利用擴張金屬網(wǎng)卷的自動化柔性太陽能電池制造和互連的制作方法
【專利摘要】形成光伏電池的方法，所述方法包括提供第一卷的光伏材料和第二卷的擴張金屬網(wǎng)。所述光伏材料包含與柔性襯底相鄰的光活性材料，并且所述擴張金屬網(wǎng)包含多個孔。接著，提供與所述光伏材料的邊緣部分相鄰的電絕緣材料。使來自所述第一卷的光伏材料然后可以接近來自所述第二卷的擴張金屬網(wǎng)以形成初生光伏電池。所述電絕緣材料可以布置在所述擴張金屬網(wǎng)與所述光伏材料之間。接著，將初生光伏電池切割成單個節(jié)段以形成多個光伏電池。
【專利說明】利用擴張金屬網(wǎng)卷的自動化柔性太陽能電池制造和互連
[0001] 奪叉引用
[0002] 本申請要求2011年12月7日提交的美國臨時專利申請No. 61/568, 134的優(yōu)先權(quán)， 所述申請全部通過引用并入本文中。
[0003] 背景
[0004] 非晶硅、二硒化銅銦鎵（CIGS)、和碲化鎘（CdTe)是當(dāng)今僅有的以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的 薄膜太陽能電池。目前可得到的在柔性襯底上的薄膜太陽能電池包括在薄金屬箔（通常不 銹鋼）上的非晶硅和在金屬或聚酰亞胺箔上的CIGS。迄今，薄膜碲化鎘太陽能電池只在玻 璃上生產(chǎn)，但是正在進行在柔性襯底上的工作。適合在柔性襯底上使用的其他類型的太陽 能電池材料可能變得可用。例如，正在進行針對利用鋅和錫代替銦和鎵的CIGS變體的工 作，以及對有機和染料敏化太陽能電池材料的持續(xù)研究。
[0005] MM.
[0006] 本公開提供了從柔性薄膜太陽能電池材料卷制造太陽能電池、和電互連所述電池 以形成可用于形成太陽能組件的串的自動化方法。
[0007] 本公開提供了從大卷的柔性太陽能電池材料制造單個薄膜太陽能電池的高度自 動化方法。本公開還通過使用便宜的平面擴張金屬網(wǎng)（expanded metallic mesh),提供了 集流柵圖案和互連。
[0008] 本公開的一個方面提供了形成光伏組件的方法，所述方法包括提供第一光伏電池 和第二光伏電池。所述第一和第二光伏電池的單個光伏電池包含與柔性薄膜光活性器件相 鄰布置的擴張金屬網(wǎng)、和布置在所述擴張金屬網(wǎng)和所述柔性薄膜光伏器件之間的所述柔性 薄膜光活性器件的邊緣部分處的電絕緣材料。接著，使所述第一光伏電池的擴張金屬網(wǎng)與 所述第二光伏電池的下側(cè)面接觸，從而電連接所述光伏電池的薄膜光活性器件以形成所述 光伏組件。
[0009] 本公開的另一個方面提供了形成光伏電池的方法，所述方法包括提供第一光伏材 料卷和第二擴張金屬網(wǎng)卷。所述光伏材料包含與柔性襯底相鄰的光活性材料，并且其中所 述擴張金屬網(wǎng)包含多個孔。接著，提供與所述光伏材料的邊緣部分相鄰的電絕緣材料。使 來自所述第一卷的光伏材料接近來自所述第二卷的擴張金屬網(wǎng)以形成初生光伏電池。所述 電絕緣材料布置在所述擴張金屬網(wǎng)和所述光伏材料之間。接著，將所述初生光伏電池切割 成單個節(jié)段以形成多個光伏電池。
[0010] 本公開的另一個方面提供了光伏電池，其包含光伏器件和與所述光伏器件相鄰的 擴張金屬網(wǎng)，所述光伏器件包含與光活性材料相鄰的柔性襯底。所述擴張金屬網(wǎng)包含多個 孔以允許電磁輻射接觸到所述光活性材料。所述光伏電池還包含布置在所述擴張金屬網(wǎng)和 所述光伏器件之間的所述光伏器件邊緣部分處的電絕緣材料。
[0011] 根據(jù)下面的詳細(xì)說明，本公開的其他方面和優(yōu)點對本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得很容易 明白，所述詳細(xì)說明中只顯示和描述了本公開的說明性實施方式。正如將認(rèn)識到的，本公開 能夠有其他和不同的實施方式，并且它的若干細(xì)節(jié)能夠在各種顯而易見的方面加以修改， 它們?nèi)紱]有背離本公開。因此，附圖和描述本質(zhì)上被認(rèn)為是說明性的，而不被認(rèn)為是限制 性的。
[0012] 通討引用并入
[0013] 本說明書中提到的所有出版物、專利和專利申請在此通過引用并入，其程度如同 專門并且分別地指出各個單獨的出版物、專利或?qū)＠暾埻ㄟ^引用并入一樣。
[0014] 附圖簡要說明
[0015] 要求保護的本發(fā)明的新特征在所附權(quán)利要求中詳細(xì)闡明。通過參考下面闡述利用 本發(fā)明原理的說明性實施方式的詳細(xì)說明、以及附圖或圖，將獲得對本發(fā)明的特征和優(yōu)點 的更好理解，在所述附圖中：
[0016] 圖1是示意圖，示出了適合于制造用于柔性薄膜太陽能電池的集流柵和互連裝置 的平面擴張金屬網(wǎng)的性質(zhì)。
[0017] 圖2a是示意圖，顯示了利用一段圖1中描述的平面擴張金屬網(wǎng)的成品薄膜太陽能 電池的幾何形狀的平面圖。
[0018] 圖2b是厚度尺度放大的橫截面示意圖，顯示了利用一段圖1中描述的平面擴張金 屬網(wǎng)的成品薄膜太陽能電池的幾何形狀。
[0019] 圖3是示意圖，描繪了通過從大得多的成品太陽能電池原料卷自動將其切割成條 來制造柔性太陽能電池材料卷盤的初始步驟的透視圖。
[0020] 圖4是透視示意圖，示出了利用平面擴張金屬網(wǎng)導(dǎo)體自動地將柔性太陽能電池材 料卷盤轉(zhuǎn)變成成品電池的工藝或方法中的基本步驟。
