CN105027299B - 形成光伏电池的电组件的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种独立金属件及制作方法，其中所述金属件电铸在导电芯模上。所述金属件具有多个电铸元件，其被构造来充当光伏电池的电导管。第一电铸元件具有下列各项中的至少一个：a)沿所述第一元件的第一长度的非均匀宽度，b)在沿所述第一元件的所述第一长度的第一导管方向上的变化，c)沿所述第一元件的所述第一长度的膨胀区段，d)与所述多个电铸元件中的第二元件的第二宽度不同的第一宽度，e)与所述多个电铸元件中的所述第二元件的第二高度不同的第一高度，和f)被纹理化的顶部表面。
Description
相关申请案
本申请要求在2013年11月13日提交的标题为“Adaptable Free-StandingMetallic Article for Semiconductors”的美国专利申请案第14/079,540号的优先权；其是标题为“Free-Standing Metallic Article for Semiconductors”且在2013年3月13日提交的Babayan等人的美国专利申请案第13/798,123号的部分继续申请案，两个申请案为本申请的受让人所有且特此以引用的方式并入。本申请案还涉及标题为“Free-StandingMetallic Article With Expansion Segment”且在2013年11月13日提交的Brainard等人的美国专利申请案第14/079,544号，其为本申请的受让人所有且特此以引用的方式并入。
背景技术
太阳能电池是将光子转换为电能的装置。由电池产生的电能通过耦合至半导体材料的电接触件收集，且通过与模块中的其它光伏电池的互连布线。太阳能电池的“标准电池”模型具有半导体材料，其用于吸收输入太阳能且将其转换为电能，被放置在抗反射涂布(ARC)层下方及金属背板上方。电接触件通常用烧穿(fire-through)浆料制作至半导体表面，所述烧透浆料是被加热，使得浆料扩散穿过ARC层且接触电池的表面的金属浆料。浆料被大致图案化为一组指状物及汇流条，其随后用焊带焊接至其它电池以形成模块。另一种类型的太阳能电池具有半导体材料，其夹置在透明导电氧化物层(TCO)之间，其随后涂布最后一层导电浆料，所述导电浆料也被构造为指状物/汇流条图案。
在这两种类型的电池中，金属浆料(其通常是银)作用以实现水平方向上(平行于电池表面)的电流流动，允许制作太阳能电池之间的连接以形成模块。太阳能电池金属化最常通过将银浆料丝网印刷至电池上，固化浆料且随后跨经丝网印刷的汇流条焊接焊带而完成。然而，银相对于太阳能电池的其它组份是昂贵的，且可能占总成本的高百分比。
为了减小银成本，本领域中已知用于金属化太阳能电池的可替代方法。例如，已试图通过将铜直接电镀至太阳能电池上而用铜替换银。然而，铜电镀的缺陷是电池的铜污染，其影响可靠性。由于电镀所需的许多步骤(诸如沉积晶种层，施加掩模及将电镀区域蚀刻或激光刻划掉以形成期望图案)，在直接电镀至电池上时，电镀处理量及产率也可能是问题。用于在太阳能电池上形成电导管的其它方法包括利用平行线或包封电导线的聚合物薄片的构造且将它们放置至电池上。
发明内容
公开了一种独立金属件及制作方法，其中金属件电铸在导电芯模上。金属件具有多个电铸元件，其被构造来充当光伏电池的电导管。第一电铸元件具有下列各项中的至少一个：a)沿第一元件的第一长度的非均匀宽度，b)在沿第一元件的第一长度的导管方向上的变化，c)沿第一元件的第一长度的膨胀区段，d)与多个电铸元件中的第二元件的第二宽度不同的第一宽度，e)与多个电铸元件中的第二元件的第二高度不同的第一高度，和f)被纹理化的顶部表面。
附图说明
此处描述的本发明的每个方面和实施方案可单独使用或相互结合使用。现在将结合附图描述方面和实施方案。
图1示出一个实施方案中的示例性电铸芯模的透视图。
图2A至2C描绘用于制作独立电铸金属件的示例性阶段的横截面图。
图3A-3B是金属件的两个实施方案的俯视图。
图3C是图3B的截面A-A的横截面图。
图3D-3E是图3B的横截面的又进一步实施方案的部分横截面图。
图3F-3G是具有互连元件的金属件的实施方案的俯视图。
图4提供一个实施方案中具有可调适特征的金属件的俯视图。
图5是图4的截面C的示例性局部横截面。
图6是一个实施方案中的互连区域的详细俯视图。
图7A-7B是某些实施方案中的图4的截面D的垂直横截面。
图8示出用于具有可调适特征的实施方案的光伏电池的正面的金属件的俯视图。
图9是具有沿其长度的渐缩宽度的示例性网格线的详细俯视图。
图10A-10E是膨胀区段的各种实施方案的简化示意图。
图11示出用于具有可调适特征的实施方案的光伏电池的背面的金属件的俯视图。
图12图示示例性正面网状物和背面网状物之间的电池间互连。
图13示出具有形成模块总成的金属件的示例性光伏电池。
图14是用于使用本公开的金属件形成光伏模块的示例性方法的流程图。
具体实施方式
太阳能电池的金属化传统上使用电池表面上的丝网印刷银浆料以及利用焊料涂布的焊带的电池间互连实现。针对金属导管的给定纵横比，电阻与其占用面积成反比。因此，电池金属化或电池间互连设计通常为了最优化的太阳能电池模块功率输出而在遮蔽与电阻之间权衡。本公开的金属件(还应被称为网格或网状物)可用于取代传统银浆料及焊料涂布的焊带，并且具有可调适特征，其允许传统上需要功能要求之间的权衡的因素的脱离。
在Babayan等人的美国专利申请案第13/798,123号中，半导体(诸如光伏电池)的电导管被制作为电铸独立金属件。金属件独立于太阳能电池制作且可包括多个元件，诸如指状物及汇流条，其可作为单一件稳定地转移，且容易地对准至半导体装置。金属件的元件在电铸过程中彼此一体形成。金属件在电铸芯模中制造，其产生针对太阳能电池或其它半导体装置定制的图案化金属层。例如，金属件可具有网格线，所述网格线具有使太阳能电池的遮蔽最小化的高宽纵横比。金属件可取代传统的汇流条金属化及焊带串接用于电池金属化、电池间互连及模块制作。将光伏电池的金属化层制作为可在处理步骤之间稳定转移的独立组件的能力在材料成本及制造方面提供各种优点。
