TWI390747B - 使用單石模組組合技術製造的光伏打模組 - Google Patents

使用單石模組組合技術製造的光伏打模組 Download PDF

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Description

使用單石模組組合技術製造的光伏打模組 交互參照相關申請案
本申請案主張申請於2008年4月29日的名稱為“Photovoltaic Modules using Monolithic Module Assembly”的美國臨時專利申請案序列號第61/048,898號案與申請於2008年9月2日的名稱為“Photovoltaic Modules using Monolithic Module Assembly Techniques”的美國臨時專利申請案序列號為61/093,673號案之申請權益，且此等之說明內容在此以參考方式併入此文。
發明領域(技術領域)：
本發明包含使用單石模組組合組態與方法製造太陽能電池模組的方法。
 相關技藝之描述：
注意到，以下的討論涉及按作者及出版年份的一些出版物，且因為近期的出版日期，某些出版物不會被認為是相對於本發明的先前技術。在此對這些出版物的討論是為了提供更完整的背景，而不應被解讀為承認這些出版物為先前技藝，以做為判定專利性之目的用。
矽晶體光伏打太陽能電池是電氣連接至一電路以產生系統性能可接受的電壓。該太陽能電池電路提供了其他的 必須功能，例如當在該電路中的一太陽能電池處於陰暗處時限制其內部加熱的旁通二極體。該光伏打模組把該太陽能電池封裝在一封包中以進行環境保護。典型地，該光伏打模組使用一玻璃封蓋、聚合物、及一背薄片封裝該太陽能電池電路。典型地，該封裝程序是以一層壓步驟來執行，該層壓步驟是在真空中將壓力及溫度施加至該玻璃/聚合物/電池/聚合物/背薄片層次結構上。為了處理的方便、機械強度、及安裝該光伏打模組之位置，該光伏打模組通常包括圍繞著該被封裝電池組合的一框架。典型地，該光伏打模組還包括一“連接盒”，在此電氣連接該完整的光伏打系統(“纜線”)的其他元件。
典型的光伏打模組製造順序為該太陽能電池電路之組合、該層次結構(玻璃、聚合物、太陽能電池電路、聚合物、背薄片)之組合、及該層次結構之層壓。最後的步驟包括安裝該模組框架與連接盒，以及測試該模組。典型地，該太陽能電池電路的製造是使用自動化工具(串接機“stringer/tabbers”)來將銅(Cu)扁平帶線與該等太陽能電池電性串聯(“互連”)。幾條串聯的太陽能電池然後是與寬的Cu帶(“匯流排”)電氣連接以形成該電路。這些匯流排將電路從該電路中的幾個點帶入該連接盒，以提供給該旁通二極體及提供給該等纜線連接。當今主要的太陽能電池在相反面上具有觸點。
此製程的限制如下：
˙由於電連接串聯之太陽能電池的製程難以自動化， 因此stringer/tabbers的處理能力有限且價格昂貴。
˙在該層壓步驟之前的該等已組合太陽能電池電路是相當脆弱的。
˙該Cu帶互連體必須是窄的以避免反射太多的光線，且不能太厚否則它變得太硬且給該電池施加了壓力。最終結果是限制該Cu互連體的導電，且巨大的互連體會引起電力損耗。
˙以上的限制使得該製程難於使用薄的矽晶體太陽能電池。使用較薄的矽能夠降低該太陽能電池的成本。
˙在太陽能電池之間空間必須足夠大來消除該Cu互連線路造成的應力，因此在太陽能電池之間未被使用的空間降低了該模組效率。
˙該製程包含很多步驟，因此增加了製造成本。
背接觸太陽能電池在該背表面上具有負極性觸點及正極性觸點。在相同面上具有兩種極性觸點簡化了該等太陽能電池的電性互連。也使新的組合方案及新的模組設計得以實現。在此以參考方式併入的美國專利號第5,951,786號案與第5,972,732號案中所揭露的“單石模組組合”，或“MMA”，其涉及在相同的步驟中進行該太陽能電池電氣電路與該層壓之組合。典型的單石模組組合始於具有一圖案化的電氣導體層之一背薄片。在印刷電路板及軟性電路產業中，在軟性大面積基板上生產這樣的圖案化導體層是習知的。該背接觸電池是藉由使用一撿取-放置工具而放置在該背薄片上。這些工具是習知的並具有高產能且非常精 確。在該層壓步驟期間，該等太陽能電池連接至該背薄片上的該等圖案化導體上；該層壓封包及電路然後以單一個簡單的自動化步驟而被生產。該背薄片包括如在該層壓溫度-壓力循環期間形成該電性連接的銲料或導電黏合劑(電氣連接材料)之材料。該背薄片及/或電池可另外選擇包括一電性絕緣層，以阻止在該背薄片上的導電體與在該太陽能電池上的導電體之間形成短路。一聚合物層可設置在背薄片與該太陽能電池之間以進行封裝。此層提供了該太陽能電池與該背薄片之間的低應力黏合。此封裝層可提供開路通道(open channel)，以提供該等太陽能電池與該導體層之間之電氣連接的實現。
單石模組組合之優勢如下：
˙單一步驟的組合方式降低了步驟數量且降低了製造成本。
˙平面幾何體易於實現自動化，且降低了成本及提高了該等生產工具的處理能力。
˙可減少或除去在該等模組末端的該等Cu匯流排，以降低模組尺寸，進而降低成本及提高效率。
˙因為該幾何體僅受限於該圖案化技術，所以可容易地最優化該等觸點的數量及位置。這與stringer/tabbers不同，其中額外的Cu互連條帶或觸點增加了成本。最終的結果是使用單石模組組合更容易地最優化該電池及互連體之幾何型態，以提高電池及模組的性能且降低成本。
