CN102769067A - 背面接触硅太阳能电池方法及含背面接触的硅太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于背面接触硅太阳能电池的方法以及含此背面接触的硅太阳能电池。该方法包括：当背面接触硅太阳能电池时，铝被沉积在预处理硅太阳能电池本体的背面表面上，其中无铝区域保持在所述背面表面上。接着，适于焊接的无银层被沉积在所述硅太阳能电池本体的所述背面表面上，所述无银层以非接触方式提供给铝，所述适于焊接的所述无银层至少覆盖所述背面表面上的所述无铝区域。

Description

背面接触硅太阳能电池方法及含背面接触的硅太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，特别涉及一种背面接触硅太阳能电池的方法以及包括这种背面接触的硅太阳能电池。

背景技术

典型地，硅被用作太阳能电池的基本材料。硅太阳能电池的制造中，开始点是结晶硅芯片，其中p-n结是利用掺杂而形成。为了配置p-n结，因此过程通常是使用p-掺杂硅基材、并形成n-掺杂发射层。然后p-n结的两端典型地经由硅芯片的前面与背面而接触。

在背面接触的框架中，为了防止重组损失，所称的“后表面场”被配置在硅芯片背面上。为了这个目的，铝层典型地被沉积在硅芯片背面上，覆盖整个表面，然后铝层经过烧结过程，以将边缘表面处的铝层与硅芯片表面地融合，以及将铝混合至硅芯片成为合金。在太阳能电池操作期间，所得到的高度p-掺杂硅表面层用作后表面场，所述后表面场驱动利用扩散回硅芯片而达到背面的少数电流载体，因而避免重组损失。

为了节省成本，将铝导入硅芯片优选地以丝网印刷方法执行，其中铝糊被沉积在硅芯片背面，且在干燥后在700至900℃固化到硅芯片中，以配置后表面场。

然而，在硅芯片背面上丝网印刷烧结的铝层的问题是，只有非常有限程度的适于焊接接触的连接器可连接太阳能电池，尤其是焊接线。为了达成太阳能电池技术上可使用的性能，通常串联连接多个太阳能电池以形成太阳能模块。在太阳能电池的串联连接中，太阳能电池的前面接触利用接触连接器（例如：典型地焊接线）被焊接至下一个太阳能电池的背面接触，以形成所谓的电池串。

然而，这种丝网印刷烧结铝层及接触连接器之间的焊接连接是极度不稳定的，主要是由于铝层结合失败的可能性高。为了接触硅芯片背面，通常在硅芯片背面提供无铝接触区。包含数毫米宽的这些接触区被提供接触连接器可焊接到的含银丝网印刷金属化层。在本文中，银丝网印刷通常在铝丝网印刷之前进行，而两个丝网印刷表面轻微地重迭。

然而，由于银是相对昂贵的资源，希望这种额外的银接触变为多余的。作为银制背面连接的替代方式，专利EP 2003699A2建议沉积丝网印刷铝层在硅芯片背面的整个表面上，然后固化，以形成边缘表面处的后表面场。随后，适于焊接的另一层材料，较佳是钛，被沉积在整个表面上、或丝网印刷烧结铝层的部份区域中。这个第二层以逐点方式，通过发声机械辐射（acoustic-mechanical irradiation）、表面融合（superficial fusing）或热喷涂与下方的铝层形成合金，造成接触连接器（特别是焊接线）可被焊接到的传导接触区。然而，超声波负载以及表面融合、或是热喷涂分别地给予将被合金的焊接粒子高动能，这可能造成对硅芯片表面的损害，因此造成太阳能电池电性能的退化。为了将适合焊接的材料与丝网印刷烧结铝层形成合金，只有非常小的方法自由度可用，其将被确实地观察以防止负面影响太阳能电池参数的危险。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于背面接触硅太阳能电池的便宜且容易可行的方法，以及具有结构简单与容易执行的背面接触的硅太阳能电池。

