CN103999238A - 通过薄单晶外延硅器件的光伏模组的制造 - Google Patents

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Abstract

本文叙述了光伏模组，其包括与模组后板结合的多个太阳能电池，其中每一太阳能电池包括与光伏器件的前侧结合的上覆层，以便在该模组的制造过程中有助于处理非常薄的光伏器件。模组还可包括模组前板并且太阳能电池可包括底板。该模组可由柔性材料制成，并且可以折叠。制造工艺包括在附连个别上覆层之前将接头片附连于光伏器件。

Description

通过薄单晶外延硅器件的光伏模组的制造
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年8月3日提交的序号为61/514,641和于2012年5月25日提交的序号为61/652,063的美国临时专利申请的权益，其整体通过援引纳入本文。
技术领域
本发明一般涉及光伏模组的制造，更具体地说，涉及用于外延沉积薄单结晶硅太阳能电池的模组制造，包括柔性模组和高电压模组。
背景
降低硅基光伏制造成本需要大幅减少硅的用量。实现此目标的一种方法为使用非常薄的硅晶片来制造太阳能电池。这些薄的硅晶片（厚度小于50微米）是利用一种非常高效地使用硅的工艺来制造。该工艺包括在单晶硅衬底上外延沉积薄单晶硅晶片，该单晶硅衬底被阳极蚀刻以产生薄的（小于2微米）多孔硅剥离层，其允许单晶外延生长，还允许薄硅晶片从硅衬底剥离或剥落以产生非常薄的高质量单晶硅晶片。然而，这些非常薄的单晶硅晶片机械上易碎，并为处理、加工、测试和封装合成的太阳能电池以制造光伏模组方面带来挑战。
本领域需要新颖和改进的方法和设备来处理、加工、测试和封装非常薄的硅晶片及太阳能电池。
传统的柔性和重量轻的光伏已基于薄膜技术，例如非晶硅和铜铟硒化物（CIGS）。这些技术的显著问题为其相对较低的能量转换效率（通常非晶硅为6～8％而CIGS为10～11％）。此外，这些产品的可靠性和长期稳定性成问题，尤其是由于潮湿导致的降级。晶体硅晶片基的光伏具有高效率（>15％至～18％的模组效率与>20％的电池效率）、有基于30年以上的现场试验的高可靠性、以及使用地球上的既丰富且无毒的原料。然而，用于重量轻且柔性应用的常规晶体硅光伏存在显著问题：要求以低成本制造薄硅片；在电池和模组制造过程中要处理薄的硅；以及晶片厚度通常约为180微米，使得晶片非柔性以及在弯曲时会受损，并且如果晶片机械上变薄以允许柔性，则制造成本会大大地增加，使这种产品在市场上没有竞争力。
市场上有许多应用要求小尺寸（比如1平方英尺及更小）的太阳能模组，以便用于便携式设备的高级充电技术，包括太阳能供电的手持设备、手机、太阳能充电器、无线电源装置、燃料电池充电产品和公共充电站。这些模组需要为便携式设备提供恰当的“高电压”（需要6V、12V和24V的电压）。电池充电应用也如是。为了在小型模组中实现这些电压，各个太阳能电池必须要小（约在4至8平方厘米之间）并且串联连接。
本领域需要新颖和改进的柔性电池结构和方法和设备来处理、加工、测试和封装非常薄的硅晶片及太阳能电池。
发明概述
本发明提供用于制造包含众多机械上易碎的薄太阳能电池的光伏模组的方法，包括小于50微米厚的光伏器件。本发明叙述了用于处理、加工、测试和封装该些机械上易碎的太阳能电池的方法，其不涉及处理不支持的薄硅晶片。本文所述的太阳能电池包括外延单晶硅太阳能电池；此外，本发明的启示和原理可以应用于包含其它半导体（例如锗、砷化镓等等）的非常薄的外延太阳能电池。此外，本发明包括包含薄玻璃的光伏模组、包含多层层压薄玻璃的模组、以及还有包含代替玻璃的聚合物片材（诸如特氟纶（））的模组。
根据本发明的方面，光伏模组，可以包括：多个太阳能电池，以及模组后板，其中每一太阳能电池包括：光伏器件，具有位于所述光伏器件的前侧上的汇流条；附连于前侧汇流条的前接头片；与所述光伏器件的所述前侧结合的上覆层，其中所述前接头片在所述光伏器件和所述上覆层之间；以及与所述光伏器件的后侧连接的后接头片；以及其中所述多个太阳能电池布置成平面阵列和电互连，以及其中所述模组后板与所述多个太阳能电池的平面阵列的底侧结合。该上覆层可以是玻璃或聚合物片。另外，模组顶板可与所述上覆层的顶面结合。光伏模组可用足够薄且柔性的部件构成，从而使模组可折迭起来。
根据本发明的其它方面，一种制造包含众多非常薄硅太阳能电池的光伏模组的方法可包括：阳极氧化单晶硅衬底；在硅衬底的阳极化表面上生长非常薄的外延硅；处理外延硅的暴露表面以形成所述太阳能电池的前侧结构；将接头片附连于所述前侧；使所述太阳能电池的前侧与薄玻璃上覆层结合；使所述太阳能电池从硅衬底剥离；处理外延硅的暴露表面以形成所述太阳能电池的后侧结构；测试太阳能电池，以确定响应于曝光的特征电流-电压曲线；基于电流-电压特征将太阳能电池分类入槽内；使所述太阳能电池与来自同一槽的其它太阳能电池组装在一起以及使它们互连以形成太阳能电池阵列；将所述阵列层压到模组后板以形成光伏模组；以及使模组进行耐候处理。其中所述耐候处理可包括将保护玻璃板层压到模组顶部或者用密封剂充填在太阳能电池之间的间隙。
