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TWI688201B - 具有功能性縱向塗層的太陽能電池連接件 - Google Patents

具有功能性縱向塗層的太陽能電池連接件 Download PDF

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TWI688201B
TWI688201B TW107122983A TW107122983A TWI688201B TW I688201 B TWI688201 B TW I688201B TW 107122983 A TW107122983 A TW 107122983A TW 107122983 A TW107122983 A TW 107122983A TW I688201 B TWI688201 B TW I688201B
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安德黑 哈垠
馬克斯 克寧格
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德商賀利氏德國有限責任兩合公司
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Abstract

本發明係關於一種用於將第一太陽能電池電極連接至另一元件之連接件，其中該連接件具有金屬導體結構，且該導體結構沿其邊緣交替地且周向地塗佈有材料A及B之兩個連續區域，其中A為焊接材料且B為介電材料，其特徵在於，整個連接件之每一正交投影的面積比材料A之每一區域之正交投影的面積大至少10%。此外，本發明係關於一種用於生產該連接件以及含有本發明連接件之光伏打組件的方法。

Description

具有功能性縱向塗層的太陽能電池連接件
本發明係關於一種用於將太陽能電池電極連接至另一元件之連接件以及其生產方法及生產使用該連接件之光伏打組件的方法。
通常，太陽能電池由至少一個半導體層組成，該半導體層由具有不同極性之至少兩個電極接觸。在大多數情況下，半導體層為摻雜矽層，其以單晶或多晶矽晶圓形式提供。通常，具有不同極性之電極位於半導體層之相對側上。當太陽能電池曝露於光時，半導體層中將存在電荷分離，且可自電極汲取電荷作為電流。為了在半導體層之整個表面上有效地收集電荷，光入射側具備複數個跨越半導體層之薄電極，類似於薄柵格。光入射側上之此等薄電極亦稱作指狀電極。通常，指狀電極極薄，以保證經遮蔽之半導體層的表面儘可能小。通常，指狀電極之寬度在20至150μm範圍內。
為了有效地耗散由指狀電極收集之電荷載流子，將指狀電極連接至一或多個匯流條。與指狀電極相比，匯流條具有增加之電纜橫截面，且在機械上比指狀電極更穩固。由於其具有增加之面積且在機械上穩固，因此其目的之一係用作用於連接太陽能電池之接觸區域。通常，匯流 條之寬度在0.1至2mm範圍內。太陽能電池可具有一或多個匯流條。為了能夠分接較高電壓，將數個太陽能電池串聯連接，且由此連接以形成光伏打模組。為了連接數個太陽能電池以形成光伏打模組，相鄰太陽能電池之太陽能電池電極藉助於連接件連接。
通常，連接件為金屬帶，更具體言之為銅帶。太陽能電池電極(更具體言之，匯流條)中之接觸藉由焊接來達成。為此，用焊料合金之薄層完全塗佈銅帶，例如藉由浸塗來塗佈；隨後，藉由加熱將此經塗佈之銅帶焊接至兩個太陽能電池之電極上。在最常使用之情境中，一個連接件將第一太陽能電池之前接觸電極連接至另一太陽能電池之背接觸電極，其中該前接觸及背接觸電極具有不同極性。為了保證光伏打模組之長使用壽命，期望連接件與太陽能電池電極之間的接觸應具有高機械強度及高電導率。大多數時候，連接件接觸在機械上穩固之匯流條，其中匯流條繼而接觸複數個指狀電極。通常，匯流條及連接件藉由焊接彼此連接。
為達成太陽能電池之主動半導體層的最低可能遮蔽，趨勢係朝向更多且更薄之匯流條。若連接件與匯流條具有相同寬度且使用完全塗佈有焊料合金之習知連接件，則在焊接製程期間液態焊料可能流動越過匯流條且，此外，潤濕一或多個指狀電極。當接觸液態焊料合金時，指狀電極可能在化學及機械方面受到破壞。舉例而言，腐蝕可導致導電性降低或接觸完全中斷。此導致以下情況：所收集之電荷可能更低效地或根本不能自中斷之指狀電極移除，且最終太陽能電池之效率降低。即使當接觸焊料合金時指狀電極沒有受到直接破壞，但以下情況之概率增加：由腐蝕所導致之熱交變應力會在太陽能電池之整個使用壽命期間導致過度焊接指狀電極的中斷。因此，期望在生產期間防止指狀電極之此過度焊接。
本發明之目標係提供一種避免先前技術之缺點的連接件，且更具體言之，提供一種連接件，當使用具有與連接件相同或類似之寬度的匯流條時，該連接件防止指狀電極受到過度焊接。鑒於目前增加每電池之匯流條數量且同時減小匯流條之寬度的趨勢，此尤其日漸重要。
本發明之另一目標係提供一種用於生產本發明之連接件的簡單方法。
較佳地，與完全塗佈有焊料之連接件相比，本發明額外解決節省焊接材料之目標。