[0021] 圖5是在圖4中描述的層壓步驟之后一段太陽能電池條帶的示意圖，顯示了所述 擴張金屬網(wǎng)如何應(yīng)用于所述電池，并生成用于將所述條帶切割成單個太陽能電池的空白區(qū) 域（blank area)〇
[0022] 圖6是大致按比例繪制的示意圖，顯示了利用圖4中描述的基本方法從柔性太陽 能電池材料卷盤和擴張金屬網(wǎng)卷中形成單個太陽能電池的機器的橫截面圖。
[0023] 圖7a是示意性平面圖，顯示了通過本發(fā)明中描述的自動化方法制造的柔性太陽 能電池的串聯(lián)互連。
[0024] 圖7b顯示了通過本發(fā)明中描述的自動化方法制造的柔性太陽能電池的串聯(lián)互連 的橫截面圖。
[0025] 圖8a是在串的末端的2個硅電池的示意性橫截面圖，示出了將所述電池串聯(lián)連接 在一起的典型Z-連接帶（Z-tab)方法和將所述末端電池與用于互連電池串的導(dǎo)電帶連接 的方式。
[0026] 圖8b是在串的末端的柔性電池的示意性橫截面圖，示出了一個串的末端與第二 個串的末端串聯(lián)連接的改進方法。
[0027] 具體描沭
[0028] 雖然本文中顯示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見 的是，這樣的實施方式只作為實例提供。本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在將在不背離本發(fā)明下想到許 多變更、改變和替代。應(yīng)該理解，在實踐本發(fā)明中可以使用本文中描述的本發(fā)明實施方式的 各種替代方案。
[0029] 術(shù)語"光伏電池"（本文中也稱為"太陽能電池"），在本文中使用時，通常是指包含 光伏器件的裝置，所述光伏器件包含光活性材料（或吸收體），所述光活性材料被構(gòu)造成在 所述裝置暴露于電磁輻射（或能量）、或給定的波長或波長分布的電磁輻射時產(chǎn)生電子和 空穴（或電）。光伏器件可以包括與所述光活性材料相鄰的襯底。
[0030] 術(shù)語"光伏組件"，在本文中使用時，通常是指包含一個或多個光伏電池的裝置。
[0031] 為了可用于太陽能系統(tǒng)，任何的各種類型太陽能電池（本文中也稱為"電池"）可 以與其他類似的太陽能電池串聯(lián)型電互連，以提高電壓水平和最小化否則將由于強電流而 發(fā)生的電阻損耗。沉積在大的剛性片上的電池可以利用劃線系統(tǒng)，所述劃線系統(tǒng)在不同的 加工步驟之間和在特定的位置應(yīng)用，以在整個片上產(chǎn)生串聯(lián)互連的電池。這種程序有時稱 為"單片集成"，并且它利用頂部導(dǎo)電氧化物（TC0)作為載流子代替硅電池通用的金屬柵。 雖然它消除了柵，但本文中認(rèn)識到所述方法的許多缺點，并且在任何情況下，由于所述劃線 的布置和深度二者需要的精確度，在柔性襯底上執(zhí)行是困難且昂貴的。另外，柔性襯底使得 能夠卷對卷加工，如果所述過程必須中斷來執(zhí)行劃線操作，所述卷對卷加工可能變得經(jīng)濟 上較不理想，即使那些操作可充分而經(jīng)濟地完成。
[0032] 傳統(tǒng)的晶體或多晶硅太陽能電池在單個晶片上形成，它們?nèi)缓罂梢曰ミB。集流柵 和匯流條通常通過用隨后在高溫（700°C左右）下固化的含銀墨絲網(wǎng)印刷圖案而形成。硅 電池具有氮化硅形成的抗反射涂層，它是透明的但是不導(dǎo)電。固化階段期間，銀滲透氮化硅 涂層并與硅電池產(chǎn)生歐姆接觸。通常的柵圖案包括一系列間隔兩至三毫米的細(xì)直線和平行 線，有兩或三條較寬的線（匯流條）垂直于所述細(xì)線的圖案通過。所生成的結(jié)構(gòu)在匯流條 上提供了表面，互連用"Z"連接帶可通過傳統(tǒng)焊接方法與所述表面相連。所述電池暴露于 光后，電池電流被窄柵局部收集并被傳輸?shù)奖容^寬的匯流條，匯流條然后變成下一個電池 的連接點。所述"Z"連接帶結(jié)構(gòu)提供電池之間的柔性互連，它幫助減少在使用期間由于熱 膨脹和收縮所致的損害。這種方法優(yōu)于單片集成的優(yōu)點在于在組件裝配之前可以根據(jù)性能 來測試和挑選電池。以這種方式，總組件性能不受串中性能最低的電池限制，這可能是單片 集成的問題。
[0033] 然而，用于硅電池的絲網(wǎng)印刷工藝當(dāng)應(yīng)用于薄膜柔性太陽能電池時，只得到有限 的成功。如本文中認(rèn)識到的，通常遇到兩個問題限制了所述電池的性能。第一個問題與溫 度有關(guān)。薄膜電池經(jīng)受不住用于硅電池上固化銀墨所需要的同樣的高溫。由于固化溫度較 低，一些墨載體和溶劑留在柵線結(jié)構(gòu)中，造成金屬粒子不能充分融合在一起。雖然正在開發(fā) 可在較低溫度下更完全固化的更新的墨，但這種機制仍然降低了柵線和匯流條的傳導(dǎo)性， 并且限制了將連接帶焊接到所述印刷的匯流條的能力?？商娲?，電池之間的互連可以用 銀摻雜的導(dǎo)電環(huán)氧樹脂制成，但是它通常不如焊接并且它通常導(dǎo)致額外的固化時間。另外， 最近銀價的上漲使得所述工藝在經(jīng)濟上較不理想。
[0034] 其次，因為金屬柔性襯底的表面光潔度通常比玻璃或硅晶片的表面光潔度粗糙得 多，存在多得多的缺陷，如果讓導(dǎo)電墨流入它們的話，所述缺陷可能變成潛在的分流部位。 通過首先印刷導(dǎo)電性低得多的材料，如碳基墨，以便初始填充任何缺陷，然后用銀墨罩印， 可稍微減輕該問題。因為缺乏完美的印刷重合（registration)的任何事物都引起額外的 陰影損失（shading loss)以及增加的潛在的分流，所以難以達到一致的良好結(jié)果。另外， 材料和設(shè)備的成本比較高，并且由于大規(guī)模印刷和固化過程以及高機械容差要求，自動化 是困難的。
