TW201917908A - 製造光伏打模組之方法 - Google Patents

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Abstract

本揭示內容提供了在聚合性材料的表面之內或之上形成導電金屬圖案的方法。該方法包含提供該聚合性材料並在該聚合性材料之上或之內形成預定圖案。該方法亦包含使用電化學製程形成與該預定圖案對準的導電金屬圖案，並將黏合材料施加至該導電形成的導電金屬圖案的至少一部分。該黏合材料適用於黏合至電氣裝置的導電區域，例如太陽能電池，並可藉此幫助太陽能電池陣列互連至光伏打模組內。

Description

製造光伏打模組之方法
發明領域 本發明關於光伏打模組製造的領域，而且尤其但非排外地，關於個別太陽能電池裝置的互連以形成可連接至電路而生成電力的光伏打模組。
發明背景 用於將陽光轉換成電能的大部分光伏打模組包含矽(Si)陣列太陽能電池裝置。個別太陽能電池通常使用摻雜的晶體Si晶圓製造，該Si晶圓被加工成包括電子收集區域和電洞收集區域。該等載子收集區域可藉由固態擴散或藉由施加可在電池被照射時選擇性地收集一個載子極性的表面層來形成。為了從太陽能電池中提取光生成的電載子，包含金屬電極(或接點)的導電區域通常形成得和該電池的電子和電洞接觸區域兩者接觸。隨後可將導線黏合或連接至該等金屬電極，使得該個別太陽能電池能夠連接以串聯或並聯電氣配置構形的太陽能電池陣列。隨後可將依此佈局與互連的電池與包封劑層壓至光伏打模組中，該光伏打模組可安裝在現場以經由吸收太陽能來發電。
大部分Si光伏打模組的太陽能電池是藉由焊接接合配線互連到形成在光伏打模組中的各個太陽能電池上的金屬匯流排區域。該等匯流排區域通常與較薄金屬軌道、或指狀物的陣列接觸，該等係垂直於匯流排定向並作用於從下方的矽提取光生電流。包含導電指狀物與匯流排的的電極柵格包含了電池級金屬化作用且通常藉由在太陽能電池上網版印刷含有銀或鋁的金屬糊料而形成。柵格電極亦可藉由電鍍諸如鎳、銅(Cu)及/或Ag的金屬形成。儘管，後者製程可使金屬材料成本降低且得到極窄的金屬指狀物，但由於不太成熟的製程，因此不太常用。
焊接製程需要局部加熱和壓力，這可能導致Si晶圓中的微裂紋。在使用薄型Si晶圓(譬如＜ 160微米)以降低Si材料成本時，此為特別顧慮之處。此互連製程的另一個不希望的方面在於通常用於互連模組中的毗鄰電池的導電接合配線塗有鉛(Pb)-基底合金，以確保低熔點並降低可進行焊接的溫度。由於鉛對人及其他物種的有害效應，在製造產品中使用鉛是不合需要的。另可使用無鉛焊料；然而，該等合金通常需要在較高溫度下焊接，其為不合需要的。
儘管多年來焊接匯流排互連已經成為工業上可接受的互連太陽能電池的方式，但由於其較大的面積和提高的能量轉換效率而在最近製造的電池中實現的增加的光生電流已使得降低由於串聯電阻所致的功率損耗更具挑戰性。可藉由增加電池上的匯流排數量來解決此問題。經由此調整，可降低由於串聯電阻所致的功率損耗，因為在指狀物與匯流排兩者中流動的電流的幅度與僅具兩個或三個匯流排的太陽能電池中的電流的幅度相比之下減少了。再者，由於指狀物可更薄，因此需要較少的Ag，所以可降低電池金屬化成本。然而，由於對於更薄匯流排的對準的更嚴格要求，該等性能與成本優勢被自動接合製程的複雜性增加所抵消。再者，匯流排的黏附性可能受到各個個別匯流排的縮減電池接觸面積的影響。
為了解決該等挑戰，已經開發了不需要在太陽能電池表面上形成匯流排接觸區域的眾多另擇互連方法。在一個另擇方式中，塗覆有低熔點合金的Cu配線陣列是以陣列對準並黏附至黏合劑聚合物上。隨後可將此含有配線的聚合物板放置在金屬化電池上方，在層壓製程中在太陽能電池的金屬指狀物與塗有合金的配線之間發生黏合。由第四天能源公司(Day-4 Energy)首次報導的此專有製程是由梅耶博格股份有限公司(Meyer Burger)商業化為智慧配線互連技術(Smartwire Interconnection Technology，SWCT)。
另個以配線為基礎的互連製程是德國公司史密特(Schmid)首次報導的多重BB (MultiBB)製程。與SWCT製程不同，多重BB製程不需要將Cu配線固持在黏合劑聚合物中。相反，提供了將配線定位在金屬化電池陣列上方的接合設備，並且配線和電池之間的接合是藉由紅外線焊接實現。已經報導了以配線為基礎的該等互連方案的其他變化型。舉例來說，在GTAT的梅林(Merlin)技術中，在層壓製程期間發生黏合而在電池表面上方放置自由形式的金屬配線網絡。Meyer等人報導了一種多線穿線方式，該方式使用在上下纏繞線陣列之間運行的垂直排列的配線網絡。在後者情況下，使用焊接實現接合，並且使用機械致動器來切斷配線以防止電短路(L. Meyer et al., Manufacturable Multiwire Stringing and Cell Interconnection for Si Cells and Modules, IEEE Photovoltaics Specialist Conference 2017, Washington, DC)。
在所有該等另擇的以配線為基礎的互連製程中，消除了在電池上形成匯流排接觸區域的需求。這有益於太陽能電池裝置的性能，因為金屬接觸區域處的電載子重組的速率遠高於塗覆有介電材料的表面。再者，藉由能夠比現有的接合配線(寬度範圍介於0.8至1.5 mm)更緊密地定位配線，可實質上縮減指狀物的長度(即，匯流排之間的距離)。以配線為基礎的互連的此特徵對於網版印刷和鍍Cu金屬化都是有利的。對於網版印刷的電池金屬化，其可減少所需的糊料厚度，藉此減少所需Ag的量並因此降低Ag的成本。對於鍍覆的電池金屬化，需要鍍覆較少的金屬，其可改善金屬的黏附性並減少電鍍時間。再者，使用圓形配線代替互連配線的扁平凸板可致使模組的下方電池中的光捕獲增加，因為照射在彎曲表面上的光線以更傾斜的角度反射回到前方玻璃，致使光線被全內反射回到電池中的機率更高，藉此增加了在太陽能電池中被吸收的機率，致使光電流增加。
然而，該等另擇製程亦存在一些缺點。通常，與傳統上使用的接合配線焊接相比，彼等導致Si光伏打模組生產商的互連成本增加。由於使用含銦金屬合金和黏合劑聚合物板(在SWCT的情況下)，以及在製造商工廠執行互連製程所需的昂貴的專有接合設備或機械致動器，可能產生該等成本。
由於使用連續預成型配線，因此產生了配線加工設備所需的複雜性部分。對於在兩個表面上均具有電極的最常生產的太陽能電池的串聯互連，配線必須從一個電池的p型表面延伸到毗鄰電池的n型表面(即，從電池的前表面到後表面)。因此，接合設備必須包括配線切割與黏合功能性或複雜的電池佈局能力。
配線的使用亦限制了互連配置的靈活性。從歷史上看，光伏打模組已使用旁路二極管來藉由提供與電池串(cell string)並聯的另擇電流路徑來減輕局部陰影的影響，該電流路徑可避免功率在非陰影電池中消散並引起局部加熱。隨著以模組為基礎的電子設備成本的降低，串型DC/DC優化器和不同的串聯/並聯構形可用作旁路二極管的另擇選項。假使串級DC/DC優化器可以允許在故障時更換的方式整合至模組中，則此可提供優於旁路二極管整合在經包封的光伏打模組內的情況。因此，有機會以俾使省去旁路二極管，有利於更靈活的故障時可更換的模組級電路的方式來設計互連電路。
在層壓過程期間依賴於金屬合金結合的以配線為基礎的互連方案的高成本部分地是因為經合金塗覆之配線的整個表面必須塗覆有金屬合金材料，儘管實際上僅在黏合至金屬指狀物的配線表面上需要合金。此因素導致材料成本增加，假使必須使用昂貴金屬(譬如，銦)來實現與太陽能電池上的金屬指狀物的可靠結合，則材料成本可能是相當大的。
所需要的是經改良的太陽能電池互連方法。
發明概要 本發明的態樣提供了允許互連電池而不使用傳統匯流排區域的技術。此允許提供基於導線之互連方法的優勢，同時，為模組製造商提供更低成本且更靈活的解決方案。
