CN104037255A - 太阳能电池互连组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种太阳能电池互连组件及其制造方法。在一实施例中，所述方法可以包括:提供其上形成有互联部件的太阳能电池，所述互联部件包括在所述太阳能电池的表面上形成的金属部件以及在所述金属部件上形成的第一前体层；提供互连件，所述互连件包括在其表面处的第二前体层；在等于或超过所述第一和第二前体层的材料的共熔温度的温度，加热所述互连件和所述互联部件，并将其中的一个压向另一个，以形成共熔液相；以及使所述共熔液等温固化以形成共熔合金的接合层。
Description
技术领域
本发明涉及利用互连件的太阳能电池组件及其制造方法。
背景技术
将互连件（IC）焊料接合到用于空间（航空航天）应用的太阳能电池（下文中，也称为空间级太阳能电池）是在历史上常见且公知的工艺过程。然而，随着对于航空航天器的寿命期望的要求的增加，已发现将IC连接到太阳能电池的焊料接点在轨道上遇到疲劳和故障的问题。这些最终导致开发出作为现今使用的当前行业标准工艺过程的平行缝隙焊接工艺。
尽管这样的平行缝隙焊接工艺过程被涉及太阳能电池集成的空间共同体（space community）的大多数的成员接受作为“标准工艺（Process of Record，POR）”，但是也意识到其是具有潜在可靠性风险的边界不太可靠的工艺过程。
因此，需要更鲁棒的IC连接工艺。
概要
根据本公开的一个方面，提供了一种太阳能电池组件，包括:太阳能电池，其上形成有互联部件；互连件；和共熔合金的接合层，其在所述互连件和所述互联部件之间，用于接合所述互连件和所述互联部件。
在一实施例中，所述互联部件包括在所述太阳能电池上的金属部件和在所述金属部件的锗（Ge）层，所述互连件包括在其表面处的第一金（Au）层，并且所述接合层是由至少一部分所述第一金层和至少一部分所述锗层形成的共熔的Au-Ge合金层。
在另一实施例中，所述互联部件还包括在所述锗层之上的第二金层，并且其中，所述接合层是由至少一部分所述第一金层、至少一部分所述第二金层、和至少一部分所述锗层形成的共熔的Au-Ge合金层。
根据本公开的另一方面，提供了一种制造太阳能电池组件的方法，包括:提供太阳能电池，其上形成有互联部件，所述互联部件包括在所述太阳能电池的表面上形成的金属部件以及在所述金属部件之上形成的第一前体层；提供互连件，所述互连件包括在其表面处的第二前体层；在等于或超过所述第一和第二前体层的材料的共熔温度的温度，加热所述互连件和所述互联部件，并将其中的一个压向另一个，以使得至少一部分所述第一前体层和至少一部分所述第二前体层形成共熔液相；以及使所述共熔液等温固化以形成共熔合金的接合层。
在一实施例中，所述第一前体层是锗层；所述第二前体层是第一金层；所述共融液相是Au-Ge液相；并且所述接合层是共融的Au-Ge合金的接合层。
在另一实施例中，所述提供所述太阳能电池还包括在所述第一前体层之上形成第三前体层，其包括与所述第二前体层相同的材料，并且所述加热和压使至少一部分所述第二前体层、至少一部分所述第三前体层、和至少一部分所述第一前体层形成共融的液相。
从下面的参考附图的说明将理解本发明的另外方面、特征和优点。
附图说明
本申请包括附图，其构成本说明书的一部分，示出了本发明的实施例，并与说明书一起来解释本发明的原理。
图1是示出了根据本公开一个实施例的用于制造太阳能电池组件的方法的示例的示意性的截面图。
图2是示出了根据本公开一个实施例的太阳能电池组件的示例的示意性截面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明本公开的实施例。注意，在附图中，使用类似的附图标记来表示类似的要素，并因此省略其重复说明。
图1是示出了根据本公开一个实施例的用于制造太阳能电池组件的方法的示例的示意性截面图。
如所示的，提供了太阳能电池101，并且该太阳能电池具有在其表面上形成的互联部件。如上所述，太阳能电池101优选是空间级太阳能电池。