[0035] 光伏纟目件
[0036] 本公開提供了柔性薄膜太陽能（或光伏）電池卷，其可用于基本上自動化的工藝 中以產(chǎn)生單個電池，所述單個電池然后互連形成組件。利用銀基墨印刷，可通過使用平面擴 張金屬網(wǎng)避免潛在的分流、精確印刷圖案重合和長久的熱固化時間，所述平面擴張金屬網(wǎng) 對銀印刷墨圖案具有優(yōu)異的傳導(dǎo)性、更快施加、并且執(zhí)行起來經(jīng)濟得多。
[0037] 在一些實施方式中，光伏電池包含光伏器件和與所述光伏器件相鄰的擴張金屬 網(wǎng)，所述光伏器件包含與光活性材料相鄰的柔性襯底。所述光伏器件可以是柔性薄膜光伏 器件。所述擴張金屬網(wǎng)包含多個孔（或開口），以允許電磁輻射接觸到所述光活性材料。所 述光伏電池還可包含布置在所述擴張金屬網(wǎng)和所述光伏器件之間的在所述光伏器件邊緣 部分處的電絕緣材料。所述電絕緣材料可以是光學(xué)透明的。
[0038] 所述擴張金屬網(wǎng)的孔可以具有任何形狀、尺寸或構(gòu)造?？卓梢跃哂袌A形、三角形、 正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、或九角形，或任何部分形狀（例如，半圓 形）或其組合。
[0039] 所述光活性材料可以是構(gòu)造成經(jīng)暴露于電磁輻射（或光）后產(chǎn)生電子和空穴的吸 收體。所述金屬網(wǎng)可適合于從光伏器件中收集和傳導(dǎo)出電子并傳導(dǎo)到負(fù)載物，例如儲能系 統(tǒng)（例如電池）、電柵、或者電子器件或系統(tǒng)。
[0040] 所述光活性材料可以由各種材料形成。光活性材料的實例包括但不限于非晶硅、 二硒化銅銦鎵（CIGS)、碲化鎘（CdTe)和CdZnTe/CdTe。
[0041] 在某些情況下，所述光伏電池還包含將所述金屬網(wǎng)固定到所述光伏器件上的光學(xué) 透明膜。所述光學(xué)透明膜可以是壓敏粘合劑。作為替代方案，所述擴張金屬網(wǎng)可通過導(dǎo)電 環(huán)氧樹脂固定到所述光伏器件上。作為另一種替代方案，所述擴張金屬網(wǎng)可通過低熔點焊 料附著于所述光伏器件。
[0042] 所述擴張金屬網(wǎng)可具有各種形狀、尺寸和構(gòu)造。擴張金屬網(wǎng)的寬度可以從約1英 寸到10英寸，或1. 5英寸到6. 0英寸。擴張金屬網(wǎng)的厚度可以從約0. 001英寸到0. 05英 寸，或0. 002英寸到0. 01英寸。在某些情況下，所述擴張金屬網(wǎng)包含單獨線狀元件，每個線 狀元件的寬度約0. 001英寸到0. 01英寸、或0. 002英寸到0. 006英寸。
[0043] 所述擴張金屬網(wǎng)可以由金屬材料例如銅、鐵、錫、鎳、金、銀、鉬、鈀、鉻、鎢、鈦、鉭或 其任何組合形成。在某些情況下，所述擴張金屬網(wǎng)由涂有金屬材料的聚合材料形成。例如， 所述擴張金屬網(wǎng)可以包含聚合芯和金屬殼。在某些情況下，所述擴張金屬網(wǎng)可包含一個或 多個涂層。所述一個或多個涂層可包含鎳和/或錫。
[0044] 所述柔性襯底可包括不銹鋼、鋁或聚合材料。所述光伏器件可具有從約1英寸到 10英寸、或1. 5英寸到6. 0英寸的厚度。
[0045] 在某些情況下，光伏組件包含多個光伏電池。所述多個光伏電池可以彼此處于串 聯(lián)電接觸（即串聯(lián)構(gòu)造）。在某些實例中，一個光伏電池的金屬網(wǎng)與相鄰光伏電池的下側(cè)面 電接觸。在光伏電池"串"中，光伏電池可以彼此相鄰布置。
[0046] 現(xiàn)在將參考附圖，其中同樣的數(shù)字始終是指同樣的部件。要理解，所述圖和其中的 結(jié)構(gòu)不一定按比例繪制。
[0047] 圖1示出了一段平面擴張金屬網(wǎng)1的幾何形狀。金屬網(wǎng)1可以安裝在光伏器件上 以形成太陽能電池。所述網(wǎng)1具有寬度Wm并具有沿箭頭2方向的相當(dāng)長的長度。所述網(wǎng) 可以由比成品網(wǎng)的寬度稍寬的金屬箔卷形成。所述箔從輸入的箔卷被切割、擴張和展平以 產(chǎn)生網(wǎng)卷。展開圖3示出了所述網(wǎng)幾何形狀的細(xì)節(jié)。通常，在所述網(wǎng)中的孔具有寬度Wo、 長度Lo、和側(cè)高度Ho。Ho可以是Lo的大約1/3至1/2,因此所述孔類似細(xì)長的六角形，但 是Ho可以是零。在那種情況下，網(wǎng)孔采取邊長為d的菱形形狀（虛線）。如果所述金屬繼 續(xù)擴張直到Wo等于Lo,那么孔可以更對稱，并且如果Ho也接近零，則所述菱形可以是正方 形。網(wǎng)孔的實際尺寸是厘米的分?jǐn)?shù)。例如Lo可以是9毫米左右，而Wo是4毫米至5毫米。 [0048] 所述網(wǎng)的孔可以具有任何形狀、尺寸或構(gòu)造?？卓梢跃哂袌A形、三角形、正方形、長 方形、五角形、六角形、七角形、八角形、或九角形，或任何部分形狀（例如，半圓形）或其組 合。
[0049] 所述網(wǎng)1可以由金屬材料例如銅、鐵、錫、鎳、金、銀、鉬、鈀、鉻、鎢、鈦、鉭或其任何 組合形成。在某些實例中，網(wǎng)1可以由涂有金屬材料的聚合材料形成。
