使用iii-v半導體太陽能電池的聚光光伏打系統模塊的製作方法

2023-05-29 05:06:21 1

專利名稱：使用iii-v半導體太陽能電池的聚光光伏打系統模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於使用in-v化合物半導體多結太陽能電池的聚光光伏打系統 陣列中的模塊或子組合件。
背景技術：
過去，太陽能電力(在太空與地面兩者中)主要由矽太陽能電池提供。然而，在 過去兒年中，對用於太空應用的高效in-v化合物半導體多結太陽能電池的大量製造 已使得人們考慮能夠將此替代技術用於地面電力產生。與矽相比，ni-v化合物半導 體多結電池通常更能抵抗輻射且具有更大的能量轉換效率，但其製造起來往往花費較
大。當前一些III-V化合物半導體多結電池具有超過277。的能量效率，而矽技術通常
僅達到約17%的效率。在聚光條件下，當前一些in-v化合物半導體多結電池具有超
過37%的能量效率。
一般來說，所述多結電池具有p上n極性且由InGaP/(In)GaAs/Ge半導體結構的 豎直堆迭組成。III-V化合物半導體多結太陽能電池層通常可經由金屬有機化學氣相 沉積(MOCVD)生長在鍺(Ge)襯底上。使用Ge襯底可準許在n型與p型Ge之間形 成結，藉此利用所述襯底來形成底部或低帶隙子電池。所述太陽能電池結構通常生長 在直徑100毫米且平均質量密度約86毫克/平方釐米的Ge晶片上。在某些加工過程 中，在MOCVD生長過程期間跨越容納12或13個Ge襯底的底板的外延層均勻度優 於99.5%。每一晶片通常產生兩個大面積的太陽能電池。經加工以用於生產的電池面 積通常介於從26.6到32.4平方釐米的範圍內。外延晶片可隨後通過以下步驟加工為 成品太陽能電池裝置自動機器人光刻、金屬化、化學清洗及蝕刻、抗反射(AR)塗布、 切割成片以及測試過程。n與p觸點金屬化物通常主要由Ag組成，其具有薄Au頂蓋 層以保護Ag免受氧化。所述AR塗層是雙層TiOx/Al2(33介電堆迭，其光譜反射率特 性經設計以將蓋片玻璃互連電池(CIC)或太陽能電池組合件(SCA)層級處的反射降到 最低，以及使電池的壽命終止(EOL)性能達到最高。
在某些化合物半導體多結電池中，與GaAs電池不同，中間電池是InGaAs電池。 對於InGaAs中間電池，銦濃度可在約1.5%的範圍內。在某些實施方案中，這一布置 呈現增加的效率。使用InGaAs層的優點是，此類層可基本完美地晶格匹配到Ge襯 底。

發明內容
在本發明一方面中，太陽能電池模塊包括一子組合件，所述子組合件包含具有多
結in-v化合物半導體太陽能電池的太陽能電池接收器、輔助光學元件及用於將入射 光聚集到所述太陽能電池上的透鏡。
在本發明一方面中，用於將太陽能轉換為電的太陽能電池模塊包括外殼，其包
括第一側及與所述第一側相對的第二側；菲涅爾(Fresnd)透鏡整體陣列，其耦合到 所述外殼的所述第一側，每一透鏡均具有在約38.1釐米與約50.8釐米之間的焦距； 多個太陽能電池接收器，其設置在所述外殼的第二側上，每一太陽能電池接收器均包 括包括一個或一個以上III-V化合物半導體層的太陽能電池，其中所述太陽能電池
具有約1釐米X約1釐米的尺寸；具有本體、陽極端子及陰極端子的二極體，所述二
極管與所述太陽能電池並聯耦合；第一及第二電端子，其與所述太陽能電池及所述二 極管並聯耦合且適於提供到一個或一個以上間隔開的太陽能電池接收器的電連接；設 置在每一相應透鏡的光路徑中的多個輔助光學元件，每一輔助光學元件界定一具有多 個反射壁的相應錐形光學通道；每一太陽能電池均設置在相應透鏡及相應光學通道的 光學路徑中，其中所述透鏡可操作以將太陽能以400或更多的聚光倍數聚集到所述相 應太陽能電池上並產生超過14瓦的峰值功率。
在某些實施方案中，所述太陽能電池接收器包括襯底，其用於支撐所述太陽能 電池及二極體；其中所述二極體本體包括頂部部分及底部部分，所述底部部分比所述 頂部部分更接近於襯底而設置；塗層，其設置在所述二極體本體的頂部部分上方並延 伸到襯底，所述塗層大致囊封所述二極體本體、陽極端子及陰極端子；底塗層，其大 致佔據二極體本體底部部分與襯底之間的全部空間。
在某些實施方案中，底塗層經設置以使得所述二極體與所述襯底之間不存在氣隙。
在某些實施方案中，菲涅爾(Fresnd)透鏡的整體陣列是具有適於與外殼上的對 準元件耦合的對準元件的丙烯酸纖維薄片。
在某些實施方案中，透鏡的焦距約為45釐米。
在某些實施方案中，所述太陽能電池是包括至少三個區域的多結電池，其中所述 區域分別包括含鍺襯底、設置在所述襯底上的含InGaAs或GaAs的層及設置在所述 含InGaAs或GaAs的層上的InGaP層。