根据本发明的其它方面，本文公开了高电压柔性板及其制造方法。
附图简述
对于本领域的普通技术人员而言，在查看以下对本发明的特定实施例的叙述连同附图，本发明的这些和其它方面以及特征将变得明显，其中：
图1-6是根据本发明的一些实施例的用于制造第一类型的光伏模组的过程的表示图；
图7-9是根据本发明的一些实施例的用于制造第二类型的光伏模组的过程的表示图；
图10是根据本发明的一些实施例的用于太阳能电池的有源层、接收栅极、汇流条和接头片的透视图；
图11-21是根据本发明的一些实施例的用于制造柔性光伏模组的过程的表示图；
图22-26是根据本发明的一些实施例的用于制造串联电池以形成紧凑型高电压模组的过程的表示图；
图27示出对应于图24的过程步骤的2×5阵列的子电池的平面表示图；
图28示出对应于图27的装置的紧凑型高电压模组的示意图；
图29-31示出根据本发明的一些实施例的用于制造串联电池以形成紧凑型高电压模组的另一过程的表示图；
图32-38是根据本发明的一些实施例的用于制造第一类型的光伏模组的另一过程的表示图；以及
图39-41是根据本发明的一些实施例的用于给太阳能装置形成欧姆背接触的可选择过程的表示图。
详细描述
现在将参照附图详细地叙述本发明的实施例，其提供作为本发明的说明性范例，以使本领域技术人员能够实施本发明。值得注意的是，附图和下面的实施例并不意味着要将本发明的范围限于单一实施例，而是意味着通过交换所叙述或所示的元件的某些部分或所有部分，其它实施例是可能的。此外，在本发明的某些元件可以部分或完全地采用公知部件来实现时，只有所述公知部件的那些为理解本发明所必需的部分才会被叙述，而所述公知部件的其它部分的详细叙述将会被省略，以致于不会混淆本发明。在本说明书中，示出单一部件的实施例不应被认为具有限制性，相反，除非本文明确地说明，本发明意味着要涵盖包括多个相同部件的其它实施例，反之亦然。此外，除非明确地提出，申请人不打算要使在说明书或权利要求中的术语被认为具有罕见的或特殊的含义。另外，本发明通过图示的方式来包括本文所提及的公知部件的现有和未来的公知等效物。
本发明提供了用于制造包含众多机械上易碎的薄太阳能电池的光伏模组的方法。本发明的模组的一些实施例是重量轻的柔性模组。本发明叙述了用于处理、加工、测试和封装这些机械上易碎的太阳能电池的方法，其不涉及处理不支持的薄硅晶片。本文所述的太阳能电池包括外延单晶硅太阳能电池；此外，本发明的启示和原理可以应用于包含其它半导体（例如锗）的非常薄的外延太阳能电池。此外，本发明包括包含薄玻璃的光伏模组、包含多层层压薄玻璃的模组、以及还有包含代替玻璃的聚合物片材（诸如特氟纶（））的模组。
用于形成光伏（PV）模组的第一实施例的工艺流程的范例如下所示。
（1）阳极蚀刻单晶硅晶片以产生约2微米厚的多孔硅层。
（2）利用外延反应器来在多孔硅层上生长薄外延硅层。用于薄硅外延生长的方法和设备的叙述可参见于2012年5月26日提交的序号为13/483,002的美国申请，其整体通过援引纳入本文。
（3）在外延膜仍与硅衬底附连的时候，在外延膜上实现前侧太阳能电池处理。例如，器件制造可以包括：（a）结构浸蚀表面，以使反射率最小化；（b）利用例如使用磷氧氯化物作为掺杂源的扩散来形成n+p结；（c）通过化学蚀刻来从外延膜的表面除去扩散引入的氧化物；（d）利用例如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来沉积氮化硅层；（e）在表面上丝网印刷银金属栅极（其包括集电极和汇流条）以及在炉中烧制，以形成欧姆接触；以及（f）使接头片附连于太阳能电池的前表面上的汇流条。图10提供了根据本发明的实施例的太阳能电池的有源器件层10、集电极20、汇流条30和接头片40的一般结构的透视图。为了便于说明，图10示出的每一电池只有两个汇流条，但取决于电池的体系结构，可以有较多的（或许是3个的汇流条，或者每一电池只有较少的，仅一个汇流条；类似地，为了便于说明，只示出了7个集电极–但通常会有多得多的好几十个数量级的集电极，例如70个。注意，为了清楚地说明，图10中的接头片40已最小化-接头片实际上是汇流条的宽度，并比汇流条厚得多。此外，请注意，为了说明的目的，图1-10不按比例绘制。图1-9的设备的表示图示出了沿着由图10中的X-X所限定的平面所得的横截面。