[0050] 雖然任何可能的網(wǎng)孔形狀都可用于在太陽能（或光伏）電池上形成集流柵，但可 進行一些優(yōu)化。構(gòu)成所述網(wǎng)的長方形橫截面"導(dǎo)線"的寬度可由狹縫之間的距離與可利用 的擴張量控制。在圖1的視圖3中，寬度W1可由狹縫之間的距離決定，而寬度W2可由擴張 量決定。如果在擴張之前，狹縫之間的所有距離是相同的，則W2可小于Wl。W1的典型尺寸 是大約千分之幾英寸。對于圖1顯示的不對稱圖案，跨所述網(wǎng)寬度的電阻可低于沿著所述 網(wǎng)長度相等距離的電阻。因此，對于給定的所述網(wǎng)對太陽光的阻斷（例如4%或5% )，可 針對跨所述電池的低電阻來優(yōu)化網(wǎng)的幾何形狀并且使得能夠從材料卷自動裝配。所述網(wǎng)在 擴張之前或之后可用其他材料涂層。例如，所述網(wǎng)可由銅形成并且鍍有錫以改進環(huán)境性能， 并且它可在一面或兩面接收薄層的低熔點焊料以供隨后的粘合操作。許多實施方式是可能 的。
[0051] 圖2a和2b顯示了成品光伏電池。從材料卷生產(chǎn)單個電池的方法可通過執(zhí)行所描 述的功能的機器的實例來描述。本文中提供了所述電池串聯(lián)互連成串并且所述串成為組 件。
[0052] 圖2a顯示了單個光伏電池的平面視圖。所述活性光伏（或太陽能）器件4(本文 中也稱為"器件"）具有寬度Wc和長度Lc。它是從具有寬度Wc和一定的任意更長長度的 柔性光伏材料卷盤中切割的一段。如圖1所示的具有寬度Wm的一段網(wǎng)1可施加在器件4 上。網(wǎng)1只延伸超過器件4的一個邊緣，而不是兩個。在器件4的左側(cè)，網(wǎng)1短（距器件4 的邊緣）了"e"量，所述量例如具有從約1至3毫米（即，網(wǎng)孔的分?jǐn)?shù)）的尺寸。所述網(wǎng)重 疊器件4的一個長邊的量為"s"，其可以是Lo的數(shù)倍，例如，Lo的至少1. 1、1.2、1.3、1.4、 1. 5、2、3、4、5、6、7、8、9、或10倍。所述網(wǎng)可沿著重疊區(qū)在器件4的邊緣引起電短路或分流。 這通過預(yù)先施加薄條5的絕緣透明壓敏粘合劑（PSA)來防止，條5的寬度大約為2e，如所 示，其大約一半可粘附于器件4的邊緣。網(wǎng)1可通過固定構(gòu)件附著于器件4,所述固定構(gòu)件 例如PSA或溫度敏感的透明膠帶，其尺寸可與所述網(wǎng)的尺寸減去懸伸區(qū)域s大致相同。網(wǎng)1 可包含單獨線狀元件，每個線狀元件的寬度從約0. 001英寸至0. 01英寸，或0. 002英寸至 0. 006英寸。
[0053] 圖2b是圖2a的光伏電池的橫截面示意圖。光伏器件4包括至少三個部分：光 活性電池（或材料）4a，導(dǎo)電柔性襯底4b，和在某些情況下的反面涂層4c。如果光活性電 池4a是CIGS電池，則它可如Probst等的美國專利No. 5, 626, 688、Kushiya等的美國專利 No. 6, 040, 521、和Nath等的美國專利No. 8, 021，905中所述，每個專利全部通過引用并入本 文。所述光活性電池4a的總厚度可在數(shù)納米至微米的級別。襯底4b可由不銹鋼或其他金 屬箔形成。襯底4b可以是導(dǎo)電的并充當(dāng)光活性電池4a的背面電極的延伸以在本文描述的 自動化工藝中適當(dāng)?shù)匕l(fā)揮功能。在某些實例中，柔性襯底4b的厚度可以從大約千分之一英 寸（約25微米）至千分之幾英寸。反面涂層4c是薄的金屬涂層（約一微米或更薄），用 于提供與相鄰電池之間網(wǎng)互連的電化相容性。例如，所述網(wǎng)可以由銅制造并鍍有薄的錫涂 層。在這種情況下，涂層4c也可以是錫，盡管所述結(jié)構(gòu)在最佳環(huán)境封裝條件下，例如如果所 述電池在真空或在惰性（例如Ar，He)環(huán)境下封裝的話，沒有涂層4c也可以長時間發(fā)揮功 能。柔性光伏器件4具有厚度tc，所述厚度取決于電池4a、襯底4b和涂層中每一個的厚度。 在某些實例中，襯底4b可具有從約0. 001英寸至0. 01英寸、或0. 002英寸至0. 005英寸的 厚度。
[0054] 透明絕緣條5沿著器件4的一個長邊的邊緣施加，可防止網(wǎng)1的懸伸區(qū)域s沿著器 件4的邊緣引起分流。網(wǎng)1的厚度tm可以變化，以得到足夠低的電阻，同時最小化陰影損 失；然而，在某些情況下，tm是從約tc直至約2x tc。網(wǎng)1可以通過透明膠帶6(例如PSA) 保持緊靠器件4,所述透明膠帶6的寬度大致等于Wc，并且其厚度ta可以是大約千分之幾 英寸。在圖2b中，在網(wǎng)1沒有懸伸出器件4的邊緣上，顯示膠帶6懸伸出網(wǎng)1的所述邊緣 的距離為e ;然而，這不是關(guān)鍵尺寸。所述膠帶可以在該邊上覆蓋網(wǎng)1，但是沒有在兩個邊上 都延伸過器件4的邊緣，因此有比較寬的容差。
[0055] 形成光伏電池和鉬件的系統(tǒng)和方法
[0056] 本公開提供了形成光伏電池和組件的方法。所述方法可以至少部分或完全自動 化。在某些情況下，光伏電池通過在輥執(zhí)行的工藝中把材料合在一起而形成。
[0057] 在一些實施方式中，形成光伏電池的方法包括提供第一卷的光伏材料和第二卷的 擴張金屬網(wǎng)。所述光伏材料包含與柔性襯底相鄰的光活性材料，并且所述擴張金屬網(wǎng)包含 多個孔。接著，提供與所述光伏材料的邊緣部分相鄰的電絕緣材料。使來自所述第一卷的 光伏材料然后接近來自所述第二卷的擴張金屬網(wǎng)以形成初生光伏電池。所述電絕緣材料可 以布置在所述擴張金屬網(wǎng)與所述光伏材料之間。接著，將初生光伏電池切割成單個節(jié)段以 形成多個光伏電池。
