TW200908356A - Photovoltaic module comprising layer with conducting spots - Google Patents

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TW200908356A
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TW
Taiwan
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layer
module
battery
conductive
voltage
Prior art date
Application number
TW097115481A
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English (en)
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Gerrit Cornelis Dubbeldam
Edwin Peter Sportel
Original Assignee
Helianthos Bv
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Description

200908356 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 =關於一光伏特(PV)模組，其包括複數個電 物的導電層、-光伏特層及-背 口f5 ^«極層，其中，該光伏特 恳.士 * 僧已括至少一個p-i-n或n-i-p矽 層，本發明又關於一種製造該光伏特模組的方法。 【先前技術】
Ο 當由許多串聯電池組成的—pv模組被部分地遮光時， 該等照明電池可在該等遮光電池上引起一強烈的負(相反 :)電壓。§該寺遮光電池具有一高並聯電阻時該情況顯 者。因為沒有電流產生於該等遮光電池上，該模組電流幾 乎為零’以致該等遮光電池被曝露於該等照明電池之該斷 ^壓處。詩大㈣、統的此類„可非常高，以致該擊 穿電壓能容易地通過。在該等遮光電池中，—強烈的局部 產熱可發生(熱點)而導致該遮光電池的局部損壞。在最糟 的情況下’這些熱點可導致起火。 用於防止熱點的最常見的補救係旁通二極體的應用，哕 應用開始在一個方向上以一相對低電壓導電且在其他方向 上絕緣’如已被描述於美國專利5,223,044及國際專利 2005/1 015Π中者。然而該旁通二極體的該應用昂責。特 別是，薄膜PV模組具有一相對低的擊穿電壓（典型地<8 V)，每個旁通二極體能保護的電池的數量少，例如，用於 薄膜a- Si的大約少於1 〇個。 在薄膜PV模組的情況下’單體旁通二極體可以用於串 130965.doc 200908356 聯的一非常複雜之製程為代價而被製造。 另一方法係所謂的PV支路的該應β，如描述於美國專 利2003/0159728中者。依據此方法，若干由串聯電池組成 的模組係以並聯方式連接的。當一模組被部分地遮光時， . 纟：等遮光電池上的該相反電壓係隨著該等全照明模組的 該電屋而減少。然而整合的串聯與並聯減少了該系統電厚 及增加了該系統電流，且其限制了該系統設計的自由。 ο ㈣洲專利1 G79 441中，—種用於適應-部分遮光的 pv模組之該1¥特性的方法被描述。依據此方法，該等電 被+路於一增加的偏壓交流電壓處，直到該電流開始增 在忒處理之後，該等電池顯示一非線性傳導，其允許 ::光電池以一相對低的電壓傳導該等照明電池的該短路 屯抓、而，此方法取決於該PV電池中偶然點的存在，該 非線性傳導可被引入至該…電池中。此外，與所有電池直 接接觸係必需的。 Ο 纟國專利5,81G，945描述了—種製造-電子微模式裝置的 、 特别係一太陽能電池，至少一個該電極具備一模 . 式。該遮光問題在此參考案中未提及。 / 、
