專利名稱：用于互連太陽能電池串的太陽能電池裝置以及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池裝置，其包含至少一個帶有在前和背接觸之間運行的光敏半導體層的第一太陽能電池以及至少一個與該太陽能電池連接的分散式保護二極管，所述分散式保護二極管帶有由第一導電性的半導體材料組成的襯底、在此襯底的表面區(qū)域內形成的層或者在此表面區(qū)域上施加的第二導電性的層、在所述第二導電性的層上的第一金屬接觸、和在襯底上布置的第二金屬接觸，其中用于互連保護二極管的連接器從第一和第二金屬的接觸出發(fā)。此外，本發(fā)明涉及一種用于互連太陽能電池串的方法。
基于特別是在價格低廉的碳的航天電池情況下在從陽光到電流的轉化中高得多的效率，半導體太陽能電池制造的重點傾向于在材料方面和制造方面貴得多的III-V半導體太陽能電池(III＝元素周期表的第三組的元素，如Ga(鎵)或者In(銦)；V＝元素周期表的第五組的元素，如As(砷)或者P(磷))。
在相應的太陽能電池的情況下，在耗費的結晶生長工藝(外延(Epitaxie))中通過大多在與硅相比十分昂貴的單晶鍺圓片(Ge襯底晶片)上沉積多個不同的單晶層來制造光敏層。在層沉積后，所述外延晶片包含用于轉化陽光所需的所有元素。于是，外延晶片在其制造后采用在半導體技術中普遍的光刻方法和蝕刻、金屬化和減反射蒸鍍等等被進一步處理成太陽能電池并且最終從圓片上被切除。
通過適當地選擇層和其由不同的III-V材料的組合，在此可以針對光的不同波長相疊地沉積不同敏感的層序列并且處理成所謂的“多結”太陽能電池，這共同解釋了電池的高效率。當前的應用狀況是三重電池，也就是三個相疊分層的子電池，其中兩個以外延生長的方式由III-V材料構成，和第三個由有效混合的Ge襯底構成。通常III-V太陽能電池由直徑為100mm的圓晶片(襯底)(4″晶片)制成。
三重電池是帶有三個相疊分層的串行連接的太陽能電池的三倍(三個電池(子電池)具有用于提高三重電池的總效率的不同的光譜靈敏度；“多結”電池帶有多個子電池的電池)。
三重電池形式的相應的多結太陽能電池例如可以由在Ge襯底上所構造的Ge底部電池、GalnAs中間電池和GalnP頂部電池組成。外延晶片的價格當前總計超過用于制造硅太陽能電池的相同大小的硅晶片價格的20倍。由于用于制造III-V太陽能電池的外延晶片形式的原材料的高價格，為了減少由于太陽能電池制造工藝的故障應該將工藝步驟的數量保持盡可能小，以便由此避免電池最終價格的進一步成本增加。
由于與硅相比III-V化合物和鍺的較大的特定重量(Gewicht)(大約因數為4)和將衛(wèi)星運送到宇宙中的高費用，III-V圓片比通常在標準半導體技術(例如IC制造)中薄，由此特別是因為Ge襯底也比Si晶片更易碎，因而在增加的制造耗費的情況下故障風險仍在增大。
為了將用于連接電池成串(String)(至在底板上所期望的工作電壓的串行互連的太陽能電池的單元；panel＝底板(Paneele)；裝配有太陽能電池的面(翼)，正如在衛(wèi)星中常見的)的耗費保持盡可能低，但又為了不得到太短的串，因為現代的III-V電池的工作電壓為Si電池的多倍，期望比較大的電池。同時，外延晶片的高價格使得期望盡可能多的晶片面積用于電池。由于成本原因，大約8cm×4cm的帶有兩個剪切角的電池(所謂的剪切角電池)因而已變得普遍，其中從4″晶片獲得兩個電池。由此與在純矩形電池情況下相比，通過對角進行剪切可以將晶片面的更大部分用于電池。
在直徑為100mm的圓片的寬為2mm的量上不足的晶片邊緣的情況下，得到72.4cm2的面積。兩個矩形電池可以最大獲得6.79cm×6.79cm＝46.1cm2(64％)的面積，而在邊長為8cm×4cm的帶有剪切角例如為1.35cm的兩個電池的情況下得到60.34cm2的面積，使得可以使用圓片面積的83％。由幾何形狀制約，這些電池不完全充填底板的面積在電池之間的角上保留了不用于光轉換的三角形面積。
在大面積的半導體二極管(如形成太陽能電池的所述二極管)的情況下，通過半導體材料的p/n結的高歐姆性的、局部的、小尺寸的電連接(微短路)經常是不可避免的，正如例如由于在制造期間或者特別是在外延p/n結情況下的表面受損，如在III-V太陽能電池的情況下由于摻雜材料積聚(變質的半導體材料)，例如晶體損傷(例如由于輕微偏移的晶格的受損)。不降低或者僅僅十分輕微地降低作為太陽能電池的二極管(在流通方向的p/n結)的功能的所述微短路在串中在運作電池時在截止方向上以公知方式可能導致電池受損。在截止的p/n結的情況下，太陽能電流可以由具有功率為N＝Us·Is的高的串電壓Us通過高歐姆性的微短路強制。這可能局部地造成強熱、再摻雜成低歐姆性(半導體的強變質)和最終造成電池的受損。
所謂的旁路或者保護二極管、也即與所遮蔽的電池的p/n結反極性并聯地連接的二極管產生對所述受損的保護，所述二極管當電池的p/n結截止時在流通方向上被極化并且在電壓為Ud時允許電流通過，所述電壓對應于在流通方向上在正好該電流時該二極管的特征曲線。通過電池的缺損(fehlende)電壓Um和二極管的流通電壓Ud降低在串末端的電壓UrUr＝Us-Um-Ud。在電池的未遮蔽狀態(tài)下，保護二極管的p/n結通過在截止電壓時的相同電流流通來截止電流流通，所述截止電壓僅僅對應于所屬的太陽能電池的流通電壓。
為了防止在串中各個電池的損壞而在遮蔽時以與電池反極性并聯連接的二極管形式將保護二極管用于電池本身是公知的。
對于III-V電池作為解決方案存在單片集成保護二極管(單片二極管)、也即二極管，其由與電池類似的元件已在制造外延期間直接地在晶片上在大多附加的工藝步驟中生成并且在制造電池期間在附加的技術步驟中被處理成這種，并且然后位于電池上(參見例如DE-A-3 826 721，US-A-2002/0179141)。
這些解決方案的基本缺點在于，降低了電池的活性(active)面積。因此，通常選擇保護二極管在其尺寸上盡可能的小。由此在通過電流時其電壓并從而其功率得以增加。這可能從長期導致保護二極管的損壞或者由于保護二極管是電池的一部分而局部地導致其不期望的強變熱。
由于單片二極管需要在晶片平面上的附加耗費、也即附加的外延層和在制造電池時附加的技術工藝，所以這些構成了不可忽略的附加成本因素。因為單片二極管僅僅可以由與網格匹配的III-V材料構成，所以也僅僅可能的是選擇二極管類型(僅僅具有高流通電壓的III-V二極管)的自由性微小。
因此，應當優(yōu)選可以不依賴于電池的生產被制造并因此也提供更多材料自由性的分離式二極管。所述分散式二極管具有附加優(yōu)點，即不依賴于電池而被選擇和檢查，使得在制造期間已經損壞的二極管并同時不意味著昂貴的無用的電池。
在太陽能電池上安裝分散式二極管作為單片集成保護二極管的替代方案通常從太陽能翼(Solar-Flügel)(底板)的制造商要求安裝時的附加耗費。這特別適用于矩形太陽能電池，所述矩形太陽能電池完全地填充翼的面積，使得為了安裝保護二極管必須移位到第三維(Dimension)(在太陽能電池下方的引線和二極管)。這意味著在底板制造中的高耗費。此外，底板的重量由于額外需要的長引線電纜而增加。
可以從US-A-4,481,378公知一種具有串行互連的太陽能電池和保護二極管的太陽能電池模塊，其中保護二極管分別與每一個電池反極性并聯地連接。保護二極管與相鄰電池的背面連接并且被布置在太陽能電池之間的間隙內。
根據US-B-6,563,289，從原先矩形的太陽能電池分離出角并且作為保護二極管以反向極化的方式與太陽能電池相連。
根據US-B-6,353,176的太陽能電池裝置包含具有留下的角的太陽能電池，其中可以布置保護二極管。
根據US-B-6,034,322具有限流保護的太陽能電池裝置包含在角上具有斜切邊的矩形的太陽能電池，在所述角中可以布置用于保護太陽能電池的三角形二極管。這些允許在太陽能電池的平面中移動的二極管被用作連接器。
根據US-A-2003/0029494，保護二極管被集成在太陽能電池串中，其中連接器從保護二極管的正面引到相鄰的太陽能電池的背面，所述相鄰的太陽能電池在串中與要保護的太陽能電池的正面串行地連接。保護二極管的背面接觸引向要保護的電池的背面。
本發(fā)明所基于的任務是，如此改進前述類型的太陽能電池裝置，使得在足夠的范圍內可以通過一個或者多個保護二極管保護太陽能電池或者太陽能電池聯合(Solarzellenverbund)(例如串)，而不必絕對必要地動用太陽能電池本身的材料。此外，應該能夠毫無問題地在保護二極管或者太陽能電池之間互連，其中同時應該避免高的重量增加。
根據本發(fā)明，基本上通過以下方式解決本任務，即第二接觸直接與保護二極管的襯底接觸，并且在第一金屬接觸的旁邊并以與其相間隔的方式被布置，和通過p/n結與第一金屬接觸電連接。在此，第一或者第二金屬接觸可以與第二太陽能電池的背面連接并且第三金屬接觸可以與第一太陽能電池的前面連接。此外，保護二極管經由第一或者第二金屬接觸通過第二太陽能電池以反極性并聯的方式被互連到第一太陽能電池。
特別地，建議一種包含分散式保護二極管的太陽能電池裝置，所述分散式保護二極管就前面的區(qū)域而言如此被結構化，使得除了保護二極管的n/p或者p/n結之外還在第二金屬接觸和保護二極管的襯底之間產生直接的歐姆接觸，以便一方面能夠實現太陽能電池之間的導電連接和另一方面以與要保護的太陽能電池反極性并聯的方式接入保護二極管。
根據本發(fā)明，對串中的太陽能電池保護的任務基本上通過反極性并聯連接的分散式二極管來解決，所述分散式二極管由具有第一導電性類型的半導體本體(襯底)組成，其中在正面除了第二導電性類型的半導體區(qū)域上的第一金屬接觸之外還以與其相間隔的方式在第一導電性類型的半導體上通過p/n結電絕緣地設置第二金屬接觸，所述第二金屬接觸直接與襯底電連接。在此，根據太陽能電池的類型和對二極管襯底的導電性類型的選擇，可以通過第一或者第二接觸借助于連接器將要保護的太陽能電池的背面與二極管電連接并且利用二極管的第二或第一金屬接觸與在串中直接在要保護的電池之后的電池連接，其在其側借助于用于將太陽能電池串行互連成串的連接器與在前的要保護的電池的正面電連接，其中二極管在聯合中形成以與要保護的太陽能電池反極性并聯方式布置的保護二極管。
在改進方案中規(guī)定，第一和第二太陽能電池通過至少兩個保護二極管相連接，第一保護二極管的第三金屬接觸不僅與第二太陽能電池的背接觸、而且與第二保護二極管的第二金屬接觸相連接，所述第二保護二極管的第三金屬接觸與第一太陽能電池的前接觸相連接。因此在將保護二極管與要保護的太陽能電池互連的同時，得到太陽能電池之間彼此互連。
在兩個太陽能電池通過兩個保護二極管連接的情況下，可以這樣地構造保護二極管之一，使得第二金屬接觸與第一金屬接觸相連接，并且第二導電性的表面區(qū)域在第一和第二的金屬接觸下延伸。
為了能夠實現從第一和第二保護二極管出發(fā)并且要將它們相互連接的連接器的簡單連接，按照本發(fā)明的另一建議規(guī)定，從第一保護二極管的第二金屬接觸出發(fā)的連接器和從第二保護二極管的第二金屬接觸出發(fā)的連接器凸出第一和第二太陽能電池或者其玻璃罩(Deckglas)的正面并且在玻璃罩之外優(yōu)選地通過焊接或者焊補連接。
不管太陽能電池是否通過一個保護二極管或者多個保護二極管連接，本發(fā)明的創(chuàng)造性建議規(guī)定，第一太陽能電池和/或第二太陽能電池在俯視圖中是具有斜切角的矩形形狀并且至少一個保護二極管在斜切角轉移的區(qū)域內運行。由此產生對底板表面的最佳利用，其中同時能夠實現保護二極管和太陽能電池的簡單互連。
尤其規(guī)定，互連成串的多個太陽能電池通過相應的保護二極管連接。在此可以在每個斜切角內布置保護二極管。在此，保護二極管和太陽能電池位于一個平面內。
根據本發(fā)明建議，保護二極管在俯視圖中具有三角形幾何形狀。
尤其規(guī)定，保護二極管具有三角形棱柱的幾何形狀。
在此，在帶有斜切角和邊長為8cm的正方形面的太陽能電池的情況下，在角被移除之前，保護二極管應該具有優(yōu)選地大約在0.7cm2≤F≤1cm2內、尤其在大約0.8cm2≤F≤0.9cm2內的基面F。
此外，本發(fā)明涉及一種用于互連太陽能電池串的方法，該方法通過以下方法步驟表征-將太陽能電池以背面布置在基片上，-將太陽能電池的前面接觸與第一連接器連接，-在太陽能電池的前面固定一個或者多個透明的遮蓋，-翻轉太陽能電池，
-通過第一連接器將第一和第二太陽能電池連接成串，-將保護二極管入引入在太陽能電池之間存在的自由空間內，-將保護二極管與太陽能電池連接，并且-將如此產生的串與基片連接。
在此，尤其在引入保護二極管之前，將相鄰的太陽能電池通過第一連接器串行地互連。
在改進方案中規(guī)定，將保護二極管以其背面接觸、即第三金屬接觸布置在太陽能電池的前面區(qū)域中，并且通過分別至少一個保護二極管以串行方式互連相鄰的太陽能電池，同時將保護二極管以反極性并聯方式互連到相鄰的太陽能電池之一。
尤其，規(guī)定了以下方法步驟a)將太陽能電池以背面布置在基片上，b)將保護二極管引入在太陽能電池之間存在的自由空間內，c)將太陽能電池的前面接觸與保護二極管的在串中在前面運行的第三接觸(背面接觸)連接，d)在太陽能電池的前面上固定一個或者多個透明的遮蓋，e)翻轉太陽能電池，f)將保護二極管的在串中在背面運行的第一和第三接觸(前接觸)與相鄰的太陽能電池的背面接觸連接，和g)將如此所產生的串與基片連接。
在此，串可以在與基片連接之前被翻轉。
此外，本發(fā)明規(guī)定，在兩個相鄰的太陽能電池之間布置兩個保護二極管，其中一個保護二極管以其背面接觸(第三金屬接觸)并且另一保護二極管以其前面接觸(第一和第二金屬接觸)被布置在太陽能電池的前面區(qū)域內，使得相鄰的太陽能電池通過這兩個保護二極管以串行方式互連并且保護二極管通過在太陽能電池的背面區(qū)域內運行的接觸互連。在此，兩個連接器可以從保護二極管的在太陽能電池的背面區(qū)域內運行的接觸出發(fā)，所述連接器在太陽能電池串之外被連接。
根據本發(fā)明建議一種二極管，所述二極管帶有由第一導電性的半導體材料組成的襯底、在襯底的表面區(qū)域內形成的層或者在表面區(qū)域上施加的第二導電性的層、在第二導電性的層上的第一金屬接觸、和在第一金屬接觸旁邊并以與其相間隔的方式并通過p/n結電絕緣方式相連接的第二金屬接觸，所述第二金屬接觸與保護二極管的襯底直接接觸。
在此，保護二極管中的p/n結可以通過肖特基(Schottky)接觸代替。
本發(fā)明其它的細節(jié)、優(yōu)點和特征不僅僅可以單獨地和/或以組合方式從權利要求、由所述權利要求中要推斷出的特征、而且可以從對由圖中要推斷出的優(yōu)選實施形式的以下描述中得到。


圖1示出保護二極管的第一實施形式，圖2示出另一保護二極管，圖3示出帶有電路的保護二極管的對圖1的替代實施形式，圖4示出由半導體晶片制造的帶有斜切角的兩個太陽能電池的原理表示，圖5以剖面圖和片斷方式示出太陽能電池串，圖6示出穿過帶有通過保護二極管相連的太陽能電池的底板的剖面圖，圖7示出具有不同幾何形狀的保護二極管的串的片斷的后視圖，圖8以具有通過保護二極管相連的太陽能電池的片斷示出底板的另一實施形式，圖9示出通過保護二極管互連的串的光入射側的片斷，圖10示出根據圖9的表示，但是是從背面，圖11示出具有斜切角的太陽能電池的原理表示，圖12示出具有斜切角和布置在所述斜切角中的保護二極管的太陽能電池，圖13示出穿過具有分別通過兩個保護二極管互連的太陽能電池的底板的剖面圖，圖14示出根據圖13的經由保護二極管的太陽能電池連接的擴展，圖15示出用于互連太陽能電池的第一工藝的原理表示和圖16示出用于互連太陽能電池的第二工藝的原理表示。
下面根據從圖中推斷出的實施例進一步說明用于太陽能電池的分散式保護二極管的構造和其到太陽能電池串或底板中的集成。在此，給相同的元件配備相同的參考符號或者相應的參考符號。
在圖1中示出第一實施形式的本發(fā)明保護二極管101，所述保護二極管由如硅、鍺的半導體材料或者如GaS或者GaP或者GaInAs或者GaInP的來自元素周期表的第1II和V組的材料組成。在此，主體、也就是襯底11可以是p導電摻雜的。在表面區(qū)域內而且在保護二極管101的正面的區(qū)域內一直到表面形成n摻雜的區(qū)域12，該n摻雜的區(qū)域12與襯底11一起構成向后良好截止的n/p結(n-up二極管)、即真正的保護二極管。
正如根據圖1的圖示看出，n摻雜的區(qū)域僅僅在襯底11上面的一部分上延伸。n摻雜的區(qū)域在外側被金屬接觸13覆蓋。該金屬接觸被稱為第一接觸。具有襯底11的導電性的導電接觸15沿著背面延伸并且與該襯底處于歐姆接觸。該接觸被稱為第三接觸。以與第一接觸13相間隔并且與之電絕緣的方式，在襯底11的上面、也即在n摻雜的區(qū)域12之外施加另一金屬接觸14，該另一金屬接觸與襯底11處于歐姆接觸。該接觸被稱為第二接觸。通過在保護二極管101的正面的導電的第一和第二接觸13、14和背接觸15(第三接觸)以下面所描述的方式互連太陽能電池。
從圖2中可以得出另一保護二極管102。在此，n摻雜的表面區(qū)域12范圍廣地沿著整個上面延伸。然后n摻雜的區(qū)域12由第一金屬接觸13覆蓋。此外，保護二極管102從結構上對應于保護二極管101。
實際上，為了改善保護二極管101、102的特性，可以在半導體或者半導體層11、12上或者在金屬接觸13、14、15的部分上施加絕緣層和/或者鈍化和/或者金屬化。
合理地如此選擇保護二極管101、102的幾何尺寸，使得這些保護二極管在未被太陽能電池覆蓋的區(qū)域中以串的形式布置，所述太陽能電池優(yōu)選地被構造為剪角電池(cropped corner cell)，也就是具有斜切的或者剪除的角的太陽能電池。在此，為了以下面所描述的方式互連太陽能電池，應當將保護二極管101、102布置在太陽能電池的邊遠的角內、特別是在相互鄰接的太陽能電池的區(qū)域內。
代替具有n/p結的保護二極管101、102，作為n-up二極管也可以使用具有交換摻雜的保護二極管用于被相應摻雜的太陽能電池。在這種情況下，摻雜被交換，也就是說p→n和n→p。
在圖3中示出了根據本發(fā)明的保護二極管20的另一實施形式，該保護二極管在理論上對應于保護二極管101。就面積而言，在保護二極管20的情況下，p/n結可以首先整個面地在表面的一側上生成。示例性地可以論及相應的摻雜材料的擴散或離子注入或者層的外延沉積和隨后的與襯底21相反摻雜的區(qū)域22的一部分的移除(腐蝕)。在圖3中所示的保護二極管20是類型p-up的這種保護二極管，其中在p導電的層22上施加金屬接觸23作為第一接觸。以與該第一接觸相間隔和電絕緣并且與n導電的襯底21歐姆接觸的方式布置第二金屬接觸24。第三金屬接觸25或者背面接觸沿著襯底21的背面延伸。
應該能夠借助于保護二極管20說明前述類型的保護二極管、也即保護二極管101、102和20、特別是圖1和圖3的保護二極管可以有利地被用于不同的應用中。為此，在其中示出包含可能的端子點K1、K2、K3、K4的電路圖(StKr)和在內部以電的方式工作的元件，也就是二極管(P(p-up))、在端子K1和K2或者K4和K3之間運行的電阻R1和R3、以及在本實施例中水平地穿過n導電的襯底21運行的電阻24、和存在于背面接觸25(第三接觸)內的電阻R2。
在所采用的電流I＝1A的情況下，對由于在內部電阻R1至R4上的電壓損耗而在二極管20中除了在p/n結上的電壓降之外出現的最大電壓損耗ΔV的粗略估計從ΔV＝R I中被計算出來，其中R＝[(R1+R2+R3)R4]/[R1+R2+R3+R4]。已這樣執(zhí)行了該估計，使得計算出的電阻總是比在事實中實際的電阻大，與此相應地，電壓損耗在事實中得出較小的結果。
對應于二極管101并且由20mΩcm的Si襯底(p1＝2E-2Ωcm)制成的二極管用作計算例子。該形狀對應于圖6的形狀，二極管101的面為F1＝1cm2，p-(14)和n-(13)區(qū)域分別為Fn＝Fp＝0.5cm2，其中不考慮二極管下側的雙重面。二極管101的厚度是D1＝150μm＝0.015cm，在接觸13和14之間的分離邊B1的長度為B1＝1.2cm，其距離S1為S1＝100μm(0.01cm)，金屬化的厚度D2(ρ2＝1.6E-6Ωcm)來自AgD2＝10μm(0.001cm)，在連接器40a和40b之間的距離A1為A1＝0.5cm。
借助于用于從特定電阻ρ和該電阻的外部幾何形狀、也就是長度L和橫截面F計算電阻的公式進行估計R＝ρ？長度L/橫截面F。
對于R1和R3(在襯底21中的豎向電阻)該估計適用ρ1＝2E-2Ωcm硅對于R1和R2都適用面積F＝Fp(14)＝Fn(13)＝0.5cm2，長度L＝D1＝0.015cmR1＝R3＝1.5E-4Ω對于Ag的接觸金屬中的R2；厚度D2＝10μm(0.001cm)，ρ＝1.6E-6Ωcm，從F＝D2 B1＝0.0006cm 1.2cm＝7.2E-4cm2計算F，長度L＝A1＝0.5cmR2＝6.6E-4Ω對于R4(在襯底中的水平電阻)ρ1＝2E-2Ωcm硅從厚度D1和B1計算出F為F＝D1 B1＝1.2cm，長度L＝A1＝0.01cmR4＝1.1E-2Ω電壓損耗ΔV＝R IΔV＝[(R1+R2+R3)*R4]/[R1+R2+R3+R4]*IΔV＝0.88E-3V＝0.88mV。
實際上，可以將該電壓降實現得更低。
因為在使用硅二極管的情況下，在p/n結上的電壓降大約為0.68V(680mV)，因此在保護二極管的內部電阻上的電壓降僅僅提供很小的附加份額。
在考慮太陽能電池的標準連接技術的情況下，應該根據下面的闡述進一步闡述對根據本發(fā)明的保護二極管的使用。
在基于直徑為100mm的外延晶片31的情況下，帶有斜切角(“cropped corner”)32的由III-V材料制成的太陽能電池31的當前所偏愛的設計可示意性地從圖4得出而且從光入射側示出。在串中帶有用于在電池30之間安裝電串行連接(連接器)的接觸面34的金屬蓄電橫梁(Stromsammelbalken)33位于兩個較長面的通過兩個斜切角32受限的較短面上，其直接與在串中串行連接的電池鄰接。在對晶片面的廣泛的最佳使用中，電池30的邊長a、b、c例如為a＝8cm，b＝4cm和c＝1.35cm。
因此，在這種情況下，在邊緣的邊b和c之間的角度為45°的情況下，在串平面上保留具有長度Ld＝大約0.95cm/0.95cm/1.35cm的邊的三角形面積、也就是說，Fd＝大約0.9cm2的面積，不用于轉換光線。
在圖5中，以剖面圖和片斷示意地示出從電池到電池和從電池到二極管的可能的連接方式，其中后者對應于圖2的類型。為了解說，一起畫出電流走向圖，該電流走向圖通過4b7標記。
太陽能電池30a、30b是三重類型的這種太陽能電池，其中例如，在鍺襯底上施加Ge底部電池、在Ge底部電池上施加GaInAs中部電池和最后施加GaInP頂部電池，其通過隧道二極管分離。然而，就這點而言，參考充分熟知的太陽能電池類型。太陽能電池本身通過粘合劑4b6被固定在基底4b5上。在光入射側，太陽能電池30a、30b和從而還有保護二極管102通過粘合劑4b3a、4b3b借助于玻璃罩4b2a、4b2b被覆蓋。
在本實施例中，太陽能電池30a、30b最上面的半導體層是n導電(n-up電池)的，而不因此對根據本發(fā)明的教導進行限制。
在執(zhí)行載體4b5功能的底板用的串的常見制造方法中，連接器4b1首先在太陽能電池30a、30b的光線入射側(正面)被固定在前面接觸面34上。然后，玻璃罩4b2a借助于粘合劑4b3a被施加。在這種狀態(tài)下，太陽能電池也被稱作CIC(連接器集成電池(connectorintegrated cell))或者SCA(太陽能電池裝置(solar cell assembly))。然后，為了連接成串而旋轉太陽能電池，使得背面位于上面。然后，連接器4b1通過例如焊接或者焊補(Lten)與鄰接的電池(在本實施例中是相鄰電池30b)的背面電連接。
在該時刻，特別容易地將根據本發(fā)明的二極管102、也即在本實施例中用于n-up太陽能電池30a的n-up二極管裝入相同類型、但在設計上鏡像對稱的電池30a的剪切角(cropped corner)的一個內(或者相應的本發(fā)明二極管102的每個剪切角內)。因此，在p導電的面上、也即在n-up二極管的所示情況下在金屬接觸15(即p接觸)上安裝與連接器4b1對應的連接器40b和在覆蓋n導電區(qū)域12的金屬接觸13上安裝第二連接器40a，其中二極管102被插入剪切角的一個中，以便隨后一方面在電池30b的背面和保護二極管102的金屬接觸15之間并且另一方面通過連接器40a在接觸13和太陽能電池30a的背面接觸之間產生導電連接(參考流圖4b7)。在使用p-up二極管的情況下可以互換接觸13和15。合理地，二極管102同樣可以用粘合劑4b3b裝配玻璃罩4b2b或者電池30a的玻璃罩4b2a被設計得如此大，使得二極管102可以被直接地粘貼和以先前所描述的方式電連接。
通過借助于粘合劑4b6在基底4b5上施加串的底板制造的其它流程明顯不受保護二極管102的嵌入的影響。
例如具有相應相反摻雜的二極管102可以以同樣的方式用于如圖5中原理上相同設計的p-up電池。
由于并不要求連接器在被插入串裝置中之前安裝在二極管101上，所以二極管101(圖1)的使用變得更加簡單，正如在圖6中可得出。
在圖6中純粹示意地示出通過從電池30a到電池30b和電池30a、30b與保護二極管101的可能連接方式的剖面圖。為了解說，這里也畫出電流走向圖4b7。代替根據圖1的二極管101，也可以嵌入根據圖3的二極管20，而不背離本發(fā)明。類似的適用于其它的實施例。
太陽能電池30a、30b是這種已結合圖5得以說明的太陽能電池，使得參閱與此有關的實施。因此在不應因此對本發(fā)明進行限制的情況下涉及n-up類型的太陽能電池30a、30b。在用于底板的串的標準制造工藝中，連接器4b1首先在太陽能電池30a、30b的光入射側被安裝在前面接觸34上，然后玻璃罩4b2a借助于粘合劑4b3被施加，并且被稱為CIC的相應太陽能電池30a、30b為連接成串而被旋轉，使得背面朝上，以便然后通過例如焊接或者焊補將連接器4b1與相應的相鄰電池(也即在本實施例中電池30b)電連接。
同時，如前述引入保護二極管101，該保護二極管根據n-up電池是n-up二極管并且以反極性并聯方式被接入。在此，保護二極管101的安裝在電池30a的剪切角的一個中進行。必要時也可以在每個剪切角中引入相應的保護二極管101，其中設計是鏡像對稱的。在此，與圖5的構造相比該安裝更簡單，原因在于在將二極管101嵌入并置的電池30a、30b的裝置中之后，僅僅在沿著n摻雜的層12延伸的金屬層或者第一金屬接觸13與太陽能電池30a的背面之間和在直接在p導電的襯底11上運行的導電第二接觸14與太陽能電池30b的背面之間的連接器40a和40b必須以與這也在電池之間進行的相同方式連接。合理地，這里二極管101也可以通過粘和劑4b3b裝配玻璃罩4b2b，或者電池的玻璃罩4b2a被設計得大得足以將二極管101直接地粘貼和以這種方式電連接。
如借助于另一粘合劑4b6在基底4b5上施加串的底板制造的其它方法流程不受二極管101的嵌入的影響。
具有基本方法步驟的前述工藝再一次在圖15中以純原理的方式示出。
與圖1的二極管相對應的二極管可用于具有從原理上與圖6的設計相同的設計的p-up電池，局限是襯底是n導電的并且摻雜的表面層是p導電的。
此外存在這種可能性，即這樣地在第一太陽能電池30a和第二太陽能電池30b之間互連保護二極管101，使得第一接觸13與第二太陽能電池30b的背面接觸并且第二接觸14與第一太陽能電池30a的背面相連。在相應的互連中必須相應地再摻雜p/n結。
在圖7中從背面考察以片斷示出互連成串的帶有保護二極管101的電池30a、30b的串的兩個部分視圖。在此，電池串不同如下，即在保護二極管101和太陽能電池30a或者太陽能電池30b之間的連接相互偏差。
從圖8中可得出根據本發(fā)明的保護二極管的優(yōu)選改進方案和使用，所述保護二極管不僅僅以與太陽能電池反極性并聯的方式被接入，而且同時用作相互鄰近的電池之間的連接的一部分。簡化的底板制造可以從圖8至10和16中得到，其中同樣在不限制一般性的情況下，待連接的太陽能電池50a、50b是n-up電池類型的。在此，優(yōu)選地，合理地以鏡像對稱設計形式的兩個保護二極管101或者20用于連接連續(xù)的太陽能電池50a、50b，正如這可以直接從圖9和10看出。在此，太陽能電池50a的斜切角中的保護二極管101在借助于粘合劑5a1施加公共的玻璃罩5a2之前分別通過連接器5a3這樣地被電連接，使得電池50a的正面與二極管101的下面相連，也就是說根據圖1、3的第三接觸15或者25沿著互連成串的太陽能電池50a、50b的前面運行。為此，在電池50a的設計中，在斜切角(cropped corner)的邊緣區(qū)域處構造接觸面5a，所述斜切角與蓄電橫梁5a7相連。然后，太陽能電池50a與保護二極管101或者20通過在直接與保護二極管101或者20的襯底11接觸的第二金屬接觸14或者24和電池50b的背面之間安裝連接器40a和通過在布置在p摻雜的層12上的第一導電接觸13或者23和電池50a的背面之間安裝連接器40b來連接并且集成成串中。在底板上的其它施加對應于先前進行的說明。
在圖8中示出具有相關的二極管和電阻的流圖(Stromdiagramm)5a4。
如在圖16的方法流程中可以得出，也可以在電池50a的背面和二極管101的接觸13之間施加公共的玻璃罩5a2之前安裝連接器40b。
從圖16中可以純原理地推斷出方法流程，用以將保護二極管101(和相應地保護二極管20)與太陽能電池50a、50b互連或者與太陽能電池50a反極性并聯。因此，保護二極管101首先被布置在太陽能電池50a、50b的“自由”的角內，并且第一太陽能電池50a和第二太陽能電池50b的前接觸分別與保護二極管101的第三接觸連接，該第三接觸通常被稱為背接觸。在此，給每個第一和第二太陽能電池50a、50b分配分開的保護二極管101。為此使用第一連接器5a3。此時連接器40b也可能已被安裝。然后將玻璃罩5a2粘附在分別一個帶有與之互連的保護二極管的太陽能電池上，旋轉如此所生成的單元，并且然后將保護二極管101的第一和第二接觸13、14與第一和第二太陽能電池連接(如焊接)(如果部分地先前還沒有發(fā)生)，以使在同時集成保護二極管時將太陽能電池串行地連接成串。在翻轉如此所生成的串之后，將該串以常用的方式粘附在底板上。
對通過以示例性方式應用保護二極管而形成的在電池50a和50b之間的附加電壓降的估計對于本例再次可以從圖3中得出。在此，電流從端子點K2流向K4。電流將流經串聯電阻R2+R3(電阻R3+R4處于并聯并且最多地降低總電阻)；因此在通過電流I＝1A的情況下，電壓降最多為ΔV＝(R2+R3)·I＝(6.6E-4+1.5E-4)·1A＝8.1E-4V＝0.81mV，并且在實際中會更小。
更大的太陽能電池的趨勢使主軸為8cm·8cm的太陽能電池的引入更加可能。在此，每4″(4英寸)晶片制造一個電池，使得完成耗費的減少特別有意義，以便要輕易集成的分散式保護二極管的應用是重要。
圖11示出帶有總共4個剪切角62的這種太陽能電池60的可能設計。根據先前所進行的說明，可以利用相應設計的一個或者兩個保護二極管將相應的太陽能電池60與相鄰電池互連。
根據圖12的太陽能電池70的特定設計，其中蓄電橫梁73與在剪切角76的邊緣或邊的區(qū)域中所設置的所有四個接觸面7導電連接，四個二極管10a1、10a2、10b1、10b2能夠保護電池70，并且根據結合圖8的說明，單獨地沿著背面連接至在前的電池70a(接下來電池70b)。在此，進行電池與本發(fā)明保護二極管的內部連接和與本發(fā)明保護二極管彼此間的內部連接。圖13因此純原理地示出通過帶有電池70的底板的剖面圖，所述電池分別帶有四個剪切角。電池彼此間的連接通過所謂的外部連接器711在SCA75的背面上(SCA＝太陽能電池裝置＝電池70和相連接的二極管10a1、10a2、10b1、10b2在正面(光入射側)通過粘合劑78配備公共的玻璃罩77)借助于保護二極管10a1、10a2、10b1、10b2來實現，所述保護二極管通過所謂的內部連接器76(在SCA內部)與電池連接。
作為二極管10b1和10b2，不僅可以使用對應于圖2的二極管、而且也可以使用對應于圖1和3的反向導電性的保護二極管，原因在于不需要對應于圖1的二極管的第二接觸14來安裝連接器，并且第一接觸13的平面可以占據前面的整個面以減少二極管中的電阻。
可以從圖14示意性地得出外部連接的變型。因為在二極管10a1和與之相鄰的圖1和2類型的具有反向導電性的二極管的側上不存在短路的危險，所以每一半外部連接器可以經由玻璃罩77的側被引導到CIC正面，以便通過例如焊接或焊補(見箭頭)來進行電連接。與此有關的技術的優(yōu)點在于，SCA能夠在最終完成底板之前不久被測定，并且在故障情況下，修理(例如更換SCA)可以相對容易地被實現。與此有關的連接器也提供以下可能性，即將玻璃罩77的正面與電池連接以抗靜電充電。
尤其從圖7、9、10和12中可以得出，保護二極管20、101在俯視圖中具有三角形幾何形狀、優(yōu)選地是帶有直角和尤其相同長度的腰的這種三角形幾何形狀。其它的幾何形狀同樣是可能的。保護二極管與之無關地填充在太陽能電池之間通過剪切角造成的自由空間。
權利要求
1.太陽能電池裝置，包含至少一個帶有在前和背接觸(34)之間運行的光敏半導體層的第一太陽能電池(30a，50a，60，70)以及至少一個與該太陽能電池連接的分散式保護二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)，所述保護二極管帶有由第一導電性的半導體材料組成的襯底(11，21)、在襯底的表面區(qū)域內形成的層(12)或者在所述表面區(qū)域上施加的第二導電性的層(22)、在所述第二導電性的層上的第一金屬接觸(13，23)和在襯底上所布置的第二金屬接觸(14，24)，其中用于互連保護二極管的連接器(5a3，4b7，40a，40b，40c)從第一和第二金屬接觸出發(fā)，其特征在于，第二接觸(14，24)直接與保護二極管(121，10a1，10b2，10b3)的襯底(11，21)接觸并且在第一金屬接觸(13，23)旁邊并且以與其相間隔的方式布置并且與該第一金屬接觸通過p/n結電連接。
2.按照權利要求1的太陽能電池裝置，其特征在于，在襯底(11，21)的關于第一和第二接觸(13，23；14，24)的相對側上在該襯底上布置第三金屬接觸(15，25)。
3.按照權利要求2的太陽能電池裝置，其特征在于第三金屬接觸(15，25)，其與第一太陽能電池(30a，50a，60，70)或者與第二太陽能電池(30b，50b，70b)相連接。
4.按照權利要求1的太陽能電池裝置，其特征在于，從第一和第二金屬接觸(13，23，24；14，24)出發(fā)的連接器連接第一太陽能電池(30a，50a，60，70)與第二太陽能電池(30b，50b，70b)。
5.按照權利要求3或者4的太陽能電池裝置，其特征在于，第二金屬接觸(14，24)與第二太陽能電池(30b，50b，70b)的背面相連接，并且第三金屬接觸(15，25)與第一太陽能電池(30a，50a，70)的前面，反之亦然。
6.按照至少權利要求4的太陽能電池裝置，其特征在于，保護二極管(101)經由第二金屬接觸(14)通過第二太陽能電池(30b)以反極性并聯的方式與第一太陽能電池(30a)互連。
7.按照至少權利要求4的太陽能電池裝置，其特征在于，保護二極管(101)經由第一金屬接觸(13)通過第二太陽能電池(30b)以反極性并聯的方式與第一太陽能電池(30a)互連。
8.按照至少權利要求2的太陽能電池裝置，其特征在于，第一和第二太陽能電池(70，70b)經由至少兩個保護二極管(10a1，10b2)連接，并且第一保護二極管(10b2)的第三金屬接觸(711)不僅與第二太陽能電池(70b)的背接觸、而且與第二保護二極管(10a1)的第二金屬接觸連接，所述第二保護二極管的第三金屬接觸與第一太陽能電池(70)的前接觸連接(圖13，14)。
9.按照權利要求8的太陽能電池裝置，其特征在于，從第一保護二極管(10b2)的第三金屬接觸出發(fā)的連接器(200)與從第二保護二極管(10a1)的第二金屬接觸出發(fā)的連接器(202)凸出第一和第二太陽能電池(70，70b)的正面或者其玻璃罩(75a，75c)并且在玻璃罩之外優(yōu)選地通過焊接或者焊補連接(圖14)。
10.按照權利要求1或者4的太陽能電池裝置，其特征在于，第一太陽能電池(30a，50a，70)和/或第二太陽能電池(30b，50b，70b)在俯視圖中是具有斜切角的矩形形狀并且至少一個保護二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)在斜切角之一的區(qū)域內運行。
11.按照權利要求10的太陽能電池裝置，其特征在于，多個互連成串的太陽能電池通過在斜切角的區(qū)域內所布置的保護二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)互連。
12.按照權利要求10或者11的太陽能電池裝置，其特征在于，保護二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)在俯視圖中具有三角形幾何形狀。
13.按照權利要求10或者11的太陽能電池裝置，其特征在于，保護二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)具有三角形棱柱的幾何形狀。
14.按照權利要求1或者12的太陽能電池裝置，其特征在于，保護二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)具有優(yōu)選地在大約0.7cm2≤F≤1cm2、尤其是在大約0.8cm2≤F≤0.9cm2中的基面F。
15.按照權利要求10的太陽能電池裝置，其特征在于，優(yōu)選地在第一和/或第二太陽能電池(30a，50a，70；30b，50b，70b)的每個斜切角內布置保護二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)。
