专利名称：前侧串联太阳能模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适于前侧串联在太阳能电池模块中的太阳能电池元件，并 且还涉及相应的太阳能电池模块。此外，本发明涉及相应太阳能电池元件和太 阳能电池模块的制造方法，并且还涉及相应太阳能电池元件及模块在聚光器
(concentrator)设备中的用途。
本发明首先应用于高聚光光电系统(聚光器装置)领域。在这里，凹面镜 将高强度阳光聚集到相对小的模块表面。对于光强度相对于正常阳光上升百倍 的情况，这里描述为100日光的聚光比。这样，可以由相对廉价的镜表面来替 换昂贵的太阳能电池表面。在聚光比为几个100日光的情况下，以III-V半导体 和锗制成的太阳能电池的用途也变得有吸引力，例如还通常用于太空旅行应用 中。然而，这种类型的高聚光比产生非常高的电流密度。在IOOO日光的情况下， 每平方厘米的具有三个pn结的高效m-V太阳能电池(三电池)典型地产生14A 的电流。为了将电池的串联电阻的损耗保持较低，必须使用宽度十分小(在几 毫米范围内)的电池。
背景技术：
太阳能电池的串联(各个太阳能电池随后也被称为太阳能电池元件，连接 在一起的多个太阳能电池元件于是有可能连同其相关的承载结构一起构成一个 太阳能电池模块)在现有技术中是已知的通常，通过从太阳能电池的前侧向 各自串联的下一电池的后侧引出的有角度的电池连接器5来形成太阳能电池的 已知的串联连接(图la)。这些连接器5将一个电池的前侧金属化部4连接到下 一电池的后侧金属化部3。这样，形成任何长度的一行太阳能电池的串联连接。 这种连接的不利之处在于，有角度的电池连接器5占据相对较大空间。因此， 不可实现密集封装的聚光器模块所需的明显小于lmm的芯片间隔或太阳能电池元件间隔因为落入太阳能电池芯片之间或太阳能电池元件之间的中间空间内 的光是损失掉的，并未得以使用，所以需要密集封装的聚光器模块，或者需要 用于形成尽可能密集封装的模块的电池连接方式。
通过电池后侧的电池连接器5，根据图1中的现有技术的实现方式还使得太 阳能电池与冷却表面9热耦合变得困难，所述冷却表面例如为陶瓷衬底或冷却 体。图lb示出根据现有技术的用于接触的另外可能方式。这里，使用具有金属 化表面10的非导电衬底9(例如陶资)。太阳能电池安装在这些表面上。通过电 池连接器5，实现从每一电池到各自下一金属表面的接触。由于这里在电池上不 需要后侧结构，因此，例如借助于薄的焊接或导电粘接层，可以实现非常好的 热耦合。然而，在各电池旁还需要另外的相对宽的条带以便接触。因为表面损 耗相对高，所以以此方式照样不可实现十分高效的模块。
发明内容
因此，本发明的目的在于实现太阳能电池元件和太阳能电池模块，所述太 阳能电池元件和太阳能电池模块被构造或配置成使得通过它们，各个太阳能电 池元件之间的中间空间中的光损耗可以最小，从而通过它们可以实现高效的、 高聚光的光电系统或聚光器装置。
该目的通过根据专利权利要求1的太阳能电池元件、根据专利权利要求17 的太阳能电池模块以及专利权利要求32的制造方法来实现。在各个从属权利要 求中可以得到根据本发明的太阳能电池元件和太阳能模块以及根据本发明的制 造方法的有利扩展。
随后参照各个实施例来描述本发明。然而，以特定组合的方式举例给出的 如实施例中所示的根据本发明的各个特征不仅可以以所示组合的方式出现，而 且还可以在本发明范围内被配置或结合在一起以及以任何其它组合方式使用。
本发明基于采取仅在前侧的或者在各个太阳能电池元件的前侧的、各个太 阳能电池元件的串联连接。可以在前側或后側实现多个串联太阳能电池链的并
联。为此，各个太阳能电池元件如随后更详细描述的那样;故适当配置或构造。因为这种构造，各个太阳能电池元件可以仅在前侧利用适当配置的电池连接器 而连接在一起，以形成串联或并耳关连接。
相对于现有技术中已知的太阳能电池元件或太阳能电池模块，根据本发明 的太阳能电池元件或模块将平坦金属后侧(其便于组装)的优点与连接密集封 装的太阳能电池以形成太阳能电池模块的可能性相结合。如随后更详细示出的 那样，根据本发明可以在太阳能电池模块中以极d 、的间距形成各个太阳能电池 元件。
现参照一系列实施例来描述本发明。在各个实施例中，太阳能电池元件或 太阳能电池模块的相同或相应的构造元件或部件具有相同的标号。因此，它们 各自的描述仅参照各实施例(当其首先出现时)进行，且不重复。
在实施例的附图中使用以下标号
1, la，lc:可变掺杂的电有源半导体层
2:支撑半导体层(也称为半导体衬底层或村底层)，正好具有一种类型的
掺杂(n型或p型)或晶片 3:太阳能电池的后侧金属化部或旁路二极管 4:太阳能电池的前侧金属化部 4a: 13的前侧金属化部 4b: 14的前侧金属化部 4c: 15的前侧金属化部
5:有角度的电池连接器，用于接触根据现有技术的电池前侧和后侧
6, 6a， 6b，太阳能电池S6的衬底2上的前侧金属化部电有源层1或la、 lc 的间隙中的元件。
B6:与6类似，只是具有旁路二极管
7, 7a, 7b:两个太阳能电池元件之间的前侧电池连接器 B7:两个旁路二极管之间的前侧电池连接器SB7:太阳能电池元件与旁路二极管之间的前侧电池连接器 8， 8a， 8b:包括标号1、 2、 3、 4和6以及可能其它元件(例如根据现有技 术的绝缘层或抗反射层)的太阳能电池
9:冷却表面，例如陶资衬底或冷却板或冷却体
10:冷却表面9上的金属条带导体结构
11:焊接层或导热粘接层
12:在陶瓷衬底9上施加的金属总线
13:各个旁路二极管，13a:具有与13极性相反的各个旁路二极管
14:放置在具有太阳能电池8的公共支撑半导体层2上的旁路二极管
15:用于前侧接触的旁路二极管
16: p掺杂的锗衬底，锗电池的基极
17:通过扩散实现n掺杂的锗，锗电池的发射极
18:锗与GaAs电池之间的沟道二极管
19: MOVPE沉积的、p掺杂的砷化镓(p型GaAs), GaAs电池和旁路二极 管的基极
20: MOVPEn型GaAs， GaAs电池和旁路二极管的发射极 21: GaAs与GalnP电池之间的沟道二极管
22: MOVPE沉积的、p掺杂的镓铟磷(n型GalnP)， Galnp电池的基极
23: MOVPEn型GalnP, GalnP电池的发射极
24: MOVPE沉积的GaAs,用于低欧姆金属半导体接触的覆盖层
25:金属化部的钯(Pd)层
26:金属化部的锗(Ge)层
27:高导电金属化层，例如电偶金或真空沉积的银
28:透明前盘
29:透明密封化合物
30:用于分离太阳能电池元件的间隙附图中示出:.
