CN204538036U - 太阳能电池板、太阳能电池、太阳能电池板装置和太阳能电池装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的一种实施例提供了一种高效率太阳能电池板。该太阳能电池板包括多个太阳能电池子集。该太阳能电池在子集中串联连接，该太阳能电池子集并行连接。各子集中太阳能电池的数量足够大以便该太阳能电池板的输出电压基本与常规太阳能电池板的输出电压相同，常规太阳能电池板上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接。
Description
技术领域
本公开总体上涉及太阳能电池板的制作。更具体地，本公开涉及具有改进的功率输出效率的太阳能电池板的制作。
背景技术
化石燃料的负面环境影响和它们上升的成本已经导致对更清洁、更便宜的替代能源的紧迫需求。在不同形式的替代能源中，太阳能由于其清洁和广泛可得性而受青睐。
太阳能电池使用光伏效应将光转换成电。存在若干基本太阳能电池结构，包括单p-n结、p-i-n/n-i-p和多结。典型的单p-n结结构包括p掺杂层和n掺杂层。具有单p-n结的太阳能电池可以是同质结太阳能电池或者异质结太阳能电池。如果p掺杂层和n掺杂层二者都是由相似的材料(具有相等带隙的材料)制成，则太阳能电池被称为同质结太阳能电池。相反，异质结太阳能电池包括至少两层不同带隙的材料。p-i-n/n-i-p结构包括p掺杂层、n掺杂层以及嵌在p层和n层之间的本征(非掺杂)半导体层(i层)。多结结构包括堆叠在彼此顶部上的不同带隙的多个单结结构。
在太阳能电池中，吸收靠近p-n结的光，从而生成载流子。载流子扩散进入p-n结并且由内建电场分离，因此产生跨器件和外部电路装置的电流。确定太阳能电池质量的重要度量标准是其能量转换效率，能量转换效率被定义为当太阳能电池被连接到电路时，在转换的功率(从吸收的光到电能)和收集的功率之间的比例。高效率太阳能电池在减少产生太阳能的成本方面是很重要的。
实际上，多个单独的太阳能电池相互连接、组装、并包装在一起以形成太阳能电池板，其能安装在支承结构上。多个太阳能电池板可随后链接在一起以形成太阳能系统以产生太阳能。根据其规模，这样的太阳能系统可以是住宅屋顶系统、商业屋顶系统、或者地面-安装应用规模系统。应注意，在这样的系统中，除了每一单独的电池的能量转换效率以外，太阳能电池板中电池之间相互电连接的方式也会决定从每个电池板可提取的总能量。由于内部电池连接会导致串联的内部电阻，外部负载仅可额外获取由太阳能电池板生成的总功率的有限百分比。
实用新型内容
本实用新型的一个实施例提供了一种太阳能电池板。所述太阳能电池板，包括：多个太阳能电池，所述太阳能电池布置成多个子集，每一子集包括多个太阳能电池。相应子集中的太阳能电池串联电连接，太阳能电池的所述子集并联电连接。相应子集中太阳能电池的数目足够大以便所述太阳能电池板的输出电压与常规太阳能电池板的输出电压基本相同，常规太阳能电池板上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接。
该实施例的变形中，子集中的相应太阳能电池通过分隔基本呈方形的太阳能电池来获得。
进一步实施例中，所述太阳能电池通过将基本呈方形的太阳能电池分成三块来获得。
该实施例的变形中，子集中太阳能电池的数量与常规太阳能电池板中串联连接的基本呈方形的太阳能电池的数量相同。
该实施例的变形中，相应太阳能电池为矩形。
该实施例的变形中，相应太阳能电池为双面隧穿异质结太阳能电池，包括：基极层；沉积在所述基极层的两表面上的第一和第二量子隧穿势垒(QTB)层；非晶硅发射极层；以及非晶硅表面场层。此外，所述太阳能电池可从两表面吸收光。
该实施例的变形中，相应太阳能电池包括第一侧上的第一金属栅格和第二侧上的第二金属栅格，其中第一金属栅格包括位于所述第一侧上的边缘处的第一边缘母线，以及其中第二金属栅格包括位于所述太阳能电池的第二侧上相对边缘处的第二边缘母线。
进一步变形中，所述第一金属栅格和所述第二金属栅格包括电镀Cu层。
进一步变形中，子集中的两相邻太阳能电池定位为使得一太阳能电池的第一边缘母线与另一太阳能电池的第二边缘母线直接接触，以实现所述两相邻太阳能电池之间的串联连接并消除其间的暴露间隔。
该实施例的变形中，相应子集中的所述太阳能电池形成U形串。
该实施例的变形中，相应子集中的所述太阳能电池物理连接。
附图说明
图1示出示例性太阳能电池的示图(现有技术)。
图2示出根据本实用新型一实施例的示例性双面隧穿异质结太阳能电池的示图。
图3A示出常规太阳能电池的电极栅格的示图(现有技术)。
图3B示出根据本实用新型一实施例的带有单个中心母线的示例性双面太阳能电池的表面。
图3C示出根据本实用新型一实施例的每面带有单个中心母线的双面太阳能电池的剖视图的示图。
图3D示出根据本实用新型一实施例的示例性双面太阳能电池的前表面。
图3E示出根据本实用新型一实施例的示例性双面太阳能电池的背表面。
图3F示出根据本实用新型一实施例的每面带有单个边缘母线的双面太阳能电池的剖视图。
图4示出包括多个串联连接的太阳能电池的常规太阳能电池板的示图(现有技术)。
图5示出串联连接的太阳能电池串的侧视图的示图(现有技术)。
图6示出带有串联连接的太阳能电池的太阳能电池板的简化等效电路的示图。
图7示出根据本实用新型一实施例的带有并行连接的太阳能电池的太阳能电池板的简化等效电路的示图。
图8示出根据本实用新型一实施例的示例性太阳能电池板配置的示图。
图9示出根据本实用新型一实施例的太阳能电池串的示图，每个太阳能电池被分成多个更小单元。
图10示出根据本实用新型一实施例的示例性太阳能电池板的示图。
图11示出根据本实用新型一实施例的制作太阳能电池板的流程的流程图。
图12A示出根据本实用新型一实施例的在太阳能电池前表面上的示例性金属栅格图案的示图。