該等目標藉由一種用於將第一太陽能電池電極連接至另一元件之連接件來解決，其中該連接件具有金屬導體結構，且該導體結構沿其邊緣交替地且周向地塗佈有材料A及B之兩個連續區域，其中A為焊接材料且B為介電材料，其特徵在於，整個連接件之每一正交投影的面積比材料A之每一區域之正交投影的面積大至少10%，例如大至少25%且不超過80%。因此，本發明之連接件可較佳地理解為沿主方向塗佈有材料A及B之兩個個別條帶的導體結構。
在本發明之情形下，發現本發明之連接件在焊接製程期間特別能夠降低或避免對指狀電極之損壞，且因此適合於連接太陽能電池電極，例如具有較小寬度之匯流條。
較佳地，導體結構沿其周邊對稱地塗佈有材料A及B之交替區域。在此情形下，對稱意謂材料A及B之區域各自佈置在導體結構之相對側上。由於其為對稱塗佈，因此連接件在生產過程中不具有優先定向，此係由於其可以兩側接觸太陽能電池電極，尤其在頂部及底部。因此，可簡化在用於生產光伏打模組之製程期間對連接件的處置。
此外，本發明之連接件的優點在於，焊接材料A在焊接製程期間無法與指狀電極形成接觸，使得可防止過度焊接。
A:由材料A製成之層
B:由材料B製成之層
b:寬側/寬度
b':平行寬側/表面
C:導體結構
F:指狀電極
h:短側/較短側/圓形化側/高度
HA:主軸
P:投影區域
Si:矽晶圓
U:彎曲箭頭
WV:連接件之正交投影(在2D中)
WA:由材料A製成之層的正交投影(在2D中)
圖1a)示出基於通過連接件之橫截面的例示性正交投影。圖1b)以彎曲箭頭(U)示出周邊之例示性路線，其中本發明之連接件以截面視圖示出。
圖2係主軸(HA)之例示性實施例，其以箭頭顯示通過導體結構(C)。
圖3係具有圓形化側之金屬導體結構的實例。
圖4a)及b)示出具有矩形或橢圓橫截面之連接件的另外例示性正交投影。
圖5示出本發明之連接件的橫截面，其經由焊接材料A與匯流條(匯流排)接觸。
圖6示出電致發光量測結果。1)為比較樣品，2)為本發明樣品。
定義
主軸：在本發明之範疇內，導體結構之主軸應理解為沿導體結構之最長延伸方向的軸。通常，主軸與電流之主流方向相同。在圖2中，主軸(HA)之例示性實施例以箭頭顯示通過導體結構(C)。
周邊：導體結構之周邊應理解為沿導體結構之表面延伸的假想線，其中此線上之每一點垂直於主軸上之同一點。圖1b)藉助於彎曲箭頭(U)示出周邊之例示性路線，其中本發明之連接件以截面視圖示出。
正交投影：正交投影應理解為三維主體在二維投影平面上 之影像，其藉由相對於投影平面使主體之每一點垂直於投影平面成像來達成。術語「正交投影」用作「垂直平行投影」之同義詞。圖1a)示出基於通過連接件之橫截面的例示性正交投影。圖1a)中之粗箭頭指示投影方向。在圖1a)及b)中，A為由材料A製成之層；B由材料B製成之層；C為導體結構，WV為連接件之正交投影(在2D中)，WA為由材料A製成之層的正交投影(在2D中)，及P為投影區域。術語A、B、C、WV、WA適用於所有附圖。如自圖1可看出，WV大於WA。正交投影WV及WA之前述條件較佳獨立於連接件之橫截面的形狀而適用。圖4a)及b)示出具有矩形或橢圓橫截面之連接件的另外例示性正交投影。
本發明係關於一種用於將第一太陽能電池電極(更具體言之，匯流條)連接至另一元件之連接件。較佳地，另一元件為另一太陽能電池之太陽能電池電極或用於光伏打模組之連接線。較佳地，本發明之連接件用於串聯連接複數個太陽能電池。
太陽能電池含有至少一個半導體層、正太陽能電池電極(陰極)及負太陽能電池電極(陽極)。在本發明之範疇內，太陽能電池電極始終佈置於太陽能電池上。正及負電極較佳佈置於半導體層之不同側上。或者，不同極性之電極亦可佈置於半導體層之同一側上(所謂的背接觸電池)。較佳地，連接件將第一太陽能電池之正太陽能電池電極連接至另一太陽能電池之負太陽能電池電極。較佳地，連接件具有高線橫截面及高導電性，使得可自太陽能電池電極，更具體言之自匯流條有效地獲得電流。此外，連接件可在太陽能電池之電極之間建立機械且電穩定的連接。此可藉助於本發明之連接件藉由包含焊接材料之連接件來達成。
連接件包含金屬導體結構。較佳地，導體結構含有銅或由 銅組成。若導體結構由銅組成，則此意謂導體結構具有至少99.90重量%之銅。在一較佳實施例中，導體結構可由滿足工業標準Cu-ETP或Cu-OFC之銅製成。
金屬導體結構可為金屬帶或金屬線。較佳地，金屬導體結構為帶，更具體言之為銅帶。較佳地，金屬線具有球形、橢圓或方形橫截面。較佳地，線之橫截面的縱橫比具有0.8：1.2之比率。縱橫比為導體結構之橫截面之長度及寬度的商。較佳地，金屬帶具有矩形或近似矩形之橫截面。若橫截面近似矩形，則金屬帶上之寬側b可在頂部及底部具有彼此平行之表面b'，同時短側h可部分或完全圓形化。圓形化側h之實例示於圖3中。具有平行寬側b'及圓形化側h之金屬帶的橫截面可例如藉由扁平輥壓圓形線來獲得。較佳地，金屬帶之寬度b為高度h之至少兩倍。較短側h之較佳橫向長度在0.1mm至0.4mm之範圍內，更具體言之在0.16mm至0.3mm之範圍內。較佳地，長側b之橫向長度在0.6mm至2.0mm之範圍內，更具體言之在0.9mm至1.5mm之範圍內。金屬導體結構沿其最長延伸方向具有主軸(HA)(由圖2中之通過導體結構的箭頭例示)。在一較佳實施例中，主軸沿電流方向延伸。