根據第一態樣，本發明提供了一種在聚合性材料的至少一部分上形成導電金屬圖案的方法，該方法包含下列步驟： 提供該聚合性材料； 在該聚合性材料之上或之內形成預定圖案； 藉由使用電化學製程沉積第一材料來形成與該預定圖案對準的導電金屬圖案；以及 將第二材料施加至該形成的導電金屬圖案的至少一部分，該第二材料適用於黏合至該形成的導電金屬圖案的至少該部分及黏合至電氣裝置的一或多個導電表面。
在一個特定具體例中，該方法包含： 提供具有一或多個導電表面的至少一個電氣裝置； 使該至少一個電氣裝置的該一或多個導電表面和施加至該形成的導電金屬圖案的該至少一部分的該第二材料接觸；以及 使該聚合性材料和該至少一個電氣裝置的該一或多個導電表面退火，俾使該經施加的第二材料黏合至該至少一個電氣裝置的該一或多個導電表面及該形成的導電金屬圖案的該至少一部分。
退火該聚合性材料通常在高達160ºC的溫度下執行。該退火通常在周遭壓力為40-60kPa的環境中執行。
該電氣裝置可包含下列的一或多者：半導體裝置，例如太陽能電池與發光二極體；含有被動元件與主動元件的電路；以及感測器或天線元件。
該方法可更包含在形成與該預定圖案對準的該導電金屬圖案之前，先以第三材料對位於該形成的預定圖案的該聚合性材料的至少一部分加襯。該第三材料可為難熔金屬或金屬合金，包含來自Ti、Ta、W、Mo、Ni、Pt、N、Co與Si群組的一或多個元素。
在該聚合性材料之上或之內形成預定圖案可包含： 將遮蔽層施加至該聚合性材料的表面；以及 在該遮蔽層與聚合性材料之內形成該預定圖案。
再者，對位於該預定圖案的該聚合性材料的表面加襯可包含： 將該第三材料沉積在已形成的該預定圖案與該聚合性材料上方； 以及 去除該遮蔽層，俾使該第三材料僅覆蓋位於該預定圖案的該聚合性材料。
該遮蔽層可藉由施加熱量及/或壓力而附著至該聚合性材料。
該預定圖案可包括穿透該聚合物的該整個厚度的至少一個凹部或洞。該導電金屬圖案的該金屬可穿透或進入該至少一個凹部及/或進入該至少一個洞。
該第三材料可配置成提供作為該第一材料的擴散阻擋層，以防止或減少該第一材料擴散進入該聚合性材料的可能性。
另擇地或另外地，該第三材料可配置成提供晶種層，當該第一材料沉積在該第三材料的該表面上時，促進該第一材料的黏附性。
在具體例中，適用於黏合至該導電金屬圖案的該金屬的該材料包含低熔點金屬合金。
在一些具體例中，在退火之前，可將該導電金屬圖案的至少該部分與該施加的第二材料加熱，使該施加的第二材料回流，以在該導電金屬圖案的至少一部分上方形成均勻的合金塗層。
回流可包含施加局部熱，以在該導電金屬圖案的至少一部分上方形成均勻的合金金屬塗層。
在一些情況中，回流是在介於160ºC與180ºC之間的溫度進行。或者，回流是在介於140ºC與160ºC之間的溫度進行。
在具體例中，該第二材料包含導電黏著劑。
在具體例中，形成與該聚合性材料的該表面對準的該預定圖案包含： 將該聚合性材料的該表面的一或多個區域結構化；以及 選擇性地僅在已結構化的該聚合性材料的該表面的該等區域上沉積該第三材料。
該結構化可使用具有少於15 ps的脈衝持續時間的脈衝雷射進行。再者，該結構化可使用UV雷射進行。
該第三材料可使用無電沉積製程沉積並可為下列材料之一：Ni、Sn、Ag、W、Mo、Co或該等元素的合金。
在一些具體例中，進行該結構化，俾使形成開口且該開口延伸穿過該聚合性材料的該厚度。該導電金屬圖案可藉由電鍍形成並延伸穿過該聚合性材料的整個該厚度。
再者，以第三材料對位於該形成的預定圖案的該聚合性材料的表面加襯可包含在該聚合性材料的該表面或遮蔽層上濺鍍金屬，以形成導電晶種層。
在一些具體例中，在該聚合性材料之上或之內的該預定圖案是使用噴墨印刷、氣溶膠印刷或網版印刷的一者、或組合沉積導電晶種層來形成。
在一些具體例中，形成該形成的導電金屬圖案的至少一部分是用以增加入射在該導電圖案表面上的光的散射。該導電金屬圖案的該光散射可藉由使用具有結構化表面的電鍍心軸來達成。
在具體例中，形成該導電金屬圖案包括電鍍步驟。該電鍍步驟可使用捲盤至捲盤(reel-to-reel)製程進行，其中該聚合性材料通過包含至少一個金屬離子鹽的電解質。
在一些具體例中，該導電金屬圖案含有Cu。再者，能夠黏合至該導電金屬圖案的金屬的該材料可使用印刷或分配製程施加。
在一些情況中，該低熔點金屬合金是藉由電鍍製程形成，該電鍍製程涉及包含對應於該低熔點金屬合金的該等元素的金屬離子的化學浴。
根據第二態樣，本發明提供了一種製造包含至少兩個太陽能電池的光伏打模組的方法，且該等太陽能電池的至少兩者具有在至少一個表面上的一或多個導電區域，該方法包含下列步驟： 設置模組背板，該背板包含聚合物、聚合物複合材或玻璃材料； 設置第一聚合性材料板，該聚合性材料具有預定導電金屬圖案且至少一部分塗有黏合表面，該黏合表面包含該聚合性材料的表面上所露出的第二材料； 將該第一聚合性材料板配置在該模組背板上方； 將該複數個太陽能電池配置在該第一聚合性材料板上方，各個太陽能電池具有在該太陽能電池表面上的至少一個導電區域，該等太陽能電池配置成俾使來自各個太陽能電池的該至少一個導電區域和該第一聚合性材料板上所露出的該黏合表面接觸； 設置第二聚合性材料板，其配置成覆蓋該複數個太陽能電池； 在該第二聚合性材料板上方配置實質上透明的前板；以及 層壓該模組背板、該第一聚合性材料板、該複數個太陽能電池、該第二聚合性材料板以及該前板； 其中，在層壓期間，該複數個太陽能電池的至少一個導電區域和該第一聚合性材料板上所露出的該黏合表面的一部分黏合，並且在至少一對毗鄰太陽能電池之間形成電路連接。
該背板可由包括適宜玻璃或聚合性材料的任何適宜材料形成。
該第一聚合性材料板可根據本發明第一態樣的方法製造。
根據第三態樣，本發明提供了根據本發明第二態樣的方法製造的光伏打模組。
該光伏打模組中的兩個毗鄰太陽能電池之間的該電連接可藉由在該兩個毗鄰太陽能電池之間延伸的該聚合性材料中的該導電金屬圖案的元素來形成。
該光伏打模組中的毗鄰太陽能電池之間的該電連接可藉由該第一與第二聚合性材料板上所露出的經對準黏合表面之間的黏合來形成，該黏合在層壓步驟期間發生。
該太陽能電池上的該導電區域可包含金屬元素。該太陽能電池的該導電區域亦可包含導電氧化物區域。
本發明具體例的優勢包括用於有效地互連光伏打模組中的電池的新穎方法。尤其，根據具體例，可在不使用傳統匯流排區域來互連電池。有利地，此降低了成本，同時保持或改善了裝置的電氣性能。再者，為光伏打模組生產商提供了不必購買和維護昂貴的專有接合設備以實現執行電池互連的優勢。
具體例的詳細說明 下面說明用於將太陽能電池互連到模組中的方法。儘管參考Si光伏打模組製造說明，但該方法亦可應用於包含其他吸收劑材料和需要電性互連及/或包封的其他電氣與電子設備的光伏打模組。
該方法的具體例允許簡化光伏打模組生產者的電池金屬化和互連製程，並消除了作為產品生產線的一部分執行配線操作製程的需要。
所述方法的具體例允許藉由使光伏打模組生產商有可能購買預先金屬化的包封劑(聚合物)板並執行電池互連作為模組層壓製程的一部分來簡化製造過程。像是現有以配線為基礎的互連製程，本發明的具體例不需要在電池表面上形成匯流排區域，使得能夠實現更高的電池電壓。然而，本發明的具體例提供了由於直接金屬化製程而降低材料成本、金屬化圖案的更大靈活性以及經由在直接形成在表面包封劑之上或之內的導電金屬圖案中併入光結構化特徵來增強光捕獲的額外益處。
該方法涉及在聚合物(其用作模組中的包封劑)上產生導電金屬圖案，並將黏合材料施加到導電金屬圖案的至少一部分，俾使露出導電金屬圖案的一部分。聚合物可具有貫穿孔(through-holes) (亦稱為通孔(vias))及/或凹部及/或平坦表面部分。導電材料可至少部分地穿透貫穿孔及/或至少部分地穿透到凹部內及/或沿著聚合物的平坦表面部分延伸。當依此金屬化聚合物被加熱並且導電金屬圖案的露出部分與第二導電表面(譬如，金屬化太陽能電池的金屬指狀物與匯流排區域)接觸時，在金屬化聚合物的導電金屬圖案與電氣或電子裝置的導電表面之間形成黏合。
