CN104272475A - 背接触太阳能光伏模块用半导体晶片的电池和模块加工 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
发明领域
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。
发明背景
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。
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。
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。
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***。
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150-200μm的最小晶片厚度，而晶片中最重要的光伏活性层仅为约20-30μm，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。
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n型基极区的电池，n型基极区为阴极并且p型发射极区形成阳极。对于具有p型基极区的电池，p型基极区为阳极并且n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。
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
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n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n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p型掺杂区和n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p型掺杂区和n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p型掺杂区和n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p型掺杂区和n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。
从WO 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P型和N型传导并且任选地在晶片前侧掺杂有P型或N型层，特征在于所述方法还包括：
-在基底两侧都沉积一个以上表面钝化层，
-在基底背侧的表面钝化层中产生孔，
-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
-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。
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0.5μm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SiNx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)，随后通过溅射沉积Al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。
WO 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。
从WO 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。
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。
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硅膜之间形成的解理面(cleavage plane)从薄的单晶硅膜分离。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
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。
本发明的另一目的在于提供背接触背结高效太阳能模块。
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。
发明详述
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。
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，
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(texturing)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(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，
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(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
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。
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。
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。
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0.2-5μm、掺杂至1·1016-1·1020cm-3N型或P型掺杂元素的浓度的第一层，和厚度为10-65μm、掺杂至1·1015至1·1017cm-3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5μm、掺杂至1·1016至1·1020cm-3P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l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：0.2-5μm、0.3-3μm、0.3-2μm或0.4-1μm，第二层的厚度可有利地在以下范围之一内：10-65μm、20-50μm或30-40μm，并且第三层的厚度可有利地在以下范围之一内：0.5-20μm、1-10μm、1-5μm或1-3μm。
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：1·1016-1·1020cm-3、1·1017-1·1020cm-3、1·1018-5·1019cm-3或1·1019-5·1019，在第二层中的可有利地在以下范围之一内：1·1015-1·1017cm-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：1·1017-1·1020cm-3、5·1017-5·1019cm-3或1·1018-1·1019cm-3。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。
表1 根据本发明的太阳能电池的分层的层的可能构造
如此处所使用的术语“P型掺杂”是指硅晶片的如下的主体区域，其中掺杂材料产生增加数目的正电荷载流子，从而形成具有P型传导性的晶片区域。如此处所使用的术语“N型掺杂”是指硅晶片的如下的主体区域，其中掺杂材料产生增加数目的负电荷载流子(移动电子)，从而形成具有N型传导性的晶片区域。
交错的发射极区和基极区
如此处所使用的术语“多个交替的矩形发射极区和基极区”是指在每一分层的层状太阳能硅晶片的背侧上，除去发射极层的一组矩形部分以暴露晶片的下面的基极层，如图1a)和1b)中所示。如从图1a)可见的，硅晶片具有三个层，即前表面场层4、基极层5和发射极层6，其中除去有规律的部分以形成其中暴露基极层5的背侧区域7。从图1b)见到，发射极层6的除去的部分为等距和矩形的，以在硅晶片的背侧形成相等数目的相同尺寸的发射极区和基极区。该图共示例四个发射极6区和四个基极7区。选择数目四以仅用于示例目的，现实生活中的太阳能电池可以具有更多这些区域。从图1b)见到，第三层6的除去的部分为矩形并且在晶片1的整个宽度上延伸，以在每一太阳能电池的背侧上形成相等数目的多个等距、平行、交错和矩形P型和N型掺杂硅区。有利地但并非必须地，在太阳能电池上形成相等数目的多个P型和N型掺杂区，可以应用在该多个中具有数目不等的P型和N型掺杂区的太阳能电池。然而，有利地，应用具有相等数目的多个，即数目n个P型和数目n个N型掺杂区的晶片，其中n为产生在以下范围之一内的节距(pitch)(在两个相邻发射极区或两个相邻基极区之间的距离)的数目：0.1至5mm、0.2至4mm、0.3至3mm或0.5至2mm。数目n对应于在所述多个中一个类型极性的区域的数目，并因此通常在范围75至500内。该图给出多个交替的矩形发射极区和基极区的发射极区和基极区的宽度相同的印象。不将这视为对本发明的限制。实际上，可有利地使发射极区覆盖70-80％的节距，即发射极区宽于基极区。本发明可以应用覆盖任何已知或可想到的百分比的节距的发射极区。
为了允许制造游隙，可以有利地将每一晶片制得稍宽于形成所述多个所需的宽度，以沿着每一半成品太阳能电池的一侧边缘形成第三层的一个外周残余部分。在图中以附图标记8标记这个残余部分，并且这个残余部分将构成每一太阳能电池的死区(dead area)。这个区域的宽度应自然地尽实际可能/需要地短。
本发明不受任何具体的用于选择性除去发射极层以形成多个交替的矩形发射极区和基极区的方法束缚，但可以应用任何已知或可想到的与除去太阳能晶片中的晶体硅相关的方法。合适方法的实例为通过应用蚀刻掩模或通过喷墨印刷蚀刻剂而对发射极层进行选择性化学蚀刻。通过化学蚀刻选择性除去晶体硅的工艺为本领域普通技术人员所熟知的并且不需要进一步描述。
晶片的前侧加工
本发明可以应用任何已知或可想到的用于前侧织构化、表面钝化和最终沉积抗反射涂层的工艺。本发明因此可以应用任何已知类型的表面织构化、表面钝化(一层或多层介电膜)和最终的抗反射涂层。获得这些工艺步骤所需的技术在光伏行业中是公知的并且不需要进一步描述。
背侧面钝化
然而，应通过沉积1-50nm厚的覆盖晶片整个背侧的连续无定形硅层将晶片的背侧表面钝化。可以应用任何已知或可想到的将无定形硅薄层沉积在硅半导体表面上的方法。获得这些工艺步骤所需的技术在光伏行业中是公知的并且不需要进一步描述。
所述无定形硅层可以有利地具有在范围1-50nm内的厚度。可以应用任何已知或可想到的将无定形硅薄层沉积在硅表面上的方法。通过CVD沉积α-Si膜为本领域普通技术人员所熟知并且不需要进一步描述。
可有利地施加SiNx的第二表面钝化层，将所述层沉积到无定形硅上。通过CVD沉积SiNx膜为本领域普通技术人员所熟知并且不需要进一步描述。
第一绝缘层
在形成背侧面钝化物之后，将第一绝缘层沉积到无定形硅层上，或者沉积到SiNx层上。所述第一绝缘层的功能在于电绝缘，从而防止随后沉积的金属层使太阳能电池短路并且充当“印刷掩模”，其界定其中随后沉积的金属层将获得与太阳能电池的P型和N型区(基极和发射极区)的电接触的区域，即每一太阳能电池的端子或指形物。硅晶片的发射极区和基极区的接触区域可以有利地具有小的表面积以减少载流子复合并同时允许在指形物和模块集电器(带)之间形成多个电触点，以在太阳能电池中获得短电流通路和因此低的电阻性电流损失。
这可如下简单有效地获得：将规则矩形栅格中的矩形半成品太阳能电池排列和贴附到模块前基底上，以使相邻电池的P型区和N型区两者都界定模块前基底的主要表面的一个横向中的线性部分，以及图案化第一绝缘层以使其获得相对薄的和矩形的细长空隙，所述空隙是平行的并且排列在太阳能模块的每一太阳能电池的每一P型和N型区的中心上方。这在图2a)和b)中有示意性示例，所述图示例了与图1a)和b)中所示相同的实施方式，但其已经得到无定形硅的连续薄层9，和在每一基极区7和发射极区6的中心上方具有空隙11的图案化层10，将两个层都制成覆盖晶片1的除层10中的空隙11以外的整个背侧。连续层9为无定形硅并且图案化层10为第一绝缘层。图2b示例了俯视的图2a的实施方式，并且看到空隙11的矩形细长形式从晶片的一侧边缘延伸到另一侧边缘。每一空隙11形成暴露无定形层9的区域。
