多重太阳能电池及其制造方法与流程

本发明涉及一种多重太阳能电池，其包括晶片衬底以及沉积在该晶片衬底的朝向辐射的前侧上的太阳能电池结构，所述太阳能电池结构由多个上下相叠地沉积的太阳能电池组成，其中该衬底具有环绕的侧面，并且所述太阳能电池结构具有环绕的周面，所述周面与所述侧面有间隔地分布，以及其中该晶片衬底在其背离辐射的背侧上具有背侧金属化结构。本发明还涉及一种用于制造多重太阳能电池的方法，其中在晶片衬底的朝向辐射的前侧上沉积具有多个上下相叠地沉积的子电池的太阳能电池结构，其中通过蚀刻、激光或锯锉工艺以及随后的过蚀刻在形成周面的情况下将有源太阳能电池区域定义为太阳能电池结构，通过锯锉或激光照射在衬底片段中形成环绕的侧面的情况下将所述晶片衬底分离以形成各个多重太阳能电池，以及其中所述晶片衬底的背侧配备有背侧金属化结构。

背景技术：
多重太阳能电池(英语：multi-junctionsolarcells)主要应用在宇宙飞行和在光伏市场上越来越重要的陆地聚光光伏系统(英语：concentratorphotovoltaics，CPV)中。这些系统的经济性和其它实施的前提是长期的无故障的寿命。但是诸如湿气、温度波动、UV光的各种环境影响的组合会缩短寿命，这些环境影响对各个部件、子模块和模块的可靠性产生负面作用。对于作为CPV模块的核心部件的太阳能电池来说，除其它之外持续地负担浓缩的湿气是危险的，因为这种持续负担可能导致电池和电池结构的衬底材料遭到电化学腐蚀并且此外还可能导致太阳能电池的失效。由于太阳能电池的正面一般通过施加覆盖玻片或诸如透镜或分光器的光学元件来得到保护，因此尤其是衬底的棱边和太阳能电池结构(台面)的棱边被涉及在内，在这些棱边处太阳能电池的感光区域未受到保护。图1示出一些公司所遵循的现有技术，其中太阳能电池被施加在导电的Cu箔上并被玻片覆盖。覆盖玻片和Cu箔之间的空隙具有EVA太阳能电池密封件，以便将太阳能电池与环境隔离开。但是该密封技术从技术上来说是费事的并且由于覆盖玻片而带来了大的重量。常规的CPV多重太阳能电池由诸如Ge衬底或GaAs衬底的衬底以及沉积在该衬底上的太阳能电池结构组成。在此，多重太阳能电池的最下面的电池在沉积工艺期间可以直接形成在衬底材料中。在太阳能电池制造时，有源太阳能电池区域(台面)的大小通过蚀刻或激光工艺、或锯锉工艺以及随后的过蚀刻来定义，并且沉积上面的金属化结构和防反射涂层。最后，通过锯锉或激光照射将太阳能电池晶片分成各个电池。作为台面一般是指具有平坦的表面和陡峭的边缘的凸起。制造好的CPV太阳能电池通常单个地(例如在基于菲涅耳的系统中)或者大面积地(例如在密集阵列模块中)被粘贴或焊接在载体上。在菲涅耳光学元件模块的情况下，具有太阳能电池的载体被安装在模块内部空间的后壁上并且相互连接。为了避免例如由于温度变化和/或气压变化而导致的模块内部空间与环境之间的压力差，所述模块或者被实施为开放的或者具有压力平衡过滤器。该过滤器可以包含不透水蒸汽的薄膜材料，例如高泰斯(Gore-Tex)，这种材料应当大部分地阻止湿气渗入到内部空间中。替换地，可以在完全地安装和连接了具有电池的载体之后用大面积透明的聚合物层来对模块的后壁进行密封。根据现有技术的这种实施方式在图2中示出。作为应对湿气渗入到模块内部空间中的附加措施，在一些系统中使用干燥的空气或干燥的氮气来持续地冲刷内部空间。从US-A-2009/0159119获悉一种太阳能电池，其前金属化结构被湿气阻挡层覆盖，该湿气阻挡层还可以沿着太阳能电池的侧面延伸。作为保护层的材料，可以使用聚酰亚胺、氮化硅或氧化硅。US-A-2010/0018574的主题是集成的薄层太阳能电池。适用于高聚光太阳能电池的金属化结构在US-A-5,075,763中描述。US-A-2010/0059101涉及一种具有两组串联接线的太阳能电池的太阳能电池装置，这些太阳能电池经由绝缘层分离地上下相叠地布置。薄层硅太阳能电池模块由WO-A-2010/113708(＝US-A-2012/0015472)中获悉。这些太阳能电池被布置在由玻璃、陶瓷或塑料组成的衬底上并且被填充材料包围，所述填充材料在外侧被层覆盖。根据US-A-5389159，借助静电粉末涂层在周边将太阳能电池封装。

