TWI550889B - 光伏打電池 - Google Patents

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Description

光伏打電池
本發明係有關於一種光伏打電池，其係包括在該電池的一背表面上的第一及第二組的導體，該第一及第二組的導體係分別耦接至該背表面上的射極與基極區域，以用於收集來自互為相反極性的電荷載子的電流。
光伏打電池的收集效率係依據許多因素而定，其包含導體系統的設計，該導體系統係被用來傳導在該電池中來自該射極與基極的互為相反極性的電荷載子的電流。在此項技術中，兩種類型的導體系統是已知的：一種類型是其中電性分開的格柵係被設置在電池的前表面及背表面上以用於該射極與基極、以及一種類型是其中用於該射極與基極之電性分開的格柵係設置在相同的表面(背表面)上。傳統上，被使用的格柵係具有一或多個稱為匯流條之相對寬的中央導體線、以及從該中央導體線發出之具有相對窄的細長形狀的平行的直線指狀部。因此，H形的連接圖案係有效地被設置，該匯流條係構成該H的水平線。
US 6,573,445係展示具有分開的基極與射極格柵在相對的表面上之光伏打電池，其中指狀部的密度係隨著和該中央線相隔的距離而變。該文件亦展示光伏打電池，其中被該前表面格柵覆蓋的區域係藉由利用反覆的子區域而被縮小，每個子區域係具有從一或多個同心的環形線放射出 的導體線，其中在放射出的線上分叉的數量係隨著和中心隔的距離而增加。
在其中兩個電性分開的格柵是設置在背表面上的光伏打電池的類型中，交指狀(interdigitated)導體格柵係被使用。此種電池係稱為IBC電池(交指背接觸式電池)。每個格柵係具有一H形或E形的圖案，其中一系列具有長窄形狀的直的平行指狀部係從一匯流條發出。兩個格柵的指狀部的走向是平行的，一格柵的每個指狀部的長度係延伸在另一格柵的不同對的指狀部的長度之間。以此種方式，兩個格柵的每個指狀部都可在另一格柵的一指狀部的附近被實現。
然而，該些匯流條係由於在該些中央線下面之增強的再結合而引起效率損失，此有時被稱為電性遮蔽。
除了別的目的之外的一目的是提供一種光伏打電池，其中兩個極性的電流可以在較少損失下從背表面來加以收集。
根據一特點，一種光伏打電池係被提供，其係包括：-一具有彼此相對的一第一及第二表面的半導體本體；-在該第一表面上的一第一及第二二維陣列的接觸點，每個接觸點係耦接至在該半導體本體中或是在該半導體本體上的基極與射極區域中之一個別的區域；-都位在該第一表面上的電性分開的第一及第二導體結 構，其係分別耦接至該第一及第二二維陣列的接觸點；-該第一導體結構係包括多組的第一導體線分支，每組的第一導體線分支係從該第一二維陣列的接觸點中之一個別的接觸點在至少三個彼此呈小於180度之連續的不同方向上岔開，該些第一導體線分支係岔開成一樹結構，其中分支導體線的數量係隨著和該些接觸點中之該個別的接觸點間隔的距離而增加；-該第二導體結構係包括在至少三個不同的方向上且在該些第一導體線分支中的個別成對的相鄰的第一導體線分支之間的區域中的第二導體線分支，該些個別的對中之不同對的第一導體線分支係非平行於該些個別的對中之其它對的第一導體線分支，該第一導體線分支係包含多對，每個第二導體線分支係至少耦接至該第二二維陣列的接觸點中的一個別的接觸點，該些第二導體線分支係延伸到該樹結構中的每對相鄰分支之間的區域。
該第一及第二表面分別可以是該光伏打電池的背表面及前表面，例如，其將會是背對及朝向太陽。該些接觸點可以取代已知的光伏打電池的匯流條。例如，該光伏打電池的一電極的輸出端子可耦接至該第一二維陣列的接觸點的每一個。除了利用都是平行的交指的導體指狀部，呈更多角度的導體線交指係被利用。對於寬的匯流條之需求係被避免，因為該些第一導體線分支係以複數個方向從該接觸點岔開，其中該些第一導體線分支可具有相同的寬度，並且例如可被設置在從該接觸點放射出的方向上。較佳的 是，該些基極區域係被保持盡可能的小，以避免電性遮蔽(亦即在該基極中或是在該表面處之增強的再結合)。從增加電流的觀點來看，射極區域的部分較佳的是盡可能的大。然而，該射極區域是受限的，因為橫向電流造成的電阻性損失將會降低效率。橫向電流亦將會在該橫向的方向上造成一電壓梯度，此係使得該射極-基極接面所形成的二極體並非操作在最大功率點。此亦被稱為分散式串聯電阻損失。