（4）在前侧器件制造之后，利用乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）使晶片与薄玻璃（小于1毫米厚）结合。图1示出了在单晶硅衬底120上的多孔硅层122上生长的薄外延沉积硅器件112的示意性横截面。该器件112具有在器件表面上沉积的汇流条114和已附连的接头片116，产生了通往所有汇流条的电触点。诸如图1所示的器件的制造的进一步详情可参见于2011年9月22日提交的序号为13/241,112的美国专利申请和公开号为2012/0040487的美国专利申请，两者皆整体通过援引纳入本文。器件112已利用EVA层132而与薄玻璃上覆层130结合。
（5）利用划片机或激光去除围绕硅衬底的边缘的外延边缘。图2示出图1的装置的边缘切割的表示图，其中使用切割刀片140来去除生长在衬底120的边缘上的外延材料。边缘去除工艺具有切割深度控制，其至少足以避免切割接头片116。机械研磨工具或等离子体蚀刻工具也可用于边缘去除工艺。
（6）使器件从硅衬底剥离。图3示出安装到玻璃上覆层130的外延器件112在衬底120去除之后的横截面表示图。在从衬底120分离后，多孔硅层122的残余部分123将保持附连于外延器件112。
（7）进行太阳能电池的后侧处理（包括去除残留的多孔硅），沉积介电层和金属薄膜，其具有在介电膜内的激光烧蚀孔，用于通往太阳能电池的背侧的点接触。图4示出在去除多孔硅残余部分123和进一步将金属和介电层118添加到该器件的背侧之后的已完成和安装好的太阳能电池110。
（8）对各个电池（玻璃上的薄硅）进行测试和分类，以使模组可以由具有非常类似特征的器件构成。各个电池的测试包括器件的发光电流-电压特性（I-V曲线）的测量。这可通过使用标准的太阳能电池特征设备来完成。太阳能电池的匹配可通过匹配在I-V特性的峰值功率点的电流来实现。图5示出图4的为电池测试而配置的器件。探针151被用来接触附连于接头片116的互连带150；互连带可在器件被层压到上覆层130之前进行附连；在测试前，互连带可如图所示般弯曲环绕在玻璃上覆层130上。用接触销152从底部对118中的金属层进行电接触；为避免器件层112和118的损坏，金属箔153可放置在接触销和器件之间。
（9）将在峰值功率点处具有类似电流的电池组装成串联的太阳能电池串。各个串并联连接，以构成电池阵列。
（10）利用EVA或类似的粘合剂将电池阵列层压到模组后板。
（11）为了完成模组的制造，可用低熔温的玻璃或其它合适的密封材料来充填太阳能电池之间的空间。图6示出多个安装好的太阳能电池110，其通过粘合剂162已经附连于模组后板160。接头片116和117和互连带150被用来串联多个器件。该模组后板可以是坚硬的层压聚氟乙烯板、玻璃纤维板、或甚至是胶合板。粘合剂162可以是EVA或PVB{聚（乙烯醇缩丁醛）}。粘合剂通常存在于放置在太阳能电池阵列上的片材中，然后在层压室（在其中通过于高温下施加压力而形成粘合）中被层压。可使用低熔点玻璃（诸如玻璃陶瓷）来形成电池到电池的密封164。用于电池到电池的密封的其它合适材料可包括EVA、PVB和硅。电池到电池的密封材料可用机器人输送系统来施加于电池之间的间隙，所述系统可包括通过机器人装置而可沿着电池之间的间隙移动的输出喷嘴。耐候处理要求电池到电池的密封。模组总厚度可小于3.5毫米，其包括，例如，按照从顶部玻璃至模组后板的次序：700微米的玻璃、200微米的EVA、50微米的太阳能电池、200微米的EVA和1毫米的模组后板。注意，取决于玻璃需要提供的冲击保护额度，顶部玻璃（玻璃上覆层130）的厚度可从不到1毫米变化到厚达3或4毫米。（太阳能模组可在使它们暴露在气候中的环境中使用，包括冰雹块以及诸如沙尘暴的其它环境因素，为期达30年或以上-顶部玻璃需要提供对这些危害的防护。）该模组可如图6所示般来说明。注意，为了便于说明，图6的光伏模组只示出2个电池-模组一般包括48至72个太阳能电池。
用于形成PV模组的第二实施例的工艺流程的范例如下所示。
（1）阳极蚀刻单晶硅晶片以产生约2微米厚的多孔硅层。
（2）利用外延反应器来在多孔硅层上生长薄外延硅层。
（3）在外延膜仍附连于硅衬底的时候，在外延膜上实现前侧太阳能电池处理。器件制造可以包括：（a）结构浸蚀表面，以使反射率最小化；（b）利用例如使用磷氧氯化物作为掺杂源的扩散来形成n+p结；（c）通过化学蚀刻来从外延膜的表面除去扩散引入的氧化物；（d）利用例如PECVD来沉积氮化硅层；（e）在表面上丝网印刷银金属栅极（其包括集电极和汇流条）以及在炉中烧制，以形成欧姆接触；以及（f）使接头片附连于太阳能电池的前表面上的汇流条。
（4）在前侧器件制造之后，利用乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）使晶片与薄玻璃（小于1毫米厚）结合。