[0058] 形成光伏電池的方法可以完全自動化，并且在某些情況下由具有一個或多個編制 程序來執(zhí)行所述方法的計算機處理器的計算機系統(tǒng)調(diào)節(jié)。在所述方法中用于制造單個光伏 電池的自動化操作可以始于從大得多的柔性光伏電池材料卷形成光伏（電池）材料卷盤。 所述光伏材料包括光活性材料（例如CIGS、CdTe)，并且在某些情況下包括襯底，例如柔性 襯底。該工藝示意性地在圖3中示出，其顯示大卷的光伏電池材料7正在被切割成較小的 卷盤8。所述大卷可以包括任何太陽能電池材料，例如CIGS。光伏電池材料7可以是在本 文中別處描述的光伏電池4。所述切割由一組旋轉(zhuǎn)切割構(gòu)件9(例如刀、刀片）完成，可以調(diào) 節(jié)所述構(gòu)件以產(chǎn)生各種寬度Wc的卷盤8。在某些情況下，每個卷盤8的重量可以限制在一 般工人可以方便地用手處理的重量，例如40磅至50磅左右。在每處位置都可以從大得多 的卷7產(chǎn)生若干個卷盤8。切割操作可以明顯比生產(chǎn)初始大卷的過程快，因此一個切割機可 以處理若干個制造電池材料的制造線的生產(chǎn)能力。大量的卷盤可以儲存比較長的時間段， 并且它們可以運輸?shù)絼e的加工場所以轉(zhuǎn)變成單個光伏電池和隨后轉(zhuǎn)變成組件。
[0059] 圖4是系統(tǒng)的示意性的透視側(cè)視圖，所述系統(tǒng)用于將柔性太陽能電池材料卷盤轉(zhuǎn) 變成單個光伏電池的自動化步驟。這些步驟可以稱為卷到電池或RTC轉(zhuǎn)變。所述圖不是 按比例的并且只意在示出基本概念，而不是描述那些概念在功能RTC機器中的實際實施方 式。
[0060] 使可來自圖3的切割操作（或制備卷盤8的任何其他操作）的光伏器件4的卷盤 (或卷）8與形成太陽能電池的其他材料接觸。透明邊緣絕緣條5的卷10連續(xù)進給到小的 輥組11 (例如軋輥）以將所述條施加到器件4的一個邊緣。所述輥可向PSA材料施加壓力 和/或它們可被加熱以用于熱固材料。壓力和/或加熱可幫助絕緣條5與來自卷盤8的器 件4材料發(fā)生接觸（并且在某些情況下與之粘附）。擴張金屬網(wǎng)1可以從卷12進給并且透 明膠帶6可以從卷13進給到輥14中。這種操作可將網(wǎng)1固定到膠帶6,在某些情況下固定 程度只足以使它作為合為一體的接合材料15被處理。接合的膠帶和網(wǎng)15向真空筒真空筒 16前進，所述滾筒可在與器件4(沿著卷盤8)同步的邊緣速度下并且沿箭頭17的方向旋 轉(zhuǎn)。棍14可以在稍低的速度下推進所述膠帶/網(wǎng)接合材料15,使得起初所述接合材料15 稍微地在真空筒真空筒16上。
[0061] 接著，使接合材料15靠近切割構(gòu)件18,所述切割構(gòu)件可以是旋轉(zhuǎn)切割構(gòu)件（例如 旋轉(zhuǎn)刀、旋轉(zhuǎn)刀片）。切割構(gòu)件18可以沿著選定的長度切割所述接合材料15。所述長度可 以隨切割構(gòu)件18的尺寸而變。在切割構(gòu)件18是旋轉(zhuǎn)切割構(gòu)件的情況下，所述切割構(gòu)件以 2* π *r的間隔切割接合材料15,其中"r"是所述旋轉(zhuǎn)切割構(gòu)件的半徑。接合材料15的切 割片以與滾筒16的旋轉(zhuǎn)速度一致的速度圍繞滾筒16順序前進。所述速度可以適合于將所 述切割的接合材料15初始固定于器件4材料和絕緣條5。滾筒16下游的壓力輥19可以 幫助將所述切割的接合材料15與器件4材料和絕緣條5接觸。所述切割的接合材料15與 所述器件4材料和絕緣條5的最后層壓可以借助于輥20進行。輥14與真空筒真空筒16 之間小的速度差異可以當(dāng)每片切割的接合材料15附著于器件4和絕緣條5時在每片之間 產(chǎn)生小的（可調(diào)節(jié)的）間隙。間隙區(qū)域由虛線21指示，并且光伏電池長度Lc是從一個間 隙的中心到下一個間隙的中心的距離。輥20下游的切割構(gòu)件22可以將完成的初生光伏電 池條在每個間隙的中心處切割成單個光伏電池。切割構(gòu)件22可以包括能夠操作切斷機刀 的視覺或其他標(biāo)示系統(tǒng)，例如機器人視覺系統(tǒng)。所述光伏電池然后可以累積在盒子或箱23 中。圖5示出了圖4的Lc區(qū)域中一段電池條的放大圖。在所述間隙的中心（例如寬度約 2e)切割所述材料可以產(chǎn)生如在本文中別處描述的光伏電池，例如在圖2a和2b的情況下描 述的光伏電池。
[0062] 網(wǎng)1可以涂有其他材料。例如與光伏器件4的頂部接合的邊可以具有薄的低溫熔 融焊料層，其可以預(yù)先施加于網(wǎng)1。一種這樣的候選物可以是在大約118°c下熔化的銦/錫 低共熔物。在這種情況下，圖4的輥20可以在升高的溫度下運行以在膠帶/網(wǎng)與光伏器件 4層壓時熔融所述焊料。在這種方法中將必須使用具有適當(dāng)耐溫性的膠帶?？商娲兀?導(dǎo)電環(huán)氧樹脂可以通過輥傳送到圖4的軋輥14與真空筒真空筒16之間的網(wǎng)上而施加，以 提供在層壓之后所述網(wǎng)和所述光伏器件4之間更剛性的粘合。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到其 他可能的替代方案。