兩個此類金屬化聚合物板可用於製造包含個別太陽能電池陣列的光伏打模組，其中電流從電池的兩個表面提取。可設計各個金屬化聚合物板的導電金屬圖案，俾使藉由下列製造光伏打模組：簡單地將電池放置在直接放置在模組背板(或玻璃)上的第一金屬化包封聚合物板上方，簡單地將電池放在直接放置在模組背板(或玻璃)上的第一金屬化包封聚合物板上，用第二(上部)金屬化包封聚合物板和模組玻璃覆蓋所配置的電池層，隨後層壓該總成。在層壓步驟期間，金屬化聚合物的導電金屬圖案的露出部分經由黏合材料的作用與電池金屬化的區域黏合。而且，第一與第二聚合物板上的金屬區域之間的黏合使模組中的毗鄰太陽能電池互連，允許電流在彼等之間流動。 隨著聚合物在加熱時軟化，其將互連的太陽能電池包圍為包封劑。黏合材料可包含在低於層壓溫度(即低於160牵C)的溫度下熔化的金屬合金或導電黏合劑(ECA)。
圖1示意性地繪示了包含使用該電池互連和模組製程製造的雙面光伏打模組100的個別層。由於能夠將來自太陽能電池的兩個表面的光轉換成電能的關係，雙面模組能提供眾多益處。彼等在高反射環境中提供優勢，因為入射在地面或背景上的光可藉由彼等的後表面反射到模組中，進而產生能量轉換效率，其可藉由反照率係數提高，就高反射表面而言，可高達30%。
圖1所示的光伏打模組總成100包含兩個毗鄰的雙面太陽能電池130，其具有分別配置在電池的兩個表面上的線性金屬指狀物132與134。金屬指狀物可經由在作為抗反射塗層(ARC)的表面介電層上方網版印刷諸如Ag的金屬糊料而形成。太陽能電池通常藉由通過高溫帶式爐「燒製」，其中彼等經歷介於700牵C至850牵C的範圍的溫度幾秒鐘。此製程致使網版印刷的金屬穿透ARC並與太陽能電池下方的Si緊密接觸。
或者，太陽能電池上的金屬指狀物可藉由首先使用雷射燒蝕ARC中的細線性軌道，隨後用金屬疊層鍍覆接觸層露出的Si來形成，該金屬疊層較佳地包含Ni層、Cu層和Ag或Sn的封蓋層。該鍍覆可藉由無電式鍍覆、藉由使用太陽能電池的光感應電流或藉由向電池的另一表面提供外部偏壓使得太陽能電池中的任何半導體接面前向偏置來實現。
鍍Cu電池上的封蓋層應足夠厚，以在層壓期間能夠可靠地黏合(譬如，金屬-金屬合金)。在本發明的一個具體例中，Ag封蓋層的厚度應該具有至少80 nm的厚度，較佳厚度大於100 nm，以為下方的Cu提供足夠的覆蓋，並且能夠與金屬化的包封劑上的黏合材料可靠地黏合。可使用較厚的封蓋層，但由於Ag的高成本，通常是不希望的。當使用Sn作為封蓋層時，較佳形成大於1 μm的層厚度，更佳厚度大於2 μm的層。可使用上述用於Ni和Cu的鍍覆製程來施加該封蓋層。或者，可藉由浸漬或置換鍍覆形成更薄的封蓋層，其中Cu的表面層用封蓋金屬的薄層進行電化學置換。
可調整太陽能電池上的金屬指狀物132和134的間隔和厚度，以限制由於串聯電阻所致的功率損耗。此最佳化製程─取決於下方電池接觸層的導電性、所用金屬的電阻率、指狀物的截面積以及所收集的電流在被收集在金屬化包封劑的導電軌道(圖案)之前必須行經的距離─係記載，舉例來說，在Martin Green所著“Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications”。在例如圖1中所繪示的構形中，嵌入於包封劑中的導電金屬軌道等距間隔並垂直於指狀物定向，電流在被傳送到導電軌道之前必須沿著指狀物流動的距離等於導電軌道之間的間距的一半。取決於太陽能電池的電子和電洞收集層的不同導電性，在太陽能電池的兩個表面上的指狀物間隔可不同。
太陽能電池配置在第一金屬化包封聚合物板120上，該第一金屬化包封聚合物板120放置於模組背板110上，並含有形成在至少一個表面(圖1中的朝上)上的導電金屬圖案。在圖1所繪示的例子中，導電金屬圖案包含線性金屬軌道125的陣列，該等線性金屬軌道垂直於太陽能電池130上的金屬指狀物132對準並連接到亦形成在金屬化包封聚合物板上的互連接頭128。隨後將帶有包含線性金屬軌道導電軌道145的陣列與互連接頭148的對應導電金屬圖案的第二金屬化包封聚合物板140放置在經配置的電池上方，俾使露出的導電金屬圖案在圖1中面朝下，電池互連接頭128與148對準並可在層壓期間黏合。
隨後將該總成與玻璃或聚合物前板150層壓。在層壓期間，形成在包封聚合物上的金屬元件145和125與太陽能電池130上的分別金屬指狀物134和132之間形成黏合。此外，在對準的互連接頭128和148之間形成黏合。分別在第一包封聚合物板120和第二包封聚合物板140上的互連接頭128和互連接頭148之間的黏合可經由金屬合金的熔化或經由施加ECA到黏合位點的黏合來實現。
雖然在圖1中繪示為連續線性元件，但互連接頭128與148可另擇地包括接頭的陣列。在130和170 牵C之間的溫度下進行，更佳在150牵C進行8至15分鐘且更佳進行10 min的層壓製程亦作用於包封模組，將其密封，在現場操作期間防止濕氣侵入。在層壓之後，將框架和接線盒添加到總成中以完成模組的製造。此模組製程可由光伏打模組生產者簡單地藉由購買預製金屬化包封劑板並使用自動化電池置放技術執行模組佈局製程來執行。此類置放技術可將個別太陽能電池精確地放置在目標位置的10 μm以內。
儘管圖1繪示了雙面電池的製造，但可使用相同的製程將電池與完全金屬化的後表面互連，前提是電池表面可與包封劑表面上的黏合材料充分黏合。舉例來說，假使太陽能電池的後表面包含經網版印刷與「燒製」的Al，則表面可能需要含有包含諸如Ag的另一個金屬的黏合區域，或者可在實現黏合之前進行預處理。此預處理的選項包括鋅化和使用史密特商業化的錫墊技術。
藉由圖案撓性和後方Al電極的高導電性有可能帶來另一個選項，是在電池的前表面和後表面上具有不同的導電金屬圖案(譬如，較少的導電元件)。由於後方Al電極非常導電且不透明，所以隨後可在金屬化聚合物中使用較少的更寬的導電元件，並使用ECA實現黏合。
從以上說明亦應清楚的是，互連製程亦可應用至交指式背接觸(IBC)電池。舉例來說，可用於實現如下所述金屬化的IBC電池的電池互連方法：Z. Li et al於“Electrical and optical analysis of polymer rear insulation layers for back contact cells” (發表於Energy Procedia, 77, 744-751)與U. Romer et al於 “Decoupling the metal layer of back contact solar cells – optical and electrical benefits” (發表於Energy Procedia, 77, 744-751)。
與現有的以配線為基礎的互連製程相比，此製程的關鍵優勢在於增加了金屬化圖案的靈活性。儘管該製程在以下說明為關於雙面太陽能電池經由直接形成在包封劑上的一系列線性金屬元件互連，但聚合物表面的直接圖案化允許形成包括非線性圖案的另擇圖案。
現在將參照圖2和圖3說明用來製造用於將太陽能電池互連並包封在模組中的金屬化聚合物板的方法。經由此製程生產的金屬化聚合物板亦可用於其他應用，包括聚合物不用作為包封劑的應用。圖2的製程200總結了金屬化聚合物板的一般製造過程。在步驟210中，圖案是產生在聚合物內或聚合物表面上。該圖案可以數位表示並使用雷射、數立控制的印表機(譬如，噴墨或氣溶膠印表機)產生在聚合物上或可分別經由用於濺鍍或網版印刷製程的遮罩或網版介導。在步驟220中，隨後將對準步驟210所形成的圖案的導電金屬圖案產生在聚合物內或聚合物表面上。此步驟較佳藉由鍍覆進行，亦稱作電鑄(electroforming)。導電金屬(譬如，Cu)是以在電解質中支持的金屬離子(譬如，硫酸銅、硝酸銅)提供，該電解質可為水性、有機的或包含固體電解質或離子性液體。鍍覆步驟可使用捲盤至捲盤(R2R)製程的連續方式進行，其中該圖案化聚合物從一個捲盤(輥筒)進料，經由包含金屬離子的電解質，同時與電勢接觸，隨後收集在第二捲盤上。可使用不同的方式來為鍍覆步驟提供電流，下文針對不同配置來說明該等。