技术实现要素：
本发明所基于的任务是将开头所述类型的多重太阳能电池以及用于制造多重太阳能电池的方法进行扩展，以避免在多重太阳能电池中的氧化和湿气的渗入。该任务根据本发明主要通过以下方式解决，即在基本上排除太阳能电池结构的朝向辐射的上侧的情况下用保护性电绝缘的第一涂层涂覆太阳能电池结构的周面，或者在露出太阳能电池结构的情况下由保护性电绝缘的第二涂层来涂覆晶片衬底的侧面，或者在基本上排除太阳能电池结构的朝向辐射的上侧的情况下用第三涂层来涂覆晶片衬底的侧面以及太阳能电池结构的周面。优选的，周面涂层被构造为氧化硅或氮化硅涂层，其中该氧化硅或氮化硅涂层被沉积在也可以称为台面棱边或台面边缘的周面上。根据另一优选的实施方式，氧化硅涂层和/或氮化硅涂层具有厚度ds≤1μm，优选具有在100nm≤ds≤500nm的范围内的厚度ds。另一实施方式的特征在于，衬底的环绕的侧面以及周面的涂层被构造为聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层由聚酰亚胺组成或包含聚酰亚胺，其中优选借助毛笔或浸渍工艺来涂覆聚酰亚胺涂层。根据另一优选实施方式，聚酰亚胺涂层具有小于15μm的厚度dp，优选5μm≤dp≤10μm。此外，本发明的特征在于，太阳能电池结构的周面与衬底的侧面之间的距离a是10μm≤a≤100μm。必要时规定，第一涂层和/或第三涂层在太阳能电池结构的朝向辐射的上侧上在边缘侧延伸出宽度b，其中5μm≤b≤50μm。根据方法，该任务通过以下方式解决，即在基本上排除太阳能电池结构的朝向辐射的上侧的情况下用保护性电绝缘的第一涂层涂覆太阳能电池结构的周面，或者用保护性电绝缘的第二涂层来涂覆所述衬底片段的环绕的侧面，或者在基本上排除太阳能电池结构的朝向辐射的上侧的情况下用第三涂层来涂覆所述太阳能电池结构的周面，并且用第三涂层来涂覆所述环绕的侧面。根据优选的方法方式，太阳能电池结构的周面的涂层作为氧化硅涂层、氮化硅涂层和/或介电涂层通过沉积来涂覆。在此尤其是规定，层的沉积、也就是尤其是氧化硅层或氮化硅层的沉积在将衬底分离为子片段之前进行，从而所述涂层不仅沿着太阳能电池结构的周面而且沿着分布在太阳能电池结构侧的衬底上侧延伸。接着分割成单个片段。此外本发明的特征在于，太阳能电池结构的周面以及衬底片段的环绕的侧面配备有第三涂层，该衬底片段也被简化地称为衬底，所述第三涂层尤其是由聚酰亚胺组成或包含聚酰亚胺。该涂覆通过毛笔涂敷、浸渍工艺(浸渍方法)或丝网印刷方法进行。在这种情况下，第三涂层也沿着分布在太阳能电池结构侧的衬底上侧、即衬底片段上侧延伸。由于覆盖太阳能电池结构的周面的保护性电绝缘涂层基本上在太阳能电池结构的朝向辐射的上侧之外延伸，因此所述涂层还可以是不透光的，不会对多重太阳能电池的效率产生负面影响。但是要注意的是，由制造引起太阳能电池结构的边缘区域、也就是朝向辐射的上侧轻微地被涂层材料覆盖。对应的边缘的宽度位于5μm至50μm的范围内。此外规定，周面和侧面的涂层用相同的涂层材料进行，并且优选在一个工作步骤中执行。优选的，氧化硅涂层、氮化硅涂层和/或介电涂层被以厚度ds涂覆，其中ds≤1μm，优选以100nm≤ds≤500nm的范围内的厚度涂覆，以及聚酰亚胺涂层被以厚度dp涂覆，其中dp≤15μm，优选在5μm≤dp≤10μm的范围内。本发明的其它细节、优点和特征不仅由权利要求、从权利要求中获得的特征—单独和/或组合地，而且由下面对从附图中得到的优选实施例的描述得到。附图说明图1示出根据现有技术的封装的太阳能电池的截面图，图2示出根据现有技术的太阳能电池模块，图3a，3b，3c示出多重太阳能电池的透视图及其片段，图4a，4b示出多重太阳能电池的透视图以及具有被涂覆的太阳能电池结构周面的多重太阳能电池的截面图，图5a，5b示出多重太阳能电池的透视图以及具有被涂覆的环绕的衬底侧面的多重太阳能电池的截面图，图6a，6b示出多重太阳能电池的透视图以及多重太阳能电池的截面图，其中太阳能电池结构的周面以及衬底侧面被用不同的材料涂覆，以及图7a，7b示出多重太阳能电池的透视图以及多重太阳能电池的截面图，其中太阳能电池结构的周面以及衬底侧面被用相同的材料涂覆。