背接触太阳能光伏模块用半导体晶片的电池和模块加工的制作方法
【专利摘要】本发明涉及高效硅基背接触背结太阳能板的成本有效的制造方法和在每一电池的背侧具有多个交替的矩形发射极区和基极区的太阳能板，其各自具有在相应发射极区和基极区上方并且平行于所述相应发射极区和基极区的矩形金属指形导电体，在晶片和指形导体中间的第一绝缘层，和在所述指形导体和电池互连中间的第二绝缘层。
【专利说明】背接触太阳能光伏模块用半导体晶片的电池和模块加工 发明领域
[0001] 本发明涉及高效硅基背接触背结太阳能板的成本有效的制造方法以及通过所述 方法制造的太阳能板。
[0002] 发明背景
[0003] 关于对化石能源的使用正将地球温室效应往可变得危险的程度推进，受到越来越 多的关注。因此，目前对化石燃料的消耗应优选地由对我们的气候和环境可再生且可持续 的能源/载体代替。
[0004] 一种这样的能源是太阳光，其以比目前和任何可预见到的人类能耗增加大得多的 能量照耀着地球。然而，太阳能电池的电力到现在为止太昂贵，以致与核电、热电、水电等相 比没有竞争力。如果要实现太阳能电池的电力的巨大潜能，那么需要改变这种情况。
[0005] 来自太阳能板的电力的成本随太阳能板的能量转换效率和制造成本而变。因此， 对较便宜太阳能电力的探索应集中于通过成本有效的制造方法制造的高效太阳能电池。
[0006] 硅基太阳能板的目前支配性加工途径可以粗略地描述如下：制造呈高纯度硅的结 晶块形式的太阳能级原料，将所述块锯成一组薄晶片，将每一晶片电池加工成太阳能电池， 并然后安装所述太阳能电池以形成太阳能板，将所述太阳能板进一步安装和集成为太阳能 系统。
[0007] 然而，目前支配性加工途径因由以下两个因素造成的硅原料的极低利用程度而受 阻：当前的锯切工艺需要150-200 μ m的最小晶片厚度，而晶片中最重要的光伏活性层仅为 约20-30 μ m，并且通过锯切形成晶片导致约一半的太阳能级硅进料作为锯槽（kerf)而损 失。因此非常期望发现一种用于硅基太阳能电池板的如下工艺途径，其不需锯切晶片并且 可形成具有根据光伏要求的厚度的晶片。
[0008] 此外，为了生产太阳能模块，通常以串联电路连接电池，以使模块的正极电输出连 接到首个电池的阳极区并且模块的负极电输出串联连接到末个电池的阴极区。对于具有η 型基极区的电池，η型基极区为阴极并且ρ型发射极区形成阳极。对于具有ρ型基极区的 电池，Ρ型基极区为阳极并且η型发射极区形成阴极。连接其间的电池以使首个电池的发 射极区连接到第二个电池的基极区、第二个电池的发射极区连接到第三个电池的基极区， 等等，直到所有电池都连接成串为止。互连方法描述了可如何实现电池的串联电连接。使 用这种互连方法还可实现可选的电路拓扑，诸如连接成并联电路或连接成串并联电路组合 的电池，但其通常不是优选的，因为会产生较高总电流，而这需要较大的导体横截面。
[0009] 电池金属化是将一个或多个图案化金属层设置于每一太阳能电池上，以使电流可 从太阳能电池的发射极和基极半导体区流至发射极和基极金属化区中。将发射极和基极金 属化区图案化以使发射极金属和基极金属彼此不直接电连接。通常，优选减小金属-半导 体接触面积以减少在触点处的载流子复合，而较大的指形导体（finger conductor)面积对 于较低的电阻损失来说是优选的。 现有技术
