲ_直列＝５ｍΩ、スイッチの抵抗ワット損＝０．４０５Ｗ）以下であるセル方式バイパススイッチ。
バイポーラ−接合トランジスタ（ＢＪＴ：bipolar junction transistor）またはＭＯＳＦＥＴ、または比較的低い電圧低下および小さいＲ_直列をもたらすような構成要素を含む、いずれもの適切なスイッチ回路構成。

たとえば、次の機能性を有するバイパススイッチは、電子構成要素として使用することができる。
バイパススイッチがオンされたとき（順方向にバイアスされる）、ワット損が小さい。たとえば、ワット損は、平均的な電池の電力生成の或る分数以下になることができる。たとえば、５Ｗｐの電池に関し、バイパススイッチは、全部の電池ストリングの電流が、日陰の電池のバイパススイッチを通過するとき、ワット損を約１Ｗ以下に制限するように選択される。
バイパススイッチがオフのとき（逆方向にバイアスされる）、逆方向漏れ電流が低い。
薄い構成要素のパッケージ（たとえば＜＜２ｍｍまたは＜１ｍｍほどにさえ薄い）。
電池ストリングの全部の電流を扱うことが可能である。

図１３は、分散型セル方式陰管理システムを示す概略図であり、このシステムは、本明細書ではインテリジェントなセル方式陰影響抑制またはＩＳＩＳと呼び、各電池後面バックプレーンに取り付けられ、モジュール内で積層される各太陽電池（その等価回路モデルを用いて示す）当たり、１つの低Ｖｆ（低順方向バイアス電圧）のバイパスダイオード（これは、また、１つの低Ｖｆバイパススイッチ、たとえば低Ｖｆショットキーダイオードとすることができる）を使用する。この分散型バイパススイッチ構成によって、外部接合ボックスのバイパスダイオードの必要がなくなり、ＰＶ設備中のモジュールの全体のエネルギー生成性能が、マルチ電池の下位ストリングごとに１つのバイパスダイオードを設ける知られた構成（通常、知られた構成では、２０個の電池からなる下位ストリングごとに１つのバイパスダイオード）に比べて、向上する。電池ごとに１つのバイパススイッチ（この実施例では、たとえばショットキーダイオードなどの整流ダイオード）が使用されるので、全体のモジュールは、直列に接続されたモジュール内におけるすべての電池の単一のストリングとして、配線で結ぶことができる（たとえば６０個の電池からなるモジュールでは、直列に接続された６０個の電池からなる１つのストリング）。したがって、開示する主題によるＩＳＩＳアーキテクチャを使用すると、モジュール内には複数の下位ストリングが存在する必要がなくなる。

図１４は、適切な仕様を備えるパワー金属酸化膜半導体の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が、統合された陰管理解決策（ＩＳＩＳ）のために、電池バックプレーンに取り付けられる分散型バイパススイッチのための有効なバイパススイッチとして使用することができる（単独で、またはスイッチ回路構成の一部として）ことを示すグラフである。たとえば、エンハンスメントモードのＭＯＳＦＥＴをスイッチとして使用すると、Ｖ_ＧＳ＞０のとき、ＭＯＳＦＥＴをオンにし、Ｖ_ＧＳ＝０のとき、ＭＯＳＦＥＴをオフにする。
Ｖ_ＧＳがゼロのとき、ＭＯＳＦＥＴはオフであり、出力電圧（Ｖ_ＤＳ）は、Ｖ_ＤＤに等しい。
Ｖ_ＧＳ＞０またはＶ_ＤＤに等しいとき、ＭＯＳＦＥＴのバイアスポイント（Ｑ）は、負荷ラインに沿ってポイントＡに移動する。ドレイン電流Ｉ_Ｄが、チャネル抵抗の低下によって、その最大値まで上昇する。Ｉ_Ｄは、Ｖ_ＤＤと無関係な定数になり、Ｖ_ＧＳだけに依存する。したがって、トランジスタは、閉（オン）スイッチのように振る舞い、チャネルオン抵抗は、そのＲ_ＤＳ（オン）値のために、完全にゼロまで低下しないが、極めて小さくなる。
Ｖ_ＧＳが低い、またはゼロであるとき、ＭＯＳＦＥＴのバイアスポイントは、ＡからＢに移動する。チャネル抵抗が極めて高いので、ＭＯＳＦＥＴがオフである。Ｖ_ＧＳが、これら２つの値の間で切り替わると、ＭＯＳＦＥＴは、単極単投スイッチとして振る舞う。
適切なパワーＭＯＳＦＥＴは、通常、０．０１Ωより低い（または１０ｍΩより低い）Ｒ_直列を有する。
パワーＭＯＳＦＥＴスイッチは、通常、サージ電流保護を有するが、高電流用途には、バイポーラ接合トランジスタを使用することができる。

