CN105122463A - 使用体晶片的单片岛型背接触背结太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
根据所公开主题的一个方面，提供一种使用体晶片形成单片岛型背接触背结太阳能电池的方法。在具有光接收正面和与所述正面相对的背面的半导体晶片的背面上形成发射极和基极接触区。在所述晶片背面上形成第一级接触金属化且电绝缘背板与所述半导体晶片背面附接。在所述半导体晶片中形成隔离沟槽，使所述半导体晶片图案化成多个电隔离岛，且所述半导体晶片被减薄。在所述电绝缘背板上形成金属化结构，使得多个岛电连接。
Description
相关申请案的交叉引用
本申请要求2013年2月12日提交的美国临时专利申请61/763,580和2013年7月29日提交的美国临时专利申请61/859,602的权益，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文。
技术领域
本公开一般来说涉及太阳能光伏(PV)电池和模块的领域，且更具体来说涉及提供多种益处的单片岛型或瓦型光伏(PV)太阳能电池和相关模块。
发明背景
截至2012年，结晶硅光伏(PV)模块占到每年全球整体PV市场需求和累积全球安装的PV产能的大致至少85％。结晶硅PV的制造工艺基于使用结晶硅太阳能电池，从由直拉(CZ)硅锭或浇铸硅砖制成的单晶或多晶硅晶片开始。基于非晶硅的薄膜PV模块(例如CdTe、CIGS、有机和非晶形硅PV模块)可提供低成本制造工艺的可能性，但典型地与主流结晶硅PV模块(其可提供约14％至高达约20％范围内且主要在约14％至17％范围内的模块效率)相比，对于市售的薄膜PV模块提供低得多的转化效率(在STC下高达约14％的范围内的模块效率)，且与得到确认的结晶硅太阳能PV模块相比提供对现场可靠性的未经证明的长期追踪记录。前沿的结晶硅PV模块提供与各种其它PV技术相比优越的总体能量转化性能、长期现场可靠性、无毒性和生命周期可持续性。此外，近期的发展和进步已推动结晶硅PV模块的总体制造成本低于$0.80/Wp。破坏性的单晶硅技术—诸如使用可重复使用的结晶硅模板制造的高效薄单晶硅太阳能电池、薄(例如，结晶硅吸收体厚度为约10μm至高达约100μm，且典型地≤70μm)外延硅、使用背板附接/层压的薄硅支撑和多孔硅剥离技术—提供了在大规模制造规模下高效(在标准测试条件或STC下至少20％的太阳能电池和/或模块效率)且PV模块制造成本远低于$0.50/Wp的希望。
目前的结晶硅(或其它半导体吸收体材料)太阳能电池结构和加工方法在电池加工期间和/或之后以及在操作安装在现场的结晶硅PV模块期间常遇到与电池弯曲和电池破裂/破损相关的几种不利情况。太阳能电池加工常在半导体衬底上引起显著的应力(例如，热应力和/或机械应力)，这可导致热引发的翘曲和裂纹生成及扩散(通过热循环或机械应力)。弯曲或非平面的太阳能电池衬底在太阳能电池加工期间(诸如在加工结晶硅太阳能电池期间)带来了显著的挑战和制造良率可能下降，而且可能提出在制造过程期间需要施压使太阳能电池衬底和/或衬底边缘压到支撑衬底载体上来整平电池衬底。整平方案可使太阳能电池的制造过程变得复杂，导致制造成本增加和/或一些制造产量和良率受损。弯曲或非平面的太阳能电池衬底在模块层压期间以及随后也在现场PV模块操作期间可进一步导致电池产生微裂纹和/或破损问题(导致PV模块功率退化或损失)。这些问题在更大面积的太阳能电池中可能进一步加剧，诸如常用的156mm×156mm格式(正方形或伪正方形)太阳能电池。
此外，常规的太阳能电池，尤其是基于指叉型背接触或IBC设计的那些太阳能电池常需要相对厚的金属化图案—由于相对高的电池电流—这可增加电池加工的复杂性、增加材料成本且对电池半导体材料增加显著的物理应力。由太阳能电池正面和/或背面上相对厚(例如，对于IBC电池金属化而言在数个10微米的厚度范围内)的金属化图案引起的热应力和机械应力以及导电金属(例如，用于IBC太阳能电池的镀铜或用于常规前接触太阳能电池的丝网印刷含铝和/或含银金属化浆料)与半导体材料(例如，薄结晶硅吸收体层)之间的热膨胀系数或CTE错配在电池加工期间(即，在电池金属化期间和之后)和模块加工期间(在电池与电池互连和模块层压装配期间和之后)以及在现场操作安装的PV模块期间(即，由于天气条件、温度变化、风引起和/或雪载引起和/或与安装相关的模块弯曲应力)可实质上增加产生微裂纹、电池破损和电池弯曲的风险。
另外，结晶硅模块常使用相对昂贵的外部旁路二极管，这些旁路二极管必须能够处理约几个安培至高达约10安培范围内的相对高的正向偏置电流和约10伏特至20伏特范围内的相对高的反向偏置电压，以便排除由太阳能电池的部分或完全被遮蔽所导致的热点效应且防止所得的潜在太阳能电池和模块可靠性失效。由PV模块中的一个或多个被遮蔽电池的反向偏置导致的这些阴影引起的热点现象可永久性地损害受影响的PV电池以及PV模块封装材料和电池与电池互连，而且如果到达PV模块中PV电池表面的阳光部分受到阻碍或在PV模块中不足够均匀—例如由于一个或多个太阳能电池的完全或甚至部分遮蔽，甚至导致火灾隐患。旁路二极管常置放在PV模块的子串上—典型地是在具有三个20-电池子串的标准60-电池结晶硅太阳能模块中每个20太阳能电池子串一个外部旁路二极管或在具有三个24-电池子串的72-电池结晶硅太阳能模块中每个24太阳能电池子串一个外部旁路二极管，然而对于具有任意数量电池的模块来说，可能存在具有不同数量嵌入式太阳能电池的许多种其它模块格式和构造。这种在串联连接的电池串中具有外部旁路二极管的连接构造防止由于任何被遮蔽电池引起的反向偏置热点，并且使得PV模块可在各种现实生活遮蔽或部分遮蔽和沾污条件下在其整个寿命内以相对高度的可靠性进行操作。在不存在太阳能电池遮蔽或沾污的情况下，串中的每个电池基本上都充当与串联连接的电池串中的其它电池具有相对匹配的电流值的电流源，其中子串中的外部旁路二极管与模块中子串的总电压反向偏置(例如，串联连接串中的20电池在结晶硅PV系统中的旁路二极管上产生大致约10V至12V的反向偏压)。在串中的电池遮蔽下，被遮蔽电池受到反向偏置，开启含有被遮蔽电池的子串的旁路二极管，由此使得电流从未被遮蔽子串中的良好/未被遮蔽太阳能电池流入外部旁路电路中。尽管外部旁路二极管(典型地是标准主流60-电池结晶硅PV模块接线盒中包括的三个外部旁路二极管)在遮蔽电池的情形下保护PV模块和电池，但它们实际上也可以导致所安装的PV系统的功率采集和能量产率发生显著损失。
目前，大多数硅太阳能电池是使用p型(例如，硼掺杂)结晶硅晶片(多晶和单晶)制成的。这些电池易碎且可能容易断裂(且因此常常必须封装在硬质构架的玻璃覆盖的模块中)、遭受效率限制(典型的p型电池效率限制为约20％)、由于铁硼(Fe-B)和硼-氧(B-O)配对引起的效率退化(诸如光致退化或LID)。正在投入诸多工作来研发基础技术并转变成不遭受与p型起始晶片同样的退化且使得可产生与p型起始晶片相比更高效的电池的n型(例如，磷掺杂)起始晶片。
此外，大多数安装或产生的太阳能模块使用多晶或单晶硅太阳能电池，这些电池是前接触电池(具有正面或向阳面指状物和母线)。这些前接触电池可能遭受由正面金属化(包括金属化指状物和母线)引起的光学遮蔽损失。背接触架构避免了此问题。
最高效的背接触电池采用指叉型背接触(IBC)、背结架构，这使得在发射极与末端中收获的载体之间极为贴近，而且允许前表面轻度掺杂，这为电池提供了良好的蓝光响应。此外，用于背接触/背结(IBC)太阳能电池的n型晶片与p型晶片相比典型地提供高得多的少数载流子寿命，导致电池效率额外向上更高。
为了最佳的效率性能，背接触背结IBC太阳能电池典型地需要极高少数载流子寿命的晶片-因此寿命更高的n型晶片比p型晶片更适合IBC电池。这在很大程度上可能是由于所产生的少数载流子(例如，在n型晶片和n型IBC电池基极的情形下是电洞)行进至在位于电池后侧的发射极结处被收集的平均行程由于从受晶片或半导体吸收体层厚度控制的电池正面到后侧收集结末端的距离而相对较大。
尽管一定厚度的晶片(或半导体吸收体)有益于有效地收集一大部分红外线光子(诸如能量更接近结晶硅带隙能的那些光子)，但具有较大吸收体厚度的增值光吸收的恢复减少，而且对于所产生的少数载流子(倾向于复合损失)而言的体复合损失和行进距离增加导致电池的总体效率性能随着电池吸收体厚度增加超过一定最佳范围而恶化，例如对于单晶硅而言在约20至90μm的范围内，取决于起始的晶片质量(少数载流子寿命或扩散长度)。相应地，就电池效率性能而言，约20至90μm之间的结晶硅吸收体厚度可能最佳-实际的最佳厚度值取决于如通过少数载流子寿命或扩散长度所测量的吸收体材料质量，而且可能略小于20μm或大于90μm。对于使用极薄晶片(例如，对于156mm×156mm晶片而言<120μm厚度)生产高效结晶硅电池的实际限制在于这些晶片在整个电池制造过程(以及后续的模块层压过程)中的机械产率。机械产率可能由于这些薄晶片在电池制造过程和处理(诸如丝网印刷和湿加工)期间断裂以及由于过度的薄膜应力或过度弯曲断裂而减小，尤其由于背接触电池典型地需要极厚的高电导率(例如，镀铜)背面金属化(常常是数十微米厚的镀铜以在低电压下运载相对大的电池电流穿过指叉型背接触IBC指状物)。
对这种厚金属化的需求常需要使用镀敷(诸如电镀)Cu或金属结构的Ni、Cu和Sn的堆叠。向生产中引入电镀(包括电镀铜)已成为太阳能公司的一项实质性技术挑战，不仅仅是因为来自电镀溶液的金属对硅吸收体层的内部金属污染或在进一步加工或老化期间的固有风险。此外，对于IBC电池而言，镀铜可能需要多个加工步骤(例如：形成PVD晶种层、丝网印刷的抗蚀剂图案、铜-镍-锡电镀、剥除抗蚀剂图案、湿式蚀刻暴露的晶种)且具有显著的消耗性成本以及额外的工厂设施CAPEX/OPEX成本来支持后期电镀线。IBC电池对于相对厚的镀铜金属化的需求在由于相对厚(例如，30至80μm厚)的镀铜层与硅之间的热(CTE)错配而由厚铜引起的应力方面也呈现出显著的风险。
这些限制以及其它方面使所需背接触IBC电池架构保持相对高的制造成本且大量采用受到限制。
发明概要
因此，需要高效的太阳能电池制造方法和设计。根据公开的主题，提供单片岛型太阳能电池和模块的方法和结构。这些创新实质上减少或排除了与先前研发的太阳能电池相关的不足和问题。
根据所公开主题的一个方面，提供一种使用体晶片形成单片岛型背接触背结太阳能电池的方法。在具有光接收正面和与所述正面相对的背面的半导体晶片的背面上形成发射极和基极接触区。在晶片背面上形成第一级接触金属化且电绝缘背板与半导体晶片背面附接。在半导体晶片中形成隔离沟槽，使半导体晶片图案化成多个电隔离岛，且半导体晶片被减薄。在电绝缘背板上形成金属化结构，使多个岛电连接。
本文公开的创新方面的技术优势包括(但不限于)：柔性增强和裂纹减轻；电池弯曲减少和平面度改良；电压按比例增加和电池电流按比例减小，导致欧姆损失减小；以及电池金属化厚度要求减小。
公开主题的这些和其它优势以及其它新颖特征将由本文提供的描述而明显。本发明概要的意图并非综合性描述主题，而是提供对于一些主题功能的简短概述。本文提供的其它系统、方法、特征和优势将通过检查下文图式和具体实施方式而为本领域技术人员所明白。预期本说明书中包括的所有这些其它系统、方法、特征和优势都在权利要求书的范畴内。
附图说明
公开主题的特征、性质和优势根据下文结合图式进行时描述的具体实施方式可能变得更明显，其中类似的参考数字表示类似的特征且其中：
图1是正方形单岛主电池的顶视图的图；
图2是正方形4×4岛型正方形主电池(或岛型电池“icell”)的顶视图的图；
图3A和3B是显示在包括隔离沟槽形成的太阳能电池加工步骤后背板附接的太阳能电池的横截面图；
图4是使用外延硅剥离加工制造背板附接的太阳能电池的代表性加工流程；
图5A至5C是用于形成背接触背结太阳能电池的制造加工流程。图5A显示基于外延硅和多孔硅剥离加工的加工流程，图5B显示基于起始的结晶硅晶片的加工流程，且图5C显示基于外延硅和剥离加工的加工流程；
图5D和5E是显示背板附接的太阳能电池的横截面图；
图6A和6B分别是正方形3×3和5×5岛型正方形icell的顶视图的图；
图7A和7B是三角形8岛型正方形icell实施方案的顶视图的图；
图7C、7D和7E分别是三角形16、36和32岛型正方形icell实施方案的顶视图的图；
图8是显示具有边缘效应的典型太阳能电池的等效电路模型的示意图；
图9A是显示在正方形4×4岛型icell上形成的无母线第一金属化层图案(M1)的背面视图的图且图9B是一部分图9A的扩展视图；
图10A和10B是显示分别在正方形3×3和5×5岛型icell上形成的无母线第一金属化层图案(M1)的背面视图的图；
图11A是显示在三角形36岛型icell上形成的无母线第一金属化层图案(M1)的背面视图的图且图11B是一部分图11A的扩展视图；
图12A是显示在正方形5×5岛型icell上形成的第二金属化层图案(M2)的背面视图的图且图12B是一部分图12A的扩展视图；
图13是显示具有指叉型锥形基极和发射极指状物的第二金属化层图案(M2)单元电池的背面视图的图；
图14A是显示在正方形4×4岛型icell上形成的第二金属化层图案(M2)的背面视图的图且图14B是一部分图14A的扩展视图；
图15A和15B是显示分别在正方形3×3和5×5岛型icell上形成的第二金属化层图案(M2)的背面视图的图；
图16A是岛型主电池(icell)的顶视图的图，每个岛具有单片集成的旁路开关(MIBS)；
图16B和16C是详示一个岛(或单元电池，诸如图16A中的I11)的背接触/背结太阳能电池的MIBS周缘或全外周二极管太阳能电池实施方案的横截面图；
图17是显示全串联电连接icell的示意图；
图18A和18B是显示具有全串联电连接和混合并联-串联电连接4×4岛阵列(图18B的设计称为2×8HPS设计)的icell的示意图；
图18C是显示具有混合并联-串联电连接的8×8岛阵列(称为8×8HPS设计)的icell的示意图；
图19A、19B和19C分别显示图18A、18B和18C的icell上的阴影管理开关的位置；
图20是伪正方形主电池衬底的顶视图的图；
图21是显示具有混合并联-串联电连接的伪正方形icell的示意图；
图22是显示具有全串联电连接的伪正方形icell的示意图；
图23A和23B是显示主电池概况和发射极与基极母线视岛的数量和M2互连设计而定的相对位置的示意图；
图24至27是描述60-电池模块连接设计的示意图；
图28A和28B是显示使用与混合的并联-串联icell相比包括全串联icell的60-电池PV模块的600VDCPV系统的模块连接的示意图；
图29A和29B是显示使用与混合的并联-串联icell相比包括全串联icell的60-电池PV模块的1000VDCPV系统的模块连接的示意图；
图30是具有4×4子电池阵列的单片岛型太阳能电池的图；
图31是电池厚度相对于开路电压的图表；
图32是少数载流子寿命相对于硅厚度的图表；
图33是说明高水平太阳能电池构建模块的加工流程图；
图34A至34D是用于制造不具有FSF或BSF的指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图35A至35D是用于制造具有掩埋的BSF的指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图36A至36D是用于制造具有掩埋的BSF的指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图37A说明显示一种在晶片分割之前包括晶片减薄步骤的工艺的横截面图；
图37B说明显示一种在晶片减薄之前及在晶片减薄和纹理化之后包括部分晶片分割的工艺的横截面图；
图38A至38D是用于制造具有激光掺杂的FSF的指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图39A至39D是用于制造具有脉冲激光FSF的指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图40A至40D是用于制造具有离子注入FSF的指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图41A至41D是用于制造具有气体浸没FSF的指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图42是一种用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中使用PV-Al/NiV来脉冲ns激光刻划隔离沟槽；
图43是一种在预蚀刻的厚硅上使用脉冲ns激光刻划隔离沟槽的用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案；
图44A是显示直接氧化物烧蚀硅层上的BSG(或PSG)层的横截面图；
图44B是显示在硅层上的BSG9或PSG层上烧蚀硬掩模层的横截面图；且
图45至49显示用于制造背板附接的背接触太阳能电池的几个代表性加工流程实施方案。
具体实施方式
以下描述不以限制性意义理解，而以描述本公开的一般原则为目的进行描述。本公开的范畴应参考权利要求书来确定。图式中说明本公开的示范性实施方案，类似数字用来指各图中的类似和相应部件。
重要的是，提供关于实施方案所公开的示范性尺寸和计算值作为对于具体实施方案的详细描述且在根据所公开的主题来形成和设计太阳能电池时用作一般性指引。
而且尽管参考具体实施方案来描述本公开，诸如背板附接的/背接触太阳能电池，诸如使用单晶硅衬底和其它所述制造材料的指叉型背接触(IBC)太阳能电池，但本领域技术人员可在无过度实验的情况下将本文论述的原则应用于其它太阳能电池(包括(但不限于)非IBC背接触太阳能电池(诸如金属化穿孔卷绕(金属化Wrap-Through)或MWT背接触太阳能电池))、传统的前接触电池、其它制造材料(包括替代性半导体材料(诸如包括硅、砷化镓、锗、氮化镓、其它二元和三元半导体等之一或组合的材料))、技术领域和/或实施方案。
此外，尽管岛型(也称为瓦型)主电池架构(本文中也称为icell，是岛型电池的缩略词)和代表性制造加工流程描述是参考在可重复使用的单晶模板和柔性背板上使用多孔硅剥离加工形成的薄外延硅背接触/背结IBC太阳能电池进行描述，但本文公开的新颖概念和实施方案也可以适用并有效地用于多种其它类型的太阳能电池(和得到的太阳能PV模块)，包括(但不限于)：
-在可重复使用的多晶模板和柔性或刚性背板上使用多孔硅剥离加工形成的薄外延硅背接触/背结IBC太阳能电池；
-在可重复使用的单晶模板和相对刚性背板上使用多孔硅剥离加工形成的薄外延硅背接触/背结IBC太阳能电池；
-在可重复使用的多晶模板和柔性或刚性背板上使用多孔硅剥离加工形成的薄外延硅异质结(SHJ)太阳能电池；
-使用线锯(wire-sawn)直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和柔性背板形成的背结/背接触IBC太阳能电池；
-使用线锯直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和刚性背板形成的背结/背接触IBC太阳能电池；
-使用线锯浇铸或条带多晶晶片和柔性背板形成的背结/背接触IBC太阳能电池；
-使用线锯浇铸或条带多晶晶片和刚性背板形成的背结/背接触IBC太阳能电池；
-使用线锯浇铸多晶晶片和柔性背板形成的背接触非IBC(例如，金属化穿孔卷绕或MWT)太阳能电池；
-使用线锯浇铸多晶晶片和刚性背板形成的背接触非IBC(例如，金属化穿孔卷绕或MWT)太阳能电池；
-使用线锯直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和柔性背板形成的背接触非IBC(例如，金属化穿孔卷绕或MWT)太阳能电池；
-使用线锯直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和刚性背板形成的背接触非IBC(例如，金属化穿孔卷绕或MWT)太阳能电池；
-使用线锯直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和柔性背板形成的半导体异质结(SHJ)太阳能电池；
-使用线锯直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和刚性背板形成的半导体异质结(SHJ)太阳能电池；
-使用线锯直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和柔性背板形成的前接触太阳能电池；
-使用线锯直拉(CZ)或浮区(FZ)单晶晶片和刚性背板形成的前接触太阳能电池；
-使用线锯浇铸单晶晶片和柔性背板形成的前接触太阳能电池；
-使用线锯浇铸单晶晶片和刚性背板形成的前接触太阳能电池；和
-使用除结晶硅以外的不同半导体材料的任何上述太阳能电池。
术语岛(isle)、岛(island)、瓦(tile)、铺筑材料(paver)、子电池和/或微型电池在本文中可互换使用来描述从附接至普通或连续背板层或薄板的主电池衬底(即，初始的连续半导体衬底)单片形成的电隔离和物理隔离个别半导体区。术语岛型主电池、icell或改进主电池指的是由相同原始的半导体衬底层形成的多个岛或子电池和后来改进的岛型太阳能电池。形成微型电池的原始半导体层或衬底可称为主电池。
此外，术语背板在本文中可用来描述电池背面上的材料组合-诸如与太阳能电池背面附接的金属化层和电绝缘层-对主电池(及其多个岛或微型电池)提供机械和结构支撑，并使得能够设计先进的太阳能电池互连。或者且在一些情形下，术语背板可用来描述在太阳能电池背面上形成并定位的材料层，诸如电绝缘柔性预浸料层，因此使得在电池背面上实现包括至少两个金属化层的太阳能电池金属化结构。背板层可由刚性或柔性的材料薄板制成(例如，背板薄板厚度在高达约250微米的范围内)。对于涉及背接触太阳能电池(包括指叉型背接触-IBC或金属化穿孔卷绕-MWT)的应用来说，背板层可由电绝缘材料(柔性或刚性材料)制成。对于涉及前接触太阳能电池的应用来说，背板层可带电或导电。在大多数情形下，术语背板指的是支撑材料的连续薄板，包括(但不限于)可以是柔性或刚性的预浸料材料薄板。结合根据公开的主题使用柔性背板薄板也使得可以将太阳能电池封装在柔性的轻量PV模块中(正面或正面与背面不需要更重的玻璃盖薄板)。
本申请提供用于单片岛型太阳能电池和模块的各种结构和方法。术语单片集成电路用来描述制成到一片半导体材料层(也称为半导体衬底)上的多个半导体装置和相应电互连。因此，典型地在半导体材料(诸如结晶硅)的连续薄片或薄层上制造单片集成电路。本文所述的单片icell结构是单片半导体集成电路，因为集成子电池完全在一片半导体衬底层(来自起始半导体晶片或通过气相或液相生长方法(诸如外延沉积)形成的生长半导体层)上形成或制造。此外，与半导体衬底层背面附接的连续背板组合使得可进行根据所公开主题的单片集成icell实施方案。
由一层初始的连续半导体层或衬底形成物理隔离或区域隔离的岛(即，初始的半导体衬底被划分成支撑在共享的连续背板上的多个衬底岛)-因此得到的岛(例如，使用沟槽隔离区或穿过半导体衬底的切口彼此隔离的沟槽)是单片的-附接至连续背板(例如，柔性背板，诸如电绝缘预浸料层)并由其支撑。完整的太阳能电池包括多个单片集成岛或微型电池，在某些情形下附接至柔性背板(例如，由预浸料材料制成的背板，例如具有相对良好的与半导体衬底材料匹配的热膨胀系数或CTE)，提供增加的太阳能电池柔性和柔韧性，同时抑制或甚至排除半导体衬底层中的微裂纹产生和裂纹扩散或破损。此外，柔性单片岛型(或岛的单片集成组)电池(也称为icell)在整个太阳能电池加工步骤和最后的太阳能电池金属化期间提供改良的电池平面度和相对小或可忽略的电池弯曲，所述加工步骤诸如任何任选的半导体层减薄蚀刻、纹理蚀刻、纹理后清洁、PECVD钝化和抗反射涂层(ARC)工艺(而且在一些加工实施方案中，由于减轻或排除了热引发的电池翘曲，也使得可以对衬底进行向阳面朝上的PECVD加工)。尽管本文公开的太阳能电池可用来生产覆盖有刚性玻璃的PV模块，但本文公开的结构和方法也使得可以由单片岛型主电池(即，icell)形成柔性的轻量PV模块，其在模块层压期间以及也在PV模块现场操作期间实质上减少或排除太阳能电池微破裂。这些柔性的轻量PV模块可用在各种市场和应用中，包括(但不限于)住宅屋顶(包括住宅建筑集成化光伏或BIPV屋顶木瓦/瓦片)、商业屋顶、地面装配的公共设施规模的发电厂、便携式且可运输的PV发电机、汽车(诸如太阳能PV天窗)和其它特色应用。
本文公开的创新方面尤其可个别地或组合提供以下优势：
-岛型太阳能电池(icell)使得可基于电池岛/瓦(或子电池)的数量(例如，N×N阵列)来缩放太阳能电池的电压和电流的比例，尤其按比例增加太阳能电池的电压(换句话说，增加主电池的输出电压)和按比例减小太阳能电池的电流(换句话说，减小主电池的输出电流)，在多种其它优势中尤其包括减少金属化薄板电导或厚度要求(因此，减少金属化材料和加工成本)、降低对诸如嵌入式阴影管理二极管(例如，较低额定电流的肖特基或pn结二极管)或嵌入式最大功率点追踪(MPPT)功率优化器(诸如嵌入式MPPT直流对直流微型转换器或MPPT直流对交流微型逆变器)的相关嵌入式电力电子部件的最大额定电流要求。这可以减小诸如旁路开关的嵌入式电力电子部件的尺寸(例如，封装和/或封装厚度)和成本(具有较高额定电流的旁路开关与具有较低额定电流的旁路开关相比典型地具有较高的成本)，而且由于电流减小(例如，在旁路开关启动且正向偏置来保护被遮蔽的太阳能电池时流经旁路开关)，改良嵌入式电力电子装置(诸如用于分布式的阴影管理的旁路开关或用于从PV模块的分布式增强电力/能量收集的MPPT功率优化器)的性能。较低额定电流(例如，约1至2A)的肖特基势垒二极管典型地比10A至20A的肖特基势垒二极管成本低得多，可具有小得多的封装且消耗少得多的电力。本文公开的实施方案(例如，对于主电池或icell使用N×N岛)(其中icell电互连构造成用来提供较高的电池电压(高达N×N的按比例增加系数)和较低的电池电流(高达N×N的按比例减小系数))可减小得到的太阳能电池电流，同时增加同一太阳能电池电源的太阳能电池电压，以使得可使用成本较低、较小且电力消耗较少的旁路二极管。举例而言，考虑最大功率点电压Vmp≈0.60V且最大功率点电流Imp≈9.3A(其中太阳能电池产生Pmp≈5.6W的最大功率点功率)的结晶硅主电池或icell。具有5×5阵列微型电池(N＝5)的主电池或icell(所有岛或子电池都电串联(S＝25)连接，例如使用如本文进一步描述的在太阳能电池背面上的第一级金属(M1)和电绝缘背板层上的第二级金属(M2)的组合)将产生Vmp＝15V且Imp＝0.372A的改进电池-换句话说，主电池或icell的电压以25的系数按比例增加且主电池或icell的电流以同样25的系数按比例减小(与具有相同主电池尺寸但不具有本文公开的icell结构的太阳能电池相比)。
-由于具有较高电压和较低电流的主电池(icell)由多个岛或微型电池制成，因此具有诸如动态范围响应的优越性能的具有较高转化效率、嵌入式/分布式的较低成本和较小的封装最大功率点追踪(MPPT)功率优化器(直流对直流或直流对交流)芯片可嵌入模块层压板中和/或直接在太阳能电池的背面上集成(例如，在本文公开的背板附接的icell的背板上)。在一个实施方案中，icell可使用廉价的单芯片MPPT功率优化器(直流对直流微型转换器或直流对交流微型逆变器)。
-允许廉价实施分布式的电池级的集成阴影管理，每个icell连接一个嵌入式旁路开关，现场为安装的PV模块提供较高有效的能量产率。在一个实施方案中，这可以包括沿每个岛外周形成的单片集成旁路开关(MIBS)，以使得在部分遮蔽期间只有受影响/被遮蔽的瓦或微型电池被分流，而剩余的瓦或微型电池产生并传递电能。
-岛型太阳能电池(icell)的电流按比例减小-例如，以N×N岛的系数减小-由于欧姆损失减少而使得所需的图案化金属化薄板电导和厚度减小。换句话说，金属化薄板电导和厚度要求由于欧姆损失实质性减少而放松。较薄的太阳能电池金属化结构具有多种与太阳能电池加工相关的益处，而且可提供显著的制造成本减少(例如，每个电池需要的金属化材料少得多)以及减少与相对厚(例如，对于指叉型背接触或太阳能电池而言为数个10微米)的金属化结构和导电金属与半导体材料之间的CTE错配相关的热应力和机械应力。金属化材料(诸如铜或铝)与半导体材料相比通常具有高得多的CTE。举例而言，铝、铜和银(高电导率金属)的线性CTE分别为约23.1ppm/℃、17ppm/℃和18ppm/℃。然而，硅的线性CTE为约3ppm/℃。因此，在这些高电导率金属化材料与硅之间存在相对大的CTE错配。金属化材料与硅之间的这些相对大的CTE错配可导致严重的电池制造产率和PV模块可靠性问题，尤其在对太阳能电池使用相对厚的金属化结构时(诸如在IBC太阳能电池中使用的厚镀铜)。
-在多层金属化图案中，诸如本文中关于指叉型背接触(IBC)太阳能电池所述的双层金属化图案，由于icell架构的电流和电压按比例变化，可将例如包括铝或铜的第二级金属(M2)制得薄得多，且因此无需湿镀且使用对电池实质上具有较小机械应力且对电池具有较小化学侵入的工艺(例如，干式加工方法，诸如物理气相沉积-PVD，诸如金属蒸发和/或等离子体溅射-或金属浆料丝网印刷或通过喷墨印刷来印刷金属油墨等)来沉积。
-在某些情形下，形成背板的材料(诸如预浸料)的成本随使用多个柔性岛的icell架构降低/放松对预浸料的CTE要求而减少(例如，通过放松对背板层和半导体衬底之间的相对CTE匹配要求)。背板薄板与半导体衬底之间的相对CTE匹配要求随着越来越少的连续电池区域附接至背板而降低(因为沟槽隔离区将半导体衬底在连续背板薄板上划分成多个岛或子电池)-与连续背板附接的连续微型电池区域由沟槽隔离环绕的岛区域或岛区来界定。
-沟槽分离且电划分的岛的衬底区在电池加工期间提供相对柔性、进一步减轻电池弯曲且维持主电池上的相对平面度(整个icell区域)(且在某些情形下也使得可进行电池钝化加工，诸如向阳面朝上的电池PECVD沉积)，并在电池制造、模块层压之后且在各种天气条件下在现场操作PV模块期间减少长期材料应力。
公开的创新的重要应用包括(但不限于)：柔性太阳能电池和柔性的轻量PV模块用于住宅屋顶、建筑集成化光伏(BIPV)用于住宅和商业建筑、商业屋顶、地面装配的公共设施规模的发电厂、汽车应用、便携式电子产品、便携式且可运输的发电机和其它特色应用。本文公开的实施方案包括可封装或层压成覆盖有刚性玻璃的太阳能PV模块的刚性或柔性太阳能电池以用于多种应用，包括上文提到的住宅屋顶、商业屋顶、BIPV、地面装配的公共设施、汽车、便携式且可运输的发电机和其它特色应用。
图1是用于电池图案的正方形单岛的代表性示意图-不含多个岛来产生icell的现有技术标准太阳能电池几何结构。尽管此处显示为全正方形的电池，但太阳能电池也可以是伪正方形、长方形、其它多边形或关注的任何其它几何形状。图1是显示由电池的外周边界或边缘区12界定且具有边长L的单岛I(或非岛型或非瓦型)标准正方形太阳能电池10的顶视图或平面图的示意图。当前或主流的结晶硅太阳能电池常是长方形/正方形的(主要是完整正方形或伪正方形的晶片)，电池的正方形面积大约为X×X(其中X典型地在约100mm至高达210mm或甚至更大值的范围内)，例如125mm×125mm或156mm×156mm或210mm×210mm太阳能电池。而且尽管使用正方形的太阳能电池作为本文中的示范性主电池(主电池定义为由原始的连续半导体衬底制得的单一太阳能电池)形状，但主电池可存在各种形状(例如伪正方形)且具有各种几何尺寸。
电池外周边界或边缘区12具有4L的总长度，因此太阳能电池10具有4L的总外周尺寸。假定太阳能电池半导体(例如，硅衬底层)的吸收体厚度为W(参考图3A的横截面图)，那么将电池边缘面积占电池有效面积的分数定义为比率R，其中R＝(4LW)/(L2)＝4W/L。对于具有L＝156mm和W＝40μm(微米)的厚硅衬底(例如，外延生长硅，也称为外延(epi)层，或者由原始的线锯CZ或FZ或多晶硅晶片形成的硅层)的薄硅太阳能电池而言：R＝4×40×10-3/156，因此R＝0.0010(或0.10％)。而且对于具有W＝200μm的厚硅衬底(例如，来自CZ单晶晶片或浇铸多晶晶片)的更常规的标准太阳能电池而言：R＝0.0050(或0.50％)。太阳能电池结构与有效电池面积相比通常应具有相对小的边缘面积(也称为边缘与电池的比率)-例如，小于约5％，且在某些情形下小于约1％-以使与边缘相关的太阳能电池复合损失最小化，所述复合损失可能导致开路电压减小和/或短路电流减小，且因此导致太阳能电池转化效率减小。可以通过适当地钝化太阳能电池边缘区并通过使发射极接合区与边缘区隔离/分离来实质性地减轻边缘引起的损失(因此，提供在不损失太阳能电池效率的情况下允许更大的边缘面积分数)。