（5）在利用划片机或激光去除围绕的外延边缘后，使器件从硅衬底剥离。图7示出利用诸如EVA的粘合剂232而安装到玻璃上覆层230的薄外延硅器件的示意性横截面。外延器件可如图1所示般形成，如图2所示般进行边缘修整，然后使残留的多孔硅去除。图7中的器件包括BSF层211、p型外延层212、n+发射极213、二氧化硅钝化层214、氮化硅ARC层215和金属接点216。诸如图7所示的器件的制造的进一步详情可参见于2011年9月22日提交的序号为13/241,112的美国专利申请和公开号为2012/0040487的美国专利申请，两者皆整体通过援引纳入本文。该装置具有为产生电接触所附连的接头片217。
（6）处理太阳能电池的后侧，所述处理包括沉积介电层和金属薄膜，并在介电膜中用激光烧蚀孔，用于产生通往太阳能电池的背侧的点接触。图8示出已完成的安装好的太阳能电池210，其具有介电层218和具有点接触的后接点219。该器件的制造的详情在于2011年9月22日提交的序号为13/241,112的美国申请中提供，其整体通过援引纳入本文。
（7）各个电池（玻璃上的薄硅）进行测试和分类，以使模组可以由具有非常类似特征的器件构成。各个电池的测试涉及器件的发光电流-电压特性（I-V曲线）的测量。这可通过使用标准的太阳能电池特征设备来完成。太阳能电池的匹配可通过匹配在I-V特性的峰值功率点处的电流来实现。太阳能电池的测试可如上述的参照图5所述的方式进行。
（8）将在峰值功率点处具有类似电流的电池组装成串联的太阳能电池串。各个串并联连接，以构成电池阵列。
（9）利用EVA将电池阵列层压在玻璃顶板和后板之间以完成模组的制造。图9示出的PV模组200包括串在一起的多个器件210（使用接头片217和220以及互连带221将器件串联）以及使用诸如EVA的粘合材料252的在模组后板250和玻璃顶板254之间的迭层。该模组后板250可以是玻璃或其它合适的材料，诸如特氟隆（）片材。如图9所示，该模组通过玻璃顶板254被照明。模组总厚度可以小于3.0毫米，其包括，例如，按照从顶部玻璃往下的次序：1毫米的玻璃、200微米的EVA、700微米的玻璃、200微米的EVA、50微米的太阳能电池、200微米的EVA和1毫米的模组后板。注意，为了便于说明，图9的光伏模组只示出3个电池-模组一般包括48至72个太阳能电池。
尽管本文提供了太阳能电池和模组配置的两个特定的实施例，但本发明可广泛地适用于处理、加工、测试和封装非常薄的太阳能电池，以制造光伏模组。例如，本发明适用于具有陶瓷、玻璃以及玻璃陶瓷结合型处理层的薄硅器件（具有陶瓷、玻璃以及玻璃陶瓷结合型处理层的硅器件的制造的细节可参见公布号为2011/0186117的美国专利申请，其整体通过援引纳入本文），其中在从生长衬底分离之前，处理层就在薄硅器件上形成。注意，对于不透明的处理层，所述处理层将被层压到模组后板。
虽然上述的工艺和结构包括环绕在硅衬底的边缘的薄外延层并因而需要切割步骤，但本发明的启示和原理也可应用到外延层不是环绕在硅衬底的边缘的该些衬底。
要注意的是，由玻璃或其它合适的透明材料制成的顶板可层压到图6中的电池阵列的顶面，以提供保护和耐气候变化，其类似于图9中的玻璃顶板254，在该种情况下，将不再需要电池到电池的密封。此外，如果使用顶板，玻璃上覆层130的厚度可以减小，因为它们不再是为太阳能电池的有源层提供冲击保护的唯一材料。（多片（两片或以上）薄玻璃层压在一起预期可比单片厚玻璃提供更好的耐冲击性，即使总玻璃厚度相同也如是，从而提供了机会，使在保持良好的耐冲击性的同时可降低PV模组的总厚度。具有多片层压玻璃的模组还可比具有单片玻璃的模组更柔韧。）类似地，如果使用足够厚的玻璃上覆层230，图9中的玻璃顶板254可以省略，以便为太阳能电池的有源层提供冲击保护，而电池之间的间隙可如上述的参照图6所述的方式充填。
注意，原则上只要本发明的实施例使用玻璃上覆层和玻璃板，它们可替换为其它材料，诸如可得自杜邦（DuPont）的特氟隆（）板以及可得自康宁（Corning）的玻璃；尽管如此，使用由该些材料构成的薄板用于柔性模组可能需要修改制造工艺，以在某些步骤提供额外支持，正如下文详述的那样。
根据本发明的第三实施例，使用通常为50微米及以下的薄硅来制造柔性光伏模组，正如下文详述的那样。在本发明中，外延沉积所述薄硅。注意，由于使用非常薄的硅，与比较厚的硅电池相比，柔性光伏器件具有降低的效率，因为长波长（红色）光被透射而不是被吸收。然而，通过良好的陷光（后侧反射器和前侧织构化）和表面钝化，大于19％的效率在理论上是可能的，即使用25微米厚的硅片也如是。
用于形成PV模组的第三实施例（柔性PV模组）的工艺流程的范例如下所示。图11-14和16-19示出了不按比例绘制的制造过程的横截面表示图。
（1）阳极蚀刻单晶硅晶片以产生约2微米厚的多孔硅层。
（2）利用外延反应器来在多孔硅层上生长薄外延硅层。