此目的是由根据权利要求1的方法、根据权利要求9或16的硅太阳能电池、以及根据权利要求19的硅太阳能电池模块解决。较佳实施例在从属权利要求中指出。

根据本发明，背面接触硅太阳能电池的方法涉及将铝沉积在预处理硅太阳能电池本体的背面表面上，在背面表面上存在无铝区域。接着，适于焊接的无银层被沉积在硅太阳能电池本体的背面表面上，所述硅太阳能电池本体的背面表面以非接触方式提供给铝，适于焊接的无银层至少覆盖背面表面上的无铝区域。

在根据本发明硅太阳能电池的例子中，至少用于形成电接触的第一接触区域被配置在硅基板上，第一接触区域包括适于在丝网印刷铝层中进行焊接的无银层，以及用于形成机械接触的第二接触区域，第二接触区域包括适于在硅基板的无铝区域中进行焊接的无银层。在本文中第一接触区域的面积优选地比第二接触区域的面积大十倍。

通过使多余的银作为背面接触材料，可降低太阳能电池的制造成本。再者，适于以非接触方式（优选地以溅射、化学气相沉积、热喷涂、电浆喷涂或电流沉积）在铝丝网印刷层中进行焊接的无银材料的沉积防止芯片表面的损害及对太阳能电池参数的任何冲击。当沉积适于以非接触方式焊接的无银材料时，与丝网印刷方法相反，表面上没有机械压力，因此降低了芯片断裂的危险。此外，在非接触沉积期间，只给予将被沉积的粒子少量动能，因而防止对于太阳能电池表面的损害。

根据优选实施例，介电层被沉积在铝下方的预处理硅太阳能电池本体的背面上，所述介电层由氮化硅、氧化硅、碳化硅、非晶硅或氧化铝或这些化合物之一或其组合组成。通过这种额外的介电层，可能在硅芯片的边缘区域处形成改良的后表面场（back-surface field），也因此抑制可能的少数载体重组损失。为了背面接触硅太阳能电池本体，优选地，铝从以丝网印刷方式沉积的铝层被驱动进入介电层，并通过介电层进入位于下方的硅基板，留下铝层中的无铝区域。例如通过加热硅太阳能电池本体、或仅以逐点方式，例如通过激光加热，铝层可因此扩散进入硅基板遍及整个表面。

在本文中，硅太阳能电池优选地以这样的方式配置，即，使形成为丝网印刷铝层中的场（fields）的无铝区域具有10至100μm的厚度，适于焊接的无银覆盖层具有10至100nm的厚度。以这种背面接触的配置方式，可以降低硅太阳能电池本体背面上无铝场（aluminium-free fields）的大小，且与传统硅接触相比较，可实现放大的铝层、以及放大的后表面场，其造成太阳能电池的改进钝态。与丝网印刷铝层相比，相对薄的适于焊接的无银层提供了适于焊接的层与丝网印刷铝层之间瞬时区域中的接触连接器平滑地支撑在丝网印刷铝层上，从而提供良好的电接触。

根据优选实施例，在以适于焊接的无银材料填充的硅太阳能电池本体的背面上的无铝区域是以线状的方式配置，具有少于1mm的宽度，优选的是少于0.5mm的宽度。此宽度足以利用接触连接器形成坚硬的机械连接，以此方式硅太阳能电池在本文的硅模块中串联连接。此外，电连接可经由丝网印刷烧结铝层而实施。接触连接器至太阳能电池背面的机械连接可因此从电连接去耦合，从而使接触垫的尺寸减少。

以适于焊接的无银材料覆盖的无铝区域优选地在硅太阳能电池本体的背面表面上以行进行设置，使得接触连接器可延伸超过此数组的行，并被焊接至此，因此达到接触连接器的良好机械固定。

镍、钒、镍钒、铜、钛及锌优选地作为适于焊接的无银材料，提供与接触连接器的良好连接，特别是与铜线的良好连接。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1-8所示为制造具有背面接触的硅太阳能电池的第一方法的各步骤的硅太阳能电池本体的剖面示意图；