[0063] 圖6是從電池材料卷形成單個太陽能電池的系統(tǒng)的示意性橫截面?zhèn)纫晥D。在某些 情況下，材料卷可具有可能需要不同材料的插層（interleaf)以防止粘住或物質(zhì)傳送的性 質(zhì)。在圖6中，給卷8、12和13提供了用于累積可能的插層材料的輥。它們?nèi)繕?biāo)記為24。 所述插層材料可幫助防止一種材料粘住另一種材料。為了控制條中的張力，所謂的"張力 調(diào)節(jié)輥（dancer)"可用于所述處理系統(tǒng)。張力調(diào)節(jié)輥可用于許多位置。一個這樣的位置被 確定為三個一組的小輥25,其中所述張力調(diào)節(jié)輥的動作由雙頭箭頭提示。其他輥可用于操 作、定向、和引導(dǎo)一個條通過所述系統(tǒng)。在所述示出的實例中，在輸入卷8和膠帶卷10之間 提供空間以添加設(shè)備，以拋光所述太陽能電池條的切割邊緣而消除分流，如果分流可能是 由切割操作引起的問題的話。如果需要的話，插層材料26的卷可用于在盒子23中的電池 之間提供隔離。
[0064] 圖6的系統(tǒng)包括多個加工組件，其可以彼此相鄰安裝以形成輥執(zhí)行系統(tǒng)。可安裝 所述加工組件以形成具有所述輥執(zhí)行系統(tǒng)的外殼。所述外殼可以被抽空（例如，借助于泵 系統(tǒng)）或保持在惰性氣氛下，例如在Ar或He的氣氛下。在所說明的實例中，加工組件各具 有約1米的寬度。
[0065] 在單個光伏電池構(gòu)建成串并安裝以形成太陽能電池組件之前，可以測試它們的性 能并以類似的電流（或功率）輸出分級放入箱子中。可商購的標(biāo)準(zhǔn)機器人可用于在這樣的 操作中操縱電池。
[0066] 在一些實施方式中，形成光伏組件的方法包括提供第一光伏電池和第二光伏電 池。所述第一和第二光伏電池的單個光伏電池包含（i)與柔性薄膜光伏器件相鄰布置的擴 張金屬網(wǎng)，和（ii)布置在所述擴張金屬網(wǎng)和所述柔性薄膜光伏器件之間的在所述柔性薄 膜光伏器件的邊緣部分處的電絕緣材料。接著，使所述第一光伏電池的擴張金屬網(wǎng)與所述 第二光伏電池的下側(cè)面接觸，從而電連接所述光伏裝置的薄膜光伏器件以形成所述光伏組 件。
[0067] 根據(jù)本文中別處描述的方法形成的單個光伏電池可以并排構(gòu)造安裝并互連以形 成光伏（太陽能）電池組件。圖7a是柔性光伏電池50的長互連串的一部分的向光（例如 太陽）面的示意性平面圖。每個光伏電池可以包括網(wǎng)1、光伏器件4、和絕緣條5。光伏電池 50可以利用在本文中別處描述的系統(tǒng)和方法生成。各個光伏電池5隔開間隙（g)。取決于 用所述機器人系統(tǒng)可以達到的精確度，所述間隙可以是大約一毫米或更小，所述機器人系 統(tǒng)從運載盒子中拾取電池50并把它們一個挨著另一個放置。這些柔性電池50的串在電池 50之間可以有利地具有比它們的硅相應(yīng)物更小的面積損失，因為該技術(shù)中的Z-連接帶互 連可能需要更多的距離以允許使用期間遇到的熱膨脹應(yīng)力。與標(biāo)準(zhǔn)硅電池技術(shù)相比，本公 開的電池的組件面積損失的降低可以是至少約1%、2%、3%、4%、5%、10%、20%、30%、或 40%。在一個實例中，本公開的電池的組件面積損失的降低可多達約10%。這是明顯的經(jīng) 濟優(yōu)勢。
[0068] 圖7b是圖7a的互連電池50的部分的示意性橫截面?zhèn)纫晥D。圖7b顯示了兩個稍 微不同的電池互連的實例。
[0069] 在一個實例中，第二電池放置在第一電池的網(wǎng)1的懸伸區(qū)s上，電池之間的間隙為 g。比較寬的連接構(gòu)件（例如PSA) 27的條將所述兩個電池保持在一起并且與第一電池的網(wǎng) 與第二電池的背面部分（例如，背向光的部分）之間的電連接對準(zhǔn)。絕緣條5防止第一電 池的邊緣與彎曲的網(wǎng)發(fā)生接觸（并且例如，被所述網(wǎng)分流）。在某些情況下，絕緣條5防止 網(wǎng)1使電池4的頂（光接收）部與所述電池的底部短路，例如當(dāng)使相鄰的電池4橫向接近彼 此以形成光伏組件時。用這種方式可制造給定長度的電池串，并且由于它們的連接，它們可 作為一個單位處理。接著所述串放在一起，用導(dǎo)電帶狀導(dǎo)線互連，配備適當(dāng)?shù)谋∧ざO管， 并且層壓成成品組件。
[0070] 在另一個實例中，邊緣絕緣條5可以由如圖所示的較寬的條5a代替。在這樣的構(gòu) 造中可以排除條5。這種較寬的膠帶5a可以容納在圖4和6中卷盤到電池描述的卷10上， 并且它可能需要插層材料。這種膠帶可以具有基本上覆蓋面向網(wǎng)1的面的粘合劑，但是在 相反面上可能只在它可能附著于電池50的區(qū)域（寬度大致為e)中需要粘合劑。因而，可 以消除連接構(gòu)件27,節(jié)約材料和成本。然而，在電池形成過程中，可能需要圖6中來自卷26 的插層材料，以防止電池50在它們堆疊在盒子23中時粘在一起。所述電池串如前所述裝 配成組件。
[0071] 光伏組件可以包括若干串單個光伏電池，其中至少一些以串聯(lián)構(gòu)造連接。在比較 大的電池例如硅的情況下，所述串被串聯(lián)連接以提高所述光伏組件的總電壓--亦即，所 述光伏組件的電壓大致等于處于串聯(lián)構(gòu)造的光伏組件的單個電池的電壓之和。在采用光伏 電池串的情況下，單個串包含多個串聯(lián)連接的光伏電池，一個太陽能電池串末端的第一個 電池的頂部導(dǎo)體可以與第二光伏串末端的第二個電池的背面導(dǎo)體連接。利用擴張網(wǎng)可提供 制造這種串與串連接的特別有利的方法。