（3）在外延膜仍附连于硅衬底的时候，在外延膜上实现前侧太阳能电池处理。器件制造可以包括：（a）结构浸蚀表面，以使反射率最小化；（b）利用例如使用磷氧氯化物作为掺杂源的扩散来形成n+p结；（c）通过化学蚀刻来从外延膜的表面除去扩散引入的氧化物；（d）利用例如PECVD来沉积氮化硅层；（e）在表面上丝网印刷银金属栅极（其包括集电极和汇流条）以及在炉中烧制，以形成欧姆接触；以及（f）使接头片附连于太阳能电池的前表面上的汇流条。图11示出了在硅衬底1102上形成的薄外延硅太阳能电池1101与汇流条1103的横截面表示图。需要注意的是，接头片如图10所示般附连于汇流条的顶部，但为了清楚说明起见而未在图11-19和20A中示出；此外，如图10和15所示，集电极与汇流条连接，但为了清楚说明起见而未在图11-14和16-21中示出。
（4）在前侧器件制造之后，通过使用诸如EVA的粘合剂的层压过程使晶片的前侧与薄的特氟隆（）片1104（一般为50微米厚）结合，正如图12所示。注意，为了便于说明，图11-20B未示出粘合材料；不过，其会在图21中示出。
（5）在层压之后，使晶片附连于框架。该框架被设计成将层压体保持在张力下，在硅衬底剥离后，所述张力足以使层压体维持为扁平状。可参见图13的正方形框架1105的范例，其通过在层压体和框架之间的粘合材料而附连于特氟隆（）片。合适的粘合材料包括胶粘剂和蜡，其方便在需要时于高温下软化以释放框架。或者，框架可包括两个部件，其相互配合以及使特氟隆（）片在张力下被夹紧/抓紧在位。另外，特氟隆（）片可在平行鼓上的相对边缘上被捕获，然后被拉紧。
（6）使层压体从硅衬底剥离，所述剥离在衬底1102和太阳能电池装置1101之间的多孔硅层处发生。如图14所示，在剥离期间和剥离后，层压体由框架1105保持为扁平。图15示出层压体在剥离后通过框架1105保持在位的透视图；注意，通过透明的特氟隆（）片1104，集电极1106、汇流条1103和器件1101是可见的。
（7）处理太阳能电池的后侧，正如图16-18所示。所述处理可包括沉积介电和金属层1107以及附连后接头片1108。所述处理还包括在介电层用激光烧蚀孔，以便在太阳能电池的后侧产生点接触。
（8）用诸如EVA的粘合材料将第二特氟隆（）片1109层压到电池的后侧，正如图19所示。（为便于说明，图中未示出在电池和特氟隆（）片之间的EVA）。
（9）通过用机械释放、软化粘合材料或者通过切割框架内的特氟隆（）片1104来去除该框架1105，这可取决于框架是如何附连于特氟隆（）片。特氟隆（）片然后被切割成应有尺寸（匹配太阳能器件的尺寸）。所得到的器件在图20A的横截面图和在图20B的侧视图中示出，后者示出了后接头片1108和前接头片1110。（图20A的横截面由垂直于页面的平面限定并包括图20B中的虚线。）
（10）根据器件的I-V特性对所述器件进行测试和分选，使得模组可如上文所述般由具有非常类似特征的器件构成。
（11）如上文所述般选择出电池阵列，然后将电池阵列组合在一起以形成模组。使用EVA1113将电池层压在特氟隆（）顶板1111和特氟隆（）后板1112之间。电池被示为串联连接（接头片对接头片）。现参照图21的截面图。图21所示的模组可厚约1mm。注意，该视图还示出了用于将片1109和1104粘合到太阳能器件的EVA。
在上述工艺的可选择实施例中，在步骤（4）中的硅器件可与足够硬的片材结合，以避免对使用框架的需要。例如，Si可被结合到玻璃或硬片，例如可得自DuPont的PV5300离聚物密封片。玻璃可在稍后去除，即在将所述电池附连于后板之后，而PV5300片则是成品的一部分，其通过EVA与特氟隆（）前板结合，所述PV5300提供在个体电池的层次上要求的刚度以及最终产品要求的柔性。
用于柔性硅光伏器件中的模组盖板和后板的聚合材料的要求是：薄而柔韧；优异的光透射特性；显示出良好的热性质和热机械性能；优异的抗紫外线性能；良好的氧气和湿气阻隔性和极好的尺寸稳定性。需要注意的是，在与其它薄膜基柔性PV材料（例如CIGS，有机光伏）相比较时，硅电池具有严格度低得多的封装要求。业已有市售材料可满足上述要求，例如，DuPont的特氟隆（）含氟聚合物片材。
以下的表提供了根据本发明的一些实施例制造的模组的柔性模组层厚度的范例。其中为两个范例提供不同层的厚度。第一厚度列为可轻易地制造的模组提供了数据以及第二列为在理论上可使用本发明的启示和方法来制造的模组提供了数据。正如可从表中看出的那样，该些模组的总厚度可大约为1毫米，而预期值可<0.5毫米–而与之相比较的常规的刚性的、玻璃基的模组的典型厚度则约为4毫米。（需要注意的是，在表中使用的范例是用于图9所示的具有基本结构的模组，对于具有图21所示的基本结构的模组，其厚度可通过添加另一含氟聚合物层和另一胶合层的厚度而根据该表来进行估算。）
片材 厚度/微米 厚度/微米
含氟聚合物前板 125 75
EVA胶合层 200 100
含氟聚合物上覆层 125 50
EVA胶合层 200 100
硅太阳能电池 50 25