導體結構沿主軸之長度不受任何其他限制。較佳地，導體結構之長度足以將兩個相鄰太陽能電池經由其電極(更具體言之，經由其匯流條)彼此連接。其中，導體結構之長度可例如為待連接之太陽能電池的長度的兩倍。更佳地，導體結構之長度在100mm至600mm之範圍內，且最佳在200mm至400mm之範圍內。
較佳地，金屬導體結構具有以下機械特性中之至少一者：
-張應力Rm在100MPa至300MPa之範圍內，較佳不超過280 MPa。
-屈服點Rp0.2在40MPa至120MPa之範圍內，較佳不超過80MPa。
-斷裂伸長率A100在10至40%之範圍內，較佳不小於25%。
視情況，導體結構亦可具有複數個或所有前述機械特性。
沿其周邊(亦即，圍繞主軸)，導體結構交替地塗佈有材料A及B各自兩個之連續區域。較佳地，周向交替區域亦可理解為沿導體結構之主軸的條帶。在一較佳實施例中，條帶可沿導體結構之表面直鏈或螺旋延伸。較佳地，材料A及B沿主方向完全塗佈導體結構，使得沒有間隙存在於塗佈有材料A及材料B之區域之間，亦即導體結構之表面至少沿主軸完全覆蓋且不可直接接近。在其端部，導體結構(更具體言之，金屬帶或金屬線)可塗佈有材料A或材料B或沒有任何塗層。由於沿周邊延伸之塗層，導體結構之整個表面較佳覆蓋有材料A或材料B。在一尤其較佳實施例中，材料A可部分地重疊材料B。由於沿周邊延伸之交替塗層，導體結構較佳受到特別充分保護以免於可能導致導體結構腐蝕之環境條件的侵害。因此，可在連接件與太陽能電池電極之間達成特別耐老化之電接觸。
材料A為焊接材料。在本申請案中，術語材料A、焊接材料A及焊接材料用作同義詞。較佳地，焊接材料含有焊料合金或由焊料合金組成。焊料合金為元素之金屬混合物，該等元素中之至少一者為金屬。較佳地，合金之所有元素為金屬。較佳地，焊料合金之熔點比導體結構之熔化溫度低至少100℃，更具體言之至少200℃。較佳焊料合金含有選自由以下組成之群的元素：Sn、Pb、Ag、Bi、Cu、Zn、Au、Sb、Cd、Co及Al。較佳地，焊料合金由此等元素中之至少兩者組成。尤其較佳之焊料 合金選自含有以下之群：SnPb、SnPbAg、SnPbBi、SnAg、SnAgBi、SnAgCu、SnBi及SnCu。焊料合金可選自含鉛焊料合金或無鉛焊料合金。尤其較佳之含鉛焊料合金選自由Sn62Pb36Ag2、Sn63Pb37及Sn60Pb40組成之群。尤其較佳之無鉛焊料合金選自由Sn96,5Ag3,5、Sn96,5Ag3Cu0,5、Sn60Bi40、Sn50Bi48Ag2、Sn42Bi57Ag1、Sn43Bi57、Sn50Bi50及Sn99,3Cu0,7組成之群。除不可避免污染物以外，焊接材料可由焊料合金組成。較佳地，無法歸於焊料合金之組分的總量不超過0.1重量%，更具體言之不超過0.01重量%。
或者，焊接材料可含有焊料合金，其中該焊接材料額外含有其他組分。焊接材料可例如具有助熔劑、溶劑以及其他添加劑。較佳地，助熔劑選自有機酸(如松脂或己二酸)、無機鹽(如氯化銨)及無機酸(如磷酸)。較佳地，助熔劑不含鹵化物。較佳地，溶劑為有機或水性溶劑。較佳地，添加劑為活化劑。已知活化劑為例如含鹵化物之化合物。較佳地，焊接材料之前述其他組分(例如，助熔劑、溶劑及活化劑)的含量在1重量%或小於1重量%、更具體言之0.1重量%或小於0.1重量%之範圍內。在一較佳實施例中，焊接材料中之其他組分可為焊錫膏之殘餘物，如用於生產本發明之連接件的方法所中描述。
較佳地，材料A之周向交替區域的層厚度在1μm至40μm之範圍內，且更佳在10μm至20μm之範圍內。
材料B為介電材料。較佳地，材料B包含聚合物或陶瓷材料。特定言之，材料B由聚合物或陶瓷材料組成。更具體言之，選擇材料B以使得其不會由如材料A使用之熔融焊料合金潤濕。聚合物材料可含有均聚物或共聚物。聚合物材料可具有熱固性或熱塑性特性。一般而言，熱 固性材料應理解為意謂當加熱時無法變形之此類材料。更佳地，聚合物材料為熱固性材料。較佳地，熱固性材料藉由使樹脂、更具體言之人造樹脂及天然樹脂化學交聯來生產。較佳地，人造樹脂選自環氧樹脂、聚酯樹脂及丙烯酸樹脂。樹脂可為單組分或多組分系統。較佳地，樹脂之固化或交聯藉由UV光、熱或藉由添加另一組分引發。另一組分可例如為交聯劑、催化劑或引發劑。更佳地，聚合物材料為交聯清漆，如阻焊劑。在施用阻焊劑之區域中，該阻焊劑可防止導體結構之表面由熔融焊料合金潤濕。較佳地，阻焊劑可含有固化、更具體言之交聯的環氧樹脂。最佳地，用作材料B之聚合物材料經UV固化，亦即所用樹脂在UV光(波長約200nm至400nm)之作用下固化。
在一較佳實施例中，材料B之彈性模數為7GPa或小於7GPa、更佳5GPa或小於5GPa且最佳2GPa或小於2GPa。較佳地，導體結構之整個表面上的塗層中之材料B的含量為連接件之整個表面的5%至95%，且較佳30%至80%。在一較佳實施例中，聚合物材料包含至少一種填料。至少一種填料可為有機或無機填料。詳言之，填料可以顆粒形式存在。無機填料可例如為選自由以下組成之群的金屬氧化物：TiO2、ZnO、SiO2、ZrO2、SnO2、CaO及Al2O3。較佳地，填料具有光漫射特性。較佳地，填料以分佈於聚合物材料中之顆粒的形式存在。由於其為介電材料，因此材料B充當絕緣體。其中，絕緣體之作用涉及材料之層整體。根據本發明，若材料B為聚合物材料，則無法排除材料B包含金屬顆粒作為填料。較佳地，保持聚合物材料中之金屬顆粒的填充度較低，使得與未填充之聚合物材料相比，聚合物材料之層整體的導電率不增加。較佳地，金屬顆粒漫射可見光(更具體言之，連接件上之入射陽光)，且較佳地亦不在焊 接材料之焊接溫度下熔化。
