专利名称：半导体晶片太阳能电池、太阳能模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体晶片太阳能电池及其制造方法。此外，本发明还涉及一种太阳能模块，所述太阳能模块包括所述半导体晶片太阳能电池。
本发明特别是涉及一种具有表面钝化的背面的半导体晶片太阳能电池。这种太阳能电池具有由半导体材料制成的半导体晶片，所述半导体晶片具有用于光入射的正面和具有背面表面的背面，所述背面表面通过介电的钝化被表面钝化。在钝化层上设置包括烧结的金属颗粒的背面金属电极结构。背面金属电极结构经由多个局部的接触区域电接通半导体晶片的半导体材料。接触区域构造成钝化层的开口并占据总体上小于背面表面的5%、优选地小于背面表面的2%的电接触面。
背景技术：
半导体晶片太阳能电池也称为(钝化发射极和背面太阳能电池)PERC电池。为了形成这种太阳能电池的位置受限的电接触区域已知有许多不同的方法。这些方法特别是包括LFC (激光烧结技术)，其中首先沉积设置整面的钝化层，接着在钝化层上通过丝网印刷施加背面金属电极结构。在对电极结构进行灼烧之后，借助于激光向层组中“射入”电接触区域。就是说，激光射束使材料局部熔化，从而背面金属电极结构穿过钝化层与晶片的半导体结构发生电接触。另一种可能性在于，通过激光烧蚀在整面地沉积设置钝化层之后在确定的位置局部地重新除去钝化层，接着可以施加背面金属电极结构并进行灼烧。
在确定的位置打开的钝化层也可以通过湿化学工艺来实现。为此，将整面的钝化层例如通过喷射法设置掩膜，所述掩膜具有确定的开口。接着，通过所述开口以湿化学方式除去钝化层，并在结束时处于所施加的掩膜。接着在设有开口的钝化层上施加背面金属电极结构，并用高温对金属颗粒进行处理，以实现烧结。
如果由这种半导体晶片太阳能电池构成太阳能模块，则通常在太阳能模块的背面上在太阳能电池和背面的背面包封膜之间设置嵌入材料。太阳能电池、包封膜和嵌入材料在层压处理中受到升高的压力和温度。这里通常会出现嵌入材料的熔化和交联，从而嵌入材料与半导体晶片太阳能电池的背面形成稳定的复合体。
半导体晶片太阳能电池的通过丝网印刷由含金属的膏状物形成的背面金属电极结构由于其由烧结金属颗粒组成的结构通常具有一定的多孔性。
在这种背面金属电极结构中会出现这样的问题，即背面金属电极结构的导电性随着时间会变差，这会导致太阳能电池功率的降低。考虑到太阳能模块通常有二十年的保修时间，所以这是不可接受的。发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有表面钝化的背面的半导体晶片太阳能电池，所述半导体晶片太阳能电池具有背面电极结构，所述背面电极结构的导电性长期保持不会变差或不会明显变差。
所述目的通过按权利要求1的半导体晶片太阳能电池和根据权利要求13的用于制造半导体晶片太阳能电池的方法来实现。
在各从属权利要求中提供了优选的实施方式。
根据本发明，半导体晶片太阳能电池具有保护层，所述保护层施加在背面金属电极结构上。就是说，根据本发明的半导体晶片太阳能电池具有从光入射的正面出发观察这样的层序列:半导体晶片、钝化层、背面金属电极结构和保护层。除了所述的各层之外，当然也可以存在其它的层，如设置在正面上的防反射层或另外的钝化层。通过在半导体晶片太阳能电池的为了层压而设有背面包封结构的侧面上施加保护层，一方面，防止了背面包封材料在太阳能模块的制造期间渗入。由此，避免了在长的使用时间中出现的机械应力和背面金属电极结构的导电性恶化，所述应力和恶化可能由于所述渗入而出现。另一方面，保护层提供保护，以避免湿气的影响，所述湿气在长期使用中扩散到模块中，引起背面金属电极结构的腐蚀，这例如导致了背面金属电极结构的横向导电性的恶化。保护层不仅用于保护太阳能电池，而且还附加地或可选地用于提高太阳能电池的稳定性。在后一种情况下，保护层不是真正意义上的保护层，而是稳定层，就是说，是另一种形式的保护层，这种保护层保护太阳能电池结构，防止出现不稳定，例如断裂、机械损伤和类似情况。因此保护层或稳定层在继续加工成太阳能模块时或在运输期间对太阳能电池起稳定作用。