用於形成導電金屬圖案的金屬較佳為Cu，因為其具高導電性、延展性及在高電流密度下電鍍的能力。如下文將進一步說明的，較佳在聚合物上形成薄阻擋層，以防止材料從導電金屬(譬如Cu)擴散到聚合性材料中。最後，在步驟230中，將黏合材料施加到導電金屬圖案表面的至少一個區域，以能夠黏合到一或多個電氣或電子裝置(譬如，太陽能電池)的導電表面和用於雙面互連裝置的第二金屬化聚合物表面。
此聚合物金屬化製程可應用於一系列包封劑，儘管較佳使用高度防水的材料，例如熱塑性聚烯烴(TPO)、矽酮(例如道康寧公司(Dow Corning)，Sylgard 184)或基於離子交聯聚合物(iononer)的包封劑，例如杜邦(DuPont)的PV5400與PV8400，或乙酸乙烯酯(EVA)。用作包封劑的聚合物的重要性質是彼等在潛在應力下對離子遷移具有高度抗性，以確保所得模組不會經歷潛在誘導的降解。此外，重要的是所用聚合物在老化時不會產生腐蝕性副產物。舉例來說，產生低位準的乙酸的EVA材料是較佳的。假使使用EVA，則重要的是使用玻璃作為背板或使用高度防水的背板，盡可能地防止水分侵入。此外，必須確保所用的EVA不含可在光氧化反應中與Cu反應的穩定添加劑。
該製程亦可應用於不是特定用於裝置包封的聚合物，其中金屬圖案包含電氣/電子電路或感測器或天線元件的部分。由於這個原因，該包封聚合物在下列說明中將簡稱為「聚合物」，以指出此種一般性。
現在參照圖3A、3B和3C中的流程圖說明金屬化聚合物的不同方法。圖3A詳述了製程300的步驟，其中使用雷射燒蝕聚合物表面中可選擇性鍍覆的圖案。藉由使用雷射結構化產生圖案所提供的優勢是其允許形成可用於增強模組內的光捕獲的結構化金屬表面，藉此提高模組的電流收集效率。由雷射引起的粗糙度亦可增強隨後形成的導體的黏著性。
在步驟305中，使用雷射燒蝕聚合物中的圖案。可藉由使用不同的雷射波長、通量與運轉次數來調整燒蝕區域的深度。在一種配置中，使用波長低於400 nm (譬如，266或355 nm)的UV雷射，因為聚合物在該波長區域中更強地吸收光。此外，假使雷射具有介於數個飛秒~ 10皮秒範圍內的脈衝持續時間，則由於聚合物中的非線性吸收，燒蝕表面通常更粗糙。當燒蝕區域被金屬化時，此聚合物粗糙度可誘導順形的金屬粗糙度、或結構。圖4A顯示聚合物400的示意圖，其中雷射燒蝕區域405填充有導電金屬410並且用黏合材料415封蓋。此示意圖顯示填充雷射燒蝕開口的導電金屬如何呈現藉由雷射燒蝕製程引入的結構化(粗糙)表面。
或者，可有意地將光結構化表面引入雷射燒蝕圖案中，如圖4B中的光柵420所示。在此情況下，因為微結構是藉由特定的圖案引入，所以使用短脈衝雷射並不要緊，可使用更大範圍的雷射，包括具有奈秒脈衝持續時間的雷射和具有更長波長的雷射，例如CO2雷射。
用於結構化聚合物表面的方法可藉由使用Y. Li et al. (IEEE Journal of Photovoltaics, 4 (5), 1212-1219, 2014, Optics Express, 23 (24), p. A170)對多層最終模組內的奈米級和微米級光捕獲特徵的整合式建模發表的光學建模方式的光學模擬來引導。不同雷射結構化的光學效應(即，圖4A中所示的隨機特徵或圖4B中所示的特定工程化特徵)亦可表示為不同的散射模型，其可用於併入其他模擬框架中，例如PV Lighthouse的模組Ray Tracer或應用程序SunSolve。可執行模擬以確定光結構化的有效性，不僅對於垂直入射的光，而亦對於光伏打模組通常在現場經歷的入射角的範圍。 將光結構化特徵直接整合到金屬成形製程中的能力消除了使用額外的光捕獲膜(LCF)或光捕獲帶(LCR)的需要，該等已成功地增加了光伏打模組的發電。然而，採用LCF的策略通常由於材料成本增加而成本更高，因為薄膜必須黏附到標準互連帶上。就LCR而言，結構化直接引入互連線上，然而，此製程限於非常簡單的結構，例如突脊，不容易引入高頻特徵。
圖5A顯示帶有雷射結構化軌道505的聚合物表面500的截面，當金屬化時，其將在太陽能電池130上方延伸，其中彼等將與電池金屬化黏合以從電池提取電流。亦顯示的是互連接頭510，其能夠在層壓步驟期間經由與第二金屬化包封劑板黏合而實現模組中毗鄰電池之間的互連，實質上如圖1所繪示。為清晰起見，雷射結構化軌道中的表面粗糙化的細節未示於圖5A，對於雷射結構化軌道505與互連接頭510的每一者，可使用不同的表面形態。舉例來說，使用一系列光柵(如圖4B所示)以獲得更大的光學增益可保留用於互連接頭510，以改善雷射圖案化步驟中的製程產量。亦應注意的是，互連接頭510不需要是如圖5A所繪示的連續線性區域。
隨後在步驟310中，藉由形成晶種層選擇性地使雷射結構化表面導電。較佳地，此藉由無電鍍敷晶種金屬層來實現，儘管亦可使用其他方法。晶種層可為Ni、Sn、Ag、Zn、W、Mo、Pd、Ti、Co、Au或合金，其包括兩或多個該等元素。或者，晶種材料可為導電聚合物，例如聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)。圖5B顯示在形成晶種層之後的聚合物截面，物品515與520指示在雷射燒蝕軌道505和互連接頭510的表面上方形成的晶種層。由於晶種材料較佳形成(譬如，板狀物)至粗糙表面上，順著表面的粗糙輪廓選擇性地沉積在雷射燒蝕區域上方，藉此得到包覆聚合物開口的順形導電層。除了提供光散射表面外，雷射粗糙度還確保晶種材料與聚合物表面的強黏著性。晶種層材料的強黏著性對於後續形成導電圖案(步驟315)和金屬化聚合物的耐久性是至關重要的，尤其假使金屬化聚合物是作為輥筒遞送到模組製造商並以此方式儲存，直到需要使用。
隨後在步驟315中較佳使用鍍覆製程使晶種層增厚。圖5C分別顯示在晶種層515和520上方形成導體元件525和530之後的聚合物500的截面。由於高導電性和相對低成本，將Cu用於導體元件是有利的，然而，亦可使用其他金屬。可使用連續鍍覆設備進行電鍍，其中聚合物可使用R2R自動化延伸經過鍍覆浴，使得當聚合物從一個捲盤滾動到下一個捲盤時，能夠經由鍍覆電解質連續鍍覆在聚合物表面500上的元件525和530。
Cu電鍍時間(以及因此金屬軌道的最終厚度)可根據從電池收集的電流、金屬元素的寬度、Cu的導電性(假設與巨量Cu相同)、封蓋合金的厚度和電阻率以及由於金屬的串聯電阻造成的最大可允許功率損耗(較佳低於1.0%)的知識來估計。指狀物寬度越小，鍍銅的高度就越大。舉例來說，假使由於金屬的串聯電阻造成的功率損耗降低至小於1%且導體元件必須從15.6 cm太陽能電池的整個寬度收集電流，則對於100 µm寬導體(陰影為 4.5%)，鍍覆高度需要約150 µm。Cu可在100 mA/cm2電流密度進行電鍍，在一些情況下，並且可在不影響金屬沉積物性質之下以更大的速率進行鍍覆，前提是用於該浴的化學調配物被適當地調節(參閱頒佈給Bokisa的美國專利6,676,823)。而且，雷射結構化包封劑表面的電鍍製程可直接使用已經開發並用於形成積體電路和印刷電路板的鍍銅互連的化學添加劑和脈衝鍍覆製程，其中接近100 µm的Cu沉積厚度已用於填充直徑100 µm的通孔。
降低越來越多採用的模組的串聯電阻損耗的策略是使用半(晶圓)太陽能電池。此實務減少了需要從各個電池中提取的電流，這樣做可允許高度減小的導體。可在完整晶圓上製造電池，隨後在電池金屬化之後切割，以形成一半寬或甚至四分之一寬的電池，隨後可以不同的串聯和並聯配置互連。此方式可減少需要電鍍的導電金屬的量。
以下參照圖12進一步說明的疊瓦式製程利用了此特性，其中電池被切割成多達6個矩形切片，用於藉由搭迭進行互連。使用雷射結構化開始聚合物金屬化製程允許形成高縱橫比的鍍覆導體，這是由於金屬約束至雷射燒蝕的溝槽。此外，由於增加的金屬基板表面積，所以雷射結構化凹槽可提供額外的黏著性。
圖7A顯示在電鍍Cu到晶種Ni層上之後的金屬化熱塑性聚烯烴(TPO)板的例子，該晶種Ni層使用無電式鍍覆製程選擇性地沉積在雷射結構化區域上方。金屬化TPO已切割成156 mm太陽能電池的尺寸。線性金屬軌道牢固地黏附到TPO，使得TPO視需要被捲起、折疊及切割。所形成的Cu圖案不會影響所形成的金屬的黏著性。