图12B示出根据本实用新型一实施例的在太阳能电池背表面上的示例性金属栅格图案的示图。
图13A示出根据本实用新型一实施例的两相邻的更小的每面带有单个边缘母线的电池之间的串联连接的示图。
图13B示出根据本实用新型一实施例的相邻边缘重叠的更小电池的侧视图。
图13C示出根据本实用新型一实施例的包括两行更小电池的示例性太阳能电池串的俯视图。
附图中，相同附图标记表示相同附图元件。
具体实施方式
提出下面的描述以使得任何本领域技术人员能够制作和使用实施例，并且在特定应用及其需求的背景下提供下面的描述。对于本领域技术人员，对公开的实施例的各种修改将显而易见，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下本文所定义的一般原理将应用于其他实施例和应用。因此，本实用新型不限于示出的实施例，而是被授予与本文所公开的原理和特征相一致的最宽广的范围。
概述
本实用新型的实施例提供高效率太阳能电池板。为减小由太阳能电池板的内部电阻消耗的那部分功率，本实用新型的太阳能电池板包括并行连接的太阳能电池串。而且，为了保证本实用新型太阳能电池板与常规电池板的输出兼容，每个常规方形晶片在制作好设备结构后被分成若干分割单元，其可为矩形串且可串行连接，以使整个电池板输出与常规电池板基本相同的开路电压。在太阳能电池制作过程中，前部和背部金属栅格被特别设计为便于将方形晶片分割成分割单元。更特别地，保留间隔用于基于激光的划分并裂开(scribe-and-cleave)操作。为减小遮蔽并增加致密度，在一些实施例中，电池连接为叠瓦模式。太阳能电池板的性能可进一步通过应用最大功率点追踪(MPPT)技术以及在电池和电池组级别上旁路保护来进行改进。在一些实施例中，相应太阳能电池或太阳能电池板中的太阳能电池组耦合至MPPT集成电路(IC)芯片和旁路二极管。
本公开中，术语“常规太阳能电池”表示常规的、方形或伪方形(带有折角或圆角)的太阳能电池，其典型地在常规晶片上制作。这些常规太阳能电池也可表示为“基本呈方形”太阳能电池，意思是太阳能电池的形状为方形或伪方形。术语“分割电池”、“带”、“更小电池”表示太阳能电池可以比常规电池更小。这样的电池可以通过将常规的方形晶片切割成若干块来制作，或者直接在具有除常规晶片尺寸以外的尺寸的晶片上制作。注意尽管这样独特形状的电池有时候也称为“更小电池”，其实并不需要这样的电池的尺寸实际小于常规电池的尺寸。其他电池尺寸也是可能的，例如可大于和/或长于常规电池尺寸。
双隧穿异质结太阳能电池
图2示出根据本实用新型一实施例的示例性双侧隧穿异质结太阳能电池的示图。在该示例中，双侧隧穿异质结太阳能电池200包括单晶硅基极层202、覆盖基极层202两表面且钝化表面缺陷态的量子隧穿势垒(QTB)层204和206、形成表面场层的掺杂非晶硅(a-Si)层208、形成发射极层的掺杂a-Si层210、第一透明导电氧化物(TCO)层212、第二TCO层214、第一金属栅格216和第二金属栅格218。应注意，太阳能电池200可操作光入射到该结构的两侧中的任一侧上。换言之，太阳能电池200可操作其表面场层208面向入射光，或者操作其发射极层210面向入射光。太阳能电池200也可操作在双面模式，意思是表面场层208和发射极层210两者均可接收入射光。具体细节(包括关于双侧隧穿异质结太阳能电池200的制作方法)可参考美国专利申请12/945,792(代理人案卷号SSP10-1002US)，其名称为“Solar Cell with Oxide Tunneling Junctions”，发明人为JiunnBenjamin Heng、Chentao Yu、Zheng Xu和Jianming Fu，申请日为2010年11月12日，该专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
太阳能电池中，金属触点(例如金属栅格216和218)收集由太阳能电池产生的电流。通常地，金属栅格包括两种金属线：指线和母线。指线为纯金属线，经常以基本相同的相互距离并行布线，以收集由太阳能电池产生的电流。母线为更宽的与所有指线耦合的金属带，以聚合所有的收集到的电流，以便于耦合至外部引脚(例如金属突出端)。应注意，指线的布线图案并不局限于线。线圈和“蛇”形布线图案也可以用于减少金属栅格剥落的几率。
金属栅格设计的一个因素是与宽间隔栅格相关的增长的电阻损耗以及由表面的金属覆盖量引起的增长的反射和遮蔽效应之间的平衡。在常规太阳能电池中，为减轻指线的串联阻抗引起的功率损耗，典型的采用两母线，如图3A所示。对于标准5英寸太阳能电池(其可以是5×5英寸2的正方形或者具有圆角的伪正方形)，每一表面上有两母线。对于更大的6英寸太阳能电池(其可以是6×6英寸2的正方形或者具有圆角的伪正方形)，根据电极材料的电阻，可能需要三个或更多母线。在图3A所示的示例中，太阳能电池300的表面(可以是前表面或背表面)包括多个平行的指线(例如指线302和304)，以及与指线垂直放置的两母线306和308。定位该母线以保证从指线上任一点到母线的距离(以及因此电阻)足够小以最小化功率损失。然而，这两个母线和为了电池内部连接随后焊接到这些母线上的金属带可能产生大量遮蔽，这会降低太阳能电池的性能。