图2是icell图案(显示为正方形岛和正方形icell)以及N×N＝4×4＝16岛(或子电池、微型电池、瓦)的均匀尺寸(等尺寸)正方形岛的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图。此示意图示出了由沟槽隔离区划分的多个岛(显示成4×4＝16岛)。图2是由电池外周边界或边缘区22界定、具有边长L且包括由相同的原始连续衬底形成且认定为与主电池背面上的连续背板(背板和太阳能电池背面未显示)附接的I11至I44的十六个(16)均匀正方形岛的4×4均匀岛型(瓦型)主太阳能电池或icell20的顶视图或平面图的示意图。每个岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线24的内部岛外周边界(例如，沿整个主电池半导体衬底厚度切割且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度的隔离沟槽，沟槽宽度不大于数个100微米且在某些情形下小于或等于约100μm-例如，在几微米至高达约100μm的范围内)来界定。主要的电池(或icell)外周边界或边缘区22具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界22(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线24。因此，对于正方形岛实施方案中的包括N×N岛或微型电池的icell而言，总的icell边缘长度为N×电池外周。在显示4×4＝16岛的icell的图2的代表性实例中，N＝4，因此总的电池边缘长度为4×电池外周4L＝16L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池大4倍的外周尺寸)。对于尺寸为156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，正方形岛的边尺寸为约39mm×39mm且每个岛或子电池具有每个岛15.21cm2的面积。
图3A和3B是背板附接的太阳能电池在不同的太阳能电池加工阶段期间的代表性示意性横截面视图。图3A示出了背板附接的太阳能电池在加工步骤之后且在形成划分沟槽区之前的简化横截面视图。图3B示出了背板附接的太阳能电池在某些加工步骤之后且在形成划分沟槽区来界定沟槽划分岛之后的简化横截面视图。图3B示出了图2的icell沿图2的视图轴A关于icell图案(显示为正方形岛和正方形icell)的示意性横截面视图，指示N×N＝4×4＝16岛(或子电池、微型电池、瓦)的均匀尺寸(等尺寸)正方形岛。
图3A和3B分别是背板上的单片主电池半导体衬底在形成沟槽隔离或划分区之前和由主电池形成的背板上的单片岛型或瓦型太阳能电池在形成沟槽隔离或划分区之后的示意性横截面图。图3A包括具有宽度(半导体层厚度)W且类似于图1中所示附接至背板32(例如，电绝缘连续背板层，例如预浸料的薄柔性薄板)的半导体衬底30。图3B是岛型太阳能电池(icell)的横截面图-显示为沿图2电池的A轴的横截面图。如所示，图3B包括岛或微型电池I11、I21、I31和I41，其各自具有沟槽划分的半导体层宽度(厚度)W且附接至背板32。微型电池的半导体衬底区通过内部的外周划分边界即沟槽划分边界线24物理隔离和电隔离。岛或微型电池I11、I21、I31和I41的半导体区由图3A中所示的相同连续半导体衬底单片形成。图3B的icell可通过沟槽穿过半导体层至附接的背板(沟槽划分的岛或微型电池由连续背板支撑)形成所需微型电池形状(例如，正方形微型电池或岛)的内部外周划分边界而由图3A的半导体/背板结构来形成。沟槽划分半导体衬底来形成岛并未划分连续背板薄板，因此得到的岛仍然由连续背板层或薄板支撑并与其附接。例如可以通过脉冲激光烧蚀或切片、机械锯切片、超声波切片、等离子体切片、水射流切片或另一种合适的工艺(切片、切割、刻划和挖沟可互换地用来指沟槽隔离工艺以在连续背板上形成多个岛或微型电池或瓦的工艺)来进行穿过初始连续半导体衬底厚度的沟槽划分形成工艺。背板结构又可包括背板支撑薄板结合图案化的金属化结构的组合，其中背板支撑薄板为半导体层提供机械支撑且为得到的icell提供结构完整性(使用柔性背板薄板的柔性太阳能电池或使用刚性背板薄板的刚性太阳能电池或使用半柔性背板薄板的半柔性太阳能电池)。又，尽管对于连续背板支撑薄板与图案化的金属化结构的组合我们可使用术语背板，但更常见的是我们使用术语背板指与半导体衬底背面附接并支撑icell半导体衬底区和整个图案化的太阳能电池金属化结构的背板支撑薄板(例如，预浸料的电绝缘薄板)。
如前文所示，结晶(单晶和多晶)硅光伏(PV)模块目前占总的全球太阳能PV市场的约85％以上，而且这些结晶硅PV模块的起始结晶硅晶片成本目前占总的PV模块制造成本的约30％至50％(确切比率取决于技术类型和各种经济因素)。而且尽管本文提供的主要实施方案被描述成背接触/背结(指叉背接触或IBC)太阳能电池，但本文公开的单片岛型太阳能电池(或icell)创新是可扩展的，而且适用于各种其它太阳能电池架构，诸如金属化穿孔卷绕(MWT)背接触太阳能电池、半导体异质结(SHJ)太阳能电池、前接触/背结太阳能电池、前接触/前结太阳能电池、钝化发射极和后接触(PERC)太阳能电池以及其它前接触/前结太阳能电池，所有上文提到的电池设计都使用结晶硅(例如，单晶硅或多晶硅，最终的电池硅层厚度在几微米至高达约200微米的范围内)或另一种结晶(单晶或多晶)半导体吸收体材料(包括(但不限于)锗、砷化镓、氮化镓或其它半导体材料或其组合)。本文公开的单片岛型太阳能电池(或icell)创新是可扩展的，而且适用于复合半导体多结太阳能电池。
公开的单片岛型太阳能电池或icell的主要优势在于它们可以在电池加工期间单片制造且易于集成为现有的太阳能电池制造加工流程。本文公开的岛型主电池实施方案可结合多种背板附接的太阳能电池设计、加工方法和半导体衬底材料来使用，包括使用图4中所示的外延硅剥离加工流程制造的背板附接的背接触太阳能电池。图4示出了强调一种所述电池制造工艺的重要加工步骤的通用背接触太阳能电池制造加工流程的示意图-一种使用相对薄(在几微米至高达约100微米的厚度范围内)的外延硅剥离加工的结晶硅太阳能电池制造工艺，其实质上减少了硅材料的使用且排除了传统的结晶硅太阳能电池制造步骤中的几个加工步骤以产生低成本、高效的背结/背接触结晶硅太阳能电池和模块。具体来说，图4的加工流程示出了制造具有与太阳能电池的背面附接的背板的背板附接结晶硅太阳能电池(例如，预浸料背板薄板与太阳能电池的背面层压)，对于太阳能电池和模块而言，任选地允许在多孔硅的晶种和释放层上使用可重复使用的结晶(单晶或多晶)硅模板和外延硅沉积形成智能电池和智能模块设计(即，允许嵌入式分布的电子部件以增强从太阳能电池和模块收集电力)，其可利用和集成本文公开的单片岛型电池(icell)结构和方法。
图4的太阳能电池加工流程可用来形成单片岛型太阳能电池或icell。图4中所示的工艺从可重复使用的(将重复使用至少数次，在某些情形下约10次至高达约100次之间)结晶硅模板(例如p型单晶或多晶硅晶片)开始，所述晶片上形成具有可控孔隙度的多孔硅的一层薄的(微米的一部分至高达数微米)牺牲层(例如通过在电流存在下以HF/IPA或HF/乙酸湿化学进行电化学蚀刻工艺以供模板表面改性)。多孔硅层可具有至少两层，一层孔隙度较低的表面层和一层孔隙度较高的掩埋层。起始材料或可重复使用的结晶硅模板可以是例如使用诸如浮区(FZ)、直拉(CZ)、磁稳定CZ(MCZ)的晶体生长方法形成的单结晶(也称为单晶)硅晶片，而且可另外任选地包括在所述硅晶片上生长的外延层。或者，起始材料或可重复使用的结晶硅模板可以是例如使用浇铸或条带形成的多晶硅晶片，而且可另外任选地包括在所述硅晶片上生长的外延层。模板半导体掺杂类型可以是p或n(常是相对重的p型掺杂以促进多孔硅形成)，而且晶片形状尽管最常见正方形，但可以是任何几何或非几何形状，诸如准正方形(伪正方形)、六边形、圆形等。
牺牲多孔硅层(其充当高品质外延晶种层以及后续的分离/剥离层用于得到的外延硅层)形成后，在牺牲多孔硅层上形成一薄层(例如，层厚度在数微米至高达约100微米的范围内，且在某些情形下外延硅厚度小于约50微米)就地掺杂(例如，经磷掺杂以形成n型外延硅层)的结晶(单晶或多晶)硅，也称作外延生长。例如通过可以在包括硅气体(诸如三氯硅烷或TCS)和氢气(和所需掺杂剂气体，诸如PH3用于n型磷掺杂)的大气中使用化学气相沉积或CVD工艺的常压外延来形成就地掺杂的结晶(单晶模板上的单晶层或多晶模板上的多晶层)硅层。
在完成一部分太阳能电池加工步骤(包括在某些情形下，背面掺杂的发射极形成、背面钝化、掺杂的基极和发射极接触区用于至基极和发射极区的后续金属化接触以及太阳能电池金属化)后，可将一层相当廉价的背板层附接至薄的外延层以供永久性的电池支撑和增强以及支持形成太阳能电池的高电导率电池金属化结构(例如，使用在背板附接之前在太阳能电池背面上使用图案化的第一层金属或M1且在背板附接之后和在从可重复使用的模板剥离释放背板附接的太阳能电池之后在背板附接的太阳能电池的背面上使用图案化的第二层金属或M2的双层金属化结构)。连续背板材料可由薄的(例如，厚度在约50微米至约250微米厚的范围内)、柔性且电绝缘的聚合材料薄板制成，诸如在印刷电路板中常用的满足电池加工集成和可靠性要求的廉价预浸料材料。然后沿机械减弱的牺牲多孔硅层(例如通过机械释放或MR剥离工艺，断开较高孔隙度的多孔硅界面以使得可剥离释放)从可重复使用的模板分离并剥离(释放)经过部分加工的背接触、背结(IBC)背板附接的太阳能电池(例如，太阳能电池的面积为约100mm×100mm、125mm×125mm、156mm×156mm、210mm×210mm或更大，太阳能电池面积在约100cm2至数个100cm2且甚至更大的范围内)，而且可对模板进行护理(例如，清洁)并重复使用多次(例如，约10次至100次之间)以减少总体的太阳能电池制造成本。然后可在背板附接的太阳能电池上进行剩余的剥离后太阳能电池加工，例如首先在从模板剥离并释放后暴露的太阳能电池向阳面(或正面)上进行。太阳能电池正面或向阳面加工例如可包括完成正面纹理化(例如，使用碱性或酸性纹理化)、纹理化后表面制备(清洁)及使用沉积工艺形成正面钝化和抗反射涂层(ARC)。正面钝化和ARC层可使用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)工艺和/或另一种合适的加工方法来沉积。
本文公开的单片岛型电池(icell)结构和方法可集成为装置制造，诸如示范性公开的太阳能电池制造加工流程，而实质上并未改变或增加制造工艺步骤或工具，而且因此并未实质上增加制造太阳能电池的成本且并未实质上改变主要的太阳能电池制造加工流程。实际上，本文公开的单片岛型电池(icell)结构和方法可以例如通过减少金属化成本(使用较少的金属化材料和较低成本的金属化工艺)和/或通过改良太阳能电池和模块的制造产率(由于实质上减轻了太阳能电池的微裂纹或破损)来减少制造太阳能电池的成本。
在一个实施方案中，可使用诸如脉冲激光烧蚀(例如，脉冲纳秒激光刻划)或机械刻划方法或等离子体刻划方法的合适方法，穿过主电池硅衬底层的厚度(例如，外延硅层厚度可在约数微米至高达约100μm的范围内)，由正面或向阳面(在背板附接的外延硅衬底层剥离释放之后)对主电池半导体衬底进行刻划(也称为挖沟或切割或切片)以形成划分沟槽边界且产生多个沟槽划分的岛或微型电池或子电池或瓦的内部岛。可进行脉冲激光烧蚀刻划(或如前文所述的另一种合适的沟槽刻划方法)以便穿过半导体衬底层的厚度刻划形成相对窄的(例如，宽度小于100微米)沟槽隔离边界，始终穿过薄硅层的整个厚度且基本上在背板处/上停止(连续背板材料层的去除和刻划相当小或可忽略)-因此单片产生支撑在连续背板层上的完全划分的单片岛(或子电池或微型电池或瓦)。用于在具有约数微米至高达约200微米范围内厚度(主电池衬底厚度或宽度在图2中显示为W)的主电池衬底中形成多个岛及其相关沟槽划分边界的划分沟槽形成方法例如包括：脉冲激光刻划(或切片、或挖沟)，诸如通过脉冲纳秒激光烧蚀(使用合适的激光波长，诸如UV、绿光、IR等)；超声波刻划或切片；机械沟槽形成，诸如通过使用机械锯或刀片；图案化的化学蚀刻(湿式蚀刻和等离子体蚀刻)；丝网印刷蚀刻浆料，接着进行蚀刻活化并冲洗蚀刻浆料残余物，或已知或上文提到的沟槽形成方法的任意组合。用于沟槽形成的脉冲激光烧蚀加工可提供几种优势：允许对岛或微型电池边界进行直接图案化同时具有相对高的加工产量、使得可形成相对窄的沟槽(例如，小于约100微米的沟槽宽度)且无任何可消耗的工艺(因此，加工成本极低)。然而，无论用来划分多个岛或子电池的沟槽形成方法如何，都应特别小心以减小沟槽宽度或使其最小化-例如，可期望使划分沟槽宽度小于约100微米，以使得太阳能电池由于icell划分沟槽的面积损失而相对小至占总icell面积的可忽略部分(例如，小于总icell面积的约1％)。这将确保icell总面积效率由于划分沟槽的损失而相当可忽略(例如，小于1％相对值)。脉冲纳秒激光烧蚀加工能够高产量地形成沟槽宽度远低于100微米(例如，约10至60微米)的沟槽。举例而言，对于例如通过脉冲激光烧蚀挖沟形成的主电池面积为156mm×156mm和4×4＝16岛(或微型电池)且划分沟槽的沟槽宽度为50微米(0.05mm)的正方形icell而言，总的沟槽平面表面面积A沟槽与总的主电池面积(或icell面积Aicell)的面积分数R可如下计算：R＝A沟槽/Aicell＝6×156mm×0.05mm/(156mm×156mm)或R＝0.00192。因此，这代表面积分数R为0.00192或约0.2％。这是一个极小的面积分数，确保了总面积icell效率由于划分沟槽区域的损失可忽略。实际上，总面积icell效率损失在这些条件下将小于0.2％相对值，因为直接和/或漫反射冲击到沟槽隔离或划分区域上的阳光可至少部分地且可能大部分在岛半导体边缘区上被吸收且有助于光生过程。
本文所述的单片岛型(瓦型)太阳能电池制造方法和结构适用于各种半导体(例如包括(但不限于)结晶硅，诸如薄的外延硅或薄的结晶硅晶片)太阳能电池(例如，具有电池半导体吸收体的厚度在数微米至高达约200微米范围内的各种设计的前接触或背接触太阳能电池)，包括使用外延硅剥离加工(如较早前所述)形成的太阳能电池或使用结晶硅晶片(诸如单晶(CZ或MCZ或FZ)晶片或多晶晶片(浇铸或条带生长的晶片))形成的太阳能电池。
对于背接触/背结正方形电池(例如使用外延硅剥离加工或具有背板增强的结晶硅晶片电池形成的高效背接触/背结IBC电池)而言，主电池岛(也称为瓦、铺筑材料、子电池或微型电池)可在共享的主电池(icell)连续背板上形成(例如，使用脉冲纳秒激光对结晶硅衬底进行刻划)为N×N正方形岛、N×M长方形岛、K三角形岛或任意几何形状岛或其组合的阵列。在使用外延剥离加工制造的太阳能电池的情形下，可在剥离释放经过部分加工的背板附接的主电池之后且在诸如正面表面纹理化和纹理化后表面清洁之剩余加工步骤之前即刻进行岛划分沟槽形成工艺，或在正面纹理化和纹理化后表面清洁之后且在形成前表面钝化和抗反射涂层(ARC)的工艺之前即刻进行。在湿式蚀刻纹理化工艺(用以形成太阳能电池正面纹理以减少光反射损失)之前通过脉冲激光刻划或另一种合适方法(诸如较早前所述的其它方法之一，包括(但不限于)机械切片)进行形成划分或隔离沟槽的工艺(即，挖沟工艺)具有去除在湿式蚀刻中由任何挖沟工艺引起的硅边缘损害和去除在湿式纹理化蚀刻工艺期间受损的硅(此工艺也蚀刻几微米的硅，包括划分沟槽侧壁在纹理化蚀刻工艺期间的任何受损的硅)的额外优势。
在一些太阳能电池加工实施方案中，包括本文中详细描述的那些代表性加工流程，可能不需要另外单独的制造加工设备用来形成单片岛型状主电池(icell)。换句话说，在每个icell中形成沟槽划分的微型电池或岛可通过太阳能电池制造方法相当容易且无缝地集成。而且在某些情形下，单片岛型太阳能电池(icell)制造工艺可通过减少太阳能电池制造成本来改良太阳能电池制造加工流程，例如通过减少太阳能电池金属化的成本，诸如通过排除对镀铜工艺和镀铜的相关制造设备和设施要求的需要。
图5A是基于外延硅和多孔硅剥离加工的代表性背板附接的icell制造加工流程。此加工流程是用于使用两层图案化的太阳能电池金属化(M1和M2)制造背板附接的背接触/背结太阳能电池(icell)。示出此实例用于具有选择性发射极的太阳能电池，即使用掺杂较轻硼的硅酸盐玻璃形成的具有较轻发射极掺杂的主要的图案化的场致发射极(第一BSG层具有由工具3沉积的较小硼掺杂)和使用掺杂更重硼的硅酸盐玻璃的掺杂更重硼的发射极接触区(第二BSG层具有由工具5沉积的较大硼掺杂)。尽管示出此实例用于使用双BSG选择性发射极工艺的IBC太阳能电池，但icell设计适用于宽范围的其它太阳能电池结构和加工流程，包括(但不限于)无选择性发射极的IBC太阳能电池(即，在场致发射极和发射极接触区中的发射极硼掺杂相同)。示出此实例用于具有n型基极和p型发射极的IBCicell。然而，可改变极性以便太阳能电池相反地具有p型基极和n型发射极。
图5A是用于制造背接触背结结晶单片岛型硅太阳能电池(icell)的代表性制造加工流程实施方案。具体来说，图5A提供形成任选地具有单片集成的旁路开关(MIBS)pn结二极管且具有双重硼硅酸盐玻璃(BSG)选择性发射极的外延(epi)太阳能电池。如此流程中所示，在电池释放边界刻划和电池剥离释放之后且在对暴露的释放边(也称为所得icell的正面或向阳面)进行纹理化之前，在工具13处形成微型电池沟槽隔离区。或者，可在工具14中纹理化且纹理化后清洁之后且在正面钝化(显示为PECVD)之前形成微型电池沟槽隔离区。在湿式蚀刻纹理化(使用工具14进行纹理化和纹理化后清洁)之前进行脉冲激光刻划可具有去除在湿式蚀刻期间由任何激光引起的刻划硅边缘损害和去除受损硅的额外优势。
使用外延硅剥离加工形成单片岛型(瓦型)背接触/背结(IBC)太阳能电池的代表性加工流程可包括以下制造步骤：1)从可重复使用的结晶(单晶或多晶)硅模板开始；2)在模板上形成多孔硅(例如，在HF/IPA或HF/乙酸中使用阳极蚀刻的具有较低孔隙度表面层和较高孔隙度掩埋层的双层多孔硅)；3)通过就地掺杂沉积外延硅(例如，n型掺杂磷的外延硅)；4)进行背接触/背结电池加工，同时外延硅衬底留在其模板上，包括形成图案化的场致发射极结、背面钝化、掺杂基极和发射极接触区用于后续金属化的太阳能电池欧姆接触以及形成第一金属化层(也称为M1)-参考图5A关于包括使用用于形成选择性发射极的双重BSG(BSG是例如通过常压化学气相沉积或APCVD工艺形成的掺杂硼的硅酸盐玻璃或掺杂硼的氧化硅层)加工流程(可使用形成选择性发射极的其它方法代替双重BSG工艺，例如使用丝网印刷的掺杂剂浆料)的选择性发射极加工(具有更轻掺杂的场致发射极和更重掺杂的发射极接触区)的背接触/背结(IBC)太阳能电池制造加工流程的实例；5)在背接触电池背面上附接或层压背板层或薄板；6)将背板边界周围的边界(剥离释放边界)至少部分地经激光刻划释放成外延硅层厚度，且随后通过剥离工艺(例如，机械释放剥离以通过断开机械减弱的较高孔隙度多孔硅层从可重复使用的模板分离背板附接的外延硅衬底)释放；7)使用脉冲纳秒激光烧蚀(或如较早前所述的其它合适的沟槽隔离形成方法之一)从太阳能电池的向阳面(与背板面相反)进行挖沟(也称为刻划或切割或切片)工艺以将硅衬底单片划分成多个微型电池或岛-例如划分成包括4×4＝16微型电池的岛阵列(也任选地例如使用脉冲激光切割修剪主电池外周边界以确定具有界限清楚的光滑电池边界边缘的精确主电池或icell尺寸)；8)通过进行诸如以下的剩余后期制造工艺继续进行：在碱性和/或酸性化学中的湿式硅蚀刻/纹理化(此工艺在正面上进行纹理化，同时耐化学的背板保护太阳能电池的背面免受纹理化化学损害)、包括湿式清洁的纹理化后表面制备(此工艺进行正面表面清洁，同时耐化学的背板保护太阳能电池的背面免受湿式清洁化学损害)、例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或用于ARC沉积的PECVD(例如，氢化氮化硅)与用于钝化层沉积的另一种工艺(诸如原子层沉积(ALD))的组合来沉积正面表面钝化和抗反射涂层(ARC)层(诸如直接在清洁的纹理化硅表面上且在氮化硅ARC层下方的薄的30nm的氧化铝、非晶形硅或非晶形氧化硅子层-如果使用多层正面钝化/ARC结构，诸如上文提到的钝化层之一被氮化硅ARC层覆盖的双层结构，那么也可以通过使用真空集成工艺的PECVD来沉积整个堆叠)。正面钝化和ARC层沉积不仅将覆盖微型电池或岛的正面表面，而且也将覆盖沟槽-划分的岛或微型电池的侧壁，因此通过改良岛的沟槽侧壁以及顶表面的钝化和光捕获特性而实质性地改良icell的钝化和ARC特性。在完成正面纹理化/清洁/钝化和ARC沉积工艺之后，剩余的太阳能电池制造加工步骤涉及在背板附接的太阳能电池背面上完成第二金属化层(M2)。为了完成此任务，例如使用激光钻孔根据预先设计的通孔图案在薄的(例如，25微米至高达250微米的背板厚度)电绝缘连续背板层(例如，25微米至100微米厚的层压预浸料薄板)中钻出多个通孔。太阳能电池(例如，156mm×156mmicell)背板上的通孔数量可是大约数个100至数个1000。通孔可具有数个10微米至数个100微米范围内(例如，约100微米至300微米)的平均斜孔尺寸(例如，每个通孔的平均直径)。定位激光钻出的穿过电绝缘背板层的通孔以使其落在指叉型基极和发射极金属化指状物上(通过丝网印刷金属浆料或通过物理气相沉积并图案化诸如包括铝或铝硅合金的金属的金属层，由第一级的图案化金属化形成)。这些通孔将充当在背板附接/层压之前直接在太阳能电池背面上形成的第一层图案化金属化或M1与将在形成激光钻出的通孔后即刻形成的第二层图案化金属或M2之间的互连通道或插塞。在关于本文公开的icell的某些情形下，可通过几种方法之一形成第二级的图案化金属化M2，方法包括(但不限于)以下中的一种或其组合：(1)包括例如铝和/或铜(也可以使用其它金属)的廉价高电导率金属的物理气相沉积或PVD(热蒸发和/或电子束蒸发和/或等离子体溅射)，然后进行脉冲激光烧蚀图案化，(2)包括例如铝和/或铜(也可以使用其它金属)的廉价高电导率金属的物理气相沉积或PVD(热蒸发和/或电子束蒸发和/或等离子体溅射)，然后进行金属蚀刻图案化(例如，丝网印刷蚀刻浆料或丝网印刷抗蚀剂，然后进行金属湿式蚀刻工艺，且接着去除抗蚀剂)，(3)丝网印刷或模版印刷合适的金属浆料(诸如包括铜和/或铝的浆料)，(4)喷墨印刷或气溶胶印刷合适的金属浆料(诸如包括铜和/或铝的浆料)，(5)图案化电镀合适的金属，例如镀铜。图案化的第二层金属化(M2)也可以包括薄的封盖层(例如，通过等离子体溅射或丝网印刷或电镀形成的薄的<1微米的NiV或Ni封盖层)来保护主要的图案化M2(例如，含有铝和/或铜的高电导率金属)和提供用于焊接的合适表面或视需要提供导电粘合剂。本文所述的背接触/背结(IBC)太阳能电池可使用两层图案化金属化(M1和M2)，其中第一图案化金属化层M1根据细间距图案在每个微型电池或岛上形成指叉型基极和发射极金属化指状物(例如，基极-发射极M1指状物间距在约200微米至2mm的范围内，且在某些情形下在约500微米至约1mm的范围内)，且第二图案化金属化层M2根据预指定的电流和电压比例因子形成最终的icell金属化并使岛或微型电池互连。图案化的M2实质上可与图案化的M1正交或垂直图案化且具有比图案化M1指状物大得多的指状物间间距。这实质上将便于根据低成本、高产率的制造工艺来制造图案化的M2。图案化的M2不仅形成最终的icell图案化金属化，也形成穿过激光钻出的通孔的导电介层插塞以基于所需的icell金属化结构完成M2与M1的互连。
也可能延伸icell的概念以使得第二层图案化的金属化M2不仅可用来完成个别的主电池(或icell)电互连，而且使共享同一连续背板层的多个icell单片互连，因此导致通过icell实施方案促进并实现单片模块结构且具有多种其它益处。关于外延硅剥离icell代表性实施方案的图5A示出了用于制造单片icell的加工流程，每个icell与其本身的独立预切割连续背板层附接，且每个个别的背板附接icell在其背板层压后通过整个后期加工流程进行加工。使用此方法加工的icell随后将在加工结束时进行检验和挑选，而且可以通过使用搭接和/或串接电池使icell彼此互连(例如以电串联形式)而组装成PV模块(也涉及焊接和/或导电粘合剂以使多个太阳能电池彼此互连作为PV模块装配的部分)，且随后完成模块层压和最终的模块装配和检验。参考关于外延硅剥离icell代表性实施方案的图5A，产生新颖的单片模块结构的icell实施的替代性实施方案涉及通过由工具12进行的背板层压(或附接步骤)使多个相对近距的icell(例如，相邻icell与icell的间距在50微米至高达约2mm的范围内，且常在约100微米至1mm的范围内)在其背面上附接或层压至较大的连续背板薄板。工具12后的剩余加工步骤在其背面上共享共同的连续背板层的多个icell上同时进行(而非在个别独立的icell上进行，每个icell具有其本身独立的背板)。在完成最后的金属化(图案化第二层金属M2)之后，单片图案化M2不仅在共享较大连续背板层的多个icell中完成每个icell的金属化图案，而且也根据任何所需的排列完成多个icell彼此之间的电互连，例如使icell彼此之间全部以串联或混合的并联/串联排列互连。此实施方案使得可制造icell并使多个icell在共享的连续背板层上可单片电互连，因此排除了在最后的模块装配期间需要后续使icell彼此焊接/搭接/串接。举例而言，为了制造6×10＝60电池模块，在完成图案化第一层金属(M1)之后-在图5A中的工具11工艺之后-即刻将6×10＝60icell阵列在其背面上附接/层压至适当尺寸的连续背板薄板(例如，预浸料薄板)，且剩余的加工步骤(从如工具12所示的背板层压/附接工艺开始且通过剩余的后期加工步骤完成第二层图案化金属M2)全部在包括多个(例如，6×10＝60)icell的大的背板附接薄板上进行。在包括6×10＝60icell的此单片模块实例中，如果每个icell具有约156mm×156mm的尺寸而且相邻icell之间的间距约为1mm，那么将用于与6×10icell阵列背面附接/层压的连续背板层或薄板(例如，厚度在约50至100微米范围内的芳纶纤维/树脂预浸料薄板)应具有约942mm×1570mm的最小尺寸(例如，薄板可制得稍微过大以允许背板在单片模块的侧边内延伸，例如此6×10＝60icell单片模块实例中约1m×1.6m的背板薄板尺寸)。再举一例，为了制造6×12＝72电池模块，在完成图案化第一层金属(M1)之后-在图5A中的工具11工艺之后-即刻将6×12＝72icell阵列在其背面上附接/层压至适当尺寸的连续背板薄板(例如，预浸料薄板)，且剩余的加工步骤(从如工具12所示的背板层压/附接工艺开始且通过剩余的后期加工步骤完成第二层图案化金属M2)全部在包括多个(例如，6×12＝72)icell的大的背板附接薄板上进行。在包括6×12＝72icell的此单片模块实例中，如果每个icell具有约156mm×156mm的尺寸而且相邻icell之间的间距约为1mm，那么将用于与6×12icell阵列背面附接/层压的连续背板层或薄板(例如，厚度在约50至100微米范围内的芳纶纤维/树脂预浸料薄板)应具有约942mm×1884mm的最小尺寸(例如，薄板可制得稍微过大以允许背板在单片模块的侧边内延伸，例如此6×12＝72icell单片模块实例中约1m×1.9m的背板薄板尺寸)。使用第二层图案化金属M2使共享连续背板层上的多个icell单片互连导致总体太阳能电池和PV模块制造成本进一步减少以及改良PV模块在现场操作期间的预计可靠性(由于排除了焊接搭接、串接)。
本发明的实施方案可适用于使用如图5A的代表性加工流程概述的此类型加工流程的太阳能电池，以及许多种其它的太阳能电池设计(如前文所述)和太阳能电池制造加工流程，包括(但不限于)由起始的单晶晶片(例如，直拉或CZ、浮区或FZ)或多晶晶片(来自浇铸结晶砖或通过带拉工艺形成)或外延生长或其它衬底制造方法制造的太阳能电池。此外，icell实施方案可适用于除如前文所述的硅以外的其它半导体材料，包括(但不限于)砷化镓、锗、氮化镓、其它复合半导体或其组合。
图5B是使用起始的结晶(单晶或多晶)硅晶片的高水平太阳能电池和模块制造加工流程实施方案。图5B示出了使用两层金属化：M1和M2制造背板附接的背接触/背结(IBC)icell的高水平icell加工流程。第一层或第一级的图案化电池金属化M1在背板层压至经过部分加工的icell(或在如较早前所述制造单片模块时，较大的连续背板附接至多个经过部分加工的icell)之前基本上作为多个前端电池制造工艺中的最后加工步骤来形成。在图5B的顶部4个框中概述的前端电池制造工艺通过图案化M1层基本上完成了背接触/背结太阳能电池背面结构。图案化的M1被设计成与icell岛(微型电池)相符且包括如关于图5A中概述的外延硅icell加工流程所述的细间距指叉型金属化图案。在图5B中，从顶部起第五个框涉及将背板层或薄板附接或层压至经过部分加工的icell背面(或在制造单片模块时附接或层压至多个经过部分加工的icell的背面)-在外延硅剥离工艺的情形下，此加工步骤基本上等同于图5A中由工具12进行的步骤。在图5B中，从顶部起第六个和第七个框概述后端或背板附接后(也称为层压后)的电池制造工艺以完成剩余正面(任选的硅晶片减薄蚀刻以形成更薄的硅吸收体层(如果需要)、划分沟槽、纹理化、纹理后清洁、钝化和ARC)以及通孔和第二级或第二层的图案化金属化M2。在图5B的第六个和第七个框中概述的“层压后”工艺(或在背板附接后进行的后端电池制造工艺)基本上对应于对于图5A中所示的外延硅剥离加工流程而言由工具13至18进行的工艺。图5B中的底部框描述最终将得到的icell装配成柔性的轻量PV模块或装配成刚性的覆盖有玻璃的PV模块。如果加工流程产生包括由图案化M2(如较早前关于外延硅剥离加工流程所述)单片互连在一起的多个icell的单片模块，那么在图5B的底部框中概述的剩余PV模块制造工艺将简化，因为共享较大的连续背板的多个互连icell和用于电池与电池互连的图案化M2金属化已电互连，而且不需要使太阳能电池彼此搭接和/或串接和/或焊接。得到的单片模块可层压成柔性的轻量PV模块(例如，在正面上使用诸如ETFE或PFE的薄的柔性含氟聚合物覆盖薄板代替刚性/重的玻璃覆盖薄板)或刚性的覆盖有玻璃的PV模块。
图5C说明与图5A的加工流程相比使用外延硅和多孔硅剥离加工的替代性高水平太阳能电池(icell)和模块制造加工流程实施方案。图5C也示出了一种使用两层金属化：M1和M2制造背板附接的背接触/背结(IBC)icell的高水平icell加工流程。第一层或第一级的图案化电池金属化M1在使用外延硅作为太阳能电池吸收体将背板层压至经过部分加工的icell(或在如较早前所述制造单片模块时，在剥离释放个别的经过部分加工的icell之后，较大的连续背板附接至多个经过部分加工的外延icell)之前基本上作为多个前端电池制造工艺中的最后加工步骤来形成。在图5C的顶部4个框中概述的前端电池制造工艺通过图案化M1层基本上完成了背接触/背结太阳能电池背面结构。图案化的M1被设计成与icell岛(微型电池)相符且包括如关于图5A中概述的外延硅icell加工流程所述的细间距指叉型金属化图案。在图5C中，从顶部起第五个框涉及将背板层或薄板附接或层压至经过部分加工的外延icell背面(或在制造单片模块时使用较大的连续背板薄板附接至多个经过部分加工和释放的icell的背面)-在较早前外延硅剥离加工流程的情形下，此加工步骤基本上等同于图5A中由工具12进行的步骤。在图5C中，从顶部起第六个和第七个框概述后端或背板附接后(也称为层压后)的电池制造工艺以完成剩余正面(icell划分沟槽、纹理化、纹理化后清洁、钝化和ARC)以及通孔和第二级或第二层的图案化金属化M2。在图5C的第六个和第七个框中概述的“层压后”工艺(或在背板附接后进行的后端电池制造工艺)基本上对应于对于图5A中所示的外延硅剥离加工流程而言由工具13至18进行的工艺。图5C中的底部框描述最终将得到的icell装配成柔性的轻量PV模块或装配成刚性的覆盖有玻璃的PV模块。如果加工流程产生包括由图案化M2(如较早前关于外延硅剥离加工流程所述)单片互连在一起的多个icell的单片模块，那么在图5C的底部框中概述的剩余PV模块制造工艺将简化，因为共享较大的连续背板的多个互连icell和用于电池与电池互连的图案化M2金属化已电互连，而且不需要使太阳能电池彼此搭接和/或串接和/或焊接。得到的单片模块可层压成柔性的轻量PV模块(例如，在正面上使用诸如ETFE或PFE的薄的柔性含氟聚合物覆盖薄板代替刚性/重的玻璃覆盖薄板)或刚性的覆盖有玻璃的PV模块。
图5D是显示在指叉型背接触(IBC)太阳能电池实施方案的太阳能电池制造步骤之后icell中的多个岛中的微型电池或岛的扩展视图和选择性简化视图的高水平横截面装置图。未详细显示掺杂的发射极和基极区、任选的前面场(FSF)和/或任选的背面场(BSF)区、用于M1金属化的接触和通过电绝缘的连续背板层使图案化的M1与图案化的M2连接的导电介层插塞。
图5E是显示在指叉型背接触(IBC)太阳能电池实施方案的太阳能电池制造步骤之后icell中的多个岛中的微型电池或岛的扩展视图的更详细横截面图。提供这些横截面图作为描述性实施方案以进一步详述可根据所公开的主题使用的电池架构。