一旦鍍覆了足夠的Cu，則在步驟320中在Cu表面上方形成封蓋層。圖5D顯示雷射結構化圖案的此步驟，535與540分別代表電池金屬導體525和互連接頭530的封蓋層。較佳地，封蓋層包括低熔點金屬合金，例如Sn-Bi或Sn-Bi-Ag合金，並避免使用Pb。可使用與步驟315中使用的實質上相同的電鍍製程來鍍覆封蓋的Sn-Bi合金。此需要包封劑現在延伸到第二浴中，其將表面500暴露於包含合金組分的離子的電解質。在沉積的金屬合金中所欲的Sn與Bi部分是藉由鍍覆液中的金屬離子濃度控制。舉例來說，為了達到42 wt% Sn與58 wt% Bi的共晶合金，可在包含0.15 M氯化亞錫、0.05M亞硝酸鉍、0.05 M乙二胺四乙酸、0.3 M檸檬酸和0.2 M聚乙二醇400的溶液中執行鍍覆。共晶Sn-Bi合金的電阻率為30-35 µΩ∙m (銅電阻率的20倍)，因此，儘管藉由回流製程可提高該封蓋的導電性(下面將進一步說明)，但厚度較佳為了最佳黏合而設計。
低熔點合金亦可藉由網版印刷與鍍覆的Cu圖案對準的合金糊料來施加。在此配置中，在通過網版印刷機的平台之前，包封劑在Cu電鍍步驟315之後潤洗並乾燥。使用毗鄰金屬圖案的對準標記的光學視覺系統實現網版印刷的合金糊料與鍍Cu金屬圖案的對準。對準的網版印刷已常規地用於太陽能電池金屬化，以在電池表面上實現增厚的金屬指狀物，因此可使用類似於該製程的製程。可使用許多Sn-Bi合金糊料，適宜糊料的例子為Métaux Blancs Ouvrés公司提供Sn43Bi57。
使用網版印刷施加低熔點合金的關鍵優勢在於，糊料的組成已經預先最佳化而不取決於合金電鍍製程的控制。亦允許新穎的合金糊料容易地併入金屬化包封劑製造過程中，而資本設備的變化很小。於此步驟使用網版印刷的缺點在於製造過程中引入了額外的設備。然而，網版印刷設備的生產由於其在世界範圍內廣泛用於光伏打電池製造而得到很好的開發，並且先前已經在印刷電路板領域中證明了使用網版印刷來分配合金。低熔點合金糊料亦可使用標準糊料分配設備，例如Performus™系列分配器進行分配。
在層壓之前，必須對鍍覆合金進行回流以形成合金表面，該合金表面可在層壓期間冶金黏合(譬如，與電池金屬化)。在回流時，通常無光澤的金屬合金顏色變得非常反光。較佳選擇合金，俾使可在160和180 ℃的溫度之間對圖案的金屬元件進行回流製程。回流可藉由使用聚焦熱空氣、焊炬、烙鐵、或二極管雷射器(波長在750至1000 nm範圍內，功率為15至25 W)局部加熱合金表面來實現。對於局部回流，需要視覺系統來引導加熱元件，以確保其與包封劑表面上的金屬圖案對準。
另擇的回流方法是在捲盤至捲盤製程中，使聚合性材料板通過加熱元件上方或熱空氣射流下方。必須調節加熱元件或熱空氣射流的溫度和流動的時間，以達到最佳回流而不損壞包封劑。另外的另擇方案是在以加熱的印刷頭分配之前使糊料回流。此可藉由在分配系統中添加加熱注射器來實現，例如The GPD Global® MAX II系列。
圖7B顯示在Cu電鍍之後的TPO板上的金屬軌道710和毗鄰的金屬軌道720的例子，該毗鄰的金屬軌道720已用Sn-Bi-Ag焊膏封蓋並且在使用加熱的鐵尖端分配之後回流。可在不對聚合物外觀或結構產生結構影響、或改變聚合物的光學性質的情況下進行此局部回流。
黏合材料亦可包含導電黏合劑(ECA)，其與下方的金屬化軌道對準分配。可使用與用於合金糊料的方法的類似方法來分配導電黏合劑。可使用合金和ECAs是用於金屬化的不同元素的配置。舉例來說，低熔點合金可用於與電池金屬化和用於電池互連的ECAs (即，圖1中的互連接頭128和148)結合。
在圖4C所示的另擇雷射結構化製程中，增加的雷射通量是用於燒蝕穿過整個聚合物層而非溝槽的開口，如圖4A和4B所示。當需要金屬圖案在電池之間傳導大電流時，此方式特別有利，因為假使在隨後的電鍍製程中用金屬填充開口，則可實現非常高的縱橫比金屬導電元件。用於光伏打模組的聚合物包封劑通常具有大約200-550 µm級別的厚度，所以金屬厚度可接近該等值。
以此配置，較佳地使用CO2雷射形成開口。雷射功率的最佳化可致使以單次運轉穿過整個聚合物厚度來形成線性開口，同時對毗鄰聚合物的結構損壞或光學改性最小。亦可使用其他方法(譬如，使用衝頭、型板或機械切割器)在聚合物中製作開口。
與形成雷射燒蝕溝槽的製程300不同，圖3B所總結的另擇製程330涉及在聚合物板的整個厚度上形成開口，並且使用放置在聚合物表面上的電極形成導體。隨後，如圖4C所示，可藉由使用結構化或粗糙化的電極表面，例如圖4C中的450來實現開口中的鍍覆金屬的結構化或紋理化。
此另擇製程是藉由首先在步驟335中，在聚合物中形成開口來進行。較佳地，該等開口由雷射形成，然而，如上所提，亦可使用其他開口方法。如圖6A所示，較佳地，聚合物605塗覆在一個表面上，該表面帶有犧牲保護層或黏合材料薄層610。通常用於Si光伏打模組的包封劑通常與中介層一起封裝，以保護個別表面免受聚合物表面的不希望的黏著，該等中介層可用作犧牲保護層610。或者，可在以輥筒為基礎的製程中，將黏著劑材料黏結到聚合物表面，以在雷射結構化之前形成犧牲保護層610。藉由施加熱來軟化聚合物及/或犧牲保護層的材料，可改善犧牲保護層與聚合物表面的黏著性。或者，犧牲保護層可藉由噴塗聚合物薄層形成，該聚合物薄層可在低溫下退火以形成薄膜。
在雷射構造化步驟中，犧牲保護層610與聚合物605一起被燒蝕，以形成延伸穿過聚合物605的一系列開口615和620，如圖6B所示。
步驟335可在塗覆的聚合物放置在切割/燒蝕工具的平台上時進行。一旦形成開口，隨後在步驟340中，將圖案化的聚合物黏到電鍍電極或心軸450上。可藉由將聚合物溫熱至允許聚合物軟化而不變形或熔化的溫度來實現黏結。舉例來說，對於EVA，可藉由將心軸和聚合物加熱至65至85 ºC的溫度，更佳80℃來實現黏結。或者，可將帶有犧牲保護層610的聚合物605黏至心軸450，隨後可形成開口。當需要高解析度對準時，後者製程是較佳的，因為其消除了將聚合物黏到心軸的製程期間聚合物變形的風險。
心軸450可如圖4C所示構造化。此允許經由開口電鑄的導電元件被構造化/圖案化，以獲得最佳的光捕獲(參見圖4D)。心軸圖案可包含二維(譬如，一系列的突脊和凹谷)或三維(譬如，隨機或週期性的角錐)圖案。心軸450的結構化可使用模製製程、雷射或藉由化學蝕刻心軸材料來執行。此心軸結構化製程允許比藉由圖案化/結構化Cu線或互連接頭有更多的圖案撓性，因為後者的結構化方式需要在配線上進行，因為彼等在浸入熔融焊料之前從R2R進料。較佳地，心軸被重複用於許多製程，並且表面上的結構化保留了許多鍍覆製程的幾何特性。
在將聚合物黏到心軸上並形成開口圖案(步驟335和340)之後，在步驟345中，較佳在覆蓋犧牲保護層610的聚合物表面上方塗覆薄的晶種阻擋層625，如圖6C所示。該阻擋材料較佳包含難熔金屬二元或三元合金，其包含諸如Ni、Ti、Ta、W、Co、Zr、N和Si的元素(譬如，TiN TaN和TiZrN)。它作用為Cu擴散到聚合物中的屏障，並防止Cu和聚合物之間的任何反應。舉例來說，聚合物的降解會導致可能腐蝕聚合物中形成的Cu導體的酸性或鹼性副產物。可使用實質上如在積體電路製造中形成Cu的阻擋材料所說明的材料和製程。舉例來說，可使用濺鍍、蒸發或無電式沉積來沉積阻擋材料。使用R2R加工設備可實現阻擋材料的高通量沉積。
阻擋材料625覆蓋犧牲保護層610的整個表面且亦延伸到開口615和620中，在開口615和620中，該 阻擋材料均勻地塗覆露出的聚合物表面。阻擋材料625亦塗覆在聚合物的開口中露出的心軸450的表面。心軸450較佳地設計成俾使其對阻擋材料625具有弱黏著性。隨後，如圖6D所繪示，去除犧牲層610，同時取下塗覆阻擋材料625並僅留下塗覆開口中露出的聚合物表面的阻擋材料。圖6D中的開口625和630中的表面層(亦參見圖4C中的435和438)呈現Cu擴散到製造的光伏打模組的聚合物中的屏障。