図１５は、開示する主題によるＩＳＩＳ分散型セル方式陰管理実装形態の概略図であり、それは、各電池後面に取り付けられて、モジュール内で積層される太陽電池ごとに１つのＶｆが極めて低いパワーＭＯＳＦＥＴベースのバイパススイッチ（スイッチは、ＭＯＳＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴを含むモノリシック回路構成を含む）を使用する。やはり、この分散型バイパススイッチ構成によって、外部接合ボックスのバイパスダイオードの必要がなくなり、且つマルチ電池の下位ストリングごとに１つのバイパスダイオードを設ける構成（通常、知られる構成では、２０個の電池からなる下位ストリングごとに１つのバイパスダイオード）と比較して、モジュールのエネルギー生成が向上することになる。このシステムでは、どの電池も日陰でない場合、バイパスダイオードは、逆バイアス状態のままであり、太陽電池ストリングは、正常に作動して、太陽モジュールの電力生成に十分に寄与する。電池のいずれかが部分的に、または完全に日陰になった場合、日陰の電池（複数可）は、逆バイアスされて、バイパストランジスタのスイッチ（複数可）が、オンにされ、熱スポットまたは太陽電池に対する損傷の可能性がなくされる。

図１６は、開示する主題によるＩＳＩＳ分散型セル方式陰管理解決策の概略図であり、それは、各電池後面に取り付けられ、モジュール内で積層される太陽電池ごとに１つのＶｆが極めて低いパワーバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）ベースのバイパススイッチ（スイッチは、ＢＪＴまたはＢＪＴを含むモノリシック回路構成を含む）を使用する。バイポーラトランジスタのベースおよびコレクタが、一緒に接続される。この分散型バイパススイッチ構成によって、外部接合ボックスのバイパスダイオードの必要がなくなり、且つマルチ電池の下位ストリングごとに１つのバイパスダイオードを設ける構成（通常、知られる構成では、２０個の電池からなる下位ストリングごとに１つのバイパスダイオード）と比較して、モジュールのエネルギー生成が向上することになる。このシステムでは、どの電池も日陰でない場合、バイパストランジスタスイッチは、オフ状態のままであり、太陽電池ストリングは、正常に作動して、太陽電池の電力生成に十分に寄与する。電池のいずれかが部分的に、または完全に日陰になった場合、日陰の電池（複数可）は、逆バイアスされ、バイパストランジスタのスイッチ（複数可）が、オンにされて、熱スポットまたは日陰の電池に対する損傷の可能性がなくなる。

そして、開示する主題の実施形態をいずれものタイプの太陽ＰＶ電池およびモジュールに適用することができるが、ＩＳＩＳは、電池後面上へのバックプレーンの取り付けを利用する、後面接点型の太陽電池（前部接合または後面接合のどちらか）を用いる用途には特に有利であることができる。電池後面上の電気絶縁性バックプレーン層によって、能動的な電池領域に影響を及ぼす機械的な、または熱的なストレスの問題がなく、電子構成要素を電池後面上に取り付けることができるようになる。そして、能動的な電池および電子構成要素が、バックプレーンと反対側に位置付けられるので、電子構成要素の配置のために能動的な電池照射領域がなくなることによる効率のペナルティが、最小である、または全くない。