在某些實施方案中，所述輔助光學元件是一種具有高度反射內表面的大體梯形固體。
在某些實施方案中，所述光學通道由光學入口及光學出口界定，所述光學入口大 於所述光學出口。
在某些實施方案中，所述光學出口的大小經設定以具有大約與所述太陽能電池相 同的尺寸。在本發明一方面中，用於將太陽能轉換為電的太陽能電池模塊包括外殼，其包 括第一側及與所述第一側相對的第二側；對準框架，其耦合到所述外殼的所述第一側， 所述對準框架包括與對準元件耦合的多個插座；設置在所述對準框架上的含14個菲 涅爾(Fresnel)透鏡的整體陣列，每一透鏡均具有約38.1釐米與約50.8釐米之間的 焦距，所述陣列包括第一方向上的7個透鏡及垂直於所述第一方向的第二方向上的兩 個透鏡；多個對準元件，其將所述含14個菲涅爾(Fresnel)透鏡的整體陣列耦合到 對準框架的插座；含14個太陽能電池接收器的陣列，其設置在所述外殼的第二側上， 所述太陽能電池接收器陣列包括第一方向上的7個太陽能電池接收器及與所述第一 方向垂直的第二方向上的兩個太陽能電池接收器，其中每一太陽能電池接收器包括 包括一個或一個以上III-V化合物半導體層的太陽能電池，其中所述太陽能電池具有
約1釐米X約1釐米的尺寸；具有本體、陽極端子及陰極端子的二極體，所述二極體 與所述太陽能電池並聯耦合；第一及第二電端子，其與所述太陽能電池及所述二極體 並聯耦合且適於提供到一個或一個以上間隔開的太陽能電池接收器的電連接；其中所 述多個對準元件對準所述含14個菲涅爾(Fresnel)透鏡的整體陣列以使得每一太陽 能電池設置在一相應透鏡的光學路徑中，其中所述透鏡可操作以將太陽能以520或更 多的因子聚集到所述相應太陽能電池上並產生超過14瓦的峰值功率。
在某些實施方案中，所述太陽能電池模塊包括含14個輔助光學元件的陣列，每 一輔助光學元件均設置在一相應透鏡的光學路徑中，其中每一輔助光學元件界定一具 有多個反射壁的相應錐形光學通道。
在某些實施方案中，太陽能電池設置在相應透鏡的光學路徑及相應光學通道中。 在某些實施方案中，太陽能電池接收器包括襯底，其用於支撐所述太陽能電池 及二極體；其中所述二極體本體包括頂部部分及底部部分，所述底部部分比所述頂部 部分更接近於襯底而設置；塗層，其設置在所述二極體本體的頂部部分上方並延伸到 襯底，所述塗層大致囊封所述二極體本體、陽極端子及陰極端子；底塗層，其大致佔 據二極體本體底部部分與襯底之間的全部空間。在一些實施方案中，底塗層經設置以
使得所述二極體與所述襯底之間不存在氣隙。
在某些實施方案中，輔助光學元件是具有高度反射內表面的大體梯形固體。 在某些實施方案中，光學通道由光學入口與光學出口界定，所述光學入口大於所
述光學出口。
在某些實施方案中，所述光學出口的大小經設定以具有大約與所述太陽能電池相 同的尺寸。


圖1是包含用於從太陽能產生電的設備的太陽能面板的實施方案的透視圖。 圖2A是太陽能電池模塊的實施方案的透視圖。
6圖2B是輔助光學元件的實施方案的透視圖。 圖3是圖4的太陽能電池接收器的電路圖。
圖4是形成圖2A的太陽能電池模塊的一部分的太陽能電池接收器的實施方案的 透視圖。
圖5是沿圖4的A-A線截取的剖視圖。 圖6是太陽能電池接收器的實施方案的底部的視圖。 圖7A、 7B及7C描繪太陽能電池的替代實施方案。 圖8描繪太陽能電池接收器的替代方案。
具體實施例方式
下文是對具有絕緣旁通二極體的太陽能電池接收器的優選實施方案以及一些替 代實施方案的說明。
I. 概述
太陽能電池接收器將太陽能轉換成電。在本文所描述的各種實施方案中，採用了 三結III-V化合物半導體太陽能電池，但可視應用而定使用其它類型的太陽能電池。 太陽能電池接收器通常含有額外組件，例如，用於耦合到輸出裝置或其它太陽能電池 接收器的連接器。
對於某些應用，太陽能電池接收器可實施為太陽能電池模塊的一部分。太陽能電 池模塊可包含太陽能電池接收器及耦合到所述太陽能電池的透鏡。所述透鏡用於將所 接收的光會聚到太陽能電池上。由於透鏡的作用，太陽能電池可接收到對太陽能的更 大聚集。在某些實施方案中，所述透鏡適於以400或更多的聚光倍數聚集太陽能。例 如，在500個太陽聚光下，l平方釐米的太陽能電池面積產生與在沒有聚光的情況下 500平方釐米的太陽能電池面積將產生的相同量的電力。因此，對聚光的使用可允許 用諸如透鏡及反射鏡等高成本效益材料來代替較為昂貴的半導體電池材料。
可將兩個或兩個以上太陽能電池模塊一起組合到一個陣列中。這些陣列有時稱為 "面板"或"太陽能面板"。
II. 太陽能面板的實施方案