˙該幾何型態與目前技術相較之下更加扁平，藉此引入較小的應力。因此，可更容易地使用薄的矽太陽能電池。
˙在該背薄片上的該電路可覆蓋幾乎整個表面。該電性互連體的導電可因此而很大，因為該互連體更寬了。同時，該較寬的導體可被製作得更薄(通常小於100μm)且仍具有較低的電阻。該薄的導體通常比Cu帶互連體更具軟性，藉此減少了應力。
˙可使在太陽能電池之間的空間更小，因為無需保持該空間以消除該厚的Cu互連體之應力。這提高了該模組的效率且降低了該模組的材料成本(由於該未使用區域的減少，而需求較少的玻璃、聚合物、及背薄片)。
在法國巴黎(2004)第19次歐洲PV太陽能會議中，P.C.deJong,“Single-step Laminated Full-size PV Modules Made with Back-contacted mc-Si Cells and Conductive Adhesives”一文中描述了使用導電黏合劑使用在一4×9陣列中的156×156-mm電池的36-電池模組的單石組合，在此以參考方式併入此文。在該背薄片上的該電氣電路遭帶入一單一點，藉此可使用單一個連接盒。
本發明描述了用於在較大光伏打模組上而具有低製造成本的單石模組組合方案。較大的模組較受消費者歡迎，且具有較低的生產成本。
 發明概要
本發明是一光伏打模組，其包含多個背接觸太陽能電池；一軟性背薄片；在該背薄片上的一圖案化金屬噴敷；在該圖案化金屬噴敷與該等太陽能電池之間的一絕緣材料；該絕緣材料遭圖案化以致在該圖案化的金屬噴敷與該等太陽能電池之間形成有限的電氣接觸；及與該圖案化金屬噴敷電氣接觸的多個匯流排。較佳地，該模組進一步包括在該背薄片上的一濕氣屏障，該濕氣屏障足夠薄以致使該背薄片能夠進行與該圖案化金屬噴敷及該濕氣屏障相結合的連續捲式(roll-to-roll)製程。
本發明亦揭露一種光伏打模組，其包含多個背接觸太陽能電池；一第一絕緣背薄片；第一及第二圖案化金屬噴敷；一個在該第一絕緣背薄片的其中一面上；在該第一圖案化金屬噴敷及該等太陽能電池之間的一絕緣材料，該絕緣材料遭圖案化以限制在該第一圖案化金屬噴敷及該等太陽能電池之間的電氣接觸；及與該第二圖案化金屬噴敷相接觸的一第二背薄片。較佳地，該第二背薄片包含多個開口，其等用於使該第二圖案化金屬噴敷能從外部對該第二背薄片形成電氣接觸。較佳地，此模組還進一步包含在該第二背薄片上的一濕氣屏障，該濕氣屏障足夠薄以致使該背薄片能夠進行結合該第二圖案化金屬噴敷及該濕氣屏障的連續捲式製程。該絕緣材料較佳地包含一封包或一夾層電介質(ILD)，該ILD較佳地形成島狀或點狀。較佳地，每 個模組包含一熱塑性封裝。較佳地，卷由一混合黏合劑/銲料材料提供該有限的電氣接觸。
本發明亦揭露一種光伏打模組，其包含多個背接觸太陽能電池；一軟性背薄片；在該背薄片上的一圖案化的金屬噴敷，該金屬噴敷遭圖案化藉此能在該模組及多個線板上形成繞曲的電流路徑，每個線板包含單一個旁通二極體。
本發明亦揭露一光伏打模組，其包含多個背接觸太陽能電池、一柔性背薄片、在該背薄片上的一圖案化金屬噴敷、及遭放置在該圖案化金屬噴敷與該等太陽能電池之間的多個島狀的ILD。較佳地，此模組進一步包含多個環形的ILD單元，每個單元圍繞該等太陽能電池與該圖案化金屬噴敷，且包含電氣連接該等太陽能電池與該圖案化金屬噴敷之一傳導材料。
本發明還也是用於一光伏打模組的一背薄片，該背薄片包含一圖案化金屬噴敷及一濕氣屏障，該濕氣屏障足夠薄以進行結合有該第二圖案化金屬噴敷及該濕氣屏障之該背薄片的連續卷式製程。較佳地，該濕氣屏障的厚度小於約25μm，可選擇地小於約15μm，可選擇地小於約10μm，可選擇地約9μm。
本發明之目標、優勢、與新穎性的特徵、及更大範圍的應用將在以下的詳細描述中結合該等附圖部分地提到，且基於以下的例示，該技藝中具有通常知識者將部分地清楚或由本發明之實踐可學習到。本發明之目標及優勢可由在該後面附加的申請專利範圍中所特定地指出的工具及組 合來實現及獲得。
 較佳實施例之詳細說明 單石整合Cu匯流排
如在本說明書及申請專利範圍中所使用的，該術語“匯流排”意指一匯流排條、匯流排帶、匯流排條帶、或適於電流匯流的任何其他導電元件。
在使用習知電池之光伏打模組中，該等太陽能電池串列(string)終止於使用銅(Cu)匯流排條帶的該模組之頂部與底部。這些Cu匯流排條帶通常塗覆有錫或錫/銀來防止與該封裝之相互影響且提高可銲性。電流需要被傳送一很長的距離(長至該光伏打模組之寬度的一半)來到達在該模組中央的該連接盒。該Cu匯流排條帶需要一很大的橫截面積以具有足夠的低電阻，以將電流以低微的電阻損耗來傳送這樣長的一距離。
在第1A-1D圖中所顯示的單石模組組合中，較佳地，使用相反極性的薄金屬箔12、18(較佳地包含銅)並將其圖案化以形成一位於該背薄片10上的電路，來互連該等太陽能電池。典型地，在這樣的箔中的電性電阻損耗高到難以接受，除非使用一非常寬的箔導體，以將電流經該長距離傳輸至一連接盒。為了避免對大面積箔的需求，較佳地，在金屬箔16之一窄帶上覆蓋一匯流排帶或匯流排條14來獲得需要的橫截面積並減少該互連體的占地面積。較佳地，電池20 透過延伸穿過在夾層電介質(ILD)26中之通孔25的導電黏合劑24而電氣連接至圖案化的箔12、18。該ILD在該等太陽能電池與該等金屬箔之間提供了電性絕緣。較佳地，該模組遭封裝在封裝28中。圖示太陽能電池20的該等輪廓22，亦圖示在該等太陽能電池之該等背面上的第一極性柵線(或金屬噴敷)30與相反極性柵線(或金屬噴敷)31的位置。