图1描绘美国专利申请案第13/798,123号的一个实施方案中的示例性电铸芯模100的一部分的透视图。芯模100可由导电材料(诸如不锈钢、铜、阳极化铝、钛或钼、镍、镍铁合金(例如，Invar)、铜或这些金属的任意组合)制成，且可被设计为具有足够面积来实现高电镀电流及实现高处理量。芯模100具有带预成形图案的外表面105，所述预成形图案包括图案元件110及112，且可针对将制作的电导管元件的期望形状定制。在本实施方案中，图案元件110及112是具有矩形横截面的槽或沟槽，但是在其它实施方案中，图案元件110及112可具有其它横截面形状。图案元件110及112被描绘为相交区段以形成网格型图案，其中在本实施方案中，多组平行线垂直于彼此相交。
图案元件110具有高度‘H’及宽度‘W’，其中高宽比界定纵横比。通过在芯模100中使用图案元件110及112以形成金属件，可针对光伏应用定制电铸金属件。例如，根据期望，纵横比可在约0.01与约10之间，以满足太阳能电池的遮蔽限制。
图案元件的纵横比以及横截面形状及纵向布局可被设计来满足期望规格，诸如电流容量、串联电阻、遮蔽损耗及电池布局。可使用任意电铸过程。例如，金属件可通过电镀过程形成。具体而言，因为电镀大致是各向同性过程，所以用图案芯模限制电镀来定制部件的形状是使效率最大化的显著改进。此外，虽然某些横截面形状在被放置在半导体表面上时可能不稳定，但是可通过使用芯模而制作的定制图案允许特征(诸如互连线)提供这些导管的稳定性。例如，在一些实施方案中，预成形图案可被构造为具有相交线的连续网格。这种构造不仅为形成网格的多个电铸元件提供机械稳定性，而且实现低串联电阻，因为电流散布在更多导管之间。网格型结构也可增大电池的稳固性。例如，如果网格的一些部分变得破损或无用，那么电流由于网格图案的形状而可围绕破损区域流动。
图2A至图2C是使用芯模制作金属层件中的示例性阶段的简化横截面图，如美国专利申请案第13/798,123号中公开。在图2A中，提供具有图案元件110及115的芯模102。图案元件115具有渐缩的垂直横截面，其朝向芯模102的外表面105更宽。渐缩垂直横截面可提供某些功能益处，诸如增大金属量来改进导电性或协助将电铸件从芯模102移除。芯模102经历电铸过程，其中示例性电铸元件150、152及154在图案元件110及115内形成，如图2B中所示。电铸元件150、152及154可例如仅为铜或铜的合金。在其它实施方案中，一层镍可首先电镀至芯模102上，之后电镀铜，使得镍提供抵挡成品半导体装置的铜污染的阻挡。可选地，额外镍层可被电镀在电铸元件的顶部以囊封铜，如通过图2B中的电铸元件150上的镍层160描绘。在其它实施方案中，根据期望，可使用多种金属在图案元件110及115内电镀多层，以实现将制作的金属件的所需性质。
在图2B中，电铸元件150及154被示为形成为与芯模102的外表面105平齐。电铸元件152图示其中元件可被覆盖电镀的另一个实施方案。针对电铸元件152，电镀继续直至金属在芯模102的表面105上方延伸。通常由于电铸的各向同性性质形成为圆形顶部的覆盖电镀部分可充当握柄以促进电铸元件152从芯模102提取。电铸元件152的圆形顶部也可通过例如作为反射表面来协助光收集而在光伏电池中提供光学优点。在未示出的另外其它实施方案中，除形成在预成形图案110及115内的部分外，金属件可具有形成在芯模表面105的顶部上的部分，诸如汇流条。
在图2C中，电铸元件150、152及154作为独立金属件180从芯模102移除。注意，图2A至图2C展现三种不同类型的电铸元件150、152及154。在各种实施方案中，芯模102内的电铸元件可皆为相同类型或可具有电铸图案的不同组合。金属件180可包括诸如将由图1的交叉件图案112形成的相交元件190。相交元件190可协助将金属件180制作为单一、独立件，使得它可被容易地转移至其它处理步骤，同时使个别元件150、152及154保持彼此对准。额外处理步骤可包括针对独立金属件180的涂布步骤及将它合并至半导体装置中的组装步骤。通过将半导体的金属层制作为独立件，整个半导体组装的制造产率将不会受金属层的产率影响。此外，金属层可独立于其它半导体层经历温度及处理。例如，金属层可经历高温过程或化学浴，其不会影响半导体组装的剩余部分。
当金属件180在图2C中从芯模102移除之后，芯模102可被再使以制造额外部件。与直接在太阳能电池上执行电镀的当前技术相比，能够再使用芯模102提供显著的成本减小。在直接电镀方法中，掩模或芯模形成在电池本身上，且因此必须在每个电池上建立且通常损毁。与需要图案化及随后电镀半导体装置的技术相比，具有可再使用的芯模减少处理步骤且节省成本。在其它传统方法中，将薄的印刷晶种层施加至半导体表面以开始电镀过程。然而，晶种层方法导致低处理量。相比之下，如此处描述的可再使用芯模方法可利用实现高电流能力的厚金属芯模，导致高电镀电流且因此高处理量。金属芯模厚度可为例如介于0.2mm至5mm之间。
图3A和图3B图示可通过电铸此处描述的芯模而制作的示例性金属层300a和300b的俯视图。金属层300a和300b包括在此处被体现为已通过导电材料中的大体平行槽形成的大体平行指状物310的电铸元件。金属层300b还包括在此处被体现为与垂直指状物310相交的水平指状物320的电铸元件，其中指状物310和320以大致垂直角度相交。在其它实施方案中，指状物310和320可以其它角度相交，同时仍形成连续网格或网状物图案。金属层300a和300b还包括框架元件330，其可充当汇流条以收集来自指状物310和320的电流。具有一体形成为金属件的部分的汇流条可提供制造改进。在现有高容量太阳能模块制作法中，电池连接通常通过将焊料金属焊带手动焊接到电池而实现。这由于手动处理和由焊料焊带在电池上施加的应力而通常导致破损或损毁的电池。此外，手动焊接过程导致高劳动力相关的制作成本。因此，如使用此处描述的电铸金属件所可能的，使汇流条或焊带已成形且连接至金属化层实现低成本、自动化制造法。