若材料B(更具體言之，聚合物材料)含有光漫射填料，則連接件上之入射陽光可漫射，其方式為使得其不再次離開太陽能電池或自其製得之光伏打模組，但替代地藉由內部反射達至主動半導體層，且在那裏產生額外電荷載流子。由此，可增加太陽能電池之效率。
較佳地，由材料B製成之層的層厚度在1μm至40μm之範圍內、更佳在10μm至20μm之範圍內。更佳地，由材料B製成之層的層厚度對應於材料A之層厚度。
各自沿導體結構之主軸延伸的材料A之兩個區域經佈置以使得整個連接件之每一正交投影的面積比材料A之每一區域之正交投影的面積大至少10%，不管所選擇之投影方向如何。更佳地，整個連接件之每一正交投影的面積比材料A之每一區域之正交投影的面積大至少30%且最佳至少50%。
詳言之，在本申請案中所提及之投影情境係指材料A之區域與投影區域具有最短可能距離的投影。此具體投影對應於連接件在太陽能電池之情形下的應用，其中焊接材料A之區域面向太陽能電池之表面，以便與後者接觸。在一較佳實施例中，連接件經組態以使得材料A之每一區域的正交投影與整個連接件之正交投影的邊緣具有相同距離。較佳地，材料A之區域經佈置以使得材料A之每一區域的正交投影與整個連接件之正交投影對稱對齊。
材料A之周向交替區域的寬度可為相同或不同。材料B區域兩個周向交替區域的寬度可為相同或不同。
導體結構之整個表面上之材料B的含量較佳覆蓋表面之5% 至95%、更佳30%至80%，且最佳40%至60%。在一尤其較佳實施例中，連接件不與待連接之太陽能電池電極接觸之區域中的導體結構(亦即，光伏打模組中之兩個太陽能電池之間的導體結構)完全由材料B之層包圍。此允許節省焊接材料。
連接件包含材料A之兩個周向交替區域，其藉由材料B之區域彼此分隔。其中，有利地使材料A之周向交替區域經佈置以使得材料A之兩個區域對稱地位於導體結構之相對側上。因此，前接觸電極可連接至背接觸電極。
此外，本發明係關於一種用於生產適於將第一太陽能電池連接至另一元件之連接件的方法，其包含以下步驟：a)提供金屬導體結構，b)用介電材料B部分塗佈沿主軸延伸且具有兩個個別區域之金屬導體結構，及c)沿周邊用焊接材料A部分塗佈該沿主軸延伸且具有兩個個別區域之金屬導體結構，其中材料A及B各自經部分塗佈，使得導體結構沿周邊交替地塗佈有此等材料。
在根據本發明之方法中，步驟a)必須在步驟b)及c)之前進行。步驟b)及c)之次序不受任何其他界定，此亦由術語「包含」表示。在一較佳實施例中，步驟b)在步驟c)之前進行。
根據本發明之方法不排除在步驟a)至c)之前、之間或之後進行進一步的步驟。
在一較佳實施例中，在步驟a)中清潔所提供之導體結構， 且由此除去殘餘物，例如油及氧化物。
在步驟a)中，提供如本申請案中描述之金屬導體結構。較佳地，導體結構以卷盤上之連續帶或連續線的形式提供。較佳地，捲繞之導體結構的長度可為數百至數千公尺。若導體結構以捲筒形式提供，則導體結構較佳在步驟a)中自捲筒展開。在一更佳實施例中，步驟a)額外包括預處理。預處理可例如選自在惰性氛圍中軟退火及電漿蝕刻。惰性氛圍可例如為氮氣或氬氣氛圍。若藉由軟退火及電漿蝕刻處理導體結構，則用於生產連接件之整個製程較佳在惰性氛圍中執行。
在步驟b)中，用介電材料B塗佈沿主軸延伸且具有兩個個別區域之金屬導體結構。
較佳地，步驟b)中之塗佈具有兩個子步驟。在第一子步驟中，將材料B或材料B之前驅體施用至導體結構上，而在第二子步驟中，將材料B或材料B之前驅體固定在導體結構上。若材料B為陶瓷材料，則材料B之前驅體較佳以包括陶瓷顆粒之含陶瓷膏體的形式施用。若材料B為聚合物材料，則較佳將可交聯樹脂(更具體言之，人造樹脂)或清漆施用至導體結構上。可交聯樹脂及清漆可為材料B之前驅體，其可在另一子步驟中進行固定。清漆可為阻焊劑，其防止導體結構之表面在所施用區域中由液態焊料合金潤濕。
較佳地，藉由印刷或藉助於習知擠壓方法施用介電材料B。印刷方法可為接觸印刷方法或無接觸印刷方法。接觸印刷方法可選自由凸版印刷、扁平印刷(例如，平版印刷)及凹版印刷組成之群。在一個實施例中，前述印刷方法中之每一者可以輪轉印刷方法進行。較佳地，將材料B連續地(亦即，以卷式方法)施用至導體結構上。為達成此目的，有利 地將導體結構(例如，金屬帶)連續地饋送至印表機頭部。印表機頭部具有相應切口，其中可用材料B塗佈導體結構。切口外部之導體結構的區域藉助於覆蓋物或藉由引入氣體或溶劑流來保持不由材料B塗佈。
在另一較佳實施例中，可藉助於無接觸印刷方法將材料B或材料B之前驅體施用至導體結構上。無接觸印刷方法可例如選自噴霧、噴墨印刷或分配。
在一較佳實施例中，導體結構在用材料B塗佈時的溫度在40℃至70℃範圍內，較佳為約60±5℃。較佳地，以至少100m/min或較佳至多300m/min之施用速率將印刷執行至導體結構上，其中「公尺」涉及經印刷之導體結構的長度。
在另一較佳實施例中，可將材料B以層壓至導體結構上之膜的形式施用至導體結構上。膜可例如為聚合物膜。