在本实用新型的一些实施例中，前部和背部金属栅格(例如指线)可包括电镀Cu线。通过采用电镀或非电镀技术，可获得具有等于或小于5×10-6Ω·cm电阻率的Cu栅格线。此外，金属种子层(例如Ti)可采用例如物理气象沉积(PVD)工艺直接沉积在TCO层上。该种子层保证与TCO层良好的欧姆接触以及与太阳能电池结构的牢固的物理结合。随后，Cu栅格可电镀在种子层之上。这两层(种子层和电镀Cu层)保证良好的欧姆接触性能、物理强度、低成本并且实现大规模生产制造。关于电镀Cu栅格(替换地为直接沉积在TCO层上的金属种子层)的细节可参考美国专利申请12/835,670(代理人案卷号SSP10-1001US)，其名称为“Solar Cell with Metal GridFabricated by Electroplating”，发明人为Jianming Fu、Zheng Xu、Chentao Yu、和Jiunn Benjamin Heng，申请日为2010年7月13日；美国专利申请13/679,913(代理人案卷号SSP10-1001CIP)，其名称为″SOLAR CELL WITH METAL GRID FABRICATED BYELECTROPLATING″，发明人为Bob Wen Kong和Jianming Fu，申请日为2012年11月16日；以及美国专利申请13/220,532(代理人案卷号SSP10-1010US)，其名称为“Solar Cell with Electroplated MetalGrid”，发明人为Jianming Fu、Jiunn Benjamin Heng、Zheng Xu、和Chentao Yu，申请日为2011年8月29日，其该专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
Cu指线的减小的电阻使得减小太阳能电池表面上的母线的数量成为可能。在本实用新型的一些实施例中，使用单个母线来收集来自指线的电流。
图3B示出根据本实用新型一实施例的带有单个中心母线的示例性双面太阳能电池的表面。图3B中太阳能电池310的前表面或背表面包括单个母线312和若干指线，例如指线314和316。图3C示出根据本实用新型一实施例的每面带有单个中心母线的双面太阳能电池的剖视图。图3C所示的半导体多层结构可与图2所示的结构相似。应注意，图3C并未示出指线，因为分割面位于两指线之间。在图3C所示的示例中，母线312沿与纸面垂直的方向行进，指线沿着从左到右的方向行进。因为每面上只有一个母线，从指线边缘到母线的距离会更长。但是，一个母线的消除会减少遮蔽，其不仅补偿由增加的指线-母线距离导致的功率消耗，而且提供附加的功率增益。图3D示出根据本实用新型一实施例的示例性双面太阳能电池的前表面。在该示例中，分割太阳能电池320的前表面包括若干水平的指线和垂直的单个母线322，其设置为邻近太阳能电池320的边缘321。母线322与所有指线的最右边缘相接触，并收集来自所有指线的电流。图3E示出太阳能电池320的背表面。该太阳能电池320的背表面包括若干水平的指线和垂直单个母线324，其设置为邻近与边缘321相对的边缘325。类似于母线322，母线324与所有指线的边缘相接触。图3F示出双面太阳能电池320的剖视图。图3F所示的半导体多层结构可与图2所示的结构相似。与图3C相似地，图3F中，指线(未示出)沿从左到右方向行进，而母线沿垂直于纸面的方向行进。如图3D-图3F所示，双面太阳能电池320的前表面和背表面上的母线设置为邻近电池的相对边缘处。这样的配置可进一步改善功率增益，因为母线导致的遮蔽现在发生在能量产生效率较差的位置。
单个母线配置(中心母线或边缘母线)不仅能提供功率增益，而且能减小制作成本，因为需要更少金属。而且，金属指线可具有曲线轮廓的截面以偏转入射光，否则其会阻挡在电池表面上，因此进一步减小遮蔽效应。对于双面操作，太阳能电池板的前盖和背盖可以是透明的。这些盖可由玻璃或聚合物制作。这样的双面电池板可同时从“前”(面向阳光)和“背”(背离阳光)表面上吸收光，其可使电池同时转化直射和非直射的阳光。非直射的阳光可以包括从围绕电池板的各表面反射、偏转和散射的阳光。这样的双面太阳能电池板在电池板从平面抬高的设置中特别有用，例如太阳能电站环境中。
太阳能电池板布局
典型的高效率太阳能电池的开路电压(Voc)可大约为750mV。在最大功率点(MPP)，其为太阳能电池的期望操作点，太阳能电池两端的电压通常稍低于Voc。为实现更高的输出电压，常规的太阳能电池经常包括串联连接的太阳能电池。图4示出包括多个串联连接的太阳能电池(现有技术)的常规太阳能电池板。图5示出串联连接的太阳能电池串的侧视图(现有技术)。图5所示的示例中，金属片(tab)从太阳能电池的顶侧迂回(weave)至相邻太阳能电池的底侧，以实现串联连接。例如，金属片502将太阳能电池504的顶侧连接至相邻太阳能电池506的底侧，而且金属片508将太阳能电池506的顶侧连接至相邻太阳能电池510的底侧，形成串联连接的太阳能电池的串。典型的太阳能电池板(例如图4所示的太阳能电池板400)可具有全部串联连接的太阳能电池，其方式为每行太阳能电池串联连接，而且各行也彼此串联连接。为此，如图4所示，第一行最右边的太阳能电池串联连接至第二行最右边的太阳能电池。串联连接的曲折布置穿过整个电池板直到连接最后一个太阳能电池。
图6示出带有串联连接的太阳能电池的太阳能电池板的简化等效电路的示图。图6中，每个太阳能电池均由具有内部电阻的电流源表示。例如，太阳能电池602表示为与电阻606串联的电流源604。当太阳能电池板包括串联连接的太阳能电池时，如图6所示，整个电池板的输出功率由全部生成电流(IL_total)和全部内部电阻的总和(Rs_total)以及外部电阻(即，负载电阻Rloaa)来确定。例如，如果所有太阳能电池是相同的且接收相同量的光，对于n个串联连接的太阳能电池，IL_total＝IL且Rs_total＝nRs，由整个电路产生的全部功率可计算为假设负载电阻Rload由最大功率点追踪(MPPT)电路来调节以便整个电路的总电阻(Rs_total+Rload)允许整个电池板操作在最大功率点(这表示IL_total固定)，引出到外部负载的功率取决于全部外部电阻Rs_total。换言之，生成功率的一部分被太阳能电池本身的串行内部电阻消耗：换言之，整个电池板具有的全部内部阻抗越少，太阳能电池本身消耗的功率越少，而且引出到外部负载的功率更多。
