制造太阳能模块的方法以及由此获得的太阳能模块的制作方法

制造太阳能模块的方法以及由此获得的太阳能模块的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种制造太阳能模块的方法。利用所述方法能够在所述制造过程中提早将半导体元件安装到承载构件上，而不会在后续加工过程中造成任何不利影响。
【专利说明】制造太阳能模块的方法以及由此获得的太阳能模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制造太阳能模块的方法，以及通过该方法制备的太阳能模块。
【背景技术】
[0002]光伏模块或太阳能模块通常通过以下过程制备:首先将半导体晶片加工成光伏或太阳能电池，又称为太阳能模块单元，随后通过将太阳能电池粘附至承载构件来将这些电池组装为最终的太阳能电池模块。
[0003]然而，这些制造途径可能涉及对薄的晶体晶片的大量操纵，所述晶体晶片无论是单独存在还是作为要互连的部分组装电池存在都非常容易破损。随着光伏行业受到对包含较薄晶片的日益变薄太阳能电池和模块的需求的驱动，这一制造问题变得越发突出。
[0004]一种旨在缓和该问题的组装方法依赖在太阳能电池制造过程中提早将半导体晶片转移到承载构件，并通过粘合至承载构件的半导体晶片进行后续的太阳能电池操纵。通过这种方式,可以降低产率损失和加工成本。
[0005]本发明的目标是提供制造太阳能电池和模块的替代或改进方法。

【发明内容】

[0006]本发明的第一方面提供一种制备太阳能模块的方法，包括:
[0007]提供光学透明的承载构件；
[0008]提供至少一个半导体元件；
[0009]使用光学透明的粘合剂将所述至少一个半导体元件粘结至光学透明承载构件的表面，从而获得部分成形的太阳能模块；并且
[0010]在承载构件的表面处进行气相沉积处理，该承载构件具有与之粘合的所述至少一个半导体元件，藉此所述至少一个半导体元件的一个或多个暴露表面和承载构件的位于所述至少半导体元件外部的表面区域的至少一部分经受所述处理；
[0011]其中仅在直接介于光学透明承载构件和所述至少半导体元件之间的一个区域或多个区域处施加粘合剂。
[0012]通过将粘合剂的表面覆盖范围限制在仅直接位于光学透明承载构件和半导体元件之间的一个或多个区域，粘合剂在后续加工步骤中便受到承载构件和半导体元件的保护，从而与这些后续步骤相容。例如，粘合剂受到保护从而免受温度或化学反应性的不利影响。因此，半导体元件在制造太阳能模块的过程中能够有利地提早粘附至承载构件，而不会在后续加工步骤期间对粘合剂产生任何不利影响。
[0013]本发明的第二方面提供一种通过第一方面的方法获得或可通过该方法获得的太阳能模块。
[0014]本发明的第三方面提供一种太阳能模块，包括:
[0015]光学透明的承载构件；
[0016]至少一个半导体元件，其通过光学透明的粘合剂粘结至光学透明承载构件的表面，从而覆盖光学透明承载构件的所述表面的一部分；
[0017]封壳剂层，其封装所述至少一个半导体元件的至少一部分；
[0018]其中未被所述至少一个半导体元件覆盖的光学透明承载构件的所述表面的那些部分不含有所述粘合剂。
【具体实施方式】
[0019]本发明人观察到在制造太阳能电池模块的过程中用于将半导体晶片粘结至玻璃覆板的一种类型的粘合剂在后续的后端加工步骤中可能发生意想不到且不期望的副反应。具体地讲，本发明人观察到，在气相沉积条件下，暴露的有机硅基粘合剂可能导致有机硅聚合物结合到半导体晶片上的沉积物上，并伴随有所得的太阳能电池模块的性能损失。类似的相容性问题也可能在其他背面处理中遇到，例如湿化学处理或清洗。
[0020]承载构件
[0021]承载构件可为粘结至太阳能电池的光接收面的光学透明覆板的形式，从而形成所完成模块朝外的保护表面。在本实施例中，光在到达半导体晶片之前穿过光学透明覆板。或者，承载构件可为粘结至太阳能电池背面的背层或基板。光伏模块可包括覆板和基板两者。
[0022]承载构件的热膨胀系数(TCE)可与其粘结至的半导体晶片的热膨胀系数具有类似的数量级。例如，承载构件可具有低于约10ppm/K的TCE。
[0023]承载构件可具有足够的刚性来支承光伏模块的所有其他组件的负载。
[0024]在光伏模块包括光学透明覆板的实施例中，覆板在预期使用部位也可充当环境条件(例如雨、灰尘、紫外线、水分)的屏障。