EVA胶合层 200 100
含氟聚合物后板 125 75
总厚度/微米 1025 525
本文所述的工艺流程和结构都可用来形成高电压（柔性）的PV模组；不过，本文所提供的为用于高电压（柔性）PV模组的工艺流程和结构的若干特定的范例。用于形成PV模组的第四实施例（高电压柔性PV模组）的工艺流程的范例如下所示。图22-26示出了不按比例绘制的制造过程的横截面表示图。
（1）阳极蚀刻单晶硅晶片以产生约2微米厚的多孔硅层。
（2）利用外延反应器来在多孔硅层上生长薄外延硅层。
（3）在外延膜仍附连于硅衬底2202的时候，进行前侧太阳能电池处理以在外延膜上形成外延器件2201，正如图22所示。器件制造包括：（a）结构浸蚀表面，以使反射率最小化；（b）利用例如使用磷氧氯化物作为掺杂源的扩散来形成n+p结；（c）通过化学蚀刻来从外延膜的表面除去扩散引入的氧化物；（d）利用例如PECVD来沉积氮化硅层；（e）利用图案在表面上丝网印刷金属，其将会生成多个子电池（每个皆具有其自身的汇流条和集电极）以及在炉中烧制，以形成欧姆接触；以及（f）利用标准焊料或低温导电性粘合膏以使接头片附连于太阳能电池的前表面上的汇流条2203。注意，为了便于说明，在图22-26中未示出前接头片。图27示出了在完成前侧器件制造后的衬底的范例的顶视图。图27是125毫米电池的范例，其分成5×2子电池阵列，每一子电池为1”×2.45”，且每一子电池有一个汇流条和众多集电极2210。接头片2209附连于所述汇流条（隐藏在接头片下）。注意，在每一子电池的周围的沟2211没有丝网印刷金属，以有助于在稍后的工艺步骤中使所述子电池分离。
（4）在前侧器件制造之后，通过使用诸如EVA的粘合材料的层压过程使外延器件2201同时与多个玻璃片（例如100微米厚）或特氟隆（）片2204结合。所述玻璃/特氟隆（）片被切割成子电池的大小并且被放置在表面上，以与丝网印刷电极图案和与所述片之间的均匀间隙（沟）对齐。可参照图23的横截面图和图27的平面图。
（5）在层压之后，利用例如激光将外延膜切割/刻划成围绕层压片的边界的个别器件，正如图24所示。激光穿透外延硅的厚度（约50微米）且下达至多孔硅上，以形成划线2205。
（6）使所述器件从硅衬底2202剥离，正如图25所示，可一次剥离一个或一次剥离全部，然后使所述器件分离成各别器件2206。
（7）处理太阳能电池的后侧，正如图26所示。所述处理可包括沉积介电层和金属膜2207，在介电膜用激光烧蚀孔以在太阳能电池的后侧产生点接触以及后侧接头片2208附连。
（8）根据子电池的I-V特性对所述子电池进行测试和分选，使得模组可如上文所述般由具有非常类似特征的器件构成。
（9）所述子电池串联连接，并同时层压到柔性的前板和后板。柔性板可以是由例如可得自DuPont的诸如特氟隆（）或ETFE的含氟聚合物片材构成。图28示出具有2×5构型的串联连接的太阳能子电池2801的模组的示意表示图。图28所示的高电压模组2800配备有电压调节器2802和USB连接器2803。USB连接器被示出作为范例输出口，其便于连接小型电子设备，诸如蜂窝式电话、智能电话等。该些高电压模组在从125毫米硅晶片制成时，能够为手机充电（0.6V X10=6Voc，Isc=0.37A,2.5W）。注意，图28中的虚线2804表示该模组可轻易地折叠（180度），该模组可在子电池2801之间折叠，其中柔性前板和后板可作用为折合叶。
图29-31示出了高电压柔性PV模组的另一种制造方法，其中示出了待分解成10个1”×2.45”子电池的125毫米晶片。该方法如上述般从为子电池阵列进行前侧处理开始，随后利用诸如EVA的粘合材料2906将各个玻璃/聚合物片2905层压到每一子电池。图29示出在硅衬底2903的多孔硅层2902上形成的外延硅器件2901的阵列。图中示出了阵列中的每一器件的前侧汇流条2904–所述汇流条以垂直于页面的平面的方式延伸。每一汇流条具有集电极（未示出），其以垂直于汇流条的方式在器件的前表面上延伸–可参见图10和27的汇流条和集电极配置的示例。需要注意的是，接头片如图10所示般附连于汇流条的顶部，但是为了清楚起见而未在图29-31中示出。固定件2907附连于由各别的玻璃板2906构成的阵列，以便在随后的处理步骤中保持子电池阵列–所述固定件可被配置成单独地保持每一子电池，正如图30所示。所述固定件可基于真空、静电学、机械粘接等等，并且可部分地或全体地覆盖各个前玻璃件。使硅衬底2903分层，然后完成后侧低温处理，在期间所述固定件保持子电池，从而使薄外延硅器件2901不会变形。后侧处理包括沉积介电层和金属膜2908，以及在介电膜用激光烧蚀孔以在太阳能电池的后侧产生点接触。然后，通过从后侧用激光2909切开整个50微米左右厚度的外延硅来使子电池分割出来。图31示出了激光切口2910。然后如上述般继续处理。请注意，单个汇流条沿着每一子电池的长度铺砌，而集电指状元件以垂直于汇流条的方式延伸；这里0.5＂长的指状元件（集电极）的电阻不会限制收集的电流。还要注意的是，在衬底移除后，多孔Si既可以留在原位作为朗伯光衍射器，或者可以被去除（如果其它光学增强技术足够的话）。