一种减小太阳能电池消耗的功率的途径是减小总的内部电阻。各种方法可用来减小电池层级的电极的串联电阻。在电池板层级，减小总的串联电阻的一种有效的途径是并联连接若干电池，而非在串联的电池板内连接所有的电池。图7示出根据本实用新型一实施例的带有并行连接的太阳能电池的太阳能电池板的简化等效电路的示图。图7所示的示例中，所有太阳能电池(例如太阳能电池702和704)并行连接。因此，太阳能电池板的总的内部电阻为Rs_total＝Rs/n，比每一单独的太阳能电池的电阻小得多。但是，输出电压Vload现在由单个太阳能电池的开路电压限制，其难以实际设置来驱动负载，尽管输出电流可以n倍于由单个太阳能电池产生的电流。
为了获得高于单个电池的开路电压的输出电压，同时减小电池板的总内部电阻，在本实用新型的一些实施例中，太阳能电池的子集连接成串，多个串连接。图8示出根据本实用新型一实施例的示例性的太阳能电池板配置。图8所示的示例中，太阳能电池板800包括72个太阳能电池，布置成6行，例如顶行802和第二行804，每行包括12个电池。每个太阳能电池可以是标准5或6英寸电池。为了描述的目的，每一太阳能电池被标记为在其边缘带有阳极和阴极，尽管实际上太阳能电池的阳极和阴极在其顶侧和底侧。图8所示的示例中，顶行802和第二行804的太阳能电池串行连接以形成U形串806。相似地，中间两行的太阳能电池也串行连接以形成U形串808，底部两行的太阳能电池也串行连接以形成U形串810。这三个U形串806、808和810随后相互并行连接。更具体地，所有三个串的正极输出连接起来以形成太阳能电池板800的正极输出812，而所有串的负极输出连接起来以形成太阳能电池板800的负极输出814。
通过在子集中串联连接太阳能电池以形成串，然后并行连接这些串，可以将太阳能电池板的串行电阻减小至带有全部电池串联的常规太阳能电池板的电阻的一部分。图8所示的示例中，电池板上的电池分成三串(每串两行)而且这三串并行连接，使得太阳能电池板800的总的内部电阻为带有全部72个电池串联的常规太阳能电池板的1/9。减小的总内部电阻减少了太阳能电池消耗的功率的量，而且允许更多功率引出至外部负载。
并行地连接串也意味着电池板的输出电压现在与每串两侧的电压相同，其为带有所有电池串联的太阳能电池板的输出电压的一部分。图8所示的示例中，电池板800的输出电压为带有全部72个电池串联的太阳能电池板的1/3。
因为每串的输出电压由每个太阳能电池两端的电压(其经常稍小于Voc)和串中串联连接的电池的数量来确定，故可以通过在每串中包括更多电池来增加串的输出电压。但是，简单地在每行中增加更多的电池将导致增大的电池板尺寸，其经常会由于各种机械因素而受局限。应注意，每个电池两端的电压主要由Voc决定，其独立于电池尺寸。因此，通过将每个标准尺寸(5或6英寸)的太阳能电池分成多个串联连接的较小电池来增加每串的输出电压是可能的。因此，每串太阳能电池的输出电压会成倍增加。
注意，由于U形串配置，电流在相邻行的太阳能电池中沿相反方向流动。例如，图8所示，当太阳能电池板800运行时，在顶行太阳能电池中，电流从节点822流至节点824。在下一行中，电流从节点828流至节点826，其方向与顶行中电流方向相反。
图9示出根据本实用新型一实施例的带有每一太阳能电池被分成多个较小电池的太阳能电池串。在图9所示的示例中，太阳能电池串900包括若干较小的电池。常规太阳能电池(例如由虚线902表示)由若干串联连接的较小电池所代替，例如电池906、908和910。例如，如果常规太阳能电池为6英寸方形电池，每一较小电池可具有2英寸×6英寸的尺寸，则常规的6英寸方形电池可由三个2英寸×6英寸较小的串联连接的电池来替代。应注意，只要较小电池的层结构保持与常规方形太阳能电池相同，较小的电池就将具有与未分开太阳能电池相同的Voc。另一方面，由于尺寸减小，每一较小电池产生的电流仅是原始未分开电池的电流的一部分。而且，太阳能电池串900的输出电流是具有未分开电池的常规太阳能电池的输出电流的一部分。太阳能电池串的输出电压现在三倍于具有未分开电池的太阳能串的输出电压，因此使得并行连接串而不牺牲输出电压成为可能。
现在假设标准6英寸太阳能电池两端的开路电压(Voc)为Voc_cell，则每串的Voc为m×n×Voc_cell，其中m为由于分割常规方形电池形成的较小电池的数量，而n为每串中包括的常规电池的数量。另一方面，假设标准6英寸太阳能电池的短路电流(Isc)为Isc_cell，则每串的Isc为Isc_cell/m。因此，当m个这样的串并行连接在新的电池板配置中，整个电池板的Voc将与每串的Voc相同，而整个电池板的Isc将为所有串的Isc的总和。更具体地，通过这样的布置，可以获得：Voc_panel＝m×n×Voc_cell以及Isc_pane1＝Isc_cello这意味着这种新的太阳能电池板的输出电压和电流将比得上相似尺寸的带有非分开的全部串联连接的太阳能电池的常规太阳能电池板的输出电压和电流。相似的电压和电流输出使得这种新的电池板与其他设备兼容，例如逆变器，其由带有非分开的串联连接的电池的常规太阳能电池板来使用。尽管具有相似的电流和电压输出，由于减小的总的内部电阻，这种新的太阳能电池板因此可引出更多输出功率至外部负载。
图10示出根据本实用新型一实施例的示例性的太阳能电池板的示图。在这一示例中，太阳能电池板1000包括太阳能电池阵列，其被布置为重复图案，例如包括多行的矩阵。在一些实施例中，太阳能电池板1000包括6行相互连接的较小电池，每行包括36个较小电池。应注意，每个较小电池大约为6英寸标准太阳能电池的1/3。例如，较小电池1004、1006和1008为标准尺寸电池的等分部分。太阳能电池板1000配置方式为每两个相邻较小电池行串联连接，形成三个U形串。图10中，顶部两行较小电池串联连接以形成太阳能串1002，中间两行较小电池串联连接以形成太阳能串1010，而底部两行较小电池串联连接以形成太阳能串1012。
