CN102222710A - 太阳能电池封装结构与制程 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能电池封装结构与制程，其包含二导电片与配置于一光伏电池上的二表面电极，并且藉由热压合每一导电片与表面电极上的多个锡球，以使导电片与表面电极间产生电性耦合。

Description

太阳能电池封装结构与制程

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池封装结构与制程。

背景技术

使用太阳能电池来获得能源，相较于其他的能源，例如石化能源、核能、水利等，是目前认为较环保的方式。尤其是在原油的价格持续飙高的时候，更显得太阳能发电的的许多优点。再者，原油总有用尽的一天，而太阳能发电，相对于原油而言是取之不尽，用之不竭的能源。因此目前各国政府，研究单位与许多的私人企业都将许多的研究资源投入在太阳能产业上。

太阳能电池一般而言是指光子射到半导体p-n二极体后，p-n二极体的二端电极，产生可输出功率的电压伏特值，其过程包括光子射到半导体内产生电子-电洞对，电子和电洞因半导体p-n接面形成的内建电场作用而分离，电子和电洞往相反的方向各自传输至二端电极来输出。所以太阳能电池一般是跟p-n二极体有关的。若以硅晶体为例，n-型硅是指加入V族的元素(如磷)做为施体(donor)，提供导带电子。p-型硅则是指加入III族的元素(如硼)做为受体(donor)，提供价带电洞。如此半导体便可以有四种带电荷的粒子：带负电荷的电子，带正电荷的电洞，带负电荷的受体离子，和带正电荷的施体。前二者是可动的，而后二者是不可动的。尚未接触前，n-型或是p-型半导体都是维持各自的电中性(charge neutrality)，也就是说，n-型半导体中，施体离子所带正电荷，约等于电子(n-型的多数载子)所带负电荷。p-型半导体中，受体离子所带负电荷，约等于电洞(p-型的多数载子)所带正电荷。n-型和p-型半导体接触，形成p-n接面(junction)。在接面附近，电子会从浓度高的n-型区扩散至浓度低的p-型区，而相对地，电洞会从浓度高的p-型区扩散至浓度低的n-型区。如此一来，在接面附近的区域，其电中性便会被打破。n-型区在接面附近会有施体正离子裸露而产生正电荷区，而p-型区在接面附近会有受体负离子裸露而产生负电荷区。n-型区正电荷区和p-型区负电荷区就总称为空间电荷区(space charge region)。因为施体正离子和受体负离子都是固定于晶格中，因此n-型区正电荷区和p-型区负电荷区就会形成一个内建(built-in)电场，这空间电荷区的内建电场其方向是从n-型区指向p-型区。如果入射光子在空间电荷区被吸收产生电子-电洞对，电子会因为内建电场的影响而向n-型区漂移(drift)，而相对地，电洞会因为内建电场的影响而向p-型区漂移。也就是说，入射光子在空间电荷区被吸收产生电子和电洞，因为内建电场的影响而产生从n-型区向p-型区的漂移电流，就是所谓的光电流(photocurrent)。太阳能电池中的光电流，其流向是从n-型区向p-型区，这对p-n二极体而言，这刚好是反向偏压(reverse bias)的电流方向。

太阳能电池中，p-n接面区的空间电荷区的内建电场的功用就是使入射光子被吸收产生电子-电洞对在复合(recombination)前被分开，而产生光电流。光电流再经由p-n二极体的金属接触(metal contact)传输至负载，这也就是太阳能电池(photovoltaic cell或PV cell)的基本工作原理。

发明内容

鉴于上述的发明背景中，为了符合产业利益的需求，本发明的目的在于提供一种太阳能电池封装结构与制程，其主要的特征在于藉由热压合多个锡球以取代传统焊接，从而避免传统焊接的缺陷，进一步提高产量和良率，更能简化制程。

为实现上述目的，本发明揭露了一种太阳能电池封装结构，包含：

二表面电极，配置于一光伏电池上；以及

二导电片，分别藉由多个锡球电性耦合于该表面电极。

其中，上述的二表面电极分别位于该光伏电池的窗口层的二侧，并且每一导电片的一端分别电性耦合于该表面电极之一，另一端向该窗口层的外侧延伸，以裸露该窗口层。

其中，更包含一基板，并且该光伏电池配置于该基板上，其中该光伏电池的窗口层与该基板分别位于该光伏电池的上下面，并且每一导电片的另一端电性耦合于该基板。

其中，上述的锡球与表面电极之间更包含一阻障层，以避免锡球渗透至表面电极，其中该表面电极包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯，并且该导电片包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯。