[0010] 从US 6 337 283已知一种制造基于太阳能级原料的背接触背结太阳能电池 (BC-BJ电池）的方法，所述太阳能级原料呈高纯度硅的结晶块形式，所述结晶块被锯成晶 片并然后加工成BC-BJ电池。所述文献公开了一种如下制造在同一侧具有p型掺杂区和 η型掺杂区的背面点触式硅太阳能电池的方法：在p型掺杂区和η型掺杂区具有开口窗的 电池的表面上形成钝化层，以使第一金属层与Ρ型掺杂区和η型掺杂区接触的方式在钝化 层上沉积和图案化第一金属层，在第一金属层上沉积第一聚酰亚胺绝缘层、以使绝缘层在Ρ 型掺杂区和η型掺杂区中的至少一者处具有开口窗的方式蚀刻和图案化第一聚酰亚胺绝 缘层，在第一聚酰亚胺绝缘层上沉积第二聚酰亚胺绝缘层，以使绝缘层在Ρ型掺杂区和η型 掺杂区中的至少一者处具有开口窗的方式蚀刻和图案化第二聚酰亚胺绝缘层，通过在预定 的第二温度下加热预定的第二时间而固化第一聚酰亚胺绝缘层，以及以使第二金属层与Ρ 型掺杂区和η型掺杂区中的至少一者接触的方式在第二聚酰亚胺绝缘层上沉积第二金属 层。因此，将焊接于金属化基底上的电池表面得到充分平整并且甚至确保了足够的传导性， 以及较小的空隙和较小的焊接疲劳。
[0011] 从W0 2008/039078已知了一种类似方法，所述专利公开了一种制造背接触太阳 能电池的方法，其中所述方法包括应用硅基底、晶片或薄膜，在其背侧以交错图案掺杂有交 替的Ρ型和Ν型传导并且任选地在晶片前侧掺杂有Ρ型或Ν型层，特征在于所述方法还包 括：
[0012] -在基底两侧都沉积一个以上表面钝化层，
[0013] -在基底背侧的表面钝化层中产生孔，
[0014] -沉积金属层，所述金属层覆盖整个背侧并且填充表面钝化层中的孔，以及
[0015] -在沉积的金属层中产生孔以获得与基底背侧上掺杂区的电绝缘接触。
[0016] 当应用从料块锯下的晶片时，太阳能级原料的低利用程度的问题已经通过从沉积 在基底上的硅膜制造太阳能电池而解决。Keevers等人在[1]中公开了这种技术的实例， 其中将包含硅多晶薄膜的光伏面板沉积在玻璃基底上。将这种技术称为玻璃上的晶体硅或 CSG技术。该制造工艺以通过用0. 5 μ m二氧化硅珠粒浸渍涂布而对玻璃基底的一个表面 进行织构化（texturing)开始。然后通过使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD)将SiN x 层和P掺杂无定形硅层沉积到织构化表面上。然后通过使用固相结晶，接着使用快速热处 理和快速在线氢化而形成多晶硅薄膜。然后通过使用激光划片（laser scribing)将所沉 积的半导体层分成一组单独的电池，随后通过辊涂来施加树脂层。然后通过喷墨印刷蚀刻 剂而在树脂层中形成一组接触孔（contact opening)，随后通过溉射沉积A1层，接着划片 以形成互连而将面板完工。这种技术的缺陷在于与晶片基单晶太阳能电池相比，太阳能电 池的光伏效率低。
[0017] W0 2009/128721公开了通过组合常规晶片基方法和CSG方法解决低光伏效率问 题的解决方案。这个文献公开了一种制造太阳能板的方法，所述方法包括采用大量预制的 半导体晶片和/或半导体片材以备用于背侧金属化，将其彼此相邻放置和贴附，并且使其 前侧向下面对着前玻璃的背侧，随后进行后续加工，其包括沉积至少一个覆盖整个前玻璃 的金属层，其包括所贴附的晶片/片材的背侧。然后将金属层图案化并且分成用于每一太 阳能电池的电绝缘触点并且分成在相邻太阳能电池之间的互连。该发明利用CSG技术对晶 片基太阳能电池制造的适用性，并因此利用与CGS技术和可通过使用单晶或多晶晶片获得 的高转换效率相关的工作负荷减轻。
[0018] 从W0 2011/031707已知一种制造光伏（PV)电池面板的方法，其中多个硅供体晶 片中之每一者都具有在其上表面上形成的分隔层，例如多孔阳极蚀刻硅。在每一供体晶片 上，然后部分完工PV电池，其包括电池间（inter-cell)互连的至少部分，此后将多个供体 晶片层压到后侧基底或前侧。然后在剥落过程中将所有供体晶片都与部分完工的PV电池 分离，接着同时完工PV电池上的其余PV电池结构。最后，第二次层压到前侧玻璃或后侧面 板便将PV电池面板完工。分离的供体晶片可再用于形成其它PV电池。使用外延沉积以形 成PV电池的层，能够改进掺杂剂分布和更锐利的结轮廓以得到改进的PV电池效率。