图10所示示例中，太阳能电池板1000包括三个U形串，每串包括72个较小电池。串的Voc和Isc分别为72Voc_cell和Isc_cell/3，而电池板的Voc和Isc分别为72Voc_cell和Isc_cello这种电池板电平Voc和Isc与常规相同尺寸带有串联连接的所有72个电池的太阳能电池板相似，使得采用为常规电池板研制的相同电路设备成为可能。
而且，电池板1000的总的内部电阻显著减小。假设常规电池的内部电阻为Rcell。较小电池的内部电阻为Rsmall_cell＝Rcell/3。在常规具有72个常规串联电池的电池板中，总的内部电阻为72Rcell。在图10所示的电池板1000中，每串具有总的内部电阻Rstring＝72Rsmall_cell＝24Rcell。由于电池板1000具有3个U形串并行连接，电池板1000的总的内部电阻为Rstring/3＝8Rcell，其为常规电池板的总的内部电阻的1/9。因此，可引出至外部负载的功率量可显著增加。
制作工艺
图11示出根据本实用新型一实施例的制作太阳能电池板的流程的流程图。制作过程中，包括多层半导体结构的常规太阳能电池首先采用常规晶片制作(操作1102)。在一些实施例中，多层半导体结构可包括双侧隧穿异质结太阳能电池。该太阳能电池可具有标准尺寸，例如标准5英寸或6英寸方形。在一些实施例中，该太阳能电池为6×6平方英寸的方形电池。随后，前侧和背侧金属栅格分别沉积在太阳能电池的前表面和背表面，以完成双面太阳能电池的制作(操作1104)。在一些实施例中，沉积前侧和背侧金属栅格可包括电镀Cu栅格，其随后涂覆Ag或Sn。在进一步实施例中，一个或多个种子金属层(例如种子Cu或Ni层)可采用物理气相沉积(PVD)技术沉积在多层结构上，以改进电镀Cu层的粘附和欧姆连接质量。可形成不同类型的金属栅格，包括但不限于：中心处的单个母线的金属栅格，以及在电池边缘处的单个母线的金属栅格。应注意，对于边缘-母线配置，太阳能电池的前表面和背表面上的母线分别位于相对边缘。
由于标准5英寸或6英寸太阳能电池将随后被分成较小电池，其可包括基于激光的划分和裂开过程，特殊图案的金属栅格被采用。首先，金属栅格布局允许常规电池被分成多个较小电池。其次，由于Cu栅格的展延性，其很难将晶片沿Cu栅格线切割。因此，如图12A和12B所示，当沉积金属栅格时，空白间隔可保留以促进后续的电池分离流程。
图12A示出根据本实用新型一实施例的太阳能电池前表面上的示例性金属栅格图案。图12A所示的示例中，金属栅格1202包括三个子栅格，例如子栅格1204。应注意，每个子栅格设计为较小电池的前侧栅格。因此，三个子栅格配置允许太阳能电池分为三个较小电池。各种类型的金属栅格图案可用于每个子栅格，例如常规的带双母线的栅格图案、单个中心母线栅格图案、单个边缘母线栅格图案等。在图12A所示的示例中，子栅格具有单个边缘母线图案。每个子栅格包括沿着对应较小电池的较长边缘行进的边缘母线以及沿着与较小电池的较短边缘平行的方向行进的多个并行指线。例如，子栅格1204包括边缘母线1206、以及多个指线，例如指线1208和1210。为了实现后续基于激光的划分和裂开过程，预定的空白间隔(未沉积金属)设于相邻子栅格之间。例如，空白间隔1212被定义为将子栅格1204与其相邻子栅格分离开。在一些实施例中，空白间隔的宽度(例如空白间隔1212)可在0.5mm和2mm之间。应注意，在更宽间隔会导致更易于划分操作以及更窄间隔会导致更有效的收集电流之间存在折衷。在进一步实施例中，这样的空白间隔的宽度为1mm。
图12B示出根据本实用新型一实施例的太阳能电池的背表面上的示例性金属栅格图案的示图。图12B所示的示例中，背金属栅格1220包括三个子栅格，例如子栅格1222。应注意，为使较小电池为双面，背侧子栅格需要对应于前侧子栅格。在这一示例中，前侧子栅格具有单个边缘母线栅格图案。因此，对应的背侧子栅格(例如子栅格1222)也具有边缘母线图案。前侧和背侧子栅格具有相似图案，除了前边缘和背边缘母线相邻定位于较小电池的相对边缘以外。在图12A和12B的示例中，前边缘母线位于较小电池的前表面的一边缘，而背边缘母线位于较小电池的背表面的相对边缘。此外，背金属栅格1290中的空白间隔的位置对应于前金属栅格1202中空白间隔的位置，以便Cu栅格线不妨碍后续晶片切割流程。
现在回到图11，在沉积前金属栅格和背金属栅格后，每个太阳能电池被分成多个较小电池(操作1106)。各种技术可用于划分电池。在一些实施例中，采用基于激光的划分和裂开技术。更具体地，高功率激光束用来在期望位置(例如空白间隔1212)上划分太阳能电池的表面至一预定深度(例如总堆叠厚度的20％)，然后采用适当力来切割被划分的太阳能电池至多个较小电池。应注意，为了防止对发射结的损坏，在对应于表面场层的太阳能电池表面上采用激光划分是令人满意的。例如，如果发射结在太阳能电池的前表面，激光划分应该用于太阳能电池的背表面。
在形成较小电池后，若干较小电池串联连接在一起以形成太阳能电池串(操作1108)。在一些实施例中，两行较小电池(每行包括32个较小电池)串联连接以形成U形串。应注意，根据母线配置，常规串接流程可能需要修改。对于如图12A和12B中所示单个边缘母线配置，每个太阳能电池需要被旋转90度，单个片只要和较小电池的长边缘一样长，且宽度在3mm到12mm之间，都可用于连接两个相邻较小电池。在一些实施例中，单个片的宽度可在3到5mm之间。采用单个片连接两相邻的较小电池的详细描述可参考美国专利申请14/153,608(代理人案卷号SSP13-1001US)，其名称为“MODULE FABRICATION OF SOLAR CELLS WITH LOWRESISTIVITY ELECTRODES”，发明人为Jiunn Benjamin Heng，Jianming Fu，Zheng Xu和Bobby Yang，申请日为2014年1月13日，其该专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