实际上，将主要的初始连续半导体衬底穿过衬底层厚度(从起始的结晶半导体晶片起或从外延生长的结晶层起)划分成在连续的支撑背板层上的多个微型电池(或岛或子电池或瓦)的隔离沟槽具有可在约数个10微米等级(或在约10微米至约100微米的范围内)的平均沟槽宽度。如较早前所述，可通过使用脉冲激光烧蚀/刻划或另一种技术例如通过机械切片/刻划或超声波切割/刻划或水射流切割/刻划或另一种方法形成将背板附接的半导体层划分成多个微型电池(或岛或子电池或瓦)的沟槽隔离区(在描述icell划分或隔离沟槽形成工艺时，术语刻划、切片、切割和烧蚀在本文中可互换使用；此外，在本文献中提到为形成多个岛或微型电池而穿过半导体层厚度形成的沟槽图案时，术语划分沟槽或隔离沟槽可互换使用，所有岛或微型电池都由在划分沟槽形成工艺之前与经过部分加工的半导体衬底附接的连续背板层或薄板支撑并与其附接)。合适的沟槽划分或隔离形成工艺(诸如脉冲激光刻划或切割工艺)选择性地切割半导体层且在基本上切透半导体层的整个厚度之后有效地停在背板层或薄板上而实质上未去除背板材料(因此，背板层的沟槽可忽略或相对小以维持连续背板薄板的完整性)。例如，可进行划分沟槽形成工艺(诸如脉冲纳秒烧蚀刻划工艺)以通过基于所需的沟槽图案切透半导体层的厚度同时将背板薄板材料去除限制在零与小于一部分背板层厚度之间的相对小范围内(例如，背板材料沟槽深度限制在零与小于背板层厚度的约20％之间)来形成所需的划分沟槽图案。此将确保单片icell(或在使用与共享的背板薄板附接的多个icell制造单片模块的情形下为单片模块)的总体机械、物理和电学完整性。
本文所述的方法和结构提供包括沟槽划分或沟槽隔离岛(也称为瓦、铺筑材料、子电池或微型电池)的主单片电池(icell)。而且尽管常见的主单片电池(icell)形状是正方形，但可选择具有任何所需的几何形状和尺寸的主电池(icell)，例如完整正方形、伪正方形、长方形、伪长方形、平行四边形、六边形、三角形、任意多边形、圆形、椭圆形或其组合。最常见的用于结晶硅太阳能电池和模块的形状是完全正方形和伪正方形太阳能电池。此外，沟槽划分的岛可由各种且个别不同的几何形状和/或尺寸(面积和边长/对角线尺寸)形成，或可为均匀尺寸和形状(换句话说，彼此具有相同几何形状和面积的均匀尺寸和形状的岛)。确定构成太阳能电池的岛的形状和尺寸的一种考虑因素是背板附接的太阳能电池的所需柔性或可弯曲性和柔韧性程度(在使用诸如预浸料薄板的柔性背板薄板时)，同时最小化或排除在得到的包括半导体吸收体层的太阳能电池和太阳能电池金属化结构中的裂纹形成或裂纹扩散。在某些情形下，可能需要在接近主电池(icell)边缘区处安置相对较小的岛(例如，较小的三角形或正方形岛)并在接近主电池(icell)中心区(或远离icell边缘的区)安置相对较大的岛(例如，正方形)，因为太阳能电池边缘在电池加工期间和之后、在模块层压期间以及在现场操作得到的PV模块期间可能更易于形成裂纹并扩散。在其它情形下，而且视岛的电连接设计而定，岛(或以电并联排列连接的岛子群)可具有均匀的形状以在均匀照明下产生均匀电流。重要的是，可视诸如主电池(icell)柔性/可弯曲性和岛与岛的电互连设计的其它考虑因素而定使用任意数量的岛形状和/或尺寸以产生所需的icell电压和电流比例因子。
对于具有与共享的连续背板附接的正方形或长方形岛阵列的正方形或长方形主电池(icell)而言，岛可以是N×N阵列，其中N是N≥2的整数(例如N×N大于或等于四，或换句话说，icell中存在至少四个岛)。一般来说，icell可具有少至2个岛或子电池(例如，具有2个子电池或岛的正方形icell可具有两个三角形岛)。具有N×N岛的icell构造在icell加工和互连设计方面呈现出简易性优势，以及与完全正方形和伪正方形太阳能电池的良好相容性。或者,岛可以是N×M阵列，其中N和M二者都是整数(例如，N×M大于或等于2，换句话说存在至少两个岛)。使用柔性的连续(或连续)背板，对于较大值的N×N或N×M而言，和/或通过在接近电池边缘区处使用相对较小尺寸的岛(与远离边缘区的岛相比)，可增加icell柔性或可弯曲性或柔韧性的程度。举例来说，对于156mm×156mm的正方形或伪正方形icell而言，具有4×4＝16岛(例如，均匀面积岛)的icell将比具有3×3＝9岛(例如，均匀面积岛)的icell更具柔性或可弯曲性。icell的柔性/可弯曲性改良是对于柔性的轻量PV模块而言有利的属性。而且尽管任何形状的岛的数量可视所需的主电池柔性或可弯曲性或柔韧性而增加或减少，但去除半导体材料以形成划分沟槽和相应增加的电池边缘面积(岛或微型电池的总沟槽侧壁面积)应限制为例如不大于主电池(icell)面积的约2％(如本文献较早前论述的比率R)，而且在某些情形下小于icell面积的1％。
在某些情形下，可能需要通过使岛(瓦、微型电池)成形为例如某些几何形状的微型电池(诸如三角形岛(微型电池))来增加电池的柔韧性。举例来说，对于正方形或长方形的主电池(icell)而言，为增强各个弯曲方向(例如，沿X、Y和斜轴)的电池柔性或柔韧性，岛可以是三角形阵列，或正方形(和/或长方形)与三角形的组合(在某些实施方案中，接近主电池中心区的正方形岛和接近电池边缘区的三角形岛)。重要的是，可根据所公开的主题在主电池(icell)中形成岛形状与排列的各种组合。
图6A和6B是显示均匀正方形微型电池阵列(即，岛或微型电池全部具有基本上相同的面积)的背板附接的太阳能电池(icell)实施方案的图。图6A是icell图案(显示正方形岛和正方形icell)以及关于N×N＝3×3＝9岛(或子电池、微型电池、瓦)的均匀尺寸(等尺寸)正方形岛的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图。此示意图显示由沟槽隔离区划分的多个岛(显示为3×3＝9岛)。图6B是icell图案(显示正方形岛和正方形icell)以及关于N×N＝5×5＝25岛(或子电池、微型电池、瓦)的均匀尺寸(等尺寸)正方形岛的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图。此示意图显示由沟槽隔离区划分的多个岛(显示为5×5＝25岛)。
图6A是由电池外周边界或边缘区32界定的具有边长L且包括由相同的原始连续衬底形成且识别为与主电池背面上的连续(连续)背板附接的I11至I33的九个(9)均匀正方形岛的3×3均匀岛型(瓦型)主太阳能电池或icell30的顶视图或平面视图的示意图(背板和太阳能电池背面未显示)。每个岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线34的内部岛外周边界(例如，隔离沟槽切穿主电池半导体衬底厚度且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度，沟槽宽度不大于数个100微米且常小于或等于约100μm-例如，数微米至高达约100μm)来界定。主电池(或icell)外周边界或边缘区32具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界32(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线34。因此，对于正方形岛实施方案中包括N×N岛或微型电池的icell而言，总的icell边缘长度是N×电池外周。在显示具有3×3＝9岛的icell的图6A的代表性实例中，N＝3，因此总的电池边缘长度是3×电池外周4L＝12L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池的外周尺寸大3倍的外周尺寸)。对于具有尺寸156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，正方形岛的边尺寸为约52mm×52mm且每个岛或子电池具有每个岛27.04cm2的面积。
图6B是由电池外周边界或边缘区42界定的具有边长L且包括由相同的原始连续衬底形成且识别为与主电池背面上的连续(连续)背板附接的I11至I55的二十五个(25)均匀正方形岛的5×5均匀岛型(瓦型)主太阳能电池或icell40的顶视图或平面视图的示意图(背板和太阳能电池背面未显示)。每个岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线44的内部岛外周边界(例如，隔离沟槽切穿主电池半导体衬底厚度且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度，沟槽宽度不大于数个100微米且常小于或等于约100μm-例如，数微米至高达约100μm)来界定。主电池(或icell)外周边界或边缘区42具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界42(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线44。因此，对于正方形岛实施方案中包括N×N岛或微型电池的icell而言，总的icell边缘长度是N×电池外周。在显示具有5×5＝25岛的icell的图6B的代表性实例中，N＝5，因此总的电池边缘长度是5×电池外周4L＝20L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池的外周尺寸大5倍的外周尺寸)。对于具有尺寸156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，正方形岛的边尺寸为约31.2mm×31.2mm且每个岛或子电池具有每个岛9.73cm2的面积。在与其它考虑因素平衡的某些情形下，可能需要使总的电池边缘长度(icell中所有岛的侧壁边缘的累积长度)保持为24L(例如在6×6阵列中)以限制总的icell边缘长度和侧壁面积。
图7A和7E是具有三角形岛或微型电池的太阳能电池实施方案(icell)的代表性平面图。图7A是icell图案(显示为三角形岛和正方形icell)以及K＝2×4＝8三角形岛的均匀尺寸(等尺寸)三角形岛(或子电池、微型电池、瓦)的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图-icell的每正方形象限一对三角形岛。此示意图示出了由沟槽隔离区划分的多个岛(显示成K＝2×4＝8岛)。图7B是icell图案(显示为三角形岛和正方形icell)以及K＝2×4＝8三角形岛的均匀尺寸(等尺寸)三角形岛(或子电池、微型电池、瓦)的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图-icell的每正方形象限一对三角形岛。此示意图示出了由沟槽隔离区划分的多个岛(显示成K＝2×4＝8岛)。图7B中用于icell的沟槽隔离图案与图7A中略有不同。图7C是icell图案(显示为三角形岛和正方形icell)以及K＝4×4＝16三角形岛的均匀尺寸(等尺寸)三角形岛(或子电池、微型电池、瓦)的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图-icell的每正方形象限四个三角形岛。此示意图示出了由沟槽隔离区划分的多个岛(显示成K＝4×4＝16岛)。此实施方案中三角形岛(微型电池)的数量是图7A和图7B中的icell实施方案中的三角形岛(微型电池)数量的两倍。图7D是icell图案(显示为三角形岛和正方形icell)以及K＝4×3×3＝36三角形岛的均匀尺寸(等尺寸)三角形岛(或子电池、微型电池、瓦)的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图-icell的每正方形象限四个三角形岛。此示意图示出了由沟槽隔离区划分的多个岛(显示成K＝4×3×3＝36岛)。此实施方案中三角形岛(微型电池)的数量是图7A和图7B中的icell实施方案中的三角形岛(微型电池)数量的4.5倍。
图7E是icell图案(显示为三角形岛和正方形icell)以及K＝2×4×4＝32三角形岛的均匀尺寸(等尺寸)三角形岛(或子电池、微型电池、瓦)的代表性示意性平面视图(正面或向阳面视图)的图-icell的每正方形象限八个三角形岛。此示意图示出了由沟槽隔离区划分的多个岛(显示成K＝2×4×4＝32岛)。此实施方案中三角形岛(微型电池)的数量是图7A和图7B中的icell实施方案中的三角形岛(微型电池)数量的4倍。
图7A是由电池外周边界52界定的且具有边长L且包括八个均匀(等面积)的三角形岛I1至I8的岛型主太阳能电池或icell50中的均匀三角形岛的顶视图的图。每个岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线54的内部岛外周边界(例如，隔离沟槽切穿主电池半导体衬底厚度且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度，沟槽宽度不大于数个100微米且常小于或等于约100μm-例如，数微米至高达约100μm)来界定。主要的电池(或icell)外周边界或边缘区52具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界52(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线54。在显示具有K＝2×4＝8三角形岛的icell的图7A的代表性实例中，K＝8，因此总的电池边缘长度为3.4142×电池外周4L＝13.567L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池大3.4142倍的外周尺寸)。对于尺寸为156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，三角形岛的边尺寸为约78mm×78mm(对于三角形的两个等直角边而言)且每个岛或子电池具有每个岛30.42cm2的面积。
图7B是由电池外周边界62界定的且具有边长L且与图7A的三角形岛或微型电池图案相比包括八个均匀(等面积)的三角形岛I1至I8的替代排列的岛型主太阳能电池或icell60中的均匀三角形岛的顶视图的图。每个岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线64的内部岛外周边界(例如，隔离沟槽切穿主电池半导体衬底厚度且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度，沟槽宽度不大于数个100微米且在某些情形下小于或等于约100μm-例如，数微米至高达约100μm)来界定。主要的电池(或icell)外周边界或边缘区62具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界62(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线64。在显示具有K＝2×4＝8三角形岛的icell的图7B的代表性实例中，K＝8，因此总的电池边缘长度为3.4142×电池外周4L＝13.567L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池大3.4142倍的外周尺寸)。对于尺寸为156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，三角形岛的边尺寸为约78mm×78mm(对于三角形的两个等直角边而言)且每个岛或子电池具有每个岛30.42cm2的面积。
图7C是由电池外周边界72界定的且具有边长L且包括十六个均匀(等面积)的三角形岛I1至I16的排列的岛型主太阳能电池或icell70中的均匀三角形岛的顶视图的图。每个岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线74的内部岛外周边界(例如，隔离沟槽切穿主电池半导体衬底厚度且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度，沟槽宽度不大于数个100微米且在某些情形下小于或等于约100μm-例如，数微米至高达约100μm)来界定。主要的电池(或icell)外周边界或边缘区72具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界72(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线74。在显示具有K＝4×2×2＝16三角形岛的icell的图7C的代表性实例中，K＝16，因此总的电池边缘长度为4.8284×电池外周4L＝19.313L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池大4.8284倍的外周尺寸)。对于尺寸为156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，此实施方案中的每个三角形岛或子电池具有每个岛15.21cm2的面积。
图7D是由电池外周边界82界定的且具有边长L且包括十六个均匀(等面积)的三角形岛I1至I36的排列的岛型主太阳能电池或icell80中的均匀三角形岛的顶视图的图。每个三角形岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线84的内部岛外周边界(例如，隔离沟槽切穿主电池半导体衬底厚度且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度，沟槽宽度不大于数个100微米且常小于或等于约100μm-例如，数微米至高达约100μm)来界定。主要的电池(或icell)外周边界或边缘区82具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界82(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线84。在显示具有K＝4×3×3＝36三角形岛的icell的图7D的代表性实例中，K＝36，因此总的电池边缘长度为7.2426×电池外周4L＝28.970L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池大7.2426倍的外周尺寸)。对于尺寸为156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，此实施方案中的每个三角形岛或子电池具有每个岛6.76cm2的面积。
图7E是由电池外周边界92界定的且具有边长L且包括三十二个均匀(等面积)的三角形岛I1至I32的排列的岛型主太阳能电池或icell90中的均匀三角形岛的顶视图的图。每个三角形岛或子电池或微型电池或瓦由显示为沟槽隔离或岛划分边界线94的内部岛外周边界(例如，隔离沟槽切穿主电池半导体衬底厚度且具有实质上小于岛边尺寸的沟槽宽度，沟槽宽度不大于数个100微米且常小于或等于约100μm-例如，数微米至高达约100μm)来界定。主要的电池(或icell)外周边界或边缘区92具有4L的总外周长度；然而，包括所有岛的外周尺寸的总的icell边缘边界长度包括电池外周边界92(也称为电池外周)和沟槽隔离边界线94。在显示具有K＝2×4×4＝32三角形岛的icell的图7E的代表性实例中，K＝32，因此总的电池边缘长度为6.8284×电池外周4L＝27.313L(因此，此icell具有比图1中所示的标准现有技术电池大6.8284倍的外周尺寸)。对于尺寸为156mm×156mm的正方形主电池或icell而言，三角形岛的边尺寸为约39mm×39mm(对于三角形的两个等直角边而言)且此实施方案中的每个三角形岛或子电池具有每个岛7.605cm2的面积。
因此，岛或微型电池的设计可包括各种几何形状，诸如正方形、三角形、长方形、梯形、多边形、蜂巢六边形岛或许多种其它可能的形状和尺寸。可选择icell中岛的形状和尺寸以及岛的数量以提供对于以下考虑因素之一或组合而言最佳的属性：(i)主电池(icell)中的总体裂纹排除或减轻；(ii)增强主电池(icell)的柔韧性和柔性/可弯曲性而无裂纹形成和/或扩散且太阳能电池或模块性能(功率转化效率)无损失；(iii)通过减小主电池(icell)电流并增加icell电压(通过单片icell中岛的串联连接或混合并联-串联连接，导致电压按比例增加且电流按比例减小)降低金属化厚度和电导率要求(且因此，降低金属化材料消耗和加工成本)；和(iv)对得到的icell提供相对最佳的电压与电流范围组合以促进且使得可以在icell上和/或在包括icell的层压PV模块中实施廉价的分布嵌入式电子部件，包括(但不限于)每个icell至少一个旁路开关(例如，整流pn结二极管或肖特基势垒二极管)、最大功率点追踪(MPPT)功率优化器(每个模块中嵌入至少多个MPPT功率优化器，其中每个MPPT功率优化器专用于至少1个至多个串联连接和/或并联连接的icell)、PV模块电源开关(在安装的PV阵列中的电源线上具有遥控器以视需要切换PV模块开或关)、现场操作PV模块期间的模块状态(例如，功率输送和温度)等。举例来说且如较早前所述，在与其它要求一起考虑时的某些应用和情形下，可能需要在主电池(icell)外周附近具有较小的(例如三角形)岛以减少得到的icell和柔性的轻量PV模块的裂纹扩散和/或改良柔性/可弯曲性。
可形成具有等尺寸或均匀尺寸的N×N正方形岛或多个等尺寸三角形岛阵列的完全正方形主电池(icell)以与串联连接的岛或岛子群中的光生电流相匹配。因此，正方形的主电池(icell)可包括N×N均匀(就岛面积而言，等尺寸)的正方形或近正方形岛(其中N为整数：2、3、4...)或K均匀三角形岛(其中K为整数，例如等于4或更大的偶数)。
图8是显示具有边缘复合效应(以及有限的串联电阻与分路电阻值和有限的暗电流)的典型太阳能电池的简化等效电路模型的示意性电路图。实际的太阳能电池包括寄生串联和分路电阻以及边缘复合效应和暗电流，所有这些都对太阳能电池的性能具有不利影响。理想的太阳能电池具有零串联电阻、无限的分路电阻、零暗电流和可忽略的或零边缘复合效应。对于已知的常规结晶硅太阳能电池而言，结晶硅晶片太阳能电池边缘面积与电池有效(向阳面)面积的典型比率为至少约0.50％。
本文所述的单片岛型太阳能电池(icell)的边缘长度增加可(但非必然)增加太阳能电池的边缘复合效应；然而，可使用极为有效的减轻措施来实质上减小微型电池(岛)边界沟槽的边缘效应。太阳能电池边缘复合电流可导致非线性分路和线性或超线性的反向电流，而非正常的饱和行为。因此，可能需要通过实质上减轻或最小化边缘复合效应来排除或最小化I损失2。可通过在太阳能电池的设计中和加工期间采取实用且有效的措施来实质性地减少和/或排除边缘复合电流。
边缘复合电流是由受到高度干扰和/或相对未钝化的边缘区和可与pn结(即，太阳能电池pn结及其接触边缘区的耗尽区)直接接触的边缘区引起。由于电池损伤(例如，残余边缘侧壁损伤，如果未通过有效工艺适当去除，诸如较早前所述在形成icell沟槽后的纹理化湿式蚀刻期间)和太阳能电池边缘侧壁区域的不良或不足钝化(主要的电池外周侧壁区域以及在icell情形下的划分沟槽侧壁区域)而发生边缘损失且在太阳能电池pn结接触太阳能电池边缘区域(在主要的太阳能电池外周侧壁周围和/或icell中的划分沟槽侧壁区域)时可进一步加剧。为了减轻此问题，在岛隔离沟槽形成后接着进行湿式纹理化(硅蚀刻)也去除了结晶半导体层侧壁中的任何残余挖沟损伤、环绕式处理钝化(在正面钝化工艺期间形成)以使所有岛的边缘区的向阳面/正面表面和侧壁钝化和/或排除pn结与岛边缘接触实质上减少或排除了来自太阳能电池(icell)的边缘复合效应。可个别地或组合用于最小化或排除单片岛型(瓦型)太阳能电池(icell)中的沟槽隔离边缘复合电流的措施包括：1)通过狭窄的基极(例如，在使用n型基极与p+n发射极结时为n型基极)边缘使每个岛(或微型电池或子电池或瓦)的发射极结(例如，在使用n型基极时为p+n发射极结)自沟槽隔离边缘(和自主要的icell边界边缘)分离/凹陷，视主电池(icell)的尺寸和岛的尺寸(及在太阳能电池加工期间的图案形成分辨率)而定，分离可至小为一微米且至大为数个100微米；2)在湿式蚀刻纹理化工艺之前使用激光刻划以自电池的向阳面形成沟槽隔离区(以使得湿式纹理化蚀刻化学蚀刻掉并去除岛或微型电池的侧壁以及icell的主要边界侧壁中的任何因挖沟引发的残余损伤)；3)进行湿式蚀刻纹理化(这也去除一部分结晶硅(例如，数微米至高达约15微米的硅))以自沟槽划分的边缘去除任何工艺引发(例如，脉冲激光烧蚀引发或机械切片引发)的受损硅(可与使用碱性纹理化蚀刻和/或酸性纹理化蚀刻的湿式纹理化加工同时进行)；和4)在icell沟槽划分和湿式蚀刻纹理化/表面清洁之后例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和/或另一种合适工艺(诸如原子层沉积(ALD))在太阳能电池(icell)向阳面上进行钝化/ARC工艺，这也将有效地覆盖并钝化整个侧壁边缘区，包括主要的icell外周边界侧壁以及所有岛的沟槽侧壁，以实质上减少或排除边缘复合损失效应。这些措施将进一步增强icell实施方案的实质益处。
以下示范性太阳能电池设计和制造工艺利用多层金属化结构，且具体来说是由电绝缘背板层(与太阳能电池的背面附接的背板层)物理分离的双级(或双层)太阳能电池金属化(即，双层金属化)。举例来说，在背板附接(例如，层压薄预浸料薄板)之前，例如使用相对薄层的丝网印刷浆料(例如，包括铝或铝-硅合金的浆料)或等离子体溅射或蒸发(PVD)铝(或铝硅合金)的材料层(在PVD形成的金属层的情形下接着进行激光烧蚀或蚀刻剂图案化)直接在太阳能电池背面上形成太阳能电池基极和发射极接触金属化图案(第一层图案化的金属或M1)。此第一层图案化金属化(本文中也称为M1)界定太阳能电池接触金属化图案，诸如细间距指叉型背接触(IBC)导体指状物界定IBC电池的基极和发射极金属化区。M1层提取太阳能电池的电功率(太阳能电池的电流和电压)并将太阳能电池电功率转移给在M1后形成的第二级/第二层的图案化的具有较高电导率的太阳能电池金属化(本文中称为M2)。第二层或第二级的图案化金属化(M2)可包括相对廉价且高电导率的金属层，诸如铝和/或铜(以及NiV或Ni或另一种合适的封盖金属的合适薄封盖层)。
如参考图4中概述的流程所述，在将背板附接或层压至经过部分加工的太阳能电池背面(完全附接或层压至背面钝化层的图案化M1层和暴露区域上和周围的太阳能电池背面)后，接着使背板支撑的太阳能电池自模板拆开(在使用外延硅剥离加工制成的太阳能电池的情形下)或接着任选地进行硅衬底减薄蚀刻(在使用起始的结晶硅晶片制成的太阳能电池的情形下)、完成正面纹理化(例如，使用湿式碱性或酸性湿式蚀刻纹理化工艺)和正面钝化及ARC沉积工艺并穿过背板层钻出通孔后，在背板上形成图案化的具有高薄板电导率的M2层(形成图案化的M2层以及导电介层插塞以供图案化的M2与M1金属化层之间电互连)。通孔(例如，每个太阳能电池的背板上数百至数千个通孔的范围内)钻入背板中(例如，通过激光钻孔)。这些钻出的通孔位于图案化M1的预规定区上以供图案化的M2和M1层之间通过在这些通孔中形成的导电介层插塞的后续电互连(插塞可与图案化M2形成工艺同时且作为其部分形成，或单独形成)。接着可形成图案化的具有较高电导率的金属化层M2(例如，通过丝网印刷、热蒸发或电子束蒸发、等离子体溅射、电镀或其组合-使用相对廉价的包括铝和/或铜的高电导率M2材料)。对于具有M1细间距IBC指状物的指叉型背接触(IBC)太阳能电池(icell)(例如，每个icell数百个指叉型M1指状物)而言，图案化的M2层可设计成实质上与图案化的M1指状物正交或垂直-换句话说，图案化的M2长方形或锥形(例如，三角形或梯形)指状物与M1指状物基本上垂直。由于M2指状物相对于M1指状物的这种正交转换，图案化的M2层可具有比M1层少得多的IBC指状物(例如，在某些情形下，每个微型电池或单位电池少约10至50个M2指状物的因数)。因此，M2层可形成为比指叉型M1层具有更宽IBC指状物的更粗糙图案(且基极-发射极金属指状物间距更大)。太阳能电池母线可位于M2层上而非M1层上(换句话说，无母线的图案化M1层)以排除与电池上(on-cell)母线相关的电遮蔽损失。由于基极和发射极互连与母线都可位于太阳能电池背面背板上的图案化M2层上，因此提供从太阳能电池背面到太阳能电池在背板上的基极和发射极末端的电接入。
在图案化的M1与M2层之间形成的连续背板材料可以是电绝缘材料薄板，例如诸如芳纶纤维预浸料材料的合适聚合材料，其相对于半导体层(例如，对于结晶硅太阳能电池而言为结晶硅)的CTE而言具有足够匹配的热膨胀系数(CTE)以避免在薄硅层上引起过量热引发的应力。此外，背板层应满足后端电池制造工艺的太阳能电池加工集成要求，尤其在任选的湿式硅减薄蚀刻期间和在对电池正面的湿式纹理化期间的相对良好的耐化学性和在后续沉积正面钝化和ARC层期间以及在后续M2制造工艺期间(如果适用)相对良好的热稳定性(例如，至高达约400℃热稳定性)。电绝缘连续背板层也应该满足模块级层压加工和长期PV模块可靠性要求。尽管各种合适的聚合(诸如塑料、含氟聚合物、预浸料等)和合适的非聚合材料(诸如玻璃、陶瓷等)都可以用作电绝缘背板材料，但所需的背板材料选择取决于许多个考虑因素，包括(但不限于)成本、加工集成简易性、与硅匹配的相对CTE、热稳定性、耐化学性、可靠性、柔性/柔韧性等。
用于连续背板层的一种合适的材料选择是预浸料薄板(包括纤维和树脂的组合)。预浸料薄板用作印刷电路板的构建模块，而且可以由树脂和减少CTE的纤维或颗粒的组合来制造。背板材料可以是对任选的硅减薄蚀刻化学(例如，碱性或酸性硅蚀刻化学)和纹理化化学品(例如，碱性或酸性硅纹理化化学)具有相对耐化学性且在至高达至少180℃(且在某些情形下，在后端太阳能电池加工期间高达约400℃的温度)的温度下相对热稳定的相对廉价、低CTE(典型地为CTE<10ppm/℃，或在某些情形下CTE<5ppm/℃)、薄(通常为50微米至250微米且在某些情形下在约50至150微米的范围内)的预浸料薄板。在使用外延硅剥离加工制造的太阳能电池的情形下，可在通过形成图案化的M1层完成太阳能电池背面加工后使预浸料薄板附接至太阳能电池背面，同时使用热真空层压机仍在可重复使用的模板上(如果适用则在电池剥离释放工艺之前)。或者，在使用结晶硅晶片(无外延剥离加工)制造的太阳能电池的情形下，可在通过形成图案化的M1层完成太阳能电池背面加工后，再次使用热真空层压机使预浸料薄板附接至太阳能电池晶片背面。经过组合施加热和压力，使薄的连续预浸料薄板(例如，50至250微米厚的芳纶纤维预浸料薄板层)永久性地层压或附接至经过加工的太阳能电池背面(或在单片模块实施方案的情形下为多个太阳能电池)。随后，在使用外延硅剥离加工制造的太阳能电池的情形下如果适用，例如通过使用脉冲激光刻划工具在太阳能电池外周周围(靠近可重复使用的模板边缘)界定剥离释放边界，且随后使用机械释放或剥离工艺(在起始的结晶硅晶片上制成的太阳能电池不使用剥离释放工艺，而在背板附接/层压工艺后直接继续进行至后端的太阳能电池加工)剥离背板层压的太阳能电池并使之与可重复使用的模板分离。后续的后端加工步骤可包括：(i)在起始的结晶硅晶片上制成的太阳能电池的情形下进行任选的硅减薄蚀刻，在太阳能电池的向阳面上完成湿式纹理化和钝化及ARC沉积工艺，(ii)在背板附接的太阳能电池背面(形成在太阳能电池背板的表面上)上完成形成太阳能电池背板通孔和高电导率的第二层金属化(M2)。在包括激光钻出的通孔的层压太阳能电池背板上形成用于图案化M2的高电导率金属化(例如包括铝和/或铜，与银形成对比以减少总体的太阳能电池制造和材料成本)，包括用于发射极与基极极性的指叉型M2金属指状物。
如前文所述，背板材料可由薄的(例如，厚度为约50至250微米)柔性且电绝缘的聚合材料薄板制成，诸如在印刷电路板(PCB)和其它工业应用中常用的相对廉价的预浸料材料，其满足总体的加工集成和可靠性要求。预浸料通常是经树脂预浸渍且即用于产生复合部件的增强材料(预浸料可用于比湿式铺叠系统更快且更容易地产生复合物)。可通过使用被设计成用以确保一致性的设备将增强纤维或织物与经过特殊配制的预催化树脂合并来制造预浸料。通过柔性的背纸覆盖，预浸料可易于处理且在室温下保持柔性/柔韧性持续特定的时间段(失效时间)。此外，预浸料发展已生产出不需要冷冻储存的材料、具有较长保存期限的预浸料和在较低温度下固化的产品。预浸料层压板可通过在压力下加热固化(热压层压)。配制常规的预浸料用于高压釜固化，而低温预浸料可通过在更低的温度下单独使用真空袋压力完全固化。
如前文公开和论述，本文公开的单片岛型电池(icell)设计和制造方法可与已知的太阳能电池设计和制造加工流程集成，包括对于背接触太阳能电池而言，实质上不改变或增加制造加工步骤或工具，且因此实质上不增加制造太阳能电池的成本。实际上，太阳能电池和模块的制造成本可由于icell创新(以及包括icell的单片模块实施方案创新)而减少。在一个实施方案中，电池设计结合连续背板和金属化结构的组合(尤其是两个图案化的金属化层或金属化级-M1和M2)提供背结/背接触太阳能电池架构。然而，背板与金属化层的各种组合可充当永久柔性或半柔性或刚性的结构支撑/增强并为高效率结晶硅太阳能电池提供高电导率(例如，包括铝和/或铜金属化材料)互连，而不显著损害太阳能电池的功率或增加太阳能电池的制造成本。