框架元件330还可提供机械稳定性，使得金属层300a和300b在从芯模移除时是单一、独立件。即，金属层300a和300b是单一的，即它们是单个组件，其中指状物310和320在与光伏电池或其它半导体总成分开时保持连接。框架元件330此外可在指状物310与320将附接到光伏电池时，协助维持它们之间的间隔及对准。框架元件330在图3A至图3B中被示出为跨金属层300a和300b的一个边缘延伸。然而，在其它实施方案中，框架元件仅可部分跨一个边缘延伸，或可以超过一个边缘为边界，或被构造为边缘上的一个或多个突片，或可驻留在网格本身内。此外，框架元件330可与指状物310和320同时被电铸，或在其它实施方案中，可在指状物310和320已成形后，在单独步骤中电铸。
图3C示出在图3B的截面A-A处截取的金属层300b的横截面。在本实施方案中，指状物310被示出为具有大于1的纵横比，诸如约1至约5，及诸如该图中的约2。具有大于宽度的横截面高度减少金属层300b在光伏电池上的遮蔽影响。在各种实施方案中，仅指状物310和320的一部分可具有大于1的纵横比，或指状物310和320的绝大部分可具有大于1的纵横比。在其它实施方案中，一些或所有指状物310和320可具有小于1的纵横比。指状物310的高度‘H’的范围可从例如约5微米到约200微米，或约10微米到约300微米。指状物310的‘W’的范围可从例如约10微米到约5mm，诸如约10微米到约150微米。平行指状物310之间的距离具有在每个指状物的中心线之间测量到的间距‘P’。在一些实施方案中，间距的范围可例如介于约1mm与约25mm之间。在图3B和图3C中，指状物310和320可具有不同宽度和间距，但是高度上大致相等。在其它实施方案中，指状物310和320可具有彼此不同的宽度、高度和间距，或可具有一些相同的特性或可具有所有相同的特性。可根据诸如光伏电池的尺寸、针对期望效率的遮蔽量或金属件是否将被耦合到电池的正面或后面的因素选择值。在一些实施方案中，指状物310可具有约1.5mm与约6mm之间的间距，且指状物320可具有约1.5mm与约25mm之间的间距。指状物310和320形成在芯模中，所述芯模具有形状和间距大体上与指状物310和320相同的槽。框架元件330可具有与指状物310和320相同的高度，或可为如图3C中的虚线所指示的较薄件。在其它实施方案中，框架元件330可形成在指状物元件310和320上方。
图3C也示出指状物310和320可大体上彼此共面，因为指状物310和320的绝大部分横截面积彼此重叠。与彼此上下编织的传统网状物相比，图3C中所描绘的共面网格可提供比相同横截面积的重叠圆线低的剖面。金属层300b的相交共面线也在电铸过程期间彼此一体形成，其为金属层300b的独立件提供进一步坚固性。即，一体元件被形成为单件，并且非由单独组件接合在一起。图3D和图3E示出共面、相交元件的其它实施方案。在图3D中，指状物310的高度比指状物320的高度短，但是被定位在指状物320的横截面高度内。指状物310和320分别具有底部表面312和322，其在本实施方案中对准诸如以提供平坦表面用于安装到半导体表面。在图3E的实施方案中，指状物310具有比指状物320大的高度，并且延伸超出指状物320的顶部表面。指状物310的绝大部分横截面积与指状物320的整个横截面重叠，且因此指状物310和320是共面的，如本公开中界定。
图3F和图3G示出另外其它实施方案，其中电铸金属件实现模块中的光伏电池之间的互连。典型模块具有许多串联连接的电池，诸如介于36至60个之间。通过使用焊料涂布铜焊带将一个电池的正面附接到下一个电池的背面而进行连接。以此方式附接焊带需求薄的焊带，使得焊带可围绕电池弯曲，而不破损电池边缘。由于焊带已经是窄的，所以使用薄焊带进一步增大电阻。互连通常也需要三个单独焊带，每个单独地焊接。在图3F的实施方案中，金属件350具有已与第一网格区域370一体电铸的互连元件360。互连元件360具有耦合到网格370的第一末端，并且被构造来延伸超出光伏电池的表面以允许连接至相邻电池。互连元件360取代将在电池之间焊接的单独焊带的需要，因此降低制造成本且实现可能的自动化。在示出的实施方案中，互连元件360是线性区段，但是其它构造是可能的。此外，互连元件360的数量可根据期望改变，诸如提供多个元件360以减少电阻。互连元件360可在电铸之后被弯曲或形成角度，诸如以在电池之间实现正面至背面连接，或可在芯模中制造为相对于网格370形成角度。
互连元件360的相对末端可耦合到第二区域380，其中第二区域380也可在导电芯模中作为金属件350的部分被电铸。在图3F中，第二区域380被构造为突片(例如，汇流条)，其随后可被电连接到相邻电池的电导管390。导管390在此处被构造为元件阵列，但是其它构造是可能的。例如，网格370可充当第一电池的前表面上的电导管，而网格390可为第二电池的后表面上的电导管。在图3G的实施方案中，金属件355具有替代汇流条型连接的网状物。金属件355包括第一区域370、互连元件360和第二区域390，其全部已经被电铸成单个组件，使得电池间连接已由金属件355提供。因此，金属件350和355不仅在一个光伏电池的表面上，而且在电池之间的互连上提供电导管。
通过电铸制成的金属件使得特征被定制，甚至进一步满足特定光伏电池的期望功能和制造需要。例如，金属件内的元件的个别形状可被定制，或金属件的一个区域中的元件可被设计有在几何结构上与另一区域中的元件不同的特征。此处描述的定制特征可单独使用或彼此结合使用。对电铸芯模的使用脱离整个电铸件的尺寸限制，使得可针对金属件内的特定区域对特征进行优化。此外，通过现有方法制作的金属件实现对特定类型的电池的定制，诸如低成本住宅对高效率电池。金属件的特征还允许对互连组件进行整合，使得将金属件用作电导管的太阳能电池为模块就绪的。此处描述的金属件所提供的金属化相比于具有相同占用面积的传统电池金属化提供更高的金属化容量和更低电阻，同时与基于银和基于焊带的金属化相比降低成本。金属件也促进轻质、抗凹陷的光伏电池设计。