图1为根据现有技术的两个太阳能电池元件的串联连接图2为根据本发明的太阳能电池元件的串联连接图3示出在承载结构上形成根据图2的串联连接；
图4示出在承载结构上形成图2所示装置的另一种可能形式；
图5为图2中根据本发明的装置与承载结构以及与旁路二极管的组合示意
图6为用于组合图2中才艮据本发明的装置的另一方式的示意图，其中包括
承载结构及旁路二级管；
图7为这种类型的另一可能组合，以与图5和图6相似的形式示出；
图8示出基于三太阳能电池的根据本发明的太阳能电池元件的优选制造过
程和旁路二极管的相应制造过程；
图9为才艮据本发明的太阳能电池^^块的优选组装变化图IO示出在才艮据图2b配置的实施例的情况下达到的效率，其中，太阳能
电池仅在前侧接触。
具体实施例方式
图2示出根据本发明的两个太阳能电池元件8a、 8b，并且还示出这两个太 阳能电池元件电串联连接以形成根据本发明的太阳能模块。图2a以三维整体视 图的形式示出该情况，图2b在平面A-A上以截面图形式示出才艮才居本发明的太阳 能电池元件之一 (元件8a),该截面A-A垂直于所述装置的半导体层平面并且 垂直于以下所述的轴，关于该轴，各个太阳能电池元件」波此间隔且相邻地设置 (电串联连接的方向)。图2c示出垂直于半导体层平面的根据本发明的装置的 俯视图。
根据本发明的太阳能电池元件8a、 8b中的每一个包括以下部件支撑半导 体层2(在这里，虽然并非完全涉及电无源层，但在下文中，或者也称为晶片、 半导体衬底层或简称为衬底层)；部署在半导体衬底层2的一侧并且与半导体衬底层2相邻(在附图中为层2的下側)的后侧金属化部3;以及部署在上侧(在 背向后侧金属化部的一侧)的第一前侧金属化部4、第二前侧金属化部6;以及 层结构l。支撑半导体层R包括晶片。在堆叠期间，层2可以形成最下面的太阳 能电池的基极。金属化部3可以是平面的，尤其是一整个平面的、非结构化的 金属化部(通常，在后续示例中为该情况)，然而，金属化部3也可以涉及不覆 盖整个表面的(不连续的)结构化的金属化部。层结构1被部署在衬底层2的 上侧与之邻近，使得衬底层2的整个表面并未被层结构l覆盖。因此，衬底层2 的上侧(前侧)具有未被层结构覆盖的间隙A。在这个间隙A内，太阳能电池 元件的第二前侧金属化部6被部署为与衬底层2直接相邻，并且在衬底层2上 与层结构1横向间隔开。因为层结构1与前侧金属化部6在横向间隔开，所以 这两个元件l、 6彼此电绝缘。太阳能电池元件的第一前侧金属化部4部署在层 结构1上并且与其相邻。在这里，该第一前侧金属化部4被布置成使得层结构1 被部分覆盖，但不产生第一前侧金属化部4超出层结构1的横向凸出部分。
特别地，如图2c中的俯视图所示，这里通过两个各自分离的元件6a和6b 来配置笫二前侧金属化部6，所述元件6a和6b 4皮此间隔地部署在衬底层或晶片 2上。所述元件6a和6b纟皮部署在与太阳能电池元件8a、 8b的側表面相邻的端 侧，使得相对于元件8a、 8b的前侧表面观看时，它们完全被层结构1所环绕(因 此，产生层结构1的E形结构，其完全覆盖衬底层2的整个表面，除了衬底层2 的表面中被第二前侧金属化部6a、 6b以及元件1与6a、 6b之间的两个窄沟道所 覆盖的表面部分之外)。在层结构1上，并且在截面中观看时未横向突出层结构 1从而同样与第二前侧金属化部6间隔开且电绝缘的情况下，元件8的第一前侧 金属化部4在这里以桥u子形状施加。
第一前侧金属化部4和第二前侧金属化部6是太阳能电池元件的电接触部， 其在正常操作中传递太阳能电池模块中电流的主要部分。
这里，第一前侧金属化部4以连续区域的形式(梳子形状)施加，第二前 侧金属化部6以彼此分离但自身又各自连续的多个(这里为两个)岛的形式(这 里为立方体)施加。然而，类似地，还容易想到可以以多个此类分离的岛的形式来配置第一前侧金属化部，并且以连续层结构的形式来配置第二前侧金属化
部6。同样，当然可以以多个不连续岛的形式来分别配置第一前侧金属化部和第 二前侧金属化部二者，或者分别以各个连续层结构的形式来配置这两个前侧金 属化部。
因此，通过太阳能电池元件的衬底层2表面上的层结构1和第二前侧金属 化部6 (为两个元件6a和6b的形式)的所示布置方式，实现了可以使有源太阳 能电池表面的损耗最小化的优点。
如图2a、图2b和图2c所示，左边所示的太阳能电池元件8a的第一前侧金 属化部4a经由两个导电电池连接器7a和7b连接到右边所示的太阳能电池元件 8b的第二前侧金属化部6。电池连接器7a由此将左边太阳能电池的第一前侧金 属化部4a连接到右边太阳能电池的第二前侧金属化的元件6a,第二电池连接器 7b将元件4a对应地连接到前侧元件6b。这里，所述两个电池连接器7a、 7b被 配置为超声焊接的金引线。
在与元件l、 4和6相对的后側，太阳能电池元件8a、 8b的后側金属化部3 从元件8a、 8b的第二前侧金属化部6的区域一直延伸到所述元件的第一前侧金 属化部4的区域。如果元件l、 4和6垂直于层平面向后侧金属化部3投影，则 该后侧金属化部将完全包围所投影的元件1、 4和6。
