具有特殊前表面电极设计的太阳能电池
阅读说明：本技术 具有特殊前表面电极设计的太阳能电池 (Solar cell with special front surface electrode design ) 是由 菲利普·约翰内斯·洛斯坦 罗伯特·韦德 于 2015-09-28 设计创作，主要内容包括：公开一种太阳能电池(104)。该太阳能电池包括基板(151),该基板包括前表面(156)和沿前表面延伸的前表面电极(153)。其中,前表面电极包括多个汇流条电极(152),所述多个汇流条电极耦合到布置在平行指区域(105)中的多个第一指状电极(153-(1))和布置在掌指区域(106)中的多个第二指状电极(153-(2))。第一指状电极基本上彼此平行且垂直于汇流条电极。第二指状电极起始于汇流条电极的端部区域且至少部分在不垂直于汇流条电极的方向上径向延伸。其中,相邻的第二指状电极掌状组起始于同一相关汇流条电极,且相邻的第二指状电极相对于汇流条电极以不同角度径向延伸。用这种电极配置可以减少阴影损耗及电阻损耗。(A solar cell (104) is disclosed. The solar cell comprises a substrate (151) comprising a front surface (156) and a front surface electrode (153) extending along the front surface. Wherein the front surface electrode comprises a plurality of bus bar electrodes (152) coupled to a plurality of first finger electrodes (153) arranged in the parallel finger regions (105) 1 ) And a plurality of second finger electrodes (153) arranged in the palm-finger region (106) 2 ). The first finger electrodes are substantially parallel to each other and perpendicular to the bus bar electrodes. The second finger electrode originates at an end region of the bus bar electrode and extends at least partially radially in a direction non-perpendicular to the bus bar electrode. Wherein the adjacent second finger electrodesThe palm-shaped group starts from the same associated bus bar electrode, and the adjacent second finger-shaped electrodes extend radially at different angles relative to the bus bar electrode. Shadow losses and resistive losses can be reduced with this electrode configuration.)
本申请为申请日为2015年09月28日，申请号为201580052586.9，发明名称为“具有特殊前表面电极设计的太阳能电池”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其涉及这种太阳能电池的前表面电极的设计。
背景技术
太阳能电池是用于通过光伏效应将太阳光转换成电的电力装置。在太阳能电池表面上设置有电极，以便能够将电池中产生的电能传送到外部电驱动部件。
在光伏电池的光接收侧，通常的做法是优化光接收面积同时使用具有许多薄的平行指状电极的金属栅格来确保可接受的串联电阻，所述平行指状电极连接到两个、三个、四个或更多个较宽的汇流条电极，这些汇流条电极垂直于指状电极延伸并且用于从指状电极收集电流。在这种优化过程中，通常优化指状电极宽度、指状电极间距、汇流条电极宽度和汇流条电极间距。从而可以降低电阻功率损耗，并且可以增加电池效率。
发明内容
可能希望在太阳能电池中实现进一步降低的电阻功率损耗和更高的电池效率。
这种希望可以通过根据独立权利要求的太阳能电池来实现。在从属权利要求中限定了有益的实施例。