其中，其特征在于，上述的锡球的直径为100-150μm，并且锡球的间距约为200μm。

还公开了一种太阳能电池封装制程，其特征在于包含下列步骤：

配置多个锡球于一光伏电池的二表面电极上，其中该光伏电池配置于一基板上；以及

热压合至少一导电片与该表面电极。

其中，更包含下列步骤：

切除遮蔽该光伏电池的窗口层的导电片。

其中，更包含下列步骤：

当热压合该导电片与该表面电极之后、或同时，或当切除遮蔽该窗口层的导电片之后、或同时，将导电片的二端分别连接至该基板，其中该窗口层与该基板分别位于该光伏电池的上下面。

其中，更包含下列步骤：

配置该些锡球于该表面电极上之前，于每一表面电极上分别形成一阻障层。

其中，上述的锡球藉由球格式封装方式配置，其中该些锡球的直径为100-150μm，并且该些锡球的间距约为200μm。

其中，上述的表面电极包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯，并且该导电片包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯。

通过上述结构，本发明的太阳能电池封装结构与制程提出以锡接合表面电极与导电片，从而取代传统焊接方式，由于锡的熔点较低，不易破坏半导体结构；且采用锡球阵列以接合表面电极与导电片，以避免产生应力而破坏结构；而且，球格式封装方式配置锡球阵列，从而不需精确对位即可达到电性耦合的效果，可明显提高效率；由于锡球数目众多且排列密集，即使某些锡球并未接触导电片或是锡球间彼此接触相连，皆不会降低电流汇出的导电率；因此，本发明提出的手段可提高产量、良率，更可简化制程，节省制造成本。

附图说明

图1A和图1B为本发明提出的太阳能电池封装的结构示意图；以及

图2为本发明提出的太阳能电池封装制程的流程示意图。

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种太阳能电池封装结构与制程。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成。显然地，本发明的施行并未限定于太阳能电池封装结构与制程的技艺者所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以之后的专利范围为准。

太阳能电池须要表面电极(bus bar)来连接外界的电路。一般而言，不照光和照光的表面，都有二条平行条状表面电极来提供外界连线的焊接处。不照光的表面通常会全部涂上一层所谓的back surface field(BSF)金属层，而照光的表面，会从条状表面电极，伸展出一列很细的金属栅线(grid lines)。BSF金属层可以增加载子的收集，还可回收没有被吸收的光子。金属栅线的设计，除了要能有效地收集载子，而且要尽量减少金属线遮蔽入射光的比例，因照光面的金属线通常会遮蔽3～5％的入射光。

表面电极一般使用镍(Ni)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、钯(Pd)等金属搭配制成，为了防止遮住入射的太阳光，在形状排列的设计上就相当重要，该电极必须要够厚，以利传导电流，但是又要面积小，以防止遮荫。因此从条状表面电极，伸展出一列金属栅线。金属栅线如同树木的分枝散布到电池表面各处以增加接收电流的面积，而其细小的枝节又可防止大部份电池面积被遮住。表面电极如同树木的主干，将各处金属栅线传导来的电流汇出至外部负载，设计的较粗，使得电阻较小。

传统上，表面电极藉由多条I/O导线(bridge)以将电流汇出至外部负载。然而，每一条导线皆需以焊接方式连接于表面电极上，而导线通常为高熔点的金属材质，例如银，因此，焊接时的高温往往会破坏太阳能电池的结构，并且此种手工打线制程必须以人工亲自对位、裁切导线，效率明显受限。再者，如有任一导线并未焊接确实，该条导线将无法汇出电流，因此，传统焊接制程犹如″手工产业″，良率难以提升，更无法量产。