图32-38示出了根据本发明的其它实施例的用于外延沉积硅太阳能电池器件的制造过程的变型。图32-38示出了制造过程的不是按比例绘制的截面表示图。如图32所示般提供硅衬底3301。在阳极氧化硅表面之前，对硅衬底的边缘进行掩模。图33示出覆盖硅衬底3201的边缘的掩模3202。掩模是固定件的一部分，其用于在阳极氧化过程中保持硅衬底。掩模被固定就位，并为硅衬底形成流体密封，使得所述掩模下的区域不会暴露于阳极氧化过程所使用的电解质（通常是氢氟酸溶液）中。合适的掩模材料为耐氢氟酸的聚合物，诸如特氟隆（），而在晶片的边缘处的掩模区域的典型宽度在1和4毫米之间。然后阳极蚀刻硅衬底的表面，以在未掩模区域内产生约2微米厚的多孔硅层。图34示出通过阳极蚀刻硅衬底的表面而形成的多孔硅层3203；在阳极氧化过程中，掩模保护了衬底的边缘，以致于多孔硅不会在衬底表面的掩模区域中形成。然后移除掩模，将衬底载入外延反应器中。如图35所示，外延硅的薄膜3204会在多孔硅层和衬底的晶体硅的边缘（衬底表面在其处被掩模）之上的硅衬底表面上生长。用于薄硅的外延生长的方法和设备的叙述可参见于2012年5月26日提交的申请号为13/483,002美国申请。前侧太阳能电池处理如上述般进行；图36示出了具有太阳能器件3205的硅衬底。使用EVA将太阳能器件层压到薄的玻璃上覆层（小于1毫米厚）；图37示出了具有薄玻璃上覆层3206和EVA层3207的合成结构。注意，薄玻璃上覆层3206的尺寸做成与多孔硅区域3203相匹配，并因此具有比所述硅衬底的表面较小的面积。附连于薄玻璃上覆层的太阳能器件从所述硅衬底剥离，其中所述多孔硅用作分离层；图38示出与硅衬底分离的太阳能器件。需要注意的是，在剥离前，利用金刚石划片器或激光在硅器件上进行的光划线，例如，绕着上覆层的边缘进行光划线，即在所述上覆层层压到太阳能器件的位置。注意，该工艺流程通常不需要对太阳能器件进行裁边，因为该部分的外延硅器件层直接附连于硅衬底，而不是多孔硅区域，其在剥离期间保持附连于硅衬底。此外，虽然图38未示出，但在硅衬底和剥离的太阳能器件两者上会有多孔硅层的一些残余部分。
图39-41示出了根据本发明的其它实施例的用于外延沉积硅太阳能器件的制造工艺的变型。图39-41示出了制造过程的不是按比例绘制的截面表示图。如图39所示，提供了完成前侧处理、通过EVA层3207而层压到薄玻璃上覆层3206的太阳能器件3205。太阳能器件包括外延沉积硅层，其中在该器件的后侧上的硅层为外延沉积高度掺杂的硅层，其如同BSF层般作用。该高度掺杂的外延硅层可沉积为具有0.1欧姆-厘米或以下的电阻率。介电堆叠3208（例如，20纳米的诸如二氧化硅的氧化物以及70纳米的诸如氮化硅的氮化物）沉积在太阳能器件的后侧上，接着是诸如铝合金的金属层3209，正如图40所示。接触区域3210通过金属层和介电堆叠而形成，用于产生通往太阳能器件的BSF层的欧姆接触，正如图41所示；该形成过程使用激光，其用来产生大约100微米直径的接触区域。在铝沉积后，无需热处理就可实现良好的欧姆接触；此外，由于BSF是高度掺杂，因此无需将铝金属扩散入太阳能器件的硅中。此外，大约100微米直径的激光钻孔从而后侧的接点的密度可低至每平方毫米一个，或甚至更低，这归因于高度掺杂的外延硅BSF层的低电阻率。
本文所述的太阳能模组的制造方法可适用于制造常规的模组或双面模组。双面模组在两侧具有透明密封材料（诸如DuPontTMETFE），使光可从前面的向阳面进入模组以及使反射光进入后侧。
本文所述的模组利用诸如EVA的粘合剂使聚合物片附连于太阳能器件/子电池。然而，根据本发明的其它实施例，聚合物片可直接与太阳能器件/子电池结合而无需使用粘合剂。可预期的是，高温和高压的组合可用于这样的直接结合工艺。
虽然本文所述的太阳能电池是薄外延单晶硅太阳能电池，本发明的启示和原理可应用于包含其它半导体（例如锗、砷化镓等等）的薄外延单晶硅太阳能电池。此外，本发明的启示和原理可应用于标准的CZ晶片，其也可切成本文所述类型的片件和封装在本文所启示的柔性模组内。
虽然业已参照本发明的若干实施例具体地叙述了本发明，但对于本领域的技术人员而言，显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围下，可在形式和细节上进行修改和变更。

Claims (20)

1.一种光伏模组，包括：
多个太阳能电池，每一太阳能电池包括：
光伏器件，其具有位于所述光伏器件的前侧上的汇流条；
附连于前侧汇流条的前接头片；