图9A是显示在具有4×4正方形岛的主电池或icell上形成的无母线第一金属化层图案(M1)的背面平面视图的示意图(此icellM1图案后视图对应于图2中关于具有相同4×4正方形岛排列的icell所示的正面视图)。图9B是图9A的一部分示意图的扩展视图，显示图9A的一个岛的扩展背面平面视图(例如，I14所表示的岛)，指示其无母线第一金属化层图案(M1)指叉型基极和发射极金属指状物的岛，其与icell中其它岛的指叉型基极和发射极M1指状物电隔离。
图9A是显示在背板附接或层压至外延生长(例如，在模板上的多孔硅上)或基于结晶晶片的半导体衬底之前在主电池或icell100上形成的包括图案化细间距指叉型基极和发射极金属化指状物的多个岛(对应于icell中的多个岛-在此代表性实例中，4×4阵列)的无母线第一金属化层图案(M1)的背面平面视图的示意图。此设计对应于图2中所示的具有4×4正方形岛阵列的icell。图9B是来自图9A的太阳能电池岛的扩展背面视图，其图案化的M1金属化层形成细间距的无母线指叉型基极和发射极金属化指状物(例如，对于背结/背接触或IBCicell或主电池而言)。与如前文参考图2所述的icell实施方案相一致，经过部分加工的主电池或icell100(通过第一层或第一级的图案化金属M1加工)由电池外周边界106界定，且在此代表性实施方案中包括4×4＝16个均匀(等岛面积)正方形岛I11至I44，其随后将通过形成划分沟槽隔离边界来界定(在背板附接或层压至太阳能电池背面之后)，显示为从将形成划分沟槽的太阳能电池正面向此背面视图突出的边界线104。注意，将在背板的相反面上自半导体衬底的向阳面形成划分沟槽。在图9A和图9B中，划分岛的边界线104也为形成icell的岛(此实施方案中为4×4岛阵列)界定M1金属化岛(由图案化的M1形成的指叉型基极和发射极金属化指状物的多个岛)。指叉型M1指状物的4×4岛可彼此物理分开(即，指叉型指状物不穿越或违反划分边界线104)且电隔离。整个多个图案化的M1岛(在此实施方案中为M1岛的4×4阵列，包括能够与n型和p型硅产生良好欧姆接触的相对高电导率且廉价的金属，诸如铝)通过诸如丝网印刷合适的浆料(铝或铝-硅合金浆料)或PVD和PVD后图案化(通过脉冲激光烧蚀图案化或图案化蚀刻)的合适工艺在太阳能电池的背面上同时形成。岛或子电池或微型电池是在共享的连续或连续背板层/薄板(背板此处未显示，但将附接或层压至包括背面钝化和图案化电池上M1层的太阳能电池背面)上(由相同的初始连续半导体层)单片形成的半导体层的沟槽划分并隔离的岛(例如，外延生长硅层或来自起始的结晶硅晶片的硅层)。在对应于太阳能电池正面上的沟槽划分半导体岛的icell图案且与此一致的太阳能电池背面上形成图案化的M1指叉型金属化指状物102的多个岛(在此实施方案中为4×4＝16)，其中每个岛的指叉型基极和发射极金属指状物对应于每个岛的M1金属化。每个M1岛上的指叉型基极和发射极金属指状物显示为在M1图案上无电池母线(显示为在背板附接之前使在太阳能电池衬底背面108上形成的发射极M1金属指状物110和基极M1金属指状物112交替)-因此不存在电池上母线。如图9A和图9B中所示，每个M1岛(对于得到的icell而言对应于每个沟槽划分的岛)的图案化指叉型M1金属化指状物与其它邻近岛的图案化指叉型M1金属化指状物物理隔离且电隔离。大多数情况下但并非必然，在完成背板附接至经过部分加工的太阳能电池背面后并朝向太阳能电池后端加工末尾，通过第二图案化金属化层M2实现icell的各个沟槽划分岛之间的电互连。某些实施方案可利用图案化的M1层也使相邻或邻近的沟槽划分岛例如以电并联和/或串联连接互连。在某些情形下，如果适用并需要，可在太阳能电池衬底背面108上形成M1金属化层，诸如在由外延生长硅衬底制成的太阳能电池的情形下，而经过部分加工的外延太阳能电池仍附接至其在电池向阳面上的支撑结晶硅模板结构。这在较早前已结合外延硅太阳能电池制造加工流程进行描述。
图10A是显示在具有3×3正方形岛的主电池或icell上形成的无母线第一金属化层图案(M1)的背面平面视图的示意图(此icellM1图案后视图对应于图6A中关于具有相同3×3正方形岛排列的icell所示的正面视图)。图10B是显示在具有5×5正方形岛的主电池或icell上形成的无母线第一金属化层图案(M1)的背面平面视图的示意图(此icellM1图案后视图对应于图6B中关于具有相同5×5正方形岛排列的icell所示的正面视图)。
图10A和10B是显示在背板附接或层压至外延生长(在模板上)或基于结晶晶片的半导体衬底之前在图10A中的主电池或icell120和图10B中的130上形成的包括图案化细间距指叉型基极和发射极金属化指状物的多个M1金属图案岛(对应于icell中的岛-在这些代表性实例中，在图10A中的3×3＝9阵列和在图10B中的5×5＝25阵列)的无母线第一金属化层图案(M1)的背面平面视图的示意图。这些设计对应于图6A中所示的具有3×3岛阵列的icell和图6B中所示的具有5×5岛阵列的icell。在图10A中，与如前文参考图6A所述的icell实施方案相一致，经过部分加工的主电池或icell120(通过第一层或第一级的图案化金属M1加工)由电池外周边界126界定，且在此代表性实施方案中包括3×3＝9个均匀(等岛面积)正方形岛I11至I33，其随后将通过形成划分沟槽隔离边界来界定(在背板附接或层压至太阳能电池背面之后)，显示为从将穿过半导体层形成划分沟槽的太阳能电池正面向此背面视图突出的边界线124。注意，将在背板的相反面上自半导体衬底的向阳面形成划分沟槽。在图10A中，划分边界线124也为形成icell的岛(此实施方案中为3×3岛)界定M1金属化岛(指叉型基极和发射极金属化指状物的多个岛)。指叉型M1指状物的3×3岛可彼此物理分开(即，指叉型指状物不穿越或违反划分边界线124)且电隔离。整个多个图案化的M1岛(在此实施方案中为M1岛的3×3阵列，包括能够与n型和p型硅产生良好欧姆接触的相对高电导率且廉价的金属，诸如铝)通过诸如丝网印刷合适的浆料(诸如包括铝或铝-硅合金的浆料)或PVD和PVD后图案化(通过脉冲激光烧蚀图案化或图案化蚀刻)的合适工艺在太阳能电池的背面上同时形成。岛或子电池或微型电池是在共享的连续或连续背板层/薄板(背板此处未显示，但将附接或层压至包括背面钝化和图案化的电池上M1层的太阳能电池背面)上(由相同的初始连续半导体层)单片形成的半导体层的沟槽划分并隔离的岛(例如，外延生长硅层或来自起始的结晶硅晶片的硅层)。在对应于太阳能电池正面上的沟槽划分半导体岛的icell图案且与此一致的太阳能电池背面上形成图案化的M1指叉型金属化指状物122的多个岛(在此实施方案中为3×3＝9)，其中每个岛的指叉型基极和发射极金属指状物对应于每个岛的金属化区。每个M1岛上的指叉型基极和发射极金属指状物显示为在M1图案上无电池母线(显示为在背板附接之前使在太阳能电池衬底背面上形成的发射极和基极M1金属线122交替)-因此不存在电池上母线。如图10A中所示，每个M1岛(对于得到的icell而言对应于每个沟槽划分的岛)的图案化指叉型M1金属化指状物与其它邻近岛的图案化指叉型M1金属化指状物物理隔离且电隔离。在某些情形下，在完成背板附接至太阳能电池背面后并朝向太阳能电池后端加工末尾，通过第二图案化金属化层M2实现icell的各个沟槽划分岛之间的电互连。某些实施方案可利用图案化的M1层也使某些相邻或邻近的沟槽划分岛例如以电并联和/或连接互连。在某些情形下，如果适用并需要，可在太阳能电池衬底背面上形成M1金属化层，诸如在由外延生长硅衬底制成的太阳能电池的情形下，而经过部分加工的外延太阳能电池仍附接至其在电池向阳面上的支撑结晶硅模板结构。这在较早前已结合外延硅太阳能电池制造加工流程进行描述。
在图10B中，与如前文参考图6B所述的icell实施方案相一致，经过部分加工的主电池或icell130(通过第一层或第一级的图案化金属M1加工)由电池外周边界136界定，且在此代表性实施方案中包括5×5＝25个均匀(等岛面积)正方形岛I11至I55，其随后将通过形成划分沟槽隔离边界来界定(在背板附接或层压至太阳能电池背面之后)，显示为从将形成划分沟槽的太阳能电池正面向此背面视图突出的边界线134。注意，将在背板的相反面上自半导体衬底的向阳面形成划分沟槽。在图10B中，划分边界线134也为形成icell的岛(此实施方案中为5×5＝25岛)界定M1金属化岛(指叉型基极和发射极金属化指状物的多个岛)。指叉型M1指状物的5×5＝25岛可彼此物理分开(即，指叉型指状物不穿越或违反划分边界线134)且电隔离。整个多个图案化的M1岛(在此实施方案中为M1岛的5×5＝25阵列，包括能够与n型和p型硅产生良好欧姆接触的相对高电导率且廉价的金属，诸如铝)通过诸如丝网印刷合适的浆料(诸如包括铝或铝-硅合金)或PVD和PVD后图案化(通过脉冲激光烧蚀图案化或图案化蚀刻)的合适工艺在太阳能电池的背面上同时形成。岛或子电池或微型电池是在共享的连续或连续背板层/薄板(背板此处未显示，但将附接或层压至包括背面钝化和图案化的电池上M1层的太阳能电池背面)上(由相同的初始连续半导体层)单片形成的半导体层的沟槽划分并隔离的岛(例如，外延生长硅层或来自起始的结晶硅晶片的硅层)。在对应于太阳能电池正面上的沟槽划分半导体岛的icell图案且与此一致的太阳能电池背面上形成图案化的M1指叉型金属化指状物132的多个岛(在此实施方案中为5×5＝25)，其中每个岛的指叉型基极和发射极金属指状物对应于每个岛的M1金属化区。每个M1岛上的指叉型基极和发射极金属指状物显示为在M1图案上无电池母线(显示为在背板附接之前使在太阳能电池衬底背面上形成的发射极和基极M1金属线132交替)-因此不存在电池上母线(以防止或最小化电遮蔽损失)。如图10B中所示，每个M1岛(对于得到的icell而言对应于每个沟槽划分的岛)的图案化指叉型M1金属化指状物与其它邻近岛的图案化指叉型M1金属化指状物物理隔离且电隔离。可在完成背板附接至太阳能电池背面后并朝向太阳能电池后端加工末尾，通过第二图案化金属化层M2实现icell的各个沟槽划分岛之间的电互连。某些实施方案可利用图案化的M1层也使相邻或邻近的沟槽划分岛例如以电并联连接互连。在某些情形下，如果适用并需要，可在太阳能电池衬底背面上形成M1金属化层，诸如在由外延生长硅衬底制成的太阳能电池的情形下，而经过部分加工的外延太阳能电池仍附接至其在电池向阳面上的支撑结晶硅模板结构。这在较早前已结合外延硅太阳能电池制造加工流程进行描述。
图11A是显示在具有4×3×3＝36三角形岛的主电池或icell上形成的无母线第一金属化层图案(M1)的背面平面视图的示意图(此icellM1图案后视图对应于图7D中关于具有相同4×3×3＝36三角形岛排列的icell所示的正面视图)。图11B是图11A的一部分示意图的扩展视图，显示图11A的一组三角形岛的扩展背面平面视图(例如，I1、I2、I3、I4所表示的岛)，指示其无母线第一金属化层图案(M1)指叉型基极和发射极金属指状物的三角形岛，彼此电隔离并且与icell中其它岛的指叉型基极和发射极M1指状物电隔离。
图11A是显示在背板附接或层压至外延生长(在模板上)或基于结晶晶片的半导体衬底之前在主电池或icell140上形成的包括图案化细间距指叉型基极和发射极金属化指状物的多个岛(在此代表性实例中，对应于icell中的多个三角形岛-4×3×3＝36阵列)的无母线第一金属化层图案(M1)的背面平面视图的示意图。此设计对应于图7D中所示的具有4×3×3岛阵列的icell。图11B是来自图11A的太阳能电池岛的扩展背面视图，其图案化的M1金属化层形成细间距的无母线指叉型基极和发射极金属化指状物(例如，对于背结/背接触或IBC太阳能电池而言)。与如前文参考图7D所述的icell实施方案相一致，经过部分加工的主电池或icell140(通过第一层或第一级的图案化金属M1加工)由主电池或icell外周边界146界定，且在此代表性实施方案中包括4×3×3＝36个均匀(等岛面积)三角形岛I1至I36，其随后将通过形成穿过半导体层的划分沟槽隔离边界来界定(在背板附接或层压至太阳能电池背面之后)，显示为从将形成划分沟槽的太阳能电池半导体衬底正面向此背面视图突出的各种边界线144和154(显示为暗轴-水平和垂直-线和白色对角线边界线，分离指叉型M1金属指状物的三角形岛)。注意，将在背板的相反面上自半导体衬底的向阳面形成划分沟槽。在图11A和图11B中，水平和垂直(本文中也称为轴向)划分边界线144和三角形图案划分对角线的或成角的边界线154(显示为水平和垂直或轴向暗线以及对角线白线-在轴向X与Y方向岛-划分边界线相对于对角线方向岛-划分边界线之间由暗线和白线简单区分)也为形成icell的三角形岛(此实施方案中为4×3×3＝36个岛)界定M1金属化岛(指叉型基极和发射极金属化指状物的多个三角形岛)。指叉型M1指状物的4×3×3＝36个岛可彼此物理分开(即，指叉型指状物不穿越划分边界线144和154)且电隔离。整个多个图案化的M1岛(在此实施方案中为M1岛的4×3×3＝36阵列，包括能够与n型和p型硅产生良好欧姆接触的相对高电导率且廉价的金属，诸如铝)通过诸如丝网印刷合适的浆料(诸如包括铝或铝-硅合金的浆料)或PVD和PVD后图案化(通过脉冲激光烧蚀图案化或图案化蚀刻)的合适工艺在太阳能电池的背面上同时形成。岛或子电池或微型电池是在共享的连续或连续背板层/薄板(背板此处未显示，但将附接或层压至包括背面钝化和图案化的电池上M1层的太阳能电池背面)上(由相同的初始连续半导体层)单片形成的半导体层的沟槽划分并隔离的岛(例如，在模板上的多孔硅上的外延生长硅层或来自起始的结晶硅晶片的硅层)。在对应于太阳能电池正面上的沟槽划分半导体岛的icell图案且与此一致的太阳能电池背面上形成图案化的M1指叉型金属化指状物142的多个岛(在此实施方案中为4×3×3＝36)，其中每个岛的指叉型基极和发射极金属指状物对应于每个岛的M1金属化。每个M1岛上的指叉型基极和发射极金属指状物显示为在M1图案上无电池母线(显示为在背板附接之前使在太阳能电池衬底背面148上形成的发射极M1指状物150和基极M1指状物152交替)-因此不存在电池上母线(以避免或排除电遮蔽损失)。如图11A和图11B中所示，每个三角形M1岛(对于得到的icell而言对应于每个沟槽划分的三角形岛)的图案化指叉型M1金属化指状物与其它邻近岛的图案化指叉型M1金属化指状物物理隔离且电隔离。可在完成背板附接至太阳能电池背面后并朝向太阳能电池后端加工末尾，通过第二图案化金属化层M2实现icell的各个沟槽划分岛之间的电互连。某些实施方案可利用图案化的M1层也使相邻或邻近的沟槽划分岛例如以电并联和/或串联连接互连。在某些情形下，如果适用并需要，可在太阳能电池衬底背面上形成M1金属化层，诸如在由外延生长硅衬底制成的太阳能电池的情形下，而经过部分加工的外延太阳能电池仍附接至其在电池向阳面上的支撑结晶硅模板结构。这在较早前已结合外延硅太阳能电池制造加工流程进行描述。在具有诸如图11A和B中所示的多个三角形岛的icell实施方案中，形成正方形的一组四个三角形岛(例如岛群I1至I4形成一个正方形且岛群I30至I36形成另一个正方形)可使用第二图案化金属化层M2(此处未显示)并联电连接，且整组的正方形区(此实施方案中为3×3的正方形区，其中每个正方形区包括4个三角形岛)随后可串联电连接(例如，将以电串联连接3×3＝9正方形区)，或如果需要则以混合的并联串联排列电连接。因此，尽管三角形岛的数量是4×3×3＝36，但以串联连接的子群(S)的数量(对于4个三角形岛的群的串联连接排列而言)是3×3＝9-换句话说，9个由4个三角形组成的正方形子群，诸如形成正方形的I1、I2、I3和I4(P＝4或在由M2电并联连接的正方形中限定的4个三角形岛和各自包括4个并联连接的三角形岛的9个正方形区，全部电串联连接)。
代表性M2金属化实施方案
图12A是显示在具有5×5正方形岛阵列的icell的主电池或icell背面上形成的第二且最终的金属化层图案(M2)的背面平面视图的示意图(此M2图案适用于图6B中所示的太阳能电池设计，其上形成如图10B中所示的M1)。此处显示的M2图案提供一种排列以使5×5＝25个岛的阵列在icell中以电串联互连。图案化的M2层显示为具有实质上长方形的指状物(M2指状物的数量＜＜M1指状物的数量)。图12B是图12A示意图中的一部分M2结构的扩展视图，其显示在图11A的一个象限区内的数个串联连接岛的M2图案的扩展背面平面视图(例如，包括用于由I14、I15、I24、I25表示的岛的M2图案，指示指叉型基极和发射极M2金属指状物)。
图12A是显示在主电池或icell160(类似于图6B中所示的包括正方形岛的5×5＝25阵列的太阳能电池，其上具有如图10B中所示的图案化M1)上形成的第二金属化层图案(M2)的背面平面视图的示意图。图12B是图12A的太阳能电池的一个象限内的数个岛中的M2金属化层图案的扩展视图。在图12A和B中且如先前参考图6B和10B所述，主电池或icell160由太阳能电池外周边界164界定且包括由半导体-层-划分沟槽隔离边界界定的5×5＝25均匀正方形岛I1至I55。在图案化的M1层形成后，在附接或层压至太阳能电池背面的连续背板层177上形成图案化的M2金属化层162。图案化的M1和M2层由背板层177彼此分离且通过如较早前所述的导电介层插塞互连在一起。图12A和B中所示的图案化M2金属化层162包括通过多个导电介层插塞(通过穿过背板层经激光钻出通孔的M2金属化工艺形成)与下层图案化M1层连接的实质上长方形的指叉型发射极和基极金属指状物。如所示，图案化的M2指叉型长方形指状物(M2发射极指状物176和M2基极指状物174)可经图案化以便其实质上与下层的图案化M1指叉型基极和发射极指状物垂直或正交，因此使得M2基极和发射极指状物的数量与M1基极和发射极指状物的数量相比实质上较小。在此实施方案中，包括一群5个岛的每一列中的岛(主电池或icell包括5×5阵列的微型电池或岛)由M2串联连接170以电串联的形式连接(每个岛的基极M2金属连接至同一列中其相邻岛的发射极M2金属且每个岛的发射极M2金属连接至同一列中其相邻岛的基极M2金属且在从一列末端转换至其相邻列的开始时；一个角落岛的基极M2母线与另一对角线相对岛角落岛的发射极M2母线充当icell基极和发射极母线以供通过单片模块实施方案中M2的延伸或在不使用单片模块实施方案时通过将太阳能电池搭接/串接/和/或焊接在一起而使icell与icell互连)。为了完成排列成5列的5×5岛阵列的图案化M2电串联互连，使用图案化的M2层使岛列电互连，尤其通过或者位于岛列顶部和底部的横向M2层跳线或横向连接器172电互连-因此，此icell中的5×5＝25个岛全部使用图案化的M2层以电串联形式互连，其中串联连接从图12A的icell160中的左上角岛开始且沿第一列岛向下继续，然后使用底部M2跳线或横向连接器172使最左侧第一列与第二列串联连接，其中串联连接沿第二列岛向上继续，然后使用顶部M2跳线或横向连接器172使第二列与第三列串联连接，其中串联连接沿第三列岛向下继续，然后使用底部M2跳线或横向连接器172使第三列与第四列串联连接，其中串联连接沿第四列岛向上继续，然后使用顶部M2跳线或横向连接器172使第四列与第五列串联连接，且最后串联连接沿第五列岛向下继续。在此具有5×5串联连接的岛阵列的icell中(通过图案化的M2层，所有岛互连且icell最终金属化)，用于岛I11(左上角的岛)的发射极引线或母线166(发射极末端)与用于岛I55(右下角的岛)的基极引线或母线168(基极末端)充当icell160的主要母线。如所示，对应于相邻岛列的图案化M2层的相邻列(在此实施方案中每列5个岛)由M2列电隔离间隙区178(即，在这些隔离区中无M2金属)分开，露出背板层177。在形成所有M2级的图案化基极和发射极指状物以及发射极引线或母线166(发射极末端)和基极引线或母线168(基极末端)作为单片制造的图案化M2金属化层的部分的同时形成M2列电隔离间隙区178。各列中相邻岛之间的M2串联连接170使岛I11的M2基极指状物174与岛I21的M2发射极指状物176电连接。岛I21的M2基极指状物174与岛I31的M2发射极指状物176电连接，以此类推垂直直到与岛I51，因此完成第一列中各岛的电串联连接。M2串联连接横向跳线172使岛I51的M2基极指状物174(在第1列中)与岛I52的M2发射极指状物176(在第2列中)电连接。
每个微型电池或岛可与阵列中的至少一个其它岛串联连接，其中诸如图12A中所示，5×5岛阵列中的所有岛都电串联连接，这在本文中称为全串联连接。然而，视应用和要求而定，也可以使用并联和混合的并联-串联微型电池连接图案。
如图12A中所示，每个岛(或每一子群的M1并联连接岛)具有对于此岛而言在下层指叉型M1指状物单元电池上形成且与其正交的指叉型长方形指状物的相应M2单元电池设计-图6B中的I11对应于图10B中的I11对应于图12A中的I11。在某些情形下，可能需要图案化与下层指叉型M2指状物并联的M2指状物。
另外且或者，如图13中所示，包括用于icell的M2单元电池设计的金属指状物例如可锥化成三角形或梯形形状。图13是显示具有多个指叉型锥形/直角三角形基极和发射极指状物的第二金属化层图案(M2)单元电池的背面平面视图的示意图。位于每个串联连接的正方形岛或M1并联连接岛子群上的M2单元电池设计的此实例显示每个岛或每个M1并联连接岛子群的F＝6对基极和发射极M2金属指状物。
图13是显示具有由在M2图案化期间形成的电隔离间隙186分离的例如六对锥形/直角三角形指状物-M2锥形基极指状物184(全部附接至M2基极母线)和M2锥形发射极指状物182(全部附接至M2发射极母线)的第二金属化层图案(M2)单元电池180的背面平面视图的示意图。词语锥形在本文中用于描述在岛母线连接处较宽且随着指状物从母线向岛的另一末端延伸而变窄的M2指状物。在某些情形下，锥形的M2指状物设计可减小欧姆损失且使M2层的厚度要求与长方形的M2指状物相比减少约30％-因此对于给定的可容许金属化欧姆损失而言允许较薄的M2层。锥形的基极和发射极M2指状物(从相应的岛M2母线向外锥化)可成形为近三角形(直角、等边或其它需要的三角形形状)或近梯形。对于具有L的边尺寸(对应于约L×L的正方形icell面积)和N×N＝S岛(S岛通过图案化的M2金属化层电串联连接)且每个岛(或M1并联连接岛的每个子群)有F对M2指状物的主电池或icell而言，用于设计具有锥形指状物的正方形M2单元电池的实例尺寸考虑因素为：L＝H×N；H＝F×h；岛面积＝H2；F＝M2基极和发射极指状物对的数量(在图13中，F＝6)-其中：H是每个串联连接的岛(或岛子群)的M2图案的边尺寸，h是三角形M2指状物的基极宽度，且F是每个岛(或岛子群)的基极和发射极M2指状物对的数量。每个串联连接的岛(或岛子群)的面积是H2。
图13是显示在主电池岛180上形成的第二金属化单元电池层图案(M2)的背面视图的图(对于icell中所有其它岛而言与图案化的M2同时且单片形成)，主电池岛180具有由隔离金属化电隔离间隙186(作为图案化的M2形成的部分而形成)界定且电隔离的三角形-锥形指叉型基极指状物184与发射极指状物182。图13中所示的M2金属化图案例如可定位为在每个个别的岛(诸如与icell中的其它岛串联连接的每个岛)或在M1并联连接的岛子群上与图案化的M1指状物正交或垂直。锥形指状物可进一步降低M2厚度要求(典型地相对于长方形指状物降低约30％)且使得M2金属化层可更薄(由于电薄板的电导要求降低)。
图14A是显示在icell(类似于图2中所示的其上如图9A中所示形成有图案化的M1的电池)的背面上形成的第二金属化层图案(M2)的背面平面视图的示意图。这显示了一种用于使4×4＝16阵列的正方形岛进行电串联连接的icellM2图案。图案化的M2指状物使用三角形基极和发射极金属指状物(每个岛中M2指状物的数量小于M1指状物的数量)。在某些情形下，M2指状物可与M1指状物正交或垂直。M2指状物可比M1指状物具有更宽且更粗糙的间距。
图14B是显示图14A的具有图案化的M2金属化层的一部分太阳能电池的扩展背面平面视图的示意图，尤其显示岛I14的完整视图以及岛I13、I23和I24的部分视图。
图14A是显示在主电池或icell190(类似于图2中所示的其上如图9A中所示形成有图案化的M1的电池)上形成的第二金属化层图案(M2)的背面平面视图的图。图14B是图14A的具有图案化的M2金属化层的一部分太阳能电池的扩展示意平面视图，尤其显示岛I14的完整视图以及岛I13、I23和I24的部分视图。在图14A和B中且如前文参考图2和9A所述，主电池或icell190由电池外周边界208界定且包括由划分沟槽隔离边界界定的4×4＝16个均匀(等面积)的正方形岛I11至I44。图案化的M2单元电池金属化层192在与包括图案化的M1层的太阳能电池背面附接的背板层上形成和在icell中每个岛的背面上形成为通过多个导电介层插塞与下方的M1层电互连的锥形(例如，如所示为三角形)指叉型发射极和基极金属指状物。如所示，图案化的M2指叉型三角形指状物(在图案化的M2层中由隔离间隙210电隔离的M2发射极指状物206和M2基极指状物204)实质上与下方的M1指叉型指状物正交或垂直图案化，使得每个岛的M2指状物的数量与M1指状物相比实质上较少。一列中由M2串联连接200以串联连接每个岛(如图14A中所示，主电池包括4×4＝16阵列的微型电池)且岛列由或者位于岛列顶部和底部的M2横向跳线202互连-因此4×4＝16岛的阵列从发射极引线194(icell的发射极末端或母线)电串联连接至基极引线196(icell的基极末端或母线)。如所示，每个岛列由M2列隔离区198分开，也作为图案化M2形成工艺的部分而形成。M2串联连接200使M2基极指状物204从岛I11电连接至岛I21的M2发射极指状物206。岛I21的M2基极指状物204电连接至岛I31的M2发射极指状物206，依此类推垂直直到岛I41。M2串联连接横向跳线202使岛I41的M2基极指状物204(在第1列中)与岛I42的M2发射极指状物206(在第2列中)电连接。
图15A是显示在具有3×3＝9个串联连接的岛或M1并联连接的岛子群的主电池(类似于图6A中所示的其上如图10A中所示形成有图案化的M1的电池)上形成的第二金属化层图案(M2)的背面平面视图的示意图。图案化的M2指状物使用三角形基极和发射极金属指状物(每个岛中M2指状物的数量小于M1指状物的数量)。在某些情形下，M2指状物可与M1指状物正交或垂直。M2指状物可比M1指状物具有更宽且更粗糙的间距。
图15A是显示在主电池或icell220(类似于图6A中所示的其上如图10A中所示形成有图案化的M1的电池)上形成的第二金属化层图案(M2)的背面平面视图的图。可在与现有技术单岛主电池(诸如图1中所示)相比提供增加的电压和减小的电流的主电池上对于3×3＝9个串联连接的岛(或M1并联连接的岛子群)形成所示的M2图案。换句话说，与现有技术单岛主电池相比，M2金属化图案可使太阳能电池电压(Vmp和Voc)按比例增加9倍且使太阳能电池电流(Imp和Isc)按比例减小9倍。在图15A中且如前文参考图6A和10A所述，icell或主电池220由电池外周边界238界定且包括由划分沟槽隔离边界界定的3×3＝9个均匀(等面积)的正方形岛I11至I33。在图案化的M1层形成后，在附接至太阳能电池背面的连续电绝缘背板上使图案化的M2单元电池金属化层222形成、在每个岛的背面上形成为通过穿过背板形成的多个导电介层插塞与下方的图案化M1层指状物电连接的锥形(例如，三角形)指叉型发射极与基极M2金属指状物。如所示，图案化的M2指叉型三角形指状物(由在图案化的M2形成工艺期间形成的隔离间隙电隔离的M2发射极指状物232和M2基极指状物234)实质上与下方的图案化M1指叉型指状物正交或垂直图案化，使得每个岛的M2指状物的数量与M1指状物相比实质上较少。一列中由M2串联连接230以串联连接每个岛(在此实施方案中，主电池包括3×3＝9阵列的微型电池或岛)且岛列由或者位于岛列顶部和底部的横向跳线228连接-因此每个岛从发射极引线或母线224(发射极末端)串联连接至基极引线或母线226(基极末端)。如所示，每个岛列由在图案化M2形成工艺期间形成的M2列隔离区228分开。M2串联连接230使M2基极指状物234从岛I11电连接至岛I21的M2发射极指状物232。岛I21的M2基极指状物234电连接至岛I31的M2发射极指状物232。M2串联连接横向跳线228使岛I31的M2基极指状物234(在第1列中)与岛I32的M2发射极指状物232(在第2列中)电连接。
图15B是显示在具有5×5＝25个串联连接的岛或M1并联连接的岛子群的主电池(类似于图6B中所示的其上如图10B中所示形成有图案化的M1的电池)上形成的第二金属化层图案(M2)的背面平面视图的示意图。图案化的M2指状物使用三角形基极和发射极金属指状物(每个岛中M2指状物的数量小于M1指状物的数量)。在某些情形下，M2指状物可与M1指状物正交或垂直。M2指状物可比M1指状物具有更宽且更粗糙的间距。
图15B是显示在icell或主电池240(类似于图6B中所示的其上如图10B中所示沉积有M1的电池)上沉积的第二金属化层图案(M2)的背面平面视图的图。可在与现有技术岛主电池相比提供增加的太阳能电池电压和减小的太阳能电池电流的主电池上对于5×5＝25个串联连接的岛形成所示的M2图案。换句话说，与现有技术单岛主电池相比，M2金属化图案可使电压(Vmp和Voc)按比例增加25倍且使电流(Imp和Isc)按比例减小25倍。在图15B中且如前文参考图6B和10B所述，icell或主电池240由电池外周边界258界定且包括由沟槽隔离边界界定的25个均匀的正方形岛I11至I55。在图案化的M1层形成后，在附接至太阳能电池背面的电绝缘连续背板上使图案化的M2单元电池金属化层242形成、在每个岛的背面上形成为通过穿过背板层的多个导电介层插塞与下方的M1层电互连的锥形(三角形)指叉型发射极与基极金属指状物。如所示，M2指叉型三角形指状物(由隔离间隙电隔离的M2发射极指状物252和M2基极指状物254)实质上与下方的图案化M1指叉型指状物正交或垂直图案化，使得M2指状物的数量与M1指状物相比实质上较少。一列中由M2串联连接250以串联连接每个岛(在此实施方案中，主电池包括5×5＝25阵列的微型电池)且岛列由或者位于岛列顶部和底部的横向跳线248连接-因此每个岛从发射极引线或母线244(发射极末端)串联连接至基极引线或母线246(基极末端)。如所示，每个岛列由在M2列隔离区256分开。M2串联连接250使M2基极指状物254从岛I11电连接至岛I21的M2发射极指状物252。岛I21的M2基极指状物254电连接至岛I31的M2发射极指状物252，依此类推垂直直到岛I51。M2串联连接横向跳线248使岛I51的M2基极指状物254(在第1列中)与岛I52的M2发射极指状物252(在第2列中)电连接。
本文公开的M1和M2单元电池图案可设计成正方形或伪正方形岛、三角形岛或各种其它几何形状的岛及其任意组合。换句话说，岛设计和互连图案可指示图案化的M1和M2设计。
与包括单岛的主电池相比，具有电串联(或混合的并联-串联)连接的S岛(或S岛子群)的主电池对于M2所需的电导率(或对于诸如Al或Cu的给定M2材料而言，图案化M2金属的总体厚度)较小，因为icell的电池电流以S的电流比例系数减小且icell的电池电压以S的电压比例系数增加。通常S值越大—换句话说串联连接的子电池或岛的数量越大—随着电池电流以S(icell中串联连接的岛或岛子群的数量)的系数减小且电池电压以S的系数增加，对M2的厚度要求越小。举例来说，IBC太阳能电池的铜M2层厚度可从对于诸如图1中所示的非瓦型太阳能电池(例如，156mm×156mmIBC太阳能电池)而言的约20至80微米以上的厚度范围减小至小于约20微米，且在某些情形下对于具有串联连接的岛的瓦型主电池而言小于10微米至低至约1微米至5微米(因此，icell的电压以系数S按比例增加且电流以系数S按比例减小)。
本文公开的单片瓦型太阳能电池或icell结构和制造方法提供实质上减小的金属化薄板电导和厚度要求，这反过来又可降低金属消耗、加工成本、制造加工设备成本和相应的资本支出。由于对金属化薄板的电导和厚度要求降低和放松，因此可减少或排除诸如在镀金属(例如镀铜)期间产生的来自特定电池制造工艺的其它有害废弃副产物(因此，通过以诸如蒸发、等离子体溅射和/或丝网印刷的更简单且成本更低的金属化工艺代替，能够排除对电镀厚金属的依赖性)。更薄且更简单的M2金属化图案可减少太阳能电池半导体层的微裂纹并改良总体太阳能电池和模块制造产量-例如由于较薄的图案化M2金属化的拉伸/机械应力实质上减小且排除了对镀金属加工(诸如镀铜)和相关处理、边缘密封和电镀电接触要求的依赖性。对于需要柔性或可弯曲的太阳能电池和PV模块的应用而言，因icell创新方面使得M2金属化层更薄，也使得太阳能电池和柔性的轻量PV模块的柔性和可弯曲性改良，而不增加太阳能电池微裂纹或破损的风险。对于现有技术指叉型背接触(IBC)太阳能电池而言，用于形成相对厚(例如，约30至80微米)的铜金属化的镀铜工艺可由于镀铜工艺的侵入性质(要求单面电镀，以防止IBC太阳能电池正面暴露给电镀化学品)和由于在电镀工艺期间和之后处理以及夹紧/密封和松开/开封太阳能电池使电池机械断裂的风险而使制造产率退化。举例来说，对预先存在微裂纹的太阳能电池进行镀铜加工可沿引起硬分路或软分路的硅微裂纹镀铜，导致产率或性能退化。在一个实施方案中，由于对M2薄板电导(或M2金属厚度)的要求实质上降低而排除镀铜加工排除了对特殊M1设计的需要，使得图案化的M2层可从太阳能电池边缘凹陷或偏移以适应边缘密封镀铜。-换句话说，放松对岛型主电池或icell的M2薄板电导要求使得可以用干式无电镀工艺代替厚的镀铜工艺来形成图案化的M2层，因此排除了对夹紧或密封电池正面来排除暴露于电镀加工的需要。因此，下方的图案化M1指状物可在岛的边缘或划分边界线之间接近端对端扩展。此外，排除对镀铜金属化的依赖性使得可以进行全干式的电池金属化加工(例如，使用丝网印刷或PVD)-因此实质上减小电池制造的复杂性。