图9所示为由图1-8所示的第一方法制造的包含背面连接的硅太阳能电池的后视图；

图10所示包括两个串联连接的硅太阳能电池的太阳能模块的剖面图；

图11-13所示为制造具有背面接触的硅太阳能电池的第二方法的各步骤的硅太阳能电池本体的剖面示意图；

图14-17所示为制造具有背面接触的硅太阳能电池的第三方法的各步骤的硅太阳能电池本体的剖面示意图。

具体实施方式

在下文中，结合示意图1-8来解释用于制造具有背面接触的硅太阳能电池的方法的便宜而简单方式的可能配置，所述背面接触包括后表面场。图9显示具有用于背面接触的接触场（contact fields）的可能配置的硅太阳能电池的后视图。图10显示具有两个串联连接的太阳能电池的太阳能模块的剖面图。图11-13及图14-17分别显示用于制造硅太阳能电池的方法的另两种可能配置，所述硅太阳能电池具有包含后表面场的便宜且可简单配置的背面接触。所有图式仅为示意性描绘且未依比例绘制。

在根据本发明的硅太阳能电池上配置背面接触的方法中，使用半导体领域及太阳能技术的已知方法。此外，使用半导体及太阳能技术领域常用的材料。另外，应注意所描述的太阳能电池或者太阳能模块可分别包含所示出的那些以外的另外的结构及结构组件。以相同方式，所叙述的那些方法步骤外的另外的方法步骤可在制造期间实施，以分别地完成太阳能电池或者太阳能模块的制造。

制造太阳能电池的起始点是硅芯片10。为了制造硅芯片，高度纯化的硅被融化并被固化。依据结晶化方法，产生具有一个结晶方向的单晶硅或者具有不同结晶方向的多晶硅。硅包括基本掺杂，特别是诸如硼的p-型基本掺杂，基本掺杂在融化及固化过程中被引入。单晶硅或者多晶硅为块状或者为棒状，优选地以线切割（wire-sawing）方法被切成方盘，也被称为芯片。所述芯片典型地具有100至210mm的边缘长度及100至300μm的厚度。

图1所示为表面具有切割损害的切割硅芯片10的剖面图。为了移除切割损害，对硅芯片进行表面刻蚀，形成表面结构12。当使用特别适用于单晶硅或多晶硅的合适刻蚀溶液时，在硅芯片表面产生随机的表面结构，例如锥形，如图2所示的剖面图。硅太阳能电池本体10上的表面结构12，可减少光辐射期间的吸收损失。

在刻蚀过程之后，在硅芯片10中形成p-n结14。为达到该目的，在以p-掺杂物预掺杂的硅太阳能电池本体10的表面区域导入n-掺杂物。为了n-掺杂所述硅芯片，优选磷扩散进入硅芯片达到0.5至1μm的深度。为了导入磷，例如，在高温下将硅芯片放入磷环境中。与p-掺硅基板材料相反，高度n-掺杂的硅层为负传导且充当n-发射层。在操作期间，形成在硅太阳能电池本体中的p-n结14提供了由光辐射产生的电荷载体的分离。

如图2所示的剖面图，当形成p-n结14时，硅典型地完全被磷掺杂。为了防止太阳能电池中的短路，在边缘与在背面掺杂的磷被刻蚀掉。图4所示为所形成的硅芯片10，其在前面上有n-发射层14。

在下一步，抗反射层16（通常是氮化硅）被沉积在硅发射层14上，该层的厚度共计接近80nm。图5所示为沉积抗反射层16之后的硅芯片10。

用抗反射层16将硅芯片表面退火之后，进行在硅太阳能电池本体10中结14的接触。在此，典型地首先形成前面接触18。为了保持接触垫造成的遮蔽效应尽可能的低，前面接触优选地为手指型。前面接触18一般使用银，通常以丝网印刷方法沉积。图6显示沉积前面接触之后的硅芯片10的剖面图，所述前面接触的形状为银接触指18。

接着，形成硅芯片的背面接触。为了这个目的，以丝网印刷方式在硅太阳能电池本体的背面上沉积铝糊，从而形成10至100μm的层厚度。印刷优选地通过刮泥板进行，利用刮泥板将铝糊推开到印刷模板上。在印刷模板中，优选地具有线状延伸的场域因此被覆盖。场域的宽度小于1mm，优选地小于0.5mm。场域的长度共计1至3mm，优选地为2mm。场域优选地以行进行设置，其中在15.6cm x 15.6cm大小的标准太阳能电池中，例如三行纵向排列的场域是以每行7个场域进行配置。在沉积丝网印刷铝层20时，硅太阳能电池本体的背面上因此产生规则设置的无铝场域22。图7显示在包含三行无铝场域22的铝层20进行丝网印刷后，硅芯片10的剖面图。