第一绝缘层10可以有利地具有反光性，以通过反射已经穿过半导体硅晶片而未被吸收回半导体体相中的光子来增强太阳能电池的光捕获效果。当应用约30μm或更薄的极薄半导体晶片时，这种特征可具有显著作用。
本发明可以将任何已知或可想到的与在太阳能电池中使用相关或相容的电绝缘材料应用于第一绝缘层中。材料的合适类别的实例为电绝缘(电阻率[ρ(Ω·m)]为大约1016或更大)并且在太阳能模块的运行温度下耐热的聚合物。第一绝缘层可以有利地具有在范围1至10μm内的厚度，并且线性电接触进接区域的宽度可为下面的基极或发射极区的宽度的0.5至0.05倍或0.25至0.1倍，实际上得到50至200μm的线性接触区域的宽度。第一绝缘层的聚合物可在高达约300℃的温度下具有热固性。
在形成第一绝缘层10之后，可如下有利地清洁无定形硅层9的暴露区域：在O2/N2O中等离子体灰化，和或进行氟化氢蚀刻以除去最终的覆盖无定形硅层的自然氧化物或SiO2/SiNx。如果半成品太阳能电池的背侧具备SiNx的第二表面钝化层，则这种特征为必需的，以蚀刻掉线性接触区域中的SiNx层，并且使随后沉积的金属相能够接触无定形硅。半成品太阳能电池此时正准备金属化，即形成用作收集太阳能电池中产生的电流的电端子的指形导体。
指形导体
可通过将金属相(层)沉积到晶片的整个背侧而形成指形导体，并且将所述指形导体图案化以界定矩形的细长指形物，其从电池的发射极区和基极区收集电流。或者，可通过沉积图案化金属相而直接形成指形导体。
可有利地通过如下方式将金属相图案化成矩形的指形导体：使其界定指形导体，所述指形导体在晶片的整个深度上延伸并且在下面的半导体晶片的其相应发射极区或基极区的中心轴几乎正上方平行排列。这种特征提供制造指形导体的方法简单且成本有效的优势。另一优势在于，由于指形导体在每一发射极区和基极区几乎正上方平行地形成，但通过第一绝缘层10与其分隔，因此指形导体是空间分散的并且被允许覆盖模块的每一太阳能电池的几乎整个背侧面区域。这提供允许在太阳能电池中形成具有相对短的长度和因此低的电阻损失的电流路径的优势。指形导体的相对大的表面积提供以下优势：允许采用相对薄的金属相，其明显减少金属化工艺中的金属消耗并同时具有低的电阻损失。因此，金属相的适合的图案化是为了在每一基极区或发射极区上方界定一个指形导体，所述指形导体在太阳能电池的整个长度或宽度上延伸，并且位于相应发射极区或基极区的背侧面的纵向中心轴上，并且宽度为下面的发射极区或基极区的宽度的0.8至1.0倍。
本发明可以采用任何已知或可想到的将薄金属相沉积在第一绝缘层上的方法。与通常需要厚度为20μm或更大的传导指形物以避免过度电阻损失的太阳能电池的现有技术金属化方案相反，金属相的厚度可为几百纳米至几微米，并且本发明因此可以采用等离子体气相沉积(PVD)技术以在一个操作中在太阳能模块的整个背侧上形成金属相。适合的PVD技术的实例包括但不限于DC磁控管溅射和热蒸发。与现有技术相比，通过需要显著更少的材料(金属/合金)以形成指形导体，金属相的这些小的厚度构成显著的成本和能源节省。金属相的厚度可有利地在以下范围之一内：200nm至20μm、200nm至10μm、300nm至5μm、300nm至2μm、350nm至1μm或350nm至800nm。贯穿所述相的体相，即在金属相沉积到第一绝缘层10上并且不填充空隙11的区域中，测量金属相的厚度。
所述金属相可为单一金属层或合金，但或者可为由两种或更多种不同金属和/或合金组成的金属堆叠(分层的层状结构)。可将金属相沉积为连续膜并且随后通过激光烧蚀、机械划片或其它手段的手段进行图案化。可选地，可将牺牲性剥离材料例如蜡或聚合物沉积到背侧面上，随后进行金属沉积，以实现覆盖剥离材料的金属的选择性除去。可选地，可以将机械掩模放在半成品太阳能电池的背侧，随后进行沉积以允许金属图案化沉积到电池背面。本发明可以应用任何已知或可想到的将金属相图案化成端子和指形导体或进行图案化沉积的方法。
金属堆叠提供允许采用两种或更多种不同金属和/或合金以调节金属相性质的优势。例如，通过采用金属堆叠，该金属堆叠包含用于接触硅半导体(即在第一绝缘层10中空隙11的底部的无定形硅层9)之胶粘层、一个中间焊料阻挡层及一个上接触层，所述金属相可以提供以下各者的组合效应：在电池金属化物和用于与带电接触的焊料或传导材料之间的低电阻接触、在电池金属化物和半导体电池材料之间的低电阻接触，防止焊料损害金属-半导体接触并且提高电池金属化结构的耐腐蚀性。例如，已知Al和Al-Si合金在硅基太阳能电池中提供低电阻金属-半导体接触，以可有利地在其上施加或将其用作胶粘层。另一方面，Al将形成暴露于空气的非传导性表面氧化物，其限制了进行低电阻接触的能力，并且使得Al不太适于上接触层。更适于上接触层的金属为具有传导性表面氧化物的那些金属例如Sn或Ag和其合金，或缓慢氧化的金属例如Cu，或不氧化的贵金属例如Au或Pt。焊料阻挡金属可例如为周期表的第一行过渡金属，即V、Cr、Ni或这些金属的合金。在一个典型的实施方式中，与半导体接触的层为Al，焊料阻挡层为Ni-Cr合金并且上接触层为Sn-Cu合金。
在其中使用焊料以形成在指形物和带之间的电接触的实施方式中，金属堆叠的上接触层可能被焊料层消耗掉。这能够以如下方式预防：在上接触层下面具有阻碍焊料与半导体接触层合金化的焊料阻挡层。如果半导体接触层为活性金属例如Al或Al合金，那么焊料阻挡层也可以用以在太阳能模块的寿命期间减少对半导体接触层的腐蚀。在这种情况下，上接触层可有利地选自含有Cu、Sn和Ag的合金，并且该合金可有利地具有高于焊料熔点的熔点以使上部金属化物不会从焊料阻挡层脱湿(de-wet)。当使用导电胶粘剂或导电膜时，上接触金属可为类似的。任选的上接触防腐层为用以防止上接触层氧化的薄表面层。这可有利地为含有Cu-Sn-Ag的合金或Cu-Sn合金或Sn，其可具有低于焊料熔点的熔点。还可以使用贵金属例如Au、Ag或Pd。还可以将有机可焊性防腐剂(OSP)材料例如唑源性有机金属聚合物用作上接触防腐层。适于本发明的金属堆叠的实例包括但不限于：Al/NiCr/Cu、Al/NiCr/SnCu或AlSi/NiV/SnCu连续膜，其中Al或含Al合金为与无定形硅层9接触的胶粘层。金属化的典型实例将为300nmAl作为半导体接触层，接着是50nm Ni0.8Cr0.2，接着是50nm Cu，所有都通过DC磁控管溅射在多室工具中使用平面靶材以及作为溅射气体的Ar而沉积。
当应用Al或AlSi合金作为金属堆叠的胶粘层时，可以通过将胶粘层简单地直接沉积到无定形硅层上并然后进行温和的热处理而获得与半导体晶片的电接触，所述热处理将硅半导体和含有Al或AlSi合金的胶粘层中间的硅层的无定形结构转变为导电性晶体硅。