因此，举例说明太阳能电池8a、 8b的低欧姆的、仅前侧的串联连接。太阳 能电池包括具有第一类型掺杂(p型或n型)的支撑半导体层2以及可变掺杂的 层或层结构1，所述层或层结构1具有偏离支撑半导体层2的至少一个掺杂。通 常，层2是半导体盘中充当(最低)太阳能电池的基极的部分。层l由(最低) 太阳能电池的发射极以及可能还有太阳能电池结和层所形成。层1设有前侧金 属化部4，前侧金属化部4相对于半导体层具有低欧姆接触电阻。同样，具有后 侧金属化部的层2i殳置有低接触电阻。此外，在区域A的地方移除电池前侧上 的半导体层l。在这些地方，将具有低接触电阻的金属化部6施加在半导体层2 上的前侧上。金属化部6和4可以在一个共同的金属化步骤中施加，或者也可 以在分离的金属化步骤中施加。分别通过一个电池的前側金属化部4到下一电池的金属化部6的连接，实现一串太阳能电池的串联连接。图2b示出穿过电池 连同电池连接器的横截面。这里，以箭头来表示电流路径(不限于一个^l性)。 电流从电池连接器7流出，通过金属化部6进入与该金属化部直接相邻的支撑 半导体层2。电流以高电流密度流过支撑半导体层2(晶片)，并且到达与晶片2 直接相邻并且容易导电的后侧金属化部。在那里，电流分布在电池后侧上。重 要的是，晶片层2 ^f义位于金属化部6与后侧金属化部3之间。在半导体层(结 构)l中实现真正生成电力，支撑半导体层2能够充当(最低)太阳能电池的"基 极"。从而电流在分布在有源太阳能电池表面1的情况下流过一个或多个pn结， 直到最终到达前侧金属化部4。电流从那里流过另 一电池连接器7到达下一电池。 为了便于引用，以标号8来表征包括标号1、 2、 3、 4和6以及其它元件(诸如 绝缘层和/或抗反射层)的太阳能电池。在以下附图中，各自仅示出两个太阳能 电池。然而，应理解，通过任意数量的太阳能电池的相应串联连接，可以以相 同方式实现更大的太阳能电池模块。同样，也可以实现任何数量的太阳能电池 或串联的太阳能电池链的并联连接。
图3示出另一实施例，其中，图2中才艮据本发明的太阳能电池装置(太阳 能电池元件8a和8b)被部署在承载结构9、 10、 11上。元件9是具有不导电前 側的冷却板，例如具有陶乾前部的有源水冷却体或一部分通常被安装在有源冷 却体上的陶乾板。或者，冷却板或包括板和有源冷却体的组合物在以下筒称为 "热沉"。该承载结构还具有条形电导体结构10a和10b，其彼此电绝缘并且 被部署在冷却板或热沉9的上側；以及焊接层lla和llb，其分别被部署在条形 导体结构10a和10b的上侧(背向热沉的一侧)(或者，这也可以包括由导电且 导热的粘接剂制成的层)。太阳能电池元件8a被部署在焊接层lla上，太阳能电 池元件8b被部署在焊接层lib上。图3所示的串联连接(太阳能电池位于公共 条形导体上)适于多个串联太阳能电池链的成对并联连接。该连接在并联太阳 能电池的情况下能够对电流生成进行补偿，因而在非均匀照射情况下实现较低 的损耗。
所示根据本发明的装置将有助于组装的平坦金属太阳能电池后侧的优点与连接太阳能电池8以形成密集封装形式的模块的可能性相结合。这里，太阳能 电池通过导电粘接或焊接层11而被安装在条形导体结构10上，而所述条形导 体结构位于冷却表面9上。所述电池彼此之间的连接是通过电池连接器7a在前 侧实现的。图中左边的第一电池的后侧经由条形导体结构10的条形导体直4妻接 触，并且形成所述串联连接的一个极。反之，在图中的右边，电池连接器7b将 最后的电池的前金属化部连接到条形导体结构10的分离的条形导体10c,所述 分离的条形导体10c^皮部署在冷却器9上、与块10b、 llb、 8b横向间隔开，并 且形成所述串联连接的另 一极。如此生成的串联连接可以扩展到任何数量的串 联电池。同样，可以并联布置多个此类串联连接的串。
图4示出图2中根据本发明的太阳能电池模块在具有冷却结构9的承载结 构9、 11上的另一根据本发明的布置方式。这里，热沉9同样被配置为具有陶 瓷前部的不导电热沉(例如，作为水冷主体的结构支撑部的陶瓷前板，例如由 Curamik公司制造)，但是，热沉9或者也可以被制造为金属热沉。在具有陶资 前部的热沉的表面上，各个包括粘接剂或包括绝缘体(例如陶乾)的不导电层 11被部署在两个太阳能电池元件8a、 8b之下。此外，层ll可以包括电介质， 例如聚酰亚胺或SiOx。于是，两个元件8a、 8b的后側金属化部3分别被部署在 层部分lla和llb上，这里，所述层部分lla和llb被分立配置并且彼此间隔开。 在图4中的制造中，省却了条形导体结构IO,因此，该条形导体结构10对于太 阳能电池的串联连接并不是绝对必需。相反，仅需要横向供电总线12。所述串 联连接的功能仍然未受此影响。结合不导电粘接层ll或另外的绝缘层，在冷却 表面8不导致串联连接短路的情况下，即使金属冷却体也可以用作冷却表面8。 当然，为此，总线12无需与热沉电接触。如果如这里那样使用没有条形导体结 构10的陶瓷前板9,则可以使用仅导热的粘接剂来用于組装，以避免由于粘接 剂溢出而引起短路。
在太阳能电池的串联连接中，各个电池的短路电流不同。该情况特别应用 在模块被非均匀照射的情况下。聚光器系统的焦点中的光分布从来不是完全均 匀的。现在，如果这样的太阳能模块在短路情况下搮:作，则通常将提供限制整个模块的电流的太阳能电池。在该太阳能电池处，由其它太阳能电池在该模块 中生成的高电压在阻滞方向上逐渐变小。在足够高的阻滞电压的情况下，该电 池受损坏，并且另一电池变为电流限制。为此，需要通过与电池并联但具有相 反极性的旁路二极管来保护太阳能电池。随后解释根据本发明如何可以通过旁 路二极管保护太阳能电池。
