基于晶片的太阳能电池板的生产方法

专利名称：基于晶片的太阳能电池板的生产方法
技术领域：
本发明涉及一种基于晶片的太阳能电池板的生产方法。
背景技术：
引言世界石油供应预期在接下来的数十年中将逐渐耗尽。这意味着我们用于上世纪的 主要能量源将必须在数十年内被代替，以覆盖目前的能量消耗和即将来临的全球能量需求 的增加。此外，出现的许多关注是化石能量的使用将地球的温室效应增加到可能变得危险 的程度。因此，化石燃料的当前消耗应当优选地由可再生的且对于我们的气候和环境来说 可持续的能量源/载体代替。一种这样的能量源是太阳光，太阳光以比目前和任何可预见的人类能量消耗的增 加量大得多的能量辐射地球。然而，太阳能电池的电至今太昂贵而不能与核能、热能等竞 争。如果要实现太阳能电池的电的巨大潜力，这需要改变。来自太阳能电池板的电的成本是能量转换效率和太阳能电池板的生产成本的函 数。因此，对较廉价的太阳能电的寻找应当集中在通过成本有效的制造方法制造的高效率 太阳能电池。本发明涉及高效率的基于硅的太阳能电池板的成本有效的生产方法。现有技术用来制造适于背接触光伏装置的电触点的高效率且节省成本的方法是通过以下 步骤制造电触点在晶片的暴露于下面的掺杂区域的背侧上的钝化层中产生局部开口，在 晶片的覆盖钝化层和局部开口的整个背表面上沉积金属层，并且随后将金属层划分为接触 晶片的掺杂区域的电绝缘的金属区域。这种技术的例子是US 6337283, US 6337283公开了一种用来制造背表面点接触 硅太阳能电池的方法。该方法包括在具有P-掺杂区域和η-掺杂区域的硅晶片的背表面 上形成两个钝化层；在P-掺杂区域和η-掺杂区域处在钝化层中产生接触开口 ；在钝化层 上沉积第一金属层使得第一金属层与P-掺杂区域和η-掺杂区域接触；图案化第一金属层 使得用于P-掺杂区域和η-掺杂区域的分离的触点形成；在第一金属层上沉积第一绝缘层； 在P-掺杂区域或η-掺杂区域的第一金属触点处在绝缘层中产生接触开口 ；和最后在绝缘 层上沉积第二金属层以形成与用于P-掺杂区域或η-掺杂区域的分离的触点的电接触。图 1中示出太阳能电池，其中附图标记10是晶片，12是前表面上的钝化层，14是一种类型的掺 杂区域，16是另一种类型的掺杂区域，18和20是晶片的背侧上的两个钝化层，2 是图案化 之后的第一金属层，26是图案化之后的绝缘体层，并且观是第二金属层，该第二金属层连 接与晶片10的一种类型掺杂区域14接触的第一金属触点Ma。该制造方法单独地应用于 每个电池。包括在晶片的整个表面上沉积金属层的用来接触硅晶片上的掺杂区域的方法将由于硅晶片和金属层的热膨胀系数的差异而在电池中引起机械应力。这种机械应力仅仅为 具有典型地140_180μπι的厚度的现在的晶片引起小的问题，这是由于这种厚晶片具有必 要的机械强度以避免显著的翘曲/变形。然而，对于具有小于近似100 μ m的厚度的膜和晶 片，这种机械应力将产生电池的不可接受的翘曲/变形和/或破裂的问题。然而，对于沉积在玻璃基体上的光伏薄膜，存在已知的节省成本的生产方法，在该 生产方法中，用作电触点的半导体膜和金属层直接沉积在玻璃基体上，随后划分以形成电 池和电触点。这种技术的一个例子在美国申请No. 2007/0227578中给出，其中钼层首先沉 积在玻璃基体上，随后沉积铜(铟、镓)硒的半导体层。然后，使用激光刻划或化学蚀刻，将 该膜划分成玻璃基体上的一组互连的太阳能电池。从US4292092已知类似技术的另一例 子。在Keevers等人的最近的论文[1]中，公开了一种光伏面板，该光伏面板包括沉积 在玻璃基体上的硅的多晶薄膜(也称为玻璃上的晶体硅，或CSG技术)。该论文声明，该制 造方法固有地是节省成本的，并且已经示出具有记录效率10. 4%的太阳能电池板。制造过 程开始于通过用0. 5 μ m硅珠浸涂而织构玻璃基体的一个表面。然后，使用等离子体增强化 学汽相沉积(PECVD)将一层SiNx和一层ρ-掺杂非晶硅沉积到织构表面上。然后，使用固 相结晶，随后快速热处理和快速在线氢化，形成多晶硅的薄膜。然后，在通过滚涂涂覆树脂 层之前，使用激光刻划将沉积的半导体层划分成一组单独的电池。然后，在通过溅射沉积铝 层随后通过刻划以形成互连件而完成面板之前，通过喷墨印刷蚀刻剂形成树脂层中的一组 接触开口。US 6518596中示出被介电层和金属层覆盖的非晶硅膜的使用的其它例子。这个文 献示出作为钝化层的覆盖有氮化硅膜的硅膜的使用，并且其中，通过在钝化层中通过激光 形成局部开口，随后沉积金属层以便制造触点，并且最后使用激光刻划将金属层划分为分 离的触点，实现接触。CSG技术的限制是大约10%的相对低的光伏转换效率。这是使用基于单晶硅的太 阳能电池可获得的转换效率的一半。

发明内容