图4示出具有适用于光伏电池的各个特征的实施方案的金属件400的俯视图。用虚线示出半导体衬底402，以展现金属件在光伏电池上的位置，其中金属件400在此处被构造为电池的正面的网格。然而，本文描述的特征可被应用到光伏电池的背面的电导管。在本公开中，对形成半导体装置或光伏电池的半导体材料的参考可包括非晶硅、晶体硅或适用于光伏电池的任何其它半导体材料。金属件也可被应用到除了光伏电池之外的其它类型的半导体装置。半导体衬底402在图4中被示出为具有圆形边角的单晶电池，也被称为伪方形形状。在其它实施方案中，半导体衬底可以是多晶的、具有完全正方形形状。半导体衬底402可在其表面上具有携带由衬底402产生的电流的电导管线(未示出)，诸如银指状物。根据传统的方法，可将银指状物丝网印刷至半导体衬底402。例如，银指状物可为与网格线410的方向垂直的线。金属件400的元件随后充当电导管，以携带来自银指状物的电流。在图4的本实施方案中，金属件400的网格线410(在图4中是水平的)和网格线420(在图4中是垂直的)电耦合到半导体衬底402(诸如通过焊接)，以收集电流并将电流递送至互连元件430和440。如在图3F至图3G中描述，互连元件实现太阳能模块的电池间连接。使用金属(诸如铜)制造金属件400比将银用于所有电导管的电池降低成本，并且还可由于改进的导电性提高电池效率。
图4的网格线410和420被示出为大致彼此垂直；然而，在其它实施方案中，它们彼此可成非垂直角度。虽然网格线410和相交网格线420二者能够携带电流，但是网格线410提供到互连元件430和440的最小电阻路径，并且将充当电流的主要载体。因此，网格线410还应被称为汇流条，而相交网格线420可被称为交叉构件。交叉构件420在强度和维护网格的尺寸规格方面为独立金属件400提供机械支撑。然而，交叉构件420还可充当电导管，诸如在汇流条410发生故障时提供冗余。在一些实施方案中，网格线410和420可分别具有互不相同的宽度412和422，诸如以优化机械强度或实现用于电池的期望填充因子。例如，网格线410的宽度412可小于网格线420的宽度422，使得网格线420为金属件400提供足够机械稳定性，而网格线410被定制来实现尽可能高的填充因子。在进一步实施方案中，某些网格线410可具有与其它网格线410不同的宽度，诸如以解决特定区域的机械强度或电容量。汇流条410的间距也可与交叉构件420不同或可在金属件400内的不同区域中彼此不同，以满足所需的装置导电要求。在一些实施方案中，可基于(例如)晶圆的银指状物设计、银丝网印刷过程的精度或所使用的电池类型来选择更粗或更细的网状物间距。
网格线410和420还包括边缘构件450和455，其被构造来位于太阳能电池的周长附近。例如，边缘构件450和455可位于离晶圆402的边缘1-3mm处。因为边缘构件450和455形成金属件400的周长，所以边缘构件450和455可比金属件400内的其它网格线410和420宽，以提供额外的结构支撑。在图4的实施方案中，边缘构件455被构造为与主边缘构件450形成角度的边角汇流条。即边缘构件450在沿长度的导管方向上有变化，诸如以适应本实施方案中的伪方形形状。该方向变化可通过电铸芯模来一体形成，且可包括定制边角汇流条455的宽度，用于改进机械强度并降低电阻损耗。位于金属件400的周长处的更宽汇流条450和455在将金属件400附接到半导体衬底402时还可提高搭接强度。
互连元件430和440位于金属件400的边缘附近，并且也可具有与金属件400的其它区域不同的宽度432和442。例如，互连元件430可具有比网格线410的宽度412大的宽度432。因此，宽度432从电池表面上的宽度限制脱离，且允许更低电阻，而不影响电池活动区域。因为电铸过程是各向同性的，所以增加的宽度432可导致互连元件430的更薄高度。图5示出图4中的截面C的垂直横截面，其示出元件410与元件430之间的示例性高度差。在图5中，网格线410具有比互连元件430的高度434大的高度414。即，晶圆边缘处的网格线410比更宽且更薄的互连430窄且高。更薄的互连430可通过提供大的表面积供电流流动而提高对疲劳失效(诸如在运输期间挠曲和暴露于环境力)的抵抗，同时最小化电压损耗。例如，在一些实施方案中，互连430的厚度或高度434可为40-120μm(诸如50-70μm)，而网格线410可具有100-200μm(诸如100-150μm)的厚度或高度414。
图6示出图4的互连元件440类似的示例性互连元件600的详细俯视图。互连元件600充当相邻电池的背面的焊盘，而互连元件610充当太阳能电池之间的电导管。应注意，互连600板式设计具有比传统焊料焊带大的表面积，诸如超过使用三个汇流条焊带的传统电池5倍或10倍。因此，互连600的设计通过提供低串联电阻和最小电压降而提高模块级的效率。例如，与图4的网格线410和420的50-100μm的宽度相比，互连元件600的宽度602可为5-10mm，诸如6-8mm。互连元件600的长度606可接近光伏电池的边缘长度，诸如多晶电池的整个边缘或单晶电池的边角之间的长度。互连元件600还可充当制造辅助，其用于从电铸芯模移除金属件，例如图4的金属件400。互连元件610可在电铸之后被弯曲或形成角度，诸如以实现电池之间的正面至背面连接。互连元件600和610可与网格线410和420一体形成，这可通过消除接合步骤而降低制造成本。在其它实施方案中，互连元件600和/或610可形成为单独件，且随后被接合到网格线410和420，诸如以允许具有不同网格设计的互连元件的可互换性。
互连元件600和610可具有与剩余的金属件400不同，与图5中示出的网格线410和互连元件430的高度差类似的高度(即，厚度)。在一些实施方案中，例如，互连元件610可具有50-70μm的高度，且互连元件60可具有40-100μm的高度。因为互连元件610在模块中的电池之间提供机械连接以及电连接，所以元件610可被定制成具有特定厚度以满足指定的挠曲测试要求。与传统电池的单焊带附接相比，还可增加元件610的数量，以提高可靠性和挠曲测试耐久性。增加数量的互连元件610还提供更大的电导管面积，且因此实现更少电阻。在一些实施方案中，已发现，具有高度为50-70μm的15-30个互连元件610的金属件比具有厚度为150μm的传统铜焊料焊带忍受超过十到一百倍的挠曲损坏循环数。