而且在使用除铜以外的金属化材料(例如，铝)时的一些金属化实施方案中，可改良太阳能电池和PV模块的预计长期现场可靠性，因为在使用铜金属化的太阳能电池中，渗出至敏感性太阳能电池表面区域的铜(尽管不引起软的或硬的太阳能电池分路)由于铜扩散至半导体衬底中且使少数载流子寿命(和效率)退化而可导致长期的可靠性问题。
如与使用相对厚(对于IBC太阳能电池而言典型地在约30至80微米的范围内)的镀金属(常为镀铜)的已知太阳能电池相比，icell使太阳能电池金属化较薄使得例如在本文公开的背板层压太阳能电池上的太阳能电池的弯曲和机械应力减小。双层金属化结构的M2金属厚度减小(在一个实例中为至少30至80微米至小于约5微米)导致太阳能电池和PV模块的柔性/柔韧性增强，而未由于PV模块挠曲或弯曲而产生裂纹且无PV模块性能退化。另外，M2金属厚度和质量减小实质上减小或排除了机械应力，诸如在敏感性太阳能电池半导体吸收体上的图案化金属化应力-因此使得在后续的太阳能电池和模块加工期间诸如在安装的PV模块的测试和排序、模块层压(可使用层压压力和加热)和现场操作期间的微裂纹形成和产率退化最小化。举例来说，图案化的M2可由相对廉价的高电导率金属(诸如铜(体电阻率1.68μΩ.cm)或铝(体电阻率2.82μΩ.cm))制成。举例来说，铜具有约17ppm/℃的线性CTE且结晶硅具有约2.7ppm/°的线性CTE。因此，铜与结晶硅之间存在14ppm/℃的大致CTE差异，且140℃的模块层压工艺对于156mm×156mm太阳能电池(换句话说，与硅相比，厚的镀铜从一边到另一边展开约250微米以上)而言将导致0.25mm或250μm的尺寸错配，这导致在模块层压工艺期间硅上的拉伸应力极大。根据公开的主题，具有图案化的薄M2金属化图案的单片微型电池或岛(例如具有小于约10微米且在某些情形下小于5微米的层厚度)实质上减少或排除了此模式的裂纹形成和扩散和导致的产率退化。
如果需要，为了排除对电镀加工的需要，诸如镀铜工艺(以及成本、增加的加工复杂性、热/机械应力和与镀金属工艺相关的潜在制造产率损失)，可选择串联连接的子电池或岛的数量(S)以便所需的低电阻率或高电导率金属(例如廉价的高电导率金属，诸如铜和/或铝，尽管也可以使用另一种高电导率金属，诸如银)的厚度足够小以使用相对低成本的金属沉积工艺，诸如等离子体溅射或蒸发(物理气相沉积或PVD工艺)，尤其在M2的厚度(诸如，铜或铝的厚度)减小至小于约10微米且在某些情形下小于约5微米的情形下。或者，可使用诸如丝网印刷的另一种廉价的金属化工艺来代替镀铜。
此外，在一个实施方案中，M2可经图案化为实质上与M1正交或垂直且M2指状物(诸如锥形指状物)的数量可远小于M1指状物的数量，例如以约5至50范围内的系数。而且在某些情形下，与长方形的指状物相比，设计成锥形指状物形状(诸如三角形或梯形形状)的M2指状物将进一步减小M2的金属厚度要求(典型地减小约30％)。
将主要电池/主电池划分成岛或子电池阵列(诸如N×N正方形或伪正方形或K三角形或其组合的阵列)并使这些岛以电串联或电并联与电串联的混合组合形式互连减小每个岛或微型电池的总体主电池电流-例如，如果所有正方形岛都以电串联连接则以N×N＝N2的系数减小，或如果所有三角形岛都以串联连接则以K的系数减小。而且在主要电池/主电池或icell具有最大功率(mp)电流Imp和最大功率电压Vmp的同时，每个串联连接的岛(或以并联连接且然后以串联连接的岛子群)将具有最大功率电流Imp/N2(假设N2个岛串联连接)和最大功率电压Vmp(岛电压无变化)。设计第一和第二金属化层图案(分别为M1和M2)以便共享的连续或连续背板上的岛以电串联连接，产生具有最大功率电流Imp/N2和最大功率电压N2×Vmp或电池(icell)的最大功率为Pmp＝Imp×Vmp(与无微型电池划分的主电池相同的最大功率)的主要电池/主电池或icell。
因此，单片岛型主电池或icell架构由于太阳能电池电流减小而减小欧姆损失，且如果适用或需要，则通常允许较薄的太阳能电池金属化结构和更薄的M2层。此外，主电池或icell的电流减小和电压增加使得相对廉价的高效最大功率点追踪(MPPT)功率优化器电子器件可直接嵌入PV模块中和/或集成在太阳能电池背板上。
假设主要电池/主电池或icell具有S正方形或伪正方形图案的岛(其中S是整数并假设S＝N×N)或P三角形岛(其中P是整数，例如2或4)，其中每个相邻组的P沟槽隔离三角形岛形成岛的正方形子群。形成正方形子群的每个相邻组的P三角形岛可电并联连接，且S子群组电串联连接。得到的主要电池将具有Imp/S的最大功率电流和S×Vmp的最大功率电压。实际上，岛的电流减小和电压增加也可使得相对廉价的高效最大功率点追踪(MPPT)功率优化器电子器件可直接嵌入PV模块中和/或在太阳能电池背板上集成。此外，icell的创新方面也使得可基于向模块中实施廉价的旁路二极管(例如，pn结二极管或肖特基二极管)进行分布式的遮蔽管理，例如在最终的PV模块层压之前每个太阳能电池嵌入一个旁路二极管。在金属化实施方案中，M1金属化层可为在每个岛中所含的无母线细间距(基极与基极间的间距在大致约200μm至2mm的范围内，且更具体在约500μm至1,500μm的范围内)指叉型Al和/或Al/Si金属指状物图案(通过丝网印刷或PVD和PVD后图案化形成)。对于每个岛而言，M1指状物可自划分沟槽隔离边缘略微凹陷(例如自岛沟槽隔离边缘凹陷或偏移约50μm至数个100μm)。换句话说，主电池中每个岛的M1指状物都彼此电隔离并物理分开(对应于特定岛的M1图案在本文中可称为M1单元电池)。
岛的电互连构造(全串联、混合并联-串联或全并联)可由M2图案设计来界定，其中M1充当所有主电池岛的电池上接触金属化且M2为icell或主电池内的岛提供高电导率金属化和电互连。
M2设计(例如，使用长方形或锥形指叉型M2基极和发射极指状物的M2图案)可在icell中提供岛的全串联、混合并联-串联或全并联电互连。在某些情形下，如上文所述，提供岛的全串联或混合并联-串联电连接的M2设计可用于使主要电池/主电池电压按比例增加且使主要电池/主电池电流按比例减小(例如，以S系数，S是串联连接的岛或岛子群的数量)。增加电池电压同时减小电池电流放松/减小了金属化电导率的要求并使得金属化更薄且金属薄板电导更低，因此降低或减轻了加工成本、加工复杂性、工厂设备和设施成本(例如，由于排除需要镀铜来用于电池金属化)、裂纹、可靠性关系和与相对厚的金属化加工(诸如使用镀铜形成的相对厚的金属)相关的总体产率损失。
此外，主要/主太阳能电池或icell的电压增强/电流减小提供嵌入每个模块中且与每个icell和/或每个岛相关的相对廉价的高性能高效最大功率点追踪(MPPT)功率优化器电子器件的集成-因此在具有被遮蔽、部分被遮蔽和未被遮蔽岛的主电池上提供增强的功率和能量收集能力。类似地，每个icell或甚至每个icell中的每个岛本身都可具有廉价的旁路二极管(pn结二极管或肖特基势垒二极管)以提供分布式的阴影管理能力用于在遮蔽和部分遮蔽条件下增强太阳能电池保护和功率收集。与全串联或混合并联-串联连接相比，由全并联M2图案提供的岛的全部并联电连接也提供如上文所述单片岛型太阳能电池的诸多优势中的一些，尤其是得到的icell和PV模块的柔性和可弯曲性增加。
举例来说，在使用PVD铝用于M2(诸如5μm厚以下的M2层在icell中提供全串联或混合并联-串联连接)的情形下，金属堆叠可以是以Ni或NiV的相对薄层(例如，通过等离子体溅射形成)封盖的PVDAl(主要金属)，任选地接着是Sn(例如，通过等离子体溅射形成)以提供M2可焊性。可使用电子束或热蒸发工艺沉积铝层。
假设存在电串联连接的S正方形岛。将电串联连接的每个“岛”可包括电并联连接的较小的岛子群，诸如三角形岛。对于串联连接的N×N阵列的正方形岛而言：S＝N×N＝N2。
此外，假设M2指状物图案实质上与M1图案正交或垂直-这使得M2指状物的数量实质上小于M1指状物的数量(以约5倍至约50倍的系数)。例如，基极与基极间的M1金属间距为750微米的156mm×156mm电池(无瓦或岛)可具有约416个M1指状物和约8至40个M2正交指状物。
类似地，M1与M2指状物比率的大系数减小可适用于每个岛子电池的M2金属指状物计数(对应于特定岛的M2图案在本文中可称为M2单元电池)。例如，对于S＝3×3岛主电池设计而言，每个岛可具有约140个M1指状物(每个岛中在约52mm的距离上运行)且M2指状物的计数为12(例如M2基极和发射极金属指状物具有约6.5mm的合并宽度或间距，远大于约750微米的M1间距)。又，在某些情形下，M2层可提供相对大的电池覆盖率(接近100％)-在一种情形下，使用脉冲纳秒激光烧蚀来图案化沉积的M2层(例如，通过PVD沉积)，产生小于约100μm厚的指状物与指状物间的隔离间隙。
关于给定金属-铝或铜在双层金属化结构中的M2厚度的指导方 针。假设，对于主电池面积＝L×L＝L2而言，Imp是在STC条件下从整个M1层提取的主电池最大功率点(MPP)电流(基极或射极电流)。在最大功率点操作太阳能电池时，从电池接触金属化级M1提取的且流经导电M2-M1介层插塞的整个电流对于基极而言是Imp且对于发射极而言是Imp(在不考虑电流方向的情况下是2Imp)。
同样，假设Pmp和Vmp分别是电池的最大功率点(MPP)功率和电压。则：Pmp＝Vmp×Imp；从M1提取的每单位面积的总电池电流(包括基极和发射极电流，不考虑流动方向)＝2Imp/L2，因为一半电池面积产生Imp基极电流且一半电池面积产生Imp发射极电流；且串联连接的每个岛(或子电池)的MPP功率＝Pmp/S，其中S是串联连接的岛或岛子群的数量(例如：S＝N×N＝N2)。
现在，在三角形的M2指状物实施方案中，假设对于被M2指状物覆盖的三角形区域而言，If是由每个个别的M2三角形指状物从下方的M1指状物收集的电流，则：If＝Imp/(F.S)，其中F是每个岛中M2三角形指状物的对数；在串联连接的岛上的基极或发射极三角形指状物中，作为x的函数的指状物电流可表示成I(x)＝{[2Imp/L2].[(x/H).h]}.dx的从0至x的积分，其中H＝L/N(对于S＝N×N而言)且h＝H/F＝L/(N.F)；因此，I(x)＝{[2Imp/L2].[(x/F]}.dx的从0至x的积分＝{[2Imp/(FL2)].x.dx}的从0至x的积分；因此，I(x)＝[2Imp/(FL2)].(1/2)x2＝[Imp/(FL2)].x2；且每个指状物的总电流可表示成If＝[Imp/(FL2)].H2＝[Imp/(FL2)].(L/N)2＝[Imp/(FN2)＝Imp/(F.S)。
此外，假设M2电阻率为ρ、厚度为t且M2薄板电阻Rs＝ρ/t，则每个岛的每个M2指状物的功率损失Plf(换句话说，每个M2单元电池的每个M2指状物的功率损失)可表示成：Plf＝{{(ρ.dx)/[(t.x.h)/H]}.[Imp/(FL2)]2.x4}的从0至H的积分；因此，Plf＝[(ρ.H)/(t.h)].[Imp/(FL2)]2.(1/4).H4＝[(ρ.H)/(t.h)].[Imp/(FL2)]2.(1/4).(L/N)4；且在h＝H/F且H/h＝F时，则Plf＝(ρ.F/t).[Imp/(FL2)]2.(1/4).(L/N)4；因此，每个指状物的功率损失Plf＝(ρ/t).F.Imp 2.(1/F2L4).(1/4).L4.(1/N4)＝(ρ/t).Imp 2.[1/(4.F.N4)]；在每个岛具有2F个指状物时，在MPP条件下每个岛的总M2功率损失(PM2岛)可表示成PM2岛＝(ρ/t).Imp 2.[1/(4.F.N4)].2.F＝(ρ/t).Imp 2.[1/(2N4)]；在总计可是N×N＝N2个岛时，在MPP下的总M2功率损失可表示成PM2损失＝(ρ/t).Imp 2.[1/(2N4)].N2＝(ρ/t).Imp 2.[1/(2N2)]；因此，PM2损失＝(ρ/t).Imp 2.[1/(2N2)]。
现在举例而言，假设约22.5％的平均太阳能电池效率Pmp＝5.50Wp，且假设Vmp＝0.59V，则Imp＝9.3。对于铝和铜的M2金属层厚度要求-假设总的最大M2可允许相对欧姆损失系数k为0.01、0.005或0.0025(对于电池而言，作为Pmp的一部分)，功率损失系数＝k＝(PM2损失/Pmp)，K(在可允许的最大M2损失中)＝(ρ/t).(Imp 2/Pmp)[1/(2.N2)]-在t时基于可允许的k的所需M2金属厚度可表示成t＝(ρ/k).(Imp 2/Pmp)[1/(2.N2)]，其中k是作为Pmp的一部分的最大可允许损失。
下文表1列出了基于上文定义的表达式并假设以下：对于铜金属化而言ρ＝1.68μΩ.cm，对于铝金属化而言ρ＝2.82μΩ.cm，Pmp＝5.5W，Imp＝9.3A且可允许的损失系数k为0.01、0.005或0.0025，对于各种可允许的损失系数(k)和具有串联连接的N×N岛阵列(S＝N×N)(其中N值在1(例如具有单岛的电池-即，无划分沟槽)至高达6(例如，对于S＝36个串联连接的岛)之间)的各种N值主电池实施方案而言所计算的铜或铝M2金属化所需的M2厚度。
表1.
因此，图案化的M2金属层厚度(例如，在使用诸如蒸发或溅射的PVD形成时)可限制为小于约5μm，且在某些情形下M2PVD金属层厚度限制为小于约3μm，提供多种经济(例如，减少PVD材料成本且加工简化)以及制造优势。
在某些情形下，可使用电子束蒸发或热蒸发或DC磁控管等离子体溅射(物理气相沉积或PVD工艺)以使用市场上可买到的用于高生产率太阳能PV应用的高生产量连续式(in-line)蒸发和/或等离子体溅射工具来沉积具有接近散装材料电阻率的高质量M2金属层(例如，对于铜而言具有接近1.68μΩ.cm的体电阻率值的金属电阻率或对于铝而言具有接近2.82μΩ.cm的体电阻率值的金属电阻率)。举例来说，用于铝M2溅射沉积的连续式蒸发和/或DC磁控管等离子体溅射(PVD)工具可具有以下阶段：(i)氩气等离子体溅射蚀刻以清洁激光穿过背板钻出的通孔以用于低的M2-M1介层插塞接触电阻并改良金属与背板的粘附性；(ii)电子束蒸发或热蒸发或DC磁控管溅射纯铝，M2层厚度可基于损失系数设计规则，例如3至5微米的铝；(iii)DC磁控管溅射一层薄的(例如，层厚度在约0.05μm至0.25μm的范围内)NiV或Ni封盖层；和(iv)DC磁控管溅射Sn、Sn合金或替代性的合适焊接材料，其中层厚度为约0.5μm至几μm。
或者，用于铜M2溅射沉积的连续式DC磁控管等离子体溅射(PVD)工具可具有以下阶段：(i)氩气等离子体溅射蚀刻以清洁通过激光钻出的背板通孔暴露的M1接触区域以用于低的M2-M1介层插塞接触电阻并改良M2与背板的粘附性；(ii)DC磁控管溅射一层薄的(例如，层厚度在约0.05μm至0.25μm的范围内)NiV或Ni作为扩散势垒和粘附层；(iii)DC磁控管溅射纯铜，铜的厚度可基于损失系数设计规则；和(iv)DC磁控管溅射Sn、Sn合金或替代性的合适焊接材料，其中层厚度为约0.5μm至几μm。
在一些实施方案中，N可经选择以满足对于给定的期望损失系数k和相应最大可允许的M2厚度值的特定设计标准。而且通过使M2铜或铝的厚度保持在小于约5μm，可以容易地使用脉冲激光烧蚀来图案化M2。
而且尽管DC磁控管等离子体溅射铝或铜以及任何适用的势垒和/或封盖层，接着激光烧蚀图案化可用来形成M2金属层，但替代性的M2金属层形成方法包括(但不限于)：PVD铝或铜(以及任何适用的势垒和/或封盖层)，接着进行湿式图案化(丝网印刷掩模、湿式蚀刻金属/剥除掩模)；丝网印刷高电导率、低温固化金属浆料，诸如高电导率银浆料、铜浆料、铝浆料等。
与铜相比，使用铝用于M2可使得电池制造线和得到的电池不含铜，而且在某些情况下使用全干式加工来制造电池。因此，改善电池制造中的风险减轻(由于在铜加工诸如镀铜中涉及的固有复杂性)，且对于现场的电池模块而言，因为排除了与铜污染和寿命退化相关的长期可靠性问题。此外，M2-M1接触(通孔或介层插塞中的金属化)可为铝与铝接触，因此排除了在M2与M1之间需要扩散势垒层。此外，M2Sn/NiV/Al堆叠或包括铝作为主要M2导体金属的另一种合适的金属堆叠可允许脉冲激光烧蚀图案化，因此提供全干式的电池后端金属化工艺并增加电池产率。
在一些实施方案中，单片岛型状主电池或icell可使单片集成的旁路开关(MIBS)与每个icell和/或icell中的每个岛集成以提供高性能的轻量、薄样式、柔性、高效(例如，大于20％)太阳能模块，其具有分布式的阴影管理-例如在每个岛的外周周围形成的pn结二极管，诸如边缘pn结二极管。或者，MIBS装置可为金属接触肖特基二极管，诸如在例如由铝或铝硅合金在n型硅上肖特基接触制得的每个岛的外周周围形成的边缘肖特基二极管。pn结MIBS二极管图案可以是许多种可能的图案设计之一。例如，在一个MIBS二极管图案中，边缘二极管p+发射极区域是夹在n型基极区之间(或由n型基极区包围)的连续闭环带。
尽管标准的刚性玻璃模块(例如，使用镀铜的电池和离散的阴影管理组件)可用来减少岛型太阳能电池(icell)的模块制造成本，但也可以通过并入MIBS、排除镀铜和离散的旁路二极管组件来实现进一步减少重量和成本。对于单片岛型主电池而言的MIBS集成益处包括由于加工简化(无电镀、裂纹更少)且总体预计可靠性增强(例如通过从电池中排除离散的组件)而使材料成本减少以及制造风险实质上减轻且制造产率更高。因此，单片岛型MIBS集成的主电池模块可以显著的系数减少重量、减少体积/尺寸(和厚度)并增加模块的功率密度(W/kg)-进一步减少安装系统的系统平衡(BalanceofSystem，BOS)成本。
单片岛型MIBS集成的主电池模块可提供某些或全部以下优势：无需外部组件的分布式MIBS阴影管理；每单位面积相对小的平均模块重量，例如在约1.2kg/m2(约0.25lb/ft2)的等级上，这比标准的刚性c-Si模块至少轻10倍；约155W/kg(约70W/lb)的模块功率密度，这比标准的刚性c-Si模块至少高10倍；对于各种应用而言高效(大于20％)的轻量柔性模块；模块运输重量和体积(每次MW运输)分别减少约10倍和40倍；总体BOS成本减少，使得安装PV系统的成本与安装使用标准刚性c-Si模块的PV系统的成本相比较低；以及BOS和与运输和处理、人力、安装硬件和接线成本相关的多方面成本减少。
MIBS形成可集成并与划分沟槽隔离形成加工同时进行。如果使用边缘二极管设计，那么单片集成的旁路开关(MIBS)边缘也可以提供减轻或排除在太阳能电池制造期间和/或之后微裂纹在太阳能电池中产生和/或扩散的额外益处。
使边缘旁路二极管与岛分开并隔离的穿过硅划分沟槽的整个外周视激光束的直径(或如果使用除激光挖沟以外的工艺，则为挖沟工艺的能力)和半导体层的厚度而定，例如可具有几微米至高达约100微米范围内的隔离宽度。通过脉冲纳秒(ns)激光刻划形成的典型沟槽隔离宽度可为约20至50微米，尽管沟槽隔离宽度可更小。尽管脉冲激光烧蚀或刻划是用以形成沟槽隔离区的有效且得到证明的方法，但应注意也可以使用其它的非机械和机械刻划技术代替激光刻划来形成用于所有沟槽形成加工的沟槽隔离区。替代性的非激光方法包括等离子体刻划、超声波或声学钻孔/刻划、水射流钻孔/刻划或其它机械刻划方法。
图16A是显示具有多个岛(实例显示4×4岛)和与这些岛集成的单片集成旁路开关或MIBS装置的岛型主电池的向阳面视图的示意图。这是使用完整外周旁路二极管的MIBS的实施方案，这些旁路二极管使用完整外周隔离沟槽与太阳能电池隔离以用于共享连续背板的icell。
图16A是显示具有多个完整外周闭环MIBS旁路二极管(例如由岛划分隔离沟槽274与岛I11电隔离的MIBS旁路二极管272)的岛型MIBS(单片集成旁路开关)主电池270(icell实施方案显示为正方形岛的4×4阵列)的向阳面平面视图的示意图。每个岛(I11至I44)由完整的外周划分沟槽(通过激光烧蚀/刻划形成或通过如上文所述的另一种合适技术刻划)(诸如电池隔离沟槽276)隔离以形成具有4×4的岛阵列的icell(包括多个微型电池或岛的太阳能电池)，其共享有共享的连续背板并由常见的原始连续且随后划分开的太阳能电池半导体衬底形成。
图16A显示具有微型电池或岛和完整外周闭环边缘二极管(pn结二极管或肖特基势垒二极管)的MIBS使能的太阳能电池(icell)的向阳面视图。每个微型电池岛I11至I44具有相应的完整外周隔离沟槽(276)和完整外周MIBS边缘二极管(诸如对于电池I11而言为MIBS旁路二极管272和外周隔离沟槽274)-因此每个微型电池或岛具有相应的MIBS边缘二极管，或换句话说，每个岛或微型电池具有一个MIBS边缘二极管。岛或微型电池可通过电池金属化图案设计以串联形式电连接，尽管也可能是诸如并联或串联与并联的混合组合的其它连接。
作为代表性实例，图16A显示相同尺寸和形状的微型电池的4×4阵列且每个微型电池具有相应的完整外周闭环边缘二极管。一般来说，这种架构可使用N×N阵列的微型电池和相应的完整外周闭环边缘二极管，其中N是等于或大于2的整数以形成微型电池阵列。而且尽管图16对于完全正方形的太阳能电池显示对称的N×N微型电池阵列，但微型电池或岛阵列设计可具有N×M微型电池的非对称阵列。微型电池或岛可以是正方形(对于正方形主电池而言，当N＝M时)或长方形(当N不等于M和/或主电池是长方形而非正方形时)或各种其它的几何形状。
此外，主电池的微型电池(又，主电池指的是共享共同的连续背板且全部来自后来由划分沟槽划分成多个微型电池或岛区的同一原始太阳能电池半导体衬底的微型电池或岛阵列)可任选地具有实质上相等的面积，尽管这并非要求。岛或微型电池阵列的半导体层使用通过诸如激光刻划或等离子体刻划的合适刻划技术形成的划分沟槽隔离彼此电隔离。此外，每个微型电池或岛半导体衬底使用沟槽隔离与其相应的完整外周闭环MIBS二极管半导体衬底划分并隔离。主电池上的所有沟槽隔离区都可在同一制造加工步骤期间形成，例如在电池制造加工流程期间使用单激光刻划加工步骤。
图16B和16C是详细显示在完成用以形成诸如图16A中所示的MIBS使能的背接触/背结岛型主电池的制造工艺之后背接触/背结太阳能电池关于一个岛(或诸如图16A中的I11的单元电池)在共享的连续背板288上的MIBS边缘或完整外周二极管太阳能电池实施方案的横截面图，包括在太阳能电池(和MIBS装置)的纹理表面上的正面钝化和ARC涂布，在MIBS装置中的太阳能电池中显示为钝化/ARC涂层280。此处未显示太阳能电池岛和MIBS结构的细节，诸如图案化的M1和M2金属化层。图16B显示使用pn结外周边缘二极管旁路开关的MIBS实施方式。沟槽隔离的MIBS边缘pn结二极管区282(由相应的隔离沟槽274与岛I11隔离)包括n掺杂(例如，磷掺杂)区和p+掺杂(例如，重硼掺杂)区且用作pn结二极管旁路开关。MIBS边缘pn结二极管区282可以是完整的外周边缘二极管，例如宽度在约200至600微米的范围内(如较早前所述也可能是较小或较大的尺寸)。MIBS边缘二极管和太阳能电池的相对尺寸并非按比例显示。在一个制造实施方案中，图16B显示在完成MIBS使能的背接触/背结(IBC)太阳能电池的制造工艺后的背板层压(或背板附接)MIBS使能太阳能电池，包括通过图案化的第一级金属化或M1(例如，由丝网印刷或PVD铝或铝-硅合金或另一种合适金属(包括镍)等制得)、背板层压、外延硅剥离释放并从结晶硅可重复使用的模板分离(如果使用外延硅剥离工艺来形成衬底-在使用起始的结晶硅晶片时此工艺不适用)、形成沟槽隔离区(例如，通过脉冲激光刻划或切割)以界定MIBS边缘二极管边界、任选的硅蚀刻、纹理化和纹理化后清洁、钝化和ARC沉积(例如，通过PECVD或ALD与PECVD的组合)以及在背板上制造最终的图案化第二级金属或M2(连同导电介层插塞一起)完成背接触/背结电池加工。
如在图16B中可见，用于形成太阳能电池的p+发射极区(场致发射极区和/或重度掺杂发射极接触区)的工艺也可以用于形成用以MIBSpn结形成的p+结掺杂。例如由铝或诸如铝与某种硅添加物的铝合金制得的图案化M1金属(未显示)不仅为太阳能电池提供接触金属化或第一级金属化，而且对MIBSpn结二极管产生金属化接触(对于p+区和通过n+掺杂接触窗的n型衬底区)。MIBSpn结二极管的n掺杂硅区由相同的n型硅衬底形成，它也充当太阳能电池的基极区(例如，当使用无外延的起始n型结晶硅晶片时由n型硅晶片形成，或当使用外延硅剥离加工来形成太阳能电池和MIBS衬底时由外延沉积形成的就地掺杂n型结晶硅层形成)-衬底整体区掺杂也可以称为衬底的本底掺杂。图案化的M1和M2金属化结构完成所需的单片太阳能电池和MIBSpn结二极管电互连，而且也确保MIBS二极管末端与太阳能电池基极和发射极末端各自适当互连以提供电池级的集成阴影管理和针对遮蔽的连续太阳能电池保护。如图16B中可见，MIBSpn结二极管的侧壁边缘和顶表面也使用用于钝化太阳能电池的向阳面和边缘的相同钝化层和工艺来钝化(钝化/ARC涂层280)。图16A未显示太阳能电池和MIBS结构的某些细节，诸如图案化的M1和M2金属化、背面钝化层、M1接触孔、穿过背板的M1-M2通孔和在MIBS装置结构中用于n型衬底M1连接的n+掺杂接触窗。
图16C显示使用外周肖特基边缘二极管旁路开关的MIBS实施方式。隔离的肖特基边缘二极管旁路开关区286(由相应隔离沟槽274与岛I11隔离)包括n掺杂区和内部与外部n+区且用作肖特基二极管旁路开关。肖特基边缘二极管旁路开关区286可以是宽度在200至600微米范围内的完整外周边缘二极管(此尺寸可选择在大于或小于此范围)。
在一个制造实施方案中，图16C显示在完成MIBS使能的背接触/背结岛型主电池的制造工艺后的背板层压或背板附接的MIBS使能的太阳能电池，包括通过图案化的第一级金属化或M1(例如，由可在重度掺杂的硅上充当有效欧姆接触以及在轻度掺杂的硅上充当有效肖特基势垒接触的合适导体(诸如铝或铝-硅合金)制得)、背板层压、在使用外延剥离硅衬底时进行外延硅剥离释放并从结晶硅可重复使用的模板分离(当使用起始的结晶硅晶片而非外延剥离衬底时，此工艺不适用或不需要此工艺)、形成沟槽隔离(例如，通过脉冲激光刻划或切割)以界定MIBS边缘肖特基二极管边界、任选的硅减薄蚀刻、纹理化和纹理化后清洁、形成钝化和ARC(例如，通过PECVD或PECVD与诸如ALD的另一种工艺的组合)以及在背板上制造最终的图案化第二级金属或M2(结合导电M1-M2介层插塞)完成背接触/背结电池加工。
如在图16C中可见，也用作太阳能电池的基极区的n型硅衬底(例如当使用外延剥离加工时通过就地掺杂外延沉积形成，或当不使用外延剥离加工时由起始的n型结晶硅晶片形成)也用作MIBS肖特基二极管的n型硅衬底区。例如由铝或诸如铝与某种硅添加物的合适铝合金制得的M1金属(未显示)不仅为太阳能电池产生M1欧姆接触金属化(对于穿过太阳能电池的n+掺杂接触开口的基极区和穿过p+掺杂接触开口的发射极接触区)，而且对MIBS肖特基二极管产生金属化接触(在轻度掺杂n型硅衬底区上的非欧姆肖特基势垒接触和通过重度掺杂n+掺杂区至n型硅的欧姆接触)。MIBS二极管的轻度掺杂n型硅衬底区由与用于太阳能电池且充当其基极区的相同n型衬底制成(例如，当使用外延硅剥离加工时，n型衬底可通过就地掺杂n型外延硅沉积来形成，或当不使用外延硅剥离加工时由起始的n型结晶硅晶片来形成)。用于至n型硅衬底的MIBS肖特基二极管欧姆接触的n型硅区的重度掺杂n+扩散掺杂可与太阳能电池的重度掺杂n+掺杂基极接触区同时并使用也用于产生太阳能电池的重度掺杂n+掺杂基极接触区的相同工艺来形成(为后续图案化的M1金属化做准备)。图案化的M1与M2金属化结构组合完成太阳能电池和MIBS肖特基二极管电互连并确保MIBS二极管末端与太阳能电池末端适当连接以提供电池级的集成阴影管理和太阳能电池保护。如图16C中可见，MIBS肖特基二极管的侧壁边缘和顶表面也使用用于形成太阳能电池的向阳面和边缘上的钝化和ARC层-标记为钝化/ARC涂层280的相同钝化和ARC层以及工艺来钝化。又，图16C未显示太阳能电池结构的某些结构细节，包括(但不限于)图案化的M1和M2金属化层。
本文公开的单片岛型太阳能电池和任选的MIBS实施方案采用结合共享的背板衬底的沟槽隔离以确定半导体衬底区(岛)之间以及任选的对于MIBS装置和相邻岛或太阳能电池区而言的划分和电隔离。产生沟槽隔离区的一种方法是脉冲(诸如脉冲纳秒)激光刻划。下文是对于使用激光刻划工艺来形成划分和电隔离衬底区的沟槽隔离区的重要考虑因素和激光属性的概述。
用于形成沟槽隔离的脉冲激光刻划可使用常用且已证明用于刻划和切穿硅的合适波长的脉冲纳秒(ns)激光源(例如，绿色或红外线或另一种合适的波长从而以相对良好的选择性烧蚀半导体层，从而相对于背板材料切穿半导体衬底层)。激光源可具有平顶(也称为顶帽式)或非平顶(例如，高斯(Gaussian))激光束轮廓。可能使用在硅中具有高度吸收性但可部分或完全穿透背板的脉冲激光源波长(因此，在完成穿过半导体层激光切割且光束到达背板薄板后切穿半导体层，而实质上不去除背板材料)。举例来说，我们可以使用可有效切穿硅衬底层且部分穿透背板材料的脉冲纳秒IR或绿色激光光束(因此，在沟槽隔离切割期间去除少量至可忽略量的背板材料)。
脉冲纳秒激光源的脉冲激光光束直径和其它特性可选择以使得隔离刻划的宽度在几微米至高达数个10微米的范围内，因为远大于约100微米的宽度将相当昂贵且导致贵重硅衬底面积的不必要浪费以及太阳能电池和模块的总面积效率的一些降低。因此，有益的是与高度期望的太阳能电池面积相比，使沟槽隔离面积最小化。实际上，脉冲纳秒激光切割可产生宽度在约20微米至高达约60微米的期望范围内的沟槽隔离区。例如，对于156mm×156mm的太阳能电池而言，对于作为电池面积一部分的沟槽隔离面积而言，30微米的沟槽隔离宽度对应于0.077％的面积比。这代表了与太阳能电池面积相比相当可忽略的面积，换句话说，这种小比率提供了对太阳能电池面积的浪费可忽略且确保了总面积太阳能电池和模块效率的损失可忽略。
当使用起始的结晶硅晶片以如本文所述的背接触/背结太阳能电池制造工艺来制造太阳能电池(且在使用外延硅剥离加工的太阳能电池的情形下，在完成背板层压工艺和后续将层压电池从可重复使用的模板剥离释放后，且在脉冲激光修剪太阳能电池之后或之前)时，用于形成沟槽隔离的脉冲纳秒(ns)激光刻划或切割可在背板层压工艺后即刻进行。在使用外延硅剥离加工制造的太阳能电池的情形下，沟槽隔离刻划或切割工艺可任选地使用与用于预释放刻划外延硅层以界定剥离释放边界和/或用于释放后修剪层压的太阳能电池相同的脉冲激光工具和光源。因此，可不需要另外的激光加工工具来形成沟槽隔离区。
用于形成沟槽隔离的脉冲纳秒(ns)激光刻划也可以用于划分岛并界定在由边缘包围和界定的隔离太阳能电池岛以外的完全隔离的MIBS边缘二极管区。或者，脉冲ns激光刻划工艺可形成其它设计的MIBS二极管，诸如在多种MIBS二极管岛设计以及和许多种其它可能的MIBS图案设计中。
脉冲激光刻划可用于切穿薄的(诸如200微米以下且更具体而言100微米以下)硅衬底层(从向阳面)且实质上停留在背板材料薄板上。如果需要和/或要求，简单的实时就地激光刻划加工终点测量(诸如，使用反射率监控)可用于工艺控制和终点测量以最小化背板薄板中的挖沟或材料去除，同时使得可完成穿过半导体层的激光切割。
太阳能电池的侧壁和MIBS边缘二极管区随后在剩余的太阳能电池制造加工步骤期间可经湿式蚀刻(例如，作为太阳能电池向阳面湿式蚀刻/纹理化工艺的一部分)、纹理化后清洁和钝化(通过沉积钝化和ARC层)。
MIBS二极管可以是用作MIBS旁路装置或阴影管理开关的pn结二极管。用于生产MIBS使能的太阳能电池的pn结MIBS二极管制造工艺尤其可具有以下属性和益处：
-在一些太阳能电池加工设计中，用于实施MIBS的主要太阳能电池制造加工流程基本上可无变化(或变化最小)(例如使用结晶硅起始晶片或结合可重复使用的结晶硅模板的外延硅和多孔硅/剥离加工和电绝缘背板的背结/背接触结晶硅太阳能电池制造)。因此，对于连同本文公开的太阳能电池(icell)一起实施MIBS基本上可无增加的加工成本。
-在背接触/背结外延硅剥离电池工艺中，在完成涉及大部分的背接触、背结电池加工步骤的模板上电池加工后，可进行以下工艺(作为各种可能的加工流程的实例提供)：(i)背板层压至太阳能电池背面；(ii)预释放薄外延硅衬底的沟槽刻划(例如使用脉冲纳秒激光刻划工具或或者使用诸如等离子体刻划的另一种刻划工具)以界定外延硅的剥离释放边界；(iii)机械剥离释放背板支撑的电池并使其与可重复使用的结晶硅模板拆开；(iv)激光修剪(例如使用脉冲纳秒激光源)背板层压的电池以供精确修剪并结合其相关MIBS确定太阳能电池的最终所需尺寸；(v)在太阳能电池的向阳面上脉冲纳秒激光刻划(或等离子体刻划或另一种合适的刻划技术)以形成沟槽隔离区并界定内部太阳能电池岛和外周的边缘二极管区，此步骤提供岛和相应的MIBS区；(vi)和后续电池加工，诸如向阳面纹理化和纹理化后清洁，接着为额外的电池加工步骤，诸如PECVD向阳面钝化和抗反射涂层(ARC)层沉积和最终的电池金属化，如果适用则包括图案化的第二级金属化。当使用起始的结晶硅晶片而非外延硅剥离加工时，加工流程与上述流程相当类似，除了无可重复使用的模板、多孔硅、外延硅或释放工艺以外。在上文关于使用外延硅剥离加工制造太阳能电池所述的加工流程中，沟槽隔离刻划工艺和工具可与用于预释放沟槽刻划和/或释放后精确修剪背板层压的太阳能电池和MIBS衬底的工艺和工具基本上相同。