圖1描繪用於從太陽能產生電的太陽能面板10的一個實施方案。面板10包含多 個太陽能電池模塊20。在此圖解說明中，顯示了24個太陽能電池模塊20。每一模塊 20可包括一個或一個以上太陽能電池接收器(例如，圖2A的物件12a)及用於將日 光聚集到太陽能電池接收器的太陽能電池上的對應透鏡(例如，圖2A的物件204a)。 多個面板10在被提供時通常串聯連接，但其它實施方案可將所述面板並聯或串並聯 連接。
III. 太陽能電池模塊的實施方案
圖2A圖解說明包括透鏡22a-22j陣列(其中四個未顯示)及對應太陽能電池接收器12a-12j (每一者均採取圖4中物件12的形式)的太陽能電池模塊20的實施方 案。在某些實施方案中，太陽能電池模塊包括14個透鏡及14個對應太陽能電池接收 器。在所圖解說明的實施方案中，所述陣列為'7x2"陣列。
透鏡22a-22j形成於光學材料(例如，丙烯酸)製成的連續薄片201上。在某些 實施方案中，薄片201中不形成到透鏡22a-22j中的區域製作成部分不透明或完全不 透明的。通過在連續薄片201外形成透鏡22a-22j，可大大地降低成本。首先，通過 在大薄片上產生鏡片，生產成本可降低。其次，由於僅需使一個物件(即透鏡的薄片 201)與太陽能電池接收器對準，因而組合件成本降低。在此實施方案中，薄片201 由外殼21支撐在其外圍邊緣上且位於具有多個框架對準元件(例如孔)205a的對準 框206頂上。孔205a可帶有螺紋或以其它方式來適於接納緊固件。薄片201包括可 與框架對準元件205a對準及耦合的薄片對準元件205b(例如，銷、螺釘或其它部件)。 框架對準元件205a及薄片對準元件205b以如下方式定位通過將薄片對準元件205b 與框架對準元件205a對準，每一太陽能電池接收器12a-12j均與其相應透鏡22a-22j 對準。在某些實施方案中，表面202包括可確保每一太陽能電池接收器12a-12j均定 位於一預定位置的對準特徵。這些特徵可與太陽能電池接收器的襯底(例如，物件9)
率禺合。
對準元件205b (例如銷)大體定位於四個透鏡所界定的中心點處。例如，對準 元件205b定位於透鏡22f、 22g、 22h及22i所界定的中心點處。另一對準元件205 定位於透鏡22e、 22f、 22i及22j所界定的中心點處。將對準元件205b定位於四個透 鏡所界定的中心點處的此圖案可沿整個薄片201延續。
在某些實施方案中，每一透鏡22a-22j均為菲涅爾(Fresnel)透鏡。對應的太陽 能電池接收器12a-12j定位於表面202上外殼21的相對端處。每一太陽能電池接收器 12a-12j均包含設置在對應透鏡22a-22j的光學路徑中的對應太陽能電池30 (參見圖 4) ， S卩，使得對應太陽能電池30接收穿過對應透鏡22a-22j的光。在某些實施方案 中，採用額外的透鏡及/或反射鏡以將太陽能電池放置在透鏡的光學路徑中。例如， 顯示對應於太陽能電池接收器12b及透鏡22b的輔助光學元件210b。輔助光學元件 210b聚集來自透鏡22b的光並將其會聚到太陽能電池接收器12b的太陽能電池中。 在某些實施方案中，每一太陽能電池接收器12a-12j均配備有對應的輔助光學元件。 結合圖2B更詳細論述輔助光學元件。
雖然某些菲涅爾(Fresnd)透鏡可比某些凸透鏡聚集更多的日光，但各實施方案 可使用可聚集入射日光的任何類型的透鏡22a-22j。透鏡22a-22j還可包括多層抗反射 塗層204a-204j (例如，類似於塗施在太陽能電池30上的塗層的塗層)。
包括透鏡22a-22j的薄片201與對應的太陽能電池接收器12a-12j的太陽能電池 之間的距離203是可選擇的，例如可基於透鏡22a-22j的焦距來選擇。在某些實施方 案中，模塊外殼21經布置以使得每一相應太陽能電池接收器12a-12j的太陽能電池均 設置在相應透鏡22a-22j的焦點處或附近。在某些實施方案中，每一透鏡22a-22j的焦
8距均在約25.4釐米與76.2釐米之間。在某些實施方案中，每一透鏡22a-22j的焦距均 在約38.1釐米與50.8釐米之間。在某些實施方案中，每一透鏡22a-22j的焦距均為約 40.085釐米。在某些實施方案中，每一透鏡22a-22j的焦距是不同的，且所述外殼提 供薄片201與表面202之間的多個不同距離(例如，大於及/或小於尺寸203的距離)。
透鏡22a-22j的某些實施方案將入射日光聚集到正常聚光水平的400倍(即，400 個太陽聚光)或以上。在某些實施方案中，透鏡22a-22j中的一者或一者以上將日光 聚集到約520倍的正常聚光水平。在某些實施方案中，透鏡22a-22j中的一者或一者 以上將日光聚集到約470倍的正常聚光水平。 一般來說，太陽能轉換為電的轉換效率 在聚光照射下可增大。例如，在約500個太陽聚光下，單個太陽能電池模塊可產生 IO瓦或更多的電力。在另一實例中，在約470個或更多個太陽聚光下，單個太陽能 電池模塊可產生14瓦或更多的電力。 一模塊可產生的電力的量可不同，這取決於(例 如)太陽能電池特性(例如，大小、組成)與相關聯光學裝置的性質(例如，聚光、 會聚、對準)的組合。