发明目的本发明的主要目标是提供一种用于太阳能电池板的节省成本的基于晶片的制造 方法，该制造方法允许使用100 μ m或更小的薄晶片，并且该制造方法解决了电池的翘曲/ 变形和/或破裂的问题。通过如下面的本发明的描述中和/或所附专利权利要求中阐述的特征，可实现本 发明的目标。发明描述本发明基于如下认识从节省成本方面看，有利的CSG技术可适合用于基于晶片 的太阳能电池生产，并且因此利用与CGS技术相关联的工作负荷节省和通过使用单晶或多 晶晶片可获得的高的转换效率。就是说，通过使用由至少在它们的前侧准备好的晶片制成 的半加工的太阳能电池，当或多或少预先制造的晶片连接到太阳能电池板/模块的透明前 玻璃时，可以在类似于CSG技术的一个金属加工步骤中组合电池金属化和模块互连。除了解决具有沉积的金属层的薄晶片的翘曲/破裂的问题，通过在一个金属加工中组合电池金 属化和模块/面板互连，这个特征将也获得用来生产太阳能电池和模块的显著的成本和工 作负荷节省，该模块在晶片的背侧上具有太阳能电池电触点。因此，在一个方面，本发明涉及一种用来生产太阳能模块/面板的方法，其中所述 方法包括使用许多半导体晶片，该半导体晶片被预加工到至少它们的前表面准备好被安装 到太阳能电池板/模块的前玻璃上的程度，但该半导体晶片也可包括一直到用来形成电触 点的金属化的、用于晶片的背侧的一个或更多个加工步骤，但不包括该用来形成电触点的 金属化；将期望数量的预加工的晶片彼此相邻且以它们的前侧向下面向的方式放置且连 接到前玻璃的背侧上；沉积至少一个金属层或堆叠的金属系统，其覆盖包括预加工的晶片的背侧的前玻 璃的背侧；和将沉积的金属层图案化/划分为至少一个单独的区域，该至少一个单独的区域形 成用于每一个太阳能电池的电触点和相邻太阳能电池之间的模块互连件。在第二方面，本发明涉及太阳能电池板/模块，该太阳能电池板/模块包括透明前玻璃；许多半导体晶片，该许多半导体晶片各被加工以形成半成品的太阳能电池，并且 该许多半导体晶片彼此相邻地连接到透明前玻璃的背侧上；并且其中太阳能电池的电触点和连接太阳能电池板/模块的相邻太阳能电池的互连 件由至少一个图案化的金属层形成，该至少一个图案化的金属层覆盖包括连接的半成品太 阳能电池的背侧的前玻璃的背侧。如这里使用的，术语“预加工成为背侧金属化做准备的半成品太阳能电池”意指半 导体晶片，其中前侧已经被预加工成成品太阳能电池状态，使得它们可以连接到前玻璃，并 且因此构成太阳能电池板/模块的起作用的前侧。这可包括(但不限于)以下加工步骤中 的一个或更多个表面织构/损坏蚀刻，掺杂元素的向内扩散，表面钝化膜的沉积，防反射 涂层的沉积等。认为形成太阳能电池的前侧所必要的该加工步骤的顺序和选择显然取决于 被制造的太阳能电池的类型。典型地，晶片在连接到前玻璃之前的预加工包括高温扩散过 程和面向前玻璃的表面的钝化，这是由于这个表面在连接到前玻璃之后是不可接近的。对于晶片的背侧，如这里使用的术语“预加工成为背侧金属化做准备的半成品太 阳能电池”意指晶片的背侧被加工成半成品状态，该半成品状态允许在晶片连接到前玻璃 之后完成包括金属互连的所有电池的背侧。就是说，用来形成互连的太阳能电池板/模块 的仅有的剩余加工步骤将是可以在模块水平执行的加工步骤，当面板/模块的所有电池连 接到前玻璃时在一个操作中为面板/模块的所有电池执行该模块水平。这可以是以下加工 步骤的一个或更多个掺杂元素的沉积和扩散、异质结接触层的沉积和图案化蚀刻、背侧反 射涂层的沉积、背侧表面钝化层的沉积、用来形成到位于下面的晶片的掺杂区域的接触开 口的钝化层的局部蚀刻、织构化、晶片边缘的平滑/平面化，和组合的金属化和互连。因此，总的来说，术语“预加工成为背侧金属化做准备的半成品太阳能电池”意指 晶片的前表面被加工成成品太阳能电池状态，使得晶片准备被连接到模块/面板的前玻璃。对于晶片的背侧，当晶片连接到前玻璃时不能使用的所有加工步骤需要被执行。典型 地，这可以是掺杂物的高温向内扩散。然而，晶片的背侧的预加工可包括达到当晶片连接到 前玻璃时可执行的金属层的沉积(金属化)的所有加工步骤，这可以是掺杂方法，例如，沉 积高度掺杂的非晶硅层、激光掺杂或离子注入。本发明不限于任何具体类型的太阳能电池，使得用于形成为背侧金属化做准备的 半成品太阳能电池的加工步骤的任何可想到的组合被包括在创造性方法中。就是说，本发 明可适用钝化膜、掺杂元素、单个晶片上的防反射涂层的任何已知的和可想到的组合，并且 晶片可以由包括但不限于Si、Ge、InP和GaAs的任何可想到的半导体材料制成。本发明适 用于用来预加工的生产方法的选择；用来将晶片预加工成为背侧金属化做准备的半成品太 阳能电池的本领域技术人员已知的任何可想到的或已知的过程可以应用。类似地，本发明不限于用来形成触点和互连件的沉积层的一个或一组指定图案的 使用。可以使用构成触点和互连件的任何可想到的和已知的图案，只要当太阳能电池板/ 模块的所有晶片连接到面板/模块的透明前基体上时它们可以在一个操作上形成即可。