端子/指形导体的金属化步骤或形成得到图3a)和b)中示意性示例的结构。图3a)是与图1a)和2a)中相同，但是在形成指形导体之后的实施方式的侧视图。图3b)是与图3a)相同，但是俯视的实施方式。
从图3a)可见，在半成品太阳能电池1的每一基极区7和发射极区6几乎正上方，存在填充第一绝缘层10中的空隙11并因此实现与在空隙11底部的无定形硅膜9直接接触的端子或指形导体14，并且端子通过覆盖除空隙13以外的第一绝缘层10而加宽。太阳能电池的半导体晶片的每一基极区和发射极区因此通过一个指形导体而电接触，所述指形导体对半导体(无定形硅层9，其在这个区域中变得结晶化和导电)具有小的接触面积以及大的表面积从而覆盖与相应基极区或发射极区所覆盖面积几乎相同的面积。还形成了所沉积的金属层的电绝缘区12，其为钝性的，即不与每一太阳能电池的外周区域中的半导体晶片电连接。从图3b)见到，端子或指形导体14从半成品太阳能电池的一侧边缘延伸至背侧的相对侧边缘并且其由空隙13分隔。每一空隙13形成其中暴露第一绝缘层10的区域。所述图清楚地示出了指形导体14的组合表面区域几乎覆盖了太阳能电池1的整个可用背侧面，并因此将指形导体的电阻损失减至最小值。
第二绝缘层
在形成指形导体之后，将第二绝缘层沉积到金属相上。第二绝缘层具有除在其中预期指形导体和带之间有电接触的特定接触区域以外，使指形导体与模块互连或带之间电绝缘的功能，这类似于第一绝缘层的功能。因此，使用第二绝缘层会提供与上述相同的优势，但此时是针对太阳能模块的互连或带而言。也就是说，由于第二绝缘层，所述带可由表面积大的导电材料的薄层制成以将带的电阻损失减至最小。
本发明可以将任何已知或可想到的与在太阳能电池中使用相关或相容的电绝缘材料应用于第二绝缘层中。合适材料的实例包括但不限于上述用于第一绝缘层的聚合物、胶粘剂或可印刷的绝缘油墨等。第二绝缘层可有利地具有在范围1至10μm内的厚度，但也可以具有其它厚度。
第二绝缘层可为覆盖半成品太阳能电池除接触进接区域以外的整个背侧的单一连续层。可选地，可将第二绝缘层制为覆盖层压的多个太阳能电池的电池，或可将其图案化或沉积以仅使需要在指形导体和带之间有电绝缘的特定区域绝缘。另一种可行性为沉积绝缘材料的胶粘带作为第二绝缘层。这可以如下实现：将图案化胶粘剂施加到金属相(指形导体)，或施加可印刷绝缘油墨，即如当制造印刷电路板(PCB)时所通常使用的焊料掩模。
在一个可选方案中，可以沉积未图案化的连续第二绝缘层，并且使用随后图案化的传导材料印刷物以选择性蚀穿、渗透、熔化或溶解所选区域中的第二绝缘层。图案化传导层也可以充当掩模以防止下面的绝缘体的UV固化，因此允许导体渗透所选区域中的绝缘体。这些技术消除了对第二绝缘层进行图案化的需要，因此是潜在成本较低的方法。
沉积第二绝缘层的另一可行性为将通路导体(via conductor)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导体垫流动以形成第二绝缘层。这具有消除对第二绝缘层进行图案化的需要的优势。在典型的实施方式中，将紫外(UV)光可固化焊料掩模丝网印刷在电池金属化物上方，以在金属指形物正上方的焊料掩模中形成孔。焊料掩模通过曝露于UV光而固化，并然后备用于进一步加工。可以使用其它焊料掩模替代物，例如热固化焊料掩模或图案化胶粘膜。
第二绝缘层设计可能能够实现第二绝缘层的简化制造并且能够实现使用绝缘材料的胶粘带作为第二绝缘层。这可以以如下方式实现：将图案化胶粘剂施加到太阳能模块的金属相(指形导体)上，或施加可印刷绝缘油墨，即如当制造印刷电路板(PCB)时所通常使用的焊料掩模。还可沉积未图案化的连续第二绝缘层，并且使用随后图案化的传导材料印刷物以选择性蚀穿、渗透、熔化或溶解所选区域中的第二绝缘层。图案化传导层也可以充当掩模以防止下面的绝缘体的UV固化，因此允许导体渗透所选区域中的绝缘体。这些技术消除了对第二绝缘层进行图案化的需要，因此是潜在成本较低的方法。
沉积第二绝缘层的另一可行性为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导体垫流动以形成第二绝缘层。这具有消除对第二绝缘层进行图案化的需要的优势。在典型的实施方式中，将紫外(UV)光可固化焊料掩模丝网印刷在电池金属化物上方，以在金属指形物正上方的焊料掩模中形成孔。焊料掩模中的孔类似于棋盘状图案。焊料掩模通过曝露于UV光而固化，并然后备用于进一步加工。可以使用其它焊料掩模替代物，例如热固化焊料掩模或图案化胶粘膜。
进接孔和电通路接触
第二绝缘层中的进接孔界定了绝缘层中的通孔，以能够在其中预期在下面的端子或指形导体和模块互连之间有电接触的区域处形成跨越第二绝缘层的贯穿导电(electric through-going conductive)。因此，如此处所使用的术语“通路接触”是指电连接下面的指形导体和覆盖带的贯穿第二绝缘层的导电栅极。
可有利地通过用导电材料填充进接孔而形成通路接触。本发明可以应用任何已知或可想到的能够沉积到进接孔中并且获得与下面的指形导体的电接触的导电材料。合适材料的实例包括但不限于：传导膜、传导胶粘剂或焊料。传导膜是施加在带和电池金属化物之间的传导性胶粘膜。通常通过热和压力活化所述膜。可以将传导膜应用于带或电池，并且组装性地压在一起并且加热以形成组件。传导性胶粘剂通常含有悬浮于胶粘剂聚合物中的金属粒子。可通过针头点胶(needledispensing)、喷墨印刷、丝网印刷、镂空版印刷(stencil printing)或其它合适的印刷方法，将这种材料沉积在第二绝缘层中的进接孔中。通常，将胶粘剂热固化以在带和电池金属化物之间形成强传导性结合。可通过镂空版印刷或其它合适方法将焊膏沉积在进接孔中。焊膏可以为用于印刷电路板制造的常规类型或为低温型，并且可以含有熔剂和强化环氧树脂。焊膏可以在带贴附于炉中之前熔化或通过热鼓风机或其它***熔化以在进接孔中形成固体焊料垫，或焊膏可以在已经将带放入第二绝缘层中之后熔化。
使用焊膏的可选方案在于，通过波焊或将模块浸渍到焊料浴中而在进接孔上形成焊料垫。在这种情况下，第二绝缘层将用作焊料掩模，以使焊料将仅胶粘于由进接孔暴露的电池金属化区域。使用焊膏的另一可选方案为，在将带放在上部之前保持进接孔未填充，并然后熔化带上的焊料涂层，以将焊料压到通路孔中并且能够湿润电池金属化物和带表面两者。