較佳地，使用該已增加的橫截面積來最小化在該匯流排上的電力損耗，而透過最小化該匯流排的佔地面積來最小化在模組效率中的損失。該匯流排條帶還透過在該背薄片上的一開口而簡便地提供了將該等電池串列黏接至該連接盒的方式。
第2圖顯示了具有一整合的銅質匯流排條的整個模組封包。在此實施例中，在該背薄片34(包含圖案化的金屬噴敷)上具有一個或多個開口32，在該背薄片上，匯流排條帶36被帶至該模組層壓板的外部來黏接該連接盒。該等Cu匯流排可被預先組合在該背薄片上，或透過一取放式機器人在該單石模組組合期間插入並透過導電黏合劑38而黏附至該金屬化背薄片。較佳地，光伏打電池20是透過撿取及放置的方式來設置，且透過導電黏合劑40而被附接在該圖案化金屬噴敷上。
為美觀之目的，許多PV模組製造商選擇放置一‘調整帶(trim strip)’或在該匯流排條帶上覆蓋一遮蔽層來隱藏不美觀的銲接點或帶。典型地，調整帶包含有色的PET或其他惰性聚合物或紡織品。調整帶37可在放置在MMA組合中的該 Cu匯流排上。該等Cu匯流排可選擇地遭剪切至合適長度並附接至一條帶上以作為完全整合的子組合。該帶可使用一相容性黏合劑或透過一熱固性製程來附接。相對於七個(視模組尺寸或許更多)個別匯流排帶之組合，該子組合將該MMA製程的該匯流排部分減少至兩個子組合的一簡單取放操作-藉此減少件數及組合複雜度。這樣的一組合可被視為一元件而向各種供應商訂購。此外，有優勢的還有在該子組合上安裝旁通二極體或各種IC或電路來實現以下功能，例如：陰影保護、模組疑難排解&監視、RFID追蹤等。該調整帶自身可具有與該MMA背薄片類似的導電線路來產生與該背薄片絕緣的完整電路。可選擇地，該ILD可包含材料以改變其物理外觀，諸如色彩，以改變該模組的外觀。該有色的ILD僅需遭印製在從該模組前面可見的區域。此之一範例是顯示在第1C圖中，其中有色的ILD41形成一圍繞該等太陽能電池、及選擇性匯流排帶的“圖案框架”，以提供一更賞心悅目的外觀。
較佳地，該(等)匯流排條或匯流排條組合在該模組組合期間遭層壓。第3圖顯示了該模組架構的一平面圖，為清晰地觀察該架構而切除了一些層。其中，顯示了該等匯流排條帶的邊緣位置42。
多層金屬噴敷
透過如在第4圖中所示之在該背薄片上的一多層金屬噴敷之使用，可在無匯流排條的情況下完成該匯流排的功能，因此也就不必增加面積。多層金屬噴敷指的是由一電 性絕緣體所分離的兩層或兩層以上的金屬導體。該等層次透過在該電性絕緣體中的導電通孔在各個點上相互黏接。多層金屬噴敷允許一層接觸電池且將電流傳送至該電路中相鄰的太陽能電池，而該第二層可用以將電流傳送至該連接盒或提供其他的功能。因此，不需要額外用於匯流排之面積。在此實施例中，單層導電箔44圍繞內部背薄片46的該等末端，藉此形成一多層金屬噴敷、及較佳地透過在該外側背薄片50中的開口48將電流傳導至該連接盒。箔44透過遭放置在ILD(及/或封裝)56之開口中的導電材料54而與太陽能電池52電氣接觸。
可以考慮幾個用於生產在該背薄片上的該圖案化導體之該多層金屬噴敷的製程。在一個實施例中，該第一導體、絕緣體、及第二導體隨後在該基板上遭鋪敷且遭圖案化。額外的導體及絕緣體層可以相同的方式建立。本鋪敷可以透過沉積作用、透過金屬箔與電介質薄膜的層壓、或透過其他的方式進行。在此實施例中，作為該導體及絕緣體層的該基板可包括適合作為該光伏打模組之外部背薄片使用的材料。
在一第二實施例中，該等傳導體層遭鋪敷在一基板的相反面上。這些結構統稱為“雙面軟性電路”。該基板可包括貫穿於該基板上並用於電氣連接在相反面上的該等導體的導電通孔。因為一雙面軟性電路在兩面上均具有電性導體，一額外的封裝及背薄片必需被層壓在該軟性電路上來提供該太陽能電池電路所需的環境保護。第5圖說明了一光 伏打模組之一雙面軟性電路的一橫截面狀態。第一金屬箔層60、61透過在外部背薄片62上的開口64延伸以形成一與一外部連接相黏接的介面。較佳地，箔層60、61是相反極性。第一金屬箔層60、61至少部分地透過在該內部絕緣背薄片66中的開口延伸，以分別透過黏接物68、69黏接至第二金屬箔70、71。第二金屬箔70、71分別透過在ILD74中的通孔72、73黏接至該等太陽能電池(未顯示)。
蛇形電池佈局
在該背薄片上的該電路佈局可以非常具有彈性，因為它僅受限於該圖案化技術。這與習知的具有Cu帶互連體的光伏打模組不同，其中由於該扁平的Cu條帶互連體，該等電池必須在一直線上。在該單石背薄片中的該電路佈局可被設計以使電性串聯的該等電池不在一直線上；即，該電路可做直角彎折。後者可允許該太陽能電池電路的非線性幾何佈局，且該模組的兩端不需要匯流排，此增加了模組的效率且減少了成本。第6圖及第7圖中說明了兩種6行10列的陣列中包含60個太陽能電池78的設計，其中，互連或電流流經路徑76是以粗黑線顯示。這些設計包含終止於一中央位置的多個串列(string)，例如，連接盒開口80，藉此僅需單一個連接盒。最後，此設計透過一較簡單的連接盒及纜線佈局而減少了該模組的成本。此外，透過在該電池之下保持串聯及並聯連接，可減少封裝、玻璃、框架、及背薄片所需的材料。
多個連接盒及線板