可 能有利的是，平滑/平面化每个晶片的边缘部分以避免尖锐的角部或悬起金属互连件的危 险，因此避免了折断和/或短路互连件的危险。(例如通过机械或激光研磨)通过移除晶片 的前侧边缘的一部分，可获得边缘平滑或平面化。替代地，通过沿晶片沉积合适的材料，或 通过填充相邻晶片之间的空间以形成每个晶片的边缘部分的更圆化的形状，可获得平滑或 平面化。材料的填充可通过常规技术获得，所述常规技术诸如旋涂沉积、滚涂、喷墨印刷、预 先制造的元件的安装等。如这里使用的，术语“前侧”表示当太阳能电池板处于操作中时面向太阳的晶片的 侧面。术语“背侧”是晶片的前侧的相对侧，并且术语“背接触的”意指所有连接器都放置 在晶片的背侧上。当应用于前玻璃时，术语“前侧”意指当太阳能电池板处于操作中时将面 向太阳的透明前玻璃的侧面，并且术语“背侧”意指接收晶片并且随后接收沉积的金属层的 相对侧。在完成前玻璃的背侧上的金属接触和互连过程之后，前玻璃继续到标准模块过程 中，在该标准模块过程中，在真空中在高温下在堆叠过程中，用EVA和保护性后板(例如， Tedlar或玻璃)密封/保护背侧上的电池和互连免受环境影响。最后，堆叠的模块夹层结 构可以通过金属框架被机械地加强并且通过二极管接线盒被电连接/保护。如这里使用的术语“前玻璃”意指可形成成品太阳能电池板/模块的前板的任何 类型的透明材料。就是说，前玻璃应当具有必要的机械强度和热强度以在太阳能电池板/ 模块的生产(金属层的沉积)和预期使用期间经受与承载太阳能电池和沉积的金属层相关 联的应变。此外，在与电池的光伏效应相关联的光频率的大多数或全部上，前玻璃应当高度 透明并且具有低的反射率。前玻璃可包括防反射涂层等。合适的材料包括但不限于任何成 份的钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、石英、透明聚合物固体等。如在这里使用的术语“晶片”包括厚度从大约20 μ m且达到200 μ m-300 μ m的目 前最大晶片厚度的半导体材料的任何平面片材/盘等。因此，术语晶片也包括通常称为厚 膜的半导体材料的片材/盘。然而，用于本发明的晶片可以有利地具有从大约150μπι或更 低的平面厚度，只要半导体晶片具有足够的机械强度以承受到半成品太阳能电池的预加工 即可。合适的厚度是从20μπ 到80μπ 。本发明应当被理解为基于晶片的生产，该生产到达如下程度晶片被充分地预加工以允许连接到前玻璃和在模块水平执行所有剩余加工步 骤。就是说，本创造性方法应当被看作常规晶片生产方法和CSG技术的组合。有利地，晶片可以被赋予大体上矩形或正方形形状并且以从大约0. Imm到2mm范 围中的间隙尺寸并排放置在前玻璃上。本发明可以使用任何已知的或可想到的以晶片的形 式的光伏半导体材料。半导体材料的例子包括但不限于SiUnP.G^GaAs等。半导体材料 可以是单晶体或多晶体。有利地，晶片可以利用透明胶连接到前玻璃。可以应用任何已知的或可想到的胶。 例子包括但不限于基于环氧树脂的、基于硅树脂的或基于溶胶-凝胶的胶，该胶通过以下 技术中的一种以1 μ m到50 μ m的范围中的厚度，优选地以从10 μ m变动到20 μ m的厚度沉 积在前玻璃上旋涂、喷涂、滚涂、热熔分配或喷墨印刷。有利地，晶片可以被平面化，即晶片的背侧的尖锐边缘可以被平滑，以便减小引起 金属桥的破裂的概率，该金属桥由形成跨越相邻晶片的电触点的沉积的金属层形成。背侧 晶片边缘的平滑/平面化可以通过但不限于以下加工步骤中的一个获得例如通过激光消 融移除晶片的背侧边缘的一部分；例如通过利用喷墨印刷或预制元件的安装，或通过用聚 合物材料，优选地用具有高的光学反射率、具有对表面台阶的平滑效果，并且例如通过使用 旋涂、喷涂、滚涂或喷墨沉积而被沉积的聚合物材料而涂覆电池的后表面和电池之间的间 隙，沿该边缘和/或在晶片之间的空间中沉积合适的材料以在相邻晶片之间形成平滑连续 的表面。背边缘的移除或相邻晶片之间的间隙中的材料的填充应当有利地导致晶片侧壁和 透明基体之间的角度小于70度，优选地在从30到60度的范围中。在使用沉积的材料的情 况下，这可以通过利用喷墨印刷，或通过将晶片压在透明基体上的胶上(调节压力以实现 胶被挤压到后续晶片之间的间隔中)而获得。优选地，胶应当以大于50%，优选地大于70% 填充晶片和透明基体之间的竖直表面台阶，并且胶和晶片边缘表面之间的接触角度应当小 于70度，优选地在30度到50度的范围中。术语“P-掺杂区域”意指晶片的表面区域，在该表面区域中，导致增加数量的正电 荷载体的掺杂材料在表面下一定距离内被添加到半导体基体中，该表面形成具有带P-类 型掺杂的表面层的晶片的区域。术语“η-掺杂区域”意指晶片的表面区域，在该表面区域中， 导致增加数量的负电荷载体(移动电子)的掺杂材料在表面下一定距离内被添加到半导体 基体中，该表面形成具有带η-类型掺杂的表面层的晶片的区域。