图5示出本发明另一实施例，其中，两个串联连接的太阳能电池元件8a、 8b分别具有旁路二极管(例如肖特基(Schottky) 二极管)，其并联到相应的太 阳能电池元件但具有相反的极性。这里，承载结构9、 10、 11如图3所示示例 中那样配置。然而，这里的条形导体结构IO具有更大的基极表面，从而在横向 上，与每一太阳能电池元件关联的分离的旁路二极管13可以挨着该太阳能电池 元件被分别放置在条形导体结构上。在图5a中，示出如何将旁路二极管13连 同太阳能电池元件8 —起放置在导体结构10的条形导体上。通过太阳能电池元 件的后侧金属化部3借助于导体结构10实现的到相应配置的相关旁路二极管13 的后侧金属化部的电连接，可以通过太阳能电池元件借助于电池连接器7实现 的串联连接，以及通过分离的旁路二极管13a、 13b借助于类似配置的电池连接 器B7实现的相应串联连接，来串联连接太阳能电池，并且将具有相反极性的旁 路二极管与各太阳能电池并联连接(见图5b中的电路图)。
图6示出使用旁路二极管13a、 14的根据本发明的实施例的另一实现方式， 这里,承载结构9、 10、 11再次如图4所示示例中那样配置。这里，旁路二极管 14被制造成使得太阳能电池元件的衬底层2被制成具有放大的基极面积并且太 阳能电池元件的电有源层结构1的部分la在前侧上分离(在沟道G中，衬底层 2的前側上的层结构l被去除；结果得到两个分离区域的结构旁路二极管区域 14和太阳能电池元件区域8)。在衬底层2的后侧，对于这两个区域8和14,于 是配置公共的后侧金属化部3。旁路二极管元件14和太阳能电池元件8的电连 接原理上如图5所示那样实现(见图6b)。
在旁路二极管区域14中，旁路二极管的第一前侧金属化部B4被部署在衬 底层2的前侧上、在部署在衬底层2上的电有源层的分离区域la上。设置有旁路二极管的第二前側金属化部B6，其与元件la和B4电分离，其在横向上同样 在旁路二极管区域14中。邻近的旁路二极管的连接完全类似于邻近的太阳能电 池元件的连接旁路二极管14的第二前侧金属化部B6通过电池连接器B7连接 到邻近的旁路二极管的第一前侧金属化部B4。
因此，图6a得以按图4的实施例来构造，其中，在太阳能电池之下未设置 导体结构IO。这里，旁路二极管14和太阳能电池8在公共芯片上组合。为此， 电有源层1的一部分被分离并且在这里被称为la。如果电有源层1包括多个二 极管结，则可以从la移除一个或多个二极管结而不限制作为旁路二极管14的 效果。金属化部B4和B6被施加在旁路二极管上用于接触。在太阳能电池类似 于图3的情况下实现了接触。类似地，旁路二极管14得以连接，但具有相反的 极性。如果考虑图6b的等效电路图，则将注意到，在图左边的旁路二极管14 仍然未使用，而图中右边的太阳能电池8未受到旁路二极管14保护。因此，需 要另外的单独旁路二极管13a，其与右边的电池并联连接。
图7示出根据本发明的具有旁路二极管15的太阳能电池元件8的连接的另 一实施例。这里，旁路二极管15被配置为分离的旁路二极管，即，太阳能电池 元件8和旁路二极管15没有公共结构(例如衬底层2或后侧金属化部3 )。
这里，承载结构9、 11与图4类似配置，然而，在这里，各个不导电粘接 层或绝缘层11对应地被部署在两个旁路二极管的后侧金属化部3和与之分离部 署的两个太阳能电池元件的后侧金属化部3之间。
现在，可以如下实现与先前所述类似的太阳能电池元件和旁路二极管的电 连接(图7a在这里示出，甚至在太阳能电池元件8之下没有导体结构10的情 况下，也可以有到旁路二极管15的这种连接)为此，分离的旁路二极管15必 须适合于前侧连接，与太阳能电池8类似。因此，在这里，它们包括掺杂的支 撑半导体层B2;掺杂Bl，与其前侧上部署的层相对，并且仅覆盖半导体衬底 B2的一部分。在未覆盖的表面上，金属化部B6被施加作为支撑半导体层B2上 的接触，与层B1电绝缘。金属接触部B4还被施加在掺杂层B1上。分离的旁 路二极管15的后侧金属化部B3的配置与太阳能电池元件8的情况类似。为了产生上述电连接，太阳能电池元件8具有另外的横向表面，在该横向表面上， 半导体衬底2未设有层结构1。在该表面上，于是在衬底层2上的前侧上施加另 外的金属接触部S6，与层结构1电绝缘并且与层结构1横向间隔开。每一太阳 能电池元件8的这种电接触部S6经由与前侧上的电池连接器7、 B7类似配置的 电池连接器SB7连接到相关旁路二极管的金属接触部B4。如图6所示，旁路二 极管的金属接触部B4于是通过电池连接器B7又在前侧上连接到邻近的旁路二 极管的金属接触部B6。如图7可见，旁路二极管和太阳能电池因此分别是串联 的。此外，通过电池连接器SB7生成太阳能电池上的表面S6与旁路二极管上的 B4之间的并联接触。从图7b中的等效电路图可见，每一太阳能电池以此方式得 到具有相反极性的并联旁路二极管的保护。
图8示出根据本发明的基于三太阳能电池的太阳能电池元件的优选实施例。 在这里，图8a示出三维整体图，图8b示出在太阳能电池区域8处穿过具有集 成旁路二极管的太阳能电池元件的截面，图8c对应地示出在旁路二极管区域14 处的截面(与截面平面垂直的截面)。