一普遍的方案是向該模組之頂部及中央放置該連接盒。如上所述，這種放置方式需要高導電匯流排來將電流傳送至該連接盒。該連接盒之放置及互連的描述是相對於使用一Cu帶匯流排。在此方案中，較佳地，一典型的銅質匯流排帶(例如用以互連習知的太陽能電池)是被連接至在該模組之該單石背薄片之頂部與底部的該金屬箔。為將該帶傳遞至該連接盒，較佳地，對該背薄片進行切削來移除材料且提供一開口至該連接盒的後部。利用狹縫將該帶透過該背薄片帶入該連接盒也是可行的。
如在第8A圖中所示，當僅有單一個連接盒82用於一模組時，該連接盒需要相對較大來容置多個旁通二極體84(每個電池串列使用一個旁通二極體)與該二纜線黏接體86。如在第8B圖中所示，可選擇地使用幾個較小的“連接盒”來取代使用單一個龐大的連接盒。每個這樣的連接盒87可以較小，因為其較佳地僅容置單一旁通二極體88且可選擇地容置單一纜線黏接體89。較佳地，該等較小的連接盒位於該電路中的該旁通二極體之位置附近或太陽能電池電路末端，因此將電流導入該等較小連接盒的該等匯流排的長度大幅地縮短。該等多個連接盒需要該背薄片的上之較多穿孔來帶出該等電性導線。這樣的小連接盒有時被稱為“線板(cord plate)”，因為他們具有帶一纜線的扁平外形輪廓。一便利的格式是在一單一注射塑模外殼中提供了該多個線板，藉此在該組合期間處理較少的部件。
多個線板的使用對於單石模組組合而言具有幾個優 勢。該多個線板方案減少了內部匯流排的長度，這對單石模組組合特別有利，因為它可減少甚至消除對額外的內部匯流排的需求。如上所述，該電路佈局的幾何形狀可隨多個線板的使用而更具變化性。儘管該等線板需要在該背薄片上形成多個穿孔來電氣連接至該太陽能電池電路，但通常該等線板本身比一龐大連接盒的價格低。
對一單石背薄片及多個線板之組合而言，較佳地，將在該背薄片中的該導體(例如箔)層暴露在該安裝位置。一典型的60-電池模組遭組合在一6×10(6行10列)陣列中且具有3個旁通二極體。對此設計而言，較佳地，將線板安裝在頂列電池之上方的三個不同的位置上，如在第8B圖中所示。較佳地，一旁通二極體是包含在每個線板中。在該模組之相對邊緣上所黏接的該等線板也在該太陽能電池電路的兩個末端。除該二極體之外，這些線板還將被黏接至與該模組之正極性導體及該負極性導體相對應的的一纜線。對一6×10陣列的電池而言，通常是使用三個盒子(左、中、右)，較佳地，每個包含至少一個旁通二極體。
可使用大量或不同幾何組態的該等線板以調節該等太陽能電池的不同電路佈局，或不同數量的旁通二極體。例如，該太陽能電池電路可使用一非線性蛇形佈局，其中所有的串列終止於一單一點附近，如在第7圖中所示。在此組態中，該等電池遭黏接在一蛇形圖案中，其中，較佳地，所有的串列終止於該模組之中心附近。較佳地，該線板橫越多達三個電池以接入(access)所有串列。在該連接盒中， 將使串列互連以及互連在每個串列末端之間的二極體。在此組態中不需額外的匯流排帶，該背薄片將不需要併入特定匯流至其中央處的匯流排通道，且較佳地增加了模組效率。
扁平封包二極體整合
一典型的光伏打模組，是透過堆疊幾層不同的材料及在一層壓製程中將他們密封在一起。一典型的光伏打模組層壓鋪敷始於一玻璃薄片。在該玻璃薄片上，放置了一乙烯醋酸乙烯酯(EVA)薄片。EVA是一種軟熱固的透明聚合物。除了EVA之外，也可使用其他種類的材料作為該封裝。在該EVA的頂部，放置了一系列的電池串列。一般來說，每個串列由串聯地互連的一系列太陽能電池所組成。一旦該等電池放置在該EVA上，將匯流排垂片(tabbing)黏接至每個串列的該等開端及末端電池，其中每個串列互連該等單獨串列。此匯流排黏接方式一般是由個別的金屬帶所建構，典型地包含由錫或錫/銀所覆蓋的銅。該互連動作完成之後，另一EVA薄層遭鋪敷在該等串列上面並延伸至該玻璃邊緣。最後，在該EVA上面鋪敷一支撐材料薄片，同樣延伸至或超出該玻璃範圍。在該第二層EVA背薄片之疊層期間，將製造穿透孔來帶出該等帶以用於外部接觸。
典型地，一模組將由串聯的幾個串列組成。一“旁通”二極體遭放置在與該串列之太陽能電池並聯的每個串列之間。該二極體的目的是當該串列不導電時(如在陰影的實例中)，允許來自其他的條帶及該外部的電路的電流繞過該 條帶。這些二極體通常是被安裝在一連接盒中。典型地，這些二極體是離散的封包裝置，通常是軸向封包類型。典型地，每個串列由單一個二極體保護，該二極體足夠大以傳導該串列上的全部電流，及以可在反向偏壓的狀態下承受由該串列太陽能電池所產生的全部電壓。
具有扁平外形輪廓的二極體可能直接地被組合在單石模組組合中的該軟性電路上。在第9圖所示的一個實施例中，較佳地，扁平封包的二極體90是用在用以保護包含金屬箔92的該等電池串列之該軟性電路上。較佳地，使用具有總體電流容量等於或大於該條帶電流的多個扁平封包二極體，這有助於將熱負載分散在一較大區域上。該等扁平封包二極體在該單石模組組合製程期間可被放置在背薄片94上且被組合在該模組中。或者，該等二極體可以是以類似於在MMA組合中的該等太陽能電池的方式附接至該軟性電路的裸露半導體晶粒。或者，如前所述，該等扁平封包二極體可為整合在包含該等匯流排帶的一子組合上。
該軟性電路及太陽能電池的電性絕緣
在該後表面的該電路與在該太陽能電池上的該等導體必須是電性絕緣的以防止短路。典型地，在該電池與該背薄片電路之間的該封裝具有足夠的電介強度來實現這個功能。然而，其厚度可能非常不均勻，因為該真空/壓力層壓步驟可產生很薄的區域。此外，該電性附接材料的鋪敷或該太陽能電池的放置可能不精確。在該軟性電路上或在該太陽能電池上使用電性絕緣層，以提供較大的耐受力並降 低了前述的電氣短路的可能性。