掺杂层的厚度通常为大约 数十nm到Ιμπι的级，但这不应当看作本发明的限制。可以应用所有已知的和可想到的掺 杂区域的厚度。而且，可以应用任何类型的已知的和可想到的掺杂元素。通过掺杂元素的 向内扩散，或者替代地通过沉积已经掺杂成η-型或ρ-型的非晶硅的薄层(IOnrn的级)，可 以获得晶片的掺杂。这些薄的掺杂层形成到硅的异质结触点，该异质结触点的电性质类似 于通过直接添加掺杂材料到半导体基体中而获得的电性质。通过汽相沉积技术、金属相到具有连接的半成品太阳能电池的前玻璃的整个背侧 上的蒸发、溅射等，可以获得形成背侧金属化的金属层的沉积。用于汽相沉积的合适金属包 括镍、钯、钛、银、金、铝、铜、钨、钒、铬或这些金属的任何组合。有利地，沉积的金属层或金属 层的堆叠系统的厚度应当具有在从0. 1 μ m到20 μ m，优选地在窄的电池(宽度从5mm变动 到50mm)的情况下从0. 1 μ m到2 μ m，并且优选地在使用具有从150mm或更大开始的宽度的 电池的情况下从5 μ m到20 μ m的范围中的总厚度。用来在一个操作中将金属层沉积在整个模块上的其它可能技术是化学镀或电镀。用于镀的合适金属包括镍、钯、银、金、铜、铬、锡或 这些金属的任何组合。本发明不限于金属的这些选择，可以使用任何如下的材料进行应用， 该材料提供与位于下面的半导体的良好电接触，并且在太阳能电池板的期望寿命和形成接 触之后的后续制造步骤期间，该材料抵抗UV光和与太阳能电池板的正常使用相关联的任 何其它破坏力/物理条件。这可包括已知的导电塑料和/或其它聚合物配方，诸如碳聚合 物等。本发明可以应用用于金属沉积和图案化的任何过程，只要前玻璃可以耐受涉及的 温度和化学环境。在模块水平前玻璃上用于金属沉积和图案化的可能的加工步骤可以是 (但不限于)总厚度在0. 1 μ m到20 μ m的范围中的金属叠层的蒸发或溅射沉积，后面是用于金 属湿蚀刻过程的掩蔽材料的沉积。金属蚀刻掩模可以是聚合物材料(通过喷涂、旋涂或滚 涂而沉积的)或二氧化硅(通过化学汽相沉积或蒸发而沉积的)。蚀刻掩模图案化可以通 过激光消融、掩模的喷墨蚀刻或另外图案化的聚合物层的喷墨沉积，在每一种情况下，后面 都跟着通过湿处理的金属蚀刻；替代地，薄金属种子层可以通过蒸发或溅射被沉积并且通过上面的相同方法被图 案化，后面是镀到1-20 μ m的厚度；替代地，薄金属种子层可以通过蒸发或溅射被沉积并且通过直接激光刻划被图案 化，后面是镀到1-20 μ m的厚度；替代地，金属层可以通过如下剥离过程被图案化i)沉积聚合物膜(通过喷涂/ 旋涂/滚涂或如预先制造的膜)；ii)通过激光消融进行图案化；iii)通过溅射沉积或蒸发 而沉积金属层；和iv)最后通过剥离聚合物膜(通过将聚合物材料溶解在化学溶剂中或通 过物理地撕开或剥去该膜)移除触点之间的金属。连接到聚合物膜的金属层最终可以被回 收；金属退火。退火过程可用于改善到位于下面的半导体的金属接触和金属自身的传 导性，但必须足够短并且不太热，以便避免损坏结构中的其它元件，所述其它元件包括用于 将电池连接到前玻璃的任何胶。选择用于金属层的蚀刻图案使得在蚀刻之后用于每一个太阳能电池的两个不同 的接触区域和电池之间的互连件出现在金属层上，一个终端用于P-型掺杂区域且一个终 端用于η-型掺杂区域。化学蚀刻剂应当能够选择性地蚀刻金属相，以便避免破坏位于下面 的钝化层和/或反射层或前玻璃。可以应用已知用于溶解金属相的任何酸蚀刻剂或碱蚀刻 剂，但位于下面的钝化层和/或反射层或前玻璃不能用作蚀刻剂。本发明的一个选择是，通过例如利用激光刻划、化学蚀刻、等离子体蚀刻或反应性 离子蚀刻而在晶片中形成以晶片厚度的大约70%到100%达到晶片中的许多沟槽，将每个 晶片分成许多单独的区域或电池。窄的电池的典型宽度将在从5mm到50mm的范围中。对 于窄的电池的情况，与较宽的电池替代物相比，金属层厚度应当显著减小。对于窄的电池的 情况，典型的金属层厚度将根据实际电池宽度在0. 1 μ m到2 μ m的范围中。对于这种薄金 属层，优选地图案化技术是通过直接激光消融，或通过后面跟着化学蚀刻的使用喷墨的聚 合物掩模的沉积。利用激光刻划形成达到晶片厚度的从大约70%到100%的沟槽，可以形 成区域。


图1示出根据现有技术的背接触的太阳能电池的例子。图2示出如何切割直拉锭以形成用来形成矩形晶片的供体基体的例子。图3示出如何切割圆柱形直拉锭用于如沿拉动方向从锭的顶部看的伪正方形的 示意图。图4示出如何将半正方形直拉锭切割成供体基体的示意图。图5示出根据本发明的太阳能电池板的示例实施例的一部分的侧视图。图6示出根据本发明的相邻晶片之间的间隙的平面化方法的例子。图7示出根据本发明的相邻晶片之间的间隙的平面化方法的另一例子。