図１７は、後面接点／後面接合の結晶性半導体の太陽電池、たとえば薄い単結晶シリコン太陽電池（たとえば≦５０μｍの単結晶シリコン吸収層を有する）の代表的な概略横断面図であり、それは、高伝導性の電池の相互接続（たとえばアルミニウムおよび／または銅のメタライゼーションを含む）を有する電気絶縁性バックプレーン層が、電池の太陽光が当たる側と反対側（後面として呼ぶ）に積層される、または取り付けられる。図１７に示す後面接点／後面接合の結晶性半導体の太陽電池は、薄い、または極薄の結晶性半導体の基板２２を含み、基板２２は、面積が広い電池とすることができる、たとえば１２５ｍｍ×１２５ｍｍ、または１５６ｍｍ×１５６ｍｍの大きさの基板である（または、面積が約１５０ｃｍ^２から１０００ｃｍ^２を超える、いずれもの他の広い領域）。電池の太陽光が当たる側は、電池の受光表面であり、前面テクスチャ、さらにまた不動態化および反射防止コーティング層２２を含むことができる。比較的ファインピッチのオン電池型メタライゼーション（Ｍ１メタライゼーション層）のフィンガー２４が、バックプレーンの取り付けに先立って、たとえば相互嵌合する後面接点のアルミニウムメタライゼーションのフィンガーパターン（たとえば、いずれものオン電池型バスバーがなく、数百のファインピッチのメタライゼーションフィンガーのパターン）の形で、電池後面上に配置される。バックプレーン２６は、厚さが、たとえば０．０５ｍｍ〜０．５０ｍｍの範囲内であって（たとえば０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍ）、電池後面上に永久的に積層されたバックプレーンとすることができ、能動的な電池に対するストレス問題がなく、電子構成要素の電池後面上への取り付けを可能にする。バックプレーン２６は、伝導性ビアプラグ（via plug）を含むことができる（たとえばバックプレーン内に埋め込まれる、またはその上に位置付けられて、電池のバックプレーン後面上の高伝導性の電池相互接続２８（Ｍ２メタライゼーション）をオン電池型の相互嵌合の後面接点メタライゼーション（Ｍ１メタライゼーション）フィンガー２４に電気的に接続する、アルミニウムおよび／または銅のビアプラグ）。図２０は、高伝導性電池相互接続２８（Ｍ２メタライゼーション）の例の実施形態を強調しており、それは、たとえば、アルミニウムおよび／または銅のフィンガーと直交するように変形された２重バスバーＩＢＣメタライゼーションパターンの形であって、該アルミニウムおよび／または銅のフィンガーは、その厚さが、数ミクロンから１００ミクロンまでの範囲内であって、たとえば４つから数十のペアのベース／エミッタのメタライゼーションフィンガーを有する。

図１８は、電池の後面上に位置付けられる電気絶縁層３０と、オン電池型電子構成要素３４と、導電性リード３２とを含む、オン電池型の電子構成要素を備える（単一のモノリシック構成要素の取り付けを示す）、図１７に示す電池と同様の後面接点／後面接合の結晶性半導体の太陽電池の横断面図である。図に示すように、電子構成要素（複数可）３４は、バックプレーン上に（またはその内に）搭載され、電気リード３２は、電池の相互接続に対して接続される。電池バックプレーン上に配置される電池レベルの電子構成要素は、バイパススイッチ、および任意選択でＭＰＰＴ ＤＣ／ＤＣ（またはＭＰＰＴ ＤＣ／ＡＣ）パワーオプティマイザとすることができる。パワー電子部品は、図１８の電池中に示すように、電池の後面上に位置付けられ、バックプレーンによって能動的な電池吸収体から隔離される／切り離される。電気的に絶縁する任意選択の電気絶縁層３０は、溶射またはスクリーン印刷される層、または付着シートとすることができる。電気絶縁層３０がない場合、電気リード３２は、そのまわりに絶縁ジャケットを有することができて、リードの電気的接続が、事前に指定された場所だけで可能になる（はんだ付けまたは伝導性エポキシによって）。導電性リード３２（たとえばバイパススイッチの場合、２つのリード）は、電気構成要素３４の統合される陰管理および／またはＭＰＰＴパワー最適化（たとえばＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣパワーオプティマイザ）の構成要素と、太陽電池のリードとの間で必要な電気的相互接続を行うために、電池バスバー（および／またはＩＢＣフィンガー）に電気的に取り付けることができる。オン電池型電気構成要素３４は、バイパススイッチ、および／またはＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴまたはＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザを含むことができる。また、他の可能なステータスをモニタリングし報告する電子構成要素を使用することができる。電池に取り付けられるＭＰＰＴパワーオプティマイザは、太陽電池をシャットオフし、オンするように、電流および／または電圧の出力を再プログラムするように、且つ太陽電池のステータス（ただしこれらに限定されないが、電池パワー、温度などを含む）を提供するように、遠隔でプログラマブルなものとすることができる。

