TW201607053A - 具有耦合之展成金屬物件的光伏電池 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種形成光伏電池之方法，其包含將展成金屬物件與半導體材料之表面電耦合。展成金屬物件具有與複數個第二節段相交以形成開口之複數個第一節段。展成金屬物件具有包含複數個焊料襯墊之表面。本發明亦揭示由此方法產生之光伏電池及模組。
Description
本申請案要求2014年6月20日申請並且名稱為「Photovoltaic Cell Having a Coupled Expanded Metal Article」之美國臨時專利申請案第62/014,950號的優先權，其出於所有目的以引用方式併入本文。
本發明係關於耦合至半導體材料之表面以形成光伏電池的金屬物件。
太陽能電池係將光子轉化成電能之裝置。由電池產生之電能經由耦合至半導體材料之電觸點來收集，並且經由與模組中之其他光伏電池之互連來傳遞。太陽能電池之「標準電池」模型具有用於吸收入射太陽能並且將其轉化成電能之半導體材料，其安置於抗反射塗層(ARC)下方，且在金屬背板上方。電觸點通常藉由加熱擴散糊膏在半導體表面上製成，該加熱擴散糊膏係金屬糊膏，將其加熱以使得糊膏經由ARC層擴散並且接觸電池之表面。糊膏總體上圖案化成一組指狀物及匯流排條，然後其用帶狀物焊接至其他電池以產生模組。另一種類型之太陽能電池具有夾在透明導電氧化物層(TCO)之間的半導體材料，然後該導電氧化物層以最終導電糊膏層塗佈，該糊膏層亦組配成指狀物/匯流排條圖案。
在兩種此等類型之電池中，通常為銀之金屬糊膏用於使得電流能夠在水平方向上(平行於電池表面)流動，從而實現太陽能電池之間之連接以便產生模組。太陽能電池金屬化最通常藉由將銀糊膏絲網印刷至電池上、使糊膏固化，然後在絲網印刷之匯流排條上焊接帶狀物來進行。然而，銀相對於太陽能電池的其他組分較昂貴，並且可佔總成本的較高百分比。
為了降低銀成本，用於金屬化太陽能電池的替代方法在此項技術中為已知的。舉例而言，已經嘗試藉由直接將銅塗佈於太陽能電池上來用銅替代銀。然而，塗佈銅之缺點係使電池受銅污染，從而影響可靠性。當直接塗佈於電池上時，塗佈處理量及良率亦可能成問題，此係歸因於塗佈所需要的許多步驟，如沉積種子層、施加掩模，及蝕刻或雷射劃掉塗佈區域來形成所需圖案。在太陽能電池上形成電導管之其他方法包括配置平行導線或封裝導電導線之聚合物片材，並且將其佈置在電池上。然而，使用導線柵格造成問題，如不當製造成本及較高串聯電阻。
此外，在由本申請案之受讓人擁有並且全部以引用方式併入本文之Babayan等人美國專利第8,569,096號中，半導體例如光伏電池之電導管被製造成電鑄獨立金屬物件，其隨後連接至半導體材料。金屬物件與太陽能電池分開地製造並且可包括多個元件如指狀物及匯流排條，其可作為單一工件穩定地傳送並且容易地與半導體裝置對準。金屬物件之元件在電鑄製程中彼此形成一體。然而，金屬物件在電鑄心軸中製造，雖然該電鑄心軸可產生針對太陽能電池或其他半導體裝置來定製之圖案化金屬層，但是它需要額外設備及成本。
因此，在行業中需要用於將導電元件連接至半導體材料表面，從而形成光伏電池的低成本方法。
本發明係關於形成光伏電池之方法。該方法包含以下步驟：提供展成金屬物件(如柵格或絲網)，其具有頂部表面及底部表面；提供具有頂部表面及底部表面之半導體材料，並且將展成金屬物件之一個表面與半導體材料之一個表面電耦合，以形成光伏電池。展成金屬物件包含與複數個第二節段相交並且形成開口之複數個第一節段，並且物件之表面中之至少一者包含複數個焊料襯墊。在一個實施例中，半導體材料之底部表面包含複數個銀襯墊，並且展成金屬物件之表面上之複數個焊料襯墊中之大部分與半導體材料之底部表面上之複數個銀襯墊電接觸。在另一實施例中，半導體材料之頂部表面包含複數個銀節段，並且展成金屬物件之表面上之焊料襯墊中之大部分與半導體材料之頂部表面上之複數個銀節段電接觸。
本發明進一步係關於所形成的光伏電池。
應理解上述發明內容與以下實施方式兩者都僅為例示性及說明性的且意欲提供如所要求的本發明之進一步說明。
10、20、30‧‧‧展成金屬物件
11‧‧‧第一元件