視情況，將材料B之層或材料B之前驅體在第二子步驟中進行固定。此固定步驟會引起第一子步驟中施用之材料B的變化，例如藉由聚合物網之交聯反應來引起變化。若已將陶瓷膏施用至導體結構上，則固定步驟可較佳藉由烘烤進行。較佳地，固定陶瓷膏不會引起陶瓷材料之組成的變化。
在第一子步驟中以樹脂或清漆形式施用的聚合物材料可較佳藉由UV輻射(例如，藉助於寬頻帶UV發射器)或藉由供熱來固定。較佳地，在固定樹脂或清漆同時進行交聯反應。
在將膜施用至導體結構上之情形下，較佳將膜固定。更特定言之，至少部分地將膜加熱至其熔化溫度。較佳地，藉由加熱增加膜相對於導體結構之黏著性。在一替代性較佳實施例中，膜不在另一子步驟中 進行處理。
藉由將在第一子步驟中已施用之材料B或材料B之前驅體固定在導體結構上，可增加第二子步驟中層對導體結構之黏著性，且材料B之層自身可更耐受機械及化學影響。
在步驟b)之另一較佳實施例中，首先用材料B完全塗佈導體結構，且接著再次部分地移除具有材料B之塗層，其結果為材料B之兩個個別區域沿導體結構上之主軸繼續存在。移除可例如藉助於雷射切除達成。在一最佳實施例中，首先用材料B之前驅體(更具體言之，用阻焊劑)完全塗佈導體結構，其中使後者固定(更具體言之，交聯)；接著，藉助於雷射切除將固定之材料B部分地移除。此雷射切除部分地露出導體結構之表面。
在一較佳實施例中，在固定步驟後，材料B之彈性模數為7GPa或小於7GPa、更佳5GPa或小於5GPa且最佳2GPa或小於2GPa。較佳地，導體結構之整個表面上的塗層中之材料B的含量介於5%與95%之間，較佳介於30%與80%之間。
在一更佳實施例中，步驟c)之前為預處理。預處理可例如包括將助熔劑施用至導體結構的未塗佈有材料B之區域上。若用於生產連接件之製程並未完全在惰性氣氛中進行，則尤其需要此施用。較佳地，惰性氣氛不含有多於1體積%之氧氣。
在步驟c)中，用焊接材料A塗佈沿主軸延伸且具有兩個個別區域之金屬導體結構。較佳地，在未塗佈有材料B之區域中用焊接材料A塗佈導體結構。在銅帶之情況下，僅有曝露之銅表面例如較佳地用焊接材料覆蓋。具有材料B(其較佳為聚合物材料且更具體言之為經固化之阻 焊劑)之塗層較佳不由液態熔融焊料合金潤濕。
可用焊接材料A以不同方式塗佈導體結構。在一較佳實施例中，可藉由浸塗用材料B塗佈已塗佈有材料B之導體結構。當使用浸塗時，可將已塗佈有材料B之導體結構浸漬至液態焊料合金熔融浴或焊錫膏浴中。浸塗之優點在於，其特別容易在已塗佈有材料B之導體結構上製成材料A之周向交替區域。在浸塗期間，可用材料A沿主軸塗佈導體結構的未塗佈有材料B之區域。較佳地，將導體結構浸漬至液態焊料合金浴中。較佳地，使導體結構(更具體言之，銅帶)連續地穿過焊料合金熔融浴。較佳地，熔融浴之焊料合金的熔點比導體結構之熔化溫度低至少100℃，更具體言之至少200℃。焊料合金可選自本文所述之焊料合金。
隨後，可例如藉助於壓縮空氣或藉由擦除來移除多餘的液態焊料合金。較佳地，導體結構上之液態焊料合金的層具有與材料B之層相同或至少類似的層厚度。在一替代實施例中，材料A之層厚度超過材料B之層厚度。材料B之層可具有均一或不同層厚度。
在已穿過熔融浴後，可使液態焊料合金冷卻及凝固，其結果為可在導體結構上形成焊接材料A及介電材料B之周向交替區域。
在本發明之一替代實施例中，可藉由在導體結構上印刷來用焊錫膏塗佈已塗佈有材料B之導體結構。較佳地，焊錫膏至少含有焊料合金及助熔劑之顆粒。此外，焊錫膏可包含溶劑及添加劑。溶劑可為有機或水性溶劑。添加劑可較佳為流變改質劑，如搖變劑、增稠劑或樹脂。溶劑可為有機溶劑或水性溶劑。
在第一步驟中，將焊錫膏印刷至導體結構的未塗佈有材料B之區域上。在塗佈步驟後之另一步驟中，可將焊錫膏固定在導體結構 上。較佳地，焊錫膏藉由升溫或加熱來進行固定。在此情形下，升溫應理解為意謂將焊錫膏升溫至低於其中所含之焊料合金的熔點，其結果為膏體層乾燥且揮發性組分逸出。在此情形下，加熱應理解為意謂將焊錫膏層加熱至高於其中所含之焊料合金的熔點。較佳地，焊料合金之連續層在加熱期間形成，同時儘可能地移除膏體之揮發性組分，例如藉由蒸發或燃燒來移除。以此方式，可生產本發明之連接件。
如上所述，步驟b)及c)之次序不受任何其他界定。在本發明之一有利實施例中，連接件可藉由首先沿主軸將一層焊接材料A施用至導體結構上，且接著施用一層介電材料B來生產。此方法次序可例如藉由首先將焊接材料A以焊錫膏形式在沿主軸之個別區域中施用至導體結構上，且接著將材料B之層的兩個個別區域施用至未塗佈有材料A之區域上來實現。在其中步驟b)處於步驟c)之後的此實施例中，材料A及材料B兩者較佳各自在印刷製程中施用。
在根據本發明製造之連接件上，具有材料B之區域與塗佈有材料A之區域周向交替。材料A及材料B之兩個個別區域各自沿主軸連續地塗佈導體結構。
若在步驟a)中以連續帶或線形式提供導體結構，則在完成步驟b)及c)後，較佳將導體結構切割成個別片段，且因此獲得成品連接件。較佳地，經切割之導體結構的長度在100mm至600mm之範圍內，且最佳在200mm至400mm之範圍內。
視情況，在完成塗佈製程後，可再次將在步驟b)及c)中已塗佈之導體結構捲曲至輥(亦稱作卷盤)上。更佳地，在完成步驟b)及c)後，再次將導體結構捲繞，且僅在用於生產光伏打組件之方法期間展開且 切割成用於特定應用所需之長度。