図１９は、太陽電池のバックプレーンおよびＩＢＣメタライゼーション（Ｍ２メタライゼーション）パターンの平面図（たとえば図１７および１８に示すもの）を示す図であり、言い換えると、図１９は、太陽電池のバックプレーン側（太陽光が当たる側と反対側）を示す。ここに示すように、バックプレーン側は、バックプレーン表面４０（バックプレーン表面４０は、図１７および１８ではバックプレーン２６として示す）上に位置付けられるエミッタバスバー４２および対応するエミッタのメタライゼーションフィンガー４４、およびベースバスバー４６および対応するベースのメタライゼーションフィンガー４８として示す高伝導性の電池メタライゼーション相互接続（Ｍ２メタライゼーション）を含む。図１９の後面接点／後面接合ＩＢＣアーキテクチャでは、相互接続パターンは、バックプレーンの両面上に２つのバスバー（エミッタおよびベースのバスバー）を備える相互嵌合するパターンである。前に述べたように、バックプレーン上の相互嵌合する高導電性フィンガー数は、オン電池型メタライゼーションフィンガー（図１７および１８では、オン電池型メタライゼーションフィンガー２４として示す）数より極めて小さくすることができる、というのはメタライゼーションパターンが、オン電池型相互接続からオンバックプレーン型相互接続に対して直交するように変形されるからである（たとえばオンバックプレーン型フィンガー数は、オン電池型ＩＢＣフィンガー数より約１／５０〜１／１０のファクタとすることができる）、そしてバックプレーン上のフィンガーは、電池上のフィンガーに対して基本的に垂直に走る。バックプレーン上のフィンガーは、バックプレーンの表面に取り付けることができる、またはバックプレーン内に埋め込むことができ、そしてバスバーは、バックプレーン上に位置付けることができる。パワー電子構成要素（複数可）は、このバックプレーン表面上に搭載して、それに取り付けることができ（必要なら、適切な電気絶縁を設けて）、さらに適切な電気リードをバックプレーン表面上のベースおよびエミッタのバスバーに接続する（たとえば、はんだ付け、伝導性エポキシバンプ（bump）または別の適切な取り付け技法）。

図２０は、適切な薄い形のバイパススイッチが、バックプレーン面（電池後面）上の太陽電池のベースおよびエミッタの端子に直接取り付けられる、図１９の太陽電池のバックプレーンの平面（太陽光が当たる側と反対側のバックプレーン面）を示す図である。オン電池型バイパススイッチ５０が、電気リード５２によって高伝導性電池メタライゼーション（Ｍ２）相互接続に接続され、その電気リードは、はんだ付け結合部５６によってベースバスバー４２およびエミッタバスバー４６に接続される。図に示すように、たとえば、Ｍ２相互接続パターンは、バックプレーンの両面上に２つのバスバー（エミッタおよびベースのバスバー）を有する相互嵌合するパターンとすることができる。バイパススイッチは、極めて薄い平坦なパッケージ（たとえばパッケージの厚さが１ｍｍより薄いことが好ましい）と、高導電性端子（たとえば平坦なリボンの形の）を有することができる。バイパススイッチの各端子は、各バスバー（エミッタおよびベースのバスバー）上の１つまたは複数のポイント（複数のポイントを示す）に電気的にはんだ付けする、または伝導性エポキシによって取り付けることができ、それによってバイパススイッチが、日陰のために起動されてオンされたとき、電池による抵抗損が最小になることが保証される。バイパススイッチの電気リードは、バックプレーン上の相互嵌合するフィンガーから適切に電気的に絶縁することができる。

たとえば、電池バックプレーン上に直接組み立てて、分散型陰管理解決策（ＩＳＩＳ）を可能にするスマートな電池およびモジュールを形成するためのバイパススイッチの市販の代表的な実施形態は、バイパスダイオード（バイパススイッチ）として使用するのに適切な、薄いパッケージ（０．７４ｍｍ）、低順方向電圧（低Ｖｆ）の１０Ａショットキーダイオードと、ほぼ理想的なバイパススイッチとして使用するのに適切な、極低順方向電圧（極低Ｖｆ）構成要素とを含む。