图6示出存在孔隙620的互连元件600的额外特征。孔隙620是通过互连元件600的厚度的开口，呈圆形、椭圆形或其它形状的孔或裂缝的形式。这些孔隙620允许在光伏电池总成的层压期间释放滞留空气，因此促进无空隙囊封。在一个实施方案中，虚线650a和650b表示半导体衬底的位置，其中衬底650a表示到光伏电池的正面的附接，而衬底650b是到相邻电池的背面的附接。衬底650a可被定位成(例如)从互连元件600的前缘605具有0.5-1.5mm的间隙651，而衬底650b可被定位成(例如)从边缘605具有1.5-2.5mm的间隙652。可在图6中看到，孔隙620的至少一部分保持暴露于电池之间，从而由于机械强度而允许模块层压材料(诸如，乙烯醋酸乙烯酯(EVA))穿过互连元件600。孔隙620还为层压材料内的任何气泡提供逃离路径。可选择孔隙620的数量和尺寸以促进层压过程，同时平衡互连元件600中需要的材料量，以满足电阻和机械强度需求。在一些实施方案中，例如，孔隙620的数量的范围可以从1到10，其中孔隙620具有0.5-5mm(诸如1-3mm)的宽度622，和1-6mm(诸如3-5mm)的长度624。孔隙620可具有内部边角，其被磨圆以最大化耐久性，同时允许密封剂的流动。
图7A至图7B示出诸如跨图4中的截面D中示出的网格线410的宽度截取的示例性电铸元件710和720的垂直横截面。横截面710和720与图2B的电铸元件150和152类似，且在图7A至图7B中呈现以展现可在本公开中并入金属件的顶部表面中的进一步定制特征。在图7A中，元件710具有带顶部表面715的矩形横截面，其中“顶部”指在安装在光伏电池上时的光入射表面。顶部表面715可被构造来促进网格线的光学性质，诸如提高光发射以及因此增强电池效率。在一些实施方案中，纹理化可以是用于增大捕获光的表面积的有意粗糙度。粗糙度可例如通过使纹理图案并入电铸芯模中而赋予。即，图1的预成形图案110可具有形成到芯模100中的纹理图案，其中顶部表面715将为通过预成形图案110的底部制造的表面。在另一实施方案中，纹理化可通过电铸过程本身制造。在一个示例性过程中，高电镀电流可用于快速电铸速率，诸如1至3μm/分钟的数量级。这种快速率可导致电铸芯模100的外表面105处粗糙的暴露表面。
在另外实施方案中，定制构造的顶部表面可为在形成电铸部件之后形成的特定表面光洁度。例如，图7B示出覆盖电镀元件720，在其顶部表面725上具有涂布层722。涂层722可包括一个或多个金属层，包括但不限于镍、银、锡、铅锡或焊料。例如，涂层722可例如制造平滑表面以改进圆形顶部表面725的反射率。将焊料作为涂层施加在顶部表面725或715上除了提供光学益处之外，也可协助实现用于接合的焊料回流。
虽然元件710被示出为具有矩形横截面，并且元件720被示出为具有矩形基底和圆形顶部，但是其它横截面形状是可能的，诸如具有圆形斜面的半球形或细长矩形。这些横截面形状可在金属件内相同或在金属件的不同区域之间变化。顶部表面的任意弯曲或圆形边缘在处于标准太阳能电池模块内的情况下，可用于将入射光偏射至电池或反射光以实现全内反射。表面可涂布高反射金属(诸如银或锡)，以增强偏射和反射二者，因此将有效网状物遮蔽区域减小到小于其占用面积。
图8示出另一金属件800的实施方案的俯视图，其示出可被定制的进一步特征。金属件800具有相交网格线810和820，其在绝大部分的金属件800上形成网状物构造，其中互连元件830和840位于网状物的一个末端处。网格线810具有沿其长度的非均匀的宽度，其中非均匀的宽度被设计到在其中制造金属件800的电铸芯模中。在图8的实施方案中，宽度812a比离互连元件840更近的宽度812b小，其为电池的电流收集端。该增加的宽度812b适应在该末端处的更高电流，因为电流由金属件跨其表面收集。因此，增加的宽度812b降低电阻损耗。还可在如先前描述的增加宽度的区域中根据期望调整网格线810的高度。
网格线的长度上的非均匀度可被设计，使得维持光伏电池的期望填充因子。例如，图9示出具有标称宽度910的示例性线性网格线900。标称宽度910可以是(例如)50μm至300μm。在本实施方案中，靠近网格线900的一个末端处(诸如远离互连区域940)的宽度908可比标称宽度910减少10-30％。靠近互连区域940的宽度912可比标称宽度910增加10-30％。因此，网格线910具有非对称渐缩，其中一个末端处的宽度减少和另一末端处的宽度增加导致相同的填充因子，因为网格线在其整个长度上具有标称宽度。
在一些实施方案中，图8和图9的非均匀宽度可出现在网格的长度上，或在其它实施方案中，可出现在一个或多个部分上。在进一步实施方案中，网格线810的宽度可在不同的部分增加或减少，而不是具有单一的渐缩率。此外，具有沿长度的非均匀宽度的特征可存在于金属件的一个、一些或所有网格线中。
返回图8，网格线810和820示出另一设计特征，因为除了改变宽度之外，还可更改纵向剖面的形状。在图8中，网格线810和820被构造有非线性图案，其允许网格线纵向膨胀，因此充当膨胀区段。图案由其中制造金属件800的电铸芯模形成。在图8的实施方案中，网格线810和820二者具有波形图案，平行于金属件800的平面定向，使得金属件呈现平坦表面用于接合到光伏电池。波形图案可被构造为例如正弦波或其它弯曲形状或几何结构。波形图案在焊料点之间提供额外长度，以允许金属件800膨胀并收缩，诸如以为金属件与其接合到的半导体衬底之间的热膨胀系数(CTE)的差异提供应力消除。例如，铜的CTE约是硅的五倍。因此，在涉及将子组件制造到成品太阳能电池的加热和冷却步骤期间，被焊接到硅衬底的铜金属件将经受显著应力。
波形图案被设计成允许金属件800的充分膨胀和收缩，以减少或消除诸如由于CTE差异而导致的弯曲或破损的问题。可选择膨胀区段的尺寸，以适应被使用的具体材料的CTE中的差异。在一些实施方案中，波形图案可具有(例如)200-300μm的振幅和1-10mm的波长，以比完全线性区段提供额外的长度。膨胀区段还可实现较低的焊料接头尺寸，这因此降低遮蔽，因为减少的应力需要更少的焊料接头强度。较低的接头尺寸还可实现更大的搭接过程窗口，从而提高可制造性和成本。应注意，虽然在图8中，所有网格线810和820被构造为膨胀区段，但是在其它实施方案中，仅某些网格线可被构造为膨胀区段。在另外进一步的实施方案中，仅单个网格的某些部分可被构造为膨胀区段，而剩余的长度是线性的。