典型地，使用由軟性電路業界所開發的技術建構該MMA背薄片。一金屬箔，典型地為銅箔，是黏接至一承載材料。最普遍的承載材料是聚亞醯胺膜(Kapton)與聚酯。隨後使用蝕刻阻劑對電路進行圖案化，該等蝕刻阻劑透過微影技術或者直接透過網印而遭圖案化。隨後，典型地，透過一蝕刻製程將該多餘的金屬箔移除。該製程中的最後步驟是使用一銲接罩或蓋膜將一保護層鋪敷在該金屬箔上。使用覆蓋該金屬的圖案進行鋪敷，該圖案所覆蓋之處是所欲與該金屬接觸的區域。可選擇地，可藉由網印進行鋪敷這些材料。
較佳地，本發明使用包含一銅質金屬箔的一MMA背薄片，該銅質金屬箔遭黏接至一薄絕緣承載材料且是被圖案化以允許背接觸太陽能電池的串聯式互連。較佳地，該金屬箔由一材料覆蓋，該材料較佳地為一聚合物材料，其作為一絕緣體來防止該電池與該箔在所不期望的位置接觸。此覆蓋指的是該ILD、或夾層電介質。典型地，該ILD藉由網印鋪敷且被圖案化，以藉此在該等電池黏接至該金屬箔之處形成通孔。
典型地，將該ILD層印製為一連續的薄片，除了需要接觸該等太陽能電池的開口區域，該ILD層完全覆蓋該金屬箔及圍繞承載材料。這些開口直徑一般為幾毫米且直接對應在該等太陽能電池上的該等觸點。
在組合期間，在該整個背薄片上封裝該ILD之動作便會 在該金屬箔與ILD之間產生剪應力，原因在於其等熱膨脹係數(CTE)的不匹配。此不匹配則會引起在該ILD與金屬箔之間的黏接隨著時間的過去而失效並最終分離。當使用一MMA背薄片建構的模組受到熱循環測試(典型地，該模組的溫度在-40℃與85℃之間循環)或濕熱測試(典型地，85℃及85%相對濕度)時，即會迅速暴露出此失效機制。
第10圖說明在載體薄膜104上圖案化的金屬箔102a、102b、102c。典型地，該載體箔較佳地包含一100至250μm的聚酯箔(例如，PET或Mylar)，雖然該箔可包含任何適當的絕緣體，其為軟性的且可黏接至該金屬，諸如Kapton或PVFE。該金屬箔較佳地包含一35微米軟銅箔，然而可使用任何金屬或合金，可選擇地包含一表面塗飾層，諸如銀、錫或OSP(Organic soldering preservative，有機銲接保護劑)。較佳地，這樣的表面塗飾層非常薄(典型地，小於約1000nm)。
第11圖說明了具有印製在該金屬箔上的一連續的ILD薄片106之一典型的模組，且包含通孔開口108，在此該等電池接觸下面的金屬箔。還顯示了下面的金屬箔的外形輪廓110及該等太陽能電池的外形輪廓112，如同他們被放置在該ILD之上一般。
第12圖以一橫切面的形式說明了該組合。將圖案化的金屬箔102放置在載體薄膜104上。ILD114、115放置在金屬箔102與太陽能電池116之間。在ILD中的開口118容納了導電黏合劑120，導電黏合劑120將太陽能電池116電黏接至金 屬箔102。ILD114、115因此將導電黏合劑120限制在該等開口118處。在第11圖所示的該實施例中，開口118是與通孔108相對應，而ILD114、115包含一連續的薄片。
因此，如果減少與該金屬箔相接觸的該ILD的表面積，則在該ILD與金屬之間的該等剪應力也將減少，而且該ILD將不易從該金屬箔分層。為減少該連續ILD層的面積，較佳地，該ILD包含離散的島狀區，藉此減少了與該金屬箔相接觸的每個離散島狀區的面積。該圖案結構被稱之為點陣ILD層。第13圖說明了在載體薄膜104及金屬箔102上印製為點或島狀區122的ILD。較佳地，該ILD不是被印製在該等EWT電池黏接至下面金屬箔的區域(黏接墊區域124)，類似於在一連續ILD薄片中的通孔108。因此，較佳地，該等ILD點被配置成圍繞每個黏接墊區域(以任何形狀)，留出足夠的空區來容納該導電黏合劑且防止其擴散太遠及避免使電池形成分流。因此，該ILD將該導電黏合劑限制在該黏接墊開口處。依據此實施例，在第12圖中，開口118對應於黏接墊區域124，而ILD114、115包含點狀區或島狀區，其上有太陽能電池116。較佳地，包含ILD的環形區圍繞每個黏接墊區域設置以產生一深陷區，以在結合該等電池與該背薄片時限制用以將該等電池黏接至該金屬薄膜之該導電黏合劑的擴散。
較佳地，將該點陣圖案設計為至少每個太陽能電池的每個邊緣之一部分總是落在該ILD之柱的頂部，而無論該背薄片之排列方位與旋轉為何。較佳地，該放置及旋轉的偏 位限定於在該EWT與該背薄片之間仍有良好接觸的位置的情況。較佳地，每個分離的島狀區的面積至少是1mm2 ，然而該ILD島狀區的尺寸在該背薄片上可因需要而改變。較佳地，該ILD的厚度相似於當印製為一連續薄膜時的厚度。該ILD材料可選擇地包含軟性覆蓋層的一銲接罩，其可被UV或熱固化。
在另一實施例中，除該軟性電路之外，或取代該軟性電路，該電性絕緣層(ILD)可放置在該電池上。可使用網印或相關技術來鋪敷該ILD，且可使用類似於ILD之用於軟性電路的材料。此放置的優勢是在較小的電池上進行印製步驟可以比在一較大的軟性電路上的印製步驟更精確。此外，其可僅放置於需要電性絕緣的區域(例如，相較於相鄰的電路層極性相反的柵線)，且其避免了在該廣闊背薄片上與該ILD相關聯的該等應力。
在提供電性絕緣的另一實施例中，可在該封裝層中使用一紗質材料。“紗質(scrim)”指的是玻璃纖維薄片或相關材料的一分離薄片。通常該紗質是多孔網狀的，藉此該封包材料可流經該紗質且黏接至該電池及該背薄片。該紗質可作為一分離層或與該封裝預先整合。該紗質減少在層壓期間電池的偏移及防止該封裝在該真空/壓力層壓期間變得太薄-藉此防止在該電池與該軟性電路背薄片之間的電性短路。