12‧‧‧第二元件
13‧‧‧開口
14、24、34‧‧‧焊料襯墊
25、35‧‧‧半導體材料
26‧‧‧銀節段
37‧‧‧銀襯墊、正方形銀襯墊
本文所描述之本發明之態樣及實施例中之每一者可單獨使用或彼此結合使用。現將參閱附圖描述此等態樣及實施例。
圖1示出用於形成光伏電池之展成金屬物件之實施例。圖2及圖3示出所形成的光伏電池之實施例。
應瞭解上述附圖不一定按比例繪製，其提供說明本揭示案之基本原理之各種較佳特徵之稍微簡化表達。本揭示案之具體設計特徵，包括例如具體尺寸、定向、位置及形狀，將部分地藉由具體預定應用及使用環境來確定。
本發明係關於包含連接的展成金屬物件之光伏電池。
根據本發明，該方法包含提供展成金屬物件、提供半導體材料，及將其電耦合之步驟。「展成金屬物件」一詞係指藉由已知製程製備之金屬物件，在該製程中將呈片材或板形式之金屬同時以定義之圖案來切開並拉長(即，展成)以產生具有連續絲網或柵格樣結構之金屬物件。雖然類似柵格圖案亦可藉由衝壓操作在金屬片材中形成，但是此等方法產生大量廢棄材料。相比而言，本文揭示之展成金屬製程基本上產生具有特別設計開口或孔洞之金屬物件而無需去除任何材料以產生該等開口或孔洞。所得展成金屬可捲繞成輥並且隨後切割成特定大小的獨立片段用於各種應用。
用於本發明的方法中之展成金屬物件可包含可使用展成金屬製程來形成柵格之任何金屬，較佳導電金屬。舉例而言，展成金屬物件可包含鎳、銅、鋁、銀、鈀、鉑、鈦或鍍鋅鋼或不銹鋼。亦可使用此等金屬之合金。較佳地，展成金屬物件包含銅及更佳地為銅柵格。
展成金屬物件包含與複數個第二節段相交，從而形成開口之複數個第一節段，並且開口形狀不受特別限制。舉例而言，物件中之開口可為菱形、正方形、六邊形、卵形(具有類似於卵或橢圓形之形狀)或圓形。
此等形狀亦可為細長的，此視藉以形成並展成開口之製程之方向性而定。另外，不規則形狀亦為可能的，此視例如如何產生並展成起始金屬片材中之狹縫而定。開口之尺寸及第一及第二元件之尺寸亦可視例如展成金屬物件電耦合半導體材料之哪一側而變化，以下更詳細描述。舉例而言，開口可具有約2mm至約20mm之尺寸(如長度或寬度)。作為具體實例，展成金屬物件可包含具有約3mm至約7mm之寬度及約10mm至約15mm之長度的菱形開口。此外，第一及第二節段可具有約0.5mm至約10mm，包括約1mm至約5mm之寬度。亦可使用較薄節段，只要展成金屬物件在操作期間保持為連續柵格即可。
展成金屬物件之厚度亦可視例如成本、操作特徵、製成該展成金屬物件之金屬片材之厚度，以及所得光伏電池之合意載流需求而變化。舉例而言，展成金屬物件可具有約25微米至約300微米，包括約50微米至約200微米及約75微米至約150微米之厚度。較薄展成金屬物件可用於高度導電金屬而不犧牲光伏性能，而相對較厚物件可用於具有較差機械強度但是較低成本(包括加工成本)之金屬。
展成金屬物件進一步包含複數個焊接點，其被組配來使得金屬物件能夠電耦合至半導體材料以形成光伏電池。焊接點可定位於展成金屬物件之頂部或底部表面上之不同位置並且可包含在此項技術中已知之任何焊接材料。舉例而言，焊接點可為具有例如正方形、長方形或圓形形狀之焊料襯墊，並且此等襯墊可定位於相交的第一及第二元件上或，較佳地在此等元件之相交點處。替代地或附加地，與展成金屬物件之表面之其餘部分相比，焊接點包含較高量焊料區域。舉例而言，待耦合至半導體材料之展成銅金屬物件之表面可塗有具有約1至約10微米，如2至約5微米之厚度之焊料層，該焊料層可用於例如幫助防止銅電遷移，並且進一步可包含具有約15至約30微米，如約20至約25微米之厚度的複數個包含焊料之位置。
用於本發明的方法中之展成金屬物件之實施例之具體實例在圖1中示出。熟習此項技術者應顯而易知所提供的圖式僅僅為例示性的並且不具有限制性，僅作為舉例來提供。在給定本揭示案之益處的情況下，
許多改進及其他實施例在普通熟習此項技術者之技能範圍內，並且設想為屬於本發明的範圍內。另外，熟習此項技術者應認識到具體配置為示範性的並且實際配置視具體系統而定。僅僅使用例行實驗，熟習此項技術者亦能夠辨識並識別所示具體元件之等效物。
如圖1中示出，展成金屬物件10包含與複數個第二元件12