-可进行激光刻划沟槽隔离工艺(例如使用脉冲纳秒激光源)以在半导体层内产生穿过结晶硅层的整个厚度且实质上在背板上终止的完全穿过半导体的沟槽-因此形成用于MIBS二极管的电隔离n型硅边缘区和用于太阳能电池的n型硅岛区，假定为n型基极和p+发射极太阳能电池(对于背接触/背结IBC太阳能电池而言常见的掺杂类型)。
在全串联连接的电池中，由于相邻串联连接列之间横向M2连接器上的电流，应使用导致欧姆损失足够低或可忽略的M2电池金属化设计。横向M2跳线或连接器(可结合图案化的M2层形成)用于使相邻的icell列电串联互连。
如图17中所示，全串联连接的icell或主电池300具有从发射极母线308至基极母线310的N×N阵列(N行和N列，在此代表性实例中显示为4×4)的电串联连接的岛I11至I44(由外部电池边界302和电隔离沟槽304界定的岛)，一列中的每个岛由M2串联连接306(简单显示为箭头)电连接且每一列由横向M2跳线312串联电连接。主电池300具有N列(在此实施方案中，N＝4)和N-1个横向M2跳线312(N-1＝3)，每根跳线的长度为2H且宽度为W。横向M2跳线的半区段具有长度H(其中H是每个正方形岛的边尺寸)和宽度W。M2金属化图案在图17中未显示；然而诸如图13中所示的M2单元电池可对应于每个岛(I11至I44)。
假设M2金属层的厚度为t且电阻率为ρ(或薄板电阻为ρ/t)。而且假设正方形主电池的边尺寸为L＝N.H，面积为L2，最大功率为Pm p且非岛型(非瓦型)最大功率点(MPP)电流为Imp(换句话说，单一岛电池的MPP-对于具有全串联连接的岛的岛型主电池而言，MPP电流以N2的系数按比例减小)。而且假设对于具有N×N串联连接的岛的岛型主电池而言，假设Ps是每一半区段横向M2跳线的欧姆功率损失，且Pl是所有横向M2跳线区段的总欧姆功率损失，因此Pl是＝2(N-1).Ps。全串联连接的N×N主电池中的列内电流欧姆损失可如下计算：Ps＝{[(ρ.dx).(W.t)].[(Imp/N2).(x/H)]2}的从0至H的积分；因此Ps＝[ρ/(W.t)].[Imp/(N2.H)]2.{([x2.dx]的从0至H的积分}；因此Ps＝[ρ/(W.t)].[Imp/(N2.H)]2.(H3/3)＝(1/3).[(ρ.H)/(W.t)].(Imp/N2)2；由于Pl＝2(N-1).Ps，因此Pl＝[2(N-1)/3].[(ρ.H)/(W.t)].(Imp/N2)2；且由于H＝L/N，因此Pl＝[2(N-1)/3].[(ρ.L)/(N.W.t)].(Imp/N2)2；因此Pl＝[2(N-1)/(3.N5)].[(ρ.L)/(W.t)].Imp 2。总的横向M2跳线功率损失系数(比率)定义为kj＝Pl/Pmp。
现在假设太阳能电池具有约22.5％的平均电池效率且Pmp＝5.50Wp并假设Vmp＝0.59V，Imp＝9.3A，则可假设可允许的最大总横向M2跳线功率损失系数(比率)为0.01、0.005或0.0025(对于电池而言作为Pmp的一部分)，如本文所述来计算对于铝和铜的M2金属厚度要求。功率损失系数＝kj＝(Pl/Pmp)且Kj(在可允许的最大M2损失中)＝[2(N-1)/(3.N5)].[(ρ.L)/(W.t)].(Imp 2/Pmp)。
因此，基于可允许的kj的所需横向M2跳线宽度W和/或M2金属厚度t可表示为W.t＝[2(N-1)/(3.N5)].(ρ.L).(Imp 2/Pmp)/kj，其中kj是作为Pmp的一部分的最大可允许总的横向M2跳线欧姆损失。
下文表2至7显示了对于各种可允许的损失系数(kj)和在3与5之间的N值及L＝156mm而言，对体电阻率ρ＝2.82μΩ.cm的铝(表2至4)和体电阻率ρ＝1.68μΩ.cm的铜(表5至7)所计算的M2横向跳线W.t和W值。
| N和kj值 | N＝3 | N＝4 | N＝5 |
| kj＝0.0025 | 1.52E-03cm2 | 5.40E-04cm2 | 2.36E-04cm2 |
| kj＝0.0050 | 7.59E-04cm2 | 2.70E-04cm2 | 1.18E-04cm2 |
| kj＝0.0100 | 3.80E-04cm2 | 1.35E-04cm2 | 5.90E-05cm2 |
表2.对于铝M2金属化计算的W.t值(以cm2计)。
| N和kj值 | N＝3 | N＝4 | N＝5 |
| kj＝0.0025 | 5.061cm | 1.802cm | 0.787cm |
| kj＝0.0050 | 2.531cm | 0.901cm | 0.394cm |
| kj＝0.0100 | 1.265cm | 0.450cm | 0.197cm |
表3.对于铝M2金属化和t＝3μmAl计算的W值(以cm计)。
| N和kj值 | N＝3 | N＝4 | N＝5 |
| kj＝0.0025 | 3.037cm | 1.081cm | 0.472cm |
| kj＝0.0050 | 1.518cm | 0.540cm | 0.236cm |
| kj＝0.0100 | 0.759cm | 0.270cm | 0.118cm |
表4.对于铝M2金属化和t＝5μmAl计算的W值(以cm计)。
| N和kj值 | N＝3 | N＝4 | N＝5 |
| kj＝0.0025 | 9.05E-04cm2 | 3.22E-04cm2 | 1.41E-04cm2 |
| kj＝0.0050 | 4.52E-04cm2 | 1.61E-04cm2 | 7.03E-05cm2 |
| kj＝0.0100 | 2.26E-04cm2 | 8.05E-05cm2 | 3.52E-05cm2 |
表5.对于铜M2金属化计算的W.t值(以cm2计)。
| N和kj值 | N＝3 | N＝4 | N＝5 |
| kj＝0.0025 | 3.015cm | 1.073cm | 0.469cm |
| kj＝0.0050 | 1.508cm | 0.537cm | 0.234cm |
| kj＝0.0100 | 0.754cm | 0.268cm | 0.117cm |
表6.对于铜M2金属化和t＝3μmCu计算的W值(以cm计)。。
| N和kj值 | N＝3 | N＝4 | N＝5 |
| kj＝0.0025 | 1.809cm | 0.644cm | 0.281cm |
| kj＝0.0050 | 0.905cm | 0.322cm | 0.141cm |
| kj＝0.0100 | 0.452cm | 0.161cm | 0.070cm |
表7.对于铜M2金属化和t＝5μmCu计算的W值(以cm计)。
基于上文的示范性计算，可推断出相邻岛列之间的M2横向跳线的以下相关欧姆损失：
-可提供具有足够横向M2跳线宽度的实际且最佳的M2设计以将总的横向M2跳线欧姆功率损失限制为小于约1％(或低至小于0.5％)相对值，而不需要在岛列之间的横向M2跳线上焊接外部的铜带接头；
-对于给定的M2金属厚度而言，总的横向M2跳线欧姆功率损失对于较高值的N和/或较低电阻率的金属而言减小；
-对于N＝4的岛型电池设计中的铝或铜M2金属化而言，M2跳线宽度对于3μm或5μm的M2金属厚度而言可限制为小于1cm(或大致在此范围内的任意宽度)，同时由于M2跳线而使最大的总横向M2跳线功率损失维持在不大于约0.50％的相对欧姆损失-对应于约0.1％的绝对电池效率损失；和
-能够将最大横向M2跳线欧姆损失限制在远低于1％的相对值，同时使用不大于5μm或3μm的M2金属(铝或铜)厚度，横向跳线宽度小于1cm提供形成高性能、低损失的M2金属化，而不需要横向M2跳线上的外部焊接铜带接头。因此使得不需要过大的N值即可产生低成本的可靠性岛型电池。换句话说，N＝4足够(在N×N＝4×4的icell设计中)且在某些情形下N＝5可更有利，因为它提供甚至更低的损失。
如所述，岛(设计成任意形状)可以全串联、全并联或混合的串联-并联M2互连设计的形式电连接。由于主电池的电压按比例增加且电流按比例减小，因此M2互连图案应维持实质上减小电池、模块和系统的R.I2欧姆损失的益处。
提供以下示范性实施方案以说明对于具有与完全正方形和伪正方形衬底形式相容的小于约5μm的层厚度的蒸发铝M2图案而言的高电池效率(例如，约22％的电池效率)互连设计。具体来说，提供描述具有单片沟槽隔离岛的4×4阵列的主电池的设计，这些单片沟槽隔离岛具有混合的并联-串联岛连接设计和具有全串联岛连接设计，其中主电池的电压大致接近5V且电流大致接近1A。
重要的是应注意，尽管岛设计通常描述为正方形，但根据公开的主题，岛可形成为任意的几何形状。而且在大多数情形下，期望的是排除串联连接的岛之间的面积相关的电流错配-换句话说，期望的是对称地设计并图案化岛阵列以保持岛或并联连接的岛子群之间的面积相等。
此外，假设主电池最大功率电压(Vmp)在大致～5V至10V的范围内且主电池最大功率电流(Imp)在大致～0.5A至1A的范围内，本文公开的M2互连设计提供相对最佳范围的电流-电压参数用于集成廉价的嵌入式、高性能分布式的MPPT功率优化器和/或阴影管理电子器件组件。
另外，本文提供的M2互连能够支撑各种安装的PV阵列，诸如600VDC和1,000VDCPV系统用于在住宅和商业屋顶以及地面安装的公共设施规模应用中的最大系统级效率。
对于具有并联连接的4×4岛阵列(本文中称为全并联)的效率为约22％的主电池或icell提供以下参数假设：电池功率＝5.35Wp(假设完全正方形的156mm×156mm主电池)；Voc＝685mV且Vmp＝575mV，则Vmp/Voc＝0.84或84％；Ioc＝9.90A，且Imp＝9.30A，则Vmp/Voc＝0.94或94％；且填充系数＝(Vmp×Imp/Voc×Ioc)＝0.79或79％。
在本文中称为1×16S(1×16串联)设计的全串联4×4主电池(假设完全正方形的156mm×156mm主电池)中，其实例显示在图18A中，可如下假设：Voc＝685mV×16＝10.96V且Ioc＝9.90A/16＝0.619A；Vmp＝575mV×16＝9.20V，且Imp＝9.30A/16＝0.581A。此外，对于使用1×16全串联主电池设计的60电池模块而言，模块参数可假设为：模块Voc＝10.96V×60＝657.6V且模块Vmp＝9.20V×60＝552.0V；和Ioc＝0.619A且Imp＝0.581A。
在具有8对串联岛的混合并联-串联(HPS)4×4主电池(假设完全正方形156mm×156mm主电池)-本文中称为2×8HPS(2×8混合并联串联)设计中，其实例显示在图18B中，可如下假设：Voc＝685mV×8＝5.48V且Ioc＝9.90A/8＝1.238A；Vmp＝575mV×8＝4.60V且Imp＝9.30A/8＝1.163A。此外，对于使用2×8混合主电池设计的60电池模块而言，模块参数可假设为：模块Voc＝5.48V×60＝328.8V且模块Vmp＝4.60V×60＝276.0V；和Ioc＝1.238A且Imp＝1.163A。
图18A、18B和18C是显示本文中称为1×16S设计的全串联(1×16)主电池构造(4×4岛阵列)(图18A)、本文中称为2×8HPS设计的混合并联-串联(2×8)主电池或icell构造(4×4岛阵列)(图18B)和本文中称为8×8HPS设计的混合并联-串联(8×8)主电池或icell构造(8×8岛阵列)(图18C)的完整正方形主电池或icell的示意图。
如图18A中所示，全串联主电池或icell构造1×16S320具有从发射极母线322至基极母线324电串联连接的岛I11至I44的4×4阵列，一列中的每个岛通过M2串联连接328电连接且每一列通过横向M2跳线326串联电连接。
如图18B中所示，混合并联串联主电池构造2×8HPS340具有从发射极母线342至基极母线344电串联和并联连接的岛I11至I44的4×4阵列，一列中的相邻岛通过M2并联连接350并联连接且一列中的每个岛通过M2串联连接348电连接且组合并联连接的相邻岛通过横向M2跳线346串联电连接。在某些应用中，图18B的2×8HPS设计可尤其适合具有薄硅吸收体层的主电池(例如，具有约几微米至高达100微米范围内的厚度)。
如图18C中所示，混合并联串联主电池构造8×8HPS352具有从发射极母线354至基极母线356电串联和并联连接的岛I11至I88的8×8阵列，一列中的相邻岛通过M2并联连接并联连接且一列中的岛通过M2串联连接电连接且组合并联连接的相邻岛通过横向M2跳线358串联电连接。在某些应用中，图18C的8×8HPS设计可尤其适合具有稍微较厚的硅吸收体层的主电池(例如，具有约50至150微米范围内的硅厚度)。这是由于以下事实，即这种8×8HPS设计提供较高程度的柔性/可弯曲性且因此可适合宽范围的硅厚度(对于柔性无裂纹太阳能电池而言甚至适应的较厚硅)。图18B的2×8HPS太阳能电池和图18C的8×8HPS太阳能电池提供相同的电流和电压比例因子为8。
图19A、19B和19C是显示相对小的阴影管理旁路开关(例如，pn结二极管或肖特基势垒二极管)分别在图18A、18B和18C中所示主电池的M2互连设计上的实例性布置/安置的图。
如图19A中所示，全串联主电池构造1×16S360具有从发射极母线362至基极母线364电串联连接的岛I11至I44的4×4阵列，一列中的每个岛通过M2串联连接368电连接且每一列通过横向M2跳线366串联电连接。横向M2跳线370已从主电池外周边缘偏移以用于将相对小的封装旁路开关376直接布置并连接至发射极母线362和基极母线364。母线延伸374使发射极母线362和基极母线364连接至旁路开关376。
如图19B中所示，混合并联串联主电池构造2×8HPS380具有从发射极母线382至基极母线384电串联和并联连接的岛I11至I44的4×4阵列，一列中的相邻岛通过M2并联连接390并联连接且一列中的每个岛通过M2串联连接388电连接且组合并联连接的相邻岛通过横向M2跳线386串联电连接。旁路开关392安置于发射极母线382与基极母线384之间且与发射极母线382与基极母线384直接连接。
如图19C中所示，混合并联串联主电池构造8×8HPS394具有从发射极母线395至基极母线396电串联和并联连接的岛I11至I88的8×8阵列，一列中的相邻岛通过M2并联连接并联连接且一列中的岛通过M2串联连接电连接且组合并联连接的相邻岛通过横向M2跳线397串联电连接。旁路开关398安置于发射极母线395与基极母线396之间且与发射极母线395与基极母线396直接连接。
实际上，单晶半导体晶片(尤其是CZ和FZ单晶硅晶片)常由圆柱形锭和市场上最常可买到的圆形来制造。为了使半导体材料的使用最大化且使浪费最小化，主电池可形成为伪正方形太阳能电池-如图20中所示。图20是显示由圆柱形锭(由圆柱形的锭外周显示)制造的伪正方形主电池衬底的顶部视图的示意图。
因此，为了维持对称且等尺寸(等串联连接岛面积)串联连接岛或岛子群，伪正方形主电池中的岛可个别地设计成各种形状和构造。
图20是显示由圆柱形锭(由圆柱形的锭外周402显示)制造的伪正方形主电池衬底400的顶部视图的图。排除角落404每个角落具有面积a'且已从伪正方形主电池衬底设计去除/排除以使锭的浪费最小化，同时为太阳能电池制造提供接近(但非完整)正方形的晶片。
在实际中且在本文中用作示范性的设计尺寸时，伪正方形主电池衬底400可具有156mm×156mm的尺寸(L＝156mm)，其中由具有200mm的最终抛光锭直径(D锭＝200mm)的圆柱形锭形成的对角线尺寸为220mm(D正方形＝220mm)。假设上述尺寸，完全正方形的衬底将具有面积(Asq)＝L2＝156mm×156mm＝243.36cm2。而且伪正方形衬底将具有面积(Apsq)＝Asq-4a'，其中a'≈(D正方形-D锭)2/4，则a'≈(220mm-200mm)2/4≈1cm2且Apsq≈243.36-4×1cm2＝239.36cm2。因此当L＝156mm时，与具有243.36cm2电池面积的标准156mm×156mm正方形晶片相比，标准的伪正方形晶片具有239.36cm2的电池面积-导致面积大致小1.64％(4/243.36)。
图21是类似于图18B中所示的电池、具有从发射极母线至基极母线电串联和并联连接的岛I11至I44(岛由隔离沟槽424界定)的4×4阵列的混合并联串联伪正方形主电池构造2×8HPS420的图(发射极母线、基极母线和横向M2跳线在图21中未显示)。类似于图20中所示的伪正方形主电池，伪正方形主电池420具有边长L(例如，对于156mm×156mm的伪正方形icell而言为156mm)，而且缺失各自具有面积a'的角落422。
提供以下尺寸作为示范以完全平衡伪正方形主电池构造2×8HPS420的主电池电流；然而，如先前所述，本文公开的岛设计原则可适用于各种电池形状和尺寸。如所示，主电池420在水平和垂直方向对称(产生八对并联连接的岛)且下文的尺寸表达是对于一个象限而言(例如I11、I21、I12和I22)。串联连接的每一组岛可设计或定尺寸为等面积(和相应等电压和电流)-换句话说，I11+I12的面积＝I21+Ι22。
对于L＝156mm而言，L1和L2随后可如下计算，产生完全电流平衡的主电池：[(L/4).L1-a']+(L/4).L1＝2.(L/4).L2且L1+L2＝L/2。因此对于L＝15.6cm(或L/4＝3.9cm)且a'＝1cm2而言：3.9L1-1+3.9L1＝2×3.9L2且L1+L2＝15.6/2。则L1-L2＝0.1282cm且L1+L2＝7.8cm。导致L1＝3.964cm且L2＝3.836cm。
图22是类似于图18A中所示的电池、具有从发射极母线至基极母线电串联连接的岛I11至I44(岛由隔离沟槽434界定)的4×4阵列的全串联伪正方形主电池构造1×16S430的图(发射极母线、基极母线和横向M2跳线在图22中未显示)。类似于图20中所示的伪正方形主电池，伪正方形主电池420具有边长L(例如，对于156mm156mm伪正方形太阳能电池而言为156mm)而且缺失各自具有面积a'的角落422。
提供以下尺寸作为示范以完全平衡具有边长L(156mm)的伪正方形主电池构造1×16S430的主电池电流，其中以连续的隔离沟槽界定每个岛-换句话说，为提供等面积岛所述的指导方针。在某些情形下，可能需要连续的隔离沟槽(具有共同的交叉点的连续形成的沟槽隔离线)以使得在刻划期间用于加工简单性的主电池柔性最大化且使裂纹形成和扩散最小化。如图22中所示，所有沟槽隔离线交叉点都具有直角，除了另外规定的以外。
在图22的岛设计中，第二列和第三列中的岛(I12、I22、I32、I42、I13、I23、I33、I43)是长方形，各自具有面积(L/4).W2。第一列和第四列中的岛非长方形：岛I21、I31、I24和I34是梯形；且角落岛I11、I41、I14和I44是多边形。三条垂直刻划线(隔离沟槽)和中心水平刻划线(隔离沟槽)是沿主电池边缘至边缘运行的直线。两条外部水平刻划线(隔离沟槽)-换句话说，顶部和底部刻划线-在两个中间列(第2列和第3列)之间是直而且水平的，并随着线延伸至第一列和第四列而以角度θ倾斜。因此，主电池430在水平和垂直方向对称(产生16个各自具有等面积的连接岛和四个对称象限)。下文的尺寸表达是对于一个象限而言(例如I11、I21、I12和I22)。串联连接的每一组岛经设计成具有等面积(和相应等电压和电流)-换句话说，I11的面积＝Ι22＝I21＝Ι22。
对于主电池边尺寸L(156mm)而言，主电池430的岛尺寸可如下计算：岛I12的面积(与岛I22、I32、I42、I13、I23、I33、I43相同的长方形形状和面积)＝A长方形＝W2.(L/4)；岛I11的面积(与岛I41、I14、I44相同的多边形形状和面积)＝A角落＝W1.(L/4)+[W1 2/tan(θ)]/2-a'；岛I21的面积(与岛I31、I24、I34相同的梯形形状和面积)＝A梯形＝W1.(L/4)-[W1 2/tan(θ)]/2。而且A长方形＝A角落＝A梯形＝(L2-4.a')/16，因此W2.(L/4)＝W1.(L/4)+[W1 2/tan(θ)]/2-a'＝W1.(L/4)-[W1 2/tan(θ)]/2＝(L2-4.a')/16＝(15.6cm×15.6cm-4.0cm2)/16＝14.96cm2。每个岛具有14.96cm2的面积。
然后，W2.(L/4)＝14.96cm2，W2.L＝59.84cm2，W2＝59.84/15.6cm，因此W2＝3.836cm。而且W1.(L/4)+[W1 2/tan(θ)]/2-a＝14.96cm2，W1.L+2[W1 2/tan(θ)]＝63.84cm2，W1.(L/4)-[W1 2/tan(θ)]/2＝14.96cm2，且W1.L-2[W1 2/tan(θ)]＝59.84cm2。因此，2W1.L＝63.84+59.84cm2＝123.68cm2，W1＝123.68/(2×15.6)cm，因此W1＝3.964cm。而且4[W1 2/tan(θ)]＝63.84-59.84cm2，4[3.9642/tan(θ)]＝4.00cm2，tan(θ)＝15.7133，因此θ＝86.36°。而且LT＝L/4-W1/tan(θ)＝15.6/4-3.964/15.7133，LT＝3.9-0.252cm,因此LT＝3.648cm。
因此，在图22的1×16S全串联4×4伪正方形衬底主电池中为电流匹配提供尺寸和角度的示范性实施方案中：每个岛面积＝14.96cm2，多边形岛(4个角落)：岛I11、I41、I14和I44；梯形岛(4个)：岛I21、I31、I24和I34；长方形岛(8个中间的)：I12、I22、I32、I42、I13、I23、I33、I43；L/4＝39.00mm；W2＝38.36mm；W1＝39.64mm；LT＝36.48mm；Lp＝41.52mm；且θ＝86.36°。
PV模块中的单片岛型主电池互连。本文公开的岛型主电池在PV模块中可连接成电串联、并联或混合并联串联排列。可使用较早前所述的单片模块实施方案来进行这些互连(例如，当多个icell附接至连续背板层且使用图案化的M2层来进行所有icell与icell之间的电互连时)。模块中的主电池互连设计选择(串联、混合并联串联或甚至并联)可基于主电池的最大功率点(MPP)电流和电压(Imp和Vmp)、模块中的主电池数量以及模块所需的MPP电流和电压。标准的结晶Si模块常由排列成6列的60个电池组成，每列中10个电池(6×10)，尽管基于对模块功率、模块格式、安全性、BOS(例如，接线)成本等的要求可使用包括6×12＝72个电池的其它模块构造。
用于6×10(或更多)主电池模块中的主电池互连(假设N至少为3)的一种示范性的模块构造实施方案是混合的并联串联构造。视具体的应用和市场而定，可使用混合并联-串联设计来优化主电池互连从而提供所需的最大模块MPP电流或所需的最大模块MPP电流。而且尽管全并联构造是可能的，但在某些情形下，全并联构造可导致模块电流过大，从而导致显著的欧姆损失。此外，尽管全串联构造是可能的，但在某些情形下，全串联构造可导致模块电压(模块Vmp)过高(例如大于几百伏特)，这可引起安全问题和/或由于介电绝缘要求而可要求较高的接线成本。
图23A和23B是显示主电池或icell概况的图，突出了发射极和基极母线视岛数量(奇数个或偶数个岛)以及M2互连设计而定的位置。图23A中的主电池452和图23B中的主电池462都具有S＝N×N岛阵列(或N×N个并联连接的岛子群)-个别岛未显示。在主电池452中，N是奇整数，且在主电池462中，N是偶整数。如在图23A中可见，主电池452，当N是奇整数且岛(或并联连接的岛子群)电串联连接时，主电池发射极和基极母线在两个相反象限中与电池对角线相反定位-在图23A中显示为发射极母线454和基极母线456(例如见图15A和15B中所示的主电池)。在主电池462中，N是偶整数且岛(或并联连接的岛子群)电串联连接，主电池发射极和基极母线在正方形电池的同一侧上定位于两个相反的角落上-在图23B中显示为发射极母线464和基极母线466(例如见图14A中所示的主电池)。
图24至27是描绘对于具有偶数个和奇数个串联连接的岛(或并联连接的岛子群)的主电池设计(诸如图23A(N是奇数)和23B(N是偶数)中所示)而言的各种60个电池模块连接设计的图。图24至27的图是显示每个主电池的发射极母线和基极母线的顶部模块视图(显示主电池的正面)，尽管母线实际上位于主电池的背面上。换句话说，发射极和基极母线及模块互连显示为通过主电池正面可见以强调各种电池与电池的互连设计。这些代表性模块中的每一个都可以在穿过图案化的M1层完成太阳能电池背面加工且随后在连续的多电池背板衬底上通过在包括多个icell的大连续背板薄板上完成图案化的M2层来进行剩余的背板层压后的后端太阳能电池加工之后通过将多个icell(例如，如这些实施方案中所示的6×10排列中的60个icell)附接或层压至连续背板薄板而制成单片模块。这种方式将导致icell彼此使用单片图案化的M2金属化层根据所需的电互连排列(全串联或混合并联-串联)互连。这产生一种单片模块，排除了需要使太阳能电池彼此搭接和/或串接和/或焊接以用于模块装配(因为图案化的M2已基于单片模块实施方案完成了电池与电池互连)。当然，也可以在无本文公开的单片模块实施方案的情况下，通过常规地使太阳能电池彼此搭接和/或串接和/或焊接以用于模块装配来制得这些代表性模块中的每一者。
图24是用于在主电池的相反对角线角落上安置有发射极和基极母线(即，N是奇数)和所有岛电池电串联连接(全串联)的主电池或icell的模块互连设计实例(如果使用本文公开的单片模块实施方案，则使用图案化的M2层制得)。如图24中所示的电串联连接的60主电池的模块电压和电流可如下计算：模块电压＝60×主电池电压。因此，对于N＝4且S＝16而言：主电池电压Vmp≈16×0.59≈9.4V；模块Vmp＝60×9.4＝564V；且模块Imp≈9.3A/16≈0.58A。
图25是用于在主电池同一侧上的角落上安置有发射极和基极母线(N是偶数)和所有电池电串联连接(全串联)的主电池的模块互连设计实例(如果使用本文公开的单片模块实施方案，则使用图案化的M2层制得)。对于N＝4且S＝16而言，模块电压和电流可如关于图24所述来计算。
图26是用于在主电池同一侧上的角落上安置有发射极和基极母线(N是偶数)和电池混合并联-串联电连接的主电池的模块互连设计实例(如果使用本文公开的单片模块实施方案，则使用图案化的M2层制得)。在此实施方案中，一排10个主电池中的每个主电池串联连接且6排10个主电池并联连接。在图26中所示的混合并联-串联模块互连实施方案中：模块电压＝10×主电池电压。因此，对于N＝4且S＝16而言：主电池电压Vmp≈16×0.59≈9.4V且模块电压Vmp＝10×9.4＝94V。
图27是用于在主电池同一侧上的角落上安置有发射极和基极母线(N是偶数)和电池混合并联-串联电连接的主电池的模块互连设计的替代性实例(如果使用本文公开的单片模块实施方案，则使用图案化的M2层制得)。在此实施方案中，一列6个主电池中的每个主电池串联连接且10排6个主电池并联连接。在图27中所示的混合并联-串联模块互连实施方案中：模块电压＝6×主电池电压。因此，对于N＝4且S＝16而言：主电池电压Vmp≈16×0.59≈9.4V；模块电压Vmp＝6×9.4＝56.4V；且模块电流Imp≈(9.3A/16)×10≈5.81A。
在某些情形下，本文公开的单片岛型架构可集成在最终模块层压之前可直接安装在主电池背板上或嵌入模块层压板中的嵌入式模块级或电池级的直流对直流(或直流对交流)功率优化器。MPPT功率优化器可以是高转化效率(例如大于97％效率)的单片或混合芯片(可能包括一些离散的组件，包括至少一个电感器和一个电容器)，其在规定的电压或恒定的电流(范围)下将电池直流输出转化为直流或交流输出。举例来说，电池级的MPPT功率优化器芯片可通过将主电池直流电压和电流(Vmp和Imp)转化为交流电压和电流用于产生交流电池，同时进行最大功率点追踪(MPPT)。
而且如果模块中的主电池以全串联连接，那么电池级的嵌入式MPPT则可设定成在所有照明条件下在每个主电池中产生预规定的固定输出电流，同时进行MPPT功率最优化功能。这可确保串联连接的所有主电池的电流匹配。类似地，如果模块中的主电池以混合并联-串联排列连接，那么电池级的嵌入式MPPT则可设定成在所有照明条件下在每个主电池中产生预规定的固定输出电流以提供预规定的并联串电压，同时进行MPPT功率最优化功能(且提供预规定的串电压)。这可确保每个串联串中串联连接的所有主电池或icell的电流匹配，同时并联串也电压匹配。
图28A和28B是显示600VDCPV系统的模块互连实施方案的一些代表性实例的图。图28A显示1×16S(全串联)模块设计(60电池模块)的模块互连实例，其中Voc＝657.6V且Vmp＝552.0V，且图28B显示2×8HPS(混合并联-串联)设计(60电池模块)的模块互连实施方案，其中Voc＝657.6V且Vmp＝552.0V。图29A和29B是显示1000VDCPV系统的模块互连的示意图。图29A显示1×16S(全串联)设计(60电池模块)的模块互连，其中Voc＝657.6V且Vmp＝552.0V，且图28B显示2×8HPS(混合并联-串联)设计(60电池模块)的模块互连，其中Voc＝986.4V且Vmp＝828.0V。因此，与600VDVPV系统的2×8HPS设计或600或1000VDVPV系统的1×16S设计相比，1000VDVPV系统的2×8HPS设计中的Vos和Vmp增加。
因此，在某些具体实施方案中，可出于以下优势选择2×8混合并联-串联(2×8HPS)互连设计：
-能够使用伪正方形结晶硅晶片来制造icell，同时保持全串联主电池的重要优势(例如诸如由于直双向沟槽隔离刻划线和厚度小于约5μm的M2金属层(如果适用)的主电池柔性)；
-例如通过如所示使用L1＝3.964cm、L2＝3.836cm(对于156mm×156mm晶片而言)实现的伪正方形结晶硅晶片中的电流匹配/平衡；
-也与完全正方形主电池衬底相容，例如其中如所示L1＝L2＝3.9cm；
-对600VDC和1,000VDC系统(以及其它系统电压)提供有效的PV系统排列，其BOS成本减少且系统效率较高。在某些情形下，与600VDC系统相比，1000VDCPV系统可具有较高的系统级效率和较低的BOS成本。(已注意到，由于效率较高且BOS成本较低，较高串电压(1,000VDC相对于600VDC)对于安装的PV系统可提供约$0.10/W的经济价值)。如果需要，可根据混合并联-串联构造通过模块内的icell互连来设定(例如，与全串联模块排列相比降低)模块电压。
-集成低成本分布式阴影管理(类似于1×16S设计)；
-集成低成本远程模块开/关(类似于1×16S设计)；
-集成低成本分布式电池级的MPPT(类似于1×16S设计)；且
-与1×16S设计相比，可考虑对主电池岛参数变化更具容忍性。
本文公开的创新方面的益处包括(但不限于)：(i)太阳能电池制造(工厂)加工设备和设施资本支出(CAPEX)减少；(ii)太阳能电池工厂中的有害废料副产物实质上减少；(iii)太阳能电池微裂纹和/或破损减少(例如，由于排除了需要镀铜及其相关处理、密封和接触要求)且总体制造产率增加；(iv)预计长期PV模块现场可靠性改良；(v)由于排除了需要在背面上电镀厚(对于IBC太阳能电池而言典型地为数个10微米)铜而对背板层压太阳能电池的弯曲和机械应力减小。
在操作中，公开的主题提供单片岛型主电池(icell)，其可提供以下优势的任意组合：柔性增强且裂纹减轻；电池弯曲减少且平面度改良；电压按比例增加且电流按比例减小，导致RI2欧姆损失减少；电池金属化厚度减小(至多10倍)可使得排除镀铜(如果需要)，这可降低电池金属化成本(例如≤5μmAl)；排除厚金属化，诸如厚铜，减少模块层压期间的应力效应(和产生的裂纹)；测试和排序时分布式的电池参数；电流减小使得可用廉价的阴影管理开关；允许使用廉价、高效(>98％)的MPPT直流-直流降压转换器；和完全无电镀的太阳能电池。
本申请涉及具有成本效益的高效太阳能电池及相关模块、其装置结构及制造方法。更具体来说，所公开主题涉及太阳能电池结构及使用线锯、标准厚度(例如，125mm×125mm或156mm×156mm或起始厚度在约120至约250微米范围内的较大面积硅晶片)的可结合支撑背板(诸如与薄硅电池吸收体永久附接的柔性聚合背板)减薄的起始结晶硅晶片的制造方法。半导体吸收体层可使用单片制造方法来分割以如上文所述对于给定太阳能电池功率而言提供标准单片硅电池的倍数标准操作电压，同时按比例减小太阳能电池电流。
所公开主题解决了已知方法与使用体晶片相关的限制和薄膜太阳能电池制造挑战，且提供使用起始的结晶硅晶片制造低成本且高效率的指叉型背接触(IBC)太阳能电池的组合。