[0025]光学透明覆板可以(例如)由玻璃、陶瓷或塑料形成。然而，可以使用任何其他合适的承载且光透射材料。
[0026]半导体元件
[0027]通过本发明的方法制备的太阳能或光伏电池可包括半导体材料晶片形式的半导体元件。合适的材料包括但不限于结晶硅或多晶硅、砷化镓、二硒化铜铟、碲化镉、二硒化铜铟镓或者包括其中任何一者或多者的混合物。
[0028]晶片由本领域中的任何已知方法制备。通常，通过从单晶锭或块体多晶锭机械地锯切薄层(即，晶片)来制备半导体晶片。
[0029]或者，半导体元件可以是薄箔或薄膜的形式。薄箔可由本领域中的任何已知方法制备。例如，可通过在单晶晶种基板(例如，硅晶片)上外延生长硅的单晶层，随后将该材料转移至承载构件，来形成薄箔或薄膜。
[0030]如果需要，任何正面加工步骤均可在从大块材料中分离晶片之前进行。或者，任何正面加工步骤均可在从块体材料中分离晶片或箔之后进行。在本实施例中，晶片或箔可被短暂地从后面支承，从而在正面加工过程中稳定地放置。正面加工是指在将会面对使用中的光源的半导体晶片外基准表面处进行的任何加工步骤。
[0031]此类正面加工步骤的例子包括表面纹理化和/或提供前表面场，和/或提供抗反射涂层。正面加工可同时在多个半导体基板上进行。正面加工可包括在气相条件下的气相沉积。例如，正面加工可包括沉积一层非晶硅。气相沉积可包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。[0032]粘合剂
[0033]如上所述，在本发明中，仅在直接位于光学透明承载构件和至少半导体元件之间的一个区域或多个区域中施加粘合剂。为了避免引发疑虑，所述一个区域或多个区域可延伸直到所述至少一个半导体元件的周边边缘，或者可止于所述周边边缘之前。例如，所述区域可以是与所述至少半导体元件共延的单个区域。或者，可提供粘合剂的至少一个区域，该区域延伸到所述至少半导体元件的周边边缘向内的位置。
[0034]粘合剂用于将半导体晶片(例如硅晶片)粘结至承载构件。如上所述，承载构件通常是光学透明覆板，光在到达太阳能电池之前穿过该覆板。当从施加粘合剂的初始正常液态经过定形、干燥、固化或以其他方式转换到其用于将半导体元件粘结至承载构件的最终状态时，粘合剂为光学透明的。
[0035]粘合剂可为本领域中对于其要粘结的半导体晶片和承载构件(例如光学透明覆板)两者均展现良好的粘合特性的任何已知材料，其在定形、干燥或固化时为光学透明的。
[0036]当太阳能模块在使用中时，由于光必须穿过光学透明覆板和粘合剂，所以术语“光学透明”将被理解为表示覆板和粘合剂对于将被太阳能电池吸收的光的波长为透明的。光学透明覆板和粘合剂可具有匹配的折射率，以便使反射最小化。粘合剂可具有介于光学透明覆板和太阳能电池的折射率之间的折射率。太阳能电池可设置有抗反射涂层。粘合剂因而可具有介于抗反射涂层的折射率之间的折射率。
[0037]粘合剂可沉积到半导体晶片上，或沉积在承载构件表面的将与半导体晶片对准的区域上。粘合剂可以是液基粘合剂，其可以固化、定形或干燥。
[0038]粘合剂可在太阳能模块的已施加粘合剂的组件上就地固化、定形或干燥。粘合剂在接触其要粘结的第二组件之前，可在太阳能模块的已施加粘合剂的组件上就地固化、定形或干燥。在将半导体晶片置于承载构件(例如光学透明覆板)上之前，粘合剂可在该晶片上就地固化、定形或干燥。在将半导体晶片置于承载构件(例如光学透明覆板)上之前，粘合剂可在承载构件上就地固化、定形或干燥。
[0039]或者，在半导体晶片已在承载构件上对准之后，粘合剂可就地固化。或者，在半导体晶片已在承载构件上对准和随后的任何后续后端加工步骤之后，粘合剂可就地固化。
[0040]粘合剂可根据所使用的粘合剂的性质进行固化、定形或干燥。例如，粘合剂可进行紫外线固化、红外线固化或热固化。粘合剂可在低温下固化，例如低于200°C，例如低于80°C。或者，粘合剂可使用过氧化物引发剂来固化。
[0041 ] 粘合剂可以是有机硅基粘合剂。有机硅基粘合剂可以是本领域中已知的任何合适的有机娃基材料。合适粘合剂的例子包括但不限于得自道康宁公司(Dow Corning)的PV系列封壳剂,例如有机硅 PV6010 (Silicone PV6010)、有机硅 PV6100 (Silicone PV6100)和硅 PV6120(Silicon PV6120)。