在一实施例中，该互联部件可以包括在太阳能电池之上形成的金属部件103以及在互联部件103之上形成的第一前体层107。互联部件103可以是接合垫盘或电极，并且可以包括银（Ag）作为其主要成分。第一前体层107可以包括锗（Ge）；然而本发明不限于此。
在某些实施例中优选在第一前体层107（例如，Ge层）和互联部件103之间提供阻挡层105，以用于抑制或避免来自互连垫盘103的元素（例如，Ag）扩散到第一前体层和由该前体层形成的所得到的接合层中。通常，阻挡层105可以由钛（Ti）或钯（Pd）等形成。作为示例，锗层可以通过如下来形成：将锗材料沉积到其上形成有金属部件（例如，垫盘或电极）的太阳能电池上，以及对所沉积的锗材料进行图案化以使在互联部件之上的锗层保留。至于用于第一前体层的其它合适的材料，本领域技术人员将容易理解本领域中已知的合适的形成其的方法。
提供互连件，该互连件上形成了第二前体层109。在一实施例中，该互连件可以包括主体部分和在该主体部分上的第二前体层109。换而言之，互连件可以包括在其表面处的第二前体层109。该主体部分可以由KovarTM材料形成，或更通常地，由钼、镍钴铁基合金材料、或镍铁合金材料形成。
第二前体层109可以包括金（Au）。作为在互连件的主体部分上形成第二前体层109的方法，可以采用多种方法，包括但不是限于，镀、无电镀、或沉积（例如，CVD、PVD）等。
在另一优选实施例中，互联部件可以还包括在第一前体层107上形成的第三前体层（未示出），用于防止第一前体层受周围环境的不利影响（例如，被氧化）。在这样的情况下，该第三前体层可以由与第二前体层相同的材料（例如，Au）形成。因此，可以通过图1中的附图标记109共同地表示第二和第三前体层。
互连件和互联部件可以被加热到等于或超过前体的共融温度的温度，同时它们中的一个被在一定压力下压向另一个，从而使得至少一部分第一前体层和至少一部分第二前体层可以形成共融的液相。在还提供了第三前体层的情况下，所述加热和压的步骤使至少一部分第二前体层、至少一部分第三前体层、和至少一部分第一前体层形成共融液相。
将以上述的金-锗（Au-Ge）二元系统作为示例给出原理上的详细说明。互连件被镀有Au层109，并且互联部件包括Ge层107和另外的Au层（如果有的话）。在该示例中，互连件和互联部件可以被加热到稍微超过Au和Ge的共融温度（约361°C）的温度，并且可以将压力设置为中等压力，例如，大约1,760,000帕斯卡（Pa）。一帕斯卡等于一牛顿每平方米，或，0.102千克力每平方米（Kgf/m2），或0.000145磅每平方英寸（psi）。以psi表示的话，该压力可以设置为大约254psi。在这种情况下，Au（其可以来自互连件的镀层（即，第二前体层），或者来自互连件的镀的Au层和互连部件的另外的Au层两者（即，第二和第三前体两者）），可以被扩散到Ge层（第一前体层）中，以便形成Au-Ge液相。也就是说，至少一部分Ge层和至少一部分Au层（第二前体层或者第二和第三前体层两者）形成共融液相。此时，该Au-Ge液相可以溶解残余的表面污染物，诸如氧化锗。优选的，互连件和互联部件的相应配合表面是不平坦的，从而其促进Au-Ge液体填充由于配合表面的不平而形成的空洞。随着时间Au的扩散继续，导致该液的等温固化。在某些实施例中，在固化期间热和压力可以继续施加。因此，形成共融合金，在该示例中，形成Au和Ge的共融合金。在冷却后，没有液相。理想地，在所得到的共融合金层和父层（如果剩余的话）（Au和/或Ge层之间的界面处可以存在连续的元素分布廓图。
在另一实施例中，可以在形成阻挡层（例如，Pd和/或Ti）和/或第一前体层（例如，Ge层）之前将所述金属部件退火，例如在205°C退火60分钟，以使得在电极表面处或接近电极表面处发生较少的垫盘（或，电极）的主要成分（例如，Ag）的金属扩散。该退火在电极和互连件接合之前完成，以避免这样的扩散，从而允许形成良好的欧姆接触。
尽管上述的说明以Au-Ge二元系统作为示例，然而本领域技术人员明白，上述的原理可以容易地适当应用到其它前体材料。