在一個實施例中，本發明涉及包含第一太陽能電池電極及另一元件之光伏打組件，其中該太陽能電池電極及該另一元件藉由本發明之連接件彼此連接。較佳地，光伏打組件之第一太陽能電池電極為前接觸或背接觸電極。較佳地，太陽能電池包括至少一個半導體層，其由具有相反極性之至少兩個太陽能電池電極接觸。較佳地，半導體層為摻雜矽晶圓。較佳地，半導體層為單晶或多晶矽晶圓。通常，太陽能電池之至少兩個太陽能電池電極為至少一個背接觸電極及至少一個前接觸電極，此意謂電極佈置在半導體層之相對側上。前接觸電極位於光入射側，同時背接觸電極位於背離光之側。在另一實施例中，可將至少兩個電極佈置在半導體基板之同一側上(亦稱作背接觸太陽能電池)。
背接觸電極可例如為施用於較大面積上之金屬層。較佳地，此金屬層包括具有含銀接觸點之鋁。
較佳地，光伏打組件之前接觸電極為匯流條。匯流條可將複數個或所有指狀電極彼此連接，且用以有效地釋放由指狀電極收集之電流。同時，匯流條可用以提供在機械上穩固之接觸區域，例如用於焊接。較佳地，匯流條之線橫截面比指狀電極大。匯流條之直徑可較佳地在100μm至2mm之範圍內，同時其高度較佳地為1μm至20μm。熟習此項技術者知道不同設計之匯流條。匯流條可設計為連續的均一導體路徑、收縮導體路徑(例如，呈珍珠鏈形式)以及具有中斷之導體路徑。在一較佳實施例中，匯流條接觸複數個，更具體言之所有所提供之指狀電極。較佳地，連接件寬於匯流條，以便促使連接件相對於匯流條正確地定向。為達成半導體層之最小可能遮蔽，連接件及匯流條之寬度相差較佳50%或小於50%、 更佳20%或小於20%且最佳10%或小於10%。
背接觸電極及前接觸電極均較佳藉由將導體膏施用至半導體層且接著烘烤所施用之導體膏來生產。可藉由印刷(例如網板印刷或模板印刷)將導體膏施用至半導體層上。導體膏通常包含導電金屬顆粒、玻璃料及有機介質。若導體膏用於生產背接觸電極，則導電金屬顆粒較佳地含有銀及/或鋁。若導體膏用於生產前接觸電極，則導電金屬顆粒較佳地含有銀或由銀組成。在施用後，可將半導體基板與所施用之導體膏一起烘烤，由此獲得太陽能電池電極。烘烤製程允許移除有機介質，且可獲得在機械上堅固且導電之電極。所得太陽能電池電極因此較佳地包含由玻璃及金屬組成之混合物。
在本發明之光伏打組件中，經由本發明之連接件將第一太陽能電池電極連接至另一元件。較佳地，另一元件為太陽能電池之另一太陽能電池電極。更佳地，另一元件為極性與第一太陽能電池電極之極性相反的另一太陽能電池電極。舉例而言，第一太陽能電池與另一太陽能電池可相同。較佳地，連接件將第一太陽能電池之前接觸電極連接至另一太陽能電池之背接觸電極。或者，連接件亦可將第一太陽能電池之背接觸電極連接至另一太陽能電池之前接觸電極。本發明之光伏打組件亦可為藉由連接件連接之太陽能電池鏈的一部分，亦即除第一及另一太陽能電池電極之外，另外太陽能電池電極可各自連接至另外連接件。
在一較佳實施例中，第一太陽能電池電極與連接件之間的接觸藉由焊接連接建立。較佳地，焊接連接藉由將材料A之至少一個區域融合在連接件上來建立。其中，連接件上之塗佈有焊接材料A的周向交替區域促成與第一太陽能電池電極之機械及電接觸。尤其有利的是連接件與 太陽能電池之間的電接觸由材料A之第一區域建立且連接件與另一元件之間的電接觸由材料A之第二區域建立，其中材料A之區域各自由一層材料B彼此分隔。或者，連接件與第一太陽能電池電極之間及連接件與另一元件之間的接觸可藉由焊接材料A之同一區域提供。
藉由用材料B在與第一太陽能電池電極接觸之區域及與另一元件接觸之區域中部分地塗佈本發明之連接件，可在將太陽能電池電極焊接至連接件時防止指狀電極與材料A形成接觸。詳言之，由熔融焊接材料形成之焊接區域受材料B之區域的限制，其結果為液態焊接材料可較佳地不與指狀電極形成接觸。
圖5示出本發明之連接件的橫截面，其經由焊接材料A與匯流條(匯流排)接觸。此處，連接件排他地接觸匯流條(匯流排)且不與指狀電極(F)形成接觸，此係由於材料A受材料B限制。在圖5中，Si標識矽晶圓。連接件與匯流條接觸之區域稱為接觸區域。
在本發明之光伏打組件中，材料B之周向交替區域具有介電特性，且較佳地不促成太陽能電池電極與連接件之間的電接觸。在一較佳實施例中，材料B之周向交替區域例如藉由黏著、藉由充當黏著劑之材料B來促成機械接觸。
較佳地，本發明之光伏打組件藉由包含以下步驟之方法生產：‧提供具有至少一個太陽能電池電極(更具體言之，匯流條)之太陽能電池，且提供另一元件；‧提供本發明之連接件；‧將連接件相對於至少一個太陽能電池電極及另一元件定位； ‧藉助於連接件連接至少一個太陽能電池電極及另一元件。
以下部分描述本發明之光伏打組件的生產，其中藉助於連接件將太陽能電池電極連接至另一元件。然而，本發明亦包含以下實施例，其中太陽能電池具有複數個太陽能電池電極(更具體言之，匯流條)，其經由連接件各自連接至一或多個另一元件。
為了生產光伏打組件，提供具有至少一個太陽能電池電極之太陽能電池。較佳地，太陽能電池包含至少一個前接觸電極(例如呈匯流條形式)及一個背接觸電極。另一元件較佳為太陽能電池之另一太陽能電池電極。詳言之，另一太陽能電池與所提供之第一太陽能電池相同。或者，光伏打模組之另一元件亦可為用於光伏打模組之連接線。連接線可用以自串聯連接之複數個太陽能電池導出電流。