在一个优选的实施方式中，保护层的厚度在2至20 μ m、优选地在5至10 μ m的范围内。就是说，保护层可以是较薄的。这样，通过附加的层导致的成本可以保持较低。保护层特别是对于薄的晶片提供了稳定化效果。薄的晶片在本发明的范围内包括具有厚度在50至300 μ m、优选地在100至200 μ m的范围内的晶片。
保护层的热膨胀系数优选地与背面金属电极结构的热膨胀系数处于相同的范围。由此避免了特别是在热交变时，如在制造太阳能模块时出现的热交变时出现的高的机械应力。保护层的热膨胀系数优选在2至20.10_6/Κ、优选地在5至15.10_6/Κ的范围内。热膨胀系数的测量借助于膨胀计(例如按 DIN53752:1980、DIN51045-2:2007、IS011359- (1-3))来进行。
在一个优选的实施方式中，保护层构造成层叠。这一方面使得具有与背面金属电极结构类似的热膨胀系数的层可以设置在背面金属电极结构上，而层叠的另一个层例如具有与制造太阳能模块所需的背面包封结构材料良好地附着。
保护层优选地包括这样的材料，所述材料选自包括热固塑料、聚酰胺、聚邻苯二甲酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙稀、聚醚酰亚胺、硫化聚苯醚、聚醚酮、聚酰亚胺和它们的组合的组。组合既包括层中的材料混合物，也包括相互重叠设置的由不同材料构成的层。这些材料同时符合对于保护层的在希望的热膨胀系数和在背面金属电极结构和太阳能模块制造所需的背面包封结构材料上的附着能力方面的要求。
保护层优选地包括选自包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺6和其组合的组中的材料。
在一个优选的实施方式中，保护层包括玻璃纤维和/或碳纤维。就是说，保护层是机械强化的。强化材料进一步降低了由于背面金属电极结构材料和保护层材料的不同的热膨胀系数可能出现的应力，并使得保护层具有更大的形状稳定性。
玻璃纤维和/或碳纤维的比例相对于保护层的所有材料优选为最高80%体积百分比，优选地为30至60 %体积百分比。
保护层优选地具有硬化的聚合物。术语“硬化的聚合物”在本发明的范围内包括由单体制成的横向交联的聚合物，也包括由聚合物制成的横向交联的聚合物。就是说，表达方式“硬化的聚合物”是指横向交联的聚合物。可硬化的聚合物在未硬化的状态下易于施力口，但在硬化之后相对于未硬化的聚合物具有较高的强度。可硬化的聚合物的例子包括热固塑料和聚氯乙稀。热固塑料的例子包括环氧树脂或不饱和的聚酯树脂(UP)。如果需要，可以给保护层的可硬化的材料添加硬化剂。
钝化层优选地构造成薄层叠。所述薄层叠具有至少一个直接施加在半导体材料上的钝化层。可选地，在所述钝化层上设有一个或多个另外的层。作为构造成薄层叠的钝化层的一个优选的变型方案，薄层叠具有增附剂层作为最上面的层。该最上面的层是设置在背面金属电极结构上的层。由于背面金属电极结构是多孔的，保护层可以通过背面金属电极结构的开放空隙的结构与增附剂层接触并构成特别好的附着。可选地，薄层叠具有导电的层作为最上面的层。此外可选地，薄层叠具有介电层作为最上面的层，例如氮化硅层或氮氧化硅层。
半导体晶片可以是P型或η型的基体。所述半导体材料优选是硅。在带有背面金属电极结构的局部的接触区域上所述硅可以是掺杂的。
背面电极结构包括金属，优选包括铝，其中背面电极结构由烧结的铝颗粒构成并构造成具有一定的开放式的多孔性。
半导体晶片的正面可以以不同的方式设计。例如可以在半导体晶片的正面上设置正面电极结构，所述正面电极结构构造成传统的指状电极结构，所述指状电极结构具有垂直于指状电极的延伸方向延伸的总线或焊盘。
在一个优选的实施方式中，背面金属电极结构具有电池连接件接通部段(总线或焊盘)，保护层为电池连接件接通部段留出空隙。电池连接件接通部段设定为用于与其它的半导体晶片太阳能电池电连接并因此不应设有保护层，因为它应适于钎焊。