图10A至图10E是在进一步实施方案中的膨胀区段的各种构造的俯视图。为了清楚起见，金属网格线在这些附图中被示出为单个管线。此外，虽然仅示出网格线的一部分，但是整个网格线可具有相同的图案，或可替代地，剩余的网格线可具有不同的图案，并且可在宽度上不同。在图10A中，汇流条1010a具有波形图案，而交叉构件1020a是线性的。该设计在汇流条1010a的方向上提供一维的CTE应力消除。汇流条1010a与交叉构件1020a相交的点应被称为节点1030a。焊盘1040a表示将附接到汇流条1010a的半导体晶圆上的银、锡或类似焊盘。焊盘1040a在这些附图中被示出为离散区域；然而，在其它实施方案中，它们可以是部分地或连续地跨半导体晶圆延伸的线。在图10A中，焊盘1040a可被定位在节点1030a之间。在其它实施方案中，焊盘1040a可被定位成对准节点1030a，或被定位在网格线1010a和1020a上其他地方。
图10B与图10A相同，除了搭接区域1050b已经形成于汇流条1010b上以外。搭接区域1050b提供增加的表面积用于接合到焊盘1040b，诸如以增加搭接强度并加大制造容差。例如，搭接区域1050b可被构造为如图所示的圆形焊盘或从汇流条1010b延伸的撑杆或其它形状。应注意，在图10A和图10B中，膨胀构件的方向是可互换的。即，交叉构件1020a/b可被构造有波形图案，而汇流条1010a/b可以是线性的。
在图10C中，汇流条1010c和交叉构件1020c二者均被构造为膨胀区段，因此允许二维的应力消除。汇流条1010c被接合到节点1030c之间的焊盘1040c。汇流条1010c和交叉构件1020c二者具有波形图案，其中汇流条1010c的周期1011c与交叉构件1020c的周期1021c相同。然而，汇流条1010c的振幅1012c不同于(在本实施方案中，大于)交叉构件1020c的振幅1022c。因此，可看到，汇流条1010c和交叉构件1020c可单独地相互定制。在其它实施方案中，金属件内的某些汇流条1010c可具有与汇流条1010c不同的振幅和周期。类似地，交叉构件1020c彼此可具有不同的振幅和周期。
图10D示出又一膨胀区段构造，其中汇流条1010d具有带位于节点1030d之间的中间直区段1013d的拱形区段1011d。在本实施方案中，交叉构件1020d是线性的。拱形区段1011d和直区段1013d之间的转换可被设计成弯曲的，因为缺少尖边角可促进金属件从电铸芯模移除，并减少应力点。在本实施方案中，直区段1013d具有跨焊盘1040d延伸的长度。直区段1013d可减少焊盘1040d处的应力量，因为将沿网格线1010d仅朝一个方向施加应力。直区段1013d还可减少使汇流条1010d与焊盘1040d对准所需的制造容差。在其它实施方案中，汇流条1010d还可包括节点1030d处的直线部分，以减少网格线1010d与1020d之间的相交点处的应力。
图10E示出进一步实施方案，其中汇流条1010e和交叉构件1020e具有在弯曲部分1011e与1021e之间交替的直区段1013e和1023e。图10E的实施方案使金属件能够在X方向和Y方向上提供CTE应力消除，同时也在节点1030e处提供垂直接头。
图11是用于太阳能电池的背面的示例性金属件1100的俯视图。在本实施方案中，金属件1100具有彼此大致垂直相交并间隔均匀的网格线1110和1120。在其它实施方案中，网格线1110和1120可成非垂直角度相交，并且可具有不同的间距。网格线1110和1120被构造有沿它们整个长度的膨胀区段，但是在其它实施方案中，网格线1110和1120可以是沿它们一部分长度或全部长度成线性的。金属件1100是对称的、水平的和垂直的，从而允许光伏电池以任何方位旋转以连接到相邻电池。在图11中，网格线1110和1120分别具有比电池的正面宽的宽度1112和1122。例如，与50μm至300μm的正面网格线宽度相比，宽度1112和1122可以是0.5-2mm。因此，金属件1100可比正面网状物提供超过2-5倍的铜，并且具有带最小电压降的非常低电阻。金属件1100还可以被制成较薄的，诸如是标准电池的一半厚度。
金属件1100还可具有较大边界，以充当焊接平台。形成金属件1100的周长的边缘构件1130和边角构件1140可具有与网格线1110和1120相同或不同的宽度。在图11的实施方案中，在网格线1110和1120满足金属件1100的周长(例如，边缘构件1130和边角构件1140)的节点处构造焊盘1150。焊盘1150比网格线1110和1120提供更大的表面积用于与太阳能电池的表面上的焊料区域对准。在本实施方案中，焊盘1150还包括径向撑杆1160，诸如以在节点处提供应力消除并为额外区域提供应力消除用于搭接。
图12示出在使用本公开的金属件的两个光伏电池之间示例性正面至背面电池间互连。电池1200具有被安装在正面的金属件1210，其中金属件1210在一个边缘处具有互连元件1220。金属件1210可以是例如图4或图8的金属网格。互连件1220被接合到电池1250的背面，其具有被构造为与图11类似的背面网状物的金属件1260。接合可例如通过焊接、熔接、超声波、导电黏合剂或其它电搭接方法而实现。将互连件1220搭接到金属件1260的汇流条1270，以用于电池1200和1250的串联。
图13图示在一个实施方案中如将被组装成模块的光伏电池1310、1320、1330和1340的总成1300。图13中示出四个电池，但是可根据期望在模块中利用任何数量的电池(诸如36-60个)。将每对相邻电池接合在一起，如关于图12所描述。然而，在图13的实施方案中，每个相邻的电池从前一个电池旋转90°。例如，电池1320从电池1310按顺时针方向旋转90°以连接到电池1330，并且电池1330从电池1320按顺时针方向旋转90°以连接到电池1340。在图13中的电池1310为模块1300提供正极端子1350，而电池1340提供负极端子1355。因此，已被公开的网状物设计可被设计成具有允许在电池上的各种定向的对称性，从而使模块内的电池能够根据期望以任何序列连接。组装电池1310、1320、1330和1340，其间具有与图6的间隙651和652类似的间隙1360。在囊封成品模块时，间隙1360允许挠曲整个模块，且还协助层压材料的流动。