在某些實施方案中，每一相應太陽能電池接收器12a-12j的太陽能電池30均為 三結III-V太陽能電池，其中所述三個子電池中的每一者串聯布置。在採用多個太陽 能電池模塊20的應用中，太陽能電池模塊20的接收器12a-12j通常是串聯地電連接 在一起。在而，其它應用可利用並聯或串並聯連接。例如，既定模塊20內的接收器 12a-12j可串聯地電連接在一起，而模塊20則並聯地相互連接。
太陽能電池模塊的某些實施方案包含輔助光學元件("SOE")。圖2B中圖解說 明SOE的實施方案。SOE 210設置在太陽能電池模塊20的外殼21內部，且通常經 設計以收集相關聯透鏡(例如，圖2A中的22b)所聚集的太陽能。在某些實施方案 中，每一接收器12a-12j均具有相應的SOE。
SOE210包括具有光學入口 219及光學出口 220的光學元件217、本體216及安 裝連接小片218。SOE210經安裝以使得光學元件217設置在太陽能電池接收器12(例 如，圖2A中的12b)的太陽能電池30上方。雖然可視實施方案而不同，但SOE210 經安裝以使得光學出口距太陽能電池30約0.5毫米(例如，尺寸215約為0.5毫米)。 在某些實施方案中，安裝翼片218耦合到太陽能電池模塊20的面202。 SOE210(其 中包含本體216)可由金屬、塑料或玻璃或其它材料製成。
在某些實施方案中，光學元件217具有從入口 219到出口 220逐漸變細的方形剖 面。光學元件的內表面211朝向出口 220向下反射光。在某些實施方案中，內表面 211塗布有銀或其它材料以獲得高反射率。在某些情形下，反射塗層由諸如Si02的鈍 化塗層保護以防止氧化、生鏽或腐蝕。從光學入口 219到光學出口 220的路徑形成可 從主透鏡捕獲太陽能並將其引向太陽能電池的錐形光學通道。如此實施方案中所顯 示，SOE210包括具有四個反射壁的光學元件217。在其它實施方案中，可釆用不同 的形狀(例如，釆用三個側面以形成三角形的剖面)。
在某些情形下，主透鏡(例如，圖2A中的22b)不將光會聚在具有太陽能電池30的尺寸的光斑上，或太陽能跟蹤系統可不會恰好指向太陽。在這些情況下，某些 光不會達到太陽能電池30。反射表面211將光引導到太陽能電池30。光學元件217 還可使光均勻(例如混合)。在某些情形下，其還具有一些聚光效應。
在某些實施方案中，光學入口 219,為方形形狀且約為49.60毫米x49.60毫米(尺 寸213)，且光學出口為方形形狀且約為9.9毫米x9.9毫米(尺寸214),且光學元 件的高度約為70.104毫米(尺寸214)。尺寸214、 213及214可視太陽能電池模塊 及接收器的設計而不同。例如，在某些實施方案中，光出口的尺寸大約與太陽能電池 的尺寸相同。對於具有這些尺寸的SOE來說，半傾斜角為15.8度。
IV.太陽能電池接收器的實施方案
圖3圖解說明太陽能電池模塊20的太陽能電池接收器(例如，圖2A中的12a) 的電路圖。所述接收器包含三結III-V化合物半導體太陽能電池30，所述三結III-V化 合物半導體太陽能電池包括串聯布置的頂部電池30a、中間電池30b及底部電池30c。 當在太陽能電池模塊中實施時，太陽能電池30經定位以接收來自透鏡(參見圖2A 及2B)的經會聚太陽能。
二極體14與三結太陽能電池30並聯連接。在某些實施方案中，二極體14是一 種諸如肖特基(Schottky)旁通二極體或外延生長p-n結的半導體裝置。出於圖解說 明的目的，—:極管14是肖特基(Schottky)旁通二極體。提供外部連接端子43和44， 以用於將太陽能電池30及二極體14連接到其它裝置，例如相鄰太陽能電池接收器。 在某些實施方案中，太陽能電池30、 二極體14及端子43及44安裝在由絕緣性材料 製成的板或襯底(例如，參見圖4的物件9)上。
通過考慮串聯連接的多個太陽能電池接收器12可了解二極體14的功能。可將三 結太陽能電池30中的每一者設想為電池，其中二極體14中的每一者的陰極均連接到 相關聯「電池」的正端子，且所述二極體中的每一者的陽極均連接到相關聯「電池」 的負端子。當串聯連接的太陽能電池30中的一者受到損壞或遮蔽時，其電壓輸出下 降或消失(例如，到與二極體14相關聯的閾值電壓以下)。因此，相關聯的二極體 14受到正偏壓，且旁通電流僅流過所述二極體14 (而不流過太陽能電池30)。以此 方式，未受損或未受遮蔽的太陽能電池繼續從所述太陽能電池所接收的太陽能產生 電。如果不是因為有二極體14，則其它太陽能電池接收器12產生的大致所有電都將 通過受遮蔽或受損的太陽能電池30,從而將其毀壞，並在(例如)所述面板或陣列 內形成開路。