在一實施例中，有該第二導體結構的導體線分支延伸在其之間的該些對中的至少部分的對之分支在該對中是非平行的。因此，較緊密的間隔是成為可能的。
在一實施例中，該些第一導體線分支係岔開成一樹結構，其中分支導體線的數量係隨著和該些接觸點中之該個別的接觸點間隔的距離而增加。以此種方式，一具有實質均勻密度的第一導體結構可被實現，因而從該第一表面上的表面點到該第一導體結構之最大距離對於較遠離該接觸點的表面點而言並不需要變大。
在一實施例中，該些第二導體線分支係延伸到該樹結構中的每對相鄰的分支之間的區域。以此種方式，從該第一表面上的表面點到該第二導體結構的最大距離對於較靠近到該接觸點的表面點而言並不需要變大。
在一實施例中，在該些第一導體線分支之該些個別成對的相鄰非平行的第一導體線分支之間的區域中的第二導體線分支係至少部份沿著一虛擬的線延伸，該虛擬的線係二等分在該對中的第一導體線分支之間的一角度。以此種 方式，在該些導體線分支之間的最大距離可在一最小的導體區域下被保持為小的。
在一實施例中，該光伏打電池係具有一週期性的單元電池的圖案，該些單元電池具有來自該第一及第二導體結構的第一及第二導體線分支，其中在該單元電池中的該第一導體結構係包括從該單元電池內的該些接觸點中之一第一接觸點放射出的導體線分支，並且該第二導體結構係包括沿著該單元電池的一邊界之導體線以及從該邊界進入到該單元電池內的分支導體線。此係使得利用在該些導體線中之有限的變化來實現該光伏打電池成為可能的。該些單元電池例如可以是矩形(例如方形)或是六角形。
在另一實施例中，該第二二維陣列的該些接觸點係位在該單元電池的該些邊界上，與沿著該些邊界的該些導體線電接觸。該第二二維陣列的該些接觸點事實上可位在該些邊界形成該單元電池的角落處。以此種方式，可避免使用寬的匯流條。在一實施例中，該些接觸點在每個電池中可被設置在相同位置處，但在另一實施例中，該些接觸點在不同的單元電池中可不同地加以設置，例如在單元電池中是在該週期性的圖案的邊緣處。某些接觸點可以位於橫跨複數個單元電池之處，例如穿過一單元電池的邊界，並且某些接觸點可被設置在內部，而僅僅觸及該邊界而已。
在另一實施例中，在該單元電池中的該第二導體結構的該些分支導體線係岔開成一樹結構，其中分支導體線的數量隨著和該單元電池中的該些接觸點中之該第一接觸點 的距離縮短而增加。以此種方式，在該些導體線分支之間的最大距離可在一最小的導體區域下被保持為小的。
在另一實施例中，在該第二導體線的該樹結構中之該些分支導體線的至少部分是彎曲的，該些分支導體線的至少部分係具有一尖端，該些分支導體線的該至少部分的該些尖端係被導向其中該些第一導體線分支岔開成多個第一導體線分支所在的一個別岔開點。以此種方式，在該些導體線分支之間的最大距離可在一最小的導體區域下被保持為小的。
該光伏打電池係包括一具有一相較於其直徑(例如長度及/或高度)為相對小的厚度之半導體本體。該半導體本體係具有一第一及第二表面，該些表面係以該半導體本體的厚度間隔開的。該第一及第二表面將會被稱為背表面及前表面，因為在使用期間該第二表面將會面對一提供能量的光源(例如太陽)，並且該第一表面將會是背對該光源。
該半導體本體由於摻雜而具有一第一導電類型(p或n)。一具有與該第一導電類型相反的一第二導電類型(n或p)之圖案化的層係被設置在該背表面中或是在該背表面上。在存在有該圖案化的層之處，在該半導體本體的主體以及該圖案化的層之間係界定一半導體接面。在該背表面上的一第一組的電極(射極電極)係耦接至其中存在該圖案化的層的第一區域，並且在該背表面上的一第二組的電極 (基極電極)係耦接至其中不存在該圖案化的層的第二區域。替代的是，一具有和該半導體本體的主體相同的導電類型之增強導電度的圖案化的層可被設置在該第二區域中，其係形成一背表面電場。