根据本发明的一个方面，提出一种太阳能电池，其包括基板，该基板包括前表面和沿着前表面延伸的前表面电极。其中，前表面电极包括多个汇流条电极，所述多个汇流条电极耦合到布置在平行指区域中的多个第一指状电极和布置在掌指区域中的第二指状电极。第一指状电极基本上彼此平行且垂直于汇流条电极。第二指状电极起始于汇流条电极的端部区域，并且其至少部分在不垂直于汇流条电极的方向上径向延伸。其中，相邻的第二指状电极的掌状组起始于同一相关的汇流条电极，并且相邻的第二指状电极相对于该汇流条电极以不同的角度径向延伸。
与本发明的实施例相关的原理可以被理解为尤其基于以下想法和认识，但不限制本发明的范围：
在传统的电极设计中，汇流条电极可覆盖太阳能电池前表面的重要部分，并且所导致的阴影可显著造成电池效率的损失。
已经发现，尽管在太阳能电池的一些部分中，相对厚的汇流条电极可实现的低串联电阻可能是至关重要的或至少是有益的，但是在太阳能电池表面上可能存在一些区域不需要厚的汇流条来从电极指收集电荷载流子。特别地，在靠近太阳能电池的边缘的第二区域中，其中前表面电极栅格不电连接到毗邻的太阳能电池的后表面电极栅格，只有低电流必须在垂直于电极指的方向上传导，而在靠近太阳能电池的相对边缘的第一区域中，其中前表面电极栅格电连接到另一毗邻的太阳能电池的后表面电极栅格，必须在垂直于电极指的方向上传导高电流。因此，已经发现，尽管在第二区域中一个或多个汇流条电极可能是不可缺少的，但是在第一区域中，在没有宽的或厚的汇流条电极的情况下也可以收集所产生的电荷载流子密度。
因此，提出一种具有被称为“平行指区域”的第一区域和被称为“掌指区域”的第二区域的前表面电极设计。在平行指区域中，第一指状电极连接到一个或多个汇流条。通常，第一指状电极是直的并且与汇流条电极垂直交叉。在掌指区域中，不需要汇流条。而是设置有在不垂直于汇流条方向上的第二指状电极。这些第二指状电极可以从一个汇流条的端部区域，即从平行指区域的边缘，延伸到掌指区域中，从而使得能够从该掌指区域向相关的汇流条收集电荷载流子。多个这样的第二电极可以组成合并到同一个汇流条电极并且具有棕榈树外观的第二电极的一个“掌状组”。平行指区域和掌指区域中的每一个典型地具有矩形形状。平行指区域和掌指区域一起覆盖太阳能电池基板的几乎整个前表面，即，例如整个前表面的至少90％。通常，平行指区域直接邻接掌指区域。平行指区域中的汇流条电极的数量通常对应于掌指区域中的掌状组的数量。
这种电极设计的阴影损耗可以显著低于传统的电极设计，同时能够类似地实现小的电阻损耗。
根据实施例，掌指区域的宽度为两个相邻的汇流条电极之间的距离的10％至100％之间，优选在该距离的25％至75％之间。其中，掌指区域的宽度是在与细长的汇流条的纵向垂直的方向上测量的，并且是指相邻的第二指状电极的单个掌状组的宽度。此外，掌指区域的长度可以优选例如是两个毗邻的汇流条电极之间的间距的大约25％至大约75％之间，掌指区域的长度是在与细长的汇流条的纵向平行的方向上测量的。换句话说，掌指区域的尺寸被设计成覆盖基板的前表面的重要部分，使得可以减少该部分中的阴影损耗。然而，掌指区域的长度和/或宽度不应太大，并且应优选不超过相邻汇流条电极之间的距离，以防止过大的电阻损耗。
根据实施例，第二指状电极配置为使得相邻的第二指状电极之间的间距低于3mm，即0至3mm。由于相邻的第二指状电极通常相对于彼此以一定角度布置，所以它们的横向距离将取决于沿着它们纵向延伸的位置，但是优选地应在不超过3mm的位置，以避免过大的横向串联电阻。
根据实施例，太阳能电池的一个边的长度是毗邻的边的长度的一半或更短。换句话说，太阳能电池优选地不是正方形的，而是具有细长的矩形形状。因此，太阳能电池具有两个平行的短边和两个平行的长边。优选地，短边的长度是长边的长度的一半或更短。通常，每个边对应于基板的边缘。毗邻的边通常彼此垂直地布置。在这种形状中，掌指区域可以构成整个电池表面的相对较大的部分，并且因此可以更好地实现其有益效果。
根据实施例，太阳能电池包括焊接在汇流条电极上的导电带，有时也被称为焊接条。这些带可以增加沿着汇流条电极的导电性。通常，带内的串联电阻低于汇流条内的串联电阻。优选地，导电带不延伸到掌指区域中。从而，可以使阴影最小化，同时提供足够的导电性。此外，可以降低带的材料成本。
根据实施例，汇流条电极的长度小于基板在平行于汇流条电极的方向上的长度的90％，优选小于其70％。换句话说，汇流条电极优选地不沿着太阳能电池基板的整个长度延伸，而是可以例如仅在平行指区域中延伸。
根据实施例，第二指状电极在从相关的汇流条电极径向延伸时，分成若干个分支。例如，靠近相关的汇流条，可以从汇流条电极的端部区域出来例如2到20个第二指状电极。在离该位置更远处，这些第二指状电极中的一些或每个可以分出两个或更多个分支。因此，相邻的指状电极或其分支之间的横向距离可以最小化，从而保持小的电阻。
根据实施例，相邻的第二指状电极的掌状组的第二电极指的与相关的汇流条电极相对的端部区域经由基本上相互平行并且垂直于汇流条电极延伸的第三指状电极相互连接到相邻的第二指状电极的相邻的掌状组的第二电极指的端部区域。换句话说，第二指状电极可以不仅在其一端电连接到它们的相关汇流条电极，而且其另一端可以经由第三指状电极电连接到从相邻的汇流条出现的第二指状电极。这可降低整体电阻。