[0019] 从US 2011/0303280已知一种制造交错（interdigitated)背接触光伏电池的方 法，所述方法包括在基底后表面上设置第一掺杂剂类型的第一掺杂层，并设置覆盖其的介 电掩蔽层。通过介电掩蔽层和第一掺杂层形成槽，所述槽在基本上与后表面正交的方向中 延伸到基底中并且在槽侧在第一掺杂层的下面横向延伸。在基本上与后表面正交的方向中 进行定向掺杂，从而在槽底设置具有第二掺杂剂类型的掺杂剂的掺杂区。进行掺杂剂扩散 以在基底后侧在槽之间形成发射极区和背面场效应区中的一者并且在槽底形成另一者。
[0020] 从US 2011/0315186已知薄的单晶硅膜太阳能电池和其形成方法，其中所述方法 包括在硅生长基底上形成薄的单晶硅层，接着在所述薄的单晶硅膜上方和/或内部形成前 或后太阳能电池结构。所述方法还包括将薄的单晶硅膜贴附于机械载体，并然后将生长基 底沿着在生长基底和薄的单晶娃膜之间形成的解理面（cleavage plane)从薄的单晶娃膜 分离。然后在薄的单晶硅膜上方和/或内部与机械载体相反地形成前或后太阳能电池结构 以完成太阳能电池的形成。
【发明内容】
[0021] 本发明的主要目的在于提供一种形成背接触背结高效太阳能模块的成本有效的 方法。
[0022] 本发明的另一目的在于提供背接触背结高效太阳能模块。
[0023] 可通过以下描述和所附权利要求书和附图中所述的特征实现本发明的目的。附图 示出了本发明的实施方式。
[0024] 发明详述
[0025] 本发明基于以下认识：通过采用背侧电接触会增强硅基太阳能电池的转换效率， 其中通过相对大量的指形物（finger)和带（ribbon)获得在硅太阳能电池的发射极区和基 极区之间的接触区域，以实现短电流通路（short current path),其中每一指形物或带具 有相对大的表面积以最小化电阻损失，并且同时与半导体具有相对小的接触面积以最小化 电荷复合。
[0026] 因此在第一方面，本发明涉及一种制造背接触背结硅太阳能电池模块的方法，
[0027] 其中所述方法依次包括以下工艺步骤：
[0028] A)如下形成多个半成品太阳能电池：依次实施所选数量的如下晶片工艺步骤，其 至少包括步骤ii)，然后进入以下步骤B):
[0029] i)采用具有层状分层掺杂结构的晶体硅晶片，所述层状分层掺杂结构至少含有背 侧发射极层和在所述发射极层下方的基极层，和其中所述晶片在背侧具有多个交替的矩形 发射极区和基极区，和
[0030] ii)形成织纹（texturing)和将至少一个表面钝化膜沉积于所述晶片的前侧， [0031] iii)通过沉积覆盖所述晶片的整个背侧的连续无定形硅层而形成背侧表面钝化 层，和
[0032] iv)在所述背侧表面钝化层上形成第一绝缘层，其中线性孔限定电接触进接区域 (access area)，所述线性孔是平行的和位于所述多个交替的矩形发射极区和基极区中的 每个的几乎正上方，
[0033] V)形成矩形金属指形导电体，其与所述多个交替的矩形发射极区和基极区中的每 个平行并且在其几乎正上方，
[0034] vi)在所述指形导体上形成第二绝缘层，在其中与下面的指形导体电接触的位置 设计有一组进接孔，和
[0035] vii)在与处于所述进接孔下方的所述指形导体电接触的所述第二绝缘层中的每 个进接孔中形成通路接触，
[0036] B)将所述多个半成品太阳能电池层压到模块前基底上，使其前侧以矩形的类似镶 嵌的图案（tessellated-resembling pattern)面对所述模块前基底，和然后对所述层压的 多个半成品太阳能电池依次实施步骤A)的最终的其余晶片工艺步骤，直到实施包括步骤 vii)的所有晶片工艺步骤为止，和然后
[0037] C)通过在所述第二图案化绝缘层上形成一组带接触以将所述模块的所述半成品 太阳能电池互连而完成所述工艺以形成所述半成品太阳能电池的功能性太阳能电池，和
[0038] D)将背侧覆盖基底层压到包含所述多个太阳能电池的所述模块前基底的背侧。