此外，提供至少一個本發明之連接件。較佳地，藉由自捲筒展開來提供連接件。較佳地，將已塗佈之此展開導體結構切割至所需的長度，且因此獲得適合於特定應用之連接件。詳言之，提供連接件使得該長度足以將太陽能電池之匯流條連接至另一太陽能電池之太陽能電池電極(更具體言之，背接觸電極)。此意謂在此實施例中，連接件之長度約為太陽能電池長度的兩倍。在一較佳實施例中，所提供之連接件的數量對應於太陽能電池上所提供之匯流條的數量。詳言之，為每一所提供之匯流條提供具有經塗佈之導體結構的捲筒，該導體結構可經切割以獲得本發明之連接件。
為達成半導體層之最小可能遮蔽，所提供之連接件及第一太陽能電池電極(例如匯流條)的寬度相差較佳50%或小於50%、更佳20%或小於20%且最佳10%或小於10%。連接件可寬於及窄於第一太陽能電池 電極。較佳地，本發明之連接件寬於匯流條。
此外，所提供之連接件相對於太陽能電池電極及另一元件定位。為達成此目的，所提供之連接件較佳與第一太陽能電池電極(詳言之，匯流條)相一致，例如，在匯流條上方居中。由於較佳地，連接件長於匯流條，因此連接件之部分(例如，長度之一半)突出第一太陽能電池。
隨後，可將另一元件定位使得其可與連接件接觸。若要將第一太陽能電池之前接觸電極連接至另一太陽能電池之背接觸電極，則可首先將連接件相應地定位在前側，且接著將另一太陽能電池之背側定位於連接件之投影部分上。
接著將位於太陽能電池電極上之連接件與另一元件一起連接。連接較佳藉由配合按壓及焊接所定位之連接件來達成。對於焊接，較佳加熱由太陽能電池電極、連接件及另一元件組成之裝置(arrangement)，使得連接件上之焊接材料A的周向交替區域熔化且形成與太陽能電池電極之焊接連接。焊接材料較佳藉助於紅外輻射加熱。
由於整個連接件之每一正交投影的面積比材料A之每一區域之正交投影的面積大至少10%，且由於材料B之區域的存在，因此熔融焊接材料無法潤濕整個接觸區域，由此避免指狀電極損壞之風險。
可較佳在實際焊接製程之前預熱太陽能電池電極及另一元件，以使機械應力最小化。此外，較佳在焊接製程期間將電池連接件及太陽能電池電極壓在一起。在焊接製程之後，在連接件之區域中獲得在機械上牢固且導電之連接，該連接件之區域沿其周邊交替地塗佈有焊接材料A。其中將第一太陽能電池電極經由連接件連接至另一太陽能電池之另一太陽能電池電極的光伏打組件亦稱作光伏打模組。較佳地，本發明之連接 件亦可用於連接超過兩個太陽能電池以形成光伏打模組。
在工業可用製程中，可加工本發明之連接件以形成完全塗佈有焊料之銅帶，因此實現用於生產太陽能模組之太陽能電池的電串聯連接及機械連接。
以下將藉助於具體例示性實施例說明本發明之一般教示內容。
實例 1)生產經塗佈之連接件：
首先，以捲繞在卷盤上之銅帶的形式提供金屬導體結構(銅：ETP標準，Rp0.2=80MPa，尺寸：1.5mm寬，200μm厚)。將銅帶自卷盤展開；接著執行熱處理(軟退火)及藉由電漿處理使表面還原。焊料浴之其他步驟在惰性氛圍中進行(氧含量<50ppm)。
隨後，使用擠壓方法將UV固化阻焊劑(ELPEPCB® SD 2460/201 UV-FLEX)施用至銅帶之側向區域上及未來接觸區域之局部區域上。其中，將帶拉過腔室。
在腔室內部，對抗蝕劑進行加壓。入口及出口均藉由狹窄間隙密封，從而防止抗蝕劑自腔室流出。在腔室中傳送通過抗蝕劑期間，藉由抗蝕劑之黏著性連續地進行邊緣區域之塗佈。藉助於覆蓋物防止中部區域由抗蝕劑潤濕。
抗蝕劑塗層之厚度為15μm。阻焊劑塗佈銅條帶之每一前側及背側，使得在接觸表面之前側及背側上產生不含阻焊劑之1mm寬的區域。隨後，使用高壓蒸氣水銀燈之UV光使所施用之阻焊劑在約60℃之 基板表面溫度下固化。在固化後，抗蝕劑層之層厚度同樣約為15μm。在下一步驟中，將部分塗佈有阻焊劑之銅帶浸入含熔融焊料合金(Sn60Pb40)之焊料浴中。其中，藉由焊料浴之溫度、銅帶之饋送速度且藉由在離開焊料浴後直接使用氣刀「擦拭」焊料來決定焊料之層厚度。在將其拉出之後，在沒有用阻焊劑潤濕之彼等區域中用焊料合金潤濕銅帶。阻焊劑區域沒有用焊料合金潤濕。在凝固後，焊料合金層之層厚度為約15μm。在凝固後，將經塗佈之銅帶捲繞至卷盤上。
2)提供太陽能電池
所使用之太陽能電池為由Q-Cells生產的具有n發射極之p型電池(電阻：90歐姆/平方)。表面在前側上具有Si3Nx抗反射塗層。使用市售膏型Heraeus SOL 9631C(Heraeus Deutschland GmbH)藉由網板印刷將指狀電極及三個匯流條施用至前側上。指狀電極之線寬為40μm且匯流條之寬度為1.5mm。使用市售膏型Heraeus SOL205B(Heraeus Deutschland GmbH)將經網板印刷之銀焊接墊施用至背側上。使用網板印刷之市售鋁膏((RUX28K30，Guangzhou Ruxing Technology Development Co.,Ltd.of Guangdong,China(中國廣東廣州市儒興科技開發有限公司))印刷背面上之鋁BSF。將膏體乾燥且在最高溫度900℃下於烘箱中烘烤。