さらに、ＭＯＳＦＥＴ技術を使用するスーパーバリア整流器（ＳＢＲ：Super Barrier Rectifier）として知られる低順方向電圧（低Ｖｆ）スイッチも、電池バックプレーン上に直接組み立てて、分散型陰管理解決策（ＩＳＩＳ）を可能にするスマートな電池およびモジュールを形成するためのバイパススイッチとして使用するのに適切なものとすることができる。ＳＢＲは、従来のショットキーバリアダイオードより低い順方向バイアス電圧およびより低い逆方向漏れ電流を実現する。さらに、ＳＢＲは、従来のｐｎ接合ダイオードに匹敵する熱安定性および信頼性の特性をもたらすことができ、そしてＩＳＩＳでの用途のために優れた性質が追加されている。あるいは、スーパーバリア整流器（ＳＢＲ）と呼ばれる低順方向電圧（低Ｖｆ）スイッチは、また、電池バックプレーン上に直接組み立てて、開示する主題の分散型陰管理解決策を可能にするスマートな電池およびモジュールを形成するためのバイパススイッチとして使用するのに適切なものとすることができる。ＳＢＲスイッチ技術に関する低順方向バイアスおよび小さい逆方向漏れの組み合わせによって、ＳＢＲは、ＩＳＩＳのための極めて魅力的で適切なバイパススイッチ候補になる可能性がある。

電池バックプレーン上で直接組み立てて、分散型陰管理解決策（ＩＳＩＳ）を可能にするスマートな電池およびモジュールを形成するためのバイパススイッチの市販の代表的な実施形態のまた別の実施例は、ＭＯＳＦＥＴ技術を使用するクールバイパススイッチ（ＣＢＳ：Cool Bypass Switch）として知られる低順方向電圧（低Ｖｆ）スイッチを含む。市販の低順方向電圧（低Ｖｆ）ショットキーダイオードおよびまたＭＯＳＦＥＴ技術を使用するクールバイパススイッチ（ＣＢＳ）と呼ばれる低順方向電圧のスイッチについて、様々なパッケージングが利用できる。

パワーオプティマイザのエレクトロニクスを電池の電池バックプレーン上に直接位置付けることによる、分散型セル方式ＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴパワー最適化またはＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワー最適化。図２１は、図１９のＭ２相互接続パターンとともに太陽電池のバックプレーンの平面図を示し、ＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザ、またはＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザがバックプレーン側で電池端子に直接取り付けられていることを示す概略図である。この示す実施例では、パワーオプティマイザチップ（ＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣパワーオプティマイザのどちらか）が、２つの入力端子（入力は、太陽電池のベースおよびエミッタのバスバーに接続されている）および２つの出力端子（これは、パワーオプティマイザチップの調節された出力電流／電圧を供給し、バックプレーン上の外部のバスバーペアに接続される）を有することを示す。オン電池型パワーオプティマイザ６４（たとえばＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴまたはＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザ）の入力端子は、正の入力電気リード６６および負の入力電気リード６８によって、高伝導性の電池メタライゼーション相互接続に接続され、それら電気リードは、はんだ付け結合部５６によって、太陽電池の正（エミッタ）のバスバー４２および負（ベース）のバスバー４６に接続される。そして負の出力電気リード５８および正の出力電気リード７０が、オン電池型パワーオプティマイザ６４を、調整された出力の端子によって負の出力リードバスバー６２に、およびはんだ付け結合部６０によって正の出力リードバスバー６４に結合する。オン電池型パワーオプティマイザ６４は、常に太陽電池をその最大パワーポイントで動作させるために、太陽電池に対する可変インピーダンス入力を効率的に提供し、さらに電流が事前に指定された一定レベルの状態で（電流が直列接続された電池中で整合するために）、または電圧が事前に指定された一定レベルの状態で（電圧が並列接続された電池中で整合するために）最大電池電力をその出力端子で提供する。