在另擇配置中，不使用犧牲保護層610，而是在形成開口615和620之後將阻擋材料625直接施加到聚合物605表面。隨後可使用化學拋光方法移除阻擋材料，較佳地在步驟350之前，再次實質上與用於形成積體電路的鍍Cu互連的方法相同。在此拋光步驟期間，可改變聚合物605的表面性質，以在模組層壓期間增加太陽能電池表面的潤濕性。此拋光步驟亦可在Cu導體電鑄之後進行，然而較不偏好此製程，因為產生了大量的材料浪費。
隨後在步驟350中，在電流施加到心軸450的製程中，藉由電鍍填充開口，同時聚合物開口615和620暴露於電解質。諸如TiN和TaN的阻擋材料提供對電鍍Cu的強附著性，同時還確保Cu在所得光伏打模組的工作壽命期間不會滲透到聚合物中。藉由在沉積阻擋材料之後立即在阻擋材料上方沉積Cu的晶種層以消除氧化物形成的可能性，可進一步增加電鍍Cu的黏著性。電鍍可實質上如圖3A中的步驟315所述進行，並可使用直流電或脈衝鍍覆製程。脈衝鍍覆對於非常窄的開口是有利的，以確保開口不會耗盡金屬離子。圖6E顯示聚合物605的截面，Cu導體635和640填充開口615和620，開口615和620襯有阻擋材料625和630。在完成電鍍製程之後，在步驟355中，將金屬化聚合物從心軸上移除。此得到金屬化聚合物，例如圖4D所繪示。Cu導體430延伸穿過聚合物的整個厚度並且被阻擋材料435和438完全包圍。結構化心軸450的圖案壓印在阻擋材料438和導體430的Cu中。
步驟350和355可在R2R製程中進行，心軸450在鍍覆浴中的聚合物下方延伸。一旦完成鍍覆，可在步驟355中從心軸450移除聚合物，以使聚合物具有貫穿其整個厚度延伸的導電金屬圖案。
圖8顯示帶有結構化心軸(陰極) 810和陽極820的電鍍配置，陽極820延伸穿過填充有電解質830的鍍覆浴。陽極和陰極連接到該浴外部的電源825。當被金屬化的聚合物840移動經過由心軸810支撐的鍍覆浴時，藉由一系列輥筒(譬如，860)使被金屬化的聚合物840固持在結構化心軸810。聚合物840的上表面暴露於鍍覆電解質830並且金屬離子可延伸到開口中，其中彼等可在陰極金屬表面上被還原。在完成鍍覆製程後，潤洗聚合物(圖8未顯示)並將其捲到收集輥筒上。
在步驟360中，如圖3A中的製程300所述，隨後用黏合材料將金屬化聚合物封蓋。圖4D繪示了填充開口430，其帶有焊料封蓋物440和在相對表面上的結構化金屬表面。在回流步驟中引入的表面張力用於在開口中向上拉出鍍覆的Cu，使得未封蓋表面上的開口中的金屬不與表面齊平，因此在層壓期間不直接接觸模組的前板或背板。
參照圖3A所述，黏合材料可包含電沉積的電鍍合金，同時聚合物仍黏結到結構化心軸450。此另擇製程具有消除步驟360中的對準要求的益處。
製程330亦可藉由使用兩個聚合性材料板來實現。將金屬化的第一聚合性材料板設計成所需的金屬厚度。未金屬化的第二板提供剩餘的包封。此變化可確保沒有與模組的前板或後板接觸的導電路徑，該等導電路徑可能在高電壓的存在下提供有害的電流路徑，其可能導致對電位引發的降解的不良抗性。
金屬化聚合物亦可藉由噴墨印刷、氣溶膠印刷或網版印刷來印刷導電晶種層圖案，隨後在後續的電鍍步驟中，增厚此晶種層來製造。可藉由印刷金屬奈米顆粒油墨來形成導電晶種層，該金屬奈米顆粒油墨隨後被加熱或光處理，以消除溶劑並燒結顆粒，金屬有機分解(MOD)油墨或導電聚合物，例如聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯) (PEDOT:PSS)。
在金屬奈米顆粒的情況下，可藉由使用雷射或閃光燈來實現退火，以消除用於防止油墨聚集的任何有機官能基。在另一個變型中，晶種層可使用反應性噴墨/氣溶膠印刷製程印刷，其中首先印刷Cu鹽(譬如甲酸銅)，隨後在約140o C的低溫下退火，以自我還原Cu離子至金屬Cu。後者製程具有優於印刷奈米顆粒油墨的一些優勢。首先，由於沒有油墨顆粒聚集和噴嘴堵塞，噴墨印刷製程更加可靠，因此可在油墨中使用更高的金屬負載。其次，由於經由自我還原反應產生的還原環境，沉積的Cu不會氧化，這也確保了聚合物表面減少以增加黏著性。
網版印刷亦可用於在聚合物表面上形成晶種層。可在聚合物上印刷一系列與用於電池金屬化的實質上類似的Ag油墨，隨後在~ 120o C的溫度退火以除去溶劑。晶種層僅需要1-2 μm厚以確保足夠的導電性，所以不需要過量的Ag。或者，最近開發的Cu膏亦可用於此步驟。
此製程370係如圖3C中的流程圖所示。在步驟375中，沉積並熱處理晶種層之後，隨後在步驟380中，對其進行電鍍以使圖案增厚至所需的導電性。隨後如製程300所述，用黏合材料將金屬圖案封蓋。
亦可使用蔭罩藉由真空沉積方法(譬如，濺鍍)在聚合物上直接形成晶種層。此製程在概念上類似於圖3C所總結的製程370，因為晶種金屬圖案形成在聚合物的表面上。此製程優於印刷晶種層的優勢在於，不需要額外的化學來形成Cu或去除可能餘留在電鍍金屬圖案中如同污染物的官能基。亦可允許寬廣範圍的不同晶種層金屬(譬如，可增強阻擋層性質的Ti、Ni、Ag或金屬合金)。晶種層以一個步驟在室溫下的幾分鐘內形成為帶有良好的均勻性和對包封劑表面的高黏著性。濺鍍步驟可使用R2R濺鍍設備進行，並且與R2R電鍍系統相容。
藉由印刷和濺鍍晶種層的另擇方案，假使需要光捕獲功能性，則沉積的晶種層可與雷射結構化圖案對準。此可藉由噴墨和氣溶膠印刷容易地實現，因為印表機常規地配備有用於對準的視覺系統；然而，當經由蔭罩進行濺鍍時，這可能更具挑戰性，特別是假使採用R2R濺鍍用於高通量製程。
用於金屬化包封劑的此另擇製造方法是使用圖9A、9B和9C顯示，其中經由印刷或濺鍍製程形成晶種層。首先以包含線性電池級導體905和互連接頭910的圖案將晶種層沉積在包封劑900上。晶種層需要足夠導電，使得電鍍步驟在整個圖案上產生均勻厚度的鍍Cu。圖9B顯示了在電鍍步驟之後的聚合物表面，915與920分別指示與晶種層905和910接觸的電鍍Cu。電鍍致使順形金屬生長，因此圖案元件的寬度現在比對應的晶種層元件的寬度寬。隨後將增厚的金屬軌道封蓋(見圖9C)。黏合材料(譬如，低熔點合金) 925與930分別在導電元件915和920上方延伸。
在完成上述步驟後，金屬化聚合物可切成模組尺寸的板或以隨後亦可視需要切成適當尺寸的板的成捲形式提供給光伏打模組生產者。金屬化聚合物亦可根據需求以定制尺寸提供給製造商，因為金屬化圖案的變化可容易地實現，而金屬化聚合物製造過程的變化最小。
現在參照圖10說明使用金屬化聚合性材料板製造光伏打模組的製程。製程1000在步驟1010中藉由佈局模組背板開始。背板可為用於單面模組的輕質不透明複合材料。或者，玻璃或透明聚合性材料可用於雙面模組。較佳使用具有抗反射和光散射能力的「太陽能玻璃」。隨後在步驟1020中，將第一聚合性材料的金屬化包封板放置在背板上。其可從捲延伸到背板上方，隨後，一旦在背板上對準，切割成一定尺寸或簡單地舖設成預切割板。使用光學對準系統使用設置在佈局總成表面上的對準標記對準金屬化聚合物表面，其中表面朝上露出導電金屬圖案(及其黏合表面)，以準備與模組的太陽能電池黏合。
隨後在步驟1030中，根據佈局圖案，使用拾取和放置自動化將太陽能電池放置在第一包封劑板上。較佳地，太陽能電池具有導電區域，例如金屬指狀物(如圖1所示)，其將在層壓期間與金屬化聚合物中的導電金屬元素結合。或者，太陽能電池可塗覆有導電氧化物，該導電氧化物較佳地實質上是透明的，並且在層壓期間與金屬化聚合物中的導電金屬元素形成低電阻電接觸。較佳地，佈局配置精確度為10 µm ± 3µm，更佳為10 µm ± 1 µm，然而，假使需要更高的加工通量，則可犧牲放置精確度以更快地放置。
一旦放置好所有電池，隨後在步驟1040中，將第二聚合性材料包封板放置在電池上，接著在步驟1050中鋪設前板。假使太陽能電池的兩個表面都需要電接觸，則第二聚合性材料板亦如第一板所討論般金屬化。前板可包含玻璃或實質上透明的透明聚合性材料。隨後將總成移入層壓機中，在步驟1060中將其層壓。
層壓製程可根據所用的包封聚合物類型和所採用的焊料和黏合製程進行定制。舉例來說，鍍覆和印刷金屬合金可能需要不同的黏合條件，因此必須根據該等要求調整層壓製程。此外，假使ECAs用於電池黏合，則層壓製程亦可能需要適應該等要求。在層壓之後，藉由添加框架(假使需要)和模組接線盒來完成模組(步驟1070)。