图14是用于使用如上所述的金属件制造太阳能电池模块的方法的示例性流程图1400。在步骤1410中，使用导电芯模来电铸金属件。芯模具有一个或多个预成形图案，其中形成金属件。在一些实施方案中，金属件被构造来充当光伏电池内的电导管。在某些实施方案中，金属件可包括一体特征，以实现太阳能模块的光伏电池之间的连接。在其它实施方案中，互连特征可被单独制造且被接合到金属件。如果单独形成，那么互连特征可例如通过电铸或冲压片材材料而形成。在预成形图案内制成成品电铸金属件的至少一部分。金属件具有带定制特征的多个电铸元件，定制特征可包括下列各项中的一个或多个：a)沿第一元件的第一长度的非均匀宽度，b)沿第一元件的第一长度的导管方向上的变化，c)沿第一元件的第一长度的膨胀区段，d)与多个电铸元件中的第二元件的第二宽度不同的第一宽度，e)与多个电铸元件中的第二元件的第二高度不同的第一高度，和f)被纹理化的顶部表面。金属件可被构造来用作电网格线、汇流条、电池间互连和光伏电池的焊盘。
步骤1410可包括使电铸芯模的外表面与包括第一金属盐的溶液接触，其中第一金属可以是(例如)铜或镍。第一金属可形成整个金属件，或可形成其它金属层的金属前体。例如，包括第二金属的盐溶液可被电镀在第一金属上方。在一些实施方案中，第一金属可以是镍，并且第二金属可以是铜，其中镍提供对铜扩散的阻挡。可选地，第三金属可被电镀在第二金属上方，诸如第三金属是在第二金属铜上方的镍，其已经被电镀在第一金属镍的上方。在该三层结构中，铜导管被镍囊封，以提供对到半导体装置的铜污染的阻挡。在步骤1410中，电铸过程参数可以是：电流的范围(例如)从1到3000安培每平方英尺(ASF)，以及电镀时间的范围从(例如)1分钟到200分钟。可应用其它导电金属以提高黏合性，提高可湿性，充当扩散阻挡，或改进电接触件，诸如锡、锡合金、铟、铟合金、铋合金、钨酸镍或钨酸钴镍。
在金属件形成之后，在步骤1420中，将金属件从导电芯模分离以成为独立的、单一件。分离可涉及诸如手动或在工具协助下(诸如真空处理)，从芯模抬升或剥落制品。剥离可通过将互连元件(诸如图6的元件600)作为用于初始化并抬升金属件的握柄而促进。在其它实施方案中，移除可包括热冲击或机械冲击或超声能量，以协助从芯模释放制成部件。然后，通过如下文描述的那样附接并电耦合制品而将独立金属件形成到光伏电池或其它半导体装置。金属件到各个制造步骤的转移可在不需要支撑元件的情况下完成。
在步骤1430中，将金属件机械并电气耦合到半导体衬底。步骤1430可包括将正面网格耦合到半导体晶圆的正面，并且将背面网格耦合到晶圆的背面。所述耦合可以是焊接，诸如手动或自动化焊接。可将焊料施加到具体点处，诸如已经被印刷到晶圆上的银焊盘。在一些实施方案中，焊料可能被预先施加到所有或一些金属制品上，诸如通过电镀或浸渍。在步骤1430的耦合过程中，预先施加的焊料可能随后被回流。在其它实施方案中，焊料可以是活性焊料，并且可实现在晶圆的非金属化部分处的搭接，如标题为“Using an ActiveSolder to Couple a Metallic Article to a Photovoltaic Cell”且在2013年8月21日提交的美国临时专利申请第61/868,436号中所描述的，其为本申请案的受让人所有并以引用的方式并入本文。
在步骤1430中，将金属件接合到半导体可利用(例如)超声波、红外线、热压机或快速热处理技术。每次可对一个接头执行搭接，或可对晶圆的区域执行搭接，或可同时对整个晶圆执行搭接。金属件可包括膨胀区段，以减少可从在搭接过程中诱发的热应力发生的弯曲或破损。
半导体晶圆可经历步骤1430之前或之后的额外处理步骤，诸如以施加抗反射涂层。具体涂层将取决于所制造的电池的类型，并且可包括(例如)电介质抗反射涂层(诸如氮化物)或透明导电氧化物(诸如铟锡氧化物)。
随后在步骤1440中将制备的光伏电池连接在一起。可如关于图12和图13描述那样执行互连，以进行正面至背面连接。在其它实施方案中，电池可与正面至正面和背面至背面连接并行有线连接。
在步骤1450中，使模块总成层压在一起。在一些实施方案中，总成可包括衬背板，诸如聚氟乙烯(PVF)薄膜，其中将层压材料(例如，EVA)放置在衬背板上。将光伏电池放置在EVA板上，并且将另一EVA板放置在电池的顶部上。最终，玻璃板位于顶部EVA板上方。将整个层状堆叠放在层压机中，其中施加热和真空以对总成进行层压。为了完成模块，将电池的电连接有线连接到接线盒。
可见，此处描述的独立电铸金属件适用于各种电池类型，且可在太阳能电池的制造序列内的不同点插入。此外，电铸电导管可用在太阳能电池的前表面或后表面或两者上。此外，虽然已主要参考光伏应用描述此处的实施方案，但是方法及装置也可应用于其它电子及半导体应用，诸如重新分配层(RDL)、柔性电路。此外，流程图步骤可按可替代序列执行，且可包括未示出的额外步骤。虽然已针对全尺寸电池描述本描述，但是本描述也可适用于一半大小或四分之一大小电池。例如，金属件设计可具有适应仅具有一个或两个斜面边角而非如在单晶全伪方形中所有四个边角被斜切的电池的布局。
虽然已参考本发明的具体实施方案详细描述本说明书，但是将了解，本领域技术人员在理解上述内容时可易于构想这些实施方案的变更、变化及等效例。本发明的这些及其它修改及变化可由本领域普通技术人员实践，而不脱离更具体地在随附权利要求中说明的本发明的范畴。此外，本领域的普通技术人员将了解上文描述仅举例而言，且不旨在限制本发明。
Claims (30)
1.一种形成光伏电池的电组件的方法，所述方法包括：
将金属件电铸在导电芯模上，其中所述导电芯模具有包括至少一个预成形图案的外表面，其中所述金属件包括通过所述预成形图案形成的多个电铸元件；以及
将所述金属件从所述导电芯模分离，其中所述多个电铸元件互连，使得所述金属件在从所述导电芯模分离时形成单一、独立件；
其中所述多个电铸元件被构造来充当所述光伏电池的光入射表面的电导管；且
其中所述多个电铸元件包括第一元件，该第一元件构造成具有沿该第一元件的第一长度的至少一部分的第一膨胀区段，该第一膨胀区段具有选择为以适应所述金属件与所述光伏电池的半导体衬底之间的热膨胀系数的差异的尺寸；以及