圖4、 5及6圖解說明在圖2A中實施為物件12a-12j的接收器12中的一者。出 於此實施目的，假定既定陣列或面板中的所有其它接收器均大致相同。
圖4圖解說明一個太陽能電池30及其相關聯二極體14。太陽能電池30電連接 到二極體14。太陽能電池30的上表面包括在此實施方案中佔據太陽能電池30的周 界的接觸區301。在某些實施方案中，接觸區301可較小或較大以適應所期望的連接 類型。例如，接觸區301可僅接觸太陽能電池30的一個、兩個或三個側面(或其若
10幹部分)。在某些實施方案中，接觸區301製作地儘可能小以使將太陽能轉化為電的 面積最大化且同時仍允許電連接。雖然太陽能電池30的特定尺寸將視應用而不同， 但標準的尺寸為約1釐米的正方形。例如， 一組標準尺寸可為總共約12.58毫米xl2.58 毫米、約0.160毫米厚且總有效面積約為108平方毫米。例如，在約12.58毫米xl2.58 毫米的太陽能電池30中，接觸區301約為0.98毫米寬且開口區約為10毫米xlO毫米。 接觸區301可由各種導電性材料(例如，銅、銀及/或塗布有金的銀)形成。在此實 施方案中，太陽能電池30的n導電性側接收光，且因此接觸區301設置在太陽能電 池30的n導電性側上。
可在太陽能電池30上設置抗反射塗層305。抗反射塗層305可以是提供特定波 長範圍內(例如，0.3到1.8微米)的低反射比的多層抗反射塗層。抗反射塗層的一 個實例是雙層TiOx/Al203介電堆迭。
觸點301耦合到設置在板9上的導體跡線302。在此實施方案中，觸點301通過 多個(在此實例中為12個)線接合304耦合到導體跡線302。特定實施方案中所利 用的線接合304的數目可尤其與太陽能電池30所產生的電流量有關。
導體跡線302 (且因此，太陽能電池30)通過導體跡線302與導體跡線45之間 的電連接耦合到二極體14的端子11。
二極體14的另一端子13耦合到跡線46。為完成太陽能電池30與二極體14之 間的並聯連接，將端子13耦合到太陽能電池30的下側。結合圖5及6對此進行更詳 細論述。
通過跡線45及46將二極體14分別電耦合到連接器端子43及44。連接器端子 43及44分別電耦合到安裝在連接器40的開孔42及41中的插孔343及344。由於插 孔343及344被連接器40的本體隱藏而無法看見，所以將其以虛線顯示。所述插孔 包括導電材料且提供裝置到電路的電耦合。在某些實施方案中，所述插孔對應於陽極 與陰極端子，且經設計以接納插頭341與342以連接到相鄰接收器312，例如，如上 文參照圖3所描述。相鄰接收器312可採用與接收器12大致相同的形式。在某些實 施方案中，連接器40牢固地附接到板9且可由絕緣材料(例如塑料)構造而成。
界定絕緣開孔41與42的相對較大連接器40有助於防止由於端子處的放電引導 到相鄰接收器而導致的太陽能電池擊穿，因為所述絕緣開孔為容納於其中的插頭/插 孔電連接中的每一者提供極好的絕緣。
如圖5所示，二極體14在板9上方安裝在端子11與13上。視應用而定，二極 管12可以是表面安裝類型。端子11與13分別耦合到二極體14的陽極與陰極，且因 此可稱為二極體14的陽極端子與陰極端子。二極體14的除端子11與13之外的部分 可稱為二極體本體(即，陰影區域504)。
在此實施方案中，二極體端子11電耦合到連接器501，連接器501穿過板9以 將二極體耦合到太陽能電池30的底部表面。在某些實施方案中，連接器501可釆取 附接到二極體14的銷的形式，且使用通孔技術來安裝。連接器501可視太陽能電池30安裝在板9上的方式而不同。例如，如果板9經構造以暴露太陽能電池的底部(例 如，p導電性側)，則連接器501可穿透板9的整個厚度。在某些實施方案中，太陽 能電池30的底部可位於板9 一表面頂上。在此類實施方案中，連接器501可耦合到 板9的一個層(例如，位於板9頂部表面505下方的層)。