圖1係概要地展示光伏打電池的背表面10，其中一個二維陣列的第一及第二接點12、14係連接至射極電極(未顯示)以及基極電極(未顯示)。例如，一具有二維週期性配置的方形單元電池的陣列係被展示(藉由虛線指出)，其中在該些單元電池的中央點有第一接點12並且在該些單元電池的角落有第二接點14。
圖2係概要地展示該二維陣列的一單元電池中之導體圖案的一例子。在該單元電池中的此導體圖案可以在該光伏打電池的背表面上以二維週期性地反覆出現。該導體圖案係包括從該單元電池的中央位置的第一接點12發出之第一導體線20以及耦接至在該單元電池的角落的第二接點14之第二導體線22。
為了圖解的緣故，第一導體線20是藉由虛線來加以展示，但應該理解的是，它們是形成連續的導體。第一導體線20係以複數個角度從第一接點12在彼此全都不平行的方向上放射出。例如，一單元電池已經被展示為其中該些導體線20為彼此呈90度(在0、90、180以及270度)。但不同的角度可被利用，例如呈120度、72度、60度等三個角度、或是呈不規則的不同角度。該些從第一接點12發出的第一導體線20將會被稱為第一階分支。該第一階分支係 岔開成第二階分支，依此類推，和第一接點12相隔的距離是隨著每階的分支增加。
第二導體線22係包含走向是在沿著該單元電池的邊界的第二接點14之間的導體線以及從沿著該些邊界的導體線分叉到該單元電池中而進入在第一導體線20的分支之間的區域內的分支導體線。在該舉例說明的例子中，在該第一導體線20的每一階的每對分支都分別有該第二導體線22之一對應的分支。該些第一導體線20的一對分支之對應的第二導體線22的分支係從該單元電池的邊界(包含第二接點14的邊界)延伸到一在該對分支之間的位置，亦即一在該等分支的端點之間虛擬的線係交叉其對應的第二導體線22。
為了降低再結合損失，較佳的是從該背表面上的任何點到該第一及第二導體線20、22中之任一者的最大距離係被保持為小的。為了達到此，較佳的是至少該第二導體線22的分支的尖端之走向是沿著一虛擬的線，該虛擬的線係二等分在該第一導體線20的相鄰分支之間所形成的角度。在有一岔開點之處，其中該第一導體線20的一對分支是在該岔開點以一銳角或是一90度的角度岔開，該第二導體線22的一分支較佳的是位在該第一導體線20的這些分支之間，其中至少該第二導體線22的分支的一尖端部分是朝向該岔開點。以此種方式，從該背表面上的任何點到該第一及第二導體線20、22中之任一者的最大距離係被保持為小的。
許多不同的佈局圖案都可被利用於該第一及第二導體線20、22。例如，更多階的分支可被利用、或是在該分支線之間不同的角度可被利用。圖3係展示在一單元電池中的第一及第二導體線20、22之另一例子。在此，該些第二導體線係沿著一平行四邊形的輪廓被設置，該平行四邊形係形成該單元電池的周邊(一方形係被展示為平行四邊形的一例子，但是任意方形或是其它平行四邊形亦可被利用)。該些第一導體線從該平行四邊形的中心之一接觸點對角地延伸到四個角落的每一個，其具有從該些對角線分出的分支。該些分支係包含走向是平行於該平行四邊形的一組平行邊的第一分支以及走向是平行於該平行四邊形的另一組平行邊的第二分支。該第一及第二分支係從對角線在相反的方向上分支出。在一矩形單元電池的情形中，該第一及第二分支係彼此垂直地延伸。沿著該輪廓的第二導體線係具有朝向該平行四邊形內部的分支，亦即來自該輪廓的不同部分的分支係分別平行且交指於該些第一導體線的第一及第二分支。
該些單元電池並不需要是方形的。圖4係展示一種六角形的單元電池的一例子。例如，第二接點12係被展示在該單元電池的所有角落處，但替代的是第二接點12可以只被設置在每隔一個角落處。為了圖解的緣故，第二導體線22在此圖中係藉由虛線來展示，但應該理解的是，它們係形成連續的導體。第一導體線20係從該單元電池的中心之第一接點以一些角度而放射出，其中每個導體線和其前一 個導體線呈60度的角度。第一導體線20係每次岔開成一構成第一主要分支的第一徑向導向的導體線以及一對構成被導向橫過該徑向的第一側分支40的導體線。第二導體線22係包含走向是在該些第二接點14之間沿著該單元電池的邊界之導體線以及被徑向導向該單元電池的中心之另外的導體線。該些另外的導體係每次岔開成一構成第二主要分支之徑向導向的導體線以及一對構成第二側分支42的導體線，該些第二側分支42係被導向成平行於該些第一側分支。該些走向是在該些第二接點14之間沿著該單元電池的邊界之導體線亦可被視為此種第二側分支。每個第一側分支40係延伸在一個別對的第二側分支42之間。