熱塑性封裝
典型的光伏打模組是使用一連續的疊層製程來建構。 該製程始於一玻璃薄片，其將變成該模組的正面。當該玻璃面朝下面向一水平表面時，一封裝薄片(典型地為一EVA薄片)被放置在該玻璃上。在該EVA頂部上放置了一系列的電池串列且在該等串列的首尾之互連體遭銲接在一起。然後將另一EVA薄片放置在該等電池上，接著是一背薄片，典型為一泰德拉(Tedlar)/聚酯(Polyester)箔，其中以聚酯面對該等電池。隨後，整個封包被放置在一壓製層壓器中以將該封包黏接在一起。
該MMA模組組合製程是非常不同的。它始於一背薄片，該電路或電池互連體已經併入該背薄片上且可由或可不由一介層電介質(ILD)覆蓋；此組合是整合或MMA背薄片。在將該等電池放置在該整合背薄片之前可將一封裝薄片放置在該整合背薄片上。該薄片較佳地包含開口(較佳地是藉由衝壓成型)，其對應於該等通孔或黏接墊開口，在此透過鋪敷一導電材料(諸如一導電黏合劑)，以使該等電池互連至該背薄片。較佳地，是透過一模版的使用來將該導電黏合劑鋪敷至該背薄片。一旦該等電池位在該封裝層上的適當位置時，較佳地，另一封裝層將鋪敷在該等電池上，且最後將一覆蓋玻璃鋪敷在該第二封包層上。隨後，典型地，該整個封包經受熱及壓力來將該等層黏接在一起。
單石模組組合需要該電性連接材料在該層壓步驟期間黏接至該軟性電路及該太陽能電池。該層壓步驟的時間-壓力循環主要由該封裝的屬性決定。該電性連接材料最有可能是一導電黏合劑或與該典型層壓溫度相容的低熔點銲接 材料。用於光伏打模組之最普遍的封裝是由乙烯醋酸乙烯酯(EVA)組成的一熱固聚合物。該EVA在該熱固反應期間熔化且流動，且在該固化反應期間釋放各種化學物質及氣體-這些均會干擾該電性連接材料黏接至該軟性電路或太陽能電池的能力。該EVA也非常軟(低彈性係數)以使大部分的應力傳輸至該電性連接材料及黏接體-這可使該光伏打模組的可靠性降低。最後，EVA對於該光伏打模組中的玻璃及其他材料具有相對弱的黏合力。如果該模組使用一透濕背薄片，則會在暴露於濕熱期間進一步使該黏合力降低。
在單石模組組合中，在該背薄片中的該導電層覆蓋了該表面的大部分且是一極佳的氣體及濕氣屏障。常規的大批生產中僅部分地固化該EVA來最大化該層壓步驟的產能及最小化生產成本。基於可靠性考量，當使用不透氣或不透濕封包時，在該層壓步驟期間需要完全固化該EVA。問題是部分固化的EVA在使用期間將繼續固化且產生氣體，且如果該背薄片是不透氣的，則氣泡可在該封包中積累。
熱塑性材料，諸如離子聚合物、聚乙烯丁醛(PVB)、聚胺酯、乙烯共聚物、聚乙烯、有機矽、或類似材料也在光伏打模組中被作為封裝使用。相較於對使用單石模組組合所組合的模組更普遍採用的熱固EVA封裝而言，熱塑性封裝提供了以下的優勢。
˙因為在使用熱塑性材料進行層壓期間無化學反應，一熱塑性封裝將提供一化學上更為均質的環境，並於該層壓步驟期間將較不會干擾該電性連接材料 (諸如一導電黏合劑)的黏接，其對本發明之該MMA製程而言是獨特的。
˙一熱塑性聚合物可具有一較廣的處理時效性，藉此可將一層壓製程設計為更能夠與該等電性附接材料的需求相容，而不僅僅是與該封裝相容。
˙熱塑性聚合物可以更堅硬(較高彈性係數)，藉此在該封包中的更多的應力是存在於該封裝中，而不是在該關鍵的電性連接上。
˙熱塑性封裝對在該光伏打層壓中的玻璃及其他介面具有極佳的黏合力，這再次減少了傳輸之該關鍵電性連接的應力，且增進了整個封包的可靠性。
˙由於不存在化學反應及產物，熱塑性封裝與不透氣且不透濕的背薄片有更好的相容性。
˙相較於EVA，熱塑性封裝更易於與該電池及/或背薄片整合來簡化組合。該熱塑性材料可被重複帶至高於熔點而不使該材料降格，而一熱固材料在一熱固反應完成之後會大幅地失去黏接其他材料的能力。
在另一實施例中，該封裝可被包含在該MMA背薄片上或與該MMA背薄片整合。透過排除圖案化及佈局該封包層之步驟，即進一步簡化了該MMA組合製程。該封裝層可藉由連續捲式製程技術(roll-to-roll processing)而層壓至該背薄片。在另一種實施例中，該封裝與該等電池整合。
用於光伏打模組的混合黏合劑/銲料
單石模組組合可使用電性導電黏合劑及/或銲料來作 為電性連接材料。這些材料必須在該層壓步驟期間黏接，這通常發生在低於200℃的尖峰溫度下。典型地，導電黏合劑由具有導電微粒的聚合物基質(環氧樹脂、有機矽、聚醯亞胺、丙烯酸、聚胺酯等)所組成。典型地，該等導電微粒包含銀。導電黏合劑可能需要特定的金屬表面處理(例如，鍍銀或金)來避免腐蝕效應及促進良好的黏合力。導電黏合劑的缺點是在黏接至表面上的困難、該特定金屬表面處理的成本、該導電黏合劑的處理時效性(進入室溫後的壽命有限)、在熱與濕度下隨時間之退化。高溫銲料是不利的，因為所需的高固化溫度與用於該封裝及用於該背薄片的該等聚合物是不相容的。低溫銲料，如錫：鉍或銦基合金，則與典型的層壓溫度是相容的，但也不易潤濕其他金屬表面且通常是易碎的。
一具有導電黏合劑及一低溫銲料兩者之屬性的一混合材料，是由具有低熔點(即，低溫銲料)的金屬合金所構成之微粒的一聚合物基質所組成。該聚合物基質提供該黏合特性及一軟耐久基質，而該低溫銲料微粒的熔化及迴流提供了低介面阻力及低整體阻力。
與MMA背薄片的濕氣屏障整合