可以将所述进接孔有利地图案化以使一个太阳能电池之一个或多个带可以获得与多个发射极指形导体的电接触而不接触同一电池上的基极指形导体，并且类似地，一个太阳能电池之一个或多个带可以接触多个基极指形导体而不接触同一电池上的发射极指形导体。可以有利地设计图案以使所述带可以横跨在太阳能模块的一行中的两个相邻电池并且接触一个电池上的发射极指形导体以及相邻电池的基极指形导体，从而能够实现电池的串联互连。
图4a、4b和4c中示意性示例了第二绝缘层的合适设计的一个实例。图4a和4b是与图1a和2a中相同，但在形成指形导体和第二绝缘层16之后的实施方式的侧视图。所述图示例了沿着分别由图4c中的虚线A-A和B-B表示的两个交会平面的太阳能模块的横截面。图4c是俯视的与图4a和4b中所示相同的实施方式。从图4a和4b见到，第二绝缘层16沉积于指形导体上并且除了第二绝缘层中的大量进接孔17或18以外，覆盖包含空隙13的所层压的多个太阳能电池的背侧面。用导电材料填充每一进接孔17或18以允许与下面的指形导体14电接触。通过比较图4c与图3b看出，虚线A-A和B-B相对于下面的指形导体14垂直定向，并且进接孔17、18被图案化以为每一太阳能电池1界定四行触点，并且使沿着由虚线A-A界定的行的进接孔17、18接触每一太阳能电池1的基极型指形导体14，或发射极型指形导体14。以附图标记17表示与基极型指形导体形成电通路触点的进接孔，并且以附图标记18表示与发射极型指形导体形成电通路触点的进接孔。
在应用以规则矩形布置于太阳能模块中的多个即M＝k·l个太阳能电池的一个示例性实施方式中，使用具有上述多个交错的发射极区和基极区与相应指形导体的半成品太阳能电池允许形成进接点，以使其为每一太阳能电池界定n列和m行的矩形图案，其中每一列是在太阳能电池的发射极或基极型指形导体之一上方的m个进接点的线性组，并且每一行为相对于指形导体垂直定向的带界定了n个进接点的线性组，并且其中对于太阳能模块的多个即M＝k·l个太阳能电池的每一行的每个奇数编号的太阳能电池，产生m·n个进接点的矩形图案，以使m行的组中的每一奇数编号行中的每一进接点都接触与太阳能电池的发射极型区域电接触的指形导体，并且使m行的组中的每一偶数编号行都接触与太阳能电池的基极型区域电接触的指形导体，并且对于太阳能模块的多个即M＝k·l个太阳能电池的每一行的每个偶数编号的太阳能电池，产生m·n个进接点的矩形图案，以使m行的组中的每一奇数编号行中的每一进接点都接触与太阳能电池的基极型区域电接触的指形导体，并且使m行的组中的每一偶数编号行都接触与太阳能电池的发射极型区域电接触的指形导体。然而，本发明可以应用任何已知或可想到的允许形成电连接、优选地串联电连接模块的太阳能电池的下面的发射极型和基极型指形导体的带的进接孔图案。
层压多个半成品太阳能电池
本发明应用至少已经在硅晶片背侧形成交错的多个交替矩形发射极区和基极区的半成品太阳能电池，并且其中将前侧加工至其中可以将半成品太阳能电池层压到模块前基底上的点。可以在层压之前对每一晶片分别进行在半成品太阳能的背侧的其余工艺步骤至电池互连的形成，或在层压到模块前基底上之后对模块中多个太阳能电池的所有电池同时进行在半成品太阳能的背侧的其余工艺步骤至电池互连的形成。即，可以在如本发明的第一方面的步骤iii)至vii)中限定的任何背侧工艺步骤，即从形成背侧表面钝化层的步骤直至但不包括形成电池互连的步骤之后进行层压。当然需要对层压的多个半成品太阳能电池实施剩余的完成半成品太阳能电池直至并包括在层压之后的第二绝缘层中形成通路导体的最终背侧工艺步骤。
将多个即M个半成品太阳能电池以矩形的类似镶嵌的k行和l列图案贴附于模块前基底。模块前基底可为能够用作太阳能电池的前侧保护罩的任何平坦的透明基底。将太阳能电池贴附于矩形的类似镶嵌的图案中的模块前基底的背侧，使其前侧面对模块前基底，并因此覆盖模块前基底的尽可能多的背侧表面积。可有利地通过使用透明胶粘剂而层压于模块前侧的背侧而实现将半成品太阳能电池贴附于模块前基底。本发明可以应用任何已知或可想到的将太阳能电池层压于模块前基底的方法和透明胶粘剂。适合的层压胶粘剂的一个实例为乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)，其可以以任何适当厚度，例如1mm或更小、100μm或更小或30-50μm施加于模块前基底的背侧。然后可以如下实现层压：将半成品太阳能电池以预期的镶嵌图案布置于层压板上，使其前侧面对模块前基底，并且施加热和压力以固化EVA并将半成品太阳能电池牢固地贴附于模块前基底。在将半成品太阳能电池加工成完全功能化的太阳能电池并且电互连之后，可以用类似工艺层压模块后基底(backsubstrate)。在将半成品太阳能电池加工成完全功能化的太阳能电池并且电互连之后，可以用类似工艺层压模块后基底。
如此处所使用的术语“矩形的类似镶嵌的图案”因此是指预期数目，即多个即M个方形、准方形、矩形或准矩形半导体晶片以界定k行和l列太阳能电池的规则图案排列，使其前侧面对着模块前基底。规则的矩形图案确保在同一列中的太阳能电池的发射极区和基极区将如图5中所示彼此上下恰好对齐，图5示例了四个矩形半导体晶片的示例性实施方式。如该图中所示，上晶片的基极区(由进接孔17表示)在由虚线C-C表示的下晶片的基极区7的正上方，并且上晶片的发射极区6(由进接孔18表示)在由虚线D-D表示的下晶片的发射极区6的正上方。将晶片放置成彼此相距相对短的距离，以使模块前基底的几乎整个表面区域都被太阳能电池覆盖。
带
在形成第二绝缘层和允许与下面的指形导体电接触的进接孔之后，通过形成互连或带而完成太阳能电池的实施。模块的带将电流导进和导出模块的单个电池，并且因此应使其获得与绝缘层中的特定通路接触的电接触以获得预期的互连。已知数种将太阳能模块中的太阳能电池的发射极区和基极区互连的方案。本发明不受任何具体的互连方案的束缚，但是可以应用任何已知或可想到的与上述矩形指形导体的交错图案相容的互连方案。因此，如此处所使用的术语“通路接触的预期选择”是指使得所述带与所需的通路接触进行接触以获得所应用的电池互连的实际方案。
由于背接触电池结构，因此所述带将不会光学遮蔽电池，从而允许使用较宽的带而不影响遮光损失。例如，6mm×50μm的带将具有与2mm×150μm的带相同的横截面和每单位长度的电阻损失。关于界定指形导体的第一金属相，使用中间绝缘层(第二绝缘层)允许形成对指形导体具有小的接触面积的带、相对多的允许短电流通路的触点，以及形成具有金属薄层的带以节省材料成本，并且具有相对大表面的带是为了最小化电阻损失。带的厚度可有利地在以下范围之一内：10至300μm、20至200μm、30至100μm、30至60μm或35至50μm。带的宽度可有利地在以下范围之一内：0.1至20mm、0.3至15mm、0.5至10mm、1至8mm或3至6mm。