儘管圖4的實施例在該些側分支中已經藉由直的導體線段所描繪，每個側分支係以相對該主要分支相同的角度岔開，但應該體認到的是，此並非必要的。在一實施例中，該些側分支可以是彎曲的(具有一連續的曲線或是彼此呈一角度的多個直的線段)。該些側分支可以是彎曲的，例如使得從該第一或第二側分支岔開的點的一第一部分的走向分別是平行於相鄰的第二或第一側分支的尖端，並且該第一或第二側分支的尖端係被導向一相鄰的第二或第一側分支岔開所在的岔開點。當在一岔開點的主要分支及側分支是彼此呈一銳角時，另一導體線之相鄰的側分支的尖端可以被導向此岔開點。在該尖端的側分支可以延伸該二等分此銳角之虛擬的線。此係縮短從該背表面上的點到該第一及第二導體線20、22之最接近的部分的距離。在一實施例中， 該些側分支本身可以岔開成被導向相鄰的岔開點之分支。
儘管該些導體線在圖式中已經被展示為線，但應該理解的是，該術語“導體線”係指一導體材料的本體，其具有大於零的橫過該線方向的高度及寬度。該寬度(橫過在圖1-4中所示的線)並不需要每處都是寬的：其可以在朝向該些分支的尖端處是窄的。該些導體線的寬度可以填入在圖式中被展示為導體線的線之間的空間之部分，此係留下一空缺以避免短路：在圖式中所示的線可被視為代表該些導體線的中心線，而不是實際的導體線。在用於基極與射極的導體線上相互最接近的點之間的空間中被該些導體線覆蓋的部分並不需要在用於基極與射極區域的導體線之間均分。例如，用於射極區域的導體線可以比用於基極區域的導體線覆蓋在該些相互最接近點之間的距離之一較大的部分。此可以增高效率。
圖5係展示一種太陽能電池的一橫截面，其係包括一半導體本體50、射極區域52、在該些射極區域52上的射極接觸電極54以及基極接觸電極56。例如是介電層、抗反射塗層、紋理等的細節並未加以展示。此一橫截面的結構本身是已知的。該些射極接觸電極54以及基極接觸電極56係分別構成該第一及第二導體結構的部分、或分別是該第二及第一導體結構的部分，並且被設置有如同在表面視圖中所示的分支。較佳的是，射極部分(該表面被射極區域52覆蓋的部分)是被最大化、或是至少大於基極部分(該表面中作用為基極區域的部分)。此可藉由在例如是圖1-4中所示 的導體圖案下，將該些射極區域的邊緣做成較靠近到該些基極電極、而非較靠近到該些射極電極來加以實現。因此，該些射極區域延伸超過在基極電極之間的距離的一半。
一種光伏打電池係被提出，其係具有一具有彼此相對的一第一及第二表面的半導體本體以及在該第一表面上的一第一及第二二維陣列的接觸點，每個接觸點係耦接至在該半導體本體中或是在該半導體本體上的基極與射極區域中之一個別的區域。連接到第一及第二二維陣列的接觸點之外部的電氣接點可藉由施加至該背表面的導電箔層來加以實現，其中有一隔離層介於中間。最接近至該半導體基板的層係具有用於連接到該層以便進一步連接至該半導體的接點之開口。
此係被描繪在圖6中，其係展示該半導體基板60(細節被省略)，其具有來自該第一及第二陣列的接觸點62a,b、藉由一電性絕緣的箔66分開的一第一及第二導電的(例如金屬的)箔64a,b。第一及第二導電的箔64a,b例如是藉由導電的黏著劑來分別電耦接至該第一及第二陣列的接觸點。最內側的箔64a以及該絕緣層66係在該第二陣列的接觸點之上具有開口。連接到其它箔的接點係透過這些開口而被設置。當然，其它連接至該些接觸點的方式也是可行的，例如佈線、利用接觸墊相對該些接觸點來安裝在一PCB上、等等。箔的使用係使得以較低成本來提供大量製造成為可能的。
10‧‧‧背表面
12‧‧‧第一接點
14‧‧‧第二接點
20‧‧‧第一導體線
22‧‧‧第二導體線