根据实施例，第二指状电极的宽度小于汇流条电极的宽度。例如，汇流条的宽度典型地可以在0.5和3mm之间，而指状电极的宽度可以在10和200μm之间。
根据实施例，第二指状电极中的至少一个延伸到离所述基板的边缘小于3mm，优选小于1.5mm的位置。换句话说，应当具有从相关的汇流条电极基本上跨过整个掌指区域延伸到基板的相对边缘的第二指状电极。因此，可以在整个掌指区域收集电荷载流子。
根据实施例，基板具有至少25cm2，优选至少50cm2的表面面积。例如，基板可以具有100×50mm2，125×62.5mm2或156×78mm2的尺寸。换句话说，所述太阳能电池可被设计用于平板，即用于大面积的太阳能模块，而不是用于聚光器应用。
通过参考以下描述和附图，在此公开的本发明的目的、可能的优点和特征将变得显而易见。此外，应当理解，在此描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和排列存在。
附图说明
在附图中，相同的附图标记通常在不同的视图中表示相同或相似的部分。此外，附图仅是示意性的而不一定是按比例的，重点通常在于说明本发明的原理。在下面的描述中，参考附图描述各种实施例，其中：
图1示出具有传统电极设计的要被切割成两片的基板的前表面。
图2a、2b分别示出在切割成两片并重新布置之前和之后的根据本发明的实施例的用于形成太阳能电池的具有特殊电极设计的基板的前表面。
图3示出在切割成两片并重新布置之后的根据本发明的替代实施例的用于形成太阳能电池的具有另一特殊电极设计的基板的前表面。
图4示出用金属带连接相邻的传统太阳能电池的组件的侧视图。
图5示出根据本发明实施例的用金属带连接相邻的太阳能电池的组件的侧视图。
具体实施方式
实施例一般涉及装置，例如用于将光的能量转换成电能的装置。更具体地说，该装置可以是太阳能电池元件或者包括多个太阳能电池元件的太阳能电池模块。
图1示出一对半切的太阳能电池41和42。它们可以通过将具有15.6×15.6cm2尺寸的太阳能电池的正常全尺寸基板50沿着如虚线AA所示的基本上垂直于汇流条52的方向切割成两个相等的部分而获得，从而形成细长的矩形太阳能电池基板511和512。基板50的其它尺寸，例如约12.5×12.5cm2或约10×10cm2也是有用的。在基板50的前表面56上设置有按传统电极设计的垂直于汇流条52延伸的平行指53。
图2a示出在基板1511和1512上的一对半切的太阳能电池1041和1042的实施例，其中在平行指状电极区域105中配置有直线形的第一指状电极1531，并且在掌指区域106中配置有掌指状电极。可以通过在普通的方形基板150上产生两个电极配置，然后沿着线AA将基板150切割成半基板1511和1512来提供两个太阳能电池1041和1042。
在具有方形基板的正常全尺寸电池上实施掌指状电极设计也是有利的，但是由于掌指区域覆盖电池面积的比例较低的部分，所以益处比具有细长矩形基板的切割电池要低。太阳能电池可以用激光切割。其他切割方法也是可以的。通过将太阳能电池切割成半部，可以有效降低对电池长度显示出抛物线型依赖性的电阻功率损耗。功率输出可以提高约2％，即，将电池切割成细长的矩形半部可以使利用相同电池技术的全尺寸方形电池的模块功率相对增加约2％。将太阳能电池沿着3条平行的等距线切割成4个部分，每个部分具有掌指状电极的设计将具有进一步降低的串联电阻。
在一个实施例中，如图2a所示，半切太阳能电池1041或1042每个的基板150的前表面156包括多个前表面电极。图2b示出半切割太阳能电池在切割后如何在太阳能电池组件中取向。
前表面电极可以包括连接到多个较宽的汇流条电极152的许多个薄的平行指状电极153，汇流条电极152垂直于指状电极153延伸并用于从指状电极153收集电流。
例如，前表面电极可以包括如图2a和2b所示的四个前表面汇流条电极152和大量的前表面指状电极153，或者如图3所示的五个前表面汇流条电极152。具有其它数量的前表面汇流条电极，例如2个或3个或6个或更多个，也可能是有用的。
前表面指状电极153可以是配置为收集光致载流子的电极。在一个实施例中，多个前表面指状电极153布置成基本上彼此平行并且平行于细长的基板1511的一个长边缘并且几乎遍及平行指区域105，即在没有掌指状电极的区域中的基板的前表面。前表面指状电极153的宽度可以在约30μm和约100μm之间，例如约60μm。前表面指状电极153可以具有或者可以不都具有相同的宽度。前表面指状电极153可以具有恒定的宽度，或者可选地，宽度可以沿着前表面指状电极的长度变化，并且前表面指状电极可以例如朝向其端部从约60μm以上渐缩到约30μm以下。在没有掌指状电极的区域中的前表面指状电极可以等间距地隔开。两个毗邻的前表面指状电极之间的间距可以在约1mm至约3mm之间，例如约2mm。具有不均匀间距的前表面指状电极也可能是有用的。