除了采用单个片连接相邻串联较小电池之外，在一些实施例中，相邻较小电池之间的串联连接可通过部分重叠相邻较小电池来实现，因此导致相应边缘母线的直接接触。图13A示出根据本实用新型一实施例的两相邻较小电池(每面具有单个边缘母线)之间的串联连接。图13A中，较小电池1302和较小电池1304通过边缘母线1306和边缘母线1308相互耦合，边缘母线1306位于较小电池1302的顶部表面，边缘母线1308位于较小电池1304的底部表面。更具体地，较小电池1304的底部表面与较小电池1302的顶部表面在边缘处部分重叠，其方式为底部边缘母线1308设置在顶部边缘母线1306的顶部上且与顶部边缘母线1306直接接触。
在一些实施例中，相互连接的边缘母线焊接在一起以实现相邻较小电池之间的串联电连接。在进一步实施例中，焊接可与层压工艺同时发生，其过程中边缘叠加的较小电池设置在具有适当密封材料的前侧盖和背侧盖之间，密封材料可包括粘合剂聚合物，例如乙烯醋酸乙烯酯(EVA)。层压过程中，热度和压力可用于处理密封剂，密封位于前侧盖和背侧盖之间的太阳能电池。同样的热度和压力可使得相互接触的边缘母线(例如边缘母线1306和1308)焊接在一起。应注意，如果边缘母线包括顶部Sn层，则不需要在相邻太阳能电池的顶部和底部边缘母线(例如边缘母线1306和1308)之间加入额外的焊接或者粘合材料。也要注意，因为较小电池相对有弹性，层压工艺过程中使用的压力可相对大，不用担心电池会在这样的压力下破裂。在一些实施例中，层压工艺过程中使用的压力可为1.0以上大气压，例如1.2大气压。
图13B示出根据本实用新型一实施例的相邻边缘重叠的较小电池串的侧视图。图13B中，较小电池1312部分重叠相邻较小电池1314，较小电池1314也部分重叠(在其相对端)较小电池1316。这样的一串较小电池形成与屋顶木瓦相似的图案。应注意，在一些实施例中，图13B所示的这三个较小电池事实上为标准6英寸太阳能电池，每个较小电池具有2英寸×6英寸的尺寸。相较于非分离的6英寸太阳能电池，部分重叠的较小电池大致提供相同的光产生区域，但会导致由于较小电流的串联电阻所消耗的功率减小。重叠应保持至最小以最小化由重叠导致的遮蔽。在一些实施例中，单个母线(同时在顶部表面和底部表面)设置于较小电池的最边缘(图13B所示)，从而最小化重叠。同样的木瓦图案可沿一行中所有较小电池延伸。为了保证两相邻行的较小电池串联连接，两相邻行需要具有相对的木瓦形状，例如一行的顶部右侧和相邻行的顶部左侧。而且，额外的宽的金属片可用来串联连接两相邻行处的末端较小电池。以木瓦图案串联连接的太阳能电池的详细描述可参考美国专利申请14/510,008(代理人案卷号SSP13-1001CIP)，其名称为“MODULEFABRICATION OF SOLAR CELLS WITH LOW RESISTIVITYELECTRODES”，发明人为Jiunn Benjamin Heng，Jianming Fu，ZhengXu和Bobby Yang，申请日为2014年10月8日，其该专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
应注意，尽管以上描述的相邻太阳能电池的示例可在“木瓦”配置中通过直接接触来物理耦合，在本实用新型的一些实施例中，相邻太阳能电池也可串联电耦合(采用导电材料而不必彼此直接接触)。
图13C示出根据本实用新型一实施例的包括两行较小电池的典型太阳能电池串的俯视图。图13C中，串1340包括两行较小电池、顶部行1342和底部行1344。每行包括多个较小电池，布置以木瓦图案。串联连接可通过重叠的边缘母线来实现。因此，当从顶部俯视时，每个较小电池上看不到母线。因此，这种配置也可称为“无母线，，配置。图13C中，在行的右端，额外的宽的金属片1346将行1342的末端较小电池的顶部边缘母线与行1344的末端较小电池的底部边缘母线耦合在一起。在行的左端，引线可焊接在末端较小电池的顶部和底部边缘母线上，形成串1340的输出电极以实现串1340和其他串之间的电连接。
回到图11，形成较小电池的多个串之后，多个太阳能串彼此相邻布局以形成电池板(操作1110)。在一些实施例中，三个U形串彼此相邻布局以形成包括6行较小电池的电池板。在布局串之后，采用前侧盖(操作1112)。在一些实施例中，前侧盖由玻璃制成。
对于实现电池层级MPPT或电池层级旁路保护的太阳能模块，MPPT IC芯片和旁路二极管可设置于适当位置，包括但不限于：太阳能电池之间的角落间隔、以及相邻太阳能电池之间的位置(操作1114)。在一些实施例中，MPPT IC芯片和旁路二极管可在多电池层级和串层级来执行。在一些实施例中，每行较小电池可耦合至MPPT IC和/或旁路二极管。
U形串随后通过修改的固定流程相互连接(操作1116)。更具体地，串相互并行连接，其正极相互耦合以形成电池板的正极输出，负极相互耦合以形成电池板的负极输出。形成MPPT IC芯片和旁路二极管以及对应较小电池电极之间的电连接以实现完全互连的太阳能电池板(操作1118)。随后，采用背侧盖(操作1120)，并且整个太阳能电池板可经过正常的层压工艺，其可将电池、MPPT IC和旁路二极管密封在适当位置(操作1122)。应注意，为保证良好的双面性能，背侧盖也可由玻璃制成。层压工艺后可采用装框和整理(操作1124)，以及连接接线盒(操作1126)。
前述各种实施例仅提供用于解释和描述目的。这些并未穷尽全部或者限制本实用新型至公开的形式。因此，许多修改和变动对本领域技术人员来说是显而易见的。此外，以上公开并非意图限制本实用新型。
Claims (41)
1.一种太阳能电池板，其特征在于包括：
多个太阳能电池，所述太阳能电池布置成多个子集，每一子集包括若干太阳能电池；