此外，本发明还涉及一种太阳能模块，所述太阳能模块具有一个正面包封层、多个根据本发明的相互电连接的半导体晶片太阳能电池和一个背面包封结构。由于半导体晶片太阳能电池在背面金属电极结构和背面包封结构之间具有保护层，实现了一种稳定的太阳能模块组合体。此外，保护层还防止背面包封结构在制造太阳能模块时进入背面包封结构并防止由于背面金属电极结构与背面包封结构不同的热膨胀系数不同而出现剪切应力。由于在背面金属电极结构上具有保护层，还可以避免由于背面包封结构材料的进入而导致背面金属电极结构的导电性的恶化。此外，保护层还防止湿气朝背面金属电极结构的提前进入，所述湿气长时间地扩散到太阳能模块的包封结构中。在烧结的金属结构上这会导致腐蚀效应，所述腐蚀效应会使背面金属电极结构的横向导电性明显变差。
在一个优选的实施方式中，背面包封结构具有背面包封元件和嵌入聚合物，所述嵌入聚合物设置在背面包封元件和保护层之间并选自包括乙烯-醋酸乙烯酯、硅橡胶、聚乙烯丁醛、聚氨酯或聚丙烯酸酯的组。嵌入聚合物优选地可以这样选择，以使得所述嵌入聚合物能够良好地附着在保护层所采用的材料上。使用玻璃或塑料膜作为背面包封元件。塑料膜的一个例子是由TEDLAR⑧(美国Wilmington市，杜邦公司的注册商标)支承的背面薄膜。可选地，可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯作为塑料膜。背面包封结构的材料可以与正面包封层的材料相同或不同。正面包封层可以包括一层或多层。例如正面包封层可以包括一层乙烯-醋酸乙烯酯和一个玻璃层。
此外，本发明还涉及一种用于制造半导体晶片太阳能电池的方法，所述方法具有以下步骤:
提供半导体晶片太阳能电池，它具有:由半导体材料制成的半导体晶片，所述半导体晶片具有设置成用于光入射的正面和具有背面表面的背面，背面表面通过介电的钝化层表面钝化，其中在钝化层上设置包括烧结的金属颗粒的背面金属电极结构，并且背面金属电极结构通过多个局部的接触区域与半导体晶片的半导体材料接通，所述接触区域构造成钝化层的开口并且占据小于背面表面的5%、优选地小于2%的电接触面，以及
在背面金属电极结构上施加保护层。
在该方法中，优选地提供了半导体晶片太阳能电池，所述半导体晶片太阳能电池具有半导体晶片、钝化层和背面金属电极结构，所述背面金属电极结构与半导体晶片电接通。这种半导体晶片太阳能电池可以例如这样来获得:在半导体晶片上沉积设置钝化层，然后在钝化层上施加金属膏状物，并对整个结构进行灼烧，在灼烧电极结构之后借助于激光向层组中“射入”电接触区域，从而背面金属电极结构穿过钝化层与晶片的半导体结构发生电接触。通过根据本发明的方法获得一种设有保护层的半导体晶片太阳能电池，所述半导体晶片太阳能电池能够与用于制造太阳能模块的背面包封材料形成特别好的长时间稳定的组合体。
向背面金属电极结构上施加保护层的步骤优选地通过印刷、喷射、旋转涂覆、浸溃或放置薄膜来执行。本领域技术人员可以根据所使用的保护层材料来选择上面列举的可选方案。保护层的材料可以以膏状物、墨水、溶液或薄膜的形式施加到背面金属电极结构上，或者对于保持层叠的情况施加到层叠的已经存在的保护层上。作为材料可以考虑采用前面结合太阳能电池的结构提及的聚合物或其单体原材料。在这里为了避免重复，对于所述方法的实施明确地引用前面提及的关于保护层的组成和特性的其余参数。
在一个优选的实施方式中，在向背面金属电极结构上施加保护层之后，对保护层执行保护层的硬化步骤。当保护层具有可硬化的材料时执行该步骤。
硬化优选地通过利用IR和/或UV光进行照射来进行。可选地，保护层的待硬化的材料也可以添加硬化剂。
所述半导体晶片太阳能电池的其它优点和特性根据下面说明的优选实施方式来说明。
其中:
图1示意性地示出了根据本发明的半导体晶片太阳能电池的部分横向剖视图；以及
图2示意性地示出了用于制造根据本发明的半导体晶片太阳能电池的方法。
附图标记说明
10 半导体晶片太阳能电池
11 正面
12半导体晶片
14钝化层
16背面金属电极结构
18保护层
19接触区域
20制备太阳能电池