典型地，具有150pm厚度的p掺杂锗半导体盘16 (锗晶片)充当支撑半导 体层16 (对应于衬底层2 )。为了使金属化层6或B6与后侧金属化部3之间的 直通接触(through-contacting)尽可能为低欧姆，应该选取尽可能高的掺杂(> 1017/cm3)，以及尽可能小的锗厚度。通过金属有机气相外延法MOVPE或分子 束外延法MBE，现在沉积层结构。最低沉积层包含掺杂物，该掺杂物通过扩散 使得生成锗太阳能电池的pn结而产生n掺杂锗层17。随后，沉积沟道二极管结 构18，之后是p掺杂GaAs层19和n掺杂GaAs层20，它们形成GaAs太阳能 电池。在另一沟道二才及管21之后，沉积GalnP太阳能电池，其包括p掺杂基极 22和n掺杂发射极23。 GaAs覆盖层24允许随后构造覆盖层24与金属化部4 之间的低欧姆半导体接触。实际的MOVPE生长的层结构还包含用于改进太阳 能电池的效率的其它功能层(例如钝化层)，这在这里对于理解是并不重要。
接下来是用于形成太阳能电池的晶片16-24的处理。为此，通过光刻和蚀刻 在特定处移除层17-24或21-24。在另一光刻步骤中，沉积金属化结构，所述金属化结构包括至少一个钯层25、位于其上的锗层26以及导电层27 (通常是银 或电镀的金)。把-锗层序列具有在n掺杂GaAs层20和24以及在p掺杂锗衬底 16 二者上形成具有十分低的接触电阻的欧姆接触的特定特性。当在保护性气体 之下加热半导体盘时(接触的合金化)，这通过固相中受控的化学反应来进行。
这样，在p-锗衬底上形成太阳能电池的前接触部4、旁路二极管的前接触部 B4以及还有接触部6和B6。对于通过锗衬底16的低欧姆接触，在后侧3上需 要另一低欧姆接触。其可以包括例如合金化的铝。在太阳能电池制造期间的其 它工艺步骤(例如台面蚀刻或通过抗反射层的连续蒸镀涂覆来移除覆盖层24) 对于本领域技术人员是已知的，并且这里不进行更详细的解释。
典型地，聚光器太阳能电池才莫块制造按以下顺序实现
-加工半导体盘以形成太阳能电池，大量较小的电池最终被定位在每一半 导体盘上
-将半导体盘划分为各个电池或太阳能电池元件 -将电池组装在冷却表面9上 -串联连接太阳能电池。
但是，当使用根据本发明的连接方法时，改变该工艺顺序可以是有利的。 -加工半导体盘以形成太阳能电池(在衬底2上多次形成元件1、 3、 4、 6， 从而在随后的分离之后形成多个太阳能电池元件8)。
-任选的将半导体盘划分为片，再次，大量电池被定位在每一片上。 -通过焊接或粘接工艺，将整个半导体盘或半导体片组装在冷却表面9上。 -将半导体盘或半导体片分为各个太阳能电池。 -将所述太阳能电池串联连接。
例如，可以用芯片锯来分离冷却表面上的半导体。非常精细的、包含金刚 石的锯片允许切割50nm宽度或更小。因此，可以通过太阳能电池芯片8的非常 小的间隔来实现根据图3和图4的装置。或者，例如，可以使用激光切割。
对于外部用途，尤其是在凹面镜中，必须将^t块封装。为此，有可能以硅 来安装前玻璃板。首先，硅的导热性非常低，从而具有限制，并且需要非常薄的硅层。在1000日光的情况下，层厚最多可以是例如0.3mm，从而避免硅过热。 由此需要注意的是，电池连接器7的高度通常是至少0.25mm。因此，需要 十分精确地控制硅的层厚。水冷却器很少具有为此所需的低容限。为此，可以 进行以下组装顺序。
根据图9a)，首先，为相当大的半导体表面设置有电池连接器7，该半导体 表面包括多个太阳能电池或具有多个太阳能电池的整个太阳能电池晶片。随后， 前盘28施加有填充化合物29。在这里，可以使用真空工艺以避免气泡。由于太 阳能电池晶片和前玻璃片的厚度变化很小，因此保持硅层28的精确确定的厚度 并不是问题。在固化填充化合物29之后，设置间隙30,该间隙通过后側金属化 部3和半导体材料2。这样，制造出串联连接的前侧封装模块。必须实现后侧金 属化部3与冷却板的耦合，从而排除串联连接的太阳能电池的短路。
用于制作间隙的十分精确的方法是使用芯片锯，通过该芯片锯，可以实现 小至3(Him的间隙宽度。其它可能方法有干法化学蚀刻或湿法化学蚀刻或这些方 法的组合。
本发明因此描述了具有安装在前侧的后接触部的太阳能元件或太阳能电池 模块。具体地说，所述接触的不同之处在于仅由优选是恰好为一种类型的掺 杂的支撑半导体层2将至少一个前侧金属接触表面6与平坦的后侧接触表面3 分离。对于高电流密度重要的是后侧金属化部3的良好的横向导电性，以及电 流穿过半导体层2期间的低电阻。可以通过通常由Al或Ag制成的高导电金属 层(该层的典型厚度近似为2jim至3(im)来实现这样的良好横向导电性。
以下特征(其可以单独实现，或者也可以在有利变型中以任何组合方式来 实现)尤其是在本发明中在技术上是重要的
-前侧的钯-锗接触结构(实际的接触具有明显更多的层)以及在后侧的铝 接触。
-每个太阳能电池使用多个或正好一个金属化表面6。 -通过锯或激光切割而在组装之后分离太阳能电池芯片。因此可以实现异 常高的封装密度。尤其是还通过随后的分离和串联连接来组装(近乎)完整的太阳能电池晶片。
-冷却板9可以是有源水冷却体的结构支撑部分。例如，由Curamik公司 制造的水冷却体，其在两个陶f:板之间包括微沟道结构。在这里，前陶瓷板同 时用于加强热沉并充当导体结构的基f反。
-金属层6通过具有小于5 * 10"4 Qcm2的表面特定电阻(surface-specific resistance)的半导体层2与金属层3接触。在实验中实现近似1 * l(T4 Qcm2。在 这里，表面特定电阻由以下确定
a) 半导体衬底层2的前側和后侧的金属半导体接触电阻。