接着，硅芯片在连续炉中以最大温度700至900℃加热1至30秒。用这种烧结方法，在硅芯片的表面区域中形成铝掺杂层，所述硅芯片是高度p型传导且充当操作太阳能电池期间的背面场域，所述背面场域将少数电流载体驱动回到硅太阳能电池本体，因此减少太阳能电池背面上的重组损失。

在下一步，以非接触方式在丝网印刷烧结铝层20上沉积适于焊接的无银材料。在本文中，优选地使用镍钒、镍、铜、钛或锌作为适于焊接的无银材料，特别是使用具有5%钒含量的镍钒。从而，以硅太阳能电池本体的背面表面上至少无铝场域22被覆盖的这种方式沉积适于焊接的无银材料。然而，适于焊接的无银材料也可沉积在整个表面上，因而额外地覆盖整个丝网印刷铝层20。在本文中，适于焊接的无银材料层的厚度为10至100nm，借此填充硅芯片背面上的无铝场域22。

为了以非接触方式沉积适于焊接的无银材料，使用溅射过程；然而，也有能使用CVD过程、电流沉积、电浆喷涂或热喷涂以用非接触方式沉积适于焊接的无银层。

图8为沉积适于焊接的无银层24之后的硅芯片10的剖面图，所述图式显示只有无铝场域被填充的实施例。图9显示硅太阳能电池本体10的背面的对应顶部视图，其中三行场域24的各配置具有一行7个场域，这些场域以适于焊接的无银材料填充。

与使用银接触相比，通过使用适于焊接的无银材料可节省材料成本。此外，在丝网印刷中首先沉积铝层、接着将它烧结、之后以非接触方式仅将适于焊接的无银材料沉积为薄层的过程，让接触场域的大小减少至最小，例如，减少至2mm x 0.5mm的场域大小，因此达到大表面积的铝覆盖，使得实质上延伸超过整个硅太阳能电池背面的背表面场域可被形成，其使重组损失最小化。

通过沉积以与铝层相比时为薄膜层的形式的适于焊接的无银材料，可能在整个表面上沉积该薄膜层、或只覆盖无铝区域且接着以实质上连续的方式延伸跨越场域的方式设置连接背面所需的接触连接器，特别是铜制焊线。然后可利用在包含适于焊接的无银材料的场域区域中焊接，以机械方式紧紧地连接接触连接器，然后电接触经由接触场域以及经由丝网印刷烧结铝层而实现，接触连接器在电接触上延伸。以此方式，可能将接触的机械连接从电连接去耦合，因而允许背面接触为任何需要的配置，特别是为了能够最理想地连接太阳能模块中的硅太阳能电池。

当制造太阳能模块时，因为单个太阳能电池的电压较低，通常将其串连连接，太阳能电池的前面接触通过接触连接器电连接至下一个太阳能电池的背面接触。包含用铜线30串连连接的两个太阳能电池10的电池串如图10所示。背面接触的创造性配置允许具有良好电传导性及抵抗机械压力的接触。任何需要的接触配置均可取代图10所示的接触配置，从而通过焊接至以适于焊接的无银材料覆盖的无铝场域，进行太阳能电池的背面上的接触连接器的连接。

图11-13示意性地显示根据本发明实施例的用于在硅太阳能电池上形成背面接触的方法的第二实施例；在以下内容中，只解释与图1至图8显示的方法不同的过程步骤，故图11至13对相同的层使用相同的附图标记。

因此，图1-6所示的硅太阳能电池本体的处理以相同方式用于第二方法中。在此例子中，硅太阳能电池本体10在其前面包括抗反射层16，前面接触以银接触手指18的形状依次配置在抗反射层16上。在进行背面接触之前，在硅太阳能电池本体10的背面上沉积具有优选地10至100nm厚度的介电层119。因此，介电层119优选地为氮化硅、氧化硅、碳化硅、非晶硅和氧化铝中之一或其组合。介电层119提供高质量的表面磨光并减少硅芯片背面上的重组损失。图11所示沉积介电层119之后的硅太阳能电池本体的剖面图。