所述带(ribbon)可为金属带、线、箔或其它类型的电导体。适合的带的实例包括但不限于涂有纯Sn或Sn焊料合金的实心铜芯的金属条(strip)或带(band)。另一实例为通过热浸涂或浸镀而施加的由印刷或分配的金属浆料制成的带。形成带连接的典型方法在于展开合适长度的带，其即可为来自线轴的涂有纯Sn或Sn焊料合金的实心铜芯的金属条或带，拉伸并将所述带切到一定尺寸，形成应变消除特征并然后将所述带以正确的定向放在第二绝缘层上方。然后将带压到填充进接孔的传导性胶粘剂或焊膏中。可通过用热压焊机(hot bar)或激光加热***直接加热所述带而将焊膏熔化或使胶粘剂固化。可选地，可以通过热空气、加热的气体或红外光加热所述组件以熔化焊料和/或固化胶粘剂。可以在加热阶段期间向带施加压力以确保将焊料或胶粘剂压到绝缘层中的进接孔中。如果不使用焊膏或胶粘剂，那么可以使用带上的焊料涂层以产生连接。在这种情况下，将带加热并压到绝缘层上以使熔化焊料压到第二绝缘层的进接孔中。本发明可以应用任何已知或可想到的形成带的方法，只要所述方法不涉及将太阳能模块加热至高于300℃的温度即可。
形成带连接的典型方法在于展开合适长度的带，其即可为来自线轴的涂有纯Sn或Sn焊料合金的实心铜芯的金属条或带，拉伸并将所述带切到一定尺寸，形成应变消除特征并然后将所述带以正确的定向放在第二绝缘层上方。然后将带压到进接孔中的传导性胶粘剂或焊膏中。可通过用热压焊机或激光加热***直接加热所述带而将焊膏熔化或使胶粘剂固化。可选地，可以通过热空气、加热的气体或红外光加热所述组件以熔化焊料和/或固化胶粘剂。可以在加热阶段期间向带施加压力以确保将焊料或胶粘剂压到绝缘层中的进接孔中。如果不使用焊膏或胶粘剂，那么可以使用带上的焊料涂层以产生连接。在这种情况下，将带加热并压到绝缘层上以使熔化焊料压到第二绝缘层的进接孔中。
可选地，可以通过将第二金属相沉积到被图案化以界定矩形带的第二绝缘层上而形成带，其中所述矩形带与下面的指形导体几乎垂直定向。可以用与上文关于形成指形导体的第一金属相所述相同的方法将第二金属层沉积并图案化到所述带中。
在本发明中可以应用任何已知或可想到的带。太阳能模块中有利的并且通常采用的布置在于，在串联电路中连接电池以使一个电池的发射极区在串联电路中连接到相邻电池的基极区。将串联的第一电池的基极区连接到模块的正输出，并且将串联的最后电池的发射极区连接到模块的负输出。当电池具有N型基极区时，这种极性反转。
如图4a)-c)和5中所示的进接孔17、18被特定图案化的示例性实施方式，允许通过将第二金属相简单地沉积到被图案化以界定矩形带的第二绝缘层上而形成太阳能模块的互连或带，其中所述矩形带与下面的指形导体几乎垂直定向。
所述带的一个示例性实施方式为如下的矩形带，其宽度如在上述范围内给出的，该矩形带相对于指形导体以约90度定向，并且与绝缘层中的孔对准，以使每个带都仅与每一电池上的发射极或基极指形导体区域电接触。图6中示例了这种原理，图6示出了与图5中所示相同的在形成具有规则矩形横截面的带之后的示例性实施方式。在第二绝缘层16之上形成带19，并且所述带19是与指形导体14的定向大约垂直定向(与图3b)相比)的金属层的矩形薄片/带。该图示出了进接孔17、18的位置以示例串联连接。实际上，带19将是不透明的以使进接孔17、18的位置将是不可见的。这个示例性实施方式能够实现简单的晶片基制造工艺，其中在层压之前对晶片实施所有晶片基工艺步骤，即本发明的第一方面的步骤A)中的步骤i)至vii)。这提供以下优势：如果有利，那么允许采用较高的温度，因为不需要保护透明胶粘剂免受热的影响，并且提供形成如下第二绝缘层的优势：其在模块中的多个太阳能电池的每个半成品太阳能电池的通路导体具有相同的图案化。然后可以如下实现对电池互连的所需的串联连接：将矩形类似镶嵌的多个的每一行中的每个第二半成品太阳能电池在垂直于其前侧的中心轴上简单地旋转180°，以达到图5中所示的通路导体的图案化。
然而，本发明不受图4a)-c)和5中所示的示例性实施方式的束缚。可以应用带和下面的第二绝缘层的任何已知或可想到的几何形状和图案化，只要其与进接孔17、18的图案化相容即可。例如，互连带可以具有如常规硅电池互连中所用的矩形等截面(图6中所示)，或带可以并有非等截面和应变消除特征。也就是说，沿着带长，带宽无需恒定，即所述带使用总体变平的菱形形状，以使带的最宽部分放在电流最大处，即在带中心，并且带的最窄部分处于电流最小的边缘。当带的横截面随着电流增大而增大以实现每单位长度的带有接近恒定的电阻损失时，这实现了对材料的优化利用。
因为太阳能模块暴露于正常运行中的温度循环，所以单个电池通常因模块的不同组分(玻璃、密封剂、硅等)中的热膨胀率不匹配而相互间有一些移动。热膨胀和热收缩在互连带上产生应力。为了防止这种应力导致模块破裂，可以用可由带在一个或多个弯曲处的小形变缓解应力的方式有利地弯曲或形成带。弯曲可以位于沿着带的一个或多个的位点处，但是通常在所述带跨越相邻电池之间的间隙的区域中形成。
当太阳能模块暴露于环境时，由于环境温度的变化和覆盖玻璃、密封剂、背板和电池的热膨胀率不匹配，因此太阳能模块中的电池通常彼此相对少量移动。在带中应用应变消除结构因此可能是有利的，设计所述应变消除结构以能够实现带的轴向膨胀和收缩，以使模块内电池的移动不会施应力于电池互连或带或使其断裂。带中的应变消除结构的一个示例性实施方式在带中呈Z弯形式，其从带的平面中形成。如在本发明中所使用较薄的带几何形状的优势在于，较易于通过冲压、激光切割或其它方法在薄带中形成平面内应变消除结构。一种可行的平面内应变消除结构是这样的：在不穿过带的连续金属结构中的一个或多个断裂的情况下不能从所述带的一端画直线到另一端。另一可行的平面内应变消除结构是这样的：在不穿过带的连续金属结构中的一个或多个断裂的情况下不能在所述带的每端的中点之间画直线。
封装
当形成电池互连时，最后的实施步骤是将太阳能电池封装在模块前基底和模块后基底中间。这可以有利地通过将背侧基底层压到第二金属层即带19上而实现。示出沿着线A-A的横截面的图7a)和示出沿着线B-B的横截面的图7b)中示意性给出了根据上文给出的示例性实施方式所得的太阳能模块结构的侧视图。层压胶粘剂可以与透明层压胶粘剂3相同，或任何其它已知或可想到的与太阳能模块相关的层压，和模块后基底21可以具有任何已知或可想到的与太阳能模块相关的材料。
附图说明
图1a)是在背侧上具有四个发射极区和四个基极区的交错图案的硅晶片的示例性实施方式的示意性侧视图。
图1b)是与图1a)中所示相同的实施方式，但为其背侧的俯视示意图。