b) 进而与电荷载流子的掺杂和迁移率成比例的半导体材料2的特定导电性。 在这里，可以在锗电池的功率受到的特定限制下选取掺杂，直到十分高的掺杂。 迁移率是由掺杂和材料质量来确定的。
c) 接触部3与6之间的层2的厚度。
层2的厚度和掺杂在这里是可变的。还可以想到深度蚀刻半导体层2以局 部减少金属化部3与6之间的间距，从而实现这样的表面特定电阻，但这在技 术上是复杂的。
-至少包含金和锗的可替换的前側接触部(4, 6)。(共晶金-锗是最熟知的
n型GaAs上的接触部)。
-对于至少100kW/i^的光强度而设计的根据上述权利要求的太阳能电池。 -电池表面(电池宽度)可以在模块内变化，以补偿太阳能模块的非均匀照射。
-通过在球形-楔形或楔形-楔形工艺中金、铝或银线的超声焊接(热声键 合)，或者通过电焊接或热焊接，实现施加电池连接器。
本发明还适合旨在未会聚的阳光下操作的太阳能电池。具体地说，在空间 中使用的太阳能电池模块的根据图6和图8的实施例是令人感兴趣的。在这里， 必须被配置用于接触部6和B6的表面比例处于千分之一范围内。此外，当用作 聚光器模块时，仅在前侧上实现太阳能电池和旁路二极管的连接，这也可以明 显简化模块制造。图IO示出根据图2b的变型在非校准测量中所达到的效率。可以通过近似20x6 mn^的电池表面来实现585日光下的31.3%的效率。在这里，在32个前侧金属表面6和32个薄引线键合上实现后接触部的接触。对于在空间中的用途，使用三外延结构。该处理与III-V空间太阳能电池的处理广泛对应。
权利要求
1、一种太阳能电池元件，包括支撑半导体层(2)，具有恰好一个第一类型的掺杂(第一掺杂)，层结构(1)，部署在所述支撑半导体层(2)的前侧，与所述支撑半导体层相邻，并且具有与所述第一掺杂互补的至少一个掺杂，后侧金属化部(3)，部署在所述支撑半导体层(2)的与所述层结构(1)相对的后侧，与所述支撑半导体层相邻，以及第一前侧金属化部(4)和第二前侧金属化部(6)，所述第一前侧金属化部(4)与所述层结构(1)电接触，所述第二前侧金属化部(6)被部署成与所述第一前侧金属化部和所述层结构(1)间隔开，位于所述支撑半导体层的前侧且与所述支撑半导体层相邻。
2、 根据前述权利要求所述的太阳能电池元件，其特征在于 在层平面上观看时，所述后侧金属化部(3)从所述第二前侧金属化部(6)延伸到所述第一前侧金属化部(4),并且/或者所述后侧金属化部是平坦的、非 结构化的或结构化的金属化部。
3、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述支撑半导体层(2)、所述后侧金属化部(3)和/或所述第二前侧金属化部(6)被部署和/或构造成使得所述后侧金属化部(3)通过所述支撑半导体层 (2)实现的与所述第二前侧金属化部(6)的电接触具有的表面特定电阻小于 10-2Qcm2，尤其小于10-3Qcm2，尤其小于5 x l(T4 Qcm2。
4、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述支撑半导体层(2)具有的掺杂大于1016原子/cm3，尤其大于1017原子/cm3，尤其大于5 x 1017原子/cm3， 和/或所述支撑半导体层(2)具有的厚度小于1000pm，尤其小于500pm，尤其 小于200nm。
5、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 锗层，尤其是p掺杂锗层、砷化镓层或硅层作为支撑半导体层(2)。
6、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 具有所述支撑半导体层(2)和所述层结构(1)的半导体结构是单晶体且具有至少两个、优选是至少三个具有不同带隙的光电有源pn结，所述单晶体半 导体结构优选是具有主族III和V的元素，并且还有锗。
7、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述层结构(1)具有至少一个p掺杂或n掺杂GaAs层(19， 20)， 和/或所述层结构(1)具有锗层(17)，尤其是n掺杂锗层， 和/或背向所述层结构(1)在背向所述衬底的一侧具有非掺杂GaAs覆盖层(24) 或GalnAs覆盖层。
8、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述第一前側金属化部(4)和/或所述第二前侧金属化部(6)具有钯-锗层序列或钯-锗合金， 和/或所述第一前侧金属化部(4)和/或所述第二前侧金属化部(6)具有或者包 括金和锗，尤其是共晶金-锗混合物， 和/或所述第一前侧金属化部(4)和/或所述第二前侧金属化部(6)具有合金金 属层结构，该合金金属层结构优选是具有与所述层结构(1)相邻的至少一个4巴 层、锗层和由金和/或银和/或铝制成的导电层，优选是具有大于0.5[im的厚度，和/或所述第一前側金属化部(4)和/或所述第二前侧金属化部(6)以连续层结 构的形式或多个非连续岛的形式构造。
9、 根据前一权利要求所述的太阳能电池元件，其特征在于所述钯-锗层序列或所述金属层结构优选是按所列顺序具有钯层(25 )、锗层 (26)和导体层(27),所述导体层(27)尤其包含或者包括金和/或银。