Toet et a 1 /r\ 丁· • T〇et et al•，薄固體膜 296(1977)49_52)描 ,述了 —種用於玻璃基板上多晶矽薄膜之該生長的兩步技 術。邊遮光問題未被提及。 hlgemuth et al. (J. Wohlgemuth and W. Herrmann，用 夕模組之熱點測試’光伏特專家會議，2005， away ’ NJ ’ USA 3-7 January 2005，IEEE，US， 130965.doc 200908356 2005 ， pages 1〇62_1〇63)描
January 3 試，方法。熱點之形成的預防：： 【發明内容】 由此，本發明之—目的係為提供防止熱 而不顯示上述的任佃兮莖敞& 補救方法 的方式施， 弊端’及這可被以-容易且便宜 幻万式知加。現在發現此目 的該耸k 杆了猎由5周適该寻薄膜PV電池 的口亥寻IV特性而實現 位置上引入门拔 寻潯膜PV電池係在精確界定的 發明係關於-光伏特(PV)模…此目的，本 個電池包含一美柘 、、、.“括複數個的電池’每 基板、一透明導電層、一光伏 匕 部電極厚，甘T+T 寸曰 及一月 曰/、中，該光伏特層包括至少一個 . 層，牲St —从 1L)P叫-η或η-卜p矽 ㈣$層每em2上包括犯⑽ 導電點，每個導電點均獨立 再—石夕的 面。 立地擁有一個10至2500 μΓη2的表 【實施方式】
L 此方法係建立在大多數PV雷冰山. 層的主動半導體層組成之情況下。至小一兩邊均具有電極 透明的以致光可到達該主動層。V “些電極層係 依據本發明，該PV雷4 Μ # 電池的該主動層係局部加埶以获^ 層至少部分地轉形 …以致该 w Μ 另一相位。該轉形的材料失去詨PV姓 性，但藉由小心地斗;4· Λ θ Α 特 留。結果該轉料作爲¥體性質可被保 付A 作爲在该等兩個 電路徑，該等兩個電極層在低厂堅處呈有 '之間的非線性導 率及編處且有一相對^處具有—相對較低的導電 有相對“的導電率。更特别地，在— I30965.doc 200908356 1 v電屋下的該等點之該導電率係小於〇·2 —2，而在 一 8 V電壓下該導電率係大於1〇 mA/_2。 在本說明書中，該轉形的材料有時將被表示為再社晶 石夕，㈣形成過程有時將被表示為再結晶之後的炫化。然 @ ’這個描述將決不會被認爲限制本發明之本質。顯铁， . 纟發明之關鍵係導電點之存在，及在他們的經由熱處：的 形成。它不歸因於該石夕之晶形或是否發生炼化或再結晶。 爲了將局部熱產生最小化，許多此類非線性導電點必須 被製造以致每一點上的該電流係小的。 、 通過該等料性導t點之電流可被描述為具有—奇 級數展開： T AA_ V V3 V5 J conducting spots I V / 一 I---!---. R. r3 r5 苴 （i) 再τ conducting spots(v)係在該電壓v [八化爪勺下通過該等導 電點之每單位表面上的該電流；…系在該等兩個電極⑺之 間的5亥電壓，及1/Rn係該級數展開的該第η階係數。 Ο 該範圍係[Vn.cm2/A]。 n' 直接圍繞在一 V=〇的電壓周圍之該部分主要係由r丨決 定’該其次部分也由R3決定，等等。為描述一Pv電池之該 . JV曲線的該基本部分，該等係數1與1係充分的。R1必須
儘3：咼，因爲該線性導電在一低電壓下開始引起損失。R 必須被選擇以致該最大限度可能的電流在一低該 3 壓的電壓下被傳導。 ^牙電 沒有該等非線性導電點之該引人，當該模組短路（Ri二 130965.doc 200908356 1〇，_，R3=1，_，〇〇〇)時，-遮光電池上的該反向電壓在 一具有28個電池的模組上可高達·心。擁有大量電池， f電壓在該遮光電池上增加。大電壓係遠遠超過該擊 電壓。具有該等非線性導電點如2,5〇〇, Μ”。”， ^-遮光電池上的該電壓被限制在·5 v，這低於該擊穿電 2 :R1顯不隨著R 3的該引入-相關的減少。該J V曲線在正 常情况（無遮光）下係幾乎不受該非線性導電點的影響。隨