相交的複數個第一元件11，從而形成具有複數個開口13之連續柵格或網狀結構，該等開口在此實例中為菱形的。另外，展成金屬物件10進一步包含複數個焊料襯墊14，如所示，該等焊料襯墊在表面周邊以及內部位置之相交點處圍繞展成金屬物件10之表面定位。
如上所述，本發明的方法包含將展成金屬物件電耦合或連接
至半導體材料，如非晶矽、結晶矽(包括多晶矽及單晶矽)，或適用於光伏電池中之任何其他半導體材料。半導體材料可具有不同大小及形狀並且可包含例如正方形多晶矽電池或單晶矽電池，其具有有時被稱為偽正方形形狀的圓形隅角。其他材料在此項技術中為已知的。
半導體材料具有作為欲形成的光伏電池之光入射表面之頂
部表面，及作為電池的不曝露於光之相反側面的底部表面，並且展成金屬物件可電耦合至任一表面。雖然耦合可在展成金屬物件或半導體材料之表面上任何位置處發生，但較佳金屬物件與半導體材料重合，並且展成金屬物件大致上跨越半導體材料之表面，如頂部或底部表面。然而，展成金屬物件亦可延伸超過半導體表面，從而形成互連元件，該互連元件可用於將多個光伏電池連接在一起以形成模組。半導體材料之至少一個表面包含接觸展成金屬物件之複數個點。較佳地，展成金屬物件之表面上之焊接點中之大部分電耦合半導體材料上之複數個接觸點並且因此與其電接觸。
半導體材料之表面上之接觸點視例如金屬物件耦合哪一個
表面而定。在一個實施例中，半導體材料之頂部表面包含複數個銀節段，並且展成金屬物件耦合至此等節段。複數個銀節段可為例如橫越半導體材料之頂部表面自一個邊緣至相對邊緣之平行銀指狀物之線性陣列。此種配置為常見的並且在光伏電池中為熟知的。或者，銀節段可為跨過半導體表面線性配置之線性銀節段，形成例如自表面之一個邊緣橫越至相對邊緣之
斷裂平行銀線或指狀物。其他配置亦為可能的並且為熟習此項技術者已知的。
對於此實施例，因為頂部表面曝露於光，重要的是展成金屬
物件具有將半導體表面之遮蔽減少到最低限度之開口尺寸及節段寬度並且由此具有較高開放區域百分比(其為未由金屬物件遮蔽之半導體材料之百分比)。較佳地，本發明之此實施例之所得光伏電池具有大於約90%，更佳地大於約93%並且最佳地大於約95%之開放區域百分比。
在本發明的方法之第二實施例中，展成金屬物件電耦合至半
導體材料之底部表面，其包含複數個銀襯墊作為接觸點。銀襯墊可為任何形狀，例如像，正方形、長方形或圓形，並且與展成金屬物件之表面上之焊料襯墊相比，可具有相同或不同尺寸及/或形狀。銀襯墊可定位於圍繞半導體材料之底部表面的任何位置處，包括均勻分佈的規則陣列。其它銀襯墊可圍繞半導體材料之邊緣定位，從而確保安全接觸。
對於此實施例，因為半導體材料之底部表面將不曝露於光，
所以與頂部表面之較佳要求相比，關於遮蔽之限制可為不嚴格的。因此，對於此實施例，展成金屬物件之開口尺寸及節段寬度可較大並且開放區域百分比可較小。舉例而言，較佳本發明之此實施例之所得光伏電池具有大於約80%、更佳地大於約85%，並且最佳地大於約90%之開放區域百分比。
在本發明的方法中產生之所得光伏電池之具體實例在圖2
及圖3中展示。因此，在圖2中，包含複數個焊料襯墊24之展成金屬物件20展示為電耦合至包含複數個銀節段26之半導體材料25之頂部表面。另外，在圖3中，包含複數個焊料襯墊34之展成金屬物件30展示為電耦合至包含複數個正方形銀襯墊37之半導體材料35之底部表面。如可發現，大部分焊料襯墊24及34與銀節段26或銀襯墊37電接觸。
如以上論述，半導體材料之一個或兩個表面與展成金屬物件
電耦合。若僅使用一個表面，則其他表面可使用任何已知方法耦合以完成光伏電池中之電路。舉例而言，在本發明方法中，不同於展成金屬物件之獨立金屬物件可電耦合至可利用半導體表面以形成光伏電池。具體而言，可使用包含複數個電鑄元件之金屬物件，該等電鑄元件互連以形成包含柵
格線之單一獨立工件，如美國專利第8,569,096號所描述者。
本發明進一步係關於藉由如上所述的方法產生之光伏電