有鉴于此，本发明提出以锡接合表面电极与导电片，藉以取代传统焊接方式，其优势在于，锡的熔点较低，于接合金属时，不易破坏半导体结构。然而，若将锡整层完整地覆盖于表面电极的表面上反而会增加应力问题。故，本发明藉由锡球阵列以接合表面电极与导电片，藉此避免产生应力而破坏结构。再者，藉由球格式封装(Ball Grid Array，BGA)方式配置锡球阵列，从而不需精确对位即可达到电性耦合的效果，可明显提高效率。由于锡球数目众多且排列密集，即使某些锡球并未接触导电片或是锡球间彼此接触相连，皆不会降低电流汇出的导电率。因此，本发明提出的手段可提高产量、良率，更可简化制程，节省制造成本。

接下来，请参阅图式详细解释本发明的内容，技术特征，与各种的实施方式。

请参考图1A所示，本发明提出一种太阳能电池封装结构100，其包含一光伏电池110、二表面电极120、122与二导电片130、132。上述的表面电极120、122配置于光伏电池110上，并且分别位于光伏电池窗口层(window layer)112的二侧。

导电片130的一端藉由多个锡球140电性耦合于表面电极120，而另一端则朝向窗口层112的外侧延伸，以避免遮荫。同理，导电片132的一端亦藉由多个锡球140电性耦合于表面电极122，另一端亦朝向窗口层112的外侧延伸，以裸露出窗口层112。上述的窗口层112包含多条金属栅线114，以有效地收集电荷载子。又因为窗口层112即为太阳能电池接受光线的区域，故需尽量减少金属栅线遮蔽入射光的比例。

为了避免锡球140渗透至表面电极120、122，表面电极120、122与锡球140之间更可包含一阻障层(barrier layer)150，藉由此一阻障层150的保护，表面电极120、122可避免受到锡球140的污染。

请参考图1B所示，太阳能电池封装结构100更可包含一基板160，并且将上述的光伏电池110配置于基板160上。光伏电池110的窗口层112与基板160分别位于光伏电池110的上下面，并且导电片130、132未与表面电极120、122接合的一端电性耦合于基板160。

本发明更提出一种太阳能电池封装制程，其主要包含下列步骤：首先，步骤210，配置多个锡球140于一光伏电池110的二表面电极120、122上，其中光伏电池110配置于一基板160上。随后，步骤220，热压合一导电片134与表面电极120、122。最后，步骤230，切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片，以形成导电片130、132。

为了保护表面电极120、122不受锡球140污染，于步骤210之前更可包含步骤202，形成一阻障层150于表面电极120、122上。因此，本发明提出的太阳能电池封装制程亦可包含下列步骤：首先，步骤202，形成阻障层150于表面电极120、122上。之后，步骤210，配置多个锡球140于表面电极120、122上，其中阻障层150位于锡球140与表面电极120、122之间。随后，步骤220，热压合导电片134与表面电极120、122。最后，步骤230，切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片，以形成导电片130、132。

再者，太阳能电池封装制程更可包含将导电片的二端分别连接至基板160。然而，此一步骤可与步骤220同时执行，亦可在步骤220之后执行。或者，此一步骤亦可与步骤230同时执行，或是在步骤230之后执行。据此，上述的太阳能电池封装制程可分别如下所述。

制程一：首先，步骤202，形成阻障层150于表面电极120、122上。之后，步骤210，配置多个锡球140于表面电极120、122上。随后，步骤220，热压合导电片134与表面电极120、122，并同时将导电片的二端分别连接至基板160。最后，步骤230，切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片，以形成导电片130、132。

制程二：首先，步骤202，形成阻障层150于表面电极120、122上。之后，步骤210，配置多个锡球140于表面电极120、122上。随后，步骤220，热压合导电片134与表面电极120、122，然后再将导电片的二端分别连接至基板160。最后，步骤230，切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片，以形成导电片130、132。

制程三：首先，步骤202，形成阻障层150于表面电极120、122上。之后，步骤210，配置多个锡球140于表面电极120、122上。随后，步骤220，热压合导电片134与表面电极120、122。最后，步骤230，切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片，以形成导电片130、132，并同时将导电片的二端分别连接至基板160。