3)生產光伏打模組：
使用下文所述之方法使用連接件由兩個太陽能電池生產光伏打模組：將第一太陽能電池定位於安裝表面上，使得具有匯流條之 前接觸電極各自位於頂部。
提供如實例1中製成之經塗佈之銅條帶，捲繞在卷盤上。為每一太陽能電池之三個匯流條中的每一者提供具有經塗佈之銅帶的個別卷盤。
將沿周邊交替塗佈有焊料及阻焊劑之金屬帶展開、拉伸且經由導向件傳遞至第一太陽能電池之匯流條。將經塗佈之銅帶各自定位且在三個匯流條上方對準，使得遮蔽太陽能電池之前側的最小可能區域。
在已展開且定位於第一太陽能電池上方後，切割連接件使得連接件之長度足以連接兩個相鄰太陽能電池。此意謂經切割之連接件的長度約為第一太陽能電池長度的兩倍。每一經展開之銅帶的一半接觸第一太陽能電池之前側上的匯流條，而連接件之另一半突出太陽能電池。將第二太陽能電池置放於三個連接件的突出第一太陽能電池之部分上。其中，定位第二太陽能電池使得連接件接觸第二太陽能電池之背側。
在定位第二太陽能電池後，將太陽能電池及三個連接件壓在一起。隨後，使用IR輻射加熱由兩個太陽能電池及連接件組成之裝置，使得連接件上之焊接材料達到約200℃之溫度。在加熱之後，使裝置冷卻，其中熔融焊料合金凝固。以此方式，獲得兩個已連接之太陽能電池。
4)量測及比較不同光伏打模組
為了比較之目的，自兩個太陽能電池產生另一光伏打模組，其中使用完全塗佈有焊料合金(Sn60Pb40)之商業銅帶連接兩個太陽能電池電極。
將兩組，每組兩個彼此焊接之太陽能電池彼此串聯焊接。隨後，藉由層壓製成四個電池之所謂迷你模組。在生產後及通過人工老化 之加速老化過程後直接量測此等迷你模組之串聯電阻(Rser)、填充因子(FF)及電致發光(EL)。
為了進行加速老化過程，將兩個生產之光伏打模組曝露於-40℃與55℃之間的循環溫度變化。在100及500次溫度循環後且根據標準(IEC 61215)中規定之參數測試光伏打模組之模組輸出。根據IEC 60904，在1000W/m2及25℃之電池溫度下量測模組之STC輸出。
表1概述量測之結果。如自表1可看出，具有標準連接件之比較模組的填充因子較低且在人工老化後進一步降低。此外，在本發明之實例中，串聯電阻(Rser)及填充因子(FF)之下降較低。圖6示出電致發光量測結果。太陽能電池上之暗條示出指狀電極失效。在本發明之實例中，在加速老化之前及之後，指狀電極失效(暗灰色)的數量較低。
Figure 107122983-A0305-02-0027-2
A‧‧‧由材料A製成之層
B‧‧‧由材料B製成之層
C‧‧‧導體結構
P‧‧‧投影區域
U‧‧‧彎曲箭頭
WV‧‧‧連接件之正交投影(在2D中)
WA‧‧‧由材料A製成之層的正交投影(在2D中)

Claims (16)

  1. 一種用於將第一太陽能電池電極連接至另一元件之連接件，其中該連接件具有金屬導體結構，且該導體結構沿其邊緣交替地且周向地塗佈有材料A及B之兩個連續區域，其中A為焊接材料且B為介電材料，其特徵在於，整個連接件之每一正交投影的面積比材料A之每一區域之正交投影的面積大至少10%且不超過80%。
  2. 如請求項1之連接件，其中，該整個連接件之每一正交投影的面積比材料A之每一區域之正交投影的面積大至少25%且不超過80%。
  3. 如請求項1之連接件，其中，材料A之每一區域的正交投影與該整個連接件之正交投影的邊緣具有相同距離。
  4. 如請求項1至3中任一項之連接件，其中，該導體結構為帶或線。
  5. 如請求項1至3中任一項之連接件，其中，該導體結構含有銅或由銅組成。
  6. 如請求項1至3中任一項之連接件，其中，該介電材料B具有選自由介電材料及金屬材料組成之群的填料。
  7. 如請求項6之連接件，其中，該填料為金屬氧化物粉末。
  8. 如請求項1至3中任一項之連接件，其中，材料B具有聚合物材料。
  9. 如請求項1至3中任一項之連接件，其中，材料B之彈性模數為7GPa或小於7GPa。
  10. 一種用於生產如請求項1至9中任一項之連接件的方法，該連接件適於將第一太陽能電池電極連接至另一元件，該方法包含以下步驟：a)提供金屬導體結構，b)用介電材料B部分塗佈沿主軸延伸且具有兩個個別區域之金屬導體結構，及c)沿周邊用焊接材料A部分塗佈該沿主軸延伸且具有兩個個別區域之金屬導體結構，其中材料A及B各自經部分塗佈，使得該金屬導體結構沿周邊交替地塗佈有此等材料。
  11. 如請求項10之方法，其中首先用材料B塗佈該導體結構。
  12. 如請求項10或11中任一項之方法，其中該用材料B部分塗佈係通過印刷來達成。
  13. 如請求項10至11中任一項之方法，其中，步驟c)係藉由將該導體結構浸漬至液態焊料合金中來進行。
  14. 一種光伏打組件，其包含第一太陽能電池電極及另一元件，其中該太陽能電池電極及該另一元件係藉助於如請求項1至9中任一項之連接件彼此連接。
  15. 如請求項14之光伏打組件，其中該另一元件為另一太陽能電池電極。
  16. 如請求項14或15之光伏打組件，其中該第一太陽能電池電極為前接觸電極且該另一元件為背接觸電極。
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