其中所述第一元件进一步包括多个搭接区域，所述第一膨胀区段在这些搭接区域之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一元件具有沿所述第一元件的所述第一长度的非均匀宽度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述非均匀宽度是沿所述第一长度的渐缩宽度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述渐缩宽度朝向所述光伏电池的电流收集端增加。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一元件具有在沿所述第一元件的所述第一长度的导管方向上的变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一元件是汇流条，并且导管方向上的变化是被构造来位于伪方形光伏电池的边角附近的弯曲。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一膨胀区段具有被定向在平行于所述光伏电池的平面中的几何结构。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一膨胀区段被构造为波形图案。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述波形图案包括1-10mm的波长和200-300μm的振幅，以适应所述金属件与所述光伏电池的半导体衬底之间的热膨胀系数的差异。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一元件具有与所述多个电铸元件中的第二元件的第二宽度不同的第一宽度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一元件是汇流条，并且所述汇流条被定位在所述金属件的周长附近。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个电铸元件进一步包括在金属件的边缘处的电池间互连，并且所述电池间互连包括通过其厚度的孔隙。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述孔隙是多个孔或裂缝。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池间互连的厚度包括与所述多个电铸元件中的所述第一元件的第一高度不同的高度。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一元件具有被纹理化的顶部表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述纹理化包括有意粗糙度。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个电铸元件进一步包括第二元件，该第二元件被构造为具有沿着所述第二元件的第二长度的至少一部分的第二膨胀区段，以及其中所述第一和第二膨胀区段允许二维的应力消除。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一和第二元件被构造为相交于网格线。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一膨胀区段具有与第二膨胀区段不同的振幅和周期。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个电铸元件进一步包括形成所述金属件的周长的边缘构件。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述多个电铸元件进一步包括在第一元件满足所述周长的节点处的焊盘，以及其中该焊盘具有在所述节点处比第一元件大的表面区域。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述搭接区域具有大于所述第一元件的第一宽度的搭接区域宽度。
23.一种形成光伏电池的电组件的方法，所述方法包括下列步骤：
将金属件电铸在导电芯模上，其中所述导电芯模具有包括至少一个预成形图案的外表面，其中所述金属件包括通过所述预成形图案形成的多个电铸元件；以及
将所述金属件从所述导电芯模分离，其中所述多个电铸元件互连，使得所述金属件在从所述导电芯模分离时形成单一、独立件；
其中所述多个电铸元件被构造来充当光伏电池的光入射表面的电导管；且
其中所述多个电铸元件中的第一元件是具有第一高度的电池间互连；以及
其中所述多个电铸元件中的第二元件是所述光伏电池的表面的网格线，所述第二元件具有第二高度和纵向剖面，该纵向剖面包括沿着所述第二元件的第二长度的至少一部分的第二膨胀区段，其中该第二膨胀区段被构造为适应所述金属件与所述光伏电池的半导体衬底之间的热膨胀系数的差异，以及其中所述第一高度小于所述第二高度。
24.根据权利要求23所述的方法，其中：
所述第一元件具有第一宽度；
所述第二元件具有第二宽度；以及
所述第一宽度大于所述第二宽度。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一元件的第一高度包括所述第一元件的厚度，以及其中所述第一元件包括通过其厚度的孔隙。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述纵向剖面包括沿所述第二元件的渐缩宽度。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述第二膨胀区段被构造为波形图案。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述纵向剖面包括沿所述第二元件的第二长度的导管方向上的变化。
29.根据权利要求23所述的方法，其中所述多个电铸元件进一步包括第三元件，该第三元件被构造为具有沿着所述第三元件的第三长度的至少一部分的第三膨胀区段，以及其中所述第二和第三膨胀区段允许二维的应力消除。
30.根据权利要求23所述的方法，其中所述第二元件进一步包括多个搭接区域，所述第二膨胀区段在这些搭接区域之间。
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