其中相应子集中的太阳能电池串联电耦合；
其中太阳能电池的所述子集并联电耦合；
其中每一子集中的太阳能电池的数量足够大以便所述太阳能电池板的输出电压与常规太阳能电池板的输出电压基本相同，所述常规太阳能电池板上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其特征在于子集中的相应太阳能电池通过分隔基本呈方形的太阳能电池来获得。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池板，其特征在于所述太阳能电池通过将基本呈方形的太阳能电池分成三块来获得。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其特征在于子集中太阳能电池的数量与常规太阳能电池板中串联耦合的基本呈方形的太阳能电池的数量相同。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其特征在于相应太阳能电池为矩形。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其特征在于相应太阳能电池为双面隧穿异质结太阳能电池，其包括：
基极层；
沉积在所述基极层的两表面上的第一量子隧穿势垒(QTB)层和第二量子隧穿势垒层；
非晶硅发射极层；以及
非晶硅表面场层；
其中所述太阳能电池可从两表面吸收光。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其特征在于，相应太阳能电池包括第一侧上的第一金属栅格和第二侧上的第二金属栅格，其中所述第一金属栅格包括位于所述第一侧上的边缘处的第一边缘母线，以及其中所述第二金属栅格包括位于所述太阳能电池的第二侧上相对边缘处的第二边缘母线。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池板，其特征在于所述第一金属栅格和所述第二金属栅格包括电镀Cu层。
9.根据权利要求7所述的太阳能电池板，其特征在于子集中的两相邻太阳能电池定位为使得一太阳能电池的第一边缘母线与另一太阳能电池的第二边缘母线直接接触，以实现所述两相邻太阳能电池之间的串联连接并消除其间的暴露空间。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其特征在于相应子集中的所述太阳能电池形成U形串。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其特征在于，相应子集中的所述太阳能电池物理耦合。
12.一种太阳能电池，其特征在于包括：
Si基极层；
第一量子隧穿势垒(QTB)层和第二量子隧穿势垒层，分别沉积在所述基极层的第一表面和第二表面上；
非晶硅发射极层；
非晶硅表面场层；
第一金属栅格；以及
第二金属栅格；
其中所述太阳能电池基本为方形；以及
其中所述第一金属栅格和所述第二金属栅格均包括多个栅格图案，所述多个栅格图案由未覆盖金属的空间彼此分离，以促进所述太阳能电池的随后分隔。
13.根据权利要求12所述的太阳能电池，其特征在于所述太阳能电池的第一侧上的相应栅格图案包括一组并行指线和垂直于所述指线的单个母线，其中所述单个母线位于所述指线的一端。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于还包括第二栅格图案，位于所述太阳能电池的第二侧上，与所述第一侧上的相应栅格图案相对应，其中所述第二栅格图案包括第二组指线和位于所述第二组指线的相对端的第二单个母线，由此促进所述太阳能电池的两面操作。
15.根据权利要求12所述的太阳能电池，其特征在于所述未覆盖金属的空间的宽度在0.5和2mm之间。
16.根据权利要求12所述的太阳能电池，其特征在于相应金属栅格包括电镀Cu层。
17.一种太阳能电池板，其特征在于包括：
多个太阳能电池，所述太阳能电池布置成多个子集，每一子集包括被布置成多行的若干太阳能电池；
其中相应子集中的太阳能电池串联电耦合；
其中相邻两行太阳能电池中的电流方向相反；
其中太阳能电池的所述子集并联电耦合；
其中每一子集中的太阳能电池的数量足够大以便所述太阳能电池板的输出电压与常规太阳能电池板的输出电压基本相同，所述常规太阳能电池板上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接。
18.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于子集中的相应太阳能电池通过分隔基本呈方形的太阳能电池来获得。
19.根据权利要求18所述的太阳能电池板，其特征在于所述太阳能电池通过将基本呈方形的太阳能电池分成三块来获得。
20.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于子集中太阳能电池的数量与常规太阳能电池板中串联耦合的基本呈方形的太阳能电池的数量相同。
21.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于相应太阳能电池为矩形。
22.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于相应太阳能电池为双面隧穿异质结太阳能电池，其包括：
基极层；
第一量子隧穿势垒(QTB)层和第二量子隧穿势垒层，沉积在所述基极层的两表面上；
非晶硅发射极层；以及
非晶硅表面场层；
其中所述太阳能电池可从两表面吸收光。
23.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于，相应太阳能电池包括第一侧上的第一金属栅格和第二侧上的第二金属栅格，其中所述第一金属栅格包括位于所述第一侧上的边缘处的第一边缘母线，以及其中所述第二金属栅格包括位于所述太阳能电池的第二侧上的相对边缘处的第二边缘母线。