可由任何合適的介電底部填充材料15來佔據二極體14的底部部分503 (例如面 向板9的表面)與板9之間的間隙，以使得所述二極體與所述板之間不存在氣隙。在 某些實施方案中，觸點11與13之間不存在氣隙且底部填充15佔據二極體14的底部 部分503與板9之間的大致全部空間。在這種情況下，底部填充15與二極體14的底 部部分503及板9接觸。底部填充15還可接觸二極體14的其它區。合適的底部填充 材料的實例包含聚矽氧。類似地，合適的介電圓頂封裝(或保形塗層)材料16沉積 在二極體14上方以囊封二極體。塗層16設置在二極體14的頂部表面502 (例如， 面向板9遠離的表面)上方並向下延伸直到其到達板9。由此塗層16可囊封二極體 本體504以及觸點11及13。塗層16接觸二極體14的頂部表面502以及觸點11及 13。塗層16還可接觸二極體14的其它區。合適的圓頂封裝或保形塗層材料包含由漢 高公司(Henkd Corporation)以品牌Loctite③所售的保形塗層材料。由於介電材料15 及16的介電強度比空氣的介電強度高得多，所以大致消除了介電介質擊穿的風險。 底部填充及圓頂封裝介電材料15及16防止不受控制的放電，且因此保護了系統的太 陽能電池30。
圖6描繪接收器12的底側。太陽能電池30的下側601是導電(例如金屬)表面。 下側601耦合到導電性跡線602。導電性跡線602耦合到連接器501,連接器501耦 合到二極體14的端子11 (物件11及14以虛線顯示，因為其在此視圖中是隱藏的)。 導電性跡線602可相對較寬以載送由太陽能電池30產生的電流。
視實施方案而定，太陽能電池30的下側601可擱放在板9的表面(例如底部表 面506上方的一個層)上。在其它實施方案中，板9中可存在切口以暴露太陽能電池 30的下側601。導電性跡線602的位置可視太陽能電池30安裝的方式而不同。例如， 如果板9中存在切口，則導電性跡線602可位於板9的底部表面506上。如果太陽能 電池30擱放在板的底部表面506上方的層上，則導電性跡線602可不位於板的底部 表面上(例如，其可設置在板9的頂部506與底部506表面之間的層上)。在此類實 施方案中，所述太陽能電池的下側601及導電性跡線602在此透視圖中可為隱藏的。
V.太陽能電池的第二實施方案
圖7A、 7B及7C描繪可用於(例如)諸如圖2A的物件12a-12j或圖4的物件 12的太陽能電池接收器中的太陽能電池730的第二實施方案。太陽能電池730是一 種具有p上n極性並由Ge襯底上的InGaP/(In)GaAs III-V化合物組成的多結電池。太 陽能電池730還包含一抗反射塗層，其光譜反射率特性經設計以將蓋片玻璃互連電池 (CIC)或太陽能電池組合件(SCA)層級處的反射降到最低，以及使電池的壽命終止(EOL) 性能達到最高。圖7A及7B是從n極側透視的視圖。
12此太陽能電池730與圖4的太陽能電池30之間的一個不同點是電池730利用兩 個端子703與704 ("總線")而非電池30的周界觸點301。端子703及704由經鈍 化框架705 (區域701的近視7B中可見)環繞。觸點703及704所佔據的區域 不是有效區702 (例如，能夠將太陽能轉換成電的區域)的一部分。此實施方案的一 個優點是大百分比的總表面積為有效區702，因為觸點703及704僅佔據電池730的 兩個側。
電池730的總尺寸約為11.18毫米(尺寸710) x10.075毫米(尺寸714)。電 池730約為0.185毫米厚(尺寸718)。有效區702約為10毫米(尺寸712) x10.075 毫米(尺寸714)。
端子703及704約為9.905毫米寬(尺寸715) x0.505毫米高(尺寸717)，且 距離電池730的邊緣約0.085毫米(尺寸713及719)定位。因此，從端子703的外 邊緣到端子704的外邊緣的距離約為11.01毫米(尺寸711)。端子703及704周圍 的經鈍化框架705約為0.01毫米厚(尺寸720)。考慮到加工中的變化(例如鋸齒巻 曲)， 一些實施方案在大致沒有特徵的整個電池730周圍採用薄邊界(例如，0.035 毫米，尺寸716)。
電池730的底部(即，p極性側)大致類似於圖6中所圖解說明的電池30的底部。
VI.太陽能電池接收器的替代方案
圖8圖解說明包括太陽能電池830及其相關聯二極體814的太陽能電池接收器 812的替代實施方案。太陽能電池接收器812可以與圖4的接收器12大致相同的方 式用於多種應用中。太陽能電池830電連接到二極體814。太陽能電池830的上表面 包括在此實施方案中佔據太陽能電池830的兩個邊緣的接觸區801。在某些實施方案 中，接觸區801製作得儘可能小以使得將太陽能轉換為電的面積最大化且同時仍允許 電連接。雖然太陽能電池830的特定尺寸將視應用而不同，但標準尺寸為約l釐米的 正方形。例如，- "組標準尺寸可為總共約12.58毫米xl2.58毫米、約0.160毫米厚且 總有效面積約為108平方毫米。例如，在約12.58毫米xl2.58毫米的太陽能電池830 中，接觸區801約為0.98毫米寬且開口區約為10毫米xlO毫米。接觸區801可由各 種導電性材料形成。在此實施方案中，太陽能電池830的n導電性側接收光，且因此 將接觸區801設置在太陽能電池830的n導電性側上。