[0042]可通过任何已知方法将粘合剂施加到承载构件的第一表面或半导体元件的朝前的表面，例如旋涂、浸涂、淋幕式涂布、挤压涂布和喷涂、刮刀式涂布、丝网印刷或孔版印刷、喷射和分配。
[0043]当在25°C下测量时，粘合剂组合物的粘度可不大于50000mPa.s,更优选地不大于40000mPa.S。当在25°C下测量时，粘合剂组合物的粘度可不大于约IOOOOmPa.S，例如不大于约6000mPa.S。使用Brookfield维/板流变仪(型号LVF No3)在25°C和60rpm下测量粘度。
[0044]可将粘合剂施加为提供足够粘合力所需的尽可能薄的一层。粘合剂层的厚度可小于约200 μ m，例如小于约150 μ m，例如小于约100 μ m。粘合剂层的厚度可小于约50 μ m，例如约30 μ m，例如约20 μ m。粘合剂层的厚度可为约20 μ m至约200 μ m。
[0045]气相沉积处理
[0046]气相沉积处理可用于施加钝化层到制造中的太阳能模块的背面。例如，可通过气相沉积施加本征非晶硅或经掺杂的非晶硅的钝化层。
[0047]钝化层可在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)条件下沉积。因此，以举例的方式，可在等离子体增强化学气相沉积条件下沉积一层非晶硅。
[0048]在提供封装层之前，可使用气相沉积处理形成基极-发射极接面，例如发射极层。因此，一旦将半导体元件粘结至承载构件，就可通过气相沉积将发射极层施加到制造中的太阳能模块的后端。在一个实施例中，沉积了 一层非晶娃。
[0049]发射极层可在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)条件下沉积。因此，以举例的方式，可在等离子体增强化学气相沉积条件下沉积一层非晶硅。
[0050]在提供封装层之前，可使用气相沉积处理形成背表面场层。因此，一旦将半导体元件粘结至承载构件，就可通过气相沉积将背表面场层施加到制造中的太阳能模块的后端。在一个实施例中，沉积了 一层非晶娃。
[0051]背表面场层可在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)条件下沉积。因此，以举例的方式，可在等离子体增强化学气相沉积条件下沉积一层非晶硅。
[0052]在将半导体元件粘结至承载构件之后可直接进行气相沉积处理，且模块除进行清洗处理之外在期间不进行任何背部处理。
[0053]清洗处理
[0054]在任何后端加工步骤之前，可对模块进行清洗。已经观察到，并非所有化学清洗处理均与有机硅基粘合剂相容，并且有机硅经过某些处理会降解。
[0055]因此，粘合剂可能与气相沉积和/或化学清洗处理不相容。合适的清洗处理可包括基于氢氟酸的处理。其他合适的化学清洗处理可包括表2中列出的处理中的一者或多者。
[0056]其他后端加工步骤
[0057]后端加工或背面加工是指在半导体元件的表面上进行的任何制造步骤，该表面在操作中背向太阳光。
[0058]可进行的额外后端加工步骤包括在发射极层中提供窗口以接触在下面的基极层，沉积和图案化绝缘层，以及在基极接点处形成背表面场。
[0059]任选地，可将封壳剂层施加到制造中的太阳能模块的后端。封壳剂层可包含上面结合粘合剂所讨论类型的有机硅基材料。
[0060]本发明的第三方面定义本发明的封装太阳能模块。可根据(例如)W02005/006451的教导内容进行封装，其内容以引用的方式并入本文。
[0061]太阳能模块的制造方法
[0062]本发明的方法可有利地应用于同时或连续制备设置在单个承载构件(例如光学透明的玻璃覆板)上的多个太阳能电池单元。这样，可有利地在单个组件上同时进行所有后续的后端加工步骤。
[0063]如果需要，在使用之前对半导体元件和承载构件(例如，玻璃覆板)的表面进行清洗和制备。例如，可使用氢氟酸溶液对表面进行处理。
[0064]任选地，随后进行半导体元件的任何正面处理。此类正面加工步骤的例子包括表面纹理化和/或提供前表面场，和/或提供抗反射涂层。正面加工可同时在多个半导体基板上进行。正面加工可包括在气相条件下的气相沉积。例如，正面加工可包括沉积一层非晶硅。气相沉积可包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
[0065]接着，使用此前所述类型的粘合剂将半导体元件粘结至承载构件，例如玻璃覆板。