制程四：请参阅图2，其为本发明的一较佳实施范例的流程示意图。首先，如步骤202所示，形成阻障层150于表面电极120、122上，其中表面电极120、122配置于光伏电池110上，并且分别位于光伏电池窗口层112的二侧。之后，如步骤210所示，配置多个锡球140于表面电极120、122上。随后，如步骤220所示，热压合导电片134与表面电极120、122。然后，如步骤230所示，切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片，以形成导电片130、132，其中上述的窗口层112包含多条金属栅线114，以有效地收集电荷载子。最后，如步骤240所示，将导电片130、132未与表面电极120、122接合的一端分别连接至基板160。

再者，除了藉由切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片以裸露出窗口层112的方法外，更可直接将二导电片130、132分别热压合于二表面电极120、122上。因此，上述的太阳能电池封装制程即包含下列步骤：首先，形成阻障层150于表面电极120、122上。之后，配置多个锡球140于表面电极120、122上。随后，热压合至少一导电片与表面电极，亦即可同时或先后地热压合导电片130、132与表面电极120、122，更可如前述的制程，先热压合一导电片134与表面电极120、122后，再切除遮蔽光伏电池窗口层112的导电片。最后，再将导电片130、132未与表面电极120、122接合的一端分别连接至基板160。

上述的锡球140可藉由球格式封装(Ball Grid Array，BGA)方式配置，其中锡球140的直径可为100-150μm，并且锡球140的间距约为200μm。最理想的状态，使得每一个锡球彼此保持间隔不互相接触，以避免锡球相连导致电阻增加。然而，本发明优势之一即在于，由于锡球数量众多且体积小，因此即使某些锡球彼此接触相连，亦不会明显提升电阻，故可维持电流汇出率。再者，理想中，每一个锡球的直径皆可相同，以避免热压合过程中直径较小的锡球无法接触到导电片而降低导电率。而本发明的另一优势为藉由为数众多的锡球与导电片电性耦合，以避免少数锡球因为未接触至导电片而降低电流汇出率。另外，上述的表面电极120、122可包含下列群组之一或其组合：镍(Ni)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、钯(Pd)，并且导电片130、132亦可包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯。

本发明，可以是上述的各种图示与各种实施例可能的搭配与组合，任何的搭配与组合应当视为本发明的各种实施例。在此不复赘言一一介绍各种的组合。

显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述申请专利范围内。

Claims (11)

1.一种太阳能电池封装结构，其特征在于，包含：

二表面电极，配置于一光伏电池上；以及

二导电片，分别藉由多个锡球电性耦合于该表面电极。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池封装结构，其特征在于，上述的二表面电极分别位于该光伏电池的窗口层的二侧，并且每一导电片的一端分别电性耦合于该表面电极之一，另一端向该窗口层的外侧延伸，以裸露该窗口层。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池封装结构，其特征在于，更包含一基板，并且该光伏电池配置于该基板上，其中该光伏电池的窗口层与该基板分别位于该光伏电池的上下面，并且每一导电片的另一端电性耦合于该基板。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池封装结构，其特征在于，上述的锡球与表面电极之间更包含一阻障层，以避免锡球渗透至表面电极，其中该表面电极包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯，并且该导电片包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池封装结构，其特征在于，上述的锡球的直径为100-150μm，并且锡球的间距约为200μm。

6.一种太阳能电池封装制程，其特征在于，包含下列步骤：

配置多个锡球于一光伏电池的二表面电极上，其中该光伏电池配置于一基板上；以及

热压合至少一导电片与该表面电极。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池封装制程，其特征在于，更包含下列步骤：

切除遮蔽该光伏电池的窗口层的导电片。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池封装制程，其特征在于，更包含下列步骤：

当热压合该导电片与该表面电极之后、或同时，或当切除遮蔽该窗口层的导电片之后、或同时，将导电片的二端分别连接至该基板，其中该窗口层与该基板分别位于该光伏电池的上下面。

9.根据权利要求6所述的太阳能电池封装制程，其特征在于，更包含下列步骤：

配置该些锡球于该表面电极上之前，于每一表面电极上分别形成一阻障层。

10.根据权利要求6所述的太阳能电池封装制程，其特征在于，上述的锡球藉由球格式封装方式配置，其中该些锡球的直径为100-150μm，并且该些锡球的间距约为200μm。

11.根据权利要求6所述的太阳能电池封装制程，其特征在于，上述的表面电极包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯，并且该导电片包含下列群组之一或其组合：镍、银、铝、铜、钯。

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