[0039] 如此处所使用的术语"前侧"和"背侧"与太阳能模块或太阳能电池在正常运行期 间的定向有关，前侧是模块或太阳能电池面对太阳之侧，背侧是在太阳能模块正常运行期 间背对太阳的相对侧。
[0040] 如此处所使用的术语"在……几乎正上方"是指允许放在上方的物件在定位方面 具有特定游隙（slack)，以使其无需以所述术语的数学含义放在正上方。
[0041] 如此处所使用的术语"硅晶片"是指具有掺杂硅的分层层状结构的任何薄的平坦 晶体硅物件，其至少由以下组成：厚度为0. 2-5μπι、掺杂至1 ·1016-1 ·102°(?πΓ3Ν型或P型掺 杂元素的浓度的第一层，和厚度为10-65 μ m、掺杂至1 · 1015至1 · 1017cnT3的与第一层的传 导性相反的掺杂元素的浓度的第二层。有利地，还可存在厚度为0. 2至5 μ m、掺杂至1 · 1016 至1 · 102°cnT3P型或N型掺杂元素的浓度的第三层。硅晶片的主要表面可具有以下几何形 状之一：方形、准方形、矩形或准矩形，其中"准"是指有圆角、倒角或斜角（angled corner)。 晶片的主要表面的特征尺寸可有利地是：长度1和宽度d在50至400mm、优选地125-300mm 的范围内。厚度，即在硅晶片的相对的主要表面之间的最短距离，可为任何已知或可想到的 与太阳能晶片相关的厚度。然而，该厚度可有利地为在获得足够光伏活性、避免过度使用硅 原料和获得足够的晶片机械强度的需要之间的折衷值。因此，第一层的厚度可有利地在以 下范围之一内：〇. 2-5 μ m、0. 3-3 μ m、0. 3-2 μ m或0. 4-1 μ m，第二层的厚度可有利地在以下 范围之一内：10-65 μ m、20-50 μ m或30-40 μ m，并且第三层的厚度可有利地在以下范围之 一内：0· 5-20 μ m、1-10 μ m、1-5 μ m 或 1-3 μ m。
[0042] 所述晶片的第一层中掺杂元素的浓度可有利地在以下范围之一内： 1 · 1016-1 · 102(lcm-3、l · 1017-1 · 102(lcm-3、l · 1018-5 · 1019Cm_3 或 1 · 1019-5 · 1019,在第二层中 的可有利地在以下范围之一内：1 · l〇15-l · l〇17cm_3、5 · 1015-5 · 1016cm_3 或 1 · 1016-5 · 1016， 并且在第三层中的可有利地在以下范围之一内：1 · l〇17-l · 102°cnT3、5 · 1017-5 · 1019cnT3或 1 · 1018-1 · 1019cnT3。为了形成太阳能电池的背结特征，第一和第二沉积层必须具有相反的 传导性。也就是说，如果第一层被赋予N型的传导性，那么第二层必须被赋予P型的传导性， 或反之亦然；如果第一层被赋予P型的传导性，那么第二层必须被赋予N型的传导性。由 于上文规定的浓度水平，因此第一层为相对重度掺杂的并因此将形成太阳能电池的发射极 层，并且第二层将形成太阳能电池的基极层。本发明因此可形成具有P型或N型发射极层 的太阳能电池。第三层可以形成太阳能电池的浮动结或前表面场层，并且可以具有与基极 层传导性无关的传导性。也就是说，第三层可以具有N型或P型传导性，而不论基极层为P 型还是N型。表1中给出根据本发明的太阳能电池的分层的三层晶片的可能构造。
[0043] 表1根据本发明的太阳能电池的分层的层的可能构造
[0044]
【权利要求】