图2a)是与图1a)和b)中所示相同的实施方式，在沉积无定形硅层和第一图案化绝缘层之后的示意性侧视图。
图2b)是与图2a)中所示相同的实施方式，但为其背侧的俯视示意图。
图3a)是与图2a)和b)中所示相同的实施方式，在沉积和图案化第一金属相以形成指形导体之后的示意性侧视图。
图3b)是与图3a)中所示相同的实施方式，但为其背侧的俯视示意图。
图4a)是与图3a)和b)中所示相同的实施方式，在沉积第二绝缘层并形成进接孔之后的示意性侧视图，其中所述进接孔形成穿过第二绝缘层的电导体。该图示出了沿图4c)中所示的线A-A所取的横截面。
图4b)是与图4a)类似，但此时沿图4c)中所示的线B-B所取的横截面。
图4c)是与图4a)和4b)中所示相同的实施方式，但为其背侧的俯视示意图。
图5是如图4c)中所示以类似镶嵌的矩形图案层压到模块前基底上的四个半成品太阳能电池的背侧示意性俯视图。
图6是如图5中所示的示例性实施方式在形成电池互连或带之后的示意图。
图7a)是与前图中所示相同的实施方式，但此时在通过层压模块后基底而封装太阳能电池之后的示意性侧视图。该图示出了沿图5中所示的线A-A所取的横截面。
图7b)是与图7a)类似，但此时沿图5中所示的线B-B所取的横截面。
图8a)-n)是呈现根据本发明的制造工艺的示例性实施方式的不同阶段的示意图。
图9a)是沿图8n)中的线A-A所取的横截面的示意性侧视图。
图9b)是沿图8n)中的线B-B所取的横截面的示意性侧视图。
图9c)是沿图8n)中的线C-C所取的横截面的示意性侧视图。
图9d)是沿图8n)中的线D-D所取的横截面的示意性侧视图。
所述图为了清楚起见而没有按比例绘制。太阳能模块的不同结构的尺寸的实际比率可以与图式中所示的比率有大幅偏离。
具体实施方式
将经由示例性实施方式更详细地解释本发明。不将这些实施例视为对本发明的限制，根据本发明的太阳能模块可以采用如上解释的太阳能电池的其它构造和数目。
第一示例性实施方式
第一示例性实施方式采用一组M个太阳能电池，其以k列l行的矩形图案布置，即模块中的太阳能电池数目n变成n＝k·l。该示例性实施方式是以k＝l＝2进行示例，但是可以具有任何偶数n个电池。
该模块的每一太阳能电池都由长和宽125mm的正方硅晶片制成，且将所述硅晶片层压到前模块前玻璃上，其相应侧边缘之间的间隙或相对距离为约0.2mm。通过外延生长三个单晶硅层至硅供体晶片的多孔脱模层上而制得每一晶片。第一外延沉积层是发射极层并且将其制为0.8μm厚并且掺杂至1·1019cm-3磷原子(N型掺杂)的浓度，第二外延沉积层是基极层并且将其制为40μm厚并且掺杂至3·1016cm-3硼原子(P型掺杂)的浓度，而第三外延沉积层是前表面场层并且将其制为1.5μm厚并且掺杂至5·1017cm-3硼原子(P型掺杂元素)的浓度。
通过快速热CVD(RapidThermal CVD)，采用四氯硅烷作为前体气体来实现外延生长，当沉积基极或前表面场层(其正在掺杂至P型)时，所述四氯硅烷与适量乙硼烷B2H6混合，或当沉积发射极层(其正在掺杂至N型)时，所述四氯硅烷与适量膦PH3混合。供体晶片是宽度和长度为126mm并且厚度为500μm的矩形单晶硅晶片。通过常规的电化学蚀刻技术，形成两层多孔结构而将供体晶片的沉积表面制成脱模层，其中最上层的厚度为0.7μm并且孔隙率为25％，而第二层的厚度为0.3μm并且孔隙率为45％。
通过应用蚀刻掩模和能够以本身已知的方式除去晶体硅的化学蚀刻剂，进行选择性化学蚀刻而形成交错的多个发射极区和基极区。
外延生长的三层硅晶片的自由表面，即前表面场的前表面，是通过等离子体蚀刻，例如用SF6和O2作为等离子体气体，进行反应性离子蚀刻而钝化的表面。然后，通过化学气相沉积，采用SiH4和NH3作为前体气体在425℃下沉积表面钝化膜，即α-SiNx:H连续层。任选地，也可以在表面钝化层上沉积抗反射涂层。在将外延生长的晶片贴附于其供体晶片的同时实施这些操作，并且加工产生半成品太阳能电池，通过使用临时卡盘(chuck)施加机械剪应力而将所述半成品太阳能电池从其供体晶片脱模。
下一步是通过在真空中将模块加热至175℃持续约30分钟以将EVA脱气并然后将模块浸在氢氟酸溶液(2.5％浓度)中60秒直到表面显现疏水性为止，接着在去离子水中冲洗、干燥并然后将模块装载到无定形硅沉积室中以立即沉积α-Si:H，而在模块的整个背侧上化学气相沉积20nm厚的连续α-Si:H层。
通过沉积5μm厚的聚酰亚胺层，并然后在180-200℃下固化，而制得第一绝缘层。线性接触区域的宽度是50μm，从而产生约150的接触区域/指形导体区域的纵横比。然后，通过在O2/N2O中进行等离子体灰化和氟化氢蚀刻，来清洁无定形硅层的暴露区域，即接触进接区域。
如下制造预期作为指形导体的金属层：在多室工具中DC磁控管溅射300nm厚的Al层作为半导体接触层，接着溅射50nm Ni0.8Cr0.2，并接着使用平面靶材和以作为溅射气体的Ar而溅射50nm Cu。通过激光烧蚀实现金属层的图案化，从而在金属层中形成线性槽。然后通过温和热处理至约225℃的温度以使处于接触进接区域中，即在硅晶片和指形导体的Al金属中间的无定形硅层的部分结晶，而实现与发射极区和基极区的电接触。
通过丝网印刷覆盖太阳能模块的整个背侧的5μm厚的紫外(UV)光可固化焊料掩模，来制造第二绝缘层。调整丝网印刷以直接形成进接孔17、18，所述进接孔具有矩形横截面，长和宽为2μm，并且以上文所述和图7a下部所示的图案形成。此处为了清楚起见，分别示出了具有进接孔17、18的孔的焊料掩模。
通过镂空版印刷焊膏、接着热固化，形成进接孔17、18。可选地，可以通过针头点胶传导性胶粘剂，即含有悬浮金属粒子的胶粘剂聚合物，接着在沉积带以牢固地贴附所述带之后热固化，形成进接孔。
可以在任一上述工艺步骤之后，一将晶片前侧加工成包括表面织纹、表面钝化物和任选地抗反射涂层，就将半成品太阳能电池层压到模块前玻璃上。然后必要地将在晶片背侧的最终的其余工艺步骤用于所层压的多个太阳能电池上。如下实现层压：将四个半成品太阳能电池以上述2×2图案以其背面向下沉积到层压板上，并然后面对半成品太阳能电池挤压具有厚150-300μm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℃直到EVA固化为止。然后将包含层压的半成品太阳能电池的前模块玻璃与层压板分离，并且通过在氢氧化钾水溶液中进行化学蚀刻而从所有半成品太阳能电池除去多孔脱模层的残留物。