10、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 在层平面中观看时，所述笫二前側金属化部(6)的表面面积部分与所述层结构(1)的表面面积部分的比率小于0.1，尤其小于0.05，尤其小于0.01,尤 其小于0.005，尤其小于0.002。
11、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述第一前侧金属化部(6)具有恰好一个连续金属化表面， 或所述第一前側金属化部(6)具有至少两个连续金属化表面(6a， 6b),其 被部署为彼此电绝缘，并且彼此间隔开。
12、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述后侧金属化部(3)包含或者包括铝。
13、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 承载结构(9， 10， 11),所述承载结构被部署在所述后侧金属化部一侧，并且具有冷却板(9),尤其是具有非金属前部的、特别是陶瓷前部的冷却板(9)。
14、 根据前一权利要求所述的太阳能电池元件， 其特征在于所述冷却板(9)被构造为有源水冷却体的结构支撑部分，该结构支撑部分 尤其以陶瓷制成。
15、 根据前述两项权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述承载结构具有非导电层(11)，其被部署在所述冷却板(9)与所述后側金属化部(3)之间，该非导电层(11)尤其是粘接层或陶瓷层， 或所述承载结构具有电导体结构，该电导体结构^皮部署在所述冷却板(9)与 所述后侧金属化部(3 )之间，并且所述承载结构优选是具有在所述后侧金属化 部一侧的导电粘接和/或焊接层(11)以及在所述冷却板一侧的条形导体结构(10)。
16、 根据前述权利要求之一所述的太阳能电池元件，其特征在于 所述第 一掺杂是p掺杂或n掺杂。
17、 一种太阳能电池模块，包括至少两个串联连接的太阳能电池元件，所述太阳能电池元件被分别部署成争使得它们的后侧金属化部(3a, 3b)在承载结构(9， 10， 11 )上，所述串联连 接的太阳能电池元件中的至少两个太阳能电池元件(8a, 8b)的电接触仅被构 造在太阳能电池元件的、与所述承载结构相对的前侧(前侧连接)， 其特征在于连接到所述前側的所述至少两个太阳能电池元件中的至少 一个是根据前述 太阳能电池元件权利要求中的 一项来构造。
18、 根据前述太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块，其特 征在于电池连接器(7)，其作为在两个太阳能电池元件(8a， 8b)的前侧分别与 在前侧连接的所述两个太阳能电池元件(8a， 8b)接触的电接触，并且尤其被 构造为线。
19、 根据前述两项太阳能电池模块权利要求所述的太阳能电池模块，其特 征在于所述电池连接器(7)使得在所述前侧连接的所述太阳能电池元件中的第一 太阳能电池元件的所述第一前侧金属化部(4)与在所述前侧连接的所述太阳能 电池元件中的第二太阳能电池元件的所述第二前侧金属化部(6)电连接。
20、 根据前述两项太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块， 其特征在于用作电池连接器(7)的线，该线包含或者包括金、银和/或铝。
21、 根据前述太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块，其特 征在于太阳能电池元件的至少两个串联连接并联，太阳能电池元件的这些串联电路中的每一个具有根据前述太阳能电池模块权利要求之一所述的在所述前侧连 接的至少两个串联连接的太阳能电池元件，并且优选地， 一个串联电路的每一 太阳能电池元件并联连接到至少另一串联连接的太阳能电池元件(串联连接的 太阳能电池链成对地并联连接)。
22、 根据前述太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块，其特 征在于具有相反极性的旁路二极管(13， 14， 15)并联连接到所述太阳能电池元 件中的至少一个太阳能电池元件。
23、 根据前一太阳能电池模块权利要求所述的太阳能电池模块，其特征在于具有相反极性的旁路二极管(13， 14, 15)并联连接到每一太阳能电池元件。
24、 根据前述两项太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块， 其特征在于所述太阳能电池元件(8a， 8b)中的至少一个太阳能电池元件与所述旁路 二极管(14 ) 一起具有所述支撑半导体层(2 )的公共部分。
25 、根据前述三项太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块， 其特征在于在所述旁路二极管(14， 15)的背向所述承载结构的前侧，所述旁路二极 管(14， 15)中的至少一个具有第一前侧金属化部(B4)以及与所述第一前側 金属化部(B4)电绝缘的第二前侧金属化部(B6)。
26、根据前述四项太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块， 其特征在于所述旁路二极管(13， 14， 15)中的至少一个具有第一掺杂的支撑半导体 层(B2)、被部署在所述支撑半导体层的背向所述承载结构的前侧上并且与所述 支撑半导体层相邻的层结构(Bl)、以及被部署在所述支撑半导体层的与所述层 结构(Bl)相对的后侧上并且与所述支撑半导体层相邻的后侧金属化部(B3),所述层结构具有与所述第一掺杂互补的至少一个掺杂。