可选择中级少数载流子寿命n型晶片，例如起始的少数载流子寿命在约>100μs或100μs以上的等级上，并使用直拉(CZ)锭生长、连续或类似连续CZ生长或解决n型硅锭之间固有的n型掺杂浓度梯度的其它方法来制造。或者，视材料的质量和其它加工集成需求而定，可选择类似单晶的浇铸n型硅锭或甚至多晶硅材料。应注意，一些后续加工(诸如纹理化)视起始的材料选择而定需要合适的调整，例如与对于多晶材料而言的酸性纹理相比，对于单晶而言为碱性纹理(尽管酸性和碱性纹理都可用于任何类型的起始结晶硅材料)。
还应注意，尽管为描述性目的提供n型(典型地为磷掺杂)起始结晶晶片，但仍遵循本文提出的基本概念且本领域技术人员可将其应用于p型硅晶片。进一步应注意，提出的基本概念适用于基于体积线锯晶片的吸收体电池，而且也可以转变为使用无切口技术产生的吸收体电池，这些技术诸如在可重复使用的模板上使用多孔硅作为释放层系统，接着进行外延或其它化学气相沉积薄膜生长，随后以后续再使用模板释放的那些技术。本文公开的结构和方法也可适用于其它所谓的无切口晶片方法，诸如使用高剂量氢离子(质子)注入且后续剥落或激光分裂或机械应力诱使薄硅衬底从较厚的可重复使用的起始衬底剥落的那些技术。
各种太阳能电池加工步骤都可应用于晶片，尤其是背面加工步骤，包括图案化形成基极接触和发射极扩散(形成发射极和基极接触区)及涂覆图案化的薄的第一金属层(M1)。可形成选择性或非选择性发射极结构的这种基极接触和发射极扩散，例如使用激光烧蚀掺杂的电介质且随后推进。通过局部去除掺杂的介电层形成的这些图案化区域也可以通过借助于诸如丝网印刷的印刷方式涂覆蚀刻浆料来产生。或者，也可以通过局部涂覆掺杂剂浆料，接着进行热推进步骤来产生不同掺杂剂水平或极性的图案化区域。也容易推论出这些上述图案化方法的组合。
接着，将具有与太阳能电池吸收体材料(例如，结晶硅)相对匹配的膨胀系数(CTE)的低成本背板(诸如低成本预浸料或聚合材料)层压至经过加工的晶片背面。随后可使结晶硅晶片减薄(例如，使用化学湿式蚀刻，或者使用干式蚀刻工艺)至所需的吸收体厚度范围，在增值光学吸收与少数载流子寿命之间提供最佳平衡。通过自动或部分自动太阳能电池生产线以高机械产率为这种薄硅吸收体电池提供薄硅(例如，20μm至90μm厚)吸收体和操作与加工能力是实现低成本、高效率太阳能电池的关键，且使得本文公开的结构和方法对于低成本大量生产极具吸引力。
此外，与背板附接的硅衬底可如上文详细描述，通过例如使用脉冲激光切割形成沟槽隔离区来分割，以使个别硅岛或区段(岛、子电池或微型电池)电隔离，由此使得可制造单片太阳能电池。
图30说明这种电池结构。图30是具有由沟槽504界定且电隔离的子电池502I11至I44的4×4阵列且由连续的单片背板薄板506(例如，电绝缘的低成本、柔性材料，诸如预浸料薄板或任何合适的聚合薄板)增强的太阳能电池500的图。这些岛经过物理分割且因此是可称为岛或子电池的可电分割的子电池活性吸收体单元——换句话说，这组单片集成的子电池岛形成具有用于所有子电池的共同背板的主要电池/主电池。
在诸如湿式化学纹理化蚀刻(例如，碱性纹理)和正面钝化层沉积(例如，使用PECVD)的进一步加工步骤之后，穿过背板钻出通路或通孔(例如使用激光钻孔)以接入嵌入的电池末端。在背板背面上使用图案化的第二层金属结构(M2)，视包括所需主电池(也称为icell)的电流和电压值的各种考虑因素而定，分段的子电池可并联、串联或以其组合形式电互连。因此，通过背板与例如156mm×156mm正方形或伪-正方形形状因数保持在一起的单片主电池本身可以提供按传统的硅太阳能电池可产生的标准电压范围的倍数比例增加的操作电压，例如0.6-0.7V的N倍。
同时，同一电池的电流输出除以相同因数N(其中N是整数)。在这种高电压和低电流设计下，对太阳能电池的总金属厚度的要求由于大幅减小的欧姆I2R损失而剧烈降低且可实现金属化成本的进一步节约。进一步的结果是，不必要挑战性地引入金属(例如，铜)电镀来用于太阳能电池金属化。
另外，这些电压按比例增大、电流按比例减小的太阳能电池也允许改良的经济学新颖解决方案用于模块能量采集和能源产量优化。这部分是由于可在与用于低成本的市售个别开关的成本优化电流和电压值相同的范围内选择个别电池操作电流和电压的事实。
由于个别模块输出电流可减小且模块输出电压可增加，由此相应地降低对于最终电池金属化的厚度和薄板电导率的要求，因此也可以在模块金属化中进一步实现节约。
应注意，在此公开中，制造方法和得到的结构无论是否与使用可减薄至合适厚度(在背板层压后)的体结晶硅晶片明确相关，也都可以扩展至通过沉积和后续从可重复使用的模板释放(或者在通过诸如激光分裂或MeV规模氢离子注入或对于应力引起的剥落而言为厚金属电镀的合适技术处理可重复使用的晶片后，通过使薄硅层从可重复使用的较厚晶片剥落)所制造的结构。在外延沉积过程中，活性硅吸收体层并非由起始的体晶片产生，而可由一层就地掺杂(对于n型硅而言，典型地是经磷掺杂)的结晶硅产生，这层结晶硅是使用诸如在具有例如多孔硅牺牲层或层结构的可重复使用的单晶或多晶或准单晶模板上外延的化学气相沉积(CVD)方法沉积，随后接着在一侧上进行部分加工，例如形成图案化的基极接触和发射极结结构及图案化的第一金属层(诸如通过丝网印刷合适的金属浆料，诸如含铝浆料，或通过PVD和激光烧蚀图案化)，随后接着层压至背板，通过释放方法剥落且随后通过相同的岛分割(沟槽隔离)切割、正面纹理化、钝化、背面钻孔和图案化的第二层金属完成。
为了从装置的角度更好地理解薄硅的优势，尤其是对于背接触/背结太阳能电池而言，考虑以下因素。
薄吸收体层的实质性优势是在电池厚度减小时，太阳能电池开路电压或Voc限值较高。本文中所述的本发明的电池结构和加工流程可使得吸收体层较薄。图31是显示可达到的Voc限值随电池厚度减小而增加的图。(由UNSW的M.Green的“LimitsontheOpen-CircuitVoltageandEfficiencyofSiliconSolarCellImposedbyIntrinsicAugerProcesses.”公开)。俄歇复合(Augerrecombination)对Si太阳能电池的Voc和效率施加限制。开路电压或Voc限值从WSi＝300μm时的约750mV增加至WSi＝20μm时的约800mV。较大Leff/WSi比率的Voc限值较大，因此较薄的硅吸收体最终可使得效率较高(且功率或效率的温度系数较低)。
观察硅基吸收体的最终性能极限，有必要观察体少数载流子寿命、表面复合速度(SRV)和有效少数载流子寿命。体复合寿命具有几种促成因素。1/tb＝1/t辐射+1/t俄歇+1/t缺陷。硅寿命受缺陷(SRH)和带-带间俄歇复合控制。在俄歇复合中，少数载流子(对于n型硅而言是电洞)与电子复合，将其能量传输至第三电荷(CB中的电子或VB中的电洞)或晶格声子。在高质量结晶Si中，俄歇复合在大约Nd>1×1017cm-3的本底掺杂浓度下占主导地位，有效寿命(teff)取决于体寿命tb、有效表面复合速度Seff和硅吸收体厚度(WSi)。对于小的Seff而言(Seff<Dh/4W，其中Dh是Si中电洞的扩散率)：1/teff＞＞1/tb+2Seff/WSi，这对于薄的Si太阳能电池高度有利。
对于大的Seff而言：1/teff＞＞1/tb+(π/WSi)2.Dh。这是高度不利的，因为：对于WSi＝40μm而言，teff＞＞0.14μs，这可能太低而无法制造高效率的太阳能电池。因此，对于薄硅吸收体IBC太阳能电池而言，极为重要的是以极低的Seff实现高质量的表面钝化。
在某些情形下，高效率的薄硅IBC太阳能电池设计规则可能要求有效少数载流子扩散长度Leff＝√Dh.teff是硅吸收体厚度WSi的相对大倍数来实现最高的Voc(≥700mV)和Jsc(≥40mA/cm2)值。为了实现高开路电压和短路电流密度，Leff≥15.WSi。因此，对于约40μm厚的Si吸收体而言，Leff≥600μm是有利的；对于Dh＞＞12cm2/s的电洞扩散率而言，此条件相当于要求有效少数载流子寿命teff≥300μs。
此外，高效率的薄Si吸收体太阳能电池常常要求最高质量的表面钝化(尤其是对于IBC电池而言是前表面钝化)：在薄硅IBC太阳能电池中，对于前表面钝化而言，Seff≤5cm/s。
图32是说明对于高效率的太阳能电池而言的硅吸收体有效少数载流子寿命要求(x轴)相对于最终电池吸收体厚度要求(y轴)的图表，表明对于Voc和Jsc的高性能的要求。可见，高Voc要求对于最大容许硅厚度和/或最小要求少数载流子寿命的要求更为严格(与高Jsc要求相比)。
所描绘的蚀刻后和纹理化加工薄硅厚度展示基于某些Jsc和Voc设计规则的厚度和寿命要求(例如，吸收体中的有效少数载流子扩散长度至少是吸收体厚度的约6倍以满足高Jsc要求，而且是吸收体厚度的约15倍以满足高Voc要求)。
薄半导体-吸收体太阳能电池结构的起始材料可以是伪正方形或完全正方形的n型单体浇铸(也称为准单体或浇铸单体)硅或n型CZ硅晶片(例如通过线锯由CZ生长的单晶锭或浇铸结晶砖产生)或多晶硅或升级的冶金等级硅也取决于材料的质量。当使用CZ硅时，可选择诸如使用连续CZ(CCZ)或准连续CZ生长的硅锭使得掺杂剂浓度和电阻率更紧密分布的生长方法。
晶片尺寸可以至少为156mm×156mm或更大且起始的平均晶片厚度可以在约80μm至250μm的范围内。只要在电池加工期间和之后，制造良率不因晶片破裂增多而导致的机械良率减小而受损，就可以使用较薄和/或成本较低的晶片。而且，晶片体少数载流子寿命可以至少为100μs，而且在某些情况下为数百μs——使用便宜的n型CZ晶片可获得的载流子寿命。
太阳能电池制造方法可以由单面在线或分批浸没锯损害去除(SDR)开始，这是一种湿式蚀刻工艺，之后任选的是化学抛光步骤来使表面粗糙变得平滑。这些抛光步骤可以单面或双面进行，例如使用含有氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的冷冻或室温混合物，或者使用碱性蚀刻方法，诸如浓度在15％以上的热氢氧化钾，蚀刻之后可以接着诸如用HCl、HF或HCl/HF组合来进行金属去除蚀刻，且随后用含有HF的清洁剂完成以去除自然的氧化物并使表面具有疏水性且使氢终止。
视选择的起始晶片来源而定，可能有利的是在加工流程的这个早期阶段制造降低基极的总体薄板电阻的背面场或背面掺杂层，否则基极的总体薄板电阻典型地被晶片电阻率及其厚度所控制。然而，由于n型锭的标准CZ生长典型地因掺杂剂隔离而伴随大梯度的掺杂剂且因此晶片电阻率在整个锭中(从晶种端到尾端)存在大的变化，因此可能有利的是通过利用在晶片背面上额外掺杂来具有更紧范围的基极薄板电阻。本文中提供几种不同的实施方案用来实现这种掺杂区域的增加。应注意，更新的锭制造方法，诸如连续或准连续CZ生长，目前正在解决和减少前述的锭掺杂梯度，且因此缓解或淘汰了太阳能电池基极区域中对所述额外掺杂的需求。
接着，可进行一大部分的太阳能电池背面加工，即图案化形成发射极和基极接触扩散，例如使用介电沉积步骤的组合，诸如使用常压化学气相沉积(APCVD)和/或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的掺杂玻璃沉积，接着进行无损害或低损害的激光图案化，例如使用脉冲纳秒、皮秒或飞秒激光烧蚀图案化和热(例如，分批管或顺列布置锅炉)推进以供发射极接合(视需要以及掺杂基极和发射极接触扩散区)形成-换句话说，通常形成发射极和基极接触区。
用于这些方法的激光束可以均匀化成空间大礼帽轮廓以供最佳一致性或均匀化成高斯(Gaussian)或具有中等强度的分布形状。背面介电沉积可以由掺杂或未掺杂的氧化硅玻璃组成，诸如硼硅酸盐玻璃(BSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)或未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)，或由其它介电质组成，诸如掺杂或未掺杂的氧化铝或氮化硅，或其组合。
此外，可向电池背面涂覆图案化的第一金属层，例如由铝或含铝合金(诸如包含铝-硅的可丝网印刷浆料或喷墨印刷油墨)浆料组成的金属。第一金属层尤其如果由丝网、喷墨或其它方式印刷的浆料组成，则可经退火。或者，可应用物理气相沉积(PVD)，诸如DC磁控管等离子体溅射和/或蒸发一种或多种金属材料(诸如铝或铝-硅合金)来形成第一级金属，接着例如通过在需要时在介电玻璃顶上使用脉冲皮秒或纳秒激光烧蚀PVD金属来图案化PVD层。这在太阳能电池上形成接触金属化层。发射极和基极结构以及图案化的第一级相对薄的金属层(例如，薄板电阻在每平方约0.01Ω至每平方0.5Ω的范围内)可根据无母线指叉型背接触(IBC)基极与发射极金属化(金属-1或M1金属层)方案来形成和图案化。应提供使得可能进行后续分割且由此在后续背板层压或连接之后可使下层硅物理且电分离成岛的M1几何结构。
对于背板层压或连接而言，可向IBCM1金属侧层压柔性的薄背板(诸如厚度在约50μm至200μm范围内的合适的预浸料或聚合材料)。背板薄板可大体上为与晶片相同的尺寸和形状(或对于电池边缘保护而言，如果需要则略微较大)。背板提供几种重要的功能，包括作为永久性支撑来提供高良率薄硅电池制造并支持硅晶片的分割/在一个紧密结合的背板分割成多个物理且电分割的电池。本文中称作‘iCell’或‘岛电池’的太阳能电池设计包括嵌入的电子元件。
随后可以使用湿式(诸如，用热的KOH或TMAH或用含有HF和HNO3的混合物)或干式(等离子体或反应性离子蚀刻RIE)硅蚀刻方法将背板支撑的硅晶片减薄至最佳厚度(例如，在大约80μm至薄至几微米的范围内，取决于得到的太阳能电池的具体应用)。或者，可以使用诸如磨碎或磨光或化学机械抛光(CMP)的研磨方法来减小硅厚度。可使用诸如激光分裂或MeV-范围氢离子注入的其它方法，接着进行薄硅裂解/剥落，且分离的衬底可视起始的晶片厚度而定再用于制造另外的太阳能电池。
iCell(岛太阳能电池)结构可通过脉冲ns或ps(或fs)激光烧蚀、超声钻孔或机械锯硅晶片来形成以形成硅隔离沟槽并产生子电池或岛(全部由共同的背板支撑)。切割或刻划方法可进行调节以便沟槽自硅至背板完全一致，或以便沟槽末端仍保留一薄层硅，这层硅随后在后续的最终湿式蚀刻和/或湿式纹理化过程期间被去除(此过程也去除了由切割过程引起的侧壁损伤)。
接着，可进行剩余的电池加工步骤，例如包括前述的向阳面纹理化(以供改良光捕获)，继而进行纹理化后的清洁。
以下描述和相应的加工流程教导关于在电池制造过程的这个点制造任选的前面场的几种实施方案，所有实施方案都使用在与只能在至高约300℃范围的温度下承受延长热加工的背板相容的意义上而言基本上是“低温”的方法。
随后可进行正面钝化和抗反射涂层(ARC)层沉积(例如，通过PECVD，接着向背板中钻孔以接近掩埋的M1层)，继而进行背面最终的图案化太阳能电池金属化(第二级金属化：金属-2或M2)过程以供岛/子电池互连。M2沉积可随着图案化过程(例如，通过就地阴影遮蔽进行PVD)或随着毯覆过程来进行，接着进行图案化(例如，使用对铝用诸如任选的镍或镍-钒的合适覆盖层进行毯覆PVD，此覆盖层可另外包含锡(Sn)或其它可焊表面材料的任选顶盖，且接着进行脉冲激光烧蚀以使M2金属图案化)。
而且尽管本文提供的实施例和描述使用结晶硅，但也可以使用其它结晶半导体材料，诸如砷化镓(GaAs)或组合，例如硅与GaAs的组合，任选地在Si与GaAs之间具有锗(Ge)或硅-锗(Si1-xGex)缓冲层。此外，尽管提供的实施例是背接触电池，但本文公开的发明性概念可延伸至其它电池设计且易于为其所采用，诸如非IBC背接触电池或前接触电池，而且在将GaAs集成到Si方法中时基本上可适用作一种技术简化选择。
尽管根据所公开主题的太阳能电池结构存在替代性的变化和实施方案，但在图5D和5E的横截面图中提供示范性的实施方案。
图5D和5E的结构是指叉型背接触/背结结晶半导体太阳能电池，其包含通过使用湿式或干式蚀刻任选地回蚀较厚的CZ或单体浇铸(准单体)硅层或通过诸如磨碎或磨光减小研磨厚度所形成的薄(例如，具有几微米至高达约100微米范围内的100μm以下的厚度)结晶硅层(或者，使用起始的薄的130μm以下的晶片，不需要复杂的硅减薄回蚀过程)。
应注意，在某些情形下，如果使用具有合适的高寿命和/或充分减小的起始厚度的晶片，可能在背板层压之后就不需要减薄/回蚀硅(除了由于纹理化过程的任何硅厚度减小以外)。这种结构任选地允许在层压之前在一定程度上完成前表面加工，包括纹理化和钝化。这种情形的潜在优势在于在层压之前可进行高温加工以形成掺杂的前面场(FSF)层(使用磷扩散或磷离子注入和热退火活化，或另一种技术)且使前表面钝化，其相对高的热预算与含有柔性聚合物的背板不相配。举例来说，随后可采用扩散的前面场(来自扩散的磷硅酸盐玻璃：PSG、POCl3或注入的磷作为前体)。使用背板使得电池可物理分割成岛/子电池以供制造icell，且具有背板的高电压-低电流太阳能电池架构又去除了对厚金属化流程的需要和对厚金属(诸如铜/镍/锡)镀敷过程的需要以及相关的技术风险，诸如铜对活性硅的污染。取消镀敷也减少了总体的太阳能电池制造成本和资本支出。背面钝化可包括材料堆叠，诸如磷硅酸盐玻璃堆叠在硼硅酸盐玻璃上。
薄硅太阳能电池的向阳面包含光捕获纹理(通过湿式蚀刻纹理化和/或干式激光或等离子体纹理化形成)和接着的PECVD过程以形成钝化和抗反射涂层(ARC)。
图5D和5E的背接触/背结太阳能电池包含具有使用诸如铝或铝-硅合金的合适的(低成本和高电导率)金属层制成的第一级金属(M1)的半导体吸收体层，形成指叉型背接触(IBC)发射极和基极金属指状物图案，例如无母线的IBC指状物图案(精细的图案间距)。M1上缺少母线可消除由于母线引发的电遮蔽所引起的效率损失。基于此处的两级金属化流程，M1充当接触金属化层(具有精细间距的指叉型基极与发射极金属指状物)，而M2提供较高的薄板电导率互连层从而以最小的欧姆损失提取太阳能电池功率。
薄硅太阳能电池的背面是薄背板薄板，例如在50和200um厚之间，而且可以是含有纤维的柔性聚合层压薄板，诸如预浸料薄板。背板薄板就各自的热膨胀系数(CTE)而言与硅相对热膨胀匹配(或CTE匹配)以减轻热加工期间的电池破裂。
指叉型背接触/背结太阳能电池包含图案化的第二级金属(M2)，第二级金属可具有约1至55um范围内的厚度，在某些情形下具有与M1相比而言较粗糙的间距(且因此指状物较少)和相对于M1大体上正交的图案。图案化的M2通过在背板中形成的预先指定的M1-M2导电介层插塞与图案化的M1电连接。M2可以是任何导电材料或材料堆叠，包括诸如铝、铜或铝与Al/Zn或NiV的材料。
图5E提供背接触/背结薄硅太阳能电池的最终太阳能电池结构的高水平横截面代表图，其包含通过在向阳面上的纹理化表面上回蚀较厚的起始硅晶片、钝化与抗反射涂层(ARC)形成的薄半导体(例如，100μm以下的结晶硅)电池吸收体，例如包含非晶形硅(a-Si)和氮化硅或氧化铝与氮化硅之一的堆叠；背板，例如层压的柔性聚合薄板，诸如预浸料，指叉型M1图案，例如电池背面上的无母线薄铝金属指状物；图案化的正交第二级金属，此处对于M2使用包含铝和/或铜的图案化金属显示，其中M2PVD金属的厚度小于约10微米且在某些情形下具有约1和5um厚之间范围内的厚度。
单片icell中的每个子电池或岛可包括一组微型母线，每个极性通过至少一个母线与相邻的子电池并联或串联连接。发射极和基极扩散区以及IBC金属化图案可排列成高级的几何结构以使微型母线下的电遮蔽最小化。
本文提供各种加工流程选择来说明所公开方法和结构的各个方面的能力。
n型结晶硅的起始材料可选自单晶硅(Czochralski或CZ)、单体浇铸(也称为浇铸单体或准单体或接种浇铸单体)或浇铸多晶硅。起始的晶片尺寸可以是完全正方形(或完全长方形)、伪正方形(或伪长方形)或其它几何形状(例如，六边形、其它多边形状等)，面积为至少150cm2且在某些情形下为至少240cm2。起始的晶片厚度可小于约250μm且任选地具有允许最低起始晶片成本与高制造产率组合以使得破裂可忽略的最薄厚度。
在由包括朝向下方硅的图案化接触开口的允许介电的合适低表面复合覆盖的图案化且扩散的指叉型背面区上，可在硅接触区上直接形成第一金属(M1)太阳能电池接触金属化，其中金属的范围可大于硅接触开口。此第一金属(M1)层例如可使用以下方法之一来形成：丝网印刷浆料、喷墨印刷油墨、气溶胶喷射印刷油墨或物理气相沉积(等离子体溅射、热蒸发、电子束蒸发、离子束沉积或热/弧喷雾沉积)。M1的PVD可能需要图案化步骤，诸如在沉积后对金属进行选择性激光烧蚀，除非PVD过程诸如通过使用就地阴影遮蔽使图案化的M1层沉积。
背板可以是薄板或薄盘，例如柔性的薄聚合或复合环氧树脂，其中纤维内容物(诸如预浸料)的薄板在图案化的M1完成后层压至电池背面。背板也可以通过丝网印刷、喷涂或替代性的沉积方法来涂覆。
硅回蚀(晶片减薄)例如可通过湿式蚀刻或干式蚀刻(等离子体或RIE)或或者使用合适的磨碎或磨光方法来进行。这种晶片减薄可以使用热的浓KOH(或NaOH)来经济地进行，例如KOH的浓度在15％以上(且高达45％)且温度为90℃或更高(在某些情形下，视方法的可控性而定高达150℃)。
背板上的第二金属层(M2)例如可以通过PVD方法(例如，等离子体溅射和/或热蒸发、电子束蒸发、热喷雾或弧喷雾)和脉冲激光烧蚀图案化(例如使用脉冲纳秒激光烧蚀)，或通过丝网印刷包含铝和/或铜的高电导率浆料或通过就地阴影遮蔽的PVD来形成。由于对M2的图案尺寸和对准要求比对M1的要求大体上更粗糙，因此后者是可行的(在某些情形下，由于M2相对于M1大体上正交对准)。
可由通过激光掺杂磷(或砷、锑或铟)或通过激光活化在纹理化表面上注入的磷、砷或锑形成的任选的掺杂前面场(FSF)，或通过磷(例如，POCl3)扩散或磷离子注入接着共同退火形成与发射极相邻的毯覆磷掩埋层来减小薄硅n型基极的寄生电阻。
以下段落提供加工流程的各种实施方案，包括一种通用方法以及个别流程实施方案的实施例。
清楚起见，提供的加工流程可分成七个构建模块，且每个构建模块可含有一个以上的加工工具和一个以上的单元制造工艺。图33是说明高水平太阳能电池构建模块的加工流程图。
如图33中所示，第一构建模块包括起始的晶片检查、选择和制备。第二模块包括背面工程化，在此加工序列期间增加和不增加掺杂的背面场(BSF)。第三模块是第一级金属(M1)形成(也称为接触金属化)。第四模块是层压背板以连接永久性增强背板。第五模块包括晶片分割成子电池单元或岛以供形成总体的单片icell架构、回蚀、纹理化和纹理后清洁。第六模块包括前表面工程化，包括前表面钝化，增加和不增加内部前面场(FSF)。第七模块由产生通向掩埋的背面的通道以及形成第二级金属(M2)和任选的最终退火(可能在M2PVD过程期间就地进行)组成。
这些构建模块各自可含有各种加工流程实施方案，将对其各种实施例进行描述。每个构建模块中的不同加工途径选择或实施方案可与其它构建模块的不同加工途径选择或实施方案组合。由于存在多种组合可能性，因此公开的主题包括所有这些组合的最宽广范畴，甚至在给定的实施例未涵盖所有可能的加工流程组合时。
扩展图33中的模块1：起始的晶片可首先接受任选的检查，继而接受任选的预清洁，继而例如使用诸如热KOH或NaOH的碱性化学品或诸如HF/HNO3的酸性化学品进行锯损害去除(SDR)。此后，晶片可任选地例如使用HF与HNO3的高浓度混合物(在某些情形下经冷冻)接受单面或双面化学抛光蚀刻。此抛光蚀刻之后进行短暂KOH蚀刻以从表面去除诸如多孔硅的蚀刻污点。此后，晶片例如使用HCl或HCl与HF的混合物或臭氧化HF接受金属去除清洁，继而任选地最后浸渍HF以使表面具有疏水性并去除天然的二氧化硅(并使结晶硅表面因稀HF浸渍处理而氢终止)。
接着，扩展图33的模块2，在增加和不增加背面场(BSF)或改良的背面基极电学薄板电导率增强的情形下进行背面工程化(以减小寄生基极电阻及其对太阳能电池填充因子的不利影响)。方法的这个聚集模块由几个加工步骤组成。可以从设计成用来克服整个锭上的起始晶片之间以及锭之间的大电阻率扩展或变化的任选背面导电增强开始。所述电阻率扩展可导致过量的基极电阻且因此导致非最佳(减小的)太阳能电池填充因子，或在高掺杂的情形下导致那些起始晶片在较低体电阻率等级(或较高本底掺杂浓度)上的少数载流子寿命不足。然而，存在可用的锭生长方法，诸如连续CZ锭生长技术，这些方法提供足够严格的电阻率规格且扩展从而不需要背面传导增强。在图34A至34D中描绘利用具有严格电阻率规格的锭和晶片的实施例流程。在需要背面传导增强的情形下，提出几种代表性的实施方案。第一实施方案显示在图35A至35D中的实施例流程中且提供借助于POCl3热锅炉掺杂结合热推进步骤来引入诸如磷的n型掺杂剂且接着通过湿式蚀刻(HF浸渍)从表面去除剩余的磷掺杂玻璃(磷硅酸盐玻璃或PSG)。第二实施方案显示在图36A至36D中的实施例流程中且提供对诸如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铟(In)的n型掺杂剂物质的离子注入步骤。此注入物(诸如磷注入物)随后作为下文所述后续锅炉退火步骤的部分进行热退火且用于几种目的。
在锯损害去除步骤(方法模块1)之后或对于背面电学薄板传导增强步骤后的替代性实施方案而言，对第一层硼掺杂玻璃(诸如BSG)进行常压化学气相沉积(称为APCVD)或者PECVD。BSG层可具有相当低的硼浓度以使得可形成电池间具有相当较高的薄板电阻的经过选择性较轻掺杂的发射极，且接着例如使用脉冲皮秒(ps)或飞秒(fs)激光或能够在对下方的硅损害最小至无损害的程度上烧蚀BSG介电体的替代激光进行图案化。无论在烧蚀期间何时去除BSG，在进一步加工中都将形成较高硼掺杂的发射极(将用于低电阻发射极接触区)。接着通过APCVD(或，或者PECVD)沉积第二层BSG，第二层BSG可具有相当较高的硼浓度且可充当选择性发射极接触的前体。
接着可采用使用脉冲皮秒或飞秒激光的另一个图案化步骤，去除应形成n+掺杂基极接触区的区域中的BSG。随后可(通过APCVD或PECVD)沉积一层磷硅酸盐玻璃(PSG)，充当磷掺杂基极接触区的前体(其中n+掺杂用于低基极接触电阻)。
引出的太阳能电池结构随后经历高温锅炉退火，将图案化的p型和n型扩散区推进至结构背面中。此退火可在惰性和/或氧化气氛中或在惰性与氧化气氛的逐步混合物中且在800℃以上、更具体来说在850与1100℃之间的温度下进行。其它步骤，诸如例如在约550℃至650℃的温度范围内除气或甚至典型地在400℃至500℃(例如，在450℃下)的温度范围内进行的形成气体退火也可以集成到上述退火步骤中。在背面先前已如上文提到的例如使用磷和砷接受注入的掺杂剂的情形下，则此热退火步骤也用来使注入区退火、活化和扩散。
然而，也可能且可能有利的是在相对高温下推拉锅炉以使得可建立较快的加热和冷却速率用来从晶片材料捕获氧沉淀，而且也可以改良锅炉的工艺产量。选择实施例推拉温度以便在600℃以上，且在某些情形下在800℃至850℃或以上的温度下推拉船形盘。对锅炉船形盘进行这种高温推拉可代替在大多数流程实施方案实施例中描述的低温除气和FGA来实施或与其结合实施。
在锅炉退火之后，采用激光(例如脉冲皮秒或飞秒激光)来开启与各自发射极和基极接触区的接触以供后续M1接触金属化过程。任选地随后可例如在惰性非氧化气氛中进行另一次退火以减小来自激光接触开启步骤的潜在损害。
应注意，上述烧蚀过程使用激光局部地去除诸如掺杂玻璃的介电体以产生所需图案也可以借助于使用合适的蚀刻剂浆料来实现。对于这种蚀刻剂浆料的单元加工而言，例如使用丝网印刷局部地涂覆蚀刻浆料。视蚀刻剂浆料(例如含有或不含氢氟酸)的性质而定，蚀刻机制可能需要热活化(对于并非以氢氟酸为主的这类浆料而言)。此活化例如可以在带式或滚筒式锅炉中来实现，而且是蚀刻尺寸和深度控制的一部分。蚀刻之后，可以借助于清洁和冲洗步骤，例如使用弱碱性溶液，继而进行DI水冲洗和任选的金属去除步骤，诸如短暂的含HC1的湿式清洁来去除蚀刻浆料。
具有不同浓度和相反极性的局部扩散的指叉型背接触结构也可以使用例如使用丝网印刷涂覆、接着进行热推进的掺杂剂浆料来形成。这取代了诸如掺杂玻璃的介电掺杂剂前体的沉积和后续图案化。也容易推导出以上方法的组合。
图33的模块3包括第一级金属化(M1或太阳能电池接触金属化)形成。对于M1而言，提供两种明显不同的途径实施例或方法实施方案。首先，在一个印刷步骤中或任选地经过一次以上涂布以丝网、模版、喷墨或其它方式印刷浆料或油墨来涂覆图案化的第一级金属M1，期间任选地进行干燥步骤，继而进行主要的固化过程，固化过程又可以由在诸如管式锅炉或顺列布置锅炉的一个固化工具中的几个固化步骤组成，以首先驱除或燃尽来自浆料的粘合剂，继而进行电阻率减小的烧结步骤。合适的浆料可以由铝、铝与硅和/或锗的合金以及镍、银或其它导电材料制成。印刷M1层的方法实施例在图34A至36D和图38A至41B中描绘。或者，第一级金属可例如使用PVD(诸如DC磁控管等离子体溅射)例如铝、铝与硅和/或锗的合金以及镍(Ni)或镍-钒(NiV)而以毯覆模式沉积。PVD沉积之后，例如使用脉冲纳秒、皮秒或飞秒激光使毯覆金属层图案化来烧蚀末端之间或任何不需要处的金属。对这种加工流程的一个实施例的说明在图42中进行描绘。印刷和PVD的组合也是可行的，以及在需要额外厚度和/或交替金属的区域中增加导电点，诸如浆料或墨点。
此外，下文提供关于第二和第三加工模块的实施方案。例如：前文提出的选择性发射极设计(包含较不重掺杂的主场发射极和较重掺杂的发射极接触区)利用双层BSG沉积，且脉冲皮秒或飞秒激光图案化步骤也可以利用单层BSG来产生轻度掺杂的发射极区，且用于发射极的高度掺杂部分的选择性脉冲纳秒激光推进和合金化步骤(使用来自后续M1铝层的p++掺杂)直接充当发射极接触。对于这种方法而言，省略第一BSG图案化和第二BSG沉积过程。相反，在沉积后通过使用使M1层(例如Al)表面熔融的脉冲纳秒激光并产生共熔Al-Si熔体来推进第一级金属(在此情形下是铝或铝与硅和/或锗的合金)(充当p型重发射极接触掺杂)，且使其与下方的硅形成合金。可使用PVD紧接着进行激光烧蚀以供图案化来使沉积的M1(例如Al)沉积并图案化，或可使用无熔块的含铝浆料使用丝网印刷或喷墨印刷(或另一种印刷)方法来形成沉积的M1(例如Al)。在PVD紧接激光烧蚀的情形下，脉冲激光烧蚀可通过与激光发射极接触合金相同的工具和相同的步骤用于图案化-换句话说，在相同的工具中使用两种不同的激光方法。
或者，对于基于激光接触开启发射极和基极区以供在第二加工模块结束时进行后续M1金属化而言，可使用具有熔块或其它蚀刻组分的合适的M1浆料，在经过热加工后局部地穿过介电体蚀刻并与发射极和基极区接触而无需基于激光的接触区域介电体烧蚀。含有熔块的M1浆料也可以分成双重印刷浆料，其中不同的浆料用于不同的极性区(发射极和基极)且视对于高质量欧姆接触的最佳退火条件而定可以同时或在两个不同的步骤中热退火，同时保留对于两种极性而言合理的低接触复合。
在上述背面工程化和第一级金属(M1或接触金属化)形成之后，晶片准备用于第四方法模块，图33中的模块4，将背板(例如，柔性背板)层压至结构化的晶片背面上。尽管背板可以由各种材料制成，但可能有利的是背板视太阳能电池的制造方法和得到的电池用途而符合几点要求：1)背板可具有与下方的图案化硅堆叠匹配的接近热膨胀系数；2)背板可具有柔性；3)背板可以对诸如硅蚀刻和纹理化的后续湿式和干式加工步骤具有化学抗性(除非所有湿式加工是在层压过程之前进行)；和4)背板应承受后续钝化介电退火和第二级金属沉积过程的热预算且允许进行充分的高温加工(例如，高达约300或甚至400℃)。
层压过程可以是真空层压过程以避免在背板薄板与具有结构化M1金属化背面的硅层之间的界面处形成气泡。在层压期间应施加足够的压力(在10与400psi之间或在某些情形下，更具体地在50与250psi之间)以使得来自预浸料背板层压板的树脂可流动，这又使得层压的电池结构变得平整。预浸料的尺寸可以经过选择以与待层压的电池尺寸紧密匹配，而略微尺寸偏大或尺寸偏小可能对后续加工有利。背板薄板可具有约50微米至250微米范围内的厚度。层压之后，例如可使用脉冲纳秒激光进行任选的边缘修剪。
图33中的第五方法模块模块5是关于晶片任选分割成子电池(岛)以形成icell(或岛型主电池)、例如使用湿式或干式化学蚀刻或研磨方法进行硅减薄及纹理化和纹理化后清洁。层压完成后，晶片背面结构层压至背板且背板本身保护掩埋的背面结构免于后续加工。接着，晶片可以：1)经减薄-以使得可使用较低寿命的晶片来制造具有减薄吸收体的高效背接触太阳能电池；2)吸收体材料被分割成电隔离的(通过沟槽隔离)单片集成个别子电池(岛)，这些子电池(岛)稍后串联或并联或以并联和串联的组合形式电互连；3)在前表面上纹理化，例如以在前表面上形成随机的锥体结构，继而清洁纹理化的表面，之后进行PECVD钝化过程。
各种不同的实施方案可能用来在背板上实现个别电池的减薄、分割、纹理化阵列的以上结果。图37A和37B的横截面图说明不同的加工顺序以及在顺序期间和结束时的结构。图37A说明显示在晶片分割(例如，使用激光沟槽形成)之前包括晶片减薄步骤的一种方法的横截面图且图37B说明显示在晶片减薄之前及在晶片减薄和纹理化之后包括部分晶片分割(例如，使用激光沟槽形成)的一种方法的横截面图。