[0066]如果将粘合剂组合物施加于半导体元件的面朝前的表面，则可通过任何此前提及的方法来施加粘合剂。半导体元件的整个表面均可涂有粘合剂。或者，半导体元件的表面的仅有一个区域涂有粘合剂。
[0067]或者，将粘合剂施加于承载构件的第一表面。在其中承载构件为玻璃覆板(其将成为太阳能模块的外层)的实施例中，第一表面将为面朝后的表面。在承载构件第一表面的将与半导体元件对准的区域内可以施加少量粘合剂。
[0068]可将粘合剂施加于半导体元件和承载构件的第一表面两者。
[0069]为了确保在粘合剂和半导体元件之间以及在粘合剂和承载构件之间有良好的粘合力，可任选地在定形、固化或干燥之前对粘合剂脱气。粘合剂的脱气确保粘合剂中不留有任何水分的囊泡，在操作过程中该囊泡可能对光伏装置的效率产生不利影响。
[0070]可通过使已施加粘合剂的半导体元件和/或承载构件经受减压环境来实现对粘合剂脱气。例如，可通过在固化、定形或干燥粘合剂之前施加真空来实现粘合剂的良好无气泡浸透。
[0071]粘合剂可在接触半导体元件和承载构件中的仅一者时进行固化、定形或干燥。换句话讲，粘合剂可在其上表面暴露于环境时进行固化、定形或干燥。在本实施例中，一旦粘合剂进行了固化、定形或干燥，随之就将半导体元件和承载构件中的另一者粘结至经过固化、定形或干燥的粘合剂。
[0072]或者，可在粘合剂与半导体元件和承载构件两者进行接触之后对粘合剂进行固化、定形或干燥。换句话讲，将粘合剂施加于半导体元件和承载构件中的一者或两者，所述半导体元件和承载构件对准在一起，使得单个粘合剂层夹在两者之间，随后对粘合剂进行固化、定形或干燥。
[0073]在本实施例中，用于将每个半导体元件粘结至承载构件的粘合剂的量可足以提供良好的粘合力，但并未多到粘合剂从所述两种材料之间溢出。
[0074]反之，粘合剂层可与半导体晶片的整个表面接触，以使对于承载构件的粘合力增至最大限度。在将半导体晶片粘结至承载构件之后，可进行粘结检测，以确保粘合剂接触半导体晶片的整个面朝前的表面，并且在边缘周围没有空隙。此外，可在半导体晶片和承载构件之间装填粘合剂。
[0075]固化、定形或干燥步骤的确切情况和持续时间将根据所用粘合剂的性质而有差另O。粘合剂可在低温下进行热固化、定形或干燥，例如低于约200°C或低于约100°C。粘合剂可在低于约80°C的温度下进行热固化、定形或干燥。
[0076]一旦已将每个半导体元件粘结至承载构件并且已对粘合剂进行了固化、定形或干燥，就可对半导体元件的暴露表面进行后续处理。在其中承载构件为玻璃覆板的实施例中，对暴露表面的后续处理通常可称为后端处理。
[0077]对半导体元件的暴露表面的处理包括在气相沉积条件下的气相沉积处理步骤。气相沉积处理可包括等离子体增强化学气相沉积步骤。在一个实施例中，等离子体增强气相沉积步骤可包括沉积一层非晶硅。
[0078]通过玻璃覆板和所述至少一个半导体元件，可遮蔽粘合剂层以免受背面加工步骤影响。通过玻璃覆板和所述至少一个半导体元件，可遮蔽粘合剂层以免受PECVD处理影响。
【专利附图】

【附图说明】
[0079]现在将仅以举例且不限于结合下图的方式来描述本发明，其中:
[0080]图1示出了根据本发明的方法的制造工艺的示意图。
[0081]应当理解，以下例子仅为本发明的一个实施例，且也可进行另外的正面和背面加工步骤来制备功能性的太阳能电池模块，并且所指定的任何材料均仅以举例的方式示出。然而，所述例子的任何修改形式均包含在本领域内技术人员的必要手段之内。
[0082]如图1所示，在第一掺杂物类型的半导体晶片2的前表面上设置有一层非晶硅4，其可用作η+前表面场。非晶硅层可在气相沉积条件下沉积，但其他沉积工艺可能也是合适的。在沉积经掺杂的η+非晶硅层(未示出)之前，也可以沉积钝化本征层。表1中给出了用于沉积非晶硅的本征 和η+层的PECVD条件的例子。
[0083]任选地，可在沉积本征和η+前表面场之前使用氢氟酸溶液清洗晶片2。可在沉积本征或η+前表面场之前使用RCA清洗法或IMEC清洗法来清洗晶片2。在沉积本征或η+前表面场之前，晶片2也可具有抗反射涂层(未示出)。
[0084]随后使用一层有机娃粘合剂6将半导体晶片的前表面粘结至玻璃覆板8。如图可见，粘合剂仅与玻璃覆板的对准半导体晶片的区域接触。为了确保粘合力最大化，在粘结至玻璃覆板8之前，粘合剂可作为液态制剂施加于半导体晶片的整个前表面并且进行固化、定形或干燥。这样，可以避免将粘合剂充填到半导体晶片2和玻璃覆板8的边缘之间的任何空隙内的需要。