图2是示出了根据本公开一个实施例的太阳能电池组件的示意性截面图。
形成在互连件和互联部件之间的共熔合金层201作为接合层以将互连件和太阳能电池上形成的所述互联部件接合。如图2中所示，全部Au层109和Ge层107被转换到成共熔Au-Ge合金层，然而，并不总是如此，并且本发明也不限于此。如上面讨论的，在需要时，可以有部分的Au层109和/或Ge层107保留。
根据本公开的上述实施例，可以成功将互连件接合到太阳能电池，也即，接合到太阳能电池上形成的互连部件。对根据本公开的的一个示例制备的太阳能电池组件进行拉拔测试（pull test），发现由共熔合金层形成的接点（或者说，互连件和互连部件的接合）可以耐受约14.7N（其表示约1.5kgf的“拉拔强度（pull strength）”或更大的张应力。
根据本发明的实施例，可以极大增强太阳能电池组件的可靠性。不同于在多个热循环下由于多个相的摩蚀而疲劳的焊接接合，根据本公开实施例的接合并不呈现出多个相，并因此可以大大改善耐疲劳性。另外，可以在相对低的温度，例如，在稍高于前体材料的共熔点的温度，形成共熔合金接合层（或，接点）。这在解放热预算和简化工艺方面将是有用的。另外，根据本公开的某些实施例，仅需要中等压力，这使得工艺简单并降低了制造成本。此外，可以增加互连件和互联部件的接合的抗张强度。
此外，说明书和权利要求中的术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“在...之上”、“在...之下”等（如果有的话）用于描述性目的而并不必然用于描述永久性的相对位置。应理解，如此使用的这些术语在适当的环境下是可互换的，从而在此描述的本发明的实施例例如能够在与在此示出的或者以另外的方式描述的取向不同的其它取向中操作。
此外，本领域技术人员将认识到，上述的操作的功能性之间的分界仅仅是说明性的。多个操作可以被组合到单个操作中，单个操作可以分布在另外的多个操作中，并且操作可以至少部分时间交迭地执行。此外，替代实施例可以包含特定操作的多个实例，并且在多种其它实施例中操作的顺序可以被改变。
在权利要求中，词‘包括’或‘具有’并不排除权利要求中列出的之外的其它元件或步骤的存在。如在此所使用的，术语“一”（“a”或“an”）被定义为一个或更多个。此外，权利要求中的引入性的短语（诸如，“至少一个”和“一个或更多个”）的使用不应被认为是暗示了通过“一”（不定冠词“a”或“an”）的另一权利要求要素的引入将含有这样引入的权利要求要素的任何特定权利要求限制到仅含有一个这样的要素的发明，即使在同一权利要求包含引入性的短语“一个或更多个”或“至少一个”以及“一”（不定冠词“a”或“an”）时也是如此。对于定冠词的使用也是如此。除非以另外的方式说明，否则，诸如“第一”和“第二”的术语被用于在这样的术语所描述的要素之间任意地进行区分。因此这些术语并不必然表示这些要素的时间上的或其它的优先次序。在彼此不同的权利要求中引述了特定特征的事实并不表示不可以使用这些特征的组合来得到优点。
可以以多种方式实施本公开的太阳能电池组件及其制造方法。上述说明的方法的步骤的顺序仅仅是说明性的，并且除非另有具体说明，否则本公开的方法的步骤并不限于上面具体说明的顺序。注意，本公开的实施例可以彼此自由组合而不偏离本发明的精神和范围。
尽管已经利用示例详细说明了本发明的某些具体实施例，然而本领域技术人员应当理解上面的示例意图仅仅是说明性的而不是限制本发明的范围。应当理解，可以修改上面的实施例而不偏离应由所附权利要求限定的本发明的范围和精神。
Claims (19)
1.一种太阳能电池组件，包括:
太阳能电池，其上形成有互联部件；
互连件；和
共熔合金的接合层，在所述互连件和所述互联部件之间，用于接合所述互连件和所述互联部件。
2.根据权利要求1的太阳能电池组件，其中所述互联部件包括在所述太阳能电池上的金属部件以及在所述金属部件之上的锗（Ge）层，并且所述互连件包括在其表面处的第一金（Au）层，并且
其中所述接合层是由至少一部分所述第一金层和至少一部分所述锗层形成的共熔Au-Ge合金层。