1. 一种制造背接触背结硅太阳能电池模块的方法， 其中所述方法依次包括以下工艺步骤： A) 如下形成多个半成品太阳能电池：依次实施所选数量的如下晶片工艺步骤，其至少 包括步骤ii)，然后进入以下步骤B): i) 采用具有层状分层掺杂结构的晶体硅晶片，所述层状分层掺杂结构至少含有背侧发 射极层和在所述发射极层下方的基极层，和其中所述晶片在背侧具有多个交替的矩形发射 极区和基极区，和 ii) 形成织纹和将至少一个表面钝化膜沉积于所述晶片的前侧， iii) 通过沉积覆盖所述晶片的整个背侧的连续无定形硅层而形成背侧表面钝化层，和 iv) 在所述背侧表面钝化层上形成第一绝缘层，其中线性孔限定电接触进接区域，所述 线性孔是平行的和位于所述多个交替的矩形发射极区和基极区中的每个的几乎正上方， v) 形成矩形金属指形导电体，其与所述多个交替的矩形发射极区和基极区中的每个平 行并且在其几乎正上方， vi) 在所述指形导体上形成第二绝缘层，在其中与下面的指形导体电接触的位置设计 有一组进接孔，和 vii) 在与处于所述进接孔下方的所述指形导体电接触的所述第二绝缘层中的每个进 接孔中形成通路接触， B) 将所述多个半成品太阳能电池层压到模块前基底上，使其前侧以矩形的类似镶嵌 的图案面对所述模块前基底，和然后对所述层压的多个半成品太阳能电池依次实施步骤A) 的最终的其余晶片工艺步骤，直到实施包括步骤vii)的所有晶片工艺步骤为止，和然后 C) 通过在所述第二图案化绝缘层上形成一组带接触以将所述模块的所述半成品太阳 能电池互连而完成所述工艺以形成所述半成品太阳能电池的功能性太阳能电池，和 D) 将背侧覆盖基底层压到包含所述多个太阳能电池的所述模块前基底的背侧。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中通过如下方式将所述半成品太阳能电池层压到所 述模块前基底上：将所述太阳能模块的所有半成品太阳能电池都以预期的类似镶嵌的图案 沉积到层压板上，使其背面向下面对着所述层压板，然后面对所述半成品太阳能电池挤压 具有小于1mm厚的乙烯-乙酸乙烯酯（EVA)层的模块前玻璃，并将组件加热至约175°C直到 所述EVA固化为止。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中通过将所述模块装载到无定形硅沉积室中以通过 化学气相沉积（CVD)沉积l-50nm厚的α-Si层而形成所述连续无定形硅层。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中通过化学气相沉积将连续SiNx层沉积到所述连续 无定形娃层上。
5. -种根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中如下制造所述绝缘层：丝网印 刷聚酰亚胺组合物以形成图案化层，所述图案化层的厚度为1-10 μ m，其线性接触区域的宽 度在范围50-200μπι内，平行和排列在所述多个交替的矩形发射极区和基极区的每一 P型 和Ν型区的中心上方，然后在180-200°C下固化。
6. -种根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中通过在02/N20中等离子体灰化 和在形成所述第一绝缘层之后进行氟化氢蚀刻而清洁所述接触进接区域。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中如下沉积连续金属相：等离子体气 相沉积（PVD)直到所述晶片背侧的所述连续金属相具有在以下范围之一内的厚度为止： 200nm 至 20 μ m、200nm 至 10 μ m、300nm 至 5 μ m、300nm 至 2 μ m、350nm 至 1 μ m 或 350nm 至 800nm。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述连续金属相是选自以下的金属层堆叠：A1/ NiCr/Cu、Al/NiCr/SnCu或AlSi/NiV/SnCu，其中将所述A1或含A1合金制成与所述无定形 硅层接触。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述金属堆叠还在胶粘接触层的相对侧含有选自 以下的上接触层：含Cu、Sn和Ag的合金；含Cu-Sn-Ag的合金；Cu-Sn合金；Sn ;或贵金属例 如 Au、Ag 或 Pd。