通常在該背薄片使用一濕氣屏障層是有利的。濕氣可引起腐蝕及使材料或介面黏合力退化。在該背薄片上加入一濕氣屏障層可大幅地減少且幾乎消除侵入該光伏打模組的濕氣，藉此消除與濕氣相關的退化模式。在正面的玻璃是一極佳的濕氣屏障，所以從後表面侵入的濕氣通常是較 大的問題。在光伏打模組中用於後表面的最普遍的濕氣屏障包括玻璃(這導致模組很重且昂貴)或一鋁箔。典型地，該鋁箔為25至50μm厚。薄膜電介質薄膜也被用作濕氣屏障。典型地，該等薄膜直接放置在一聚合物薄片上且被整合至該光伏打模組的背薄片架構中。
在光伏打模組組合(MMA)中，在該背薄片中併入一濕氣屏障是有利的。該濕氣屏障允許更廣泛的金屬表面處理及將電氣導電材料納入考慮範圍，提供了對普遍用於該電路層之大面積的Cu箔的腐蝕及氧化之保護，並改善整個封包的可靠度。
該MMA背薄片由該軟性電路層(基板、金屬電路、及電性絕緣體層)及用於電性及環境保護的外部層所組成。典型地，該外部環境保護層是一氟化聚合物，例如在一相對厚的聚酯層上之用於抗刮傷及電氣絕緣的DuPont Tedlar，然而也可使用其他的各種材料。一濕氣屏障層，例如25至50μm的鋁，可包含在該外部背薄片中以改進前述的環境保護。較佳地，該軟性電路透過一層壓製程黏接至該外部背薄片。較佳地，為降低生產成本，該層壓是在大氣環境下的連續捲式製程。
在該外部背薄片中使用鋁箔之架構在環境性能上是堅固的且具高度可靠性，但它並不是特別容易被製造的。在當前模組中所使用的每個MMA背薄片必須在一真空/壓製層壓器中個別地組合來將該軟性電路層組合至該外部層。此製程的產能低且比連續捲式層壓價格更高。一般來說， 連續捲式製程是不可用在使用濕氣屏障的該MMA背薄片上，由於該MMA背薄片包括用於該電路的35至50μm的銅及用於濕氣屏障的25至50μm的鋁，對連續捲式製程而言太堅硬。
為解決這個問題，人們期望具有濕氣屏障的一更具軟性的MMA背薄片架構。在一個實施例中，一軟性MMA背薄片使用一更薄的鋁箔，該鋁箔的厚度為小於約25μm，更佳地小於約15μm，更佳地小於約10μm，最佳地接近9μm。如果在連續捲式製程中能夠被處理，則可考慮使用更薄之箔。在此實施例中，該鋁箔遭黏接至用於該外部層的基板-諸如250μm的聚酯(PET)。一氟化聚合物-例如DuPont Tedlar(PVF)，是黏接在該鋁箔上以用於環境保護。該銅層，較佳地包含一箔，可使用一連續捲式製程黏接至該PET的該相反面。這有助於硬化該PET，以防止該鋁箔的扯裂。一旦該Cu箔遭黏接至該PVF/AL/PET複合材料，可使用目前使用的典型連續捲式技術進行處理以在該MMA背薄片上形成該電路。可選擇地，可使用一薄膜濕氣屏障替代該薄鋁箔，以提昇MMA背薄片生產時的製程效能。
儘管結合特定的此等較佳實施例詳細地描述了本發明，其他的實施例可達到同樣的結果。對該技藝中具有通常知識者來說，本發明的變化及修改是顯而易見的，且本發明意圖涵蓋所有的這些修改及等效物。在此所揭露的各種組態意在使讀者明白該等較佳及可選擇實施例，而不是限制本發明或限制申請專利範圍。以上引用的所有專利、 參考、及出版物之全部揭露內容以參考方式併入此文。
10‧‧‧背薄片
12、18‧‧‧圖案化箔
14‧‧‧匯流排
16‧‧‧金屬箔
20‧‧‧電池
22‧‧‧輪廓
24‧‧‧導電黏合劑
25‧‧‧通孔
26‧‧‧夾層電介質
28‧‧‧封裝
30‧‧‧第一極性柵線
31‧‧‧相反極性柵線
32‧‧‧開口
34‧‧‧背薄片
36‧‧‧匯流排條帶
37‧‧‧調整帶
38‧‧‧導電黏合劑
40‧‧‧導電黏合劑
41‧‧‧有色ILD
42‧‧‧邊緣位置
44‧‧‧單層導電箔
46‧‧‧內部背薄片
48‧‧‧開口
50‧‧‧外側背薄片
52‧‧‧太陽能電池
54‧‧‧導電材料
56‧‧‧ILD
60、61‧‧‧第一金屬箔層
62‧‧‧外部背薄片
64‧‧‧開口
66‧‧‧內部絕緣背薄片
68、69‧‧‧黏接物
70、71‧‧‧第二金屬箔
72、73‧‧‧通孔
74‧‧‧ILD
76‧‧‧電流流經路徑
78‧‧‧太陽能電池
80‧‧‧開口
82‧‧‧連接盒
84‧‧‧旁通二極體
86‧‧‧纜線連接體
87‧‧‧連接盒
88‧‧‧旁通二極體
89‧‧‧纜線連接體
90‧‧‧扁平封包二極體
92‧‧‧金屬箔
94‧‧‧背薄片
102‧‧‧金屬箔
102a、102b、102c‧‧‧金屬箔
104‧‧‧載體薄膜
106‧‧‧ILD薄片
108‧‧‧通孔
110‧‧‧金屬箔外形輪廓
112‧‧‧外形輪廓
114、115‧‧‧ILD
116‧‧‧太陽能電池
118‧‧‧開口
120‧‧‧導電黏合劑
122‧‧‧島狀區
124‧‧‧黏接墊區域
本發明之目標、優勢、與新穎性的特徵、及更大範圍的應用將在以下的詳細描述中結合該等附圖部分地提到，且基於以下的例示，該技藝中具有通常知識者將部分地清楚或由本發明之實踐可學習到。本發明之目標及優勢可由在該後面附加的申請專利範圍中所特定地指出的工具及組合來實現及獲得。