池。光伏電池包含電耦合至半導體材料之表面之展成金屬物件。展成金屬物件包含與複數個第二節段相交以形成開口之複數個第一節段並且進一步包含複數個焊接點，如焊料襯墊，並且半導體材料較佳包含用於展成金屬物件之複數個接觸點。展成金屬物件及半導體材料可為如上所述之任何材料。在一個實施例中，半導體材料具有包含複數個銀節段，如銀指狀物之頂部或光入射表面，並且展成金屬物件之表面上之複數個焊料襯墊中之大部分與半導體材料上之複數個銀節段電接觸。在第二實施例中，半導體材料具有包含複數個銀襯墊之底部或非光入射表面，並且展成金屬物件之表面上之複數個焊料襯墊中之大部分與半導體材料上之複數個銀節段電接觸。關於本發明方法之如上所述各種組合及實施例亦可涉及本發明之光伏電池。所得電池可耦合以形成光伏模組。
本揭示案之較佳實施例之前述描述已出於說明及描述之目的而提供。其不欲為無遺漏的或將實施例限於所揭示的精確形式。根據以上之教示內容，修改及變化為可能的或可獲自本發明之實踐。可對實施例進行選擇及描述以說明本發明之原理及其實際應用，且使得其他一般技藝人士能夠根據各種實施例及在各種修改的情況下利用本發明，對於所涵蓋之特定用途而言同樣適合。意欲本發明之範圍由隨後所附之申請專利範圍及其等效物來限定。
10‧‧‧展成金屬物件
11‧‧‧第一元件
12‧‧‧第二元件
13‧‧‧開口
14‧‧‧焊料襯墊
Claims (38)
- 一種形成一光伏電池之方法，該方法包含以下步驟：i)提供一展成金屬物件，其包含與複數個第二節段相交以形成一開口之複數個第一節段，該展成金屬物件具有包含複數個焊料襯墊之一表面；ii)提供具有包含複數個銀襯墊之一底部表面之一半導體材料；以及iii)將該展成金屬物件與該半導體材料電耦合以形成該光伏電池，其中該展成金屬物件之該表面上之該複數個焊料襯墊中之大部分與該導體材料之該底部表面上之該複數個銀襯墊電接觸。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該展成金屬物件至少大致上橫跨該半導體材料之該底部表面。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該展成金屬物件包含銅。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該開口為菱形、正方形、六邊形、卵形或圓形。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該開口具有約2mm至約20mm之一寬度或一長度。
- 如申請專利範圍第5項之方法，其中該開口為菱形，該寬度為約3mm至約7mm，並且該長度為約10mm至約15mm。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一節段及該第二節段具有約0.5mm至約10mm之一寬度。
- 如申請專利範圍第7項之方法，其中該寬度為約1mm至約5mm。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該展成金屬物件具有約25微米至約300微米之一厚度。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中該厚度為約50微米至約200微米。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中該厚度為約75微米至約150微米。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該光伏電池具有大於約80%之一開放區域百分比。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中該開放區域百分比大於約85%。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中該開放區域百分比大於約90%。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該展成金屬物件包含延伸超過該 半導體材料之該底部表面之一互連元件。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體材料具有一頂部表面，並且其中該方法進一步包含將一獨立金屬物件與該半導體材料之該頂部表面電耦合以形成該光伏電池之步驟。