[0072] 在某些情況下，為了串聯(lián)連接兩串電池，一個串末端的一個電池的背面可與另一 個串末端的電池的頂部網(wǎng)導(dǎo)體連接。在利用硅電池的組件中，這可用Z-連接帶材料實現(xiàn)， 所述Z-連接帶材料從電池的背面、或從電池上的匯流條延伸到寬大約1/4英寸的外部導(dǎo)電 帶。圖8a是放大比例的典型硅連接的示意性橫截面圖示。硅基光伏電池29的匯流條28通 過Z-連接帶30與相鄰的硅基光伏電池的背面連接。在最后的電池處，Z-連接帶狀材料31 連接匯流條28與導(dǎo)電帶32,或它連接所述電池背面與所述導(dǎo)電帶，如底部虛線連接件31a 所示，取決于哪種是所述串的串聯(lián)需要的。如指出的，這種結(jié)構(gòu)占據(jù)的組件區(qū)域可具有約半 英寸或更大的寬度。它可延伸跨越所述組件的頂部和底部邊緣二者，在某些情況下減少了 可暴露于光的有效光伏面積，因此顯著降低了組件的孔徑效率。
[0073] 相比之下，本公開的網(wǎng)互連可允許以相對簡單和有效的方式形成不顯著犧牲孔徑 效率的光伏串互連。圖8b顯示了互連柔性光伏電池的擴張橫截面?zhèn)纫晥D。不在電池串末 端的光伏電池可用圖7描述的方式互連。為了制造從一個電池4的懸伸網(wǎng)1到在下一串 末端的電池的背面的連接，可以沿著電池4的邊緣施加足夠?qū)挼倪B接構(gòu)件（例如絕緣PSA 條）33。接著，網(wǎng)1的懸伸區(qū)域和一部分絕緣條5可以圍繞電池4的邊緣在背面上折疊。網(wǎng) 1可以通過連接構(gòu)件33防止與電池1的金屬箔襯底的短路。導(dǎo)電帶32然后可以在串的末 端只與所述網(wǎng)連接，從而避免任何短路。所述導(dǎo)電帶可以沿著不具有所述懸伸網(wǎng)的電池邊 緣與下一個串的末端串聯(lián)連接。在某些實例中，網(wǎng)1和絕緣條5只有千分之幾英寸厚。在 這種情況下，沿著產(chǎn)生串互連的所述組件的邊緣實際上可以沒有孔徑損失，因為它們隱藏 在所述電池的后面。與硅基電池組件（參見，例如圖8a)相比，這種方式可以導(dǎo)致薄膜太陽 能電池的孔徑效率的明顯增益。
[0074] 本公開的光伏組件可以彼此以串聯(lián)、并聯(lián)或二者電耦接。在某些實例中，光伏組件 串聯(lián)連接。例如，一個光伏組件的正極端子可以與另一個光伏組件的負(fù)極端子連接。在其 他實例中，光伏組件并聯(lián)連接。例如，一個光伏組件的正極端子可與另一個光伏組件的正極 端子連接，或者一個光伏組件的負(fù)極端子可與另一個光伏組件的負(fù)極端子連接。
[0075] 本文中提供的系統(tǒng)和方法可以與其他系統(tǒng)和方法組合或被它們修改，所述其它系 統(tǒng)和方法例如美國專利公布 No. 2011/0300661 ("SOLAR CELL INTERCONNECTION METHOD USING AFLAT METALLIC MESH(利用平面金屬網(wǎng)的太陽能電池互連方法（其全部通過引 用并入本文）中提供的系統(tǒng)和方法。
[0076] 從上文應(yīng)該理解，雖然已經(jīng)說明和描述了具體的實施，但可對其進行各種修改，所 述各種修改是本文中考慮到的。也不旨在由本說明書內(nèi)提供的具體實例限制本發(fā)明。雖然 本發(fā)明已經(jīng)參考前述的說明書進行了描述，但本文中優(yōu)選實施方式的描述和說明不意味著 視為限制性意義。此外，應(yīng)該理解，本發(fā)明的所有方面不限于本文中闡述的具體的敘述、構(gòu) 造或相對比例，它們?nèi)Q于各種條件和變量。本發(fā)明實施方式的形式和細(xì)節(jié)的各種修改對 本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此預(yù)期本發(fā)明也應(yīng)該覆蓋任何這樣的修改、變化和等 效物。旨在下面的權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍并且由其覆蓋在這些權(quán)利要求范圍內(nèi)的方法 和結(jié)構(gòu)以及它們的等效物。
【權(quán)利要求】
1. 與柔性薄膜光活性器件相鄰布置的擴張金屬網(wǎng)；和 ii.布置在所述擴張金屬網(wǎng)和所述柔性薄膜光伏器件之間的在所述柔性薄膜光活性器 件邊緣部分處的電絕緣材料；和 (b) 使所述第一光伏電池的擴張金屬網(wǎng)與所述第二光伏電池的下側(cè)面接觸，從而電連 接所述光伏電池的薄膜光活性器件以形成所述光伏組件。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述單個光伏電池包含將所述金屬網(wǎng)固定于所述柔性薄膜 光活性器件的光學(xué)透明膜。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中所述光學(xué)透明膜是壓敏粘合劑。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂固定于所述柔性薄膜光 伏器件。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)用低熔點焊料附著于所述柔性薄膜光伏器 件。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)包含孔。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)和所述柔性薄膜光伏器件的寬度在約1. 5 英寸和6.0英寸之間。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)的厚度在約0. 002英寸和0. 01英寸之間。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)包含單獨線狀元件，每個線狀元件具有約 0. 002英寸和0. 006英寸之間的寬度。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)由銅形成。 II. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)包括一個或多個涂層。