可在n導電性側(或接收太陽能的任一側)上設置抗反射塗層。
觸點801耦合到設置在板809上的導體跡線802。在此實施方案中，觸點801通 過多個線接合804耦合到導體跡線802。
導體跡線802 (且因此，太陽能電池830)通過導體跡線802與導體跡線845之 間的電連接的方式耦合到二極體814的端子811。
二極體814的另一端子813耦合到跡線846。為完成太陽能電池830與二極體814 之間的並聯連接，將端子813耦合到太陽能電池830的下側。結合圖5及6論述對此類型的連接的實例。
二極體814通過跡線845及846分別電耦合到插孔843及844。插孔843及844 通過連接器840彼此電絕緣。連接器840為每一插孔包含多個開孔。所述開孔彼此電 絕緣。由於插孔843及844被連接器40的本體隱藏而無法看見，所以將其以虛線顯 示。所述插孔包括導電材料且提供裝置到電路的電耦合。在某些實施方案中，所述插 孔對應於陽極與陰極端子，且經設計以接納插座插頭(例如，圖4中的341及342) 以連接到相鄰接收器，例如，如參照圖3所描述。在某些實施方案中，連接器840牢 固地附接到板809且可由絕緣材料(例如塑料)構造而成。
相對較大的連接器840有助於防止由於端子處的放電引導到相鄰接收器而導致 的太陽能電池擊穿，因為所述絕緣開孔為容納在其中的插口/插座電連接中的每一者 提供極好的絕緣。
二極體814塗布有圓頂封裝介電塗層816。同樣，介電底部填充位於端子811與 813之間的二極體814下方。這些材料的使用已結合圖5 (例如，物件15及16)加 以論述。
VII.其它結果
除了解決不受控制的放電問題以外，使用底部填充及/或圓頂封裝(例如，保形 塗層)可產生額外的意想不到的優點。
使用底部填充及/或圓頂封裝可顯著提高接收器管理熱耗散的能力。底部填充及
圓頂封裝介電材料(例如，15及16)的導熱性高於空氣的導熱性。因此，其通過增
大熱路徑的截面來提高從系統的組件到周圍環境大氣的熱耗散。此外，由於在某些實
施方案中，底部填充及圓頂封裝介電材料(例如15及16)與板或襯底接觸，因此其
促進從所述二極體到所述板之間的熱轉移。例如，底部填充15及圓頂封裝16可大致
提高二極體14的熱耗散。如上文所描述，當繞過太陽能電池30時，二極體14可載
送幾千瓦(例如，10,000)的電力。由於二極體不是效率極佳的導電體，因此所述功 率中的一些功率作為熱能而耗散。過多的熱能可毀壞二極體並且至少會降低其使用壽
命。因此，採用底部填充及/或圓頂封裝的接收器更有可能具有增加的使用壽命，尤 其是在功率電平增加時。此外，與用於提高熱管理的許多其它方法(例如，使用金屬 散熱片的被動式冷卻，或主動式冷卻)相比，底部填充及/或圓頂封裝是一種更具成 本效益、高效且更容易的解決方案。此外，所述其它方法不能解決不受控制的放電的 問題。
底部填充及/或圓頂封裝材料還可防止由汙染物造成的短路。在某些實施方案中， 導體跡線(例如物件45及46)分離不大於約l毫米。當跡線彼此相距如此程度時， 諸如小水滴等許多汙染物即顯得足夠大以與兩個相鄰導體跡線接觸。此外，因為二極 管14本身相對較小，所以一個或一個以上小水滴有可能會橋接端子11與13。由於 太陽能接收器(例如，12)通常用於戶外，因而其暴露於來自(例如)冷凝及/或雨 水的溼氣。使用底部填充及/或圓頂封裝可防止溼氣冷凝在二極體14的端子上或冷凝在導體跡線45及46上，藉此降低短路的可能性。
底部填充及/或介電圓頂封裝(或保形塗層)材料15及16還可防止外來材料落 在二極體14的端子上、導體跡線45及46上以及板9上的任何電跡線上，藉此進一 步降低操作期間短路的可能性。
另一個意想不到的優點是，底部填充及/或圓頂封裝介電材料(例如15及16)可 增加二極體14與其所附接到的板之間的界面的機械完整性。因此，在運輸、安裝及 搬運期間，二極體14脫開(或以另外的方式電去耦)的機率降低。
VIII.典型的性能數據
太陽能電池接收器(例如物件12)在不同的太陽聚光度下的測試實施方案中得 到以下數據以470個太陽聚光及1150個太陽聚光進行測試包括將太陽能電池接收 器12用作太陽能電池模塊組合件(例如物件20)的一部分。
1個太陽聚光470個太陽聚光1150個太陽聚光
效率31.23 %36.23 %33.07%
V。c (開路電壓)2.583伏特3.051伏特3.078伏特
Jsc (短路電流)13.9毫安/平方釐米6.49安培/平方釐米15.92安培/平方釐米
vmp (最大功率點下的電壓)2.32伏特2.704伏特2.523伏特
Jmp (最大功率點下的電流)13.46毫安/平方釐米6.27安培/平方釐米15.04安培/平方釐米