与图7所示的过程相似，然后形成具有10至100nm层厚度的丝网印刷铝层120。从而，印刷优选地利用刮泥板进行，利用刮泥板将铝糊推开到印刷模板上，以在硅太阳能电池本体的背面上沉积铝糊。印刷模板优选地包括具有线状延伸的场域，场域的宽度小于1mm，优选地约为0.05mm。场域的长度为1至3nm，优选地为2nm。场域优选地为串连连接，因此造成硅太阳能电池本体的背面上规则设置的无铝场域122。图11所示为具有丝网印刷铝层120的硅芯片的剖面图，该硅芯片包含三行无硅的场域122。

在下一步，铝从丝网印刷铝层120扩散通过介电层119进入硅基板10的表面区域。为了这个目的，优选地以连续炉将硅太阳能电池本体加热至700至900℃的温度保持1至30秒。所得到的烧结方法在介电层119及下方的硅基板10中产生铝掺杂区域121。介电层119的无铝区段保持在硅太阳能电池本体的背面上的无铝区域122下方，介于铝掺杂区域121之间。图13所示为该步骤的硅太阳能电池本体的剖面图。

然后，以非接触方式在丝网印刷烧结铝层120上沉积适于焊接的无银材料。在此，优选地使用镍钒、镍、铜、钛或锌作为适于焊接的无银材料，特别是使用具有5%钒含量的镍钒。如图13中的剖面图所示，以至少覆盖硅太阳能电池本体10的背面表面上的无铝场域122的这种方式沉积适于焊接的无银材料124；然而，优选的是实施整个表面上的沉积。适于焊接的无银材料的层厚度优选为10至100nm，覆盖硅背面上的无铝场域122。本文中优选使用溅射、CVD、电流沉积、电浆喷涂或热喷涂而进行适于焊接的无银层的沉积。图13所示为沉积适于焊接的无银层124之后的硅太阳能电池本体10的剖面图。

顶部视图依序对应于图9中显示的硅太阳能电池本体的背面顶部视图。

上述实施例通过额外介电层119改进背表面场域，从而使重组损失进一步减少。

图14至17显示根据本发明实施例的用于形成硅太阳能电池的背面接触的方法的第三实施例。形成前面接触时，所使用的过程类似于结合图1至8所示的方法。类似于结合图11至13所示的第二实施例，在第三实施例的情况中，如图14的剖面图所示，在硅太阳能电池本体的背面上沉积介电层219。因此，层厚度介于10至100nm之间，其中优选地分别使用氮化硅、氧化硅、碳化硅、非晶硅和氧化铝中的一种或其组合。

在下一个方法步骤中，如图15所描绘，再次优选地利用丝网印刷来沉积10至100nm的铝层220，从而保持无铝场域222。然而，与结合图11至13所显示的第二实施例相反，不是加热整个丝网印刷铝层220以接触硅基板，而是以逐点方式表面地融合铝层，例如利用激光加热，以将铝扩散通过介电层219进入硅基板10。图16描绘了硅太阳能电池本体10的剖面图，所述硅太阳能电池本体10包括丝网印刷铝层220的背面上的介电层219，从而铝接触位置221从丝网印刷铝层突出并延伸通过介电层219进入硅太阳能电池本体10。

在结束用于背面接触的方法步骤中，以非接触方式在丝网印刷烧结铝层220上沉积适于焊接的无银材料，适于焊接的无银材料优选地以10至100nm的厚度覆盖硅芯片背面上的无铝场域222。因此，以非接触方式沉积适于焊接的无银材料的过程及材料的选择分别对应于结合图1-8或图11-13所显示的过程。

由于额外的介电层，上述实施例的硅太阳能电池本体背面上具有高质量的表面磨光，从而大大地抑制不需要的少数载体重组，逐点沉积铝在形成背表面场域区域的同时，提供硅太阳能电池本体的良好接触。