27 、根据前述两项太阳能电池模块权利要求所述的太阳能电池模块， 其特征在于对于所述至少一个旁路二极管(14， 15),所述第一前侧金属化部(B4)与 所述层结构(Bl)电接触，并且与所述第一前侧金属化部(B4)以及所述层结 构(Bl )电绝缘的所述第二前侧金属化部(B6 )被部署在所述支撑半导体层(B2 ) 的前侧，与所述支撑半导体层(B2)相邻。
28、 根据前述三项太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块， 其特征在于在所述支撑半导体层(2)的背向所述承载结构的前侧并且与所述半导体层 相邻的所述太阳能电池元件中的至少一个具有金属前侧接触部(S6)，其与所述 前侧金属化部(4， 6 )以及所述层结构(1)电绝缘，并且经由电池连接器(SB7 ) 与旁路二极管(15)的所述第一前侧金属化部(B4)电连接。
29、 根据前述七项太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块， 其特征在于所述太阳能电池元件(8)与所述旁路二极管(13, 14, 15)的电连接仅4皮 构造在背向所述承载结构的前侧，并且优选是经由电池连接器(7, B7)。
30、 根据前述太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块， 其特征在于在层平面中观看时，所述太阳能电池元件中的至少两个具有不同的总表面 面积和/或其层结构(1)的表面面积不同。
31、 根据前述太阳能电池模块权利要求之一所述的太阳能电池模块，其特 征在于封装，部署在所述前侧，该封装尤其是透明板，尤其是玻璃板，该封装具 有所施加的透明填充化合物，该填充化合物尤其是硅。
32、 一种用于制造太阳能电池模块的方法，分别具有后侧金属化部(3a, 3b)的至少两个太阳能电池元件被部署在承载结构(9， 10， ll)上并且串联连接，串联连接或并联连接的太阳能电池元件中的至少两个太阳能电池元件(8a, 8b)的电接触仅被构造在这些太阳能电池元件的与所述承载结构相对的前侧(前 侧连接)，其特征在于 '根据前述太阳能电池元件权利要求或太阳能电池模块权利要求之一制造太 阳能电池元件和/或太阳能电池模块。
33、 根据前述方法权利要求之一所述的方法，其特征在于 太阳能电池元件(8)的所有各个元件(1， 3， 4， 6)被分别重复构造在支撑半导体层(2)上，之后，支撑半导体层(2)连同背向所述前侧的重复构造的各个元件(1， 3, 4, 6) —起被粘接和/或焊接(11)在承载结构(9, 10)上，所述承载结构有利 地具有冷却板(9)，之后，多个太阳能电池元件(8)与施加在所述承载结构(9, 10)上的支 撑半导体层(2)分离，最后，所述各个太阳能电池元件(8)彼此电连接。
34、 根据前述方法权利要求之一所述的方法， 其特征在于太阳能电池元件(8)的所有各个元件(1， 3, 4， 6)被分别重复构造在支 撑半导体层(2)上，之后，仍待分离的至少两个不同的太阳能电池元件(8)的所述前侧金属化 部(4， 6)经由电池连接器(7)电连接，之后，在所述前侧施加透明填充化合物，该填充化合物尤其是硅，之后，在所属填充化合物上，在所述填充化合物的背向所述村底层的一側 施加透明^反，该透明斧反尤其是玻璃才反，之后，所述多个太阳能电池元件(8)与施加在所述承载结构(9， 10)上 的支撑半导体层(2)分离，在仍待分离的太阳能电池元件(8)之间，从背向 所述板的一侧开始引入间隙，至少直到所述填充化合物，以及最后，所述支撑半导体层(2)连同分离的太阳能电池元件(8) —起在所 述支撑半导体层(2)的背向所述前侧的一侧上被粘接和/或焊接在承载结构(9， 10)，该承载结构(9， IO)有利地具有冷却板。
35、 根据前述两项方法权利要求之一所述的方法， 其特征在于借助于锯子，尤其是芯片锯，通过湿法化学蚀刻或干法化学蚀刻和/或通过 激光切割来实现所述分离。
36、 根据前述太阳能电池元件权利要求或太阳能电池模块权利要求之一所 述的太阳能电池元件和/或太阳能电池^^莫块在聚光器装置中的用途。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能电池元件，其包括具有恰好一个第一掺杂的半导体衬底层(2)；层结构(1)，其被部署在所述衬底层(2)的前侧并与所述衬底层相邻，并且具有与所述第一掺杂互补的至少一个掺杂；后侧金属化部(3)，其被部署在所述衬底层(2)的前侧，与所述衬底层相邻，所述后侧从层结构(1)横跨；以及第一前侧金属化部(4)和第二前侧金属化部(6)。所述第一前侧金属化部(4)与所述层结构(1)电接触，所述第二前侧金属化部(6)被部署在所述衬底层的前侧，与所述衬底层相邻，并且与第一前侧金属化部以及所述层结构(1)电绝缘。
文档编号H01L31/05GK101647125SQ200880007540
公开日2010年2月10日 申请日期2008年3月7日 优先权日2007年3月8日
发明者鲁地戈尔·劳克恩夫 申请人:弗劳恩霍弗应用技术研究院