図２１に示すように、電池のバックプレーン面は、たとえばアルミニウムおよび／または銅から製作される、高伝導性の電池メタライゼーション相互接続（Ｍ２層）を含む。Ｍ２相互接続パターンは、２つのバスバー（エミッタおよびベースのバスバー）がバックプレーン表面の両面上に存在する、相互嵌合するパターンとすることができる。ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクス（たとえばシングルチップのパッケージ）は、薄い平坦なパッケージ（たとえばパッケージの厚さが１ｍｍより薄いことが好ましい）と、高導電性端子（たとえば平坦なリボン）とを有する。ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスの各入力端子は、電池中の抵抗損を最小にするように、各バスバー（エミッタおよびベースのバスバー）上の１つまたは複数のポイントに電気的にはんだ付けする、または伝導性エポキシによって取り付けることができる。同様に、ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスの各出力端子は、電池中の抵抗損を最小にするように、各出力バスバー上の１つまたは複数のポイントに電気的にはんだ付けする、または伝導性エポキシによって取り付けることができる。

図２１に示す出力バスバー６２および６４は、任意選択である。出力バスバーが使用される場合、出力バスバーは、電池組み立てプロセスの間と同時に、他の電池バックプレーンのＭ２相互接続フィンガー、およびエミッタおよびベースのバスバーとしてバックプレーン上に形成することができる。出力バスバーが使用されない場合、ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスの出力端子は、最終のＰＶモジュール組み立ておよび電池から電池への相互接続の間、電池出力端子として直接使用することができる。

開示する主題の態様は、電池バックプレーン上へのＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクス（ＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ）の取り付けである。図２２は、太陽電池ＩＶ特性、および所与の照射（たとえば１太陽照射）で最大の電力収穫を得るための最大パワーポイント（ＭＰＰ）を示すグラフである。（ＭＰＰは、太陽電池の照射強度の異なるレベルに対して異なる）。そして、図２３は、例として、ほぼ０．４太陽からほぼ１太陽の異なる、太陽モジュールの照射強度下におけるパワー対電圧特性を示す、代表的な太陽モジュールＩＶについてのグラフである。日の出から日没までで電力収穫を最大にするために、開示する主題による電池実施形態は、ＰＶモジュールおよびＰＶシステムのエネルギー生成を最大にするために、さらに極めて高いシステムレベルの信頼性および極めて低いＬＣＯＥを達成するために、ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスの各電池後面（バックプレーン）上への配置を可能にする。

本明細書に開示するセル方式（電池レベル）ＭＰＰＴパワー最適化用途に適する、いくつかの市販のシングルチップＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスが存在する。あるいは、所与の太陽電池に最適化されるモノリシック（または、ほぼモノリシック）のＭＰＰＴパワーオプティマイザを設計し製造することが可能である。いくつかの実施例のチップが、電池後面／バックプレーン上への分散型電池レベルのＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスの実装形態に関して、必要以上に設計されることがあり、過度のパワー性能をもたらす場合があるが、また、非常により低いパワー（たとえば５〜１０ワット最大）のシングルチップ解決策を、電池バックプレーン上への直接の搭載および取り付けのために使用することができる。

分散型ＭＰＰＴパワーオプティマイザを電池のバックプレーンに配置し、それらを太陽モジュール内で積層することによって、本明細書に開示する分散型ＭＰＰＴ ＤＣ／ＤＣ（またはＤＣ／ＡＣ）パワー最適化解決策は、ただしこれらに限定されないが、次の事項を含む、広範な性能および恩恵をもたらす。
モジュールレベルＤＣ／ＤＣインバータボックスまたはＤＣ／ＡＣマイクロインバータボックス、または集中型インバータＭＰＰＴパワー最適化と比べて、日陰の影響の全体的な軽減、およびＰＶモジュールおよび設置されたＰＶシステムの電力収穫の実質的な増進。
別個のバイパスダイオードまたはバイパススイッチに対する必要性をなくす。
日陰の電池を短絡しバイパスする代わりに、日陰の電池からの電力収穫。
ビンのパラメータが異なる不整合な電池からのＰＶモジュールの組み立てを可能にする。
製造モジュールのワット当たりの有効原価を減少させる。
モジュールレベルＭＰＰＴのＤＣ／ＤＣ（またはＤＣ／ＡＣ）パワーオプティマイザに対する必要性をなくす。
最終のモジュール積層に先立ち、各電池バックプレーン上に搭載されて取り付けられる分散型ＭＰＰＴパワーオプティマイザ（ＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ）によって、モジュールレベルにおける、完全な遠隔アクセスによるステータスモニタリング、診断および制御が可能になる。各電池は、遠隔でモニタリングして制御することができ（たとえば電池をシャットオフする、またはそれをオンに戻すことによって）、そして電池およびモジュールのステータスは、リアルタイムでモニタリングすることができる。
無線通信（ＷｉＦｉ）またはＰＶモジュールのパワーリードを通じたＲＦ／ＡＣ変調を介して、電池レベルの通信を設けることができる。
分散型セル方式ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスは、電池のリアルタイムのステータス、およびモジュール中および設置されたＰＶシステム中の他の電池と比べた、電池の相対的なパフォーマンスを提供することができる。
遠隔アクセス信号は、分散型ＭＰＰＴパワーオプティマイザのエレクトロニクスのアドレスを指定し、そして様々なタスク、たとえば全体のＰＶモジュールまたはシステムのシャットオフ、起動（たとえば保守、設置、立ち上げなどの間）、またはＭＰＰＴモジュール電流および／または電圧を所望のように調節することなどに関して、再プログラマすることができる。
フィールドに設置されたＰＶシステムに対するリアルタイムの測定値、たとえば電池温度（バックプレーン側）を提供することができる。