40‧‧‧第一側分支
42‧‧‧第二側分支
50‧‧‧半導體本體
52‧‧‧射極區域
54‧‧‧射極接觸電極
56‧‧‧基極接觸電極
60‧‧‧半導體基板
62a,b‧‧‧接觸點
64a,b‧‧‧導電的箔
66‧‧‧箔
這些及其它目的以及有利的特點從使用以下的圖的範例實施例之說明將會變得明顯。
圖1係展示一種具有一陣列結構之光伏打電池的一背表面；圖2係展示在該陣列的一單元電池中的一導體圖案；圖3、4係展示另一單元電池的導體圖案；圖5係展示一種太陽能電池的一橫截面；圖6係展示具有連接箔的電池的一橫截面。
10‧‧‧背表面
12‧‧‧第一接點
14‧‧‧第二接點

Claims (10)

  1. 一種光伏打電池，其係包括：一具有彼此相對的一第一及第二表面的半導體本體；在該第一表面上的一第一及第二二維陣列的接觸點，每個接觸點係耦接至在該半導體本體中或是在該半導體本體上的基極與射極區域中之一個別的區域；都位在該第一表面上的電性分開的第一及第二導體結構，其係分別耦接至該第一及第二二維陣列的接觸點；該第一導體結構係包括多組的第一導體線分支，每組的第一導體線分支係從該第一二維陣列的接觸點中之一個別的接觸點在至少三個彼此呈小於180度之連續的不同方向上岔開，該些第一導體線分支係岔開成一樹結構，其中分支導體線的數量係隨著和該些接觸點中之該個別的接觸點間隔的距離而增加；該第二導體結構係包括在至少三個不同的方向上且在該些第一導體線分支中的個別成對的相鄰的第一導體線分支之間的區域中的第二導體線分支，該些個別的對中之不同對的第一導體線分支係非平行於該些個別的對中之其它對的第一導體線分支，該第一導體線分支係包含多對，每個第二導體線分支係至少耦接至該第二二維陣列的接觸點中的一個別的接觸點，該些第二導體線分支係延伸到該樹結構中的每對相鄰分支之間的區域。
  2. 根據申請專利範圍第1項之光伏打電池，其中有該第二導體結構的導體線分支延伸在其之間的該些對中的至少 部分的對的第一導體線分支在該對中是非平行的。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之光伏打電池，其中在該些第一導體線分支之該些個別成對的相鄰非平行的第一導體線分支之間的區域中的第二導體線分支係至少部份沿著一虛擬的線延伸，該虛擬的線係二等分在該對中的第一導體線分支之間的一角度。
  4. 根據申請專利範圍第1或2項之光伏打電池，其中從該接觸點岔開的第一導體線分支、或是一包含該接觸點之未岔開的區域係具有互為相等的寬度。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項之光伏打電池，其係包括一週期性的單元電池的圖案，該些單元電池具有來自該第一及第二導體結構的第一及第二導體線分支，其中在該單元電池中的該第一導體結構係包括從該單元電池內的該些接觸點中之一第一接觸點放射出的導體線分支，並且該第二導體結構係包括沿著該單元電池的一邊界之導體線以及從該邊界進入到該單元電池內的分支導體線。
  6. 根據申請專利範圍第5項之光伏打電池，其中該第二二維陣列的該些接觸點係位在該單元電池的該些邊界上，與沿著該些邊界的該些導體線電接觸。
  7. 根據申請專利範圍第5項之光伏打電池，其中在該單元電池中的該第二導體結構的該些分支導體線係岔開成一樹結構，其中分支導體線的數量隨著和該單元電池中的該些接觸點中之該第一接觸點的距離縮短而增加。
  8. 根據申請專利範圍第5項之光伏打電池，其中在該第 二導體線的該樹結構中之該些分支導體線的至少部分是彎曲的，該些分支導體線的至少部分係具有一尖端，該些分支導體線的該至少部分的該些尖端係被導向其中該些第一導體線分支岔開成多個第一導體線分支所在的一個別岔開點。
  9. 根據申請專利範圍第5項之光伏打電池，其中該些單元電池是矩形的。
  10. 根據申請專利範圍第5項之光伏打電池，其中該些單元電池是六角形的。
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