虽然本发明已通过优选实施例详细地描绘及叙述，本发明不限于所揭露的实施例范例，且本领域技术人员能够不超出本发明保护的范围而衍生变化。

Claims (19)

1.一种用于接触硅太阳能电池的方法，包括下列步骤：

提供具有前面及背面的预处理硅基板；

在所述预处理硅基板的所述背面上沉积铝，其中无铝区域保持在所述背面；以及

沉积适于在所述硅基板的所述背面上焊接的无银层，使得适于焊接的所述无银层至少覆盖所述背面上的所述无铝区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在沉积铝之前，在所述预处理硅基板的所述背面上沉积介电层，所述介电层包含以下化合物至少其中之一：氮化硅、氧化硅、碳化硅、非晶硅、氧化铝。

3.根据权利要求1或2所述的方法，在所述预处理硅基板的所述背面上沉积包括下列步骤：

在所述预处理硅基板的所述背面上丝网印刷铝层，其中所述无铝区域保持在所述背面；以及

加热所述铝层以使铝扩散进入所述预处理硅基板。

4.根据权利要求3所述的方法，其中加热所述铝层遍及整个表面进行。

5.根据权利要求3所述的方法，加热所述铝层以逐点方式进行，优选以激光加热进行，以在所述铝层及所述预处理硅基板之间产生点状电连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其中适于焊接的所述无银层是沉积遍及被提供有所述铝层的所述预处理硅基板的所述背面的整个表面。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其中适于焊接的所述无银层是由镍钒、镍、铜、钛或锌组成。

8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其中适于焊接的所述无银层是利用溅射、化学气相沉积、电浆喷涂、热喷涂或电流沉积以非接触方式沉积。

9.一种具有至少一接触的硅太阳能电池，包含：

预处理硅基板，具有前面及背面；

铝层，位于所述预处理硅基板的所述背面上，所述铝层包含以数组形式设置的无铝区域；以及

适于焊接的无银层，所述适于焊接的无银层至少覆盖所述背面上的所述无铝区域。

10.根据权利要求9所述的硅太阳能电池，其中介电层被提供在所述铝层下方的所述预处理硅基板的所述背面上，所述介电层包含以下化合物至少其中之一：氮化硅、氧化硅、碳化硅、非晶硅、氧化铝。

11.根据权利要求10所述的硅太阳能电池，其中在所述铝层及所述预处理硅基板之间提供点状电连接，优选的是铝接触点。

12.根据权利要求9至11任一项所述的硅太阳能电池，所述铝层包含10至100μm的厚度，所述适于焊接的无银层具有10至100nm的厚度。

13.根据权利要求9至12任一项所述的硅太阳能电池，所述无铝区域的数组是以行排列。

14.根据权利要求9至13任一项所述的硅太阳能电池，所述无铝区域的数组具有小于1mm的宽度，特别是小于0.5mm。

15.根据权利要求9至14任一项所述的硅太阳能电池，所述适于焊接的无银层是由镍钒、镍、铜、钛或锌组成。

16.一种硅太阳能电池，包括：

预处理硅基板，具有前面、背面以及用于连接其它太阳能电池的接触区域；

至少一第一接触区，用于在所述预处理硅基板的所述背面上形成电连接，所述第一接触区域包含适于在铝层中进行焊接的无银层；以及

至少一第二接触区，用于在所述预处理硅基板的所述背面上形成机械连接，所述第二接触区包含适于在所述硅基板的无铝区域中进行焊接的无银层。

17.根据权利要求16所述的硅太阳能电池，所述预处理硅基板包含位于所述铝层下方的介电层。

18.根据权利要求16或17所述的硅太阳能电池，其中所述第一接触区的面积比所述第二接触区的面积大至少十倍。

19.一种硅太阳能模块，至少包含根据权利要求9至18任一项所述的第一硅太阳能电池及第二硅太阳能电池，所述硅太阳能电池被串联连接，其中所述第一硅太阳能电池的前面接触由至少一接触连接器连接至所述第二硅太阳能电池的背面接触，所述接触连接器分别被焊接至所述适于在所述硅太阳能电池的本体的所述背面表面上的至少一无铝区域的区域中进行焊接的所述无银层。

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