第一示例性实施方式具有如图6中所示例的带的几何形状，图6上部示出了在太阳能模块的一行中两个任意选择的太阳能电池1，编号n和n+1。为了清楚起见，图上未示出这行(和其它行)中的其它太阳能电池1，并且省去了与太阳能模块有关的所有细节。然而，所述图确实通过用虚线绘制的矩形示出了太阳能电池下面的指形导体14，并且以深色方块示出进接孔17、18。
这个示例性实施方式的带20、21都是具有等截面的矩形并且被制成横跨行中两个横向相邻电池，例外的是与每一行中首个或末个太阳能电池的发射极区或基极区的接触的带。这些带仅跨越一个电池。所述图通过示出标记有附图标记21的带的全长而示例横跨两个电池，但是仅将太阳能电池n的其它带20的两电池跨越示为截断并向着电池n-1(未图示)延伸，并且类似地，太阳能电池n+1的带20向着太阳能电池n+1右边延伸。然而，如果太阳能电池n+1不是所述行的末个太阳能电池，那么在电池n+1的右边将有太阳能电池n+2(未图示)，其中带20将横跨并连接到其中将其连接到上个电池所在的指形导体的相对极性的指形导体。
每个带20、21都是由50μm厚、250mm长且6mm宽的涂有纯Sn的实心铜芯金属条制成。对于太阳能模块的每一行的首个和末个太阳能电池，每个第二带(20或21)将长125mm。在两个相邻太阳能电池之间的区域中，带20、21可以有利地具有应变消除部分22以吸收由在正常运行期间温度循环引起的太阳能模块中的热膨胀所造成的移动。这个实施方式实施例的应变消除部分22是Z形弯曲(未图示)。
第二示例性实施方式
第二示例性实施方式是第一示例性实施方式的变体，其包括以下步骤：
1.织构化前侧，接着扩散掺杂剂并且形成晶片前侧的防反射涂层。将前表面任选地扩散或植入以形成前表面场或浮动结。前扩散和后扩散可以具有相同类型以实现在电池前部的浮动结，或具有不同类型以在电池后侧形成p-n结并且在电池前部形成前表面场。图8a)中示出所得结构。
2.通过以下任一操作选择性除去后表面发射极的区域：
2.1a)用抗蚀剂(例如酚醛清漆树脂)或任选地丝网印刷图案化树脂涂布晶片背侧并且省去喷墨(图8b)。
b)使用碱性溶液(喷墨印刷)、任选地丝网印刷碱性溶液进行抗蚀剂图案化，以将抗蚀剂图案化(图8c)。
c)蚀刻暴露的硅区域以除去发射极(图8d)。
d)除去抗蚀剂(图8e)。
或
2.2丝网印刷或镂空版印刷硅蚀刻膏。
或
2.3通过激光烧蚀选择性除去发射极区。
3.沉积1-20nm的无定形硅，以及任选的SiO2或SiNx覆盖层，以形成接触/钝化层(图8f)。
4.丝网印刷图案化的第一绝缘材料(聚酰亚胺)(图8g)。
5.对聚酰亚胺低温烘烤，<300℃。
6.任选地在O2/N2O中等离子体灰化以清洁接触面，或任选地HF蚀刻以除去自然氧化物或SiO2/SiNx覆盖层。
7.沉积厚度<20μm的金属堆叠Al/NiCr/Cu(图8h)。也可以使用类似的金属化物，例如AlSi/NiV/SnCu，其中含Al合金与硅接触。可以将金属沉积为连续膜并随后通过激光烧蚀、机械划片或其它手段进行图案化。可选地，可将牺牲性剥离材料例如蜡或聚合物沉积到电池背面，随后进行金属沉积以实现覆盖剥离材料的金属的选择性除去。可选地，可以在沉积之前将机械掩模放在电池上以允许将金属图案化沉积到电池背面。
8.通过激光烧蚀进行金属图案化(图8i)。
9.在<250℃下接触退火以活化对发射极区和基极区的低电阻Al-Si接触。
10.丝网印刷/镂空版印刷图案化焊料遮罩绝缘体(图8j)。
11.镂空版印刷焊膏(图8k)。
12.将互连带放在模块上(图8l或8n)。
13.用热气喷枪、激光或炉子以熔化焊料。
14.焊接交叉连接器、层压背板(图8m)，可选性视图在(图9a至9d)中，以指示线A-A至D-D，参见(图8n)。
15.接线箱和装框。
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Claims (15)
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℃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1-50nm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硅层上。
5.一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1-10μm，其线性接触区域的宽度在范围50-200μm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N型区的中心上方，然后在180-200℃下固化。
6.一种根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中通过在O2/N2O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20μm、200nm至10μm、300nm至5μm、300nm至2μm、350nm至1μm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：Al/NiCr/Cu、Al/NiCr/SnCu或AlSi/NiV/SnCu，其中将所述Al或含Al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Al层作为半导体接触层，然后溅射连续Ni0.8Cr0.2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：10至300μm、20至200μm、30至100μm、30至60μm或35至50μm，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6mm，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m·n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·l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·n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·n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。
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