- 如申請專利範圍第16項之方法，其中該金屬物件包含複數個電鑄元件，該等電鑄元件互連以形成包含柵格線之一單一獨立工件。
- 一種形成一光伏電池之方法，該方法包含以下步驟：i)提供一展成金屬物件，其包含與複數個第二節段相交以形成一開口之複數個第一節段，該展成金屬物件具有包含複數個焊料襯墊之一表面；ii)提供具有包含複數個銀節段之一頂部表面之一半導體材料；以及iii)將該展成金屬物件與該半導體材料電耦合以形成該光伏電池，其中該展成金屬物件之該表面上之該複數個焊料襯墊中之大部分與該半導體材料之該頂部表面上之該複數個銀節段電接觸。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該展成金屬物件至少大致上橫跨該半導體材料之該頂部表面。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該展成金屬物件包含銅。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該開口為菱形、正方形、六邊形、卵形或圓形。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該開口具有約2mm至約20mm之一寬度或一長度。
- 如申請專利範圍第22項之方法，其中該開口為菱形，該寬度為約3mm至約7mm，並且該長度為約10mm至約15mm。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該第一節段及該第二節段具有約0.5mm至約10mm之一寬度。
- 如申請專利範圍第24項之方法，其中該寬度為約1mm至約5mm。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該展成金屬物件具有約25微米至約300微米之一厚度。
- 如申請專利範圍第26項之方法，其中該厚度為約50微米至約200微米。
- 如申請專利範圍第26項之方法，其中該厚度為約75微米至約150微米。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該光伏電池具有大於約90%之一開放區域百分比。
- 如申請專利範圍第29項之方法，其中該開放區域百分比大於約93%。
- 如申請專利範圍第29項之方法，其中該開放區域百分比大於約95%。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該展成金屬物件包含延伸超過該半導體材料之該頂部表面之一互連元件。
- 如申請專利範圍第18項之方法，其中該半導體材料具有一底部表面，並且其中該方法進一步包含將一獨立金屬物件與該半導體材料之該底部表面電耦合以形成該光伏電池之步驟。
- 如申請專利範圍第33項之方法，其中該金屬物件包含複數個電鑄元件，該等電鑄元件互連以形成包含柵格線之一單一獨立工件。
- 一種光伏電池，其包含電耦合至一半導體材料之一展成金屬物件，其中該展成金屬物件包含與複數個第二節段相交以形成一開口之複數個第一節段，該展成金屬物件具有包含複數個焊料襯墊之一表面；該半導體材料具有包含複數個銀襯墊之一底部表面；並且該展成金屬物件之該表面上之該複數個焊料襯墊中之大部分與該半導體材料之該表面上之該複數個銀襯墊電接觸。
- 如申請專利範圍第35項之光伏電池，其中該半導體材料具有一頂部表面，並且其中一獨立金屬物件與該半導體材料之該頂部表面電耦合以形成該光伏電池。
- 一種光伏電池，其包含電耦合至一半導體材料之一展成金屬物件，其中該展成金屬物件包含與複數個第二節段相交以形成一開口之複數個第一節段，該展成金屬物件具有包含複數個焊料襯墊之一表面；該半導體材料具有包含複數個銀節段之一頂部表面；並且該展成金屬物件之該表面上之該複數個焊料襯墊之大部分與該半導體材料之該頂部表面上之該複數個銀節段電接觸。
- 如申請專利範圍第37項之光伏電池，其中該半導體材料具有一底部表面，並且其中一獨立金屬物件與該半導體材料之該底部表面電耦合以形成該光伏電池。
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