3.根据权利要求2的太阳能电池组件，其中所述互联部件还包括在所述锗层之上的第二金层，并且
其中所述接合层是由至少一部分所述第一金层、至少一部分所述第二金层、以及至少一部分所述锗层形成的共熔Au-Ge合金层。
4.根据权利要求2的太阳能电池组件，其中所述共熔Au-Ge合金的接合层是通过如下形成的:
加热所述互连件和所述互联部件到等于或在Au-Ge共熔温度之上的温度并将它们中的一个压向另一个，以使得至少一部分所述第一金层和至少一部分所述锗层形成Au-Ge液相，以及
使所述Au-Ge液等温固化以形成共熔Au-Ge合金的所述接合层。
5.根据权利要求3的太阳能电池组件，其中共熔Au-Ge合金的所述接合层是通过如下形成的:
加热所述互连件和所述互联部件到等于Au-Ge共熔温度或在Au-Ge共熔温度之上的温度并将它们中的一个压向另一个，以使得至少一部分所述第一金层、至少一部分所述第二金层、以及至少一部分所述锗层形成Au-Ge液相，以及
将所述Au-Ge液等温固化以形成共熔Au-Ge合金的所述接合层。
6.根据权利要求4的太阳能电池组件，其中所述压的步骤在中等压力下执行。
7.根据权利要求1的太阳能电池组件，其中所述互联部件还包括直接形成在所述金属部件之上并且在所述共熔合金的接合层和所述金属部件之间的阻挡层。
8.根据权利要求1的太阳能电池组件，其中所述互联部件和所述互连件通过所述接合层的接合能够耐受14N或更大的张应力。
9.根据权利要求1的太阳能电池组件，其中所述太阳能电池组件适于用在航空航天应用中。
10.一种制造太阳能电池组件的方法，包括:
提供太阳能电池，太阳能电池上形成有互联部件，所述互联部件包括形成在所述太阳能电池的表面上的金属部件以及形成在所述金属部件之上的第一前体层；
提供互连件，所述互连件包括在其表面处的第二前体层；
加热所述互连件和所述互联部件到等于所述第一和第二前体层的材料的共熔温度或在该共熔温度之上的温度并将它们中的一个压向另一个，以使得至少一部分所述第一前体层和至少一部分所述第二前体层形成共熔液相，以及
将所述共熔液等温固化以形成共熔合金的接合层。
11.根据权利要求10的方法，其中:
所述第一前体层是锗层；
所述第二前体层是第一金层；
所述共熔液相是Au-Ge液相；并且
所述接合层是共熔Au-Ge合金的接合层。
12.根据权利要求10的方法，其中所述提供太阳能电池还包括:
提供其上形成有所述金属部件的太阳能电池；并且
在所述金属部件上形成所述第一前体层。
13.根据权利要求10的方法，其中所述提供太阳能电池还包括:
提供其上形成有所述金属部件的太阳能电池；
在所述金属部件上形成阻挡层；以及
在所述阻挡层上形成所述第一前体层。
14.根据权利要求10的方法，其中所述提供太阳能电池还包括在所述第一前体层之上形成第三前体层，所述第三前体层包括与所述第二前体层相同的材料，并且
其中所述加热和压的步骤使得至少一部分所述第二前体层、至少一部分所述第三前体层、以及至少一部分所述第一前体层形成共熔液相。
15.根据权利要求10的方法，其中所述压的步骤在中等压力下执行。
16.根据权利要求12的方法，其中所述提供太阳能电池还包括:
在形成所述第一前体层之前将所述金属部件退火。
17.根据权利要求13的方法，其中所述提供太阳能电池还包括:
在形成所述阻挡层之前将所述金属部件退火。
18.根据权利要求10的方法，其中所述互联部件和所述互连件通过所述接合层的接合能够耐受14N或更大的张力。
19.根据权利要求10的方法，其中所述太阳能电池组件适于用在空间应用中。
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2013
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Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
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