本明細書に述べた実施形態は、極めて薄い単結晶シリコン吸収層およびバックプレーンを使用する、後面接点／後面接合の結晶シリコン太陽電池に関して大部分述べてきたが、開示した主題の態様は、他の太陽電池およびモジュールの実装形態に適用することができることを当業者は理解すべきであり、この態様は、ただし次の事項に限定されないが、前面接点の太陽電池およびそのような電池を含むＰＶモジュールと、非結晶シリコン太陽電池およびモジュール、たとえば結晶性ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｇｅおよび／または他の元素の、および化合物の半導体から製作されるそれらと、結晶性半導体ウエハ（たとえば結晶シリコンウエハ）から製作される後面接点／前部接合、後面接点／後面接合および前面接点の太陽電池を含むウエハベースの太陽電池とを含む。

しかし、前に注記したように、後面接点の電池の使用は、有利になり得る、というのは、開示する主題の態様は、最終のモジュール製造に実質的に影響を及ぼすことなく、後面接点電池に適用することができるからである。さらに、エミッタおよびベースの相互接続リードの両方を電池の後面上で利用できることによって、エネルギー収穫を増進させるために、さらにまた電池レベルのモニタリングおよび制御の機能を追加するために、オン電池型エレクトロニクスの全体の実装形態をさらに簡単化することができる。

例示の実施形態の前述の記述は、当業者が、請求する主題を製造し使用することを可能にするために提示する。これらの実施形態に対する様々な変形は、当業者に容易に明らかになるはずであり、本明細書に明示した全体的な原理は、革新的な能力を使用することなく、他の実施形態に適用することができる。したがって、請求する主題は、本明細書に示した実施形態に限定すると意図せず、本明細書に開示した原理および新規な特徴と一致するもっとも広い範囲が与えられると意図する。

Claims (20)