著電池-増加的數量，當該模組短路時，在一遮光電池上 的該反向電壓保持在大約-5 V。 當非線性導電點應用於—模組的所有電池以致該卜^或 叫石夕層在每⑽2上包括1G至胸個再結以導電點時， 母個導電點均獨立地擁有—個1〇至25⑽一的表面，不論 串％电池之數里為何，遮光均不會導致損害。因為很多均 勾分布的導電點被引入，在該遮光電池中該消散的能量也 破規則地分布在該PV電池上…單_點的過熱被避免了。 X板、”且的性此在正常情况下幾乎不受該等非線性導電點的 影響。 在一較佳實施例中，該PV模組具有一矽層，其在每㈣2 上包括20至500個導電點，更佳地係在每⑽2上％至3〇〇個 導電點，甚至更佳地係在每cm2上8〇至12〇個導電點。在另 —較佳實施例中，該PV模組具有一矽層，其中，該等導電 點具有一30至30(^μιη2表面，較佳地係5〇至15〇 μηι2，更 佳地係60至120 μηι2。 因爲該等點在正常運行狀態下無助於電流產生，較佳地 I30965.doc 10 200908356 係該等導電點的整個表 衣囟積相對杈小。更特別的是，該等 導電點的該表面積盘兮女TTB /.t . 田償〃忒太％旎電池之該電流產生部分的該 表面積之間的該比率較佳地係小於001:1，更佳地係小於 0.001.1作爲―較佳的最小值，_q⑼㈣：丨的比率可被提 及0
本發明的另-目標係提供-種用於製造該等上述PV模 組的方法。非線性導電.點可以幾種方式獲得。一種方式係 藉由施加一直接與長電極相連的該等電池上增加的AC電 壓來獲仔非線性點。，然而這樣做該等點係被隨機地分布且 該等點的性質取決於該pv電池之該主動層的偶然局部狀 態。 界定清晰的點係藉由將一界定的大量能量带至界定位置 上的該PV電池之該主動層而獲得。依據—較佳方法，該卜 或n-i-p矽層在每cm2上10至 1000個點上被局部加熱，每 個點均獨立地擁有1〇至25〇〇 μηι2的表面，藉此，該矽在這 些點中至少部分地被轉形至另一相位。例如，這樣可以執 行一脈衝雷射之聚焦光束而使其波長可被該ρν電池的該主 動層吸收。具有非晶體的矽pv電池’ 一倍頻器Q切換Nd_ YAG ’ Nd-YEL或Nd-YV04雷射可被使用（又=532 nm)。此 類雷射的該脈衝持續時間係短暫的，典型的少於50 ns(奈 秒），更典型地係大約丨5 ns ,以致該直接照明的點吸收所 有能量而不會由於熱傳導而損失。該脈衝能量在一窄波段 内係怪量且在該焦點中該光束腰的該直徑可係小的，如下 式： 130965.doc • 11 - 200908356 ,l_22iF d=- D (2) 其中’ d 係該光束腰的該直徑； λ 係該雷射的該波長；
F 係該聚焦透鏡的該焦距；及 D 係該平行雷射光束進入該透鏡之前的該直徑 其中 D = 5 mm ’ f=100 mm及 λ =5 23 nm則 d=13 μηι。在該 腰部中’該雷射光束具有一高斯強度分布以致由該雷射製 造的該等非線性點的該等尺寸係甚至更小。 本發明進一步地藉由下列本發明之一特別實施例的非限 制描述而顯示。 小尺寸的模組（1Χ7·5 cm2内8個電池）及較大模組（ιχ3〇 cm内28個電池）係用一脈的雷射處理。每一電 池上非線性導電點之一單一列（2點之間距離5〇 pm)被製 造。
該田射處理引入該等電池之一非線性傳導，該傳導可具 有方程式（1)之11„該等值的特徵。一種用於決定的方法在 下文被描述。單一電池的該JV曲線（見SR· Wenham等人之 "光伏特的應用"，ISBN 0 86758 909 4，第33頁） 係該感光電流及該非線性並聯電阻項的延展： 方程式 J = J0 -(e1*1· -l)-j V V3 ---1---h · R, R, 其中’ J 係該電流密度[A/m2] J〇係該暗流密度[A/m2]