在一个实施方案中，区段/岛首先由完全通过整个吸收体层或部分通过吸收体层的脉冲激光隔离沟槽形成(例如，沟槽深度合适以便后续通过蚀刻且纹理化蚀刻足够远使吸收体层去除/减薄以有效且可再现地形成沟槽隔离的子电池/岛)。在又一个实施方案中，吸收体层(例如，硅晶片)首先经减薄至其最终厚度(加上稍后将要纹理化的硅)，随后完全通过剩余的减薄吸收体层或几乎完全分割以便后续的纹理化过程足以分离个别的子电池或岛。第三个实施方案利用以上两种顺序的组合，其中在第一个步骤中进行大部分的减薄蚀刻，继而完全或几乎完全沟槽隔离式分割，继而进一步蚀刻且向阳面纹理化。
在第四个实施方案中，在减薄和纹理化都完成后进行隔离切割。此实施方案可包括两种额外选择。在一种选择中，分割切割后，晶片表面直接进入钝化。这具有减少湿式加工步骤总数的优势。另一种选择是进行轻微清除步骤以去除来自激光步骤的碎片和潜在损害。所述清除步骤可以由短暂浸渍在诸如纹理化化学品本身的碱性化学品中、继而进行合适的纹理化后清洁或轻微碎片去除(诸如兆声波清洗)组成。
重要的是应注意，沟槽隔离分割过程本身应保持背板材料相对完整以保持电池的结构完整性，以便可以使用典型的电池形状因子(诸如156mm×156mm正方形或伪正方形)，用可以处理这种标准尺寸的各自的自动设备来加工电池夹层结构。
在预浸料背板和硅吸收体的情形下，可能有利的是用使用在硅中良好吸收而在预浸料中吸收不良(即，被预浸料透射和/或反射，吸收极少)的激光波长的激光源来切割吸收体-这是也适用于其它背板/吸收体材料组合的一种概念。许多预浸料在红外线(IR)波长不强烈吸收，因此用IR切割增强了硅切割相对于预浸料切割的相对选择性。使用IR激光切割或刻划也相当便宜，因为IR激光(例如，脉冲纳秒激光)的capex(资本支出)和维护与UV激光相比典型地较低。然而，UV激光的切割质量倾向优于IR激光，且切口附近的热影响受损区的程度对于UV激光而言较小。在每种情形下都应权衡这些因素以对沟槽隔离方法做出最佳的激光源选择。
另外，可使用水导激光(诸如水导绿色或IR激光)来形成隔离沟槽。水导激光切口可展现损害较低的切割区，同时保持吸收且因此具有较低波长激光的选择性优势。用于产生单片背板连接的icell太阳能结构的其它分割方法包括用于分裂的掩埋聚焦激光束，其中焦点可置于材料和温度梯度内且由其导致内部蒸气压引发的材料分裂。这种引发的分裂可以通过自紧密追踪的激光源分裂且接着自诸如喷水或喷射干冰的冷却源分裂来辅助。也可以采用诸如金刚石砂轮锯切割的切片方法进行分割，但倾向于更为昂贵。在采用时，这种切片只在预浸料内部切割硅来形成分离。
硅晶片减薄本身可以使用高蚀刻速率的湿式蚀刻溶液，诸如浓KOH或其它氢氧化物(诸如NaOH、TMAH、NH4OH或LiOH)，使用80℃及以上的相对高温(在某些情形下，高达约145℃)来进行。可使用替代性的湿化学品，诸如至少含有HF和HNO3与诸如乙酸、磷酸或硫酸的任选添加剂的混合物，但通常更昂贵。这种酸性蚀刻是在室温或低于室温下且在允许冷却来去除由放热性蚀刻反应产生的热量的溶液中进行。
为了完全利用蚀刻化学，尤其是但不仅仅是在碱性蚀刻的情形下，可以在此过程中引入絮凝剂以有助于硅酸钾(在硅蚀刻的情形下)与KOH蚀刻剂或六氟硅酸(在基于HF/HNO3的蚀刻剂化学的情形下)的反应产物絮凝出来，且随后例如通过沉降床或离心分层来支持反应产物的机械分离。一种用于从溶液中去除副产物的替代方法是通过使溶液热循环(即，使其冷却下来以减小溶解度，并去除从溶液中掉出来的组分(诸如硅酸盐)，且再加热)。通过分离硅酸盐，可从蚀刻剂分离副产物，且因此蚀刻剂的浴寿命随着消耗的蚀刻剂(诸如KOH或NaOH)的剩余部分自固体块或薄片形式的KOH(或其它氢氧化物)或自高度浓缩的水溶液返回浴中而延长。
通过蚀刻减薄硅的又一种选择是使用等离子体，诸如含卤素的等离子体用于硅蚀刻。还预期高蚀刻速率的分子自由基蚀刻。用于硅晶片减薄的其它选择包括机械磨碎或磨光硅。在某些情形下，磨碎的硅可能更易于分离以供回收和再循环。
在向阳面(正面)纹理化之后，进行表面清洁过程，诸如含有HCl、HF或HNO3或臭氧化HF的那些，接着是最终的稀HF蚀刻处理，且任选的最终含有HF的步骤可以使表面无天然的氧化物。
应注意，在硅减薄(例如，通过激光)之前进行分割切割时，提出的加工流程描绘占厚度约30-70％的切口，接着的蚀刻使切口的深度延伸至预浸料边缘以完成分离。初始的分割切口也可以是如图43的加工流程中所示的完全切口(且不依赖于蚀刻来提供完全的分割隔离)。
图33的模块6包括太阳能电池前表面工程化，包括在存在或不存在另一掺杂的前面场(FSF)的情形下应用前表面钝化。为了实施掺杂的前面场，提供各种实施方案，对于典型地含有磷、砷或锑或铟掺杂剂的n型吸收体电池以及推进型和/或掺杂剂活化机制(诸如脉冲纳秒激光退火或脉冲纳秒激光掺杂)而言，这些实施方案都具有掺杂剂来源。掺杂剂来源可以通过各种方法来提供，包括离子注入、预沉积含有掺杂剂的材料层、预沉积含有掺杂剂的喷雾、等离子体浸没离子注入-例如使用PH3或气体浸没激光掺杂(GILD)。在图38A-38D、39A-39D、40A-40D和41A-41B中概述实施掺杂前面场(FSF)的加工流程实施方案。在所述方法中，可能有利的是具有有效的低温推进机制，诸如脉冲纳秒激光退火或熔融，或在掺杂剂环境中熔融(GILD)，以便热量可以集中到太阳能电池的正面且背板不接收多余的热量且保持相对未加热且未受正面脉冲激光加工的影响。对于激光来源而言，可使用脉冲来源(诸如脉冲纳秒激光)来形成掺杂的FSF。为了克服诸如随机锥体纹理化表面的外形挑战，可使用可以将热量分布到吸收体的顶部几微米的脉冲纳秒(脉冲长度在约10ns至高达数个100ns范围内)绿色激光或就热损耗角度而言将在锥体尖端传递大部分热量的脉冲UV激光来进行退火。也可以使用大礼帽或平顶的均匀激光束。
用于前表面钝化层的各种选择也存在各种选择，从氮化硅到非晶形硅(a-Si)与氮化硅的堆叠，或者具体来说是固有的a-Si、接着是n-掺杂的a-Si、接着是氮化硅。除了氮化硅，也可以使用具有固定或变化氧含量的氧化物氮化物或氮氧化物。除了a-Si，初始层也可以含有一部分的氧而变成非晶形氧化硅(也可能具有化学计量以下含量的氧)或具有相对一小部分碳的非晶形硅-碳。a-Si的另一种替代物是氧化铝(Al2O3)，它能够在p型和n型硅(例如，使用诸如ALD、PECVD或APCVD的方法进行Al2O3沉积)上产生极低的表面复合速度而且也易于与氮化硅合并，其中氮化硅稍后沉积作为第二层。当使用氮化硅时，氮与硅之间的化学计量比在整个膜中可以是固定或变化的以使得光学和电学性能最佳，其中在膜中的低吸收或零吸收时实现最佳的光学性能，而且在足够的氢含量和相对大的固定正电荷密度(在n基电池的情形下)时可实现准确有效的膜厚度和折射率以及最佳的电学性能。
图33的第七构建模块模块7涉及形成进入孔(通孔)以与掩埋的金属1(M1)层接触以及沉积和结构化金属2(M2)。金属2(M2)与电池母线形成最终的高电导率太阳能电池金属化，岛与岛互连。
在电池制造的此阶段形成通孔使M2与M1互连具有的固有优势在于在正面的湿式加工步骤(诸如回蚀、纹理化和纹理化后清洁)期间，掩埋的M1层受层压背板保护。可以使用诸如脉冲CO2激光或脉冲UV激光的激光来钻出通孔。在某些情形下，通孔可定位在任选加宽的M1层指状物上以具有更宽容的对准公差。通孔和下方的指叉型M1指状物对准以及沟槽隔离分割切口与吸收体晶片背面上的结构对准可以利用红外线照明对准标记，这充分穿透硅吸收体层以及穿透背板。
在背板中形成通孔(通孔位于M1指叉型指状物的指定部分)之后，此结构即准备用于M2沉积和图案化，这之前可进行预沉积就地溅射蚀刻清洁(例如使用氩气、氧气或其它等离子体或离子)以蚀刻掉M1接触顶部上的不良导电表面层，诸如氧化铝或碳残余物，以及促使M2粘附在背板表面上。
这种方法可以在包括真空集成的等离子体溅射和蒸发加工功能的真空PVD系统中进行。接着，且优选地不要破坏真空，即可沉积M2层。M2层可以使用例如诸如铝蒸发(通过热或电子束蒸发铝)或等离子体溅射的PVD来沉积，任选地继而沉积至少一个覆盖层来充当粘附的抗氧化剂和接触层，诸如薄的(具有约100nm至500nm范围内的厚度)镍或镍-钒层和任选的锡(Sn)或其它可焊接材料涂层。
在PVD沉积M2期间的固有加热之后或由于此加热，电池可经退火以进一步改良表面钝化特性同时表面复合速度减小，且减小电池金属化接触和通孔电阻。M2随后可紧接着例如使用脉冲激光烧蚀进行图案化以使发射极自基极接触区分离，同时在个别岛或子电池之间建立(且保持完整的)合适的预设计互连(串联、并联或组合)。图案化的M2也可以包含最终的太阳能电池母线。或者对于M2的PVD(等离子体溅射和/或蒸发)而言，可以采用其它沉积技术，诸如丝网或喷墨印刷，或热喷雾涂布或弧等离子体喷雾涂布或电镀。
提供以下用于制造背接触太阳能电池的详细加工流程作为突出所公开主题的各个重要方面的示范性实施方案。注意，尽管这些加工流程直接涉及岛型主电池(icell)，但它们也可适用于形成不使用单片岛型太阳能电池结构的背接触太阳能电池。而且尽管每个加工流程的某些独特元素是突出的，但全部都符合图33中提供的通用构建模块且共用共同元素编号，包括：
-锯损害去除(SDR)，工具1，也减小晶片两面上的硅晶片厚度及其总体表面粗糙度。SDR可以是双面或单面蚀刻工具(分批或顺列布置设计)。
-图案化的丝网印刷M1浆料(例如，使用包含铝的合适的高电导率无熔块浆料)。图案化的M2通过PVD(等离子体溅射、和/或蒸发、和/或另一种合适的PVD方法，诸如弧或热喷雾)形成，继而脉冲激光烧蚀图案化沉积的金属层；尽管显示M2为PVDAL/NiV，但其它材料选择也是可能的，包括：Al/Ni、Al/Zn、Cu/Ni、Cu/Zn等。如果需要，PVD铜可以代替铝用作主要的M2导体。
-划分激光刻划以形成用于icell的单片太阳能电池岛的沟槽隔离区(在加工流程中也可以成为“iCell”切割/刻划/沟槽)。参考图34A，此激光划分刻划(工具12)可以从流程中去除且工具11和13合并成单一的湿式加工设备(即，与图34A的流程中具有岛划分的17个加工工具相比，为不具有岛划分的15个加工工具)-在所有加工流程中都适用的一个加工去除步骤。
-进行硅回蚀以使吸收体厚度减小至约50至80微米的范围(图34A中的工具11，注意此工具编号参考值在不同的加工流程实施方案中是变化的)且接着在纹理蚀刻过程期间另一次5至15微米的厚度减小(图34A中的工具13，注意此工具编号参考值在不同的加工流程实施方案中是变化的)用于约35至75微米范围内的最终硅吸收体厚度，尽管可形成较薄或较厚的吸收体Si。
-视加工流程限制和所需的电池结构而定，可在Si回蚀(晶片减薄)之前，在Si回蚀与电池向阳面(正面)纹理之间，或或者在背板层压后的任意点形成沟槽隔离区(在加工流程中也可以称为“iCell”刻划/切口/沟槽)。
-加工流程可以从准单体或CZn型Si晶片开始。
-在Si回蚀(晶片减薄)后使用脉冲ns激光刻划形成隔离沟槽。
-使用Al浆料和锅炉退火加工来形成图案化的M1。
图34A至34D是用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，未形成FSF或BSF用于基极电导率-换句话说，在n型基极中未使用额外的n+掺杂来减小基极电阻。流程34A和34B描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽的流程，而且在Si减薄回蚀与向阳面纹理/纹理化后清洁之间进行岛激光切割(“iCell脉冲ns激光刻划”)。流程34A显示对M2未进行就地PVD遮蔽且使用激光烧蚀图案化的PVDM2。流程34B显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。流程34C和34D描述对M2的PVD不进行和进行就地阴影遮蔽的流程，而且在Si回蚀(使工具计数减少一)之前进行岛激光切割。流程34C显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程34D显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。
图35A至35D是用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中掩埋的BSF用于基极电导率-换句话说，在n型基极中以额外的n+掺杂来减小基极电阻，在SDR后使用POCl3掺杂、继而进行POCl3玻璃蚀刻+Si蚀刻所显示的方法。流程35A和35B描述对M2的PVD不进行和进行就地阴影遮蔽的流程，而且在Si回蚀与纹理/纹理化后清洁之间进行岛激光切割。流程35A显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程35B显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。流程35C和35D描述对M2的PVD不进行和进行就地阴影遮蔽的流程，而且在Si回蚀(使工具计数减少一)之前进行岛激光切割。流程35C显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程35D显示进行就地PVD遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。
图36A至36D是用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中掩埋的BSF用于基极电导率-换句话说，在n型基极中以额外的n+掺杂来减小基极电阻，这是使用磷离子注入和后续的共用锅炉退火(离子注入物使P的峰值低于后续的发射极-基极结)所显示的方法。流程36A和36B描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽的流程，而且在Si回蚀与纹理/纹理化后清洁之间进行岛激光切割。流程36A显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程36B显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。流程36C和36D描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽的流程，而且在Si回蚀(使工具计数减少一)之前进行岛激光切割。流程36C显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程36D显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。
图38A至38D是用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中激光掺杂的FSF用于基极电导率-换句话说，在n型基极中以额外的n+掺杂来减小基极电阻，这是在Si回蚀和纹理/清洁(在纹理化后涂覆磷液体来源后进行脉冲ns激光掺杂)后在正面上使用激光掺杂所显示的方法。激光掺杂的FSF可用于两个目标：改良正面钝化和减小基极电阻(例如，掺杂深度为约0.1至0.5微米、表面浓度为约1E17至5E19cm-3，掺杂越深则表面浓度越低，反之亦然)。
流程38A和38B描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽且在Si回蚀与纹理/纹理化后清洁之间进行岛激光切割的流程。流程38A显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程38B显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。流程38C是对于PVDM2而言对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化。流程38D显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。
图39A至39D是用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中脉冲激光FSF用于基极电导率-换句话说，在n型基极中以额外的n+掺杂来减小基极电阻，这是在Si回蚀和纹理/清洁(在纹理化后涂覆磷液体来源后进行脉冲ns激光掺杂)后在正面上使用激光掺杂所显示的方法(在沉积n+磷或砷掺杂的非晶形Si的250nm以下薄层之后施加脉冲ns或ps激光来进行掺杂非晶形Si的外延对准一减小基极电阻，表面浓度为～1E17至5E20cm- 3，越低的表面浓度用于越厚的n+非晶形Si，且反之亦然)。
流程39A和39B描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽且在Si回蚀与纹理/纹理化后清洁之间进行岛激光切割的流程。流程39A显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程39B显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。流程39C和39D描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽且在Si回蚀(使工具计数减少一)之前进行岛激光切割的流程。流程39C显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程39D显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。
图40A至40D是用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中离子注入的FSF用于基极电导率-换句话说，在n型基极中以额外的n+掺杂来减小基极电阻，这是在Si回蚀和纹理/清洁(在纹理化后涂覆磷液体来源后进行脉冲ns激光掺杂)后在纹理化的向阳面上使用离子注入磷或砷，继而进行激光退火以活化注入的掺杂剂所显示的方法(在注入n+磷或砷掺杂层的例如500nm以下的薄注入层之后应用脉冲ns激光以形成活化的n+层从而减小基极电阻，表面浓度为约1E17至5E20cm-3，较低的表面浓度用于较厚的n+非晶形Si，反之亦然)。
流程40A和40B描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽且在Si回蚀与纹理/纹理化后清洁之间进行岛激光切割的流程。流程40A显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程40B显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。流程40C和40D描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽且在Si回蚀(使工具计数减少一)之前进行岛激光切割的流程。流程40C显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程40D显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。
图41A至41D是用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中气体浸没的FSF用于基极电导率-换句话说，在n型基极中以额外的n+掺杂来减小基极电阻，这是在Si回蚀和纹理/清洁后在正面上使用在PH3中进行激光气体浸没掺杂(FSF深度为约0.1至0.3μm)所显示的方法(在PH3/H2中应用脉冲ns激光用于气体浸没激光掺杂以减小基极电阻，表面浓度为约1E18至5E20cm-3，较低的表面浓度用于较厚的掺杂区，反之亦然)。
流程41A和41B描述对M2的PVD不进行和进行就地遮蔽且在Si回蚀与纹理/纹理化后清洁之间进行岛激光切割的流程。流程41A显示对M2未进行就地PVD阴影遮蔽且使用脉冲激光烧蚀图案化的PVDM2。流程41B显示进行就地PVD阴影遮蔽以用于图案化M2的PVDM2。
图42是一种用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案，其中无FSF或BSF用于基极电导率且使用PV-Al/NiV进行脉冲ns激光刻划隔离沟槽并对M1进行激光烧蚀图案化。
图43是一种在预蚀刻的厚硅上使用脉冲ns激光刻划隔离沟槽的用于制造指叉型背接触太阳能电池的加工流程实施方案。
用于第一金属(M1)层的不同金属化选择尤其包括丝网印刷或模版印刷或使用物理气相沉积(PVD)进行沉积，诸如DC磁控管等离子体溅射方法，紧接着进行图案化步骤，例如使用脉冲激光烧蚀图案化。M1材料选择尤其包括丝网印刷的铝(Al)、铝与硅和/或锗内容物、铝与银的组合(如果不同的金属用于发射极和基极)以及镍，例如使用喷墨印刷以图案化或毯覆的方式沉积。用于M1PVD的材料选择也包括Al、Al与Si和/或Ge，接着是Ni或NiV。关于M1的材料选择，应权衡下文概述的考虑因素。
使用PVDAl/NiV(其中Al在约1μm的一部分至2μm的范围内且相对薄的NiV在约0.1μm至0.50μm的范围内)和脉冲激光烧蚀图案化代替丝网印刷的图案化Al浆料和锅炉退火的优势包括以下事实，即PVD提供约2.7μΩ.cm的低得多的接近体Al电阻率，几乎比固化的Al浆料电阻率低约15倍至100倍的倍数，因此使所需的Al层厚度减小至1μm的约一部分至最大约2μm(与Al浆料的约15μm至30+μm相比而言)。
与浆料相比，更薄的PVDAl减小薄硅上的M1应力，且与丝网印刷的Al浆料相比，更薄的PVDAl由于在具有更薄PVDAl层的图案化M1上的表面外形减小而促使背板层压。从加工流程中取消丝网印刷过程可导致生产线中的机械产率较高，因为丝网印刷可以是生产线中晶片破裂的主要来源(流程中唯一的接触型工具)。取消丝网印刷还可以使得可使用较薄且较不昂贵的起始晶片而无严重的破裂问题。PVDA1也比A1浆料纯净得多(例如，诸如Fe的杂质少得多)且因此可能使得Voc较高且得到的电池效率较高。PVDAl可减小总体M1电阻且提供较低的M2-M1介层插塞/接触电阻，因此减少需要钻到背板中的通孔的数量，导致背板激光钻孔过程的生产率较高。
使用PVDAl/NiV和脉冲激光烧蚀代替丝网印刷的Al的不足之处包括可能存在在背板钻孔期间击穿薄得多的PVDAlM1的风险。例如在激光烧蚀的情形下，必要的图案化步骤也存在Al/NiV激光烧蚀损害和使太阳能电池中的少数载流子寿命降级的风险。此外，PVD加上激光烧蚀工具箱与丝网印刷紧接锅炉固化相比也具有更高的资本支出。
在前文所述加工流程中，M1的丝网印刷铝层可替换为PVDAl/NiV，继而脉冲激光烧蚀Al/NiV。也可能合并加工，诸如使用较低的PVD层用于良好且低污染的接触形成，继而为丝网印刷的加厚层来为激光钻孔过程继续进行提供较厚的着陆层。此第二层方法也为后续蚀刻和图案化过程提供掩模以去除不需要的较薄PVD层-因此可避免激光烧蚀过程和损害背面钝化的相关风险。换句话说，丝网印刷层将通过选择允许以比丝网印刷层更高的速率选择性地蚀刻PVD层的蚀刻和金属组合而用作PVD蚀刻的掩模。或者，蚀刻可以用选择性较小的化学品来进行且依赖于丝网印刷区域中的金属比仅经过PVD的区域中的金属厚得多。在后一种情形下，蚀刻需要适当定时。
用于M1层的其它已知选择可合并到所公开的加工流程中。例如，也可能沉积极薄的层，这可以使用相当低温的方法转移到硅化物中。实例为镍或钴以及形成硅化镍或硅化钴。也可能是其它材料，诸如钛和其它难熔金属；然而，镍可能由于其对硅的低消耗和低硅化反应温度而有利。硅化镍只在先前开放的接触区域(去除氧化物)中形成，例如在接触区域中使用脉冲皮秒或飞秒激光烧蚀方法。在镍沉积(通过PVD)和热退火之后，只在镍与硅接触的开放区域中形成硅化镍。此后，可以从介电区剥离剩余的未反应的镍，形成局部自对准接触。由于与硅化物的接触电阻值可能相对低，因此这种方法可用于降低总体的接触面积百分比且由此减小总体的背面复合速度(BSRV)，这可导致开路电压较高且得到的电池效率较高。此硅化作用也可以结合局部镍沉积来进行，例如使用喷墨沉积可能反应的镍点，由此免于需要选择性地湿式蚀刻来自其它区域的未反应的镍。
提出的方法和得到的电池结构可以利用柔性的CTE匹配背板来提供柔性增加的电池设计，尤其是结合薄的或减薄的吸收体层。吸收体层可能已经是薄的(约80μm以下)，例如用无切口方法在可重复使用的模板上以沉积外延薄膜生长的方式形成，或可能需要减薄，例如在较厚的(约100至180μm厚)起始CZ或其它结晶晶片的情形下层压后或在可重复使用的模板上以较厚的沉积外延生长方式形成时。电池柔性适用于柔性的模块封装概念，例如提供极薄、轻量且柔性的模块的无玻璃模块。这些相同的柔性模块属性也可以进一步减少这些制造模块的安装和总体系统平衡(BOS)成本。
进一步提供其它的方法用于图案化背面结构(发射极与基极接合区以及用于M1的接触区开口以供与发射极和基极接触区接触)。通常对于高性能的IBC电池保持低的背表面复合速度。可能由激光加工引起的对结构化区域的损害可能对BSRV不利且由此对可达到的开路电压性能不利。由于背面的结构化取决于脉冲激光烧蚀对氧化物的选择性去除，例如来自使用激光的某些区域的掺杂玻璃，因此应多留意减小和/或避免来自激光加工的损害。脉冲皮秒和飞秒激光可避免这种损害，但仍留下一些可能减小得到的电池效率的残余损害。
作为一种替代方法，提供使用遮蔽层且接着使用激光进行遮蔽层图案化，例如使用诸如使用缓冲或未缓冲的氢氟酸(HF)的湿式蚀刻步骤进行氧化物去除。图44A和44B的横截面图说明这些概念。图44A是显示对硅层上的BSG(或PSG)层使用ps激光进行直接氧化物烧蚀的横截面图。在暴露Si层524的BSG(或PSG)层522中通过激光束分布526形成激光烧蚀的开口520。在玻璃与Si的界面528和过剩束能量区530处的Si中可形成受损的Si区。
图44B是显示对硅层上的BSG(或PSG)层使用ps或ns激光和湿式蚀刻开启来烧蚀硬掩模的横截面图。通过在硅层544上的BSG(或PSG)层542上的硬掩模层540中进行激光束分布546形成激光烧蚀的开口548。硬掩模层540可以是诸如抗蚀剂或聚合物的临时性硬掩模或诸如a-Si的永久性硬掩模。湿式蚀刻随后形成湿式蚀刻开口552，露出硅层544中的无受损区域550。例如，遮蔽层可以在沉积玻璃顶部以非晶形硅的形式涂覆，在某些情形下用相同的常压沉积工具，或或者使用PECVD或PVD。随后用激光选择性地烧蚀薄的(在约50至约几百埃的厚度范围内)非晶形Si(a-Si)，且为后续蚀刻步骤提供硬掩模。未经处理区域中的未烧蚀a-Si无需去除，而仅作为后续锅炉退火步骤的部分经氧化。此方法对于选择性发射极窗和基极窗开启方法的情形易于实施。
作为使用a-Si的替代方式，遮蔽层例如也可以由诸如抗蚀剂或光阻剂的聚合物或其它有机材料组成。聚合物的厚度可小于一微米且涂覆方法可具有极高的聚合物或抗蚀剂利用率，诸如辊涂或喷涂。聚合物或抗蚀剂的一项重要要求是与玻璃良好粘附且可承受使用缓冲或未缓冲HF的氧化物蚀刻过程。
在一个实施方案中，后续的激光步骤随后烧蚀抗蚀剂或聚合物，随后下方的玻璃局部被蚀刻掉，接着剥除抗蚀剂或聚合物(在某些情形下，用与蚀刻相同的工具)。这种方法为激光加工购买了大的加工余裕，因为聚合物可以在甚至比a-Si或玻璃低得多的激光影响下进行烧蚀，由此导致未受损的接触区。这种方法也允许使用比皮秒激光更便宜且操作也更便宜的纳秒激光。而且这种方法在M1接触之前对于接触开口激光加工步骤而言易于实施，因为聚合物或抗蚀剂是在玻璃蚀刻之后去除的。
以较高的材料成本为代价，聚合物或抗蚀剂也可以具光敏性，例如具有正向光阻作用且激光过程仅暴露光阻剂(而非将其烧蚀)。在此情形下，紧接发生的湿式步骤首先使抗蚀剂在分批或内联浴中显色，接着进行局部玻璃蚀刻，接着进行抗蚀剂去除和清洁步骤(在某些情形下，全部在一个湿式工具中进行)。
图45至49显示用于制造背板连接背接触太阳能电池的几个代表性的加工流程实施方案：(i)不进行层压后的湿式加工，和(ii)不超越SDR和纹理化方法进行的减薄来减薄硅晶片。这些方法流程产生与较早的方法流程相比具有较厚吸收体层的背接触太阳能电池(典型地在约100μm至高达约150μm的范围内)。在图45至49中，正面钝化包括薄的热氧化物下层以及氢化氮化硅场辅助的钝化层(也充当抗反射涂层或ARC层)。钝化层例如可以是PECVD氢化非晶形硅与氮化硅的堆叠(不含薄的热氧化物)。
图45至49是无选择性发射极且利用无激光损坏去除过程的顶帽式脉冲激光烧蚀的体CZ晶片背接触太阳能电池加工流程。图45是利用两个APCVD和三个锅炉的加工流程。图46至48是利用两个APCVD和两个锅炉的加工流程。图49是利用一个APCVD和两个锅炉的加工流程。
尽管显示的这些加工流程都无选择性的发射极形成，但其可延伸至包括选择性发射极(例如，通过增加一个APCVDBSG和一个脉冲激光烧蚀加工步骤)。这些加工流程实施方案的重要优势包括：
-无层压后湿式化学加工消除对背板的化学侵袭或背板分层的风险。
-可使用标准的磷掺杂锅炉形成与正面纹理共形的掺杂前面场(FSF)，而无任何与背板材料相关的限制且对于FSF而言无需脉冲激光掺杂。
-图45至49中描绘的五个流程产生具有较厚吸收体层(与减薄的硅吸收体加工流程相比)的背接触电池，因此其需要具有相对较高的少数载流子复合寿命的起始晶片以实现与由上文提供的加工流程所产生的减薄硅太阳能电池相同的高效率。
提供示范性实施方案的以上描述以使得本领域技术人员可进行或使用所要求的主题。对这些实施方案的各种修改将易于为本领域技术人员所明白，且本文定义的一般原则在不使用创新功能的情形下可适用于其它实施方案。因此，要求的主题不打算限制为本文所示的实施方案，而应根据与本文公开的原则和新颖特征相一致的最广泛范畴。
Claims (16)
1.一种形成背接触背结太阳能电池的方法，其包括：
在具有光接收正面和与所述正面相对的背面的半导体晶片的背面上形成发射极和基极接触区；
在所述晶片背面上形成第一级接触金属化；
使电绝缘背板与所述半导体晶片背面附接；
在所述半导体晶片中形成隔离沟槽，所述隔离沟槽使所述半导体晶片图案化成多个电隔离岛；
减薄所述半导体晶片；
在所述电绝缘背板上形成金属化结构，所述金属化结构使所述多个岛电连接。
2.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中所述在所述半导体晶片中形成隔离沟槽的步骤将所述半导体晶片完全地划分成多个电隔离岛。
3.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中所述在所述半导体晶片中形成隔离沟槽的步骤将所述半导体晶片部分地划分成多个电隔离岛且所述减薄所述半导体晶片的步骤完成所述划分且使所述多个岛电隔离。
4.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其还包括在形成发射极和基极接触区之前，在所述半导体晶片的所述背面上形成背面场。
5.如权利要求4所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中使用热掺杂沉积和推进工艺来形成所述背面场。
6.如权利要求4所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中使用掺杂剂离子注入和热退火来形成所述背面场。
7.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中所述减薄所述半导体晶片是湿式蚀刻工艺。
8.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中所述减薄所述半导体晶片是干式蚀刻工艺。
9.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中所述减薄所述半导体晶片是研磨机械工艺。
10.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中所述减薄所述半导体晶片是使用激光分裂或离子注入的裂解工艺。
11.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中使用UV激光来形成所述隔离沟槽。
12.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中使用IR激光来形成所述隔离沟槽。
13.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中使用机械锯来形成所述隔离沟槽。
14.如权利要求1所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其还包括在减薄所述半导体晶片之后形成前面场。
15.如权利要求14所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中使用气体浸没激光掺杂来形成所述前面场。
16.如权利要求14所述的形成背接触背结太阳能电池的方法，其中使用沉积在所述正面上并且使用激光推进的掺杂剂前体来形成所述前面场。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20151202 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |