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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-27
(45)【発行日】2024-01-11
(54)【発明の名称】ソーラーセルアレイ用のナノ金属接続
(51)【国際特許分類】
H01L 31/05 20140101AFI20231228BHJP
【ＦＩ】
H01L31/04 570
【請求項の数】
16
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2017176672
(22)【出願日】2017-09-14
(65)【公開番号】P2018082153
(43)【公開日】2018-05-24
【審査請求日】2020-09-14
(31)【優先権主張番号】62/394,636
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,616
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,623
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,627
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,629
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,632
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,649
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,666
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,667
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,671
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,641
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/394,672
(32)【優先日】2016-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/643,274
(32)【優先日】2017-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/643,277
(32)【優先日】2017-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/643,279
(32)【優先日】2017-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/643,282
(32)【優先日】2017-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/643,285
(32)【優先日】2017-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/643,289
(32)【優先日】2017-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/643,287
(32)【優先日】2017-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】500520743
【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】レーダー， エリック
(72)【発明者】
【氏名】チウ， フィリップ
(72)【発明者】
【氏名】クロッカー， トム
(72)【発明者】
【氏名】ロウ， ダニエル
(72)【発明者】
【氏名】ウォーターマン， デイル
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－２１０７４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１７５６２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２００００６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０７１２１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１５５０４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５２３１２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－２２３３７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２８２９２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１２５９７６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／０２－３１／０７８
Ｈ０１Ｌ ３１／１８－３１／２０
Ｈ０２Ｓ １０／００－１０／４０
Ｈ０２Ｓ ３０／００－９９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
方法であって、相互接続子を含む第１導電要素及び表面層を含む第２導電要素を使用して、ソーラーセル（１４）と、前記ソーラーセルが取り付けられている基板（１２）との間に電気的接続を形成することを含み、
前記第２導電要素は、前記ソーラーセル上の前面接点及び背面接点の少なくとも一方をさらに含み、
前記電気的接続を形成することが、
前記相互接続子と前記前面接点及び前記背面接点の少なくとも一方との間、並びに前記相互接続子と前記表面層との間にナノ金属材料（６０）を挿入することと、
前記ソーラーセル及び前記第１導電要素の間に前記電気的接続を形成し、且つ前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続を形成するよう、前記ナノ金属材料（６０）を加熱することとを含み、
前記ソーラーセルは、複数の刈り込まれたコーナー部を有し、
前記基板の露出したままのエリアは、複数の前記コーナー部に囲まれ、前記基板内に埋設された一又は複数のコーナー導体を含み、前記表面層は前記コーナー導体上に形成されていて、前記ソーラーセルを前記基板に取り付けた後、前記ソーラーセル及び前記第１導電要素の間に前記電気的接続を形成し、且つ前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続を形成することによって、前記ソーラーセルと前記コーナー導体との間で接続が行われる、方法。
【請求項2】
前記相互接続子は、金属ホイルの相互接続子（７６）である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記表面層がめっきされた表面層である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記ナノ金属材料（６０）が、前記電気的接続を形成するために固体へと溶解または融和する、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）のうちの一又は複数のナノ粒子を含む、ナノ金属のペースト又はインクを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記ナノ粒子が１００ｎｍ未満のサイズを有する、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記ナノ粒子が０．５～１０ｎｍの範囲内のサイズを有する、請求項４に記載の方法。
【請求項7】
前記ナノ金属材料（６０）が、Ａｇピースの間に置かれたＡｕ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌのナノ粒子を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項8】
前記ナノ金属材料（６０）が、摂氏１５０～２５０度の溶解温度または固化温度を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記ナノ金属材料（６０）が、摂氏１７５～２２５度の溶解温度または固化温度を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記ナノ金属材料（６０）が合金ではない、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
相互接続子を含む第１導電要素及び表面層を含む第２導電要素を使用してソーラーセル（１４）と、前記ソーラーセルが取り付けられている基板（１２）との間に形成された電気的接続を備える、物品であって、前記第２導電要素は、前記ソーラーセル上の前面接点及び背面接点の少なくとも一方をさらに含み、
前記電気的接続が、
前記相互接続子と前記前面接点及び前記背面接点の少なくとも一方との間、並びに前記相互接続子と前記表面層との間に挿入されたナノ金属材料（６０）を備え、
前記ナノ金属材料が、前記ソーラーセル及び前記第１導電要素の間に前記電気的接続を形成し、且つ前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続を形成する、加熱されたナノ金属材料（６０）であり、
前記ソーラーセルは、複数の刈り込まれたコーナー部を有し、
前記基板の露出したままのエリアは、複数の前記コーナー部に囲まれ、前記基板内に埋設された一又は複数のコーナー導体を含み、前記表面層は前記コーナー導体上に形成されていて、前記ソーラーセル及び前記第１導電要素の間に前記電気的接続が形成され、且つ前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続が形成されることによって、前記ソーラーセルと前記コーナー導体とが接続されている、物品。
【請求項12】
少なくとも１つのソーラーセル、及び、前記ソーラーセルが取り付けられている基板からなる、ソーラーセルアレイと、相互接続子を含む第１導電要素及び前記基板上の表面層を含む第２導電要素を使用して前記ソーラーセルと前記ソーラーセルが取り付けられている前記基板との間に形成された電気的接続とを備える、ソーラーセルパネルであって、
前記第２導電要素は、前記ソーラーセル上の前面接点及び背面接点の少なくとも一方をさらに含み、
前記電気的接続が、
前記相互接続子と前記前面接点及び前記背面接点の少なくとも一方との間、並びに前記相互接続子と前記表面層との間に挿入されたナノ金属材料を備え、
前記ナノ金属材料が、前記ソーラーセル及び前記第１導電要素の間に前記電気的接続を形成し、且つ前記第１導電要素と前記第２導電要素との間に前記電気的接続を形成する、加熱されたナノ金属材料であり、
前記ソーラーセルは、複数の刈り込まれたコーナー部を有し、
前記基板の露出したままのエリアは、複数の前記コーナー部に囲まれ、前記基板内に埋設された一又は複数のコーナー導体を含み、前記表面層は前記コーナー導体上に形成されていて、前記ソーラーセル及び前記第１導電要素の間に前記電気的接続が形成され、且つ前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続が形成されることによって、前記ソーラーセルと前記コーナー導体とが接続されている、ソーラーセルパネル。
【請求項13】
方法であって、ソーラーセルと基板との間に、相互接続子を含む第１導電要素、及び前記ソーラーセル上の前面接点及び前記基板上の表面層を含む第２導電要素を使用して電気的接続を形成することを含み、
前記第１導電要素は、ビアをさらに含み、
電気的接続を形成することが、
前記ビア及び前記表面層の間にナノ金属材料を挿入することと、
前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続を形成するよう、前記ナノ金属材料を加熱することと、
前記ソーラーセルの前面と背面との間の前記ソーラーセル内に貫通穴を作り出すことと、
前記ソーラーセルの前記前面から前記背面まで前記ビアを作り出し、それによって、前記ソーラーセルの前記前面から前記背面まで電流を導通させるために、前記貫通穴の内部に導電層を堆積させることと、
前記電気的接続を形成するよう、前記前面接点と接続する前記ビアを前記基板のトレースに接続することとを含み、
前記ソーラーセルは、複数の刈り込まれたコーナー部を有し、
前記基板の露出したままのエリアは、複数の前記コーナー部に囲まれ、前記基板内に埋設された一又は複数のコーナー導体を含み、前記表面層は前記コーナー導体に接続された前記トレース上に形成されていて、前記ソーラーセルを前記基板に取り付けた後、前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続を形成することによって、前記ソーラーセルと前記コーナー導体との間で接続が行われる、方法。
【請求項14】
前記導電層が堆積される前に、前記ソーラーセルの前記前面と前記背面との間の前記ソーラーセル内の前記貫通穴の内部を不動態化することと、前記貫通穴が不動態化された後、前記導電層が堆積される前に、前記貫通穴の内部に絶縁層を堆積させることとを更に含み、
前記絶縁層が、前記ソーラーセルの前面表面または背面表面の、前記貫通穴に隣接する部分を覆う、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
ソーラーセルと基板との間に、相互接続子を含む第１導電要素、及び前記ソーラーセル上の前面接点及び前記基板上の表面層を含む第２導電要素を使用して形成された電気的接続を備える、物品であって、前記第１導電要素は、ビアをさらに含み、
前記電気的接続が、
前記ビアと前記表面層との間に挿入されたナノ金属材料と、
前記ソーラーセルの前面と背面との間の前記ソーラーセル内に作り出された、貫通穴と、
前記ソーラーセルの前記前面から前記背面まで前記ビアを作り出し、それによって、前記ソーラーセルの前記前面から前記背面まで電流を導通させるために、前記貫通穴の内部に堆積された導電層とを備え、
前記前面接点に接続された前記ビアが、前記電気的接続を形成するよう、前記基板のトレースに接続されており、
前記ナノ金属材料が、前記第１導電要素と前記第２導電要素との間に前記電気的接続を形成する、加熱されたナノ金属材料であり、
前記ソーラーセルは、複数の刈り込まれたコーナー部を有し、
前記基板の露出したままのエリアは、複数の前記コーナー部に囲まれ、前記基板内に埋設された一又は複数のコーナー導体を含み、前記表面層は前記コーナー導体に接続された前記トレース上に形成されていて、前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続が形成されることによって、前記ソーラーセルと前記コーナー導体とが接続されている、物品。
【請求項16】
少なくとも１つのソーラーセル及び前記ソーラーセル用の基板からなる、ソーラーセルアレイ、及び、前記ソーラーセルと前記基板との間に、相互接続子を含む第１導電要素、及び前記ソーラーセル上の前面接点及び前記基板上の表面層を含む第２導電要素を使用して形成された電気的接続を備える、ソーラーセルパネルであって、
前記第１導電要素は、ビアをさらに含み、
前記電気的接続が、
前記ビアと前記表面層との間に挿入されたナノ金属材料と、
前記少なくとも１つのソーラーセルの前面と背面との間の前記ソーラーセル内に作り出された、貫通穴と、
前記ソーラーセルの前記前面から前記背面まで前記ビアを作り出し、それによって、前記ソーラーセルの前記前面から前記背面まで電流を導通させるために、前記貫通穴の内部に堆積された導電層とを備え、
前記前面接点に接続された前記ビアが、前記電気的接続を形成するよう、前記基板のトレースに接続されており、
前記ナノ金属材料が、前記第１導電要素と前記第２導電要素との間に前記電気的接続を形成する、加熱されたナノ金属材料であり、
前記ソーラーセルは、複数の刈り込まれたコーナー部を有し、
前記基板の露出したままのエリアは、複数の前記コーナー部に囲まれ、前記基板内に埋設された一又は複数のコーナー導体を含み、前記表面層は前記コーナー導体に接続された前記トレース上に形成されていて、前記第１導電要素及び前記第２導電要素の間に前記電気的接続が形成されることによって、前記ソーラーセルと前記コーナー導体とが接続されている、ソーラーセルパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は概してソーラーセルパネルに関し、より具体的には、ソーラーセルアレイの接点で使用されうる、ソーラーセルアレイ用のナノ金属接続に関する。
【背景技術】
【0002】
典型的な宇宙飛行可能なソーラーセルパネルの組み立ては、ソーラーセルの長いストリングの構築を伴う。これらのストリングの長さは可変であり、例えばセル２０個に及び、またそれを超えるような、非常に長いものでありうる。こうした、長くて可変で壊れやすい機材を組み立てることは困難であり、そのために組み立ての自動化が阻害されてきた。
【0003】
現存する解決法では、ＣＩＣ（セル、相互接続子、及びカバーガラス）ユニットに組み立てられたソーラーセルが使用される。ＣＩＣは、ＣＩＣの一面から平行に延在するセルの前面に接続された、金属ホイルの相互接続子を有する。ＣＩＣは、互いに近接して配置され、相互接続子によって隣接するセルの底部に接続されている。これらの相互接続子を用いることで、ＣＩＣは直線状のストリングへと組み立てられる。これら直線状のストリングは手作業で構築され、次いで、可変の長さの多数のストリングからなる大きなソーラーセルアレイを形成するようにレイアウトされる。
【0004】
さらに、セルが部分的に影になったときにセルを逆バイアスから保護するため、バイパスダイオードが使用される。バイパスダイオードは一般的に、ソーラーセルアレイ内の２つの隣接するセルの背面接点間を接続する。
【0005】
ソーラーセルアレイは、人工衛星内で使用される場合、通常、パネルとしてパッケージ化される。パネルの寸法は、必要な電力、並びに打ち上げ機内に人工衛星を搭載し、格納するために必要なサイズ及び形状といった制約を含む、人工衛星の必要性によって決定される。さらに、パネルを展開する際、パネルのいくつかの部分を機械設備のために使用することがしばしば必要になり、ソーラーセルアレイはこれらの箇所を避けなければならない。実際には、パネルは概して長方形であるが、その寸法及びアスペクト比はバリエーションが大きい。このスペースを埋めるＣＩＣ及びストリングのレイアウトは、発電量を最大にするために高度にカスタマイズされなければならず、その結果、製作工程は手作業が多くなる。
【0006】
そこで、ソーラーセルアレイのカスタマイズ性能を保持しつつソーラーセルアレイの製造の自動化を推進する手段が、必要とされている。
【発明の概要】
【0007】
本開示の装置及び方法は、以下に列挙される例に限定しないがそれらを含めて、様々な形で具現化される。
【0008】
１．第１導電要素と第２導電要素との間に形成される電気的接続であって、第１導電要素と第２導電要素との間にナノ金属材料を挿入することと、第１導電要素と第２導電要素との間に電気的接続を形成するよう、ナノ金属を加熱することとを含む、電気的接続。
【0009】
２．電気的接続は、ソーラーセルとソーラーセルが取り付けられている基板との間にあり、第１導電要素及び第２導電要素は、（１）金属ホイルの相互接続子、及び、基板上のめっきされた表面層、並びに／又は、（２）金属ホイルの相互接続子、及び、ソーラーセルの前面接点又は背面接点、を含む。
【0010】
３．ナノ金属材料は、電気的接続を形成するために固体と溶和または融和する、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び／又はアルミニウム（Ａｌ）のナノ粒子のうちの一又は複数からなる、ナノ金属ペーストを含む。ナノ粒子は、約１００ｎｍ未満、より好ましくは約０．５～１０ｎｍの範囲内のサイズを有する。ナノ金属材料は、摂氏約１５０～２５０度、より好ましくは摂氏約１７５～２２５度の溶融温度を有する。
【0011】
４．ソーラーセルと基板との間に、ソーラーセルの前面と背面との間のソーラーセル内に貫通穴を作り出すことと、ソーラーセルの前面と背面との間のソーラーセル内の貫通穴の内部を不動態化することと、貫通穴の内部に絶縁層を堆積させ、ソーラーセルの前面表面または背面表面の、貫通穴に隣接する部分を覆うことと、ソーラーセルの前面から背面までビアを作り出し、それによって、ソーラーセルの背面接点を作り出すために、貫通穴の内部、及び、ソーラーセルの前面表面と背面表面の両方の貫通穴に隣接する部分に、導電層を堆積させることであって、ビアはソーラーセルの前面の接点にも接続される、導電層を堆積させることと、次いで、電気的接続を形成するよう、背面接点を基板のトレースに接続することとによって形成された、電気的接続。
【0012】
５．ビアは、基板を通り抜けるレーザ溶接、はんだ付け、又はナノ金属ペーストを付けることによって、基板のトレースに接続されうる。
【0013】
ここで、図面を参照する。各図面を通じて、類似の参照番号は対応する部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】ソーラーセルパネルの従来型の構造を示す。
【図2】ソーラーセルパネルの従来型の構造を表す。
【図3A-3B】一例による、ソーラーセルパネル向けの改良型の構造を示す。
【図4A-4B】一例による、ソーラーセルパネル向けの代替構造を示す。
【図7】一例による、アレイの２次元（２Ｄ）格子状に配列されたセルを示す。
【図8】基板のコーナー領域内の露出したエリアに、一又は複数のバイパスダイオードが追加された、アレイの一例を示す。
【図9】バイパスダイオードがセルの背面に付けられ、バイパスダイオード用の相互接続子または接点が前面接点と背面接点の間のコーナー領域内に延在している、一例を示す。
【図11】アレイの２Ｄ格子状に配列され基板に付けられた図９及び図１０のセルであって、バイパスダイオードがセルの背面に付けられ、バイパスダイオード用の接点がセルのコーナー領域内に延在している、図９及び図１０のセルを示す。
【図12】一例による、アレイのセル間の上方向／下方向の直列接続を示す。
【図13】一例による、アレイのセル間の左方向／右方向の直列接続を示す。
【図15】一例による、可撓性シートの組立品である基板上のソーラーセルであって、ソーラーセルパネル上のソーラーセルアレイの一部である、ソーラーセルの側面図を示す。
【図16】基板内に埋設された接続部との電気的接続の全てがソーラーセルの背面でなされる構成を示す。
【図17】前面接点及び背面接点から電流を抽出するために、トレースがソーラーセルの下で、基板内にどのようにレイアウトされうるかを示す。
【図18】一例による、ソーラーセル、ソーラーセルパネル、及び／または人工衛星の製作方法を示す。
【図19】一例による、結果的に製作される、ソーラーセルからなるソーラーセルパネルを有する人工衛星を示す。
【図20】一例によるソーラーセルパネルを、機能ブロック図の形態で示す。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下の説明で、本願の一部である添付図面を参照する。これらの添付図面は、本開示が実施されうる具体的な例を示す目的で図示されている。他の例も利用可能であることと、本開示の範囲を逸脱することなく構造的な変更が加えられてよいことは、理解すべきである。
【0016】
概要
例えば宇宙飛行用電力の用途に使用される、ソーラーセルアレイの設計に関する新たな手法は、アレイ内のソーラーセル間の電気的接続に基づいている。
例えば宇宙飛行用電力の用途に使用される、ソーラーセルアレイの設計に関する新たな手法は、アレイ内のソーラーセル間の電気的接続に基づいている。
【0017】
これらの新たな手法は、ソーラーセルの構成要素及びアレイ内のソーラーセルの配列を配列し直すものである。ソーラーセルを接続して長い直線状のストリングにしてから基板上に組み立てる代わりに、ソーラーセルを、隣接するセルのコーナー領域が基板上で位置合わせされるようにして個別に基板に取り付け、それによって基板のあるエリアを露出させる。セル間の電気的接続は、基板上または基板内でこれらのコーナー領域内に形成された、コーナー導体によってなされる。結果として、この手法は、個別のセルをベースにしたソーラーセルアレイの設計を提示している。
【0018】
こうして、ソーラーセルアレイの製作に際して、単一のレイダウンプロセスとレイアウトが使用されうる。ソーラーセル間の電流の流れは、基板内に埋設された導体によって補助される。これらの電気的接続によって、そのソーラーセルアレイの具体的な特性、例えばその寸法、ステイアウト区域、及び回路の終端が規定される。この手法によって製造が簡素化され、自動化が可能になり、コストと搬送時間が最少化される。
【0019】
図１及び図２は、基板１２、アレイに配列された複数のソーラーセル１４、及びソーラーセル１４間の電気コネクタ１６を含む、ソーラーセルパネル１０の従来型構造を示す。図１にはハーフサイズのソーラーセル１４が、図２にはフルサイズのソーラーセル１４が示されている。宇宙用ソーラーセル１４は、円形のゲルマニウム（Ｇｅ）基板の出発材料から作られる。より高密度でソーラーセルパネル１０に搭載するため、これらは後に、準長方形の形状に加工される。このウエハは、しばしば１つまたは２つのソーラーセル１４にダイスカットされる。これらは、ここではハーフサイズまたはフルサイズのソーラーセル１４として記載される。ソーラーセル１４間を電気的に接続する電気コネクタ１６は、ソーラーセル１４間の長い平行な端部に沿って作られている。（セルとセルとの）これらの直列接続は、基板に取り付けられていない状態で完成される。なぜならば、ソーラーセル１４が接続されてできるストリングは、任意の数のソーラーセル１４の長さを持つように構築されるからである。ソーラーセル１４のストリングは、完成した後に基板１２に付けられ、取り付けられる。
【0020】
図２では、ストリングを他のストリングに電気的に接続するためか、または配線を終端処理して回路とし、ソーラーセル１４のアレイの電流をここで断ち切るために、配線１８がソーラーセル１４のストリングの終端に取り付けられている。ストリングとストリングの間の接続及び回路終端の接続は、通常、基板１２上で行われ、通常、配線１８を使用して行われる。しかし、一部の小型ソーラーセルパネル１０では、導体が埋設されたプリント回路基板（ＰＣＢ）タイプの機材が使用される。
【0021】
接続されたソーラーセル１４でできた、隣接するストリング同士は、平行または反平行に延びていることができる。加えて、接続されたソーラーセル１４でできたストリングは、整列されていることも、いないこともできる。ソーラーセル１４のレイアウトに対して互いに競合する影響を与えるものは多い。その結果、ソーラーセル１４が平行な領域または反平行である領域、整列されている領域または整列されていない領域が存在する。
【0022】
図３Ａ－３Ｂは、一例による、ソーラーセルパネル１０ａの改良された構造を示す。図３Ｂは、図３Ａの破線円内の詳細拡大図である。図５～図１３では、ソーラーセルパネル１０ａの様々な構成要素が示され、より詳細に記載されている。
【0023】
ソーラーセルパネル１０ａは、上に一又は複数のコーナー導体２０を有する、ソーラーセル１４用の基板１２を含む。一例では、基板１２は、一又は複数のパターニングされた金属層を分離する一又は複数のＫａｐｔｏｎ（登録商標）（ポリイミド）層からなる、多層基板１２である。基板１２は、従来型の組立品と同様の、大きな剛性のパネル１０ａに装着されていてよい。代わりに、基板１２は、装着用または展開用の、より軽くより薄いフレームまたはパネル１０ａに装着されることができる。
【0024】
複数のソーラーセル１４が、基板１２に、アレイ２２の２次元（２Ｄ）格子状に取り付けられている。この例では、アレイ２２は、４段×２４列に配列された、９６個のソーラーセル１４からなっているが、異なる実行形態では、任意の数のソーラーセル１４が使用されうることが、認められている。
【0025】
ソーラーセル１４のうちの少なくとも１つは、破線円によって示されるように、コーナー領域２６を画定する少なくとも１つの刈り込まれたコーナー部２４を有する。ソーラーセル１４は、隣接するソーラーセル１４のコーナー領域２６同士が位置合わせされるようにして、基板１２に取り付けられており、それによって基板１２のエリア２８が露出している。基板１２の露出しているエリア２８は、一又は複数のコーナー導体２０を含み、ソーラーセル１４の刈り込まれたコーナー部２４によってできたコーナー領域２６内で、ソーラーセル１４とコーナー導体２０との間の一又は複数の電気的接続がなされている。
【0026】
この例では、コーナー導体２０は、ソーラーセル１４が基板１２に取り付けられる前及び／または後に、基板１２に取り付けられたか、基板１２上にプリントされたか、基板１２内に埋設されたか、基板１２上に堆積した導電経路であって、隣接するソーラーセル１４間の接続を促進する。ソーラーセル１４とコーナー導体２０との間の接続は、ソーラーセル１４が基板１２に取り付けられた後に行われる。
【0027】
一例では、４つの隣接するソーラーセル１４が基板１２上で位置合わせされ、各ソーラーセル１４から１つずつの計４つの刈り込まれたコーナー部２４がコーナー領域２６で集まって一緒になっている。次に、ソーラーセル１４は基板１２に個別に取り付けられる。このときソーラーセル１４はコーナー導体２０の上に置かれ、ソーラーセル１４とコーナー導体２０との間で電気的接続が行われる。
【0028】
ソーラーセル１４は、ＣＩＣ（セル、相互接続子、カバーグラス）ユニットとして基板１２に付けることができる。代わりに、未被覆のソーラーセル１４を基板１２に付けることができ、カバーガラスは後で、透明接着剤を用いてソーラーセル１４の前面に付けることができる。この組立品は、ソーラーセル１４を、性能を制限するような宇宙放射線による損傷から保護する。
【0029】
図４Ａ及び図４Ｂは、一例による、ソーラーセルパネル１０ａの代替構造を示す。図４Ｂは、図４Ａの破線円内の詳細拡大図である。この例では、ごく少数のコーナー導体２０のみが、基板１２上にプリントされているか、または基板１２に組み込まれている。その代わりとしては、コーナー導体２０のほとんどが、基板１２に取り付けられている電力ルーティングモジュール（ＰＲＭ）３０内に含まれる。
【0030】
図５は、図３Ａ－３Ｂ、及び図４Ａ－４Ｂの改良型ソーラーセルパネル１０ａで使用されうる、例示のソーラーセル１４の前面を示す。ＣＩＣユニットであるソーラーセル１４は、ハーフサイズのソーラーセル１４である。（フルサイズのソーラーセル１４もまた使用されうる。）
【0031】
破線円で示されるように、ソーラーセル１４は、コーナー領域２６を画定する少なくとも１つの刈り込まれたコーナー部を有するように製作されており、それによって、刈り込まれたコーナー部２４によってできたコーナー領域２６には、ソーラーセル１４との電気的接続をなす少なくとも１つの接点３２、３４が含まれる。図５に示す例では、ソーラーセル１４は２つの刈り込まれたコーナー部２４を有し、そのそれぞれが、ソーラーセル１４の前面にある前面接点３２と、ソーラーセル１４の背面にある背面接点３４の両方を有し、接点３２及び接点３４はコーナー領域２６内に延在している。（フルサイズのソーラーセル１４は４つの刈り込まれたコーナー部２４を有し、そのそれぞれが、１つの前面接点３２及び１つの背面接点３４を有する。）
【0032】
刈り込まれたコーナー部２４があることによって、ソーラーセル１４の出発材料として円形のウエハを利用することが多くなる。従来型のパネル１０では、ソーラーセル１４が基板１２に取り付けられた後、これらの刈り込まれたコーナー部２４は、結果的にパネル１０上の不使用スペースになってしまう。しかし、本開示で記載するこの新たな手法では、この不使用スペースが利用される。具体的には、コーナー導体２０、前面接点３２及び背面接点３４を備える金属ホイル相互接続子が、コーナー領域２６に移動される。これに対して、既存のＣＩＣはソーラーセル１４の前面に取り付けられた相互接続子を有しており、ストリングの作製中に背面（接続が起こるところ）に接続される。
【0033】
ソーラーセル１４によって生成された電流は、どちらの前面接点３２にも接続された、細型の金属フィンガー３８とより広い金属バスバー４０の格子３６によって、ソーラーセル１４の前面で集電される。格子３６に金属を追加してソーラーセル１４に入る光を減らしソーラーセル１４の出力を減らすことと、金属が増えることで抵抗が減少することとは、バランスの関係にある。バスバー４０は低抵抗導体であり、大電流を搬送すると共に、前面接点３２が切断された場合には冗長性も提供する。一般的に、最適化のためには前面接点３２間に直接延びる短いバスバー４０が必要とされる。刈り込まれたコーナー部２４内に前面接点３２を有することによって、バスバー４０をソーラーセル１４の外周から離す結果となる。これが達成される一方、同時に、バスバー４０の長さが最小化され、光遮蔽が最小化される。加えて、これによってフィンガー３８も短くなる。これによって、格子３６内の寄生抵抗が減少する。なぜならば、フィンガー３８の長さが短くなり、搬送される電流の総量が減少するからである。これによって、細型のフィンガー３８をより短くするために、前面接点３２と接続相手のバスバー４０を移動する、という設計上の好みが生まれる。
【0034】
【0035】
図７は、一例による、アレイ２２の２Ｄ格子状に配列されたソーラーセル１４を示す。アレイ２２は、隣接するソーラーセル１４のコーナー領域２６同士が位置合わせされるようにして基板１２に取り付けられている、複数のソーラーセル１４を備えており、それによって基板１２のエリア２８が露出している。ソーラーセル１４間の電気的接続（図示せず）は、ソーラーセル１４の前面接点３２及び背面接点３４、並びに、基板１２の露出したエリア２８上またはエリア２８内に形成されたコーナー導体２０（図示せず）を使用して、基板１２の露出したエリア２８内で、なされている。
【0036】
組み立て中、ソーラーセル１４は、基板１２に個別に取り付けられる。この組み立ては、剛性と可撓性のどちらでもありうる支持面、即ち基板１２上で、直接行われることができる。代わりに、ソーラーセル１４は、仮の支持面上でアレイ２２の２Ｄ格子状に組み立てられ、その後に最終的な支持面、即ち基板１２へと移送されてもよい。
【0037】
図８は、基板１２のコーナー領域２６内の露出したエリア２８に、一又は複数の電気的接続で使用しるための一又は複数のバイパスダイオード４４が追加された、アレイ２２の一例を示す。バイパスダイオード４４は、ソーラーセル１４が電流を生成できなくなった場合にソーラーセル１４を保護する。ソーラーセル１４が電流を生成できなくなった場合とは、部分的に影になったせいでもありうるが、その場合には、ソーラーセル１４に逆バイアスがかかる。一例では、バイパスダイオード４４は、ソーラーセル１４から独立して、基板１２のコーナー領域２６に取り付けられている。
【0038】
図９は、バイパスダイオード４４がソーラーセル１４の背面に付けられ、バイパスダイオード４４用の相互接続子または接点４６のうちのいずれかが、前面接点３２と背面接点３４の間のコーナー領域２６内に延在している、一例を示す。
【0039】
【0040】
図１１は、バイパスダイオード４４（図示せず）がソーラーセル１４の背面に付けられ、バイパスダイオード４４用の接点４６がソーラーセル１４のコーナー領域２６内に延在している、アレイ２２の２Ｄ格子状に配列され基板１２に付けられた、図９及び図１０のソーラーセル１４を示す。
【0041】
この手法の１つの利点は、図７、図８、及び図１１で示されるレイアウトが、普遍化されたレイアウトであることである。具体的には、これらのレイアウトは、パネル１０ａの顧客が所望する任意の寸法にわたって、反復することができる。これによって、組み立て、改修、試験、及び検査の各工程が非常に簡素化される。
【0042】
ソーラーセル１４とバイパスダイオード４４の配置に続いて、カスタマイズが行われる別のステップが存在する。ソーラーセル１４のコーナー領域２６内で、前面接点３２と背面接点３４とが、接続されなければならない。電流を所望の経路でルーティングするために、これは多数の組合せで行うことができる。
【0043】
ソーラーセル１４を基板１２に取り付けた後、ソーラーセル１４とコーナー導体２０との間で接続が行われる。ソーラーセル１４の前面接点３２及び背面設定３４は、コーナー導体２０に取り付けるため、各コーナー領域２６にある。各ソーラーセル１４の前面接点３２及び背面接点３４用の相互接続子は、電力をソーラーセル１４の外部にルーティングする導電経路２０、３２、３４を設けるため、コーナー導体２０に溶接、はんだづけ、または他のやり方で接合される。
【0044】
コーナー導体２０を使用して、電気的接続において任意のカスタマイズを行うことができる。隣接するソーラーセル１４は、具体的な設計の要望に従って、電流を上方向／下方向、または左方向／右方向に流すように電気的に接続されることができる。必要に応じて、電流がステイアウト区域を迂回するようにルーティングすることもできる。ソーラーセルアレイ２２の長さや幅は、所望に応じて設定することができる。また、アレイ２２の幅は、長さに応じて変化することもできる。
【0045】
一例では、電気的接続は、複数のソーラーセル１４を通る電流の流量を決定する、直列接続である。これは、図１２及び図１３に示す接続スキームによって達成されうる。図１２は、アレイ２２のソーラーセル１４間の上方向／下方向の直列接続４８を示しており、図１３は、アレイ２２のソーラーセル１４間の左方向／右方向の直列接続５０を示している。図１２及び図１３のどちらにおいても、これらの直列接続４８、５０は、ソーラーセル１４の前面接点３２及び背面接点３４とバイパスダイオード４４との間の電気的接続であり、これらの直列接続は、基板１２の露出したエリア２８上またはエリア２８内に形成されたコーナー導体２０を使用してなされている。基板に取り付けられていない状態の大きなストリングの組立品とは異なり、矢印５２で示される、ソーラーセル１４を通じた電流（電力）量は、これらの直列接続４８、５０によって左右される。
【0046】
ソーラーセル１４間のコーナー導体２０は、様々な形態であることができる。コーナー導体２０は、はんだ付け、溶接、導電性接着剤、または他の処理でありうる方法で両端になされた電気的接続を有する、電線を使用して完成することができる。電線に加えて、相互接続子と同様の金属ホイルコネクタもまた適用されうる。金属導体経路またはトレース（図示せず）もまた、基板１２に組み込まれていることができる。
【0047】
要約すると、この新たな手法は、２個、３個、または４個の隣接するソーラーセル１４のコーナー領域２６同士が、基板１２上で位置合わせされるようにして、ソーラーセル１４を個別に基板１２に取り付けるものである。ソーラーセル１４は、刈り込まれたコーナー部２４同士が位置合わせされてコーナー領域２６同士が隣接し、それによって基板１２のエリア２８が露出するようにして、レイアウトされうる。ソーラーセル１４間の電気的接続は、これらのコーナー領域２６内で、ソーラーセル１４の前面接点３２及び背面接点３２と、バイパスダイオード４４と、基板１２の露出したエリア２８上またはエリア２８内のコーナー導体２０との間でなされる。これらの導電経路は、回路を含む直列接続４８、５０でソーラーセル１４のストリングを作り出すのに使用される。
【0048】
ナノ金属接続
宇宙用のソーラーセルアレイ２２のための電気的接続は、非常に重要なものである。この電気的接続は、製造可能であると共に、主に軌道上での広範な熱サイクルの発生による困難な環境に耐えるよう、信頼性が高いものでなくてはならない。
宇宙用のソーラーセルアレイ２２のための電気的接続は、非常に重要なものである。この電気的接続は、製造可能であると共に、主に軌道上での広範な熱サイクルの発生による困難な環境に耐えるよう、信頼性が高いものでなくてはならない。
【0049】
はんだを使用する電気的接続は、製造可能性が高いが、より平穏な宇宙ミッションにのみ足るものである。はんだ接続は低圧及び低温での製造可能性が高いが、はんだは、種々の金属組成を伴う合金の小さな結晶粒（ｇｒａｉｎ）からなり、これらの合金は＜３００°Ｃという低い溶解温度を有する。結果的に、はんだ合金の位相及び結晶粒は、熱サイクルを通じて劣化する。
【0050】
その一方で、溶接が、上記の条件下での耐久性により、業界標準となっている。溶接接続は、熱サイクルを通じて良好な性能を有するＡｇ／Ａｇ接合部を使用する、固体相で単相の金属接続を形成しうる。しかし、溶接プロセスには、部品の厳密な機械的位置合わせ、及び、破断につながりうる溶接チップの高い圧力が必要になる。
【0051】
したがって、抵抗性溶接接続の耐久性と共に、はんだ付け接続の製造の容易さを有することが望ましい。
【0052】
この開示は、宇宙用のソーラーアレイ２２に電気的接続を形成するためにナノ金属を使用することの価値を認定している。これらのナノ金属は、はんだの製造可能性を有しつつも、溶接接続にその耐久性を付加するものである、高融点材料の単一組成を形成する。
【0053】
【0054】
図１４Ａは溶接前の溶接ベースの電気的接続を示し、図１４Ｂは溶接後の溶接ベースの電気的接続を示しており、２つのＡｇ金属ピース５４ａ、５４ｂが使用される。２つのＡｇ金属ピース５４ａ、５４ｂがミクロレベルで合致することの重要性を強調するために、これらのピースが接触している場所の粗さが描かれている。抵抗性溶接チップ５６ａ、５６ｂは、対向している両方の面に大きな力を印加し、ピース５４ａ、５４ｂを一緒にする。電流のパルスはチップ５６ａと５６ｂとの間に流れる。この電流がピース５４ａ、５４ｂの金属を急速に加熱すると共に、チップ５６ａ、５６ｂの力が印加されることで、ピース５４ａ、５４ｂにより堅固なＡｇ接合部が形成され、このＡｇ接合部は、熱サイクルの発生に対して良好な耐性を有する。
【0055】
図１４Ｃは、はんだ５８の加熱前のはんだベースの電気的接続を示し、図１４Ｄは加熱後のはんだベースの電気的接続を示しており、２つのＡｇ金属ピース５４ａと５４ｂとの間にはんだ５８が位置しているピース５４ａ、５４ｂが使用される。はんだの多くは、一般的に、１５０～２５０°Ｃという低融点を提供する、インジウム（Ｉｎ）、すず（Ｓｎ）、及び／又は鉛（Ｐｂ）の合金を伴うと、考えられうる。Ａｇは、はんだ５８に追加されることが多く、この事例で示しているようなＡｇ金属ピース５４ａ、５４ｂにはんだ付けを行う時の反応を制御する。はんだ５８は、共晶相ダイアグラムを有する少なくとも２つの金属の混合物が基となっている。共晶は、低融点を有する金属組成である。溶解した金属は、単一組成を有する。この溶解した金属は、冷却すると、共晶変態を伴って固化し、大いに異なる２つの組成となる。例えば、Ｓｎ／Ｐｂはんだ５８であれば、固化して、Ｓｎリッチ相とＰｂリッチ相になる。（図１４Ｃ及び図１４Ｄの円は異なる位相を有する結晶粒を示すためのものである。）全体としては、固体では、組成は溶解状態と同じであるが、組成の分布が異なる。これらの位相は、別々の融点、クリープ速度、及び熱膨張率を有するしたがって、これらの位相は熱サイクルに対して別様に反応し、このことが、結晶粒間の空隙の形成につながる。これらの空隙は、成長して亀裂となり、最終的には不具合につながる。はんだ溶解プロセスの小さな力と低い温度が望ましいが、熱サイクルの発生に対するより大きな抵抗性も必要になる。
【0056】
図１４Ｅは加熱前のナノ金属ベースの電気的接続を示し、図１４Ｆは加熱後のはんだベースの電気的接続を示しており、２つのＡｇ金属ピース５４ａと５４ｂとの間にナノ金属材料６０が位置している、ピース５４ａ、５４ｂを使用する、一例では、ナノ金属材料６０は、約１００ｎｍ未満のサイズ（可能であれば、約０．５～１０ｎｍの範囲内のサイズ）を有するナノＡｇ粒子を含むペースト又はインクなどの、ナノＡｇ材料である。小さなナノＡｇ粒子は非常に大きな表面積を有する。つまり、Ａｇ原子の多くが結合していない。この結合の欠如は不安定性である。これらの粒子におけるＡｇは不安定である。表面Ａｇ原子は、接触の際に結合せず、動くこと、又は再配列されることが可能である。結果として、１５０～２５０°Ｃの温度におけるＡｇ原子の移動性が高まるが、これは溶解に類似する。上記の温度において、ナノＡｇ粒子は、１つのネットワークに融合する。＜１８０°Ｃという比較的低い温度、及び、＜１ＭＰａという比較的低い印加圧力により、固体相で単相のＡｇの多孔性ネットワークが生じる。＞２００°Ｃという比較的高い温度、及び、＞１ＭＰａという比較的高い印加圧力により、高密度化が起こる。これは、集積開路を回路基板に取り付けるために使用されており、熱サイクルの発生に抗する寿命が、はんだと比較して向上することを示してきた。ナノＡｇ材料６０は、はんだ５８と同様に付けられ、処理される。したがって、この材料は、はんだ５８の製造上の利点を提供する。熱処理後に、Ａｇ金属ピース５４ａ、５４ｂとナノＡｇ材料６０との間に、熱サイクルに対する耐性を有する堅固なＡｇ接合部が形成される。
【0057】
図１５は、一例による、可撓性シートの組立品である基板１２上のソーラーセル１４であって、ソーラーセルパネル１０ａ上のソーラーセルアレイ２２の一部である、ソーラーセル１４の側面図を示す。基板１２は、ポリイミドベース層６２と、その上の銅（Ｃｕ）層６４とを含み、Ｃｕ層６４はパターニングされて２つのコーナー導体２０になる。頂部のポリイミドオーバーレイ６６が、Ｃｕ層６４の前面に接して配置される。頂部のポリイミドオーバーレイ６６は、Ｃｕ層６４の２つのコーナー導体２０まで貫通する穴を有し、この穴は後に、Ａｇ又はＡｕの表面層６８でめっきされる。右側に示されているのは、接着剤７０で背面が基板１２に取り付けられているソーラーセル１４と、ソーラーセル１４の前面（頂部）にある格子３６と、接着剤７４で格子３６及びソーラーセル１４の前面に取り付けられたカバーガラス７２とを備える、ＣＩＣユニットである。基板１２のＣｕ層６４のコーナー導体２０上のＡｇ又はＡｕのめっき表面層６８の頂部にあるナノ金属材料６０、及び、ソーラーセル１４の前面と背面の両方の接点３２、３４の頂部にあるナノ金属材料６０に取り付けられた、金属ホイルの相互接続子７６も見ることができる。金属ホイルの相互接続子７６は、バイパスダイオード４４（図示せず）とも接続しうる。
【0058】
具体的には、図１５は、第１導電要素と第２導電要素との間に形成された電気的接続であって、第１導電要素と第２導電要素との間にナノ金属材料６０を挿入することと、次いで、第１導電要素と第２導電要素との間に電気的接続を形成するよう、ナノ金属材料６０を溶解温度又は固化温度に加熱し、加熱されたナノ金属材料６０を形成することとによって形成される、電気的接続も示す。この例では、第１導電要素及び第２導電要素は、（１）金属ホイルの相互接続子７６、及び、Ａｇ又はＡｕのめっき表面層６８、並びに、（２）金属ホイルの相互接続子７６、及び、ソーラーセル１４の前面接点又は背面接点３２、３４、を含む。さらに、ナノ金属材料６０は、ソーラーセル１４及びソーラーセル１４が取り付けられている基板１２と共に使用される、あらゆる電気的接続に適用されうる。
【0059】
ナノ金属材料６０は、一又は複数のＡｇナノ粒子からなるペーストまたはインクであると上記で説明したが、この材料に限定されるわけではない。代替例では、ナノ金属材料６０は、電気的接続を形成するために、はんだ５８と同様に固体と溶和または融和する、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、及び／又はＡｌのナノ粒子のうちの一又は複数からなる、ナノ金属のペーストまたはインクを含む。好ましくは、ナノ金属材料６０の粒子は、例えば摂氏約１５０～２５０度、より好ましくは摂氏約１７５～２２５度の、低い溶融温度を有する。
【0060】
とはいえ、ナノ金属材料６０にはＡｇが好ましいことがある。なぜなら、Ａｇは高導電性であり、所望の形状に容易に形成されうることから、多くの場合、金属ホイルの相互接続子７６及び格子３６にＡｇが使用されるからである。ただし、Ａｇは変色し、かつ、多原子酸素が存在する宇宙環境においては腐食されうる。場合によっては、たとえコストが上昇しても、又は、ＡｕコーティングしたＡｇとして使用するために、Ａｕが好ましいこともある。他の代替形態は、Ａｇ又はＡｕよりもかなり低コストになる、Ｃｕ又はＡｌを含む。上記の金属のうちの任意のものが、金属ホイルの相互接続子７６及び／又はナノ金属材料６０の両方に、使用されうる。
【0061】
多くの場合、ナノ金属材料６０は合金ではない。合金材料は種々の溶解温度を有し、このことが、極端な熱サイクルが発生する際には問題になりうる。
【0062】
しかし、混合材料の一事例は、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、及び／又はＡｌのナノ粒子を含むペーストまたはインクからなるナノ金属材料６０が、Ａｇピース５４ａと５４ｂとの間に置かれる場合である。したがって、これらの金属の間には界面が存在することになる。この界面は、（約４００°Ｃを上回る）高融点の金属間の、サイズがミリ単位の単一の大きな界面である。これは、約４００°Ｃ未満の融点を有するミクロサイズの結晶粒間に多数の金属界面を有するはんだ接続とは、非常に異なる構成である。したがって、この界面のクリープ、流動、及び不具合は、はんだ界面と比べて大幅に発生しにくくなる。
【0063】
背面接点
この開示は、金属が露出していないソーラーセルアレイ２２を形成するために、背面接点３４を有するソーラーセル１４が、基板１２上のプリントされたコーナー導体２０とどのように結合されうるかについても説明する。具体的には、ソーラーセル１４内に貫通穴が形成される。次いで、ビアを作り出してソーラーセル１４の前面接点３２をソーラーセル１４の背面接点３４に接続し、レーザ溶接、はんだ付けを使用して、又は、ナノ金属ペースト若しくは他の導電性接着剤を付けることで、基板１２のトレースと接続するために、貫通穴が金属でめっきされるか、又は貫通穴に金属が堆積される。
この開示は、金属が露出していないソーラーセルアレイ２２を形成するために、背面接点３４を有するソーラーセル１４が、基板１２上のプリントされたコーナー導体２０とどのように結合されうるかについても説明する。具体的には、ソーラーセル１４内に貫通穴が形成される。次いで、ビアを作り出してソーラーセル１４の前面接点３２をソーラーセル１４の背面接点３４に接続し、レーザ溶接、はんだ付けを使用して、又は、ナノ金属ペースト若しくは他の導電性接着剤を付けることで、基板１２のトレースと接続するために、貫通穴が金属でめっきされるか、又は貫通穴に金属が堆積される。
【0064】
これにより、電気的接続が、宇宙環境に露出されずに、宇宙環境から保護されることが、可能になる。例えば、金属が露出したソーラーセルアレイ２２は、ＥＳＤ損傷に対して脆弱である。これまでは、ＥＳＤを防止するために、絶縁性ポリマーの塗料又はコーティングが露出した金属フィーチャに付けられてきた。
【0065】
図１６も、可撓性シートの組立品である基板１２上のソーラーセル１４であって、基板１２がポリイミドベース層６２と、その上のＣｕ層６４とを含む、ソーラーセル１４の側面図を示す。頂部のポリイミドオーバーレイ６６は、Ｃｕ層６４の前面表面に接して配置され、Ｃｕ層６４の前面表面は後に、Ａｇ又はＡｕの表面層６８でめっきされる。右側に示されているのは、背面が基板１２に取り付けられているソーラーセル１４と、ソーラーセル１４の前面（頂部）にある格子３６と、接着剤７４で格子３６及びソーラーセル１４の前面に取り付けられたカバーガラス７２とを備える、ＣＩＣユニットである。
【0066】
この構成では、基板１２のＣｕ層６４内にパターニングされた埋設されたトレース７８、８０との電気的接続のすべてが、ソーラーセル１４の背面でなされる。これは、ソーラーセル１４の背面接点３４との接続を行う場合には、やや単純なやり方である。しかし、この開示は、ソーラーセル１４の前面接点３２がソーラーセル１４の背面と電気的に接続されるように、ソーラーセル１４の前面からソーラーセル１４の背面までの、めっきされた貫通穴又はビア８２を追加している。
【0067】
一例では、貫通穴８２は、ソーラーセル１４の前面と背面との間に、ソーラーセル１４の半導体層を通って作り出される。次いで、貫通穴８２の内部側壁は、ソーラーセル１４の前面と背面との間で不動態化され、貫通穴８２の端から端まで延在する絶縁層８４が、貫通穴８２の内部に付けられ、かつ、ソーラーセル１４の前面表面と背面表面の両方の、貫通穴８２に隣接する部分を覆う。貫通穴８２の内部、及び、ソーラーセル１４の前面表面と背面表面の両方の、貫通穴８２に隣接する部分に、導電層８６が堆積され、結果として、ビア８２が作り出される。ビア８２は、ソーラーセル１４の前面の前面接点３２からソーラーセル１４の背面まで、導電経路を提供する。
【0068】
次いで、はんだ５８（またはナノ金属材料６０）、及び、Ａｇ又はＡｕのめっき層６８を使用して、ソーラーセル１４の背面の導電層８６と基板１２のＣｕ層６４内に形成されたトレース７８との間で、電気的接続が行われ、結果として、ソーラーセル１４の前面の前面接点３２との電気的接続がなされる。同様にはんだ５８（またはナノ金属材料６０）、及び、Ａｇ又はＡｕのめっき層６８を使用して、ソーラーセル１４の背面接点３４と基板１２のＣｕ層６４内に形成されたトレース８０との間でも、電気的接続が行われる。トレース７８、８０が、基板１２内に、頂部のポリイミドオーバーレイ６６の下に埋設されていることから、この構造により、ソーラーセルアレイ２２における露出した金属が、大いに少なくなる。さらに、上記は高次に製造可能な方法で達成され、そのため、現在使用されている手作業の労力が回避される。
【0069】
ビア８２はさらに、ソーラーセル１４の価値を高める。ソーラーセル１４の前面は、ソーラーセル１４から電流を運び去る電線又は相互接続子に電流をもたらすよう、低抵抗を有するのに十分な金属を要することについて、バランスが取れた状態（ｂａｌａｎｃｅ）である。これは、格子３６に長い細形線を有することによって達成される。ソーラーセル１４が長くなると、線が長くなり、かつ、電流レベルが高くなって、低抵抗を実現するために必要とされる金属量も増大する。しかし、この金属の追加は、結果として、ソーラーセル１４の表面のオブスキュレーションを増大させ、それにより、ソーラーセル１４の性能が低下する。
【0070】
この開示のビア８２は、このバランスを完全に変える。従来、格子３６の全ての線からの電流が、ソーラーセル１４の一方の面にある幅広のバスバーに、次いで２つ又は３つの相互接続に、抽出されていた。ソーラーセル１４全体の多くの点でビア８２を使用することによって、ソーラーセル１４の前面の電流が、より多くの接続点へとより短い経路で移動するようになり、必要とされる金属が少なくなる。
【0071】
図１７は、前面接点及び背面接点３２、３４から電流を抽出するために、トレース７８、８０が、ソーラーセル１４の下で、基板１２のＣｕ層６４内に、どのようにレイアウトされうるかを示す。格子３６によって集電された電流は、前面接点３２（図５に示す）へと流れる。電流は次いで、前面接点３２からトレース８８に沿って、ビア８２へと流れ、ビア８２を通ってソーラーセル１４の背面へと流れる。ソーラーセル１４の背面のビア８２の周囲の導電層８６は、基板１２のトレース７８に接触する（図１６に示す）。加えて、ソーラーセル１４の背面接点３４とトレース８０との間で、電気的接続がなされる。トレース７８、８０は、基板１２内に埋設された高導電性の経路であり、ソーラーセル１４から絶縁されており、太陽光を全く遮蔽することがない。この例では、トレース８０の破線は、トレースがソーラーセル１４の下方に隠されている（トレース７８はさらに、ソーラーセル１４とトレース８８の下方に隠されている）ことを示す。
【0072】
加えて、格子３６のフィンガー３８は、例えば、より多くのビア８２を有する構成では、もっと短くなりうる。導電性ビア８２は、さらに、抵抗とオブスキュレーションの両方を減少させることが可能であるが、この２つを減少させることは、これまでは両立できない目標であった。
【0073】
導電性ビア８２の能力は周知である。しかし、この開示に関して重要なのは、これらのビア８２が、電力を抽出するために、基板１２のコーナー導体２０にどのように連結されうるかということである。
【0074】
さらに、困難なところは電気的接続を行うことである。必要とされる多くのミッションのための、宇宙の熱サイクル環境における耐性を得るためには、溶接が好ましい。しかし、抵抗性溶接は、この設計では実現が難しいことがある。
【0075】
ただし、レーザ溶接は可能であるが、そのためには透明基板１２が必要であり、不透明な面シートを有する典型的な剛性基板１２を用いては、レーザ溶接は不可能である。その一方、可撓性シートの組立体へのレーザ溶接は、一考の余地がある。
【0076】
可撓性シートの組立体を含む基板１２には大抵の場合、ポリイミドが使用され、ポリイミドは、ブルーライト／ＵＶ光を大いに吸収するので、オレンジ色の外観となる。溶接するために赤外レーザ又は近赤外レーザを使用すること、又は、より透明なポリマーを使用することが、可能でありうる。形成が可能であれば、これは、宇宙環境に適する、耐性を有する接続となりうる。
【0077】
代わりに、はんだ付けも、非常に望ましく、かつ単純なものである。はんだ５８のプリフォームまたはペーストは、ソーラーセル１４の電気的接続と基板１２の電気的接続の一方又は両方に、追加されうる。これらの電気的接続は、場合によっては圧力を用いて一緒にされ、はんだ５８をリフローするために加熱されうる。これは、規模がずっと大きくなれば、回路基板実装に類似する。しかし、はんだ５８は、短期間の宇宙ミッションみ適するだけであることが既知である。
【0078】
別の代替形態は、電気的接続にナノ金属材料６０を使用することである。ナノ金属材料６０は、電気的接続を形成するために、はんだ５８と同様に固体と溶和または融和する、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、及び／又はＡｌのナノ粒子のうちの一又は複数を含む、ペーストまたはインクからなりうる。好ましくは、ナノ金属材料６０の粒子は、例えば摂氏約１５０～２５０度、より好ましくは摂氏約１７５～２２５度の、低い溶融温度を有する。
【0079】
ペーストが分配され、ピースが一緒にされ、加熱される、はんだ５８のプロセスフローに類似したプロセスを使用する、ナノ金属材料６０の使用は、非常に有利でありうる。しかし、ナノ金属材料６０を使用する固体相で単相の金属接続は、はんだ５８の利点を有しうる。
【0080】
製作
本開示の各例は、図１８に示すステップ９２～１０４を含む、ソーラーセル１４、ソーラーセルパネル１０ａ、及び／または人工衛星の製作方法９０に関連して記載されていてよく、結果として製作される、ソーラーセル１４からなるソーラーセルパネル１０ａを有する人工衛星１０６を、図１９に示す。
本開示の各例は、図１８に示すステップ９２～１０４を含む、ソーラーセル１４、ソーラーセルパネル１０ａ、及び／または人工衛星の製作方法９０に関連して記載されていてよく、結果として製作される、ソーラーセル１４からなるソーラーセルパネル１０ａを有する人工衛星１０６を、図１９に示す。
【0081】
図１８に示すように、製造前段階では、例示の方法９０は、ソーラーセル１４、ソーラーセルパネル１０ａ及び／または人工衛星１０６の仕様及び設計９２、並びにこれらの材料の調達９４を含んでいてよい。製造段階では、ソーラーセル１４、ソーラーセルパネル１０ａ、及び／または人工衛星１０６のコンポーネント及びサブアセンブリの製造９６、並びにシステムインテグレーション９８が行われる。これらは、ソーラーセル１４、ソーラーセルパネル１０ａ、及び／または人工衛星１０６の製作を含んでいる。その後、ソーラーセル１４、ソーラーセルパネル１０ａ、及び／または人工衛星１０６は、運航１０２に供されるために認可及び納品１００を経てよい。ソーラーセル１４、ソーラーセルパネル１０ａ、及び／または人工衛星１０６は、打ち上げ前に、（改造、再構成、改修などを含む）整備及び保守１０４が予定されてもよい。
【0082】
方法９０の各工程は、システムインテグレータ、第三者、及び／またはオペレータ（例えば顧客）によって実行され、または実施されうる。本明細書の目的に関しては、システムインテグレータは、限定しないが、ソーラーセル、ソーラーセルパネル、人工衛星または宇宙船の、任意の数の製造業者及び主要システムの下請業者を含んでいてよく、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者及びサプライヤーを含んでいてよく、またオペレータは、衛星通信会社、軍事団体、サービス機関などであってよい。
【0083】
図１９に示すように、例示の方法９０によって製作される人工衛星１０６は、システム１０８、本体１１０、ソーラーセル１４からなるソーラーセルパネル１０ａ、及び一又は複数のアンテナ１１２を含んでいてよい。人工衛星１０６に含まれるシステム１０８の例は、限定しないが、推進システム１１４、電気システム１１６、通信システム１１８、及び電力システム１２０のうちの一又は複数を含む。任意の数の他のシステム１０８もまた、含まれてよい。
【0084】
図２０は、一例によるソーラーセルパネル１０ａを、機能ブロック図の形態で示す。ソーラーセルパネル１０ａは、基板１２に個別に取り付けられた一又は複数のソーラーセル１４からなる、ソーラーセルアレイ２２からなる。各ソーラーセル１４は、光源１２４からの光１２２を吸収し、それに応答して電気出力１２６を生成する。
【0085】
すくなくとも１つのソーラーセル１４は、コーナー領域２６を画定する少なくとも１つの刈り込まれたコーナー部２４を有し、それによって、基板１２のエリア２８は、ソーラーセル１４が基板１２に取り付けられたときにも露出したままである。複数のソーラーセル１４が基板１２に取り付けられているときには、隣接するソーラーセル１４のコーナー領域２６同士が位置合わせされており、それによって基板１２のエリア２８が露出している。
【0086】
基板１２の露出したままのエリア２８は、基板１２に取り付けられたか、基板１２上にプリントされたか、基板１２に組み込まれたかしている一又は複数のコーナー導体２０を含んでおり、ソーラーセル１４とコーナー導体２０との間の一又は複数の電気的接続が、コーナー領域２６内でなされている。コーナー領域２６は、一又は複数のバイパスダイオード４４もまた含んでいてよい。
【0087】
コーナー領域２６は、少なくとも１つの接点、例えばソーラーセル１４の前面の前面接点３２、及び／またはソーラーセル１４の背面の背面接点３４を含む。
【0088】
ソーラーセル１４は、ソーラーセル１４の前面と背面との間に延在するビア８２であって、ソーラーセル１４の前面の前面接点３２からソーラーセル１４の背面まで、導電経路を提供する、ビア８２を含みうる。次いで、ソーラーセル１４の背面のビア８２と基板１２内に形成されたトレース７８との間での電気的接続が、はんだ５８またはナノ金属材料６０を使用して行われ、結果として、ソーラーセル１４の前面の前面接点３２との電気的接続が生じる。ソーラーセル１４の背面接点３４と基板１２内に形成されたトレース８０との間の電気的接続も、同様にはんだ５８またはナノ金属材料６０を使用して行われる。トレース７８、８０は基板１２に埋設されていることから、この構造により、ソーラーセルアレイ２２における露出した金属が、大いに少なくなる。
【0089】
さらに、本開示は以下の条項による例を含む。
【0090】
条項１．方法であって、第１導電要素及び第２導電要素を使用して、ソーラーセルと、ソーラーセルが取り付けられている基板との間に電気的接続を形成することを含み、電気的接続を形成することが、第１導電要素と第２導電要素との間にナノ金属材料を挿入することと、第１導電要素と第２導電要素との間に電気的接続を形成するよう、ナノ金属を加熱することとを含む、方法。
【0091】
条項２．第１導電要素及び第２導電要素が、金属ホイルの相互接続子、及び、基板上の表面層を含む、条項１に記載の方法。
【0092】
条項３．表面層がめっきされた表面層である、条項２に記載の方法。
【0093】
条項４．第１導電要素及び第２導電要素が、金属ホイルの相互接続子、及び、ソーラーセルの前面接点又は背面接点を含む、条項１に記載の方法。
【0094】
条項５．ナノ金属材料が、電気的接続を形成するために固体と溶和または融和する、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）のナノ粒子のうちの一又は複数からなる、ナノ金属のペースト又はインクを含む、条項１に記載の方法。
【0095】
条項６．ナノ粒子が約１００ｎｍ未満のサイズを有する、条項５に記載の方法。
【0096】
条項７．ナノ粒子が約０．５～１０ｎｍの範囲内のサイズを有する、条項５に記載の方法。
【0097】
条項８．ナノ金属材料が、Ａｇピースの間に置かれたＡｕ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌのナノ粒子を含む、条項５に記載の方法。
【0098】
条項９．ナノ金属材料が、摂氏約１５０～２５０度の溶解温度または固化温度を有する、条項１に記載の方法。
【0099】
条項１０．ナノ金属材料が、摂氏約１７５～２２５度の溶解温度または固化温度を有する、条項１に記載の方法。
【0100】
条項１１．ナノ金属材料が合金ではない、条項１に記載の方法。
【0101】
条項１２．第１導電要素及び第２導電要素を使用してソーラーセルと、ソーラーセルが取り付けられている基板との間に形成された電気的接続を備える、物品であって、電気的接続が、第１導電要素と第２導電要素との間に挿入されたナノ金属材料を備え、ナノ金属材料が、第１導電要素と第２導電要素との間に電気的接続を形成する加熱されたナノ金属材料である、物品。
【0102】
条項１３．第１導電要素及び第２導電要素が、金属ホイルの相互接続子、及び、基板上の表面層を含む、条項１２に記載の物品。
【0103】
条項１４．表面層がめっきされた表面層である、条項１２又は１３に記載の物品。
【0104】
条項１５．第１導電要素及び第２導電要素が、金属ホイルの相互接続子、及び、ソーラーセルの前面接点又は背面接点を含む、条項１２から１４のいずれか一項に記載の物品。
【0105】
条項１６．ナノ金属材料が、電気的接続を形成するために固体と溶和または融和する、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）のナノ粒子のうちの一又は複数からなる、ナノ金属のペースト又はインクを含む、条項１２から１５のいずれか一項に記載の物品。
【0106】
条項１７．ナノ金属材料が合金ではない、条項１２から１６のいずれか一項に記載の物品。
【0107】
条項１８．少なくとも１つのソーラーセル、及び、ソーラーセルが取り付けられている基板からなる、ソーラーセルアレイと、ソーラーセルアレイの第１導電要素及び第２導電要素を使用してソーラーセルとソーラーセルが取り付けられている基板との間に形成された電気的接続とを備える、ソーラーセルパネルであって、電気的接続が、第１導電要素と第２導電要素との間に挿入されたナノ金属材料を備え、ナノ金属材料が、第１導電要素と第２導電要素との間に電気的接続を形成する加熱されたナノ金属材料である、ソーラーセルパネル。
【0108】
条項１９．方法であって、ソーラーセルと基板との間に電気的接続を形成することを含み、電気的接続を形成することが、ソーラーセルの前面と背面との間のソーラーセル内に貫通穴を作り出すことと、ソーラーセルの前面から背面までビアを作り出し、それによって、ソーラーセルの前面から背面まで電流を導通させるために、貫通穴の内部に導電層を堆積させることと、電気的接続を形成するよう、ビアを基板のトレースに接続することとを含む、方法。
【0109】
条項２０．導電層が堆積される前に、ソーラーセルの前面と背面との間のソーラーセル内の貫通穴の内部を不動態化することを更に含む、条項１９に記載の方法。
【0110】
条項２１．貫通穴が不動態化された後、導電層が堆積される前に、貫通穴の内部に絶縁層を堆積させることを更に含む、条項２０に記載の方法。
【0111】
条項２２．絶縁層が、ソーラーセルの前面表面または背面表面の、貫通穴に隣接する部分を覆う、条項２１に記載の方法。
【0112】
条項２３．導電層が、ソーラーセルの前面表面と背面表面の両方の、貫通穴に隣接する部分に堆積される、条項１９から２２のいずれか一項に記載の方法。
【0113】
条項２４．ビアが、ソーラーセルの前面の前面接点に接続される、条項１９から２３のいずれか一項に記載の方法。
【0114】
条項２５．ビアが、基板を通り抜けるレーザ溶接によって基板のトレースに接続される、条項１９から２４のいずれか一項に記載の方法。
【0115】
条項２６．ビアが、はんだ付けによって基板のトレースに接続される、条項１９から２５のいずれか一項に記載の方法。
【0116】
条項２７．ビアが、ナノ金属ペーストを付けることによって基板のトレースに接続される、条項１９から２６のいずれか一項に記載の方法。
【0117】
条項２８．ソーラーセルと基板との間の電気的接続を備える、物品であって、電気的接続が、ソーラーセルの前面と背面との間のソーラーセル内に作り出された、貫通穴と、ソーラーセルの前面から背面までビアを作り出し、それによって、ソーラーセルの前面から背面まで電流を導通させるために、貫通穴の内部に堆積された導電層とを備え、ビアが、電気的接続を形成するよう、基板のトレースに接続されている、物品。
【0118】
条項２９．少なくとも１つのソーラーセル、及び、ソーラーセル用の基板からなる、ソーラーセルアレイ、及び、ソーラーセルと基板との間の電気的接続を備える、ソーラーセルパネルであって、電気的接続が、少なくとも１つのソーラーセルの前面と背面との間のソーラーセル内に作り出された、貫通穴と、ソーラーセルの前面から背面までビアを作り出し、それによって、ソーラーセルの前面から背面まで電流を導通させるために、貫通穴の内部に堆積された導電層とを備え、ビアが、電気的接続を形成するよう、基板のトレースに接続されている、ソーラーセルパネル。
【0119】
上記の例の説明は、例示及び説明を目的として提示されており、網羅的であることや、説明されている例に限定することは意図していない。上記の具体的な要素の代わりに、多数の代替形態、修正形態及び変形形態が使用されてよい。
【図1】
【図2】
【図3A-3B】
【図4A-4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A-14B】
【図14C-14D】
【図14E-14F】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】