在一个实施例中，图1中的汇流条电极152的从一端到其一部分长度的部分被手掌区域106中的第二指状电极1532代替。被第二指状电极1532代替的汇流条电极的长度，即掌指区域的长度lp(如图2b所示)，可以是例如两个毗邻的汇流条电极152之间的距离d或间距的约25％至约75％之间。掌指区域的相邻的第二指状电极1532的单个掌状组的宽度w可以是例如两个毗邻的汇流条电极152之间的距离d的10％至100％之间，优选在约25％至约75％之间。
在一个实施例中，第二指状电极1532起始于汇流条电极152的端部160并且延伸以与第三指状电极1533结合。在其间，第二指状电极1532中的一些或每个可分裂成分支1541、1542。第二指状电极1532可以配置为使得毗邻的第二指状电极1532之间的间距落在从约0到约3mm的范围内。指状电极间距应该被优化为使得发射器的功率损耗和阴影损耗保持最小。该配置还允许每个太阳能电池基板使用较少的银浆。这种配置的一个示例性实施例在图2a中示出，其中第二指状电极1532从汇流条电极160的端部成辐射状。
汇流条电极的数量可以是如图2a、2b和图3中所示的4个或5个，其他数目的汇流条电极，例如2个、3个、6个或更多个，也可能是有用的。
在没有掌指状电极的区域中，前表面汇流条电极152基本上彼此平行并且基本上垂直于前表面指状电极153。前表面汇流条电极的宽度可以在约0.5mm和约2.5mm之间，例如约1.5mm。前表面汇流条电极可以具有连续的宽度，或者可选地，该宽度可以沿着前表面汇流条电极的长度变化，并且前表面汇流条电极可以例如朝向其端部渐缩。前表面汇流条电极可以具有或可以不都具有相同的宽度。前表面汇流条电极可以等间距地隔开。两个毗邻的前表面汇流条电极之间的间距可以取决于电池尺寸和汇流条电极的数量。例如，对于具有四个前表面汇流条电极152的15.6×15.6cm2的光伏电池元件，两个毗邻的前表面汇流条电极之间的间距可以是约39mm。具有不均匀间距的前表面汇流条电极152也是有用的。前表面汇流条电极152和指状电极153可以由相同或不同的材料制成，并且可以优选地用可焊材料制成，并且可以具有与指状电极相同或不同的厚度。
前表面指状电极可以由包括铜、银、这些金属中的一种是主要成分的合金、或者任何其它导电材料制成。例如，前表面指状电极153以及前表面汇流条电极152可以使用各种方法制成，如丝网印刷、滚筒印刷、喷墨印刷等工业上可应用的制造方法。
多个半切电池可以组装在太阳能电池单元中。每两个半切电池可以布置成使得一个半切电池的掌指状结构可以与毗邻的半切电池的汇流条电极152毗邻，如图2b和图3所示。
图4和图5示出分别用附着到后侧汇流条23、123和前侧汇流条52、152的金属带21、121连接的太阳能电池串41、1041的一部分的侧视图。
由于较少的阴影损失，这种和类似的配置可以导致较少的浆料消耗和较高的电池效率。此外，通过用第二指状电极1532代替部分前表面汇流条电极152来减小前表面汇流条电极152可以减小电池基板1511上的应力。此外，由于在模块组装中导电金属带121可以焊接到前表面汇流条电极152，所以带121至少可以不需要被焊接在由第二指状电极1532占据的区域中，如图5所示。因此，如图4所示，与用带的标准连接相比，减少的前表面汇流条电极152还可以导致减少带消耗。
在不脱离本发明的范围的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。因此，上述实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制本文所述的发明。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示，并且在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都意图被包含在其中。
与特定距离或大小相连的术语如“约”应被解释为不排除与所指定距离或大小不显著的偏差，并且可包括例如高达20％的偏差。此外，诸如“基本上平行”或“基本上垂直”的术语应被解释为不排除与指定布置不显著的偏差，并且可以包括例如高达10°或甚至高达20°的偏差。特别地，本领域技术人员将理解，与严格的平行布置的不显著的偏差可以是可接受的，只要它们不导致例如过大的串联电阻损耗即可，如果这种偏差不超过10°或20°，则认为是这种情况。
最后，应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。关于不同实施例描述的元件也可以相结合。还应当注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
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