Jl係該感光電流密度[A/m2] 130965.doc -12- (3) 200908356 q 係元電荷 k 係波爾兹曼（Boltzmann)常數 n 係該二極體品質因素 Τ 係該溫度[Κ] V 係該每一電池的電壓 -全照明模組的該JV曲線對正常電池1的變化值只係略 微敏感的。當該等電池之一被遮光時，該等JV曲線強烈地 變換。該遮光電池的該感光電流(幾乎)為0。該等照明電池 在該遮光電池上施加—反向電壓係隨著該外電壓源而發生 變化。該遮光電池作為用於該模組之該等照明電池負栽電 阻的種類。當該等電池不會被強烈分流時，該等照明電池 的該理論JV曲線對於Rn係低靈敏度的。與此相反，該遮光 電池的該JV曲線係強烈地取決於心及一具有一遮光電池之 模組的該JV曲線。 首先’該全照明模組之該JV曲線被測量。該平均電池參 數包含Rn係由該曲線決定。其次，當一個電池被遮光時該 模組之該JV曲線被記錄。該遮光電池之Rn的該等值係由_ 曲線適配程序得到。該遮光電池之該感光電流jL，shaded eeU=〇 及只有§玄遮光電池之Rn必須為獲得一恰當的符合而被調 適。R】與R3的該等平均值及該遮光電池之R!與R3的該等值 係由該適配程序產生而被列於表1中。 130965.doc •13· 200908356 表1 :心與尺3之值係源於該曲線適配程序
Ri3平均 R〗，平均 電池4 R>3’電池4 雷射處理前 20,000 2,000,000 6,000 66,000 雷射處理後 3,500 20,000 2,500 13,500 R〗之該平均值的該減少係實際的，R3之該平均值的減少 或多或少係任意的，因為該全照明模組之該計算曲線幾乎 不受該值的影響。該遮光電池之心與Rs的該減少係取決於 可接受的準確度。只要所選擇之Rs之值足夠大，則對配 合該等JV曲線的該相關部分不起關鍵作用。 Γ 該等個別電池的RAR3之該等值可被用於成為該雷射處 理程序之該品質的特徵。恰#運行電池之值的—範圍可被 界定兩個參數·· Rl>1〇〇〇，特別 R]>2〇〇〇 ; i〇〇〇<R3< 50000，特別i〇〇00<R3<5〇〇〇〇(那些值可被更改）。
表2顯示一八電池模組的JV曲線。該第一欄給出該模組 電壓。該第二及第三攔給出該模組電流及在一電池上各自 與該模組電壓相反的該電壓（無遮光）。該第四及該第五搁 給出該模組電流及在該標準遮光電池上與該模組電壓相反 的該電壓（一個遮光電池）。嗜篦a J茨弟/、及5亥第七攔給出該模組 電流及在具有導電點之該遮光電 电吧上興该杈組電壓相反的 該電壓（一個遮光電池）。 圖1顯示一單一電池之該電壓盘— i〜 八電池模組之該電壓 相反的一圖解表示法（數字資料給出於表2中）。 圖2顯示該八電池模組之等； 哥曲線，顯示該模組之該電 流與該模組之該電壓相反（數字f料給出於表2幻。 130965.doc 14 200908356 顯然，在一具有該等導電點的遮光電池上的該反向電壓 係有限的，而在一標準遮光電池上的該電壓幾乎係隨該模 組電壓線性增加。 130965.doc -15- 200908356 表2 V模.组 無遮光 J[A/cm2] 電池 V電池[V] 未處理的 一個遮光 電池 J[A/cm2] VSh 電池[V] 處理的 一個遮光 電池 J[A/cm2] Vsh 電池[V] 0 -0.01333 0.000 -0.00133 -5.753 -0.00858 -4.72066 0.32 -0.01329 0.040 -0.00116 -5.445 -0.00777 -4.53519 0.64 -0.01325 0.080 -0.00101 -5.136 -0.00697 -4.33839 0.96 -0.01321 0.120 -0.00088 -4.826 -0.00619 -4.13143 1.28 -0.01316 0.160 -0.00076 -4.515 -0.00545 -3.91506 1.6 -0.01311 0.200 -0.00065 -4.203 -0.00474 -3.68978 1.92 -0.01305 0.240 -0.00054 -3.964 -0.00407 -3.45636 2.24 -0.01299 0.280 -0.00045 -3.654 -0.00346 -3.21435 2.56 -0.01292 0.320 -0.00037 -3.343 -0.0029 -2.96425 2.88 -0.01284 0.360 -0.0003 -3.030 -0.00239 -2.70627 3.2 -0.01274 0.400 -0.00025 -2.715 -0.00194 -2.44065 3.52 -0.01262 0.440 -0.0002 -2.397 -0.00154 -2.16766 3.84 -0.01246 0.480 -0.00015 -2.078 -0.0012 -1.88769 4.16 -0.01221 0.520 -0.00012 -1.755 -0.00091 -1.60124 4.48 -0.0118 0.560 -8.4E-05 -1.431 -0.00067 -1.30893 4.8 -0.01113 0.600 -5.7E-05 -1.105 -0.00047 -1.01159 4.96 -0.01067 0.620 -4.6E-05 -0.942 -0.00039 -0.86132 5.12 -0.01012 0.640 -3.6E-05 -0.780 -0.00031 -0.71015 5.28 -0.00947 0.660 -2.7E-05 -0.620 -0.00023 -0.55822 5.44 -0.00874 0.680 -1.6E-05 -0.465 -0.00017 -0.40568 5.6 -0.00792 0.700 -3.5E-06 -0.311 -0.0001 -0.25265 5.76 -0.00704 0.720 9.18E-06 -0.157 -3.9E-05 -0.09932 5.92 -0.00609 0.740 2.08E-05 -0.005 6.08 -0.00508 0.760 6.24 -0.00402 0.780 6.4 -0.00292 0.800 6.56 -0.00177 0.820 6.72 -0.00059 0.840 130965.doc -16- 200908356 【圖式簡單說明】 圖1顯示一單一電池之電壓與一個八電池模組之電壓相 比較的一圖解表示。 圖2顯示該八電池模組之該等JV曲線，其顯示該模組之 電流與該模組之電壓的比較。
130965.doc -17-

Claims (1)

  1. 200908356 、申請專利範圍： 1. 二種光伏特(PV)模組，其包括複數個電池，每個電池包 含—基板、一透明導電層、一光伏特層及一背部電極 層，其中該光伏特層包括至少一個矽層，其 特徵為：該⑦層包括在每em2上1()至咖個再結晶石夕導 電點，每個均各自具有一 1〇至25〇〇 μιη2的表面。 2·如請求項1之PV模組，其中該矽層包括在每⑽2上之別至 C 50〇個導電點，較佳地在每cm2上之30至3〇〇個導電點， 更佳地在每cm2上之80至120個導電點。 L如請求模組’其中該等導電點具有—^至则 叫二，較佳地5〇-150_2，更佳地6〇至12〇_2的表面。 2长項2之PV模組’其中該等導電點具有_ ^至3〇〇 ㈣’較佳地50-150 μηι2，更佳地6〇至12〇叫2的表面。 豆種用於製造如請求項丨_4中任—項之ρν模組的方法， 其中該p-i-n或n-i-p石夕層係在每咖2 j 〇至1〇〇〇個點上被局 l加熱’每個點均各自具有一 1〇至25〇〇叫2的表面，藉 P 1 η或n-i-p矽在這些點上被轉形以形成各導電點。 6.如請求項5之方+ , «·丄 、 /、中該加熱係由一脈衝雷射執行。 ns 7·如請求項6之方法，其中該加熱係由-具有—波長“ 二_55〇 nm之間的倍頻Nd_YAG、Nd_YLF或則々〇4雷 ^執订，且其脈衝持續時間係小於50 130965.doc
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