22施加保护层具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的半导体晶片太阳能电池10在其背面的区域中的部分横向剖视图。正面11构成半导体晶片太阳能电池10的光入射侧面。这里可以设置另外的层，例如这里未示出的正面电极结构和防反射层。半导体晶片太阳能电池10具有半导体晶片12、设置在半导体晶片12上的钝化层14、设置在钝化层14上的背面金属电极结构16和设置在背面金属电极结构16上的保护层18。背面金属电极结构16通过多个局部的接触区域19 (图1中仅是举例和示意性地、即不是符合真实尺寸地示出其中的两个接触区域)与半导体晶片12的半导体材料电接通，接触区域19构造成钝化层14的开口。电接触面小于背面表面的5%。保护层18作为背面金属电极结构16上的层这样放置以使得保护层覆盖背面金属电极结构。位于背面金属电极结构16中的电池连接件接通段(没有示出)构成在没有覆盖的位置，所述电池连接件接通段用于将半导体晶片太阳能电池10与其它半导体晶片太阳能电池连接。由于背面金属电极结构16的多孔结构，保护层18的材料可能至少部分地渗入背面金属电极结构16中。但这种效果是否出现并且以何种程度出现取决于用于保护层18的材料的选择和用于层压太阳能模块所选择的参数。除了保护效果或附加于保护效果，保护层18还可以用于太阳能电池10的稳定化。当半导体晶片12较薄，就是说，其厚度在50至300 μ m、优选地在100至200 μ m的范围内时，这种效果是特别有利的。
图2示意性地示出了用于制造在图1中示出的半导体晶片太阳能电池的方法。根据本发明的方法具有以下步骤:制备半导体晶片太阳能电池20并施加保护层22。在步骤20中制备的半导体晶片太阳能电池具有半导体晶片、设置在半导体晶片上的钝化层和设置在钝化层上的背面金属电极结构。背面金属电极结构通过设置在钝化层中的接触区域与半导体晶片电接通。在步骤22中 ，在背面金属电极结构上施加保护层，保护层优选地这样施加到背面金属电极结构上，以使得给在位于背面金属电极结构中的电池连接件接通段、例如总线或焊盘留出空缺，由此，电池连接件接通段露出，以用于与其它半导体晶片太阳能电池钎焊。保护层的施加可以通过印刷、喷射、旋涂、浸溃或放置薄膜来执行。在向半导体晶片太阳能电池上施加保护层之后，在需要时，使保护层硬化。所述硬化例如通过IR和/或UV射线的照射来实现，并根据所使用的保护层材料来恰当地选择。
权利要求
1.一种半导体晶片太阳能电池(10)，具有表面钝化的背面，所述半导体晶片太阳能电池包括由半导体材料制成的半导体晶片(12)，所述半导体晶片具有:设置成用于光入射的正面(11)和背面，所述背面具有背面表面，所述背面表面通过介电的钝化层(14)表面钝化，其中在钝化层(14)上设置包括烧结的金属颗粒的背面金属电极结构(16)，背面金属电极结构(16)通过多个局部的接触区域(19)与半导体晶片(12)的半导体材料电接通，接触区域(19)构造成钝化层(14)的开口并占据小于背面表面的5%、优选小于2%的电接触面，其特征在于，在背面金属电极结构(16)设置保护层(18)。
2.根据权利要求1所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，保护层(18)的厚度在2至20 μ m、优选地在5至10 μ m的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，保护层(18)的热膨胀系数与背面金属电极结构(16)的热膨胀系数处于相同的范围，优选地在2至20.10_6/K、更优选地在5至15.10_6/Κ的范围内。
4.根据上述任一项权利要求所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，保护层(18)构造成层叠。
5.根据上述任一项权利要求所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，保护层(18)包括这样的材料，所述材料选自包括热固塑料、聚酰胺、聚邻苯二甲酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙稀、聚醚酰亚胺、硫化聚苯醚、聚醚酮、聚酰亚胺和它们的组合的组。