具体实施例方式现在将通过本发明的实施例的例子更详细地描述本发明。这个例子不应当被解释 为组合一个加工步骤中用于整个模块的太阳能电池的接触和互连的总体思想的限制。本发明的示例实施例使用从直拉生成的锭(如图加和2b所示，该锭被切成厚的 供体基体)制成的矩形单晶供体基体切出的单晶硅晶片。每个供体晶片在切割之后被修剪 边缘和平面化以形成均勻尺寸的且矩形形状的厚的供体基体。这给出的优点是，可以同时 加工两个或更多个供体基体以便形成具有类似尺寸并且甚至具有矩形形状的单晶硅晶片。 因此，形成的晶片可以以规则的图案彼此邻近地放置在前玻璃上，在晶片之间具有一致的 窄间隙，该窄间隙允许通过沉积和图案化金属层而形成金属互连。典型的供体基体厚度可 以在从Imm到IOOmm的范围中。如从图2a)可以看到的，由附图标记1标记的单晶锭的中心部分沿其纵向被切割 以形成由附图标记2标记的矩形供体基体。通过术语“矩形供体基体”，我们意指连续的半 导体(在这个情况中是单晶硅)零件，该连续的半导体零件的形状如实际可实现的那样接 近具有长度a、宽度b和高度c的矩形平行六面体。通过“均勻大小的”，我们意指对于所有 供体基体每个基体的长度a、宽度b和高度c如实际可实现的那样接近相等。直拉生成的单 晶锭的典型尺寸是具有从150mm到300mm范围中的直径和从50cm到大于Im的长度的圆柱 体。如图2b中所示，当使用大的直拉生成的锭并且从圆柱体的中间段切割纵向切片时，可 以切出许多矩形供体基体，该矩形供体基体在修剪之后具有从15cm到IOOcm范围的长度， 从15cm到30cm范围的宽度和从Imm到IOcm范围的高度。替代地，取代沿纵向锯割，通过 沿垂直于拉动方向的平面中的锯割(见图3和4)，厚的供体基体可由正方形的或伪正方形 的直拉锭成形，产生了面积尺寸从IOXlOcm2变动到30X30cm2且厚度从Imm变动到IOcm 的典型的供体基体。作为单晶晶片的替代，设想较便宜的太阳能电池板可以基于由典型地(但不必然 地)通过Bridgeman方法形成的多晶硅锭制成的晶片。这些可具有达到70X70X30cm3的 尺寸。从这些锭，可以获得大体上正方形的多晶供体基体，其中边具有达到65cm的长度和 典型地在从0. 1到5cm的范围中的厚度。通过大体上正方形，我们意指如实际上可获得的 那样接近正方形。已知有至少两种用来从硅供体基体获得硅晶片的方法，其中形成的晶片具有与供体基体相同的晶序，并且其中晶片形成到供体基体中并且随后从供体基体分离且被传递到 保持基体。两种方法都可以使用，但其它方法也可以应用，只要它们允许在供体基体上形成 厚度从20 μ m变动到150 μ m的或多或少的半导体材料的平面晶片，随后将形成的晶片从供 体基体分离。已知方法中的一种方法基于在供体基体的表面上形成多孔层，随后在多孔层的顶 部上外延地生长硅晶片。外延生长过程将形成与供体具有相同晶序的在多孔层的顶部上的 均勻且连续的(即不多孔的)晶片。位于下面的多孔层在机械上弱于生长的晶片，使得可 以通过使用机械剪切应力、超声、激光加热等从供体分离晶片。通过这种技术，对于每次晶 片剥离，供体基体减小数IOnm到数μ m，并且因此被重复使用许多次。用于这种技术的典型 供体基体厚度将在1到5mm的范围中。US 7148119中描述了这种技术的例子。其它方法使用到供体基体中一定距离的氢离子(质子)的离子注入，因此形成埋 入的高应力层。这个受应力的层可以通过加热供体基体使得质子形成弱化硅键的氢原子而 被进一步弱化，并且因此允许晶片在受控制的裂开过程中被剥离。US6890838中公开了这种 技术的例子。质子的渗透距离被控制并且在硅供体基体的情况下通过调节质子束的能量可 调节到大约180 μ m。因此可以使用这种技术来形成厚度在从20μπι到150 μ m范围内的晶 片。用来形成锭和供体基体的硅材料有利地可以是预掺杂材料。对于这种技术，典型的供 体基体厚度将在IOmm到IOOmm的范围中。在供体基体上形成半导体晶片之后，晶片可以被转移到保持基体以便加工，或在 独立的基础上由在线处理单独地加工成为背侧金属化做准备的半成品太阳能电池。将晶片 转移到保持基体取决于实际晶片厚度。替代地，对为背侧金属化做准备的半成品太阳能电 池的加工的一些或全部可以在从供体基体的分离之前在晶片上完成。如提及的，这种加工 可以通过任何熟练技术人员可想到的或已知的过程，并且不存在正被使用的半导体晶片中 的钝化膜、防反射涂层或掺杂区域的形成中的任何限制。因此不需要对到半成品状态的加 工的详细描述。而且，即使这里描述的例子基于到供体基体上并且随后从供体分离的晶片，本发 明也当然可以应用从直拉锭或多晶锭/块锯割出的常规晶片。根据这个实施例的太阳能电池可具有可任选的η-掺杂的前表面层。基体掺杂可 以是任一类型的。在半导体晶片的背侧，形成有η+掺杂区域和P+掺杂区域的互相交叉的 图案。晶片表面的两侧由选自以下的一个或更多个层钝化一层氢化非晶硅，氢化非晶氮化 硅，或二氧化硅。钝化层具有从Inm到200nm范围内的厚度。前侧上的表面钝化层也用作 防反射涂层。