第1A圖是包含一匯流排條的本發明之MMA模組之一實施例的一平面圖；第1B圖是第1A圖之實施例的一截面圖；第1C圖與第1D圖為具有加入細節的第1A圖之實施例；第2圖是第1圖之MMA模組之實施例的一分解視圖；第3圖是第1圖之MMA模組之實施例的一局部視圖；第4圖是本發明之一第一多層金屬噴敷實施例之一截面圖；第5圖是一截面圖，說明包含一雙側軟性電路的本發明之一第二多層金屬噴敷實施例；第6圖及第7圖是兩個可選擇的實施例，顯示了MMA模組可能的互連佈局；第8A圖是包含一單一連接盒的一先前技術模組；第8B圖顯示了包含多個線板的一模組，每個線板包含一旁通二極體，分佈在該模組上； 第9圖顯示用於本發明之多層金屬噴敷實施例的扁平封包二極體；第10圖顯示了被一圖案化金屬噴敷所覆蓋的一背薄片；第11圖顯示了使用包含通孔的一夾層電介質(ILD)薄片所覆蓋的第10圖之該金屬噴敷背薄片；第12圖是第11圖或第13圖的一截面圖；及第13圖顯示了在第10圖之該金屬噴敷背薄片上放置的ILD點或島狀區。
20‧‧‧電池
32‧‧‧開口
34‧‧‧背薄片
36‧‧‧匯流排條帶
37‧‧‧裝飾帶
38‧‧‧導電黏合劑
40‧‧‧導電黏合劑

Claims (15)

  1. 一種光伏打模組，其包含：一軟性背薄片；一圖案化金屬噴敷，該圖案化金屬噴敷接觸該軟性背薄片；一夾層電介質，佈置於該圖案化金屬噴敷上，該夾層電介質具有分散的島狀或點狀，且准許該圖案化金屬噴敷及佈置於該夾層電介質上的複數個背接觸太陽能電池之間的電氣接觸；一導電黏合劑，佈置於該圖案化金屬噴敷上，在該夾層電介質之一或更多開口區域之中，該導電黏合劑接觸該等複數個背接觸太陽能電池；及一熱塑性封裝，佈置於該夾層電介質之該等分散的島狀或點狀之上及之間，該等複數個背接觸太陽能電池位於該熱塑性封裝上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光伏打模組，更包含在該背薄片上的一濕氣屏障，該濕氣屏障足夠薄以致使該背薄片能夠進行結合該圖案化金屬噴敷與該濕氣屏障的連續捲式製程。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光伏打模組，其中該夾層電介質之至少一部分包括顏料，以改變該夾層電介質之外觀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光伏打模組，進一步包含與該圖案化金屬噴敷電氣接觸的複數個匯流排，且其中該熱塑性封裝包含一紗質層，該紗質層佈置於該等複數個太陽能電池及該圖案化金屬噴敷之間。
  5. 一種光伏打模組，包含：一第一圖案化金屬噴敷，該第一圖案化金屬噴敷與一第一絕緣背薄片之一第一表面接觸；一第二圖案化金屬噴敷，該第二圖案化金屬噴敷與該第一絕緣背薄片之一第二表面接觸；一絕緣材料，佈置於該第一圖案化金屬噴敷及複數個背接觸太陽能電池之間，該絕緣材料准許該第一圖案化金屬噴敷及該等複數個背接觸太陽能電池在所欲的地點之間電氣接觸；及一第二背薄片，該第二背薄片與該第二圖案化金屬噴敷接觸。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光伏打模組，其中該第二背薄片包含開口，用於使得該第二圖案化金屬噴敷與該第二背薄片之外部電氣接觸。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之光伏打模組，其中該第一圖案化金屬噴敷之一部分及該第二圖案化金屬噴敷之 一部分包含一箔的不同區域，該箔包覆於該第一絕緣背薄片的一邊緣四周。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之光伏打模組，其中該第一圖案化金屬噴敷之一部分及該第二圖案化金屬噴敷之一部分係透過在該第一絕緣背薄片中的至少一個開口而連接。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之光伏打模組，進一步包含：複數個扁平封包旁通二極體；及在該第二背薄片上的一濕氣屏障，該濕氣屏障足夠薄以致使該第二背薄片能夠進行結合該第二圖案化金屬噴敷與該濕氣屏障的連續捲式製程。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之光伏打模組，其中該絕緣材料係具有分散的島狀或點狀之一夾層電介質。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光伏打模組，進一步包含一熱塑性封裝，佈置於該夾層電介質之該等分散的島狀或點狀之上或之間，其中該熱塑性封裝包含一紗質層，該紗質層佈置於該等背接觸太陽能電池及該圖案化金屬噴敷之間。
  12. 如申請專利範圍第5項所述之光伏打模組，其中該電氣 接觸係由一材料所提供，該材料包含一聚合物基質及導電粒子。
  13. 一種光伏打模組，包含：一圖案化金屬噴敷，該圖案化金屬噴敷在一軟性背薄片上形成複數個電路，各個電路連接複數個背接觸太陽能電池之一子組合，其中該等複數個電路之至少一者包含一非線性電路路徑；及複數個線板，該等複數個線板之各者包含一或更多旁通二極體，用於旁通該等複數個電路之一或更多者。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之光伏打模組，其中該等複數個背接觸太陽能電池包含升級冶金級矽(upgraded metallurgical grade solicon)或低電阻矽。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之光伏打模組，其中各個旁通二極體旁通少於7個太陽能電池。
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