[0085]一旦将粘合剂6的预固化制剂施加于半导体晶片2的表面，就可以使系统经受减压，以将粘合剂6脱气。例如，系统可经受小于约IOOPa的压力。
[0086]作为最终步骤，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)处理提供非晶硅10的后端层，该后端层用作P+或η+区域。在沉积经掺杂的非晶硅层(未示出)之前，也可沉积钝化本征层。在该PECVD处理之前可进行使用(例如)氢氟酸溶液或者RCA或MEC清洗法的清洗步骤。等离子体增强化学气相沉积可在低于约250°C的温度下进行。表1中给出了用于沉积本征、η+和ρ+层的PECVD条件的例子。
[0087]
【权利要求】
1.一种制备太阳能模块的方法，包括: 提供光学透明承载构件； 提供至少一个半导体元件； 使用光学透明粘合剂将所述至少一个半导体元件粘结至所述光学透明承载构件的表面，从而获得部分成形的太阳能模块；并且 在所述承载构件的所述表面处进行气相沉积处理，所述承载构件具有与之粘合的所述至少一个半导体元件，藉此所述至少一个半导体元件的一个或多个暴露表面和所述承载构件的位于所述至少一个半导体元件外部的所述表面区域的至少一部分经受所述处理；其中仅在直接介于所述光学透明承载构件和所述至少一个半导体元件之间的一个区域或多个区域处施加所述粘合剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中提供了多个半导体元件，所述元件粘结至所述承载构件的所述表面上的间隔开的区域处。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述粘合剂施加至所述光学透明承载构件的第一表面和/或所述至少一个半导体元件。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述粘合剂接触所述光学透明承载构件的所述第一表面和/或所述至少一个半导体元件中的另一者之前，对所述粘合剂进行固化、定形或干燥。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在进行固化、定形或干燥之前使所述粘合剂脱气。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述光学透明承载构件包括玻璃覆板。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述多个半导体元件包括多个半导体晶片。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个半导体晶片由多晶硅或单晶硅形成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述气相沉积处理包括对非晶硅层的气相沉积。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粘合剂与所述气相沉积条件不相容。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述粘合剂为有机硅粘合剂。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，在所述处理步骤之后，还包括下列步骤中的一者或多者:蚀刻、平版印刷处理、局部移除沉积层、印刷、附连电触点、封装。
13.—种通过权利要求1至12中任一项所述的方法获得的太阳能模块。
14.一种太阳能模块,包括: 光学透明的承载构件； 至少一个半导体元件，其通过光学透明的粘合剂粘结至所述光学透明承载构件的表面，从而覆盖所述光学透明承载构件的所述表面的一部分； 封壳剂层，其封装所述至少一个半导体元件的至少一部分； 其中未被所述至少一个半导体元件覆盖的所述光学透明承载构件的所述表面的那些部分不含有所述粘合剂。
【文档编号】H01L31/042GK103765605SQ201280042216
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年7月26日 优先权日:2011年9月2日
【发明者】G·博卡恩, A·W·诺里斯, 乔纳森·高瓦尔茨, F·德罗斯 申请人:道康宁公司, 校际微电子中心