10. 根据权利要求7所述的方法，其中如下制造所述指形导体： -在多室工具中DC磁控管溅射连续A1层作为半导体接触层，然后溅射连续Nia8Cra2 层，和然后使用平面靶材以及作为溅射气体的Ar而溅射连续Cu层，和 -通过激光烧蚀将所述沉积的连续金属层图案化，从而在所述金属层中形成线性槽。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中通过以下操作之一形成所述第二 绝缘层： -将图案化的胶粘剂或可印刷绝缘油墨施加到所述晶片的所述金属相（指形导体）上， -沉积未图案化的连续的第二绝缘层，并且使用随后图案化的传导材料印刷以选择性 蚀穿、渗透、熔化或溶解所选区域中的所述第二绝缘层， -使所述传导层充当掩模以防止下面绝缘体的UV固化，因此允许所述导体渗透所选区 域中的所述绝缘体，或者 -将通路导体垫直接印刷到电池金属化物上，并然后使自流平绝缘层围绕所述导体垫 流动以通过UV固化而形成所述第二绝缘层。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中如下形成所述带：从线轴施加合 适长度的金属条或带、拉伸并将所述金属条或带切到一定尺寸、形成应变消除特征并然后 将所述金属条或带以恰当的定向放在所述第二绝缘层上方，并然后将所述金属条或带挤压 到所述进接孔中的所述传导性胶粘剂或焊膏中。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述金属条具有等截面并且由涂有纯Sn的实心 铜芯制造，所述金属条的厚度在以下范围之一内：1〇至300 μ m、20至200 μ m、30至100 μ m、 30至60μπι或35至50μπι，并且宽度在以下范围之一内：0. 1至20mm、0. 3至15mm、0. 5至 10mm、1至8mm或3至6謹,和其中 -将每个带定向和定位成平行并且与所述太阳能电池的πι·η进接点的所述矩形图案的 偶数或奇数编号的行对准，并且 -横跨所述太阳能模块的所述多个即M = k ·1个太阳能电池的同一行中的两个太阳能 电池，以使： -与奇数编号的太阳能电池的m · η个进接点的所述矩形图案的奇数编号行对准的带， 将这个太阳能电池的所述发射极型区域与所述行中下一个太阳能电池的所述基极型区域 连接，和 -与奇数编号的太阳能电池的m · η个进接点的所述矩形图案的偶数编号行对准的带， 将这个太阳能电池的所述发射极型区域与所述行中前一个太阳能电池的所述基极型区域 连接，并且如果所述太阳能电池是所述行中的首个太阳能电池，那么与偶数编号行对准的 所述带仅横跨这个太阳能电池，并且如果所述太阳能电池是所述行中的末个太阳能电池， 那么与奇数编号行对准的所述带仅横跨这个太阳能电池。
14. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在步骤A中，从步骤i)至vii)的 所有晶片工艺步骤都在进行到步骤B)之前实施。
15. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中如下形成所述带：从线轴施加合 适长度的金属条或带、拉伸并将所述金属条或带切到一定尺寸、形成应变消除特征并然后 将所述金属条或带以恰当的定向放在所述第二绝缘层上方，并然后将所述金属条或带挤压 到所述进接孔中的所述传导性胶粘剂或焊膏中。
【文档编号】H01L31/18GK104272475SQ201380015256
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】理查德·汉密尔顿·休厄尔, 安德烈亚斯·本特森 申请人:瑞科斯太阳能源私人有限公司