16.按照權利要求1的太陽能電池裝置，其特征在于，第一導電性是n導電的并且第二導電性是p導電的或者反之亦然。
17.按照權利要求1的太陽能電池裝置，其特征在于，第一太陽能電池(30a，50a，70)和/或第二太陽能電池(30b，50b，70b)是具有優(yōu)選地一個Ge底電池、優(yōu)選地一個GalnAs中部電池和優(yōu)選地一個GalnP頂部電池的三重電池。
18.按照權利要求1或者2的太陽能電池裝置，其特征在于，兩個相鄰布置的太陽能電池(70，70b)通過兩個保護二極管(10a1，10b2)相連接，太陽能電池在太陽能電池前面是n導電的，保護二極管中的一個(10b2)在前面在第二導電性的層內是p導電的，并且另一保護二極管(10a1)在背面在具有第二導電性的層內是n導電的并第三金屬接觸(圖13)。
19.按照權利要求8的太陽能電池裝置，其特征在于，第一保護二極管(10b2)的背面接觸不僅與第二太陽能電池(70b)的背面、而且與第二保護二極管(10a1)的第二金屬接觸相連接，第二保護二極管的在串中在前面運行的第三金屬接觸與第一太陽能電池(70)的前接觸相連接，并且第二保護二極管的在串中在背面運行的第一金屬接觸與第一太陽能電池的背面相連接(圖4)。
20.按照權利要求8的太陽能電池裝置，其特征在于，在具有p/n結的太陽能電池的情況下，第一保護二極管具有n/p結并且第二保護二極管具有p/n結。
21.用于在使用根據前面所述的權利要求至少之一的保護二極管的情況下互連太陽能電池串的方法，其特征在于以下方法步驟-將太陽能電池以背面布置在基片上，-將太陽能電池的前面接觸與第一連接器連接，-在太陽能電池的前面固定一個或者多個透明的遮蓋，-翻轉太陽能電池，-通過第一連接器將第一和第二太陽能電池連接成串，-將保護二極管入引入在太陽能電池之間存在的自由空間內，-將保護二極管與太陽能電池連接，并且-將如此產生的串與基片連接(圖6)。
22.用于在使用根據前面所述的權利要求至少之一的保護二極管的情況下互連太陽能電池串的方法，其特征在于以下方法步驟-將太陽能電池以背面布置在基片上，-將保護二極管引入在太陽能電池之間存在的自由空間內，-將太陽能電池的前面接觸與保護二極管的在串中在前面運行的第三接觸(背面接觸)連接，-將太陽能電池的前面接觸與第一連接器連接，-在太陽能電池的前面以及保護二極管上固定一個或者多個透明的遮蓋，-將保護二極管的在串中在背面運行的第一和第二接觸(前接觸)與相鄰太陽能電池的背面接觸連接，-翻轉太陽能電池，和-將如此產生的串與基片連接(圖8)。
23.按照權利要求19的方法，其特征在于，保護二極管用其第三接觸被布置在太陽能電池的前面區(qū)域內，并且在保護二極管與相鄰的太陽能電池之一以反極性并聯方式被互連的同時，相鄰的太陽能電池通過至少分別一個保護二極管以串行方式被互連(圖6)。
24.按照權利要求21的方法，其特征在于，兩個保護二極管被布置在兩個相鄰的太陽能電池之間，其中的一個保護二極管用其第三接觸、并且另一保護二極管用其第一和第二接觸被布置在太陽能電池的前面區(qū)域內，相鄰的太陽能電池通過所述兩個保護二極管以串行方式被互連并且保護二極管通過在太陽能電池的背面區(qū)域內運行的接觸被互連(圖13)。
25.按照權利要求21的方法，其特征在于，第二連接器(200，202)從保護二極管(10a1，10b2)的在太陽能電池(70，70b)的背面區(qū)域中運行的接觸出發(fā)，所述連接器在太陽能電池串之外和在其前面區(qū)域中被連接(圖14)。
26.用作太陽能電池裝置中的保護二極管的二極管(101，20，10a1，10b2，10b3)，帶有由第一導電性的半導體材料組成的襯底(11，21)、在該襯底的表面區(qū)域內形成的層(12，22)或者在表面區(qū)域上施加的第二導電性的層、在第二導電性的層上的第一金屬接觸(13，23)、和在第一金屬接觸旁邊并與其相間隔并通過p/n結以電絕緣方式相連接的第二金屬接觸(14，24)，所述第二金屬接觸與保護二極管的襯底直接接觸。
27.按照權利要求26的二極管，其特征在于，第三金屬接觸(15，25)被布置在襯底(11，21)的關于第一和第二金屬接觸(13，23；14，24)的相對側上。
28.按照權利要求26的方法，其特征在于，保護二極管中的p/n結通過肖特基接觸代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能電池裝置，其包含至少一個第一太陽能電池以及至少一個與該太陽能電池相連接的分散式保護二極管(101)。為了在足夠的范圍內通過一個或者多個保護二極管保護太陽能電池或者太陽能電池聯合(如串)而不必絕對必要動用太陽能電池本身的材料的情況下，建議保護二極管除了前和后接觸(13，15)之外還具有與前接觸相間隔并通過p/n結電連接的另一接觸(14)，與第二太陽能電池相連接的連接器從該接觸出發(fā)，所述第二太陽能電池在其側與第一太陽能電池互連成串。
文檔編號H01L27/142GK101057342SQ200580038706
公開日2007年10月17日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權日2004年9月11日
發(fā)明者J·希爾加思, D·波克克, P·尤貝爾 申請人:阿祖爾太空太陽能有限責任公司