圖11是依此製造的雙面模組(層壓之前) 1100的截面的截面示意圖。該圖顯示上下金屬化包封劑聚合性材料板1110與1120，在該等板之間有兩個毗鄰的太陽能電池。各個電池具有形成在兩個電池表面上的導電指狀物1130的陣列。將電池與聚合性材料板放置對準，俾使互連接頭1140對準，並且形成在金屬化聚合性材料板上的電池級導體1150垂直地延伸通過太陽能電池，以與太陽能電池指狀物接觸。在該圖中，誇大了太陽能電池之間的間隔，以透過在聚合物板1110和1120中形成的導電金屬圖案使毗鄰電池互連的方式變得明顯。
可針對光學性能和可靠性來最佳化光伏打模組中的個別太陽能電池之間的間隔。因為互連接頭被結構化(如前所述，舉例來說，參照圖3與4)，所以入射在彼等上的光被散射，藉此增加了前板或模組玻璃的全內反射的可能性。因此，太陽能電池之間的某種程度的間隔不會對光學性能產生負面影響，假使最佳化光散射，則實際上可提高模組效率。舉例來說，就光伏打模組的光學性能而言，3至5 mm之間的電池至電池的間隔可為有利的。
儘管已說明了用於電極存在於太陽能電池的兩個表面上的雙面電池的模組製造過程，亦可將該製程用於互連太陽能電池，其中兩個接觸極性形成在後表面上。應該清楚的是，從上面的說明中，藉由在兩個毗鄰電池之間延伸的聚合物中的導電金屬圖案的元件，包含金屬導體線性陣列的金屬圖案可實現此互連，並且連接毗鄰太陽能電池的n型和p型區域。此變型強調了提供在包封劑表面上或在包封聚合物內而不是在個別太陽能電池上的模組中的電池之間傳導電流所需的大部分金屬的潛在優勢。減少電池金屬化的量可藉由減少消耗的Ag量來直接降低金屬化成本。而且，假使太陽能電池是鍍Cu的，則與帶有非常厚的鍍Cu指狀物的電池相比，使用薄金屬指狀物可在增加的黏著性方面提供優勢。減少需要沉積或印刷在太陽能電池表面上的金屬質量也使得可使用更薄的Si晶圓，其可進一步降低光伏打模組的成本。
儘管上面提供的例子使用包含線性元件的金屬圖案，但金屬圖案不限於線性元件並且可針對不同應用定制。亦允許靈活地添加其他電路元件，例如印刷旁路二極管，允許不同串聯和並聯電池配置的導電元件(譬如，用於特定電流-電壓應用)以及和串級DC/DC功率優化器整合。後者是尤其有利的，因為使用現場可替換的串級電子裝置消除了將旁路二極管包封到模組中的需要，並可允許更長的模組壽命，藉此降低電力的平準化成本。與現有的傳統焊接互連和以配線為基礎的互連方法相比，與額外的模組電路元件整合是具有挑戰性的。
所述的包封聚合物金屬化製程亦可用於支撐疊瓦式模組，該疊瓦式模組被設計成藉由將電池直接堆疊在毗鄰電池的邊緣上來消除對焊接互連的需要，其中ECA提供電池之間的黏合。儘管在概念上非常簡單，Dickson在1960年授權的美國2,938,938中首次說明的此疊瓦式模組建構，由於製程的複雜性和由於模組中的電池堆疊引入的應力導致的可靠性問題，在製造環境中難以實現。可降低此應力的一個方式是將疊瓦式子總成中的太陽能電池與平行連接疊瓦式子陣列的接頭對準。此構形描述於讓渡給Pi Solar Technology Gmbh的美國專利申請案2016/0163902 (Podlowski)。此申請案所描述的聚合物金屬化製程可用於互連疊瓦式子總成，如圖12所示。項目1200繪示了疊瓦式模組的子區塊，其包含與由第一(後方)金屬化包封聚合性材料板提供的導電元件1220及由第二(前方)金屬化包封聚合性材料板提供的1230連接的疊瓦式總成1210。與美國專利申請案2016/0163902中提出的剛性帶不同，具有適當工程化厚度的較軟Cu軌道可減小由疊瓦式子總成的層壓引起的應力。使用串聯連接的疊瓦式模組的並聯連接亦導致模組在不使用旁路二極管的情況下不易受到陰影損失的影響。可理解的是，此代表了例示性疊瓦式配置，並可設計疊瓦式電池陣列及連接元件，而不需要對於涉及配線和接頭的所有方法通常是必需的線性區段。
此新穎的互連方法的關鍵優勢在於包封劑金屬化製程可由光伏打製造商以外的實體執行，藉此降低了模組製造過程的複雜性。
金屬化包封聚合物亦可用於其他應用，特別適用於需要互連和包封的裝置。它可用於嵌入或包封其他半導體裝置(譬如，發光二極管)、被動與主動電路元件、感測器和天線。併入天線元件可製造撓性RFID轉頻器(transponders)，其可黏附至一系列平坦、彎曲或有紋理的表面上，其中聚合物提供黏合劑和包封功能性。
對於包括在本說明書中的文件、法案、材料、裝置、物件或類似物的任何討論不應因其在本申請案的各項請求項的優先權日期之前即存在，而被視為承認任何或所有該等事項構成先前技術基礎的一部分或是發明相關領域中的普通一般常識。
在本說明書通篇中，詞語「包含(comprise)」、或其變化形式，例如「包含(comprises)」或「包含(comprising)」將被理解為暗示包括所陳述的元件、整數或步驟，或元件、整數或步驟的群組，但不排除任何其他元件、整數或步驟，或元件、整數或步驟的群組。
100‧‧‧光伏打模組總成
110‧‧‧背板
120、140‧‧‧聚合物板
125‧‧‧線性金屬軌道/金屬元件
128、148‧‧‧互連接頭
130‧‧‧太陽能電池
132、134‧‧‧金屬指狀物
145‧‧‧線性金屬軌道導電軌道/金屬元件
150‧‧‧前板
300、330、370、1000‧‧‧製程
210、220、230、305、310、315、320、335、340、345、350、355、360、375、380、385、1000、1010、1020、1030、1040、1050、1060、1070‧‧‧步驟
400‧‧‧聚合物
405‧‧‧雷射燒蝕區域
410‧‧‧導電金屬
415‧‧‧黏合材料
420‧‧‧光柵
430‧‧‧開口
435、438‧‧‧阻擋材料
440‧‧‧焊料封蓋物
450‧‧‧電極表面/電極/心軸
500‧‧‧聚合物
505‧‧‧雷射結構化軌道
510‧‧‧互連接頭
515、520‧‧‧晶種層
525‧‧‧導體元件/金屬導體
530‧‧‧導體元件/互連接頭
535、540‧‧‧封蓋層
605‧‧‧聚合物
610‧‧‧犧牲保護層/黏合材料薄層/犧牲層
615、620‧‧‧開口
625‧‧‧晶種阻擋層/阻擋材料
630‧‧‧阻擋材料
635、640‧‧‧導體
710、720‧‧‧金屬軌道
810‧‧‧心軸(陰極)
820‧‧‧陽極
825‧‧‧電源
830‧‧‧電解質
840‧‧‧聚合物
860‧‧‧輥筒
900‧‧‧包封劑
905‧‧‧導體、晶種層
910‧‧‧互連接頭、晶種層
915、920‧‧‧電鍍Cu、導電元件
925、930‧‧‧黏合材料
1100‧‧‧雙面模組
1110、1120‧‧‧金屬化包封劑聚合性材料板
1130‧‧‧導電指狀物
1140‧‧‧互連接頭
1150‧‧‧導體
1200‧‧‧項目
1210‧‧‧總成
1220、1230‧‧‧導電元件
現在將藉由舉例方式參照附圖說明本發明的具體例，其中： 圖1是繪示包含使用根據具體例的方法製造的雙面光伏打模組的個別層的示意圖； 圖2是根據具體例的用於製造金屬化聚合物板的步驟的流程圖； 圖3顯示根據具體例的用於製造金屬化聚合物表面的步驟的流程圖； 圖4顯示根據具體例的在聚合物表面上或聚合物內的金屬化元件的不同配置； 圖5、6與9顯示聚合性材料板的金屬化製程，其為該製程的不同變化型的不同階段； 圖7A顯示已切割成156 mm太陽能電池尺寸的金屬化聚合物板(鍍Cu後)的例子； 圖7B顯示帶有導電元件的金屬化聚合物板的例子，該導電元件已用包含錫-鉍-銀合金糊料的黏合材料封蓋； 圖8是電鍍設備構形的圖示，其中該聚合物可在完成電鍍製程時與該結構化電極分離； 圖10是根據具體例的用於使用至少一個金屬化包封聚合物板製造光伏打模組的步驟的流程圖； 圖11是使用圖10所示方法製造的雙面光伏打模組的截面示意圖；以及 圖12顯示另一個模組配置，其中多組疊瓦式太陽能電池是使用金屬化包封聚合物板互連到子總成。

Claims (40)