非晶硅层可以与非晶碳化硅合金化，且/或可以在顶部覆盖有一层非晶氮化 娃。具有掺杂区域和前钝化膜的单晶硅晶片的形成被包括在用来形成为背侧金属化 做准备的半成品晶片的程序中。当晶片连接到保持基体时，可以执行所有这些加工步骤。具 有η-型向内扩散掺杂物的前层的形成可以通过使用η-掺杂的保持基体并加热基体和晶片 而获得。替代地，如果晶片具有充分的厚度/机械稳固性，所有这些加工步骤能够以独立形 式(不在中间连接到任何基体)执行。用来产生晶片的两种替代技术将很可能在将半成品 电池转移和连接到前玻璃之前用来产生半成品电池的优选加工中有些不同。下一步骤是转移半成品晶片，并且将它们以规则图案并排附接到前玻璃上，其中该半成品晶片的表面钝化侧面向下方，使得在太阳能电池之间形成有大约0. 1到2mm的窄 的且均勻的间隙。在连接到前玻璃上之后，半成品的晶片可以分成许多窄的太阳能电池。这 是由于增加太阳能模块输出电压和减小的金属层厚度的可能性的启发。将晶片分成窄的电 池可以通过激光刻划来完成。替代地，通过激光化学蚀刻、湿硅蚀刻、等离子体蚀刻或反应 性离子蚀刻来完成晶片裂分。此后，具有半加工电池的连接的晶片的整个前玻璃被转移到PECVD室以便沉积合 适的钝化层。除了表面钝化层之外，可以沉积聚合物涂层以便使表面台阶平滑，并且提高电 池的背表面内部反射特性。聚合物涂层应当具有白的颜色以便具有良好的光学性能以提高 背表面内部反射。白的聚合物涂层可以通过喷墨沉积被沉积且图案化。图案化的白聚合物 可以充当蚀刻掩模以便在下面的表面钝化层中蚀刻接触孔，以允许半导体膜的掺杂区域和 要被沉积的金属层之间的电接触。此外，在金属沉积之前的一后续过程中，间隙区域的表面台阶可以通过以下被平 滑和平面化i)去除硅晶片的边缘，例如通过激光研磨；ii)在晶片的侧壁上沉积材料，例 如通过借助喷嘴(喷墨)或预成型材料沉积材料；或iii)用合适的材料、聚合物、玻璃、环 氧树脂等填充晶片之间的整个间隙。恰好在金属沉积之前，暴露的半导体掺杂区域应当通过化学蚀刻或等离子体蚀刻 被清除碎片和表面氧化物。金属层沉积可以通过铝的溅射沉积而获得。在金属层的沉积之后，金属层通过局 部选择性蚀刻被划分以形成金属图案，该金属图案形成每个电池上的电触点和太阳能电池 板/模块的相邻电池之间的互连。通过图案化的蚀刻掩模的喷墨沉积和随后的金属蚀刻， 获得金属图案化。金属和硅之间的电接触通过接触退火过程实现，该接触退火过程必须是短的并且 不太热以便避免损坏结构，所述结构包括用于将晶片连接到前玻璃的任何胶和前玻璃自 身。金属到硅的接触退火过程取决于实际金属系统和硅接触区域的电阻。典型的接触 退火过程具有200°C -300°C的温度范围和从数分钟到30分钟的持续时间。此时，太阳能电池被加工到实用状态，使得太阳能电池板/模块可以通过将前玻 璃安装到承载框架中被制备好。图5中示出根据本发明的一个示例实施例的太阳能电池板的一部分的侧视图。该 图上示出的面板可以如下形成制造在直拉生成的供体基体上的具有50到100范围中的厚度的一组硅单晶晶片 被预加工使得每个晶片在前侧上获得η-掺杂101区域和ρ-掺杂102区域的相互交叉图案 和一个或更多个沉积的介电表面钝化膜103。然后，晶片用它们的前侧(具有沉积的钝化层 并且可任选地也具有防反射膜的表面)并排地被放置在前玻璃上并且使用一层胶被连接。当预加工的晶片已经连接到前玻璃时，使用激光消融将它们分成大约IOmm宽度 的数个窄的区域(电池)。激光消融也用于移除晶片的后边缘的一部分使得从侧部观察的 晶片变成如等腰梯形(具有全等角的梯形)的形状。该角度近似为70°。图5示出通过一层胶105连接到前玻璃104的晶片100的两个这种窄的边缘修剪 掉的区域。η-掺杂区域和P-掺杂区域的相互交叉图案分别示为阴影区域101和102。激光消融导致沟槽108。当晶片分成窄的区域时，包括连接的晶片的前玻璃的整个背侧被转移到PECVD室 并且被赋予与晶片的前侧类似的表面钝化层103a。然后，反射聚合物涂层107通过图案化 喷墨沉积而布置到背侧表面钝化层103a上，该背侧表面钝化层103a位于n_掺杂区域101 和P-掺杂区域102上方且与η-掺杂区域101和ρ-掺杂区域102对齐。下一个步骤是局 部去除背侧钝化层103a。这通过使用化学蚀刻剂而实现，该化学蚀刻剂选择性地对钝化层 103a起作用，其中图案化的聚合物涂层107充当蚀刻掩模。当形成接触开口时，包括连接晶片的前玻璃的整个背侧通过汽相沉积被赋予一层 铝。铝层大约为Iym厚。最后，通过在区域109处局部蚀刻沉积的铝层使得晶片100的相 邻的窄的区域变得彼此串联连接，完成前玻璃的背侧。图6示出与图5中类似的面板，但现在处于晶片100的边缘修剪之后的阶段。在 这种情况下，通过沉积填充相邻晶片之间的间隙的材料110，实现边缘修剪。图7示出类似 的情况，但现在通过将晶片挤压到胶层105中使得胶部分地渗透到晶片之间的区域108中， 实现边缘修剪。在前玻璃的背侧上完成金属接触和互连过程之后，前玻璃继续到标准模块过程 中，在该标准模块过程中，在真空中在高温下在堆叠过程中，用乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA) 和保护性后板(例如，Tedlar或玻璃)密封/保护背侧上的电池和互连免受环境影响。最 后，堆叠模块夹层结构可以通过金属框架被机械地加强，并且通过二极管接线盒被电连接/ 保护。