具体实施方式图3示出常规CPV多重太阳能电池10的结构，其包括诸如Ge或GaAs衬底的衬底12，具有沉积在该衬底上的太阳能电池结构14，其中多重太阳能电池的最下面的电池可以在沉积工艺期间直接形成在衬底12中。在制造CPV多重太阳能电池10时，通常在形成衬底的晶片上外延地涂覆半导体层。该晶片或衬底材料通常是Ge或GeAs材料。所沉积的层形成子电池，其中根据图3太阳能电池结构可以包括子电池14a，14b，14c。在沉积了半导体材料、施加了尤其是金属网格形式的前侧接触部18以及必要时的抗反射涂层20并且在衬底的背侧上施加背侧金属化结构22之后，通过蚀刻工艺、激光工艺或锯锉工艺以及随后的过蚀刻来制造包括具有周面16的台面结构的有源太阳能电池区域。然后尤其是通过锯锉将衬底分离成各个衬底片段12，这些衬底片段分别具有环绕的侧面24。如从图3的示意图得到的，具有周面16的有源区域、也就是太阳能电池结构14与衬底片段12的环绕的侧面24有间距地分布，下面将该衬底片段12简化地称为衬底。如从图3b和3c得出的，周面16可以是平坦的(外面16)或子电池14a，14b，14c的外面在边缘侧错开地分布，也就是横向错开(周面16b)。这在图3c中纯原理性地示出。该错开的形成是由于子电池14a，14b，14c的不同半导体材料不同程度地抗蚀刻。但是不考虑这一点，周面16或16a，16b相对于衬底12的环绕的侧面24平均以距离a分布，其中10μm≤a≤100μm。该距离a示例性地沿着图3中的线A-A测量。为了避免太阳能电池材料和/或衬底材料的物理和化学反应，这些反应可能导致电池结构的电短路和/或电池结构的腐蚀或破坏，根据本发明规定，太阳能电池结构14的周面16、也就是每个多重太阳能电池10的有源太阳能电池区域的周面16或者衬底12的环绕的侧面24，或者所述周面16以及所述侧面24配备有保护性的电绝缘涂层，这借助以下的实施例加以阐述。图4a和4b示出多重太阳能电池30的实施方式，其中只有周面16、即太阳能电池结构14的环绕的边缘被涂覆了氧化硅层或氮化硅层形式的涂层26。二氧化硅涂层或氮化硅涂层优选通过沉积来涂覆。该沉积优选当衬底被分割为各个多重太阳能电池之前进行，在所述衬底上沉积多个有源太阳能电池区域，也就是太阳能电池结构14。由此二氧化硅涂层或氮化硅涂层不仅沿着每个太阳能电池结构14的周面16延伸，而且沿着衬底12的朝向辐射并由此在太阳能电池侧的上侧15延伸。太阳能电池结构14以及由此多重太阳能电池的朝向辐射的表面17(必要时除开边缘区域)未被覆盖。氧化硅层或氮化硅层的沉积优选借助CVD方法由气相进行。替换的，在图5a，5b中示出多重太阳能电池32的实施方式，其中只有衬底12的环绕的侧面24配备有例如聚酰亚胺层形式的涂层28，该聚酰亚胺层由聚酰亚胺组成或包含聚酰亚胺。借助毛笔来涂覆该聚酰亚胺层，或者借助丝网印刷方法在浸渍工艺中施加，而且优选对每个多重太阳能电池分开地进行。图6a和6b示出多重太阳能电池34的另一实施方式，该实施方式的特征在于，多重太阳能电池34既具有太阳能电池结构14的周面涂层36，也具有衬底12的侧面涂层38。在所示出的实施例中，采用两种不同的涂层材料，即二氧化硅或氮化硅用于周面涂层36，而y一种或多种聚酰亚胺用于侧面涂层38。如果在所示出的图中聚酰亚胺涂层36也沿着衬底12的太阳能电池结构侧的上侧延伸，则如上所阐述的所涉及的区域优选被二氧化硅或氮化硅层覆盖。图7a，7b示出多重太阳能电池40的另一种实施，其中太阳能电池结构14或有源太阳能电池区域的周面涂层42以及衬底12的环绕的侧面涂层44使用相同的涂层材料执行。作为涂层材料采用一种或多种聚酰亚胺。氧化硅或氮化硅涂层26,36的厚度ds处于ds≤1μm的范围内，优选100nm≤ds≤500nm。聚酰亚胺涂层28,38,42,44的厚度dp处于dp≤15μm的范围内，优选5μm≤dp≤10μm。其它优选的尺寸是：衬底12的厚度：120μm至170μm，优选150μm；在衬底12的上侧上方的太阳能电池结构14的厚度：13μm至17μm，优选15μm；衬底12的长度：0.9cm至1.1cm，其中衬底的基面是正方形的。