24.根据权利要求23所述的太阳能电池板，其特征在于所述第一金属栅格和所述第二金属栅格包括电镀Cu层。
25.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于子集中的两相邻太阳能电池定位为使得一太阳能电池的第一边缘母线与另一太阳能电池的第二边缘母线直接接触，以实现所述两相邻太阳能电池之间的串联连接并消除其间的暴露空间。
26.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于相应子集中的所述太阳能电池形成U形串。
27.根据权利要求17所述的太阳能电池板，其特征在于，相应子集中的所述太阳能电池物理连接。
28.一种太阳能电池板，其特征在于包括：
多个太阳能电池，所述太阳能电池布置成多个子集，每一子集包括被布置成多行的若干太阳能电池；
其中相应子集中的太阳能电池串联电耦合；
其中太阳能电池的所述子集并联电耦合；
其中每一子集中的太阳能电池的数量足够大以便所述太阳能电池板的输出电压与常规太阳能电池板的输出电压基本相同，所述常规太阳能电池板上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接；
其中，相应太阳能电池包括第一侧上的第一金属栅格和第二侧上的第二金属栅格；
其中第一金属栅格包括位于所述第一侧上的边缘处的第一边缘母线；以及
其中第二金属栅格包括位于所述太阳能电池的第二侧上的相对边缘处的第二边缘母线，所述第一金属栅格和所述第二金属栅格包括电镀Cu层。
29.根据权利要求28所述的太阳能电池板，其特征在于子集中的相应太阳能电池通过分隔基本呈方形的太阳能电池来获得。
30.根据权利要求29所述的太阳能电池板，其特征在于所述太阳能电池通过将基本呈方形的太阳能电池分成三块来获得。
31.根据权利要求28所述的太阳能电池板，其特征在于子集中太阳能电池的数量与常规太阳能电池板中串联耦合的基本呈方形的太阳能电池的数量相同。
32.根据权利要求28所述的太阳能电池板，其特征在于相应太阳能电池为矩形。
33.根据权利要求28所述的太阳能电池板，其特征在于相应太阳能电池为双面隧穿异质结太阳能电池，其包括：
基极层；
第一量子隧穿势垒(QTB)层和第二量子隧穿势垒层，沉积在所述基极层的两表面上；
非晶硅发射极层；以及
非晶硅表面场层；
其中所述太阳能电池可从两表面吸收光。
34.根据权利要求28所述的太阳能电池板，其特征在于子集中的所述太阳能电池布置成多行；以及
其中相邻两行中电流方向相反。
35.根据权利要求34所述的太阳能电池板，其特征在于子集中的两相邻太阳能电池定位为使得一太阳能电池的第一边缘母线与另一太阳能电池的第二边缘母线直接接触，以实现所述两相邻太阳能电池之间的串联连接并消除其间的暴露空间。
36.根据权利要求28所述的太阳能电池板，其特征在于相应子集中的所述太阳能电池形成U形串。
37.根据权利要求28所述的太阳能电池板，其特征在于相应子集中的所述太阳能电池物理耦合。
38.一种太阳能电池板装置，其特征在于包括：
多个太阳能电池装置，布置成多个子集，每一子集包括若干太阳能电池；
其中相应子集装置中的太阳能电池装置串联电耦合；
其中太阳能电池的所述子集并联电耦合；
其中每一子集中的太阳能电池装置的数量足够大以便所述太阳能电池板产品的输出电压与常规太阳能电池板的输出电压基本相同，所述常规太阳能电池板上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接。
39.一种太阳能电池装置，其特征在于包括：
Si基极层装置，用于产生载流子；
第一量子隧穿势垒(QTB)层装置和第二量子隧穿势垒层装置，分别沉积在所述基极层装置的第一表面和第二表面上；
非晶硅发射极层装置，用于收集载流子；
非晶硅表面场层装置，用于减少少数载流子再结合；
第一金属栅格装置，用于收集电流；以及
第二金属栅格装置，用于收集电流；
其中所述太阳能电池基本呈方形；以及
其中所述第一金属栅格装置和所述第二金属栅格装置均包括多个栅格图案，所述多个栅格图案由未覆盖金属的空间彼此分离，以促进所述太阳能电池的随后分隔。
40.一种太阳能电池板装置，其特征在于包括：
多个太阳能电池装置，所述太阳能电池装置布置成多个子集，每一子集包括被布置成多行的若干太阳能电池；
其中相应子集中的太阳能电池装置串联电耦合；
其中相邻两行太阳能电池装置中的电流方向相反；
其中太阳能电池装置的所述子集并联电耦合；
其中每一子集中的太阳能电池装置的数量足够大以便所述太阳能电池板装置的输出电压与常规太阳能电池板装置的输出电压基本相同，所述常规太阳能电池板装置上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接。
41.一种太阳能电池板装置，其特征在于包括：
多个太阳能电池装置，所述太阳能电池布置成多个子集，每一子集包括被布置成多行的若干太阳能电池装置，所述多个太阳能电池装置；
其中相应子集中的太阳能电池装置串联电耦合；
其中太阳能电池装置的所述子集并联电耦合；
其中每一子集中的太阳能电池装置的数量足够大以便所述太阳能电池板的输出电压与常规太阳能电池板的输出电压基本相同，所述常规太阳能电池板上所有的基本呈方形的太阳能电池串联连接；
其中，相应太阳能电池装置包括第一侧上的第一金属栅格装置和第二侧上的第二金属栅格装置，
其中第一金属栅格装置包括位于所述第一侧上的边缘处的第一边缘母线；以及
其中第二金属栅格装置包括位于所述太阳能电池装置的第二侧上的相对边缘处的第二边缘母线，所述第一金属栅格装置和所述第二金属栅格装置包括电镀Cu层。
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