权利要求
1.用于生产太阳能电池板/模块的方法， 其特征在于，所述方法包括-采用许多半导体晶片，所述半导体晶片被预加工到至少它们的前表面准备好被安装 到所述太阳能电池板/模块的前玻璃上的程度，但所述半导体晶片也能包括一直到用于形 成电触点的金属化的、用于所述晶片的背侧的一个或更多个加工步骤，但不包括用于形成 电触点的金属化；-将预期数量的预加工的晶片彼此相邻地且以它们的前侧向下面向的方式放置和附接 到所述前玻璃的背侧上；-沉积至少一个金属层，所述至少一个金属层覆盖包括所述预加工的晶片的背侧的所 述前玻璃的背侧；和-将沉积的金属层图案化/划分为至少一个单独的区域，所述至少一个单独的区域形 成用于每一个太阳能电池的电触点和相邻太阳能电池之间的模块互连件。
2.根据权利要求1的方法， 其特征在于，-所述晶片的前表面的预加工包括以下加工步骤中的一个或更多个表面织构/损坏 蚀刻、掺杂元素的向内扩散、表面钝化膜的沉积、和防反射涂层的沉积，并且-背表面的预加工包括以下加工步骤中的一个或更多个掺杂元素的沉积和扩散、异 质结接触层的沉积和图案化蚀刻、背侧反射涂层的沉积、背侧表面钝化层的沉积、用于形成 到位于下面的晶片/膜片的掺杂区域的接触开口的钝化层的局部蚀刻、织构化、和晶片边 缘的平滑/平面化。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述金属化包括沉积金属层的堆叠系统，所述金属层的堆叠系统被图案 化/划分为至少一个单独的区域，所述至少一个单独的区域形成用于每一个太阳能电池的 电触点和相邻太阳能电池之间的模块互连件。
4.根据权利要求1或2的方法， 其特征在于，-所述晶片通过使用胶附接到透明基体，所述胶的厚度在1 μ m到50 μ m的范围中，优选 地厚度的范围为从10 μ m到20 μ m,并且-所述胶通过以下技术中的一种被沉积旋涂、喷涂、滚涂、热熔分配、或喷墨印刷。
5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，晶片边缘的平滑/平面化通过以下加工步骤中的一个获得 -i)例如通过激光消融，去除所述晶片的背侧边缘的一部分；- )例如利用喷墨印刷或预制元件的安装，沿所述边缘和/或在所述晶片之间的空间 中沉积合适的材料，以在相邻晶片之间形成平滑的连续表面；或者-iii)用聚合物材料，优选地用具有高的光学反射率、具有对表面台阶的平滑效果并且 例如通过使用旋涂、喷涂、滚涂或喷墨沉积而被沉积的聚合物材料，涂覆所述电池的后表面 和所述电池之间的间隙。
6.根据权利要求5的方法， 其特征在于，当使用步骤i)时，-所述晶片的背侧边缘的去除导致晶片侧壁和透明基体之间的角度小于70度，优选地 在从30度到60度的范围中。
7.根据权利要求5的方法， 其特征在于，当采用步骤ii)时，-利用喷墨印刷或喷嘴来沉积相邻晶片或电池之间的沉积材料，并且 -所述沉积材料向着硅背表面或所述晶片的侧壁具有润湿性质，并且以导致小于70 度、优选地在从30度到50度的范围中的接触角度的量被沉积。
8.根据权利要求4的方法， 其特征在于，-通过将所述晶片压在所述胶和透明基体上使得该胶被挤压到后续晶片之间的间隔中 而在后续晶片之间的所述间隔中积聚足够的胶，而获得晶片边缘之间的间隔的平滑/平面 化，其中-调节在所述晶片上施加的压力，使得胶将以大于50%、优选地大于70%填充所述晶 片和所述透明基体之间的竖直表面台阶，并且-所述胶和晶片边缘表面之间的接触角度小于70度，优选地在30度到50度的范围中。
9.根据前述权利要求中的任一项权利要求的方法，其特征在于，通过以下方法，所述金属层或金属层的叠层被沉积到0. 1 μ m-20 μ m范围 中的总厚度-蒸发或溅射沉积，或者 -电镀或化学镀。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，通过以下方法来图案化所述金属层-i)在沉积金属上沉积掩蔽材料，随后激光消融所述掩蔽材料，随后利用蚀刻液体来去 除暴露的金属，并且随后利用合适的液体来去除所述掩蔽材料；- )使用喷墨工艺以希望的图案直接沉积掩蔽材料，随后化学蚀刻未掩蔽的区域；或者-iii)利用激光刻划直接形成希望的图案。