  1. 一種在聚合性材料的至少一部分上形成導電金屬圖案的方法，該方法包含下列步驟： 提供該聚合性材料； 在該聚合性材料之上或之內形成預定圖案； 藉由使用電化學製程沉積一第一材料來形成與該預定圖案對準的導電金屬圖案；以及 將一第二材料施加至該形成的導電金屬圖案的至少一部分，該第二材料適於用來黏合至該形成的導電金屬圖案的至少一部分及黏合至一電氣裝置的一或多個導電表面。
  2. 如請求項1的方法，包含： 提供具有一或多個導電表面的至少一個電氣裝置； 使該至少一個電氣裝置的該一或多個導電表面和施加至該形成的導電金屬圖案的該至少一部分的該第二材料接觸；以及 使該聚合性材料和該至少一個電氣裝置的該一或多個導電表面退火，俾使該經施加的第二材料黏合至該至少一個電氣裝置的該一或多個導電表面及該形成的導電金屬圖案的該至少一部分。
  3. 如請求項2的方法，其中該退火在高達160ºC的溫度下執行。
  4. 如請求項2或3的方法，其中該退火在周遭壓力為40-60kPa的環境中執行。
  5. 如請求項1至4中任一項的方法，其中該電氣裝置包含下列的一或多者：半導體裝置，例如太陽能電池與發光二極體；含有被動元件與主動元件的電路；以及感測器或天線元件。
  6. 如請求項1至5中任一項的方法，更包含在形成與該預定圖案對準的該導電金屬圖案之前，以一第三材料對位於該形成的預定圖案的該聚合性材料的至少一部分加襯。
  7. 如請求項5的方法，其中該第三材料是難熔金屬或金屬合金，其包含由Ti、Ta、W、Mo、Ni、Pt、N、Co與Si之群組的一或多個元素。
  8. 如請求項1至7中任一項的方法，其中在該聚合性材料之上或之內形成預定圖案的步驟包含： 將一遮蔽層施加至該聚合性材料的表面；以及 在該遮蔽層與聚合性材料之內形成該預定圖案。
  9. 如請求項6或7或依附於請求項4之請求項8的方法，其中對位於該預定圖案的該聚合性材料的至少一部分加襯的步驟包含： 將該第三材料沉積在已形成於該遮蔽層與該聚合物內的該預定圖案的上方； 以及 去除該遮蔽層，俾使該第三材料僅覆蓋位於該預定圖案的該聚合性材料。
  10. 如請求項8或9的方法，其中該遮蔽層是藉由施加熱量及/或壓力而附著至該聚合性材料。
  11. 如請求項1至10中任一項的方法，其中該預定圖案包括穿透該聚合物的該整個厚度的至少一個凹部或洞，且其中該導電金屬圖案的該金屬穿透或進入該至少一個凹部及/或進入該至少一個洞。
  12. 如請求項6或依附於請求項6之請求項7至11中任一項的方法，其中將該第三材料配置成提供作為該第一材料的擴散阻擋層，藉此防止或減少該第一材料擴散進入該聚合性材料的可能性。
  13. 如請求項6或依附於請求項6之請求項6至10中任一項的方法，其中將該第三材料配置成提供一晶種層，當該第一材料沉積在該第三材料的該表面上時，該晶種層促進該第一材料的黏附性。
  14. 如請求項1至13中任一項的方法，其中該第二材料包含一低熔點金屬合金。
  15. 如請求項1至14中任一項的方法，其中在退火之前將該導電金屬圖案的至少該部分與該施加的第二材料加熱，使該施加的第二材料回流，以在該導電金屬圖案的至少一部分上方形成均勻的合金塗層。
  16. 如請求項14或依附於請求項14之請求項15的方法，包含施加局部熱量，以在該導電金屬圖案的至少一部分上方形成均勻的金屬合金塗層。
  17. 如請求項15或依附於請求項15之請求項16的方法，其中回流是在介於160ºC與180ºC之間的溫度進行。
  18. 如請求項15或依附於請求項15之請求項16的方法，其中回流是在介於140ºC與160ºC之間的溫度進行。
  19. 如請求項1至18中任一項的方法，其中該第二材料一包含導電黏著劑。
  20. 如請求項1至5中任一項的方法，其中形成與該聚合性材料的該表面對準的該預定圖案的該步驟包含： 將該聚合性材料的該表面的一或多個區域結構化；以及 選擇性地僅在已結構化的該聚合性材料的該表面的該等區域上沉積該第三材料。
  21. 如請求項20的方法，其中該結構化是使用具有少於15 ps的脈衝持續時間的脈衝雷射進行。
  22. 如請求項20或21的方法，其中該結構化是使用UV雷射進行。
  23. 如請求項20至22中任一項的方法，其中該第三材料是使用一無電沉積製程沉積，且可為下列材料之一：Ni、Sn、Ag、W、Mo、Co或該等元素的合金。
  24. 如請求項20至23中任一項的方法，其中該結構化產生延伸穿過該聚合性材料的該厚度的開口，且該導電金屬圖案是藉由電鍍形成並延伸穿過該聚合性材料的整個該厚度。
  25. 如請求項6或依附於請求項4之請求項7至24中任一項的方法，其中以第三材料對位於該形成的預定圖案的該聚合性材料的表面加襯的步驟包含在該聚合性材料的該表面或遮蔽層上濺鍍金屬，以形成一導電晶種層。
  26. 如請求項1至25中任一項的方法，其中在該聚合性材料之上或之內的該預定圖案是使用噴墨印刷、氣溶膠印刷或網版印刷的一者、或組合沉積導電晶種層來形成。
  27. 如請求項1至26中任一項的方法，其中形成該形成的導電金屬圖案的至少一部分是用以增加入射在該導電圖案表面上的光的散射。
  28. 如請求項27的方法，其中該導電金屬圖案的該光散射是藉由使用具有一結構化表面的電鍍心軸來達成。
  29. 如請求項1至28中任一項的方法，其中形成該導電金屬圖案的該步驟包括電鍍步驟。
  30. 如請求項29的方法，其中該電鍍步驟是使用捲盤至捲盤(reel-to-reel)製程進行，其中該聚合性材料通過包含至少一個金屬離子鹽的電解質。
  31. 如請求項1至30中任一項的方法，其中該形成的導電金屬圖案含有Cu。
  32. 如請求項1至31中任一項的方法，其中該第二材料是使用印刷或分配製程來施加。
  33. 如請求項1至31中任一項的方法，其中該第二材料是使用一電鍍製程形成，該電鍍製程涉及包含對應於該合金元素的金屬離子的化學浴。
  34. 一種製造包含至少兩個太陽能電池的光伏打模組的方法，且該等太陽能電池的至少兩者具有在至少一個表面上的一或多個導電區域，該方法包含下列步驟： 提供一模組背板，該背板包含聚合物、聚合物複合材或玻璃材料之一者； 提供一第一聚合性材料板，該聚合性材料具有預定導電金屬圖案且至少一部分塗有黏合表面，該黏合表面包含暴露在該聚合性材料的表面上的一第二材料； 將該第一聚合性材料板配置在該模組背板上方； 將該複數個太陽能電池配置在該第一聚合性材料板上方，各個太陽能電池具有在該太陽能電池表面上的至少一個導電區域，且該等太陽能電池配置成俾使來自各個太陽能電池的該至少一個導電區域和暴露在該第一聚合性材料板上的該黏合表面接觸； 提供一第二聚合性材料板，其配置成覆蓋該複數個太陽能電池； 在該第二聚合性材料板上方配置一實質上透明的前板；以及 層壓該模組背板、該第一聚合性材料板、該複數個太陽能電池、該第二聚合性材料板以及該前板； 其中，在層壓期間，該複數個太陽能電池的至少一個導電區域和暴露在該第一聚合性材料板上的該黏合表面的一部分黏合，並且在至少一對毗鄰太陽能電池之間形成電路連接。
  35. 如請求項34的方法，其中該第一聚合性材料板是根據如請求項1至33中任一項的方法製造。
  36. 如請求項34或35的方法，其中該光伏打模組中的兩個毗鄰太陽能電池之間的該電連接是藉由在該兩個毗鄰太陽能電池之間延伸的該聚合性材料中的該導電金屬圖案的元素來形成。
  37. 如請求項34至36中任一項的方法，其中該光伏打模組中的毗鄰太陽能電池之間的該電連接是藉由暴露在該第一與第二聚合性材料板上的經對準的黏合表面之間的黏合來形成，該黏合在層壓步驟期間發生。
  38. 如請求項34至37中任一項的方法，其中該等太陽能電池上的該等導電區域包含金屬元素。
  39. 如請求項34至38中任一項的方法，其中該等太陽能電池的該等導電區域包含導電氧化物區域。
  40. 一種根據如請求項34至39的方法所製造的光伏打模組。
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