6.根据上述任一项权利要求所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，保护层(18)包括选自包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺6和其组合的组中的材料。
7.根据上述任一项权利要求所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，保护层(18)包含玻璃纤维和/或碳纤维。
8.根据权利要求7所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，玻璃纤维和/或碳纤维的比例相对于保护层(18)的所有材料为最高80%体积百分比，优选为30至60%体积百分比。
9.根据上述任一项权利要求所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，保护层(18)具有硬化的聚合物。
10.根据上述任一项权利要求所述的半导体晶片太阳能电池(10)，其特征在于，背面金属电极结构(16)具有电池连接件接通部段，保护层(18)为电池连接件接通部段留出空隙。
11.一种太阳能模块，具有正面包封层、多个相互电连接的根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的半导体晶片太阳能电池和背面包封结构。
12.根据权利要求11所述的太阳能模块，其特征在于，背面包封结构具有背面包封元件和嵌入聚合物，所述嵌入聚合物设置在背面包封元件和保护层之间并选自包括乙烯-醋酸乙烯酯、硅橡胶、聚乙烯丁醛、聚氨酯或聚丙烯酸酯的组。
13.一种用于制造半导体晶片太阳能电池(10)的方法，所述方法具有以下步骤: 制备(20)半导体晶片太阳能电池，它具有:由半导体材料制成的半导体晶片(12)，所述半导体晶片具有设置成用于光入射的正面(11)和具有背面表面的背面，背面表面通过介电的钝化层(14)表面钝化，其中在钝化层(14)上设置包括烧结的金属颗粒的背面金属电极结构(16)， 并且背面金属电极结构(16)通过多个局部的接触区域(19)与半导体晶片(12)的半导体材料接通，所述接触区域(19)构造成钝化层(14)的开口并且占据小于背面表面的5%、优选地小于2%的电接触面，以及 在背面金属电极结构(16)上施加(22)保护层(18)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，保护层(18)的施加(22)通过印刷、喷射、旋涂、浸溃或放置薄膜来执行。
15.根据权利要求 13或14所述的方法,其特征在于,在向背面金属电极结构(16)上施加(22)保护层(18)之后，执行使保护层(18)硬化的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述硬化通过IR和/或UV光的照射来实现。
全文摘要
本发明涉及一种半导体晶片太阳能电池(10)，具有表面钝化的背面，所述半导体晶片太阳能电池包括由半导体材料制成的半导体晶片(12)，所述半导体晶片具有设置成用于光入射的正面(11)和背面，所述背面具有背面表面，所述背面表面通过介电的钝化层(14)表面钝化，其中在钝化层(14)上设置包括烧结的金属颗粒的背面金属电极结构(16)，背面金属电极结构(16)通过多个局部的接触区域(19)与半导体晶片(12)的半导体材料电接通，接触区域(19)构造成钝化层(14)的开口并占据小于背面表面的5％、优选地小于2％的电接触面，其特征在于，在背面金属电极结构(16)设置保护层(18)。本发明还涉及一种用于制造半导体晶片太阳能电池(10)的方法以及一种由所述半导体晶片太阳能电池(10)支承的太阳能模块。
文档编号H01L31/048GK103208548SQ20131001180
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者A·美特, M·霍夫曼, J·切斯拉克, H-C·普劳依基特 申请人:韩华Q.Cells有限公司