1. 光捕捉前面および前記光捕捉前面と反対側の後面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の前記後面上に位置付けられる第１の相互嵌合するメタライゼーションパターンと、
   前記半導体基板の前記後面上に取り付けられるバックプレーンであって、前記半導体基板を支持する、バックプレーンと、
   前記バックプレーン上に位置付けられる第２の相互嵌合するメタライゼーションパターンであって、前記第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続される、第２の相互嵌合するメタライゼーションパターンと、
   前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに取り付けられるオン電池型電子構成要素であって、バイパススイッチを含む、オン電池型電子構成要素と、
   前記オン電池型電子構成要素を前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続する電気リードとを含むことを特徴とする、後面接点太陽電池。
2. 請求項１に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記電子構成要素は、ショットキーダイオードであることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
3. 請求項１に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記電子構成要素は、ｐｎ接合ダイオードであることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
4. 請求項１に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記電子構成要素は、バイポーラ−接合トランジスタを含む回路構成であることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
5. 請求項１に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記電子構成要素は、金属酸化膜半導体の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む回路構成であることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
6. 請求項１に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンは、前記第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに対して直交するように位置合わせされることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
7. 請求項１に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記電子構成要素は、最大パワーポイントトラッキングのパワーオプティマイザをさらに含むことを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
8. 請求項７に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記電子構成要素は、ＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザをさらに含むことを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
9. 請求項７に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
   前記電子構成要素は、ＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザをさらに含むことを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
10. 光捕捉前面および前記光捕捉前面と反対側の後面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記後面上に位置付けられる第１の相互嵌合メタライゼーションパターンと、
    前記半導体基板の前記後面に取り付けられるバックプレーンであって、前記半導体基板を支持する、バックプレーンと、
    前記バックプレーン上に位置付けられる第２の相互嵌合メタライゼーションパターンであって、前記第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続される、第２の相互嵌合メタライゼーションパターンと、
    前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに取り付けられるオン電池型電子構成要素であって、最大パワーポイントトラッキングのパワーオプティマイザを含む、オン電池型電子構成要素と、
    前記オン電池型電子構成要素を前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続する電気リードとを含むことを特徴とする、後面接点後面接合太陽電池。
11. 請求項１０に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
    前記電子構成要素は、ＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザであることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
12. 請求項１０に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
    前記電子構成要素は、ＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザであることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
13. 請求項１０に記載の後面接点後面接合太陽電池であって、
    前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンは、前記第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに対して直交するように位置合わせされることを特徴とする後面接点後面接合太陽電池。
14. 複数の後面接点太陽電池を含み、前記後面接点太陽電池のそれぞれが、
    光捕捉前面および前記光捕捉前面と反対側の後面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記後面上に位置付けられる第１の相互嵌合メタライゼーションパターンと、
    前記半導体基板の前記後面に取り付けられるバックプレーンであって、前記半導体基板を支持する、バックプレーンと、
    前記バックプレーン上に位置付けられる第２の相互嵌合メタライゼーションパターンであって、前記第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続される、第２の相互嵌合メタライゼーションパターンと、
    前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに取り付けられるオン電池型電子構成要素であって、バイパススイッチを含む、オン電池型電子構成要素と、
    前記オン電池型電子構成要素を前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続する電気リードとを含み、
    前記複数の後面接点太陽電池は、太陽光モジュール内で電気的に相互接続されることを特徴とする、太陽光モジュール。
15. 請求項１４に記載の太陽光モジュールであって、
    前記電子構成要素は、最大パワーポイントトラッキングのパワーオプティマイザをさらに含むことを特徴とする太陽光モジュール。
16. 請求項１５に記載の太陽光モジュールであって、
    前記電子構成要素は、ＤＣ／ＤＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザをさらに含むことを特徴とする太陽光モジュール。
17. 請求項１５に記載の太陽光モジュールであって、
    前記電子構成要素は、ＤＣ／ＡＣ ＭＰＰＴパワーオプティマイザをさらに含むことを特徴とする太陽光モジュール。
18. 請求項１４に記載の太陽光モジュールであって、
    前記後面接点太陽電池のそれぞれ上の前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンは、前記後面接点太陽電池のそれぞれ上の前記第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに対して直交するように位置合わせされることを特徴とする太陽光モジュール。
19. 請求項１４に記載の太陽光モジュールであって、
    前記電子構成要素は、金属酸化膜半導体の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む回路構成であることを特徴とする太陽光モジュール。
20. 複数の後面接点太陽電池を含み、前記後面接点太陽電池のそれぞれが、
    光捕捉前面および前記光捕捉前面と反対側の後面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記後面上に位置付けられる第１の相互嵌合メタライゼーションパターンと、
    前記半導体基板の前記後面に取り付けられるバックプレーンであって、前記半導体基板を支持する、バックプレーンと、
    前記バックプレーン上に位置付けられる第２の相互嵌合メタライゼーションパターンであって、前記第１の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続される、第２の相互嵌合メタライゼーションパターンと、
    前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに取り付けられるオン電池型電子構成要素であって、最大パワーポイントトラッキングのパワーオプティマイザを含む、オン電池型電子構成要素と、
    前記オン電池型電子構成要素を前記第２の相互嵌合メタライゼーションパターンに接続する電気リードとを含み、
    前記複数の後面接点太陽電池は、太陽光モジュール内で電気的に相互接続されることを特徴とする、太陽光モジュール。

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