与所述光伏器件的所述前侧结合的上覆层，其中所述前接头片在所述光伏器件和所述上覆层之间；以及
附连于所述光伏器件的后侧的后接头片；以及
模组后板；
其中所述多个太阳能电池被布置成平面阵列并且被电互连，以及其中所述模组后板与所述多个太阳能电池的平面阵列的底侧结合。
2.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于：所述上覆层是玻璃片。
3.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于：所述上覆层是聚合物片。
4.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于还包括：在所述上覆层和所述光伏器件之间的结合材料。
5.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于：所述模组后板与所述光伏器件的所述后侧结合，所述后接头片在所述光伏器件和所述模组后板之间。
6.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于：在所述阵列中的所述太阳能电池之间的空间用密封剂来充填。
7.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于还包括：模组顶板，所述模组顶板与所述上覆层的顶面结合。
8.如权利要求7所述的光伏模组，其特征在于：所述模组顶板和所述模组后板是聚合物片以及所述光伏模组被配置成能沿着贯穿所述阵列的线来折叠，所述线在所述太阳能电池之间经过。
9.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于：每一所述太阳能电池还包括与所述光伏器件的所述后侧结合的底板，其中所述后接头片在所述光伏器件和所述底板之间。
10.如权利要求9所述的光伏模组，其特征在于：所述模组后板与所述底板的底面结合。
11.如权利要求1所述的光伏模组，其特征在于：所述光伏器件小于50微米厚。
12.一种制造光伏模组的方法，包括：
提供多个光伏器件，所述光伏器件中的每一个在后侧处附连于衬底，所述光伏器件中的每一个具有位于前侧上的汇流条；
对于所述光伏器件中的每一个，使前接头片附连于所述汇流条以及使上覆层附连于所述光伏器件的所述前侧，其中所述前接头片在所述光伏器件和所述上覆层之间；
对于具有前接头片和上覆层的所述光伏器件中的每一个，使所述光伏器件与所述衬底分离，以提供多个太阳能电池，每一太阳能电池包括光伏电池，所述前接头片和所述上覆层；
组装所述多个太阳能电池以形成阵列以及使所述阵列电互连；以及
将所述阵列层压到模组后板。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述提供多个光伏器件包括：
阳极氧化单晶硅衬底，以在顶面上形成多孔硅层；以及
在外延反应器中于所述多孔硅层上生长非常薄的外延硅。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：对于所述多个太阳能电池中的每一个，使后接头片附连于所述太阳能电池的后侧。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：使模组顶板与所述阵列结合。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：在所述阵列中的所述太阳能电池之间的空间用密封剂来充填。
17.一种制造光伏模组的方法，包括：
提供在后侧处附连于衬底的光伏器件，
在所述光伏器件的前侧上形成多个汇流条，对应于多个子器件；
使多个前接头片附连于所述多个汇流条以及使多个上覆层与所述光伏器件的所述前侧结合，每一上覆层对应于所述子器件中的一个，其中所述多个前接头片在所述光伏器件和所述多个上覆层中对应的上覆层之间；
使所述多个子器件与接头片和上覆层从所述衬底分离；
使所述多个子器件分离，以提供多个太阳能子电池；
组装所述多个太阳能子电池以形成阵列以及使所述阵列电互连；以及
将所述阵列层压到模组后板。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于还包括：在从所述衬底分离之前，为所述光伏器件划线以限定所述子器件。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于还包括：在从所述衬底分离之后，为所述光伏器件划线以限定所述子器件。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：在所述划线期间，所述多个上覆层由固定件保持。
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