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，当使用步骤i)或ii)时，掩模是通过旋涂、喷涂或滚涂而沉积的聚合物材 料，或者是通过化学汽相沉积或蒸发而沉积的二氧化硅。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，随后利用碱溶液或酸溶液的组合以湿化学蚀刻工艺蚀刻所述金属层，所 述湿化学蚀刻工艺对金属是强烈选择性的，以使对结构的其它部分的损害最小化。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于，在所述金属层的沉积之前沉积聚合物膜或层，并且，通过剥离工艺来图案 化所述金属层，所述剥离工艺包括-通过喷涂/旋涂/滚涂或通过附接预制膜来沉积聚合物膜； -通过激光消融来图案化所述聚合物膜； -通过溅射沉积或蒸发来沉积所述金属层；和-通过将所述聚合物材料溶解在化学溶剂中或者通过物理地撕开或剥去所述膜而剥离 所述聚合物膜，去除所述金属以形成希望的图案。
14.根据权利要求9到13中的任一项权利要求的方法，其特征在于，对所述金属层进行退火，以在所述金属层和半导体之间获得稳定且低电 阻的接触。
15.根据前述权利要求中的任一项权利要求的方法， 其特征在于，所述晶片是多晶硅或单晶硅。
16.根据权利要求15的方法， 其特征在于，-通过形成沟槽，每个晶片被分成许多个窄的区域，所述沟槽进入所述晶片中达到所述 晶片的厚度的从大约70%到100%，并且-利用激光切割或消融、化学蚀刻、等离子体蚀刻或反应性离子蚀刻形成所述沟槽。
17.根据权利要求16的方法， 其特征在于，-所述窄的区域的宽度在从5mm到50mm的范围中，并且 -形成所述电触点的沉积金属系统的厚度在从0. 1 μ m到2 μ m的范围中。
18.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述晶片通过以下方法由供体基体制成 -在所述供体基体上形成多孔层，外延地生长具有在20 μ m-150 μ m的范围中的厚度的硅层，然后利用机械剪切应力、超声或激光加热来分离所述晶 片，或者-利用质子射线将氢离子注入到供体晶片中20 μ m-150 μ m的范围中的距离，然后利用 机械剪切应力、超声或激光加热来分离所述晶片。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，当所述晶片附接到所述供体基体时，即在所述晶片与所述供体基体分离 之前，在所述晶片上执行权利要求2的预加工步骤中的一个或更多个步骤。
20.太阳能电池板/模块，所述太阳能电池板/模块包括 -透明前玻璃；-许多半导体晶片，所述许多半导体晶片每个被加工以形成半成品太阳能电池，并且所 述许多半导体晶片彼此相邻地附接到所述透明前玻璃的背侧上；并且-其中，太阳能电池的电触点和连接所述太阳能电池板/模块的相邻太阳能电池的互 连件由至少一个图案化的金属层形成，所述至少一个图案化的金属层覆盖包括附接的半成 品太阳能电池的背侧的所述前玻璃的背侧。
21.根据权利要求20的太阳能电池板/模块，其特征在于，所述晶片由Si、Ge、InP或GaAs中的任一种制成。
22.根据权利要求21的太阳能电池板/模块，其特征在于，所述晶片由150 μ m或更小、优选地从20 μ m到80 μ m的厚度的单晶硅制 成，并且所述晶片彼此相邻地放置，其中相邻晶片/膜片之间的间隙在从0. Imm到2mm的范围上。
23.根据权利要求20的太阳能电池板/模块，其特征在于，至少一个沉积的金属层由镍、钯、钛、银、金、铝、铜、钨、铬、钒、锡或这些材 料的任何组合中的一种或更多种制成。
24.根据权利要求20的太阳能电池板/模块，其特征在于，至少一个沉积的层被导电塑料和/或诸如碳聚合物的其它聚合物配方代替。
25.根据权利要求20到M中的任一项权利要求的太阳能电池板/模块，其特征在于，附接到前基体的所述晶片之间的间隙通过用聚合物、玻璃或环氧树脂填 充而被平面化。
全文摘要
本发明涉及一种用来生产太阳能电池的方法及其光伏面板。用来生产太阳能电池板的方法包括在后续加工之前，使用预先制造的许多半导体晶片和/或半导体膜片以将它们准备用于背侧金属化，该半导体晶片和/或半导体膜片彼此相邻且以它们的前侧向下面向的方式被放置且连接到前玻璃的背侧上，所述后续加工包括沉积至少一个金属层，该至少一个金属层覆盖包括连接的晶片/膜片的背侧的整个前玻璃。然后，金属层被图案化/分成用于每个太阳能电池的电隔离的触点和相邻太阳能电池之间的互连件。
文档编号H01L31/048GK102084501SQ200980121524
公开日2011年6月1日 申请日期2009年4月2日 优先权日2008年4月15日
发明者保尔·艾伦·巴舍瑞, 埃里克·萨乌尔, 安德烈亚斯·本特森, 马丁·内塞 申请人:可再生能源公司