12. 權(quán)利要求11的方法，其中所述一個或多個涂層包含鎳。
13. 權(quán)利要求11的方法，其中所述一個或多個涂層包含錫。
14. 權(quán)利要求1的方法，其中所述柔性薄膜光伏器件包含與柔性襯底相鄰的光活性材 料。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中所述柔性襯底包含不銹鋼。
16. 權(quán)利要求1的方法，其中使所述第一光伏電池的所述擴張金屬網(wǎng)與所述第二光伏 電池的下側(cè)面接觸包括用所述擴張金屬網(wǎng)圍繞所述第一光伏電池的邊緣部分包裹。
17. 權(quán)利要求1的方法，其中所述擴張金屬網(wǎng)重疊所述柔性薄膜光伏器件的一個邊緣 但不重疊所述柔性薄膜光伏器件的相反邊緣。
18. 形成光伏電池的方法，所述方法包括： (a) 提供第一卷的光伏材料和第二卷的擴張金屬網(wǎng)，其中所述光伏材料包含與柔性襯 底相鄰的光活性材料，并且其中所述擴張金屬網(wǎng)包含多個孔； (b) 提供與所述光伏材料的邊緣部分相鄰的電絕緣材料； (c) 使來自所述第一卷的所述光伏材料接近來自所述第二卷的所述擴張金屬網(wǎng)以形成 初生光伏電池，其中所述電絕緣材料布置在所述擴張金屬網(wǎng)和所述光伏材料之間；和 (d) 將所述初生光伏電池切割成單個節(jié)段以形成多個光伏電池。
19. 權(quán)利要求18的方法，其中在（b)中提供所述電絕緣材料包括使來自第三卷的所述 電絕緣材料接近來自所述第一卷的所述光伏材料。
20. 權(quán)利要求18的方法，其中（c)還包括使來自第四卷的固定構(gòu)件接近所述擴張金屬 網(wǎng)，其中所述固定構(gòu)件將所述擴張金屬網(wǎng)緊靠所述光伏材料固定。
21. 權(quán)利要求18的方法，所述方法還包括將所述多個光伏電池整合成光伏組件。
22. 權(quán)利要求18的方法，其中（c)還包括將所述光伏材料和所述擴張金屬網(wǎng)引導(dǎo)到真 空筒內(nèi)以壓迫所述光伏材料緊靠所述擴張金屬網(wǎng)。
23. 權(quán)利要求18的方法，其中（c)還包括在使所述光伏材料接近所述擴張金屬網(wǎng)之前， 將所述擴張金屬網(wǎng)切割成單個節(jié)段。
24. 光伏電池，其包括： (a) 包含與光活性材料相鄰的柔性襯底的光伏器件； (b) 與所述光伏器件相鄰的擴張金屬網(wǎng)，其中所述擴張金屬網(wǎng)包含多個孔以允許電磁 輻射接觸到所述光活性材料；和 (c) 布置在所述擴張金屬網(wǎng)和所述光伏器件之間的在所述光伏器件邊緣部分處的電絕 緣材料。
25. 權(quán)利要求24的光伏電池，其還包含將所述擴張金屬網(wǎng)固定于所述光伏器件的光學(xué) 透明膜。
26. 權(quán)利要求25的光伏電池，其中所述光學(xué)透明膜是壓敏粘合劑。
27. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂固定于所述光伏 器件。
28. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)通過低熔點焊料附著于所述光伏器 件。
29. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)的寬度在約1. 5英寸和6. 0英寸之 間。
30. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)的厚度在約0. 002英寸和0. 01英寸 之間。
31. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)包含單獨線狀元件，每個線狀元件 具有約0. 002英寸和0. 006英寸之間的寬度。
32. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)包含銅。
33. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)包括一個或多個涂層。
34. 權(quán)利要求33的光伏電池，其中所述一個或多個涂層包含鎳。
35. 權(quán)利要求33的光伏電池，其中所述一個或多個涂層包含錫。
36. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述柔性襯底包含不銹鋼。
37. 權(quán)利要求24的光伏電池，其中所述擴張金屬網(wǎng)重疊所述光伏器件的一個邊緣但不 重疊所述光伏器件的相反邊緣。
【文檔編號】H01L31/18GK104094413SQ201280069140
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月7日
【發(fā)明者】B·D·哈克特曼, C·蔡, T·M·瓦萊里, H·德拉羅薩 申請人:納沃薩恩公司