pmp (最大功率點)31.23毫瓦/平方釐米17.03瓦/平方釐米38.03瓦/平方釐米
如文中指示，所述測試揭示，效率在470個太陽聚光下達到最高。雖然1150個 太陽聚光可產生較大總輸出，但較強的聚光會將太陽能電池暴露給較大量的熱，從而 可損壞或大大縮短太陽能電池的壽命。
很明顯，可對上文所描述的設備作出修改。特定地說，所述介電材料不僅可應用 到二極體，而且還可應用到面板上的所有端子、引線以及導體跡線。此外，可將太陽 能電模塊外殼製作成可調節式，從而(例如)(l)容納具有不同焦距的透鏡，或(2) 通過遠離焦點或朝向焦點移動太陽能電池來增大或減小聚光(即，太陽聚光)。此外， 可對多個透鏡進行排列以(例如)將入射光準確地會聚到太陽能電池上。
本文已描述若干實施方案。然而，應了解，可對本發明作出各種修改，其並不背 離本發明精神及範圍。因此，其它實施方案也在權利要求書範圍內。
1權利要求
1、一種用於將太陽能轉換為電的太陽能電池模塊，其包括外殼，其包括第一側及與所述第一側相對的第二側；菲涅爾透鏡的整體陣列，其耦合到所述外殼的所述第一側；多個太陽能電池接收器，其設置在所述外殼的所述第二側上，每一太陽能電池接收器包括太陽能電池，其包括一個或一個以上III-V化合物半導體層；二極體，其具有本體、陽極端子及陰極端子，所述二極體與所述太陽能電池並聯耦合；及第一及第二電端子，其與所述太陽能電池及所述二極體並聯耦合，且適於提供到一個或一個以上間隔開的太陽能電池接收器的電連接；每一太陽能電池均設置在相應透鏡的光學路徑中，其中所述透鏡可操作以便以400或更多的倍數將所述太陽能聚集到所述相應太陽能電池上並產生超過14瓦的峰值DC功率。
2、 如權利要求1所述的太陽能電池模塊，其中所述菲涅爾透鏡的整體陣列中的 每一透鏡具有在約38.1釐米與約50.8釐米之間的焦距。
3、 如權利要求l所述的太陽能電池模塊，其中每一太陽能電池接收器的所述太 陽能電池具有約1釐米x約1釐米的尺寸。
4、 如權利要求l所述的太陽能電池模塊，其包括多個輔助光學元件，其設置在每一相應透鏡的所述光學路徑中，每一輔助光學元 件界定具有多個反射壁的相應錐形光學通道，其中每一太陽能電池設置在相應光學通道的光學路徑中。
5、 如權利要求l所述的太陽能電池模塊，其中每一太陽能電池接收器包括 襯底，其用於支撐所述太陽能電池及二極體；其中所述二極體本體包括頂部部分及底部部分，所述底部部分比所述頂部部分更 接近於所述襯底而設置；塗層，其設置在所述二極體本體的所述頂部部分上方且延伸到所述襯底，所述塗 層大致囊封所述二極體本體、陽極端子及陰極端子；底塗層，其大致佔據所述二極體本體的所述底部部分與所述襯底之間的全部空間。
6、 如權利要求5所述的太陽能電池模塊，其中所述底塗層經設置使得所述二極體與所述襯底之間不存在氣隙。
7、 如權利要求l所述的太陽能電池模塊，其中所述菲涅爾透鏡的整體陣列是具 有適於與所述外殼上的對準元件耦合的對準元件的丙烯酸薄片。
8、 如權利要求2所述的太陽能電池模塊，其中所述整體陣列中的每一透鏡的所 述焦距約為45釐米。
9、 如權利要求l所述的太陽能電池模塊，其中所述太陽能電池為包括至少三個 區域的多結電池，其中所述區域分別包括含鍺襯底、設置在所述襯底上的含InGaAs 或GaAs的層及設置在所述含InGaAs或GaAs的層上的InGaP層。
10、 如權利要求4所述的太陽能電池模塊，其中所述輔助光學元件為具有高反射 內表面的大體梯形固體。
11、 如權利要求4所述的太陽能電池模塊，其中所述光學通道由光學入口及光學 出口界定，所述光學入口大於所述光學出口。
12、 如權利要求11所述的太陽能電池模塊，其中所述光學出口的大小經設定以 具有大約與所述太陽能電池相同的尺寸。
全文摘要
本發明揭示一種太陽能電池模塊(20)，其包括透鏡(22a-22j)陣列、對應的輔助光學元件(210)及對應的太陽能電池接收器(12a-12j)。太陽能電池接收器(12)包含具有一個或一個以上III-V化合物半導體層的太陽能電池(30)、與所述太陽能電池(30)並聯耦合的二極體(14)及用於耦合到其它太陽能電池接收器的連接器(40)。所述模塊包含外殼(21)，所述外殼(21)支撐透鏡(22a-22j)使得每一透鏡將太陽能聚集到其相應的太陽能電池(30)上。
文檔編號H01L31/052GK101510571SQ20091000981
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月23日 優先權日2008年2月11日
發明者加裡·赫林, 斯科特·埃爾曼, 路 方, 米哈伊爾·卡